无线Ad hoc网络跨层设计研究

论文摘要

无线Ad hoc网络是由众多的无线移动节点通过分布式算法自组织而成的一种网络,每个节点兼有终端和路由器的功能,这些节点不需要网络基础设施的支持,自发地以多跳的方式快速地建立通信联系,具有部署方便,灵活的特点。无线Ad hoc网络具有自我建立、自我组织及自我管理的能力,节点间能相互协作,采用分布式算法控制网络行为,共同完成任务,并可以在移动、不稳定连结的情况下有效地使用资源,因而在商业、军事等领域具有诱人的应用前景。无线Ad hoc网络是一个复杂系统,研究的内容非常广泛。由于其资源有限,信道的容量随着网络的控制参数、环境不断发生变化,造成网络拓扑多变,原有的网络分层结构无法适应无线Ad hoc网络的需要。本文针对无线Ad hoc网络独有的特点,应用网络跨层设计技术,在无线Ad hoc网络的广播路由、多径路由、拥塞控制等方面进行了探索和研究。主要的工作如下:1、对现有无线Ad hoc跨层设计技术进行了全面的研究,给出了无线Ad hoc网络跨层设计的定义,分析了跨层设计的原因、优势和主要技术;对跨层设计的方法进行了分类,主要包括四种方法:层间传递相关信息,联合优化网络相关层,融合相邻层,分层作为网络最优化分解,并对他们进行了分析比较和评价;最后探讨了无线Ad hoc网络跨层设计面临的挑战和今后的研究方向。2、研究了一种跨层协助的广播策略。在无线Ad hoc网络中,对全网进行广播有着重要的应用。然而,网络节点资源、网络资源严重受限,广播引起的广播风暴问题加剧了资源的消耗。文中提出一种跨层协助的广播策略,该策略利用一跳邻节点的信息和物理层、数据链路层的信息统一在MAC层设置退避时间,并根据发送节点密度自适应调整退避的时间,减少转播冗余、冲突发生的概率和延迟,确保了广播的可达性。3、研究了一种能量高效的广播算法。无线Ad hoc网络节点的能量有限,广播消耗了较多的网络能量,平衡节点的能量消费,延长网络的寿命非常重要。提出了一种能量高效的无冲突的广播策略,该策略利用所有两跳邻节点的剩余能量和度等信息选择前向转播节点,并将前向转播节点分为相互不干扰的独立子集,统一为独立子集设置退避时间,避免冲突的发生。该策略平衡了网络中节点的能量消费、延长了网络寿命,同时也减少了广播延迟和转播冗余。4、研究了能量均衡的跨层多径路由算法。提出了一种无线Ad hoc网络能量均衡的跨层多路径路由选择算法EBCLMRA。算法EBCLMRA利用网络节点的跨层信息:节点的剩余能量参数、发射接收节点之间的距离、缓存队列的长度以及数据包的平均处理延迟等,决策多条路由的选择,从而构建多条不相交的多径路由。并在实际的数据传输过程中,根据发射接收节点间的距离,自适应调整发射功率,减少节点间的干扰,提高能量效率。该算法能均衡网络节点的能量消费,减轻节点的拥塞,延长无线Ad hoc网络的生存时间,减少网络延迟。5、研究了流量自适应平衡的跨层多径路由算法。提出了一种无线Ad hoc网络流量自适应平衡的多径路由选择算法LACLMRA。算法LACLMRA利用网络的跨层信息:传输层提供的数据端到端传输延迟、节点MAC层提供的最近一次传输成功前重传次数、网络层的缓存队列长度等信息选择路由,构建多条不相交的多径路由。并根据路由的质量,在多条路径中自适应分配流量,缓解节点的拥塞,减少了网络延迟,延长无线Ad hoc网络的生存时间。6、研究了跨层的拥塞控制算法。尝试将分层作为跨层优化的分解,提出了一种无线Ad hoc网络拥塞控制算法,该算法将整个无线Ad hoc网络建模成网络端到端会话的效用最大化函数,将网络的拥塞控制问题分解为传输层和链路层的控制问题。传输层与数据链路层通过链路的拥塞价格协调网络传输层与数据链路层的数据传输,无需修改原有TCP协议,也不需要对网络进行额外的信息探测,能有效地调节网络资源的消费,网络能根据本地的信息,控制网络数据的传输,从而有效地控制拥塞。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图清单
• 表清单
• 1. 绪论
• 1.1 无线Ad hoc网络概述
• 1.1.1 无线Ad hoc网络概念
• 1.1.2 无线Ad hoc网络的主要特征
• 1.1.3 无线Ad hoc网络发展历史
• 1.2 无线Ad hoc网络国内外研究现状及应用
• 1.2.1 国内外的研究现状
• 1.2.2 无线Ad hoc网络的应用
• 1.3 无线Ad hoc网络目前存在的主要问题
• 1.4 跨层设计方法的引入
• 1.5 性能评估的方法
• 1.6 研究工作及内容组织
• 1.7 本章小结
• 2. 无线Ad hoc网络跨层设计综述
• 2.1 无线Ad hoc网络跨层设计的概念
• 2.1.1 分层网络体系结构概述
• 2.1.2 跨层设计的定义
• 2.1.3 无线Ad hoc网络跨层设计的动机
• 2.2 跨层设计的设计思想
• 2.3 无线Ad hoc网络跨层设计的优势
• 2.4 无线Ad hoc网络跨层设计的理论方法和常用技术
• 2.5 典型跨层设计的实现方法
• 2.5.1 层间传递相关信息
• 2.5.2 联合设计
• 2.5.3 融合相邻层
• 2.5.4 分层作为网络最优化分解
• 2.5.5 比较
• 2.6 跨层设计的挑战和发展方向
• 2.7 本章小结
• 3. 无线Ad hoc网络跨层广播技术研究
• 3.1 广播问题
• 3.1.1 广播信息冗余问题
• 3.1.2 信道竞争问题
• 3.1.3 信号碰撞问题
• 3.2 现有的广播技术分类
• 3.2.1 Flooding
• 3.2.2 改进的Flooding
• 3.2.3 基于邻居信息的广播
• 3.3 各方案性能比较
• 3.4 无线Ad hoc网络广播的研究范围
• 3.5 跨层协作的广播策略
• 3.5.1 引言
• 3.5.2 网络模型
• 3.5.3 信号的衰减模型
• 3.5.4 跨层协作的广播算法（CLBA）
• 3.5.5 跨层协作的广播算法正确性证明
• 3.5.6 仿真结果和分析
• 3.5.7 结论
• 3.6 一种能量高效的广播算法
• 3.6.1 问题的提出
• 3.6.2 网络模型及问题描述
• 3.6.3 能量高效的无冲突广播算法CFBA
• 3.6.4 仿真
• 3.6.5 结论
• 3.7 本章小结
• 4. 跨层的多径路由算法研究
• 4.1 多径路由问题
• 4.1.1 多径路由概述
• 4.1.2 多径路由分类
• 4.2 多路径路由协议
• 4.2.1 无线Ad hoc网络多路径路由协议比较
• 4.2.2 多路径路由研究思路及发展趋势
• 4.3 Ad hoc网络负载自适应平衡的跨层多径路由算法
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 相关工作
• 4.3.3 网络模型及问题描述
• 4.3.4 算法描述
• 4.3.5 仿真分析
• 4.3.6 结论
• 4.4 无线Ad hoc网络能量均衡的跨层多径路由算法
• 4.4.1 引言
• 4.4.2 相关工作
• 4.4.3 网络模型及问题描述
• 4.4.4 算法描述
• 4.4.5 仿真
• 4.4.6 结论
• 4.5 本章小结
• 5. 跨层的拥塞控制算法
• 5.1 无线Ad hoc网络拥塞概述
• 5.1.1 无线Ad hoc网络拥塞主要原因
• 5.1.2 网络拥塞控制的原理
• 5.1.3 无线Ad hoc网络的拥塞控制方法和有线网络的区别
• 5.2 无线Ad hoc网络跨层拥塞控制算法
• 5.2.1 相关工作
• 5.2.2 网络模型
• 5.2.3 算法CLRCA
• 5.2.4 仿真
• 5.2.5 结论
• 5.3 本章小结
• 6. 总结与未来工作
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步的研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A
• 作者在攻读博士学位期间发表（含录用）的学术论文