無線自組織網絡容量算法研究.pdf

1、無線自組織網絡(MANET)是由若干個可移動的無線收發(fā)裝置以自組織的方式形成的一個靈活、多跳、無中心網絡。由于無線自組織網絡具備組網過程不需要依靠任何預設的基礎設施等眾多優(yōu)勢，被廣泛地應用于軍事、醫(yī)療、救災、商務會議等各種實踐領域。其中，如何計算無線自組織網絡整體信道特性和傳輸協(xié)議下所能夠支持的最大信息流，便是無線自組織網絡容量問題，屬于網絡研究和設計的熱點領域。由于無線自組織網絡的特殊性(節(jié)點能量受限、拓撲結構靈活多變、多路徑衰落效應

2、等)使得無線自組織網絡平均吞吐量遠遠小于有線網絡，并不能直接應用香農公式計算無線自組織網絡容量。因此，針對無線自組織網絡的特點，設計算法計算網絡容量并設法提高網絡容量成為一個非常關鍵而有意義的課題。
　　在深入分析相關研究后，發(fā)現(xiàn)經典的無線網絡容量定義考慮不夠全面，比如并未包含網絡服務質量保障等約束要求。現(xiàn)實應用中，網絡路由協(xié)議、節(jié)點能量消耗模型與網絡容量計算結果密切相關。本文在網絡節(jié)點一階能量損耗數(shù)學模型的基礎上，分析了兩類無線

3、自組織網絡系統(tǒng)的容量計算方法：當網絡拓撲結構不確定時，推導無線自組織網絡容量上界與下界閉合數(shù)學表達式；當網絡拓撲結構確定時，建立網絡生存容量和動態(tài)容量的計算模型。在分析影響網絡容量的若干因素后，本文還提出了一種中繼節(jié)點功率優(yōu)化控制的協(xié)作通信系統(tǒng)，提高網絡信息的傳輸速率、降低網絡信息的傳輸中斷概率，以此達到提到網絡容量的目的。本文的主要工作和研究成果如下：
　　1．在Steven Weber等人信噪比網絡容量模型的基礎上，分析無線自

4、組織網絡信息的多跳傳輸概率，提出了一種基于生存時間的多跳無線自組織網絡容量計算方法，并推導網絡容量上界和下界的閉合數(shù)學表達式。針對節(jié)點位置服從均勻分布以及泊松點過程分布兩類隨機網絡，采用 MATLAB軟件進行數(shù)值計算，分析網絡節(jié)點數(shù)量與節(jié)點通信半徑對于網絡連通特性、網絡單跳容量、網絡多跳容量、網絡生存時間以及基于生存時間的多跳容量的變化規(guī)律。得到如下結論：基于泊松點過程分布的無線自組織網絡在多跳傳輸容量方面的表現(xiàn)要優(yōu)于基于均勻分布的網絡

5、，且無線自組織網絡的多跳特性有助于提高網絡傳輸容量。
　　2．本文將網絡生存時間內所能傳輸?shù)男畔⒖偭慷x為網絡生存容量，將某時刻網絡的可用容量定義為網絡剩余容量，亦可以稱為網絡動態(tài)容量，并建立整數(shù)規(guī)劃數(shù)學模型描述網絡生存容量與網絡動態(tài)容量。考慮到路由策略與網絡生存容量之間的關系，為獲得更大的生存容量，本文提出了一種基于Grover算法的能量感知路由策略。最后，建立仿真模型分析基于Grover算法的能量感知路由策略與經典的AODV路

6、由策略基礎上網絡生存容量、網絡動態(tài)容量的變化趨勢。得到如下結論：基于Grover算法的能量感知路由策略所獲得的網絡生存容量隨著網絡節(jié)點數(shù)量、通信半徑的增加而增加?；贕rover算法的能量感知路由策略在容量方面的表現(xiàn)要優(yōu)于經典的AODV路由策略，同時發(fā)現(xiàn)：無線自組織網絡節(jié)點的移動性有助于提高網絡生存容量、延緩網絡動態(tài)容量的下降速度。
　　3.在分析網絡容量定義以及網絡容量計算方法后，發(fā)現(xiàn)受限的網絡帶寬和網絡資源是限制網絡容量增長的

7、關鍵因素，改善網絡傳輸速率、降低中斷概率對提升網絡容量起著至關重要的作用。為此，本文提出了節(jié)點協(xié)作通信與功率優(yōu)化分配兩種方式提高無線自組織網絡容量。首先本文提出了一種節(jié)點中繼相互協(xié)作模式提高網絡平均傳輸速率，并在基于Grover算法的能量感知路由協(xié)議中引入節(jié)點標號方式予以實現(xiàn)網絡的最大流傳輸。然后，討論當網絡總功率受限時，建立優(yōu)化數(shù)學模型對中繼節(jié)點進行功率優(yōu)化分配，并采用遺傳算法求解最優(yōu)功率分配方案。最后，采用 MATLAB軟件進行數(shù)值