無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連通性及路由關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以不依賴固定通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)自組織的方式迅速構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行信息的收集、處理和分發(fā)任務(wù)，因而存在廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。在這些應(yīng)用場(chǎng)景中，通常節(jié)點(diǎn)傳輸能力有限，距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)必須通過(guò)多跳的通信方式進(jìn)行信息交換。為使上層應(yīng)用成為可能，必須保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在物理鏈路上的連通性，同時(shí)還必須具有高效的路由算法負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)傳送到目的節(jié)點(diǎn)。因此，自從無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出至今，其連通性問(wèn)題和路由技術(shù)一直是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，受到研

2、究人員的廣泛關(guān)注。本文對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連通性及路由技術(shù)中亟待解決的一些基礎(chǔ)性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。這些問(wèn)題包括：無(wú)線傳播模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性的影響、動(dòng)態(tài)頻譜訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連通性分析、地理路由協(xié)議中路由尺度的兼容性分析以及新型路由算法的提出。通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題的研究，本文取得了如下研究成果：
　　 ⑴研究對(duì)數(shù)正態(tài)陰影無(wú)線傳播模型對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連通性的影響，推導(dǎo)出了保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處于部分連通狀態(tài)的臨界節(jié)點(diǎn)密度的理論上界。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影無(wú)線傳播模型較為真

3、實(shí)地反映了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)傳播損耗情況?；谠撃Ｐ停紫纫脒B接函數(shù)概念，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部分連通性問(wèn)題抽象為一類(lèi)特殊隨機(jī)圖的滲流問(wèn)題。隨后采用滲流理論，推導(dǎo)出了保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)處于部分連通狀態(tài)的臨界節(jié)點(diǎn)密度的理論上界。同時(shí)，基于幾何隨機(jī)圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了該理論上界的一個(gè)較為精確的估計(jì)數(shù)據(jù)。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論上界的正確性，并表明該理論上界的估計(jì)結(jié)果接近仿真實(shí)驗(yàn)的臨界節(jié)點(diǎn)密度，可作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署和功能評(píng)測(cè)的技術(shù)依據(jù)。
　　 ⑵對(duì)于動(dòng)態(tài)

4、頻譜訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，提出了饑餓鏈路的概念，并用饑餓鏈路的隨機(jī)特性來(lái)定量分析授權(quán)用戶對(duì)非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)連通性的影響；證明了非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)部分連通性的存在性，并給出了非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)存在部分連通性的必要條件。在動(dòng)態(tài)頻譜訪問(wèn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，授權(quán)用戶對(duì)分配的頻段具有優(yōu)先使用權(quán)，非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)的連通性受授權(quán)用戶的分布和授權(quán)用戶對(duì)頻段的使用行為的影響?；谶@一特性，首先將非授權(quán)用戶因無(wú)伺機(jī)使用的頻段而導(dǎo)致的無(wú)效物理鏈路定義為饑餓鏈路。饑餓鏈路的概率特性反映了

5、授權(quán)用戶對(duì)非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)連通性的影響程度。隨后推導(dǎo)出了某條鏈路是否為饑餓鏈路的概率，并給出了有限區(qū)域內(nèi)饑餓鏈路數(shù)量的數(shù)學(xué)期望和累積分布函數(shù)的下界。進(jìn)而采用連續(xù)滲流理論，證明當(dāng)授權(quán)用戶較為稀疏或者負(fù)載較輕時(shí)，非授權(quán)用戶可以構(gòu)成部分連通的網(wǎng)絡(luò)；反之，當(dāng)授權(quán)用戶較為密集并且負(fù)載較重時(shí)，我們無(wú)法部署部分連通的非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)。此外，在授權(quán)用戶和非授權(quán)用戶共享1個(gè)信道的情況下，給出了非授權(quán)用戶網(wǎng)絡(luò)存在部分連通性的必要條件。仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析

6、的正確性。
　　 ⑶研究地理路由協(xié)議中路由尺度的兼容性問(wèn)題，推導(dǎo)出了貪婪協(xié)議、平面圖協(xié)議和貪婪.平面圖協(xié)議具有無(wú)環(huán)性、可達(dá)性和一致性的充分條件和必要條件。錯(cuò)誤地使用路由尺度往往導(dǎo)致路由協(xié)議性能低下，甚至?xí)a(chǎn)生路由環(huán)路，該現(xiàn)象稱(chēng)為路由協(xié)議中路由尺度的兼容性問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種路由代數(shù)系統(tǒng)，并引入了3個(gè)不同的兼容性指標(biāo)--無(wú)環(huán)性、一致性和可達(dá)性?；诙x的代數(shù)性質(zhì)，推導(dǎo)出了貪婪協(xié)議、平面圖協(xié)議和貪婪.平面圖協(xié)議具有無(wú)環(huán)性、

7、可達(dá)性和一致性的充分條件和必要條件。這些分析結(jié)論為地理路由協(xié)議設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)依據(jù)。
　　 ⑷主要研究非UDG網(wǎng)絡(luò)模型下的地理路由算法問(wèn)題，提出了DGA雙貪婪算法。貪婪-平面圖算法通過(guò)構(gòu)造無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的平面子圖來(lái)保證地理路由的可達(dá)性，存在適用模型有限或開(kāi)銷(xiāo)大、算法復(fù)雜等缺點(diǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地理路由算法-DGA雙貪婪算法。DGA雙貪婪算法通過(guò)基于虛擬坐標(biāo)系統(tǒng)的貪婪算法繞過(guò)路由空洞節(jié)點(diǎn)，從而可以發(fā)現(xiàn)任意連通節(jié)