无线Mesh网络QoS路由关键技术研究

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近年来,无线Mesh网络(WMN)作为一种新兴的网络技术渐渐地走入了人们的视线,并以众多其它无线网络无可比拟的优势成为下一代因特网技术的重要组成部分。而其最重要的子网移动Adhoc网络(MANET)因其优良的特点以及在军事和抢险救灾方面具有其它网络所不可替代的作用,也成为下一代通信网络研究的重点。另一方面,多媒体业务的普及和商业应用的进展对于无线Mesh网络及移动Adhoc网络提供服务质量(QoS)保障的能力提出了越来越高的要求。然而,在两种网络中提供QoS保障面临着许多困难和挑战。因此,研究两种网络中端到端的QoS保障技术将具有重要的理论价值和实际意义。 本论文以此为背景展开研究,着重研究了WMN和MANET中有关QoS路由的若干关键技术。主要内容包括: (1)介绍了无线Mesh网络和移动Adhoc网络的发展历史和现状、优良特性以及应用场合等方面。详细地综述了两种网络的物理层、媒体接入控制层(MAC层)和路由层QoS保障技术以及跨层QoS设计技术的国内外研究现状,对其进行了系统地分类,并分析了它们的研究难点和研究方向。 (2)研究了一种针对移动Adhoc网络的基于移动预测模型的稳定链路度量算法,定义了稳定邻居度量和本地运动度量两种稳定测度。根据这两种测度,移动预测模型利用LZ78算法对本地节点与其邻居的稳定性概率进行预测,从而得到相应的稳定链路度量值。仿真结果表明该算法明显优于直方图算法和最小ID算法,所选链路的稳定性能显著提高。 (3)在基于移动预测模型的稳定链路度量的基础上,研究了一种基于自适应策略的稳定链路选择算法。引入运动因子和组合运动因子来描述本地节点的运动特性及当前的网络状况,利用模糊隶属度函数得出稳定测度(稳定邻居度量和本地运动度量)的重要性权值,并通过重要性加权的方法即可根据网络状况自适应地得到链路的稳定概率,从而为选择最稳定链路及路由提供依据。仿真结果表明该算法能很好地适应当前的网络状况,且明显优于LF算法和直方图算法。 (4)深入地研究了移动Adhoc网络中路径稳定度计算问题,提出了一种全新的路径稳定度的理论计算模型。该模型引入相关因子描述链路之间相关程度,进而构造链路之间的相关性结构,得到相邻链路同时稳定的概率,从而得出整个路径的稳定度。该模型既考虑链路之间的相关性,又能够容易地应用于任一距离矢量路由协议。仿真结果表明该模型明显优于传统的路径稳定度计算方法,估算结果趋近于真实值,并且应用该模型选择的路由最稳定。 (5)研究了移动Adhoc网络中各种路由策略,并以分割备份路由策略为基础,从理论上提出了基于稳定性的分割备份路由协议。该路由协议有机地将分割备份路由策略和本论文提出的稳定链路度量及路径稳定度计算模型结合在一起,从而提高了所选路由的稳定性。 (6)针对无线Mesh网络的异构特性和多媒体业务的QoS要求,研究了一种全新的、跨域、跨层、跨节点的无线Mesh网络QoS自适应体系架构。根据该体系架构的要求,进一步利用双层规划数学模型描述之。该双层规划数学模型将子网的优化结果作为骨干网优化准则的参数或约束,紧密结合了不同网络域的特点。在此基础上,研究并利用改进的蚁群算法来求解该双层规划模型,从而得出了基于双层规划模型的蚁群优化路由算法。仿真结果表明双层规划数学模型充分地考虑并优化了路径的各QoS指标,能够较好地适应WMN的异构特性从而有效地得到各QoS指标均较优的路径;而提出的蚁群优化路由算法能够很好地收敛于双层规划模型的理论最优解,且具有复杂度低、收敛速度快的特点。 (7)研究了一种简单新颖的产生满足任意自相关特性的瑞利波形的仿真模型,在此基础上得出无线信道中瑞利衰落波形的产生方法。特别地,得出了关于复合高斯随机过程同相分量或正交分量的自相关特性与其瑞利包络的自相关特性之间封闭形式的近似关系式,并对此作了误差分析。理论分析与仿真结果表明该模型能够有效地产生符合小尺度无线信道特征的瑞利衰落波形,满足自相关特性及平稳性的要求。
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