可靠性约束下无线Mesh网络资源优化分配问题研究

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无线Mesh网络架构是构建下一代无线宽带通信网络和无线战术互联网络的有效技术之一,其中网络资源分配是该网络架构下研究的重点内容,也是提高网络性能的关键技术。与此同时,拓扑可靠性对于战术互联网来说同样至关重要,无线Mesh网络的拓扑可靠性与网络资源分配的性能是相互关联的,同时也是相互制约的。但以往这两方面是分开研究的,而下一代战术互联网的需求是在满足一定可靠性的基础上尽可能提高网络资源优化分配的性能。为了解决这种可靠性约束下的资源优化分配问题,针对战术互联网的特点,首先研究网络可靠性评估方法,然后以可靠性评估方法为基础,对可靠性约束下网络资源分配中的拓扑控制、逻辑拓扑设计及信道分配、可靠组播路由等几方面开展了课题研究。首先,战术互联网络是以拓扑满足一定可靠性要求为前提,以提高网络传输承载能力为目标。针对这两方面问题,首先研究了网络拓扑的可靠性评估。由于网络抗毁性是衡量网络拓扑可靠性的主要依据,针对目前抗毁性评估方法主要侧重于全网络抗毁性度量以及没有细化任意节点间的抗毁性评估,在分析目前方法的基础上,得出节点间的不相交路径能够有效细化任意节点间的抗毁性评估,为此提出一种基于不相交路径的抗毁性评估方法。通过算例验证和仿真对比分析,验证了提出方法的正确性。接下来,针对网络传输承载能力,分别提出了服务质量要求下基于有序二叉决策图的单播通信可靠性评估方法和基于服务率权重的组播通信可靠性评估方法。通过算例验证和仿真分析,表明这两种评估方法准确反映了服务质量要求下单、组播通信的网络可靠性,为后续开展可靠性约束下无线Mesh网络资源优化分配提供了理论支撑。其次,在网络资源分配方面,为提高用于连级或以下部队的单接口单信道无线Mesh网络性能,提出了可靠性约束下该网络的拓扑控制方法。目前拓扑控制方法主要是以1连通或k连通作为约束条件,没有考虑任意节点间的具体可靠性要求。针对该问题,本文依据提出的拓扑可靠性评估方法,建立了可靠性约束下的网络拓扑控制优化模型,并配套研究了以最小化节点能量消耗和最小化节点干扰为优化目标的拓扑控制方法。方法基于图理论,利用最小生成树方法融入到不相交路径的计算过程,从而达到拓扑优化目标。通过理论模型和信道传播模型的仿真分析,验证了方法的正确性和有效性。再次,为了在保证网络拓扑可靠性的前提下提高旅、师级骨干无线Mesh网络的传输容量,多接口多信道是实现这一目标的有效技术,目前针对这方面的研究主要集中在信道分配方面,而对于网络拓扑结构对信道分配的影响研究较少。针对这一问题,首先分析了拓扑结构与信道分配之间的关系,然后提出了基于全向天线的可靠性约束下多接口多信道无线Mesh网络逻辑拓扑设计方法和信道分配方法。方法同样基于图理论,在求解任意节点间不相交路径过程中,通过减少节点间跳数和网络链路数来达到优化目标。接下来,针对在微波定向天线节点设备中无线接口数量的限定性,提出了基于微波定向天线的可靠性约束下逻辑拓扑设计方法,方法在最小化最大节点度的同时,考虑了空闲无线接口的利用率。通过仿真对比分析,表明提出方法在满足可靠性要求的同时,提升了多接口多信道无线Mesh网络的性能。最后,针对可靠组播路由在战术互联网络中的重要性,提出一种无线Mesh网络可靠组播路由的构建方法。由于构建多棵不相交组播树是建立可靠组播路由的有效方法,所以针对目前方法有效构建多棵不相交组播树的比例不高,提出基于增广不相交路径序列的多棵不相交组播树构建方法。方法首先通过计算源节点到每个目的节点的不相交路径和目的节点之间的不相交路径,然后基于增广不相交路径序列对上述计算的不相交路径进行多棵不相交组播树的构建。通过实例验证和仿真对比分析,提出的方法有效提高了求解多棵不相交组播树的比例,而且减少了组播树中的平均跳数、平均链路数量,同时也提高了网络平均吞吐量和平均时延等性能,验证了提出方法的正确性和有效性。
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