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移动Ad-hoc网络(Moblle Ad-hoc Network,MANET)是4G无线通信网络中的重要研究课题,目前已成为无线通信技术领域中研究的热点问题。移动Ad-hoc网络是由无线移动节点组成的具有移动和自治特征的动态自组织网络系统,是没有中央控制实体的无线网络,每一个节点同时起到主机和路由器两种作用。因此,移动Ad-hoc网络非常适合于会议、灾难救援和灾区重建、家庭网络以及战场军事指挥等环境使用。其容量是保证移动Ad-hoc网络服务质量的关键性质之一。移动Ad-hoc网络的容量由网络平均每秒成功传输的数据量来衡量,针对它的研究十分复杂。同时,随着移动Ad-hoc网络向规模化发展的趋势,对大规模移动Ad-hoc网络容量研究的基础——可扩展性技术的研究需求也日臻紧迫。本文主要围绕上述两方面的内容展开研究。
本文的主要研究内容和成果如下:
(1)针对移动Ad-hoc网络中的节点共享无线信道,使得传输链路间不仅存在时间上的干扰,还存在空间上的干扰的特点,为对有限的网络资源进行优化分配,最大限度地使无线信道在空间上得到复用,以提高系统端到端吞吐量,进而提高网络容量,建立了基于移动Ad-hoc网络干扰模型的链路冲突图,并提出基于贪心算法和遗传算法的链路冲突图染色算法——共享无线信道的时空优化分配算法,为促使移动Ad-hoc网络容量达到上限奠定了基础。仿真实验验证了本算法在共享无线信道时空分配上的高效性。
(2)移动Ad-hoc网络容量是保证其服务质量的关键性质之一。根据移动Ad-hoc网络中无线信道和链路流量的特性,利用网络流理论、图染色理论及非合作规划博弈理论构造了节点流量分配的策略空间及基于节点发送流量速率和延迟为参数的节点流量分配效用函数,进而建立了归一化时间内基于共享信道的移动Ad-hoc网络容量分析模型,并证明了该容量分析模型的Nash均衡解的存在性,给出了模型的Nash均衡解的具体形式。数值仿真结果表明,该模型存在Nash均衡解,能有效地对网络容量进行分析,是一种普适性较强的MANET容量分析模型。
(3)研究了非合作规划博弈移动Ad-hoc网络容量分析模型的稳定性。首先求得非合作规划博弈移动Ad-hoc网络容量分析模型的源节点流量发送速率演化方程,在此基础上构造Lyapunov函数,运用MaπkuH稳定性定理得到非合作规划博弈移动Ad-hoc网络容量分析模型的稳定性。仿真实验验证了本模型具有优良的稳定性。
(4)研究了移动Ad-hoc网络可扩展性技术——分层协议。大规模移动Ad-hoc网络有效的分层协议可以增强网络逻辑拓扑结构的稳定性,减小通信中继花费。提出利用动态节点多特征融合结合GRF-MAP方法,构建大规模移动Ad-hoc网络分层结构,提高网络层次结构的稳定性。仿真数据表明,本协议在分层结构的稳定性方面明显优于其他协议。
本论文建立了基于非合作规划博弈理论的移动Ad-hoc网络容量分析的新理论框架,同时发展并丰富了构建大规模移动Ad-hoc网络分层协议的思路。