無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Wireless Ad Hoc Networks,WANET)是一種無固定設(shè)備支持的自組織、自管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),目前應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速并且依然極具發(fā)展?jié)摿�。WANET不僅在國(guó)防軍事上有廣泛的應(yīng)用,而且也大量應(yīng)用在民用活動(dòng)中,比如探險(xiǎn)救援、道路監(jiān)測(cè)、災(zāi)情預(yù)防等。隨著日益豐富的無線通信及網(wǎng)絡(luò)傳輸新技術(shù)、新概念的引進(jìn)和融入,WANET系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)出應(yīng)用場(chǎng)景豐富化、功能多樣化、系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜化的趨勢(shì)。因此,如何提升WANET的傳輸吞吐量、時(shí)延以及能耗等方面的綜合性能成為當(dāng)前重要的研究?jī)?nèi)容。本文針對(duì)WANET中的介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)層接入、跨層協(xié)同傳輸?shù)燃夹g(shù)熱點(diǎn),從多信道傳輸、高能效MAC協(xié)議設(shè)計(jì)、高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景接入和物理層/MAC層/網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)四方面開展深入研究,從而達(dá)到提升WANET系統(tǒng)性能的目的。文章主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新性貢獻(xiàn)包括以下四個(gè)部分:(1)針對(duì)多信道場(chǎng)景下的多跳傳輸中節(jié)點(diǎn)接入問題,提出了一種包含輔助中繼節(jié)點(diǎn)選擇傳輸策略的MAC層協(xié)議及相關(guān)信道分配算法。該協(xié)議基于多信道多跳傳輸技術(shù)進(jìn)行接入時(shí)隙設(shè)計(jì),合理并充分的對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)及輔助節(jié)點(diǎn)的空閑時(shí)隙加以利用,從而在中繼時(shí)可選擇最佳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸;本協(xié)議中提出的信道公平分配策略基于信道狀態(tài)信息來信道分配以使得增益最大化,并結(jié)合傳輸環(huán)境因素加以優(yōu)化。在多信道多跳WANET場(chǎng)景中進(jìn)行的仿真分析可以證明其對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時(shí)延以及傳輸公平性的提高。(2)針對(duì)當(dāng)前單一類型的MAC協(xié)議的傳輸性能不足以及WANET系統(tǒng)對(duì)低能耗的迫切需求,提出了基于MAC層功率控制的混合類接入?yún)f(xié)議。該協(xié)議分別在傳統(tǒng)載波偵聽和時(shí)分復(fù)用傳輸機(jī)制的基礎(chǔ)上,進(jìn)行針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的傳輸需求,對(duì)二者進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),并將二者有機(jī)結(jié)合后設(shè)計(jì)出新的MAC層協(xié)議,使其在競(jìng)爭(zhēng)階段減少了不必要的開銷和控制信息傳輸次數(shù),在非競(jìng)爭(zhēng)階段增加了對(duì)空閑時(shí)隙的利用率。通過分析證明該協(xié)議相比現(xiàn)有同類協(xié)議,不但可以節(jié)省傳輸能耗,還能夠提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。(3)針對(duì)WANET的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域,即飛行自組網(wǎng)(Flying Ad Hoc Networks,FANET)中的傳輸特性與動(dòng)態(tài)組網(wǎng)需求,設(shè)計(jì)了一種高效、低能耗的MAC層協(xié)議,并基于該協(xié)議針對(duì)高動(dòng)態(tài)捷變網(wǎng)絡(luò)三維情景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該協(xié)議結(jié)合了FANET中的應(yīng)用場(chǎng)景高動(dòng)態(tài)化、立體化等特點(diǎn)及低功耗需求,將收發(fā)階段的傳輸機(jī)制分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì),使之提高了FANET的傳輸性能,降低能耗以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)全生命周期。相比現(xiàn)有同類協(xié)議,本章的設(shè)計(jì)可以有效地降低高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能耗、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。(4)針對(duì)WANET中單層傳輸架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)特性局限性,提出了“MAC層-物理層”雙層傳輸架構(gòu)以及“網(wǎng)絡(luò)層-MAC層-物理層”三層傳輸架構(gòu)。通過分析跨層協(xié)同傳輸技術(shù)在WANET系統(tǒng)中的重要性,首先在雙層架構(gòu)中設(shè)計(jì)了一種基于分布式編碼緩存的多址接入機(jī)制,使得網(wǎng)絡(luò)能夠在低負(fù)載階段利用空閑時(shí)隙進(jìn)行緩存,以降低高負(fù)載時(shí)網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力,能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)的高負(fù)載通信情況;進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)層引入跨層協(xié)同傳輸架構(gòu),可以利用網(wǎng)絡(luò)層路由信息來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)位置及距離信息獲取,并根據(jù)所得到的節(jié)點(diǎn)信息結(jié)合MAC層與物理層來調(diào)節(jié)傳輸功率,最終達(dá)到高效傳輸?shù)哪康摹?br> 【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.5
【部分圖文】：

研究背景近年來，以移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、移動(dòng)智能電子穿戴設(shè)備、車載智能設(shè)備以及家居家電等為代表的移動(dòng)計(jì)算與通信裝置正在以指數(shù)增長(zhǎng)的形式迅速的推動(dòng)著信會(huì)的發(fā)展與變革[1]。與此同時(shí)，大量的移動(dòng)設(shè)備所需的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)和數(shù)據(jù)獲取服為了各類用戶或客戶端所迫切需要的[2][3]。目前而言，依然有大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接是固定的基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施（比如網(wǎng)絡(luò)通信基站等）所實(shí)現(xiàn)的[4]。但是這種模式也存在著缺點(diǎn)和不足之處，首先是在人力、物力、財(cái)力方面的高要求、高代價(jià)；更重要的是，少固定基站或者處于固定設(shè)施遭易到破壞的環(huán)境中，這類網(wǎng)絡(luò)將無法進(jìn)行可靠的信輸[5]。在這種情況下，一種不需要固定基礎(chǔ)設(shè)施的無線分布式網(wǎng)絡(luò)可以解決上述問題，通之為無線自組織網(wǎng)絡(luò)，也叫無線自組網(wǎng)（Wireless Ad Hoc Networks, WANET）。該的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常是移動(dòng)的，并且發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息一般需要多次中繼才能到達(dá)目的節(jié)因此又稱之為移動(dòng)自組網(wǎng)（MobileAd Hoc Networks, MANET）[6]。圖 1-1 展示了傳靠固定設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)與 WANET 的區(qū)別，左上為傳統(tǒng)的基于基站的固定網(wǎng)絡(luò)（Fixedork）,左下為基于固定網(wǎng)絡(luò)的部分自組織網(wǎng)絡(luò)，而右邊為無固定設(shè)施的 WANET。

紀(jì)以來得到了飛速的發(fā)展及廣泛的應(yīng)用[8][18]。得益于 WANET 本身的無中心結(jié)構(gòu)，有許多對(duì)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能高并且無法依賴于固絡(luò)設(shè)施的場(chǎng)景可以選擇 WANET 來完成所需任務(wù)。與此同時(shí)，WANET 的快速部署態(tài)適應(yīng)能力可以使其應(yīng)對(duì)環(huán)境變化快的應(yīng)用場(chǎng)景[19]。伴隨著 WANET 及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，近年來以及未來一段時(shí)間內(nèi)，WANET 將會(huì)在以下場(chǎng)景中得到廣泛的應(yīng)用。1）WSN 系統(tǒng)：作為收集特定信息的設(shè)備，各式各樣的傳感器已經(jīng)遍布在生活中，大量的數(shù)據(jù)需網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在很多環(huán)境中，傳感器是難以通過固定傳輸設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)模蛞揽拷M成 WANET 進(jìn)行傳輸[20][21]。隨著各種相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，未來 WSN 中的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)朝著小型化甚至微型化向發(fā)展，可以近似成一個(gè)具有電源和簡(jiǎn)單計(jì)算能力的自治、緊湊的低成本節(jié)點(diǎn)，甚展成為塵埃傳感器。通常情況下會(huì)要求這種塵埃傳感器工作時(shí)間達(dá)到數(shù)小時(shí)甚至數(shù)且在無源狀態(tài)下，傳感器的功耗將決定著其全生命周期，甚至是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全生命，因此對(duì) WANET 及 WSN 應(yīng)用中的 MAC 協(xié)議設(shè)計(jì)的功耗和節(jié)能提出了嚴(yán)峻的挑][23]。

圖 1-3 平級(jí)結(jié)構(gòu) WANET 示意圖中，具體分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)，其結(jié)構(gòu)示意圖級(jí)即是所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率進(jìn)行通信傳輸，而通信頻率進(jìn)行傳輸。這種分級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是每個(gè)簇而且具有較好的可擴(kuò)展能力[32][33]。并且在簇頭失效整體網(wǎng)絡(luò)具有較高的抗毀能力。但是缺點(diǎn)是整體網(wǎng)而且簇頭可能成為網(wǎng)絡(luò)傳輸及能耗的瓶頸，在選取維護(hù)機(jī)制要求較高[34]。

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