廣域定向MANET組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是一種在陸、海、空、天、磁五維空間開展的全方位對(duì)抗，尤其是電磁領(lǐng)域中的通信干擾與抗干擾已經(jīng)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重中之重。傳統(tǒng)的跳頻、擴(kuò)頻等抗干擾措施因帶寬受限已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高速通信下的抗干擾需求。目前，利用相控陣天線的聚能發(fā)射、隔離接收和空域?yàn)V波能力進(jìn)行抗干擾通信已經(jīng)成為新的有效途徑。然而定向天線信息廣播范圍小、定向網(wǎng)拓?fù)渥兓欤捎枚ㄏ蛲ㄐ沤o網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、作戰(zhàn)任務(wù)實(shí)

2、時(shí)性強(qiáng)、武器平臺(tái)種類多等特點(diǎn)，應(yīng)用離散數(shù)學(xué)中的圖論、圖譜理論、模式識(shí)別等理論對(duì)廣域定向移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Networks,MANET）的組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了研究，具有較強(qiáng)的軍事意義和應(yīng)用價(jià)值，研究成果如下：
　　針對(duì)廣域MANET網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)（如旗艦、預(yù)警機(jī)等）具有雙頻通信能力的特點(diǎn)，在典型雙頻MBNP分簇算法的基礎(chǔ)上提出了基于雙頻的分布式分簇算法——DFDC（Double-frequency Distrib

3、uted Clustering）算法，該算法采用雙頻傳輸模型，選取部分具有雙頻通信能力的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，符合廣域MANET應(yīng)用實(shí)際，且簇的維護(hù)采用專門的信道，降低了簇維護(hù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信的影響，有效提高了通信效率。理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)表明DFDC算法解決了該MBNP算法可能存在的相隔三跳簇頭不連通問(wèn)題。
　　針對(duì)在某些特定的應(yīng)用（如協(xié)同作戰(zhàn)）中要求廣域定向MANET簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)具有一定集群性的要求，提出了一種基于地理位置的分簇算法——FNC(

4、False-Nearest Clustering)算法。一般的分簇算法大都基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，或者無(wú)法按照地理位置進(jìn)行分簇，或者分簇結(jié)果不能調(diào)整。FNC算法利用偽最近鄰分類模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，不但可以將地理位置接近的節(jié)點(diǎn)劃入一個(gè)簇中，而且分簇結(jié)果不滿足需要時(shí)可再次進(jìn)行調(diào)整。此外，該算法有效實(shí)現(xiàn)了簇間負(fù)載均衡。
　　廣域定向MANET利用定向天線的空間隔離可實(shí)現(xiàn)空分多址接入（Space Division Multiple Addre

5、ss,SDMA），SDMA可有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率、降低信息共享時(shí)延。針對(duì)廣域定向MANET的空分多址需求，提出了基于子圖同構(gòu)模型的空分多址映射算法——SDMAM(Space Division Multiplexing Access Mapping)算法，該算法利用子圖同構(gòu)數(shù)學(xué)模型解決空分多址設(shè)計(jì)中的模式圖和目標(biāo)圖之間的映射關(guān)系。針對(duì)子圖同構(gòu)算法運(yùn)算量過(guò)大的問(wèn)題，SDMAM算法根據(jù)圖譜理論設(shè)計(jì)了兩種過(guò)濾策略，將模式圖節(jié)點(diǎn)的映射節(jié)點(diǎn)搜索范圍限

6、制在映射集之內(nèi)，從而避免盲目搜索，有效降低了子圖同構(gòu)映射搜索的運(yùn)算量。分析和仿真表明，相比經(jīng)典Ullmann’s算法，SDMAM計(jì)算復(fù)雜度較低，且能在較短的時(shí)間內(nèi)完成兩個(gè)圖的匹配映射。為進(jìn)一步降低子圖同構(gòu)的運(yùn)算量，提出了基于區(qū)域分簇和子圖同構(gòu)的空分復(fù)用算法——CSDMAM(ClusteringBasedon Space Division Multiplexing Access Mapping)，先通過(guò)FNC算法將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分類，再利用SD

7、MAM對(duì)類進(jìn)行映射搜索，若類映射成功則對(duì)映射類的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射搜索，該算法在一定程度上降低了SDMAM的運(yùn)算量。
　　針對(duì)廣域定向MANET某些應(yīng)用（如協(xié)同火力打擊）中對(duì)數(shù)據(jù)端到端傳輸時(shí)延極低的要求，提出了一種跨層優(yōu)化的路由選擇算法——MNCR(MAC and Network Cross-layer Routing)算法，該算法利用 MAC層反饋的空分多址時(shí)隙分配信息進(jìn)行選路。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包在某一時(shí)刻到達(dá)本節(jié)點(diǎn)時(shí)，本節(jié)點(diǎn)計(jì)算各種可能的

8、轉(zhuǎn)發(fā)路徑，然后根據(jù)空分多址時(shí)隙分配表計(jì)算經(jīng)各種轉(zhuǎn)發(fā)路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)延，并從中選擇時(shí)延最低的一條路徑，確保數(shù)據(jù)包在最短時(shí)間內(nèi)被轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，MNCR算法有效降低了端到端的信息傳輸時(shí)延，并均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。
　　針對(duì)廣域定向MANET某些應(yīng)用需要以大范圍信息傳輸保障為主時(shí)，此時(shí)更注重對(duì)網(wǎng)絡(luò)的頑存性和網(wǎng)絡(luò)管理靈活性的要求。通過(guò)構(gòu)建虛擬骨干網(wǎng)不但可以提高網(wǎng)絡(luò)的頑存性和網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性，而且能夠降低路由計(jì)算和維護(hù)的開

9、銷，并提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率。針對(duì)這些需求，提出了基于雙向鏈路模型的分布式虛擬骨干網(wǎng)構(gòu)建算法——DBCDS(Distributed Bidirectional-Link Connected Dominating Set)算法，該算法采用DGB（Disk Graph with Bidirectional Link）模型建模廣域MANET，并利用連通支配集方法構(gòu)建虛擬骨干網(wǎng)，從而將路由計(jì)算和維護(hù)限制在虛擬骨干網(wǎng)的范圍內(nèi)。DBCDS算法克服了典型

10、算法建模不準(zhǔn)確的缺陷，分析表明支配集連通階段采用全向請(qǐng)求和定向原路折回應(yīng)答的消息傳送方式，有效減少了連通支配集的冗余節(jié)點(diǎn)數(shù)目。此外，DBCDS算法不需要構(gòu)建生成樹，有效降低了算法的開銷；為了提高虛擬骨干網(wǎng)的可靠性及容錯(cuò)能力，提出了DKCDS(Distributedk-dominated Connected Dominating Set)算法，該算法首先利用DBCDS算法構(gòu)建連通支配集，然后依次迭代計(jì)算k-支配集并構(gòu)建回路以實(shí)現(xiàn)虛擬骨干網(wǎng)