分布式网络自适应资源分配技术研究

作     者：叶榆丰 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦开宇

授予年度：2020年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：MANET TDMA 帧结构优化 自适应时隙分配 业务优先级 

摘      要：移动无线自组织网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)是一种分布式网络,具有去中心化、无基础设施、自适应组网、动态拓扑等特性,被广泛应用于无人机集群、移动传感网络等领域。影响MANET性能的关键设计在于物理资源的分配策略。现有的分布式时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)资源分配方案未充分考虑对动态业务的自适应性,尤其是业务优先级要素。在实际应用中,高优先级业务的资源接入往往需要优先保证,以保障重要信息的实时性。针对上述问题,本文开展了分布式网络的自适应资源分配技术研究,主要研究内容及贡献包括:一、设计了一种适用于动态分布式TDMA时隙分配算法的帧结构,并提出了一种基于分布式点着色的帧结构优化算法,提高了资源利用率。为设计高时隙复用率的帧结构,将动态时隙调度的帧结构优化建模为图论的顶点着色问题。在分布式颜色约束启发式(Distributed Color Constraint Heuristic Slot Assignment,DSA-CCH)着色算法的基础上通过引入Node参考因子增强了对起始着色节点的约束,提出了改进的分布式颜色约束启发式(Modified Distributed Color Constraint Heuristic,MD-CCH)算法。实验仿真表明,随着节点数目增加,所提MD-CCH算法能够优化帧结构对应传输阶段所需划分的时隙数,提高时隙资源利用率。二、提出了一种基于业务优先级的动态时隙分配(Service Priority based Dynamic TDMA Scheduling,SP-DS)算法,该算法具有如下特点:1)在时隙广播算法中,引入业务优先级信息时隙分配的参考因子。同时,采用随机令牌生成算法解决两跳范围内相同优先级节点的预约冲突。2)在时隙预约算法中,结合MANET端到端多跳路由协作传输的特性,将源节点与路由节点作为一个链路整体来考虑时隙预约顺序。3)在时隙分配算法中,依据不同业务优先级信息的数据量大小与实时性需求,提出了一种基于二叉树模型的自适应时隙分配算法。实验仿真结果证实了所提SP-DS算法基于业务优先级实施动态资源调度的有效性。当网络节点数为250时,SP-DS算法在时隙分配效率上优于几种典型的时隙分配算法。节点数为50时,SP-DS算法的网络吞吐量与端到端时延上优于几种典型额时隙分配算法。业务优先级的区分在分布式网络场景下具有重要应用需求,论文对于MANET场景下基于业务优先级的动态资源分配策略研究具有重要理论和现实意义。