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多径路由通信下网络化控制系统的协同设计与分析

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多径路由通信下网络化控制系统的协同设计与分析

作者：姚俊毅浙江工业大学

学位级别：硕士

在网络化控制系统中,传感器、执行器和控制器分布在不同区域,并通过无线网络形成相应的控制回路。其中,多径路由的传输方式在网络化控制系统中普遍存在,但是,现有的研究中却较少涉及。事实上,多数数据通信网络均为多跳网络,即从源节点... 详细信息

在网络化控制系统中,传感器、执行器和控制器分布在不同区域,并通过无线网络形成相应的控制回路。其中,多径路由的传输方式在网络化控制系统中普遍存在,但是,现有的研究中却较少涉及。事实上,多数数据通信网络均为多跳网络,即从源节点到目的节点的数据传输需经过多个中继节点,而通信网络往往采取动态的路由发现机制,这就使得从任一源节点到目的节点的传输路径不唯一,即所谓“多径路由”。从通信网络角度看,多径路由对网络的负载均衡、路由可靠性等方面有较大帮助。但是,多径路由的存在对网络化控制系统的设计和分析带来了新的机遇和挑战。一方面,可以通过新颖的设计充分利用多径路由的特性以提高网络化控制系统的数据传输效率,另一方面,对多径的调度、分配和优化等也需要新的解决方法。本文主要研究了多径路由通信下的网络化控制系统的协同设计问题。首先对多径路由网络化控制系统进行建模,从兼顾控制系统稳定性和有利于网络整体环境的角度出发,提出了多径路由调度算法和相关的控制器设计方法,不仅保证了系统的稳定性,并在考虑实时网络情况的前提下,实现了网络的优化。本文严格限制了网络的条件,未来将进一步放宽该限制,考虑在多径通信网络中使用竞争机制来处理同时的通道访问请求或者使用基于状态的优先级来确定对网络的访问顺序,从而可以得到更一般和普适的调度和控制协同设计算法。本文的主要工作和成果如下:1.研究了基于多径路由的网络化控制系统时延补偿问题,提出了一种新的多径路由随机时延建模方法。针对基于多径路由的网络化控制系统,对多径路由中存在的时延和丢包进行建模,强调由长时延和多路径丢包所导致的数据包乱序的影响,并将其建立成有限状态的Markov跳变系统的形式,然后采用基于包的控制方法针对不同的执行器端时延的情况设计控制器。该方法不仅保证了系统的稳定性,还实现了全局网络的负载平衡。最后使用纯数值仿真对方法的有效性和优越性进行了验证。2.研究了基于多径路由传输引发的多时延切换问题,提出了一种新的网络化控制系统的路径调度和控制协同设计方法。针对基于多径通信路由的网络化控制系统的通信路径调度和控制器的协同设计问题,通过将不同通信路径切换所带来的时延变化建模为系统模态的切换,得到了所研究系统的切换系统模型,给出了使得闭环系统指数稳定的通信路径调度所需满足的条件,并提出了满足系统稳定和网络负载均衡的闭环通信路径调度方案和控制器设计方法。该方法不仅保证了系统的指数稳定性,并在考虑实时网络情况的前提下,实现了系统的局部最优。最后分别使用基于MATLAB的纯数值仿真和基于LabVIEW的虚拟仪器仿真对算法进行了验证,结果表明了协同设计方法的有效性和优越性。

关键词：多径路由控制系统负载平衡协同设计指数稳定

多径路由下网络拓扑估计的层析成像方法研究及测量平台的实现

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多径路由下网络拓扑估计的层析成像方法研究及测量平台的实现

作者：李源电子科技大学

学位级别：硕士

网络拓扑推断在计算机网络领域是十分重要的一个问题。无论对于普通的网络使用者还是网络管理者而言,精确了解网络内部结构对于监控网络运行状态,设计网络应用都具有重要的意义。由于实际网络内部可能存在大量不能提供测量协作的节点,... 详细信息

网络拓扑推断在计算机网络领域是十分重要的一个问题。无论对于普通的网络使用者还是网络管理者而言,精确了解网络内部结构对于监控网络运行状态,设计网络应用都具有重要的意义。由于实际网络内部可能存在大量不能提供测量协作的节点,传统推断方法会面临失效的风险,而基于层析成像的网络拓扑推断方法通过在网络边缘节点上收集网络端到端性能参数(如时延、丢包率等),然后利用收集到参数进行数据分析及统计特征提取,便可以推断网络拓扑结构。现有网络层析成像研究大都是在网络拓扑是树状拓扑的假设下进行的。然而随着负载均衡技术的应用,互联网中出现了越来越多的多径路由网络,此时网络端节点对间会存在多条可达路径,拓扑不再是传统的树形拓扑结构,并且传统层析成像方法不再适用,因此本文主要对多径路由下拓扑估计的网络层析成像问题进行研究。另外为使网络层析成像的研究更加方便高效,设计并搭建了一套基于PlanetLab与NS-3的层析成像测量平台。本文的主要工作与创新点概括如下:(1)提出了基于报文到达顺序的端到端路径数目识别算法。明确网络中多径路由数目对拓扑估计问题至关重要。本方法首先根据包组中报文到达顺序得到探测流约束集合,在不同的K值下对探测流使用有约束K均值算法进行聚类,得到不违反约束的最小的K值,最后使用传统K均值算法的对探测流进行聚类,对从最小K值开始的不同聚类结果利用相关标准进行评判,推断出可能的多径路由数目。通过实验证明了该算法在不同负载的网络中都能准确地推断出端到端路径数目。(2)提出了多径路由下基于节点插入的网络拓扑估计方法。通过将多径路由拓扑的分解为一个单源树状拓扑和若干多源树状拓扑证明了多径路由拓扑结构的可辨识性。方法首先对网络中单径路由节点利用传统方法进行拓扑恢复得到树状拓扑,然后利用端到端测量得到的多径路由路径与其它单径路由的相关性对其分支节点在树状拓扑上进行定位,从而最终恢复出多径路由网络拓扑结构。实验结果也证明了该方法可以准确估计多径路由网络拓扑。(3)设计并搭建了基于PlanetLab与NS-3的层析成像测量平台。该平台将实际网络测量与网络仿真相结合,可以完成实际网络多径路由发现及端到端参数测量等工作,并且可以对本文所提相关算法进行实验,结果也证明了算法的有效性。

关键词：网络层析成像端到端测量拓扑估计多径路由测量平台

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单源多径路由网络拥塞链路识别

电子与信息学报 2015年第9期37卷 2232-2237页

作者：潘胜利杨析儒张志勇钱峰胡光岷电子科技大学通信与信息工程学院成都611731 中国移动通信集团四川有限公司广安分公司广安638000

针对多径路由带来的端到端测量路径不确定性以及布尔模型不能很好地解决多拥塞链路的问题,该文在识别端到端测量路径的基础上,提出一种基于扩展状态空间的网络拥塞链路识别算法。首先基于探测流时延相关性进行自适应聚类,进而得到各路... 详细信息

针对多径路由带来的端到端测量路径不确定性以及布尔模型不能很好地解决多拥塞链路的问题,该文在识别端到端测量路径的基础上,提出一种基于扩展状态空间的网络拥塞链路识别算法。首先基于探测流时延相关性进行自适应聚类,进而得到各路径与探测流之间的映射关系。其次采用多门限的方式,将具有不同丢包程度的拥塞路径赋予不同的拥塞状态。最后将拥塞链路识别问题转化为一个约束最优化问题,并提出基于扩展状态空间的拥塞链路识别算法(ESSCLI)算法求解该问题。仿真结果表明,ESSCLI算法能够在多种不同网络场景下取得比当前算法更高的拥塞链路检测率。

关键词：网络测量拥塞链路识别网络层析成像多径路由最优化

低功耗无线图像传感器网络多径路由时延问题研究

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武汉大学学报（工学版） 2019年第11期52卷 1028-1034页

作者：谢银波杨光义胡明宇陈小桥武汉大学电子信息学院

利用无线传感器网络进行分段式图像传输,在链路易受干扰的环境中,大量的传输时间耗费在数据校验和重传的过程中,易造成云端路由节点能量的快速消耗,从而降低整个网络的服务期.为研究最优传输方法,建立了多径传输的低功耗无线图像传感器... 详细信息

利用无线传感器网络进行分段式图像传输,在链路易受干扰的环境中,大量的传输时间耗费在数据校验和重传的过程中,易造成云端路由节点能量的快速消耗,从而降低整个网络的服务期.为研究最优传输方法,建立了多径传输的低功耗无线图像传感器网络系统模型,基于排队论理论分析了延迟产生的原因,引入干扰因子,针对链路不可靠情况,以双径传输为重点,提出了基于双径路由的图传方法.模拟对比表明,随着分组数据的增多,链路损失的加大,采用所述方法的网络系统较传统的单径传输有更低的延迟率,图像数据可更快速地在汇聚节点生成,同时,整个网络将会有更好的生命期.

关键词：低功耗无线图像传感网多径路由端端时延双径并行传输

具有高效确认机制的双层卫星网络多径路由协议

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计算机应用研究 2020年第4期37卷 1183-1187页

作者：孙伟超梁俊肖楠丁然空军工程大学信息与导航学院西安710077

针对资源受限的LEO卫星网络中传统单路径路由协议数据传输速率较低的问题,基于GEO/LEO双层卫星网络模型提出一种基于网络编码(NC)的双层卫星网络多径路由协议(N-NCMR)。首先,通过GEO卫星为LEO卫星网络计算路由减轻LEO卫星的负担,结合NC... 详细信息

针对资源受限的LEO卫星网络中传统单路径路由协议数据传输速率较低的问题,基于GEO/LEO双层卫星网络模型提出一种基于网络编码(NC)的双层卫星网络多径路由协议(N-NCMR)。首先,通过GEO卫星为LEO卫星网络计算路由减轻LEO卫星的负担,结合NC技术动态地沿着多个不相交路径传输数据流的不同部分;其次,设计了一种高效的延迟确认机制加速数据传输,源节点在接收到前一组的确认(ACK)消息之前可以连续发送后续的组。仿真结果表明,该路由协议显著提高了LEO卫星网络的吞吐量和数据传输效率。

关键词：卫星网络路由算法网络编码多径路由吞吐量

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基于萤火虫算法的无人机组网多径路由算法

电子测量与仪器学报 2020年第9期32卷 69-76页

作者：逯建琦南建国王伟空军工程大学西安710038 95844部队酒泉735018

针对无人机自组网节点能量有限、移动快、数据多造成网络QoS下降的问题,提出将改进的萤火虫算法融入到多径路由中形成萤火虫多径路由算法(AOMDV-FMRA)。首先为减小速度对路径稳定度的影响,在路由发现过程中引入边界评价因子以适应拓扑变... 详细信息

针对无人机自组网节点能量有限、移动快、数据多造成网络QoS下降的问题,提出将改进的萤火虫算法融入到多径路由中形成萤火虫多径路由算法(AOMDV-FMRA)。首先为减小速度对路径稳定度的影响,在路由发现过程中引入边界评价因子以适应拓扑变化,再根据路径上节点的负载信息,对反向路由进行选择。最后将能量评价参数映射到萤火虫算法中对收集到的路径能量信息进行处理,作为流量分配的依据。实验结果表明,与AODV、AOMDV相比,在节点速度高、网络流量大的环境中,算法在端到端时延、网络生存时间、投递成功率、路由开销方面,均有良好性能。

关键词：无人机自组网多径路由边界评价因子萤火虫算法流量分配

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应用网络编码的空间信息网多径路由协议设计

航天器工程 2019年第6期28卷 52-57页

作者：韩欢韩笑冬王睿安卫钰张呈中国空间技术研究院通信卫星事业部

针对空间信息网的长时延和高误码问题,提出一种应用网络编码的多径路由协议.该协议设计了基于最佳路径可用度的多径路由建立方法;同时在传统多径路由传输的基础上,采用随机线性网络编码方式对数据包进行编码,通过同时考虑链路状况和接... 详细信息

针对空间信息网的长时延和高误码问题,提出一种应用网络编码的多径路由协议.该协议设计了基于最佳路径可用度的多径路由建立方法;同时在传统多径路由传输的基础上,采用随机线性网络编码方式对数据包进行编码,通过同时考虑链路状况和接收数据包个数确定编码次数,以优化编码策略;利用网络编码带来的冗余改进重传机制.在网络仿真G2(NSG2)平台上对路由协议设计进行仿真,结果表明,文章提出的路由协议设计分组投递率高,时延短,提高了网络性能.

关键词：空间信息网网络编码多径路由重传机制

基于网络编码的无线传感器网络多径路由模型分析

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计算机工程 2016年第4期42卷 37-43页

作者：刘创王珺杜蔚琪刘辉南京邮电大学宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室江苏常熟215500 南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室南京210003 中国移动通信集团江苏有限公司常熟分公司江苏常熟215500

网络编码技术应用于无线传感器网络时可增加网络吞吐量及可靠性,同时降低能耗,均衡网络负载,实现保密通信并提高网络安全性。多径路由具有稳定性强和资源利用率高的特点。基于此,研究无线传感器网络的3种多径路由模型:普通多径路由模型... 详细信息

网络编码技术应用于无线传感器网络时可增加网络吞吐量及可靠性,同时降低能耗,均衡网络负载,实现保密通信并提高网络安全性。多径路由具有稳定性强和资源利用率高的特点。基于此,研究无线传感器网络的3种多径路由模型:普通多径路由模型,基于网络编码的不相交多径路由模型以及基于网络编码的相交多径路由模型。利用理论推导出这3种模型的成功交付率和标准化冗余度计算公式,并对模型进行仿真及性能比较。结果表明,基于网络编码的相交多径路由模型可靠性高且能耗均衡,更适合应用于无线传感器网络。

关键词：无线传感器网络网络编码多径路由可靠性成功交付率标准化冗余度

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基于OLSR和源路由的多径路由算法的改进

西南交通大学学报 2010年第3期45卷 424-429页

作者：高雨曾华燊张洪西南交通大学信息科学与技术学院四川成都610031 成都大学医护学院四川成都610031

对基于优化链路状态协议(OLSR)和源路由的多径路由算法(SR-MPOLSR)进行仿真分析发现,由于网络拓扑信息不完整和多径耦合问题,SR-MPOLSR难以找到源路由路径,并且难以提高端到端分组传递的成功率.为此,对OLSR协议进行了扩展,增加了冗余扩... 详细信息

对基于优化链路状态协议(OLSR)和源路由的多径路由算法(SR-MPOLSR)进行仿真分析发现,由于网络拓扑信息不完整和多径耦合问题,SR-MPOLSR难以找到源路由路径,并且难以提高端到端分组传递的成功率.为此,对OLSR协议进行了扩展,增加了冗余扩散、代理发布和代理选择功能,以获得网络完整的拓扑结构;设计了一种耦合因子为0的多路径选择算法,以避免同源多径业务流之间的相互干扰.仿真实验表明,在大业务量的情况下,改进算法分组投递的成功率比原算法提高约10%.

关键词：移动Ad hoc网络多径路由 OLSR 源路由