电磁纳米网络通信模型及跨层MAC与路由协议研究

论文摘要

电磁纳米网络由大量的尺寸在几百纳米到几十微米的纳米节点组成,通过太赫兹（Terahertz,THz）频段（0.1-10 THz）进行节点间的通信,具有传统宏观无线传感器网络所不具备的潜能,在军事、环境和生物等领域具有非常重要的应用前景。然而,由于纳米节点的物理约束以及所采用太赫兹频段的特性,导致现有的无线网络技术无法适用于电磁纳米网络中。针对纳米网络中能量捕获和资源短缺的节点硬件特性、高节点密度的网络特性、以及高路径衰减的太赫兹信道特性,研究电磁纳米网络的通信模型和跨层通信传输协议。提出的通信模型和方法既可以完善纳米网络的底层理论研究,又注重上层协议设计,将为纳米网络的实际应用奠定基础,具有重要的理论意义和应用价值。基于现有的纳米网络中太赫兹信道衰减模型的基础之上,1)构建高节点密度下太赫兹频段多径干扰和覆盖模型;2)面向集中式和分布式网络拓扑结构,基于时间扩散的开关键控调制（Time Spread On-Off Keys,TS-OOK）方式,研究基于时序接收驱动的纳米网络媒体访问控制（Medium Access Control,MAC）层通信方法;3)结合人工智能算法,研究可以通过节点状态更新路由表的偏转路由算法;4)对能量捕获下纳米网络的可达吞吐量进行建模,为纳米网络的设计提供理论基础。具体的工作和成果如下:1.采用随机几何方法对3D纳米网络中纳米节点受到的多径干扰进行建模,对采用波束成形天线的纳米控制器的覆盖范围进行建模,为纳米网络中的协议设计提供理论依据。首先,基于太赫兹的信道高衰减、短波长特性,提出纳米网络遮挡模型;然后,通过随机几何和距离相关函数,对来自纳米节点和纳米控制器的可视干扰和非可视干扰分别建模,并获得对应的信号干扰噪声比;最后,结合3D纳米网络的特性和波束成形天线的特性,研究不同参数下波束成形天线的覆盖性能,为纳米网络结构设计提供理论依据。2.针对纳米网络高节点密度、纳米节点资源短缺的特性,结合物理层TS-OOK调制方法的特点,提出基于时序接收驱动的纳米网络MAC协议,降低纳米节点之间数据传输发生碰撞的概率,减少网络时延,提高纳米节点的能量利用效率。在协议中,纳米节点将单个时间帧划分为多个时隙,并通过自身ID分配相应的接收驱动时隙。并以网络中的干扰和覆盖范围模型为基础,针对集中式和分布式网络结构设计了对应的网络通信方法。最后,通过实验和建模对算法的能量消耗、延时和吞吐量进行分析,并与多种现有的MAC协议进行对比,实验结果表明提出的算法拥有更好的性能。3.针对纳米节点缓存和能量有限、能量捕获的特性,提出了基于增强学习的偏转路由算法,以适应纳米节点能量的浮动性并提高数据包成功传输率。在算法中,建立新的纳米路由表和偏转路由表,使得纳米节点在路由表中的下一跳纳米节点不可达的情况下可以偏转相应的数据包以提升成功传输率;提出一种能量预测算法帮助纳米节点在偏转的过程中更好做出决策;设计一种前馈更新方法和两种反馈更新方法使得纳米节点可以根据偏转率、丢包率、跳数、能量状态等对路由表和偏转路由表进行更新,适应网络和纳米节点状态的变化。通过实验仿真可知,采用同策略更新方法的算法比采用其他更新策略的算法和泛洪路由具有更高的吞吐量。4.为了解纳米网络在不同参数下的性能,便于设计不同场景要求下的纳米网络,对采用太赫兹频段通信的电磁纳米网络的最大可达吞吐量进行建模。该模型有助于研究者针对不同的网络环境和要求配置不同的参数,实现更高效的纳米网络。在模型中,充分考虑了太赫兹信号的传输损失和分子吸收损失的影响,同时针对纳米节点在不同能量捕获状态下的特点,提出两种纳米节点能量状态模型;然后,在提出的能量效率和频谱效率指标的基础上,结合香浓定理,对纳米节点能量捕获速率和最大传输功率受限下的吞吐量进行建模分析。最后,通过实验测试验证了该模型的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 研究内容与创新点
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 创新点
•   1.4 本文组织结构
• 第二章 电磁纳米网络节点设计及通信技术研究概述
•   2.1 引言
•   2.2 电磁纳米网络节点硬件设计
•     2.2.1 纳米节点整体结构设计
•     2.2.2 基于石墨烯的纳米天线设计
•     2.2.3 基于压电感应的纳米发电机设计
•   2.3 电磁纳米网络通信方法研究概况
•     2.3.1 太赫兹频段特性
•     2.3.2 太赫兹频段通信模型
•     2.3.3 纳米网络中基于太赫兹频段的通信协议
•   2.4 本章小结
• 第三章 基于随机几何的纳米网络多径干扰和覆盖模型
•   3.1 引言
•   3.2 3D纳米网络系统模型
•     3.2.1 典型3D纳米网络结构
•     3.2.2 波束成形天线模型
•     3.2.3 纳米网络中节点阻挡模型
•   3.3 基于随机几何的纳米网络多径干扰建模
•     3.3.1 太赫兹信道多径效应
•     3.3.2 来自纳米节点的干扰
•     3.3.3 来自纳米控制器的干扰
•   3.4 带有波束成形天线的纳米控制器覆盖范围建模
•     3.4.1 多径干扰下的信号干扰噪声比模型
•     3.4.2 基于波束成形的纳米控制器覆盖范围模型
•   3.5 实验结果及分析
•     3.5.1 纳米网络中多径干扰分析
•     3.5.2 基于波束成形的纳米控制器覆盖性能分析
•   3.6 本章小结
• 第四章 基于时序接收驱动的纳米网络媒体访问控制协议
•   4.1 引言
•   4.2 集中式和分布式纳米网络结构模型
•   4.3 基于时序接收驱动的MAC协议详细说明
•     4.3.1 接收驱动时隙划分及选择
•     4.3.2 面向集中式网络的通信方法
•     4.3.3 面向分布式网络的通信方法
•     4.3.4 协议数据帧格式
•   4.4 算法性能分析
•     4.4.1 算法能耗分析
•     4.4.2 算法传输时延分析
•     4.4.3 算法吞吐量分析
•   4.5 实验仿真及分析
•     4.5.1 性能指标及参数设置
•     4.5.2 多种算法性能对比
•   4.6 本章小结
• 第五章 基于增强学习的纳米网络偏转路由算法
•   5.1 引言
•   5.2 偏转路由概述
•   5.3 基于增强学习的偏转路由表更新算法
•     5.3.1 偏转路由表设计
•     5.3.2 纳米节点能量预测算法
•     5.3.3 前馈路由表更新算法
•     5.3.4 反馈路由表更新算法
•   5.4 基于增强学习的偏转路由通信方法
•     5.4.1 偏转方法设计
•     5.4.2 发送数据流程设计
•     5.4.3 接收数据流程设计
•   5.5 基于增强学习的偏转路由算法性能分析
•   5.6 实验仿真及分析
•     5.6.1 仿真平台及环境
•     5.6.2 传输距离对算法性能影响的仿真及分析
•     5.6.3 节点密度对算法性能影响的仿真及分析
•     5.6.4 能量捕获速率对算法性能影响的仿真及分析
•     5.6.5 重传次数对算法性能影响的仿真及分析
•     5.6.6 不同学习参数对算法性能影响的仿真及分析
•   5.7 本章小结
• 第六章 能量捕获下纳米网络可达链路吞吐量模型
•   6.1 引言
•   6.2 基于能量捕获的纳米网络系统模型
•     6.2.1 基于压电的纳米能量捕获系统
•     6.2.2 纳米节点能量状态模型
•     6.2.3 信号干扰噪声比模型
•   6.3 能量捕获下纳米网络吞吐量最大化模型
•     6.3.1 单跳节点吞吐量
•     6.3.2 多跳通信方式和路由能耗分析
•     6.3.3 单路由最大纳米节点数量
•     6.3.4 纳米节点能量捕获状态模型
•     6.3.5 噪声下纳米网络吞吐量上界
•     6.3.6 干扰下纳米网络吞吐量上界
•   6.4 实验及分析
•     6.4.1 不同吞吐量模型对比
•     6.4.2 有无分子吸收吞吐量对比
•     6.4.3 不同发送功率吞吐量对比
•   6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
•   1 作者简历
•   2 攻读博士学位期间发表的学术论文
•   3 参与的科研项目及获奖情况
•   4 发明专利

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王超超

导师: 王万良,姚信威

关键词: 电磁纳米网络,太赫兹通信,跨层优化,路由协议,通信建模

来源: 浙江工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,互联网技术

单位: 浙江工业大学

分类号: TP393.04;O441

DOI: 10.27463/d.cnki.gzgyu.2019.000990

总页数: 143

文件大小: 3563K

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