基于渗流理论和元胞自动机的移动Ad hoc网络相继故障传播动力学机理研究

With the increadement of the mobile communication network scale and the complicated of the relevance between the different components,the local network fault spreads and forms cascading failure, which results in catastrophic consequences.This project adopts the combining method of percolation theory and cellular automata for the cascading failure propagation problem of mobile ad hoc network to make full use of the flexibility of percolation theory in solving the problem of phase change process and state transition and the advantage of cellular automata for the simulation of the dynamic and the parallel computing to study the following three common problems.The phase transition mechanism of the cascading failure propagation, the effective modeling method of the cascading failure propagation dynamic procedure and the influence on cascading failure propagation when considering the maintenance and control strategy.And the congestion node and congestion path will be obtained for the making of the effective strategies to chop off the causal chain of the cascading failure propagation and eliminate the loss and the disastrous influence result from the cascading failure. The research achievement of the project will promote the development and application of percolation theory,cellular automata and complex network. And it offers the theoretical and technical support for the application of mobile ad hoc network in military action and emergency relief.

随着移动通信规模不断增大，网络中各部件之间的关系复杂化，导致局部故障蔓延形成相继故障，造成灾难性的后果。本项目针对移动Ad hoc网络中的相继故障传播问题，采用渗流理论与元胞自动机相结合的方法，充分利用渗流理论在解决相变及状态转移方面的灵活性和元胞自动机模拟离散系统动态变化过程及并行计算的优势，对移动Ad hoc网络中的相继故障传播相变机理、网络中相继故障传播的有效建模方法和考虑维修和控制策略对移动Ad hoc网络中相继故障传播的影响三个共性问题进行研究,获得网络相继故障传播的拥塞节点、拥塞路径及时间演化规律，以便制定有效的应对策略，斩断相继故障传播的因果链条,消除由于网络相继故障导致的损失和灾难性的影响。 本项目的研究成果，将促进渗流理论、元胞自动机和复杂网络相关理论的发展应用，同时为移动Ad hoc网络在军事行动和紧急救援等领域的应用提供理论和技术支持。

移动ad hoc网络作为一种特殊的通信网络，是下一代移动无线通信网络应用中的一项关键技术，在战术互联网络、自然灾难监测和紧急救助及远程医疗领域、野外科学考察等有着广泛的应用。由于这种网络没有中心节点，不依赖固定基础设施，所有节点都是移动的，网络的拓扑结构动态变化，节点间通过无线信道相连，所以它比固定网络更容易遭受各种安全的威胁、恶意攻击而出现故障。当网络中遭到内部或是外部干扰威胁时，一个或者少数节点或边发生故障，通过节点之间的功能依赖关系在网络中传播，引起其他节点或者边发生故障，这样就会产生连锁效应，最终导致相当一部分节点甚至整个网络崩溃。本项目针对移动 Ad hoc网络中的相继故障传播问题，采用渗流理论与元胞自动机相结合的方法，给出了一种描述移动Ad hoc网络结构特性的复杂动态网络模型，利用复杂网络的研究方法，以节点的度分布、最短路径长度、聚类系数和节点介数等为特征参数，对这种复杂动态网络模型下移动Ad hoc网络的网络特征进行了探究；根据已有的静态网络中的故障传播模型的构建方法，分别建立了NF、SEF、SEFR和复合故障传播四种移动Ad hoc网络中的故障传播模型，基于复杂网络和渗流理论，通过理论分析和数值仿真，对网络中的故障传播的动力学规律和机理进行研究，发现了相继故障传播过程中的一些“反直觉”现象，这启发我们制定了多种故障传播抑制的防控技术，经仿真研究，这些防控技术能够有效地斩断相继故障传播的因果链条，减少甚至是消除由于相继故障导致的移动Ad hoc网络损失和灾难性的影响。.本项目基于复杂网络相关理论和建模方法，取得的研究成果能够指导实际移动Ad hoc网络的设计实践，对于提高军民两用无线自组网的可靠性、可用性，保障移动Ad hoc网络可靠、安全地发挥作用具有重要意义。