无线ad ho网络拓扑控制技术研究.pdf

摘 要 摘 要 无线AdHoc网络是一种充满发展潜力的无线网络通信系统，该网络具有的 自组织、自配置、自适应以及自愈能力使之能够灵活地用于各种无任何固定通信 基础设施支撑的环境。在影响无线AdHoc网络性能的众多因素之中，网络的拓 扑结构是不可忽视的一个重要方面，因此如何优化AdHoc网络的拓扑结构、增 强网络拓扑的容错能力并为上层通信协议提供良好的底层拓扑支撑是拓扑控制技 术研究的重点。本文从基于能量平衡的分布式拓扑控制技术、关键传输半径问题 以及高效的拓扑探测技术三个方面对AdHoc网络拓扑控制技术进行研究，并讨 论了无线传感器网络MAC地址的分配问题，具体研究成果如下： 1．针对现有大多数拓扑控制机制不能有效平衡网络节点能量消耗的问题，本文 Dynamic Contr01)。通过引入综合反映能量消耗及剩余能量两方面因 Topology 素的链路代价函数，EDTC能够根据节点能量的实时变化动态优化网络的拓 扑结构。同时，无需获取精确的地理位置信息，节点仅根据网络局部区域内 的拓扑信息即可确定所需的传输功率，从而完成对全局拓扑结构的优化，极 大地降低了算法实现时的复杂度及开销。该算法是一种局部化，轻量级的拓 扑控制机制。 2．在EDTC算法的基础之上，本文将动态进行拓扑优化的设计思想推广到异质 无线Ad Contr01) Hoc网络，提出了ESATC(Energy-awareSelf-AdjustTopology 算法。该算法更具一般性，能够用于由多种节点混合组成的无线AdHoc网络。 理论分析及仿真结果表明，与EDTC算法相同，ESATC算法能够构建具有连 通性以及最小代价特性的网络拓扑结构，能够显著地延长网络的“寿命”。 3．关键传输半径不仅能够保持网络的连通性，而且能够减小节点的能量消耗和 多址干扰，最大化网络容量。为了有效构建具有容错能力的网络拓扑结构， 本文主要针对有较广应用范围的一维无线AdHoc网络，研究了以一定概率保 障其拓扑二连通性的关键传输半径问题。从对网络割点出现概率的分析入手， 基于独立性假设，给出了网络二连通概率与网络分布区域大小、节点数目、 通信半径间的解析关系。仿真实验表明理论值与仿真值吻合良好，验证了所 得结果的正确性。在实际工程中利用所得结论可以合理配置网络参数，从而 改善网络拓扑结构在连通性方面的容错能力。 ISN国家重点实验室信息科学研究所宽带无线通信实验室 西安电子科技大学博士!学何论文：无线AdHoc网络拓扑控制技术研究 4．通过拓扑分割探测的方法预先发现网络连通关系中的薄弱环节，对保障多跳 Ad Hoc网络端到端通信具有十分重要的意义。针对网络中极易导致网络拓扑 分割的关键节点，本文首先证明了关键节点的判定准则，它从本质上揭示了 关键节点f的产生与两个决定性因素(邻节点度M以及基本回路度M)间的 关系，指出M—M≥2是关键节点i存在的充要条件，极大地方便了关键节点 的判定。在此基础之上，结合AdHoe网络具体应用背景，提出了一种分布式 PartitionDetection 拓扑分割探测算法DPDP(Dist舶uted Protoc01)。通过在局部 范围内进行关键节点的探测，该算法能够有效达到网络拓扑分割探测目的。 理论分析及实验结果表明：DPDP算法具有复杂度低、准确度高、开销小、 扩展性好的特点，与其它算法相比具有较优的性能。 5．针对无线传感器网络MAC地址开销较大的问题，本文提出了一种适用于传 Grid 感器网络的分布式MAC地址分配算法VGSR(VirtualSpatialReusing)。 该算法将网络分布区域划分为一系列虚拟小区，并建立节点地理位置坐标与 虚拟小区间的映射关系，通过MAC地址在不同虚拟小区处的空间复用达到 减小节点MAC地址