论文摘要
无线Ad Hoc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Ad Hoc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Ad Hoc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Ad Hoc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,本文提出了一种基于能量感知的分布式拓扑控制算法EDTC（Energy-aware Dynamic Topology Control）。通过引入综合反映能量消耗及剩余能量两方面因素的链路代价函数,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 Hoc网络,提出了ESATC（Energy-aware Self-Adjust Topology Control）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Ad Hoc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Ad Hoc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。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i的产生与两个决定性因素（邻节点度Ni以及基本回路度Mi）间的关系,指出Ni-Mi≥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Ad Hoc网络具体应用背景,提出了一种分布式拓扑分割探测算法DPDP（Distributed Partition Detection Protocol）。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感器网络的分布式MAC地址分配算法VGSR（Virtual Grid Spatial Reusing）。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地址长度的目的。通过调整传感器节点的通信半径,VGSR算法能够在不失网络连通性的同时最大限度地降低MAC地址域的大小。理论分析和实验结果表明,该算法能够很好地适应网络规模的变化,具有消耗能量低和效率改善明显的特点,其性能优于现有的其他算法。
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