协作Ad hoc网络容量和能量有效的拓扑控制算法研究

摘要

Ad hoc网络具有快速组网、系统抗毁性强、不需要架设网络基础设施等优点，在军事、抢险、救灾等领域得到了广泛应用。Ad hoc网络存在网络传输有效性和能量有效性的折中问题。
　　拓扑控制技术作为Ad hoc网络研究的核心技术之一，对于降低节点传输功率以及增加网络容量具有明显的效果。近年来，协作通信技术(Cooperative Communication，CC)因为其能够减少传输功率和扩大传输范围，被用来辅助拓扑控制技术。在CC模型下的拓扑控制解决了传统的拓扑控制只能在初始化全连通的网络进行的限制条件，扩大了拓扑控制的应用范围。CC模型下的拓扑控制构建的稀疏拓扑图满足网络容量和能量有效性是一个具有挑战性的问题。
　　本文通过对现有CC模型下的拓扑控制算法的研究，采用功率分配的协作分簇方法优化网络容量和能量消耗。本文主要工作包括：
　　1)现有CC模型下的拓扑控制研究是在保持网络连通性的前提下通过降低节点的传输功率来最小化网络总能量消耗，这样会影响网络容量。本文综合考虑总能量消耗和网络容量，提出一种基于功率分配的协作分簇算法(CooperativeClustering Based Power Assignment，CCPA)。CCPA算法首先将网络分簇，然后通过使用协作通信技术使得簇间能够通信，再采用Kruskal算法去除冗余的CC链路，最后给每个节点分配传输功率。CCPA算法可以在提高网络容量的基础上保证能量有效。仿真实验结果表明该算法有效。
　　2)现有CC模型下的拓扑控制研究只考虑了如何减少网络的总能量消耗，并没有考虑如何均衡节点的能量消耗。生成的静态性拓扑结构会导致传输功率最大的节点一直保持最大的传输功率，以最快的速度消耗能量而网络过早的死亡，降低了网络的生存期。本文在CCPA算法的基础之上，提出了一个基于功率分配的动态协作分簇算法(Dynamic Cooperative Clustering Based Power Assignment，DCCPA)。DCCPA算法根据节点的剩余能量和距离动态更换簇头调整拓扑结构，与CCPA算法相比提升了节点的能量消耗的均衡性，有效地延长了网络生存期。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外拓扑控制技术研究现状

1.2.1 传统的拓扑控制算法

1.2.2 CC模型下的拓扑控制算法

1.3 本文研究内容

1.4 论文构成

第2章 协作Ad hoc网络拓扑控制基础

2.1 协作Ad hoc网络拓扑控制概述

2.2 Ad hoc网络拓扑结构特性

2.3 协作Ad hoc网络拓扑控制目标

2.3.1 减少能量消耗

2.3.2 提高网络容量

2.4 协作Ad hoc网络拓扑控制算法

2.5 小结

第3章 基于能量分配的协作分簇算法

3.1 引言

3.2 模型和定义

3.2.1 CC模型约束条件

3.2.2 网络模型属性

3.2.3 问题形式化定义

3.3 集中式CCPA算法

3.4 分布式CCPA算法

3.5 实验及结果分析

3.5.1 仿真场景

3.5.2 实验结果

3.6 小结

第4章 基于能量分配的动态协作分簇算法

4.1 引言

4.2 模型和定义

4.2.1 CC模型约束条件

4.2.2 问题形式化定义

4.3 DCCPA算法

4.3.1 基本思想

4.3.2 详细设计

4.4 实验及结果分析

4.4.1 仿真场景

4.4.2 实验结果

4.5 小结

第5章 基于MATLAB的DCCPA算法仿真示例

5.1 MATLAB简介

5.2 DCCPA算法网络场景搭建

5.3 DCCPA算法实现

5.4 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读硕士学位期间所参与的科研活动