基于定向天线的Ad hoc网络分布式拓扑控制算法研究

摘要

Ad Hoc网络是指在没有固定基础设施的情况下，由具有无线通信功能的节点自组织形成的多跳的无线网络。在Ad Hoc网络中，如果所有节点都以最大传输功率工作，节点有限的能量将被通信部件快速消耗，影响节点的无线通信质量，降低网络生命周期。并且，网络中每个节点的无线信号将大量覆盖其它节点，造成无线信号冲突频繁，降低网络吞吐量。另外，在生成的网络拓扑中将存在大量的边，导致网络拓扑信息量大、路由计算复杂。但是如果为了节能而将节点的发射功率设置太小，形成的拓扑容易因为瓶颈节点的失效而变得不连通。拓扑控制研究就是在维持拓扑连通的前提下，通过适当调整节点的发射功率和建立合适的相邻关系的方法构建网络拓扑，达到降低网络干扰，提高网络吞吐量，节约节点能量的目的。
　　 本文通过设计拓扑控制算法模拟器和搭建拓扑控制网络性能仿真平台，分析比较几种经典拓扑控制算法生成拓扑的结构特征和对网络性能的影响。针对节点间的干扰是影响网络传输性能的重要因素之一，采用抗干扰能力较强的定向天线，提出一种分布式拓扑控制算法，具有较好的性能。
　　 主要工作包括：
　　 (1)概述Ad Hoc网络的特点，分析研究几种经典拓扑控制算法，得出节点的密度分布和传输范围为影响网络拓扑结构性能的主要因素。通过实验结果，发现拓扑控制算法导出拓扑应具有较小的节点度和传输范围。
　　 (2)采用抗干扰能力较强的多波束转换定向天线，提出一种分布式拓扑控制算法-K—DABTC算法(K value-Distributed Topology Control Algorithm for Ad HocNetworks Using Directional Antennas)。理论证明此算法导出的拓扑结构具有强连通性和无向性，并且此算法只需获取局部邻居所在扇区信息，具有分布式和节点度有界的特性。实验结果说明K-DABTC算法降低网络中节点的平均发射功率12％，提高网络平均吞吐量，降低网络平均路由开销。
　　 (3)扩展OPNET网络仿真工具的EMA(External Module Access)接口，搭建拓扑控制网络性能仿真平台，分析K-DABTC拓扑控制算法对网络传输性能的影响。通过仿真实验证明K-DABTC算法拓扑控制的有效性。

目录

文摘

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插图索引

附表索引

第1章 绪言

1.1 研究背景和意义

1.2 国内研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 本文结构

第2章 拓扑控制算法性能分析

2.1 Ad Hoc网络特点

2.2 拓扑控制问题

2.3 Ad Hoc网络模型

2.4 拓扑控制算法研究现状

2.4.1 同构拓扑控制

2.4.2 异构拓扑控制

2.5 拓扑结构性质

2.5.1 拓扑控制算法模拟

2.5.2 拓扑控制算法性能比较

2.6 网络传输性能分析

2.7 小结

第3章 基于定向天线的拓扑逻辑控制算法

3.1 定向天线模型

3.2 已有的基于多波束转换天线的拓扑控制算法

3.2.1 CMPGA-DO算法

3.2.2 DABTC算法

3.3 K-DABTC算法

3.3.1 K-DABTC算法描述

3.3.2 确定算法中的K值

3.3.3 连通概率分析

3.3.4 网络拓扑无向性分析

3.4 K-DABTC拓扑结构性质

3.4.1 拓扑控制算法模拟

3.4.2 拓扑控制算法性能比较

3.5 小结

第4章 K-DABTC算法基于OPNET平台仿真实验

4.1 0PNET仿真工具概述

4.1.1 Modeler主要特性

4.1.2 0PNET Modeler无线网络建模

4.1.3 EMA接口

4.2 K-DABTC算法仿真实验

4.2.1 创建模型

4.2.2 场景设置

4.2.3 网络仿真结果

4.3 K-DABTC仿真结果分析

4.4 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士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