优化Ad hoc网络传输性能的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。它适用于需要临时架设网络的场所，具有广阔的发展前景。 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，从而降低网络生命周期。并且，网络中每个节点的无线信号将覆盖其它大量节点，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。 而拓扑控制研究就是在维持拓扑连通的前提下，通过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。 本文通过实现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传输性能的影响，发现节点间的干扰是影响网络传输性能的重要因素；由于定向天线较强的抗干扰能力，因此针对采用自适应波束定向天线的Ad hoc网络，提出一种分布式拓扑控制算法。主要工作包括： (1)分析研究几种经典拓扑控制算法，考察节点的密度分布和传输范围对网络拓扑结构性能的影响。通过实现拓扑控制算法模拟器，发现拓扑控制算法导出拓扑应具有较小的节点的度和传输范围。 (2)通过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，分析不同拓扑控制算法对网络传输性能的影响。实验结果说明拓扑控制的有效性，得出节点间的干扰是影响网络传输能力的重要因素。 (3)提出一种基于自适应波束定向天线的分布式拓扑控制算法-SDTC算法(Steered beam Directional antenna based Topology Control algorithm)。理论证明此算法导出的拓扑图具有强连通性和无向性，并且此算法只需获取局部邻居位置信息，具有分布式、边稀疏和节点度有界的特性。实验结果说明SDTC算法显著降低节点的发射功率，提高网络性能。

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论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景和意义

1.2本文工作

1.3本文结构

第2章拓扑控制算法的性能比较

2.1 Ad hoc网络的特点

2.2拓扑控制问题

2.3 Ad hoc网络模型

2.4拓扑控制算法分类

2.4.1同构拓扑控制

2.4.2异构拓扑控制

2.5拓扑结构的性质

2.5.1拓扑控制算法的模拟

2.5.2拓扑控制算法性能比较

2.6小结

第3章基于自适应波束定向天线的拓扑控制算法

3.1相关工作

3.1.1 CMPGA-DO算法

3.1.2 DABTC算法

3.2自适应波束定向天线模型

3.3 SDTC算法

3.3.1 SDTC算法描述

3.3.2 SDTC算法特性

3.4拓扑结构的性质

3.5小结

第4章基于OPNET的拓扑控制性能仿真平台

4.1 OPNET仿真工具简介

4.1.1 Modeler主要特性

4.1.2 OPNET Modeler无线网络建模

4.2 EMA接口

4.2.1 EMA配置网络模型

4.2.2 EMA与外部数据的接口

4.3 OPNET仿真拓扑控制算法实例

4.4小结

第5章网络传输性能仿真

5.1全向天线拓扑控制算法的仿真

5.1.1拓扑控制算法特性比较

5.1.2传输性能评估

5.2 SDTC算法仿真

5.3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)