基于块节点的无线激光通信网络拓扑控制算法研究

摘要

无线激光通信（Optical Wireless Communication，OWC）由于其带宽高、安全性好、组网灵活等优势已成为通信领域重要的研究课题之一。然而，随着网络规模的扩大、用户需求的增加以及大数据时代的到来，单纯的点对点OWC已经不能满足大规模网络应用的要求，需要无线激光通信网络（Optical Wireless Communication Networks，OWCN）的支撑。
　　本文首先对OWC的特点、研究意义和国内外发展现状与趋势进行了阐述。对关键技术做了介绍，主要介绍了精细的光束控制技术、高效的光信号收发技术、快速精确的APT技术、大气信道对OWC的影响以及网络拓扑相关技术。这些关键技术一方面给OWC带来了优势，另一方面也成为OWC移动组网的阻碍，特别是随着节点移动速度的提高，组网的难度将更高。
　　目前，关于节点中高速率移动情况下OWCN组网技术的研究成果相对比较少。支撑OWC的APT技术加大了高动态拓扑下组网的难度，且OWC节点所能携带的收发天线有限，使其最大度约束有限。因此，本文提出一种基于块节点的拓扑控制算法（Block-Node Based Topology Control Algorithm，BNBTCA），简称BNB算法。该算法适用于多节点中高速运动网络，其目标是以较小的最大度约束形成稳定的拓扑结构，实现更高的拓扑连通度。BNB算法的实现分为两步：第一步，以节点联络时间的预测值为权值形成内部稳定性较高的块节点；第二步，把块节点当作一个特殊节点，根据量化的链路权值形成块节点之间的多连接拓扑。最终形成一个连通图。
　　BNB算法包含了三个子算法：联络时间预测算法、块节点形成算法以及块节点间的多连接拓扑形成算法。此外，算法的仿真是基于一个较为复杂的节点移动模型——平滑随机移动（Smooth Random Mobility，SRM）模型，节点运动不存在方向和速度突变的情况，更加符合真实环境中节点移动，能够更加准确地反映算法的有效性。
　　最后，本文利用BNB算法在SRM模型中仿真了平面结构的OWSN，并与最小生成树算法（MST）进行了比较，结果显示，BNB算法所形成的拓扑结构比MST算法有更高的网络连通性和可靠性。并通过改变网络和节点的相关参数，分析了节点最大度约束和两步拓扑更新周期分别对BNB算法的影响，结果显示，节点最大度约束越大、两步拓扑更新周期越小，网络性能越好。理论分析和仿真结果共同表明，在节点低的最大度约束下和中高速移动时，BNB算法的拓扑稳定性和连通度优势明显，可以有效解决网络拓扑连通度分布上的不均匀问题。

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第一章 绪论

1.1概述

1.2无线激光通信的特点

1.3无线激光通信的主要应用领域及研究意义

1.4无线激光通信的国内外发展现状与趋势

1.5论文主要研究内容

1.6论文结构及章节安排

第二章 无线激光通信系统的关键技术

2.1精细的光束控制技术

2.2高效的光信号发射与接收技术

2.3快速精确的APT技术

2.4大气信道模型

2.5网络拓扑结构

2.6本章小结

第三章 网络拓扑形成

3.1基于图论的拓扑研究方法

3.2问题描述

3.3本章小结

第四章 基于块节点的拓扑形成与重构算法

4.1块节点形成算法

4.2块节点间的多连接拓扑形成算法

4.3拓扑重构

4.4本章小结

第五章 仿真与分析

5.1仿真参数设定

5.2节点运动模型的仿真与分析

5.3块节点形成仿真与分析

5.4连通图仿真与分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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