无线多跳网络中若干问题研究

论文摘要

无线多跳网络中,源结点到目的结点之间由多跳的无线链路组成,任意结点既可充当端结点产生或接收数据分组,又可充当中间结点(路由器)对来自其他结点的数据分组进行转发。无线Ad Hoc网络、无线传感器网络以及无线Mesh网络均属于无线多跳网络。无线多跳网络是自组织、自生成和自管理的,容许结点发生故障以及结点随意的加入或离去。无线多跳网络的这些优势引起了人们越来越多的关注。本文从无线多跳网络的各种研究热点出发,分别研究了无线多跳网络的广播机制和无线多跳网络的网络容量提升问题,本文的主要工作与贡献如下:为无线Ad Hoc网络提出了有效延长网络寿命的分布式广播机制(MLDB)。该广播机制中结点不需为有效广播维持过多的拓扑信息,网络中每个结点仅需获取本地一跳邻结点信息就可以完成广播任务。在确定转播结点时,MLDB让那些拥有较多未覆盖邻结点和较大新增覆盖面积的结点进行转播,选取尽可能少的邻结点为转播结点,以减小广播分组在网络中的重复。MLDB的优化设计解决了其他节能广播算法中存在的开销太大的问题,使其更加适用于无线Ad Hoc网络的特殊环境。与其他算法相比,MLDB能够大幅降低转播冗余、有效增加网络寿命。针对无线传感器网络结点体积小、内存与计算能力小、靠电池供电、结点密度高等特点,提出了有效广播协议(EBP)。通过对广播过程中一个结点转播之后引发新转播的讨论,对最佳引发新转播次数和最佳引发新转播位置进行分析。EBP广播协议基于上述分析的结论选择转播结点,它不需要任何邻结点信息就可以高效完成广播,因此算法的控制开销和存储开销大大降低。EBP广播协议简单有效,在无线传感器网络中具有良好的扩展性。提出了适用于大规模高密度无线多跳网络的最少冗余广播算法LRBA。该算法采用一种行之有效的将顶点转播策略与结点的度相结合的机制,最大程度地减小转播冗余。通过对广播算法转播率进行理论分析,得出了理论的最大转播率和最小转播率。基于不同的自延时计算方法,分别给出了LRBA广播算法的两种实现方式LRBA1和LRBA2,通过仿真分析比较研究了这两种广播机制的广播覆盖率、转播率、时延以及能耗等性能,并指出其中综合性能较好的方法。仿真结果表明LRBA广播算法对于网络结点密度和网络规模有很好的扩展性。尽管LRBA广播算法的存储和计算开销要稍大于EBP算法,但它能获得比EBP及其他算法更低的转播率,特别适用于大规模、高密度且结点具有较好处理能力的无线多跳网络,例如无线mesh网。最后,研究并分析了基于扫描的定向邻居发现算法,提出了一种非辅助定向邻居发现算法(UADND),该算法能够充分利用智能天线给无线多跳网络带来的各种优势。UADND可以在不依赖GPS、时间同步等措施的条件下为无线多跳网络发现那些只有通过定向收发才能到达的邻结点,使通过采用智能天线提升网络容量成为可能。UADND利用跨层设计思想,将邻居发现与无线多跳网络路由机制结合起来。仿真表明,与其他定向邻居发现算法相比,UADND能够以较小的控制开销和较低的能耗完成无线多跳网络的定向邻居发现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线多跳网络
• 1.1.1 无线Ad Hoc网络
• 1.1.2 无线传感器网络
• 1.1.3 无线Mesh网络
• 1.2 无线多跳网络的关键技术及研究现状
• 1.2.1 无线多跳网络中的广播机制
• 1.2.2 无线多跳网络容量的提升
• 1.2.3 无线多跳网络的安全问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 本文的章节安排
• 第二章 延长网络寿命的Ad Hoc网络广播机制
• 2.1 引言
• 2.2 网络模型与若干定义
• 2.3 MLDB广播机制
• 2.3.1 转播时延计算
• 2.3.2 算法介绍
• 2.3.3 两个门限
• 2.4 数值结果与性能评估
• 2.4.1 结点密度对性能的影响
• 2.4.2 网络规模对性能的影响
• 2.4.3 分组到达率对性能的影响
• 2.4.4 不同广播算法的网络寿命对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 无线传感器网络的广播算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 一次转播引发新转播的分析
• 3.2.1 符号定义
• 3.2.2 引发新转播次数分析
• 3.2.3 引发新转播的位置
• 3.3 邻域内结点到达邻域边界的最小距离
• 3.4 EBP算法
• 3.4.1 限制转播结点的范围
• 3.4.2 算法描述
• 3.5 EBP广播算法性能仿真分析
• 3.5.1 仿真参数与性能指标
• 3.5.2 仿真结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 大规模高密度无线多跳网络的广播机制及性能分析
• 4.1 结点的度在顶点转播策略中的应用
• 4.2 最少冗余广播算法
• 4.2.1 延时设计
• 4.2.2 算法描述
• 4.2.3 算法性能分析
• 4.2.4 算法具体参数的选择
• 4.3 仿真与数值分析
• 4.3.1 大规模网络中LRBA算法性能
• 4.3.2 自延时对广播算法性能影响分析
• 4.3.3 高密度网络中广播算法性能对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 支持智能天线的无线多跳网络跨层研究
• 5.1 定向邻居发现概述
• 5.2 基于扫描的邻居发现
• 5.3 一种非辅助的定向邻居发现算法
• 5.3.1 算法模型
• 5.3.2 借助DTOR邻居发现DTR邻居
• 5.3.3 定向邻居发现与路由的结合
• 5.3.4 UADND的算法描述
• 5.3.5 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作与结论
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文和工作
• 作者在攻读博士期间撰写的学术论文
• 作者在攻读博士期间参加的科研项目