一种基于位置信息的分簇算法

论文摘要

随着用户通信需求的增长和各类便携设备的普及，移动自组网已经在战场通信、物联网、灾难与突发时间救援、移动办公等场景中得到日益广泛的应用。随着节点数量的增加，移动自组网逐渐采用分簇结构以增强网络的可扩展性。后续研究表明，分簇结构不仅能增强网络的可扩展性，还可用于辅助信道接入、路由、网络安全、能量控制等工作，对提高网络性能具有极其重要的意义。节点移动速度逐渐提高，网络拓扑结构变化加快，给分簇算法带来了新的挑战。针对这一问题，产生了一些适用于中高速移动环境的分簇算法。这些算法通过将运动速度相近的节点划分为一簇，提高了节点的簇内生存时间，增强了分簇结构的稳定性，一定程度上解决了中高速移动性所带来的问题。但这些算法普遍比较复杂，分簇及维护开销大。且各簇空间上重叠过多，在运动过程中更经常相互干扰，难以进行频率规划。本文从分簇结构与频率规划的角度出发，提出了一种基于位置信息的分簇算法。根据节点位置信息得到节点速度观测值，并进行卡尔曼滤波，既提高了速度估计的准确性，又减小了由于速度突变等因素给网络带来的不稳定性。通过引入虚拟网络中心节点反映网络的成组运动情况，并以相对位置进行簇区域的划分，一定程度上实现了节点相对虚拟网络中心节点移动速度的最小化，延长了节点的簇内生存时间。通过预警簇头失效，并提前进行簇头更替，减小了网络抖动。通过频率规划及簇间负载均衡，缓解了节点间的碰撞冲突问题，提高了系统容量。为了验证基于位置信息分簇算法的性能，论文工作中设计了一个相应的通信仿真系统，并进行了一系列的仿真实验。仿真结果表明：在多节点、中高速移动环境下，基于位置信息的分簇算法形成了一个有利于频率规划、相对稳定的分簇结构，极大的改善了吞吐量、丢包率及延时等网络性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1 移动自组网与分簇结构
• 1.2 分簇结构的应用
• 1.2.1 分簇结构辅助信道接入
• 1.2.2 分簇结构辅助路由
• 1.2.3 分簇结构辅助安全控制
• 1.2.4 分簇结构辅助能量控制
• 1.3 论文结构安排
• 第2章 分簇算法概述
• 2.1 适用于静态环境的分簇算法
• 2.1.1 基于连通支配集的分簇算法
• 2.1.2 基于地理信息的分簇算法
• 2.2 适用于低速移动环境的分簇算法
• 2.2.1 最小节点序号分簇算法
• 2.2.2 最大链路数分簇算法
• 2.2.3 加权分簇算法
• 2.2.4 被动分簇算法
• 2.3 适用于中高速移动环境的分簇算法
• 2.3.1 最小相对移动速度分簇算法
• 2.3.2 最大速度相似性分簇算法
• 2.3.3 聚类传播分簇算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 一种基于位置信息的分簇算法
• 3.1 本章引论
• 3.2 准备工作
• 3.2.1 自身运动速度估计
• 3.2.2 引入虚拟网络中心节点
• 3.3 簇的生成与维护
• 3.3.1 簇的生成
• 3.3.2 簇头节点与成员节点的维护
• 3.3.3 新节点的入网
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统仿真实现
• 4.1 仿真平台介绍
• 4.2 网络场景介绍与节点仿真实现
• 4.3 核心模块设计实现
• 4.3.1 LIBC 模块
• 4.3.2 ROUTER 模块
• CONFIG 模块与 MOBILE_CONFIG 模块'>4.3.3 MAC_CONFIG 模块与 MOBILE_CONFIG 模块
• 4.3.4 ARP 模块
• 4.4 调用模块介绍
• 4.4.1 SRC 模块与 SINK 模块
• 4.4.2 MAC 模块
• PORT_TX 与 WLAN_PORT_RX 模块'>4.4.3 WLAN_PORT_TX 与 WLAN_PORT_RX 模块
• 4.5 本章小结
• 第5章 仿真实验设计与结果分析
• 5.1 仿真参数与实验设计
• 5.2 系统基本性能实验
• 5.3 节点数量变化实验
• 5.4 节点移动性变化实验
• 5.4.1 结队运动速度变化实验
• 5.4.2 随机运动速度变化实验
• 5.5 相关算法对比实验
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果