面向移动自组织网络的全定向混合拓扑控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向移动自组织网络的全定向混合拓扑控制方法，主要解决现有技术在使用单一天线进行拓扑控制时网络连通度低、鲁棒性差的问题。其实现方案是：1)节点之间对其节点ID和位置信息进行交互，建立局部K连通子图；2)每个节点计算局部K连通子图的最小功率；3)每个节点根据计算最小功率构建局部拓扑子图；4)每个节点交互局部拓扑子图并删除其中的单向边；5)节点求解删除单向边后的局部拓扑子图所需的最小功率，得到功率分配结果和定向天线的方向。本发明专利技术相比现有的拓扑控制方法，提升了网络拓扑的连通性和鲁棒性，并在此基础上降低了节点的发射功率和网络占用的信道数量，可用于移动自组织网络。可用于移动自组织网络。可用于移动自组织网络。

【技术实现步骤摘要】
面向移动自组织网络的全定向混合拓扑控制方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，更进一步涉及一种增强网络连通性的全定向混合拓扑控制方法，可用于移动自组织网络。

技术介绍

[0002]对移动自组织网络而言，网络拓扑的连通是节点间相互通信的物理基础。以保障网络连通性为目的，人们提出了许多拓扑控制方法，这些方法通过调整节点的功率或信道，在拓扑结构上增加冗余链路，提升了移动自组织网络的连通性。然而，现有的拓扑控制技术主要基于单一的天线传输模式工作，即使用定向天线或全向天线中的一种传输数据，没有考虑将二者进行结合。若节点仅使用全向天线发送信号，则由于通信距离短难以保障移动自组网的连通性，而且全向天线在发送信号时会对周围的节点都产生严重的干扰，导致网络内部相互干扰的节点数量过多，进而占用的正交信道数量也增多，信道复用率低。若节点仅使用定向天线传输数据，则由于定向天线的波束数量十分有限，导致网络节点能够连接的邻居数量少，网络的连通性和鲁棒性差，网络容易被分割成几个孤立的子集，不同子集间的节点将无法正常通信。因此，研究全向天线和定向天线的联合传输技术，对于保障移动自组网的性能意义重大。
[0003]Ning Li等人在其发表的论文“Localized fault
‑
tolerant topology control in wireless ad hocnetworks”中提出K点连通算法FLSS。其主要实现步骤是：(1)节点以最大功率和邻居节点交互信息；(2)节点利用交互得到的信息构建局部K点连通子图；(3)节点确定逻辑邻节点并调整自身发射功率。该方法仅使用全向天线发送信号，允许网络中任意K
‑
1个节点失效，网络依然能保持连通的前提条件是网络的最大功率拓扑要能满足K点连通，当节点的密度较低时，网络的最大功率拓扑难以满足K点连通的条件时，则无法保障网络的连通性。
[0004]陈雯在其硕士毕业论文“分布式无线网络拓扑控制技术研究”(西安电子科技大学， 2018.04)中提出了一种最小信道数目分配算法。其主要实现步骤是：(1)节点在信道分配前首先检测比其冲突度大的节点是否已完成信道分配；(2)若节点发现存在冲突度比其大的节点未完成信道分配，则一段时间后重新检测；(3)当节点发现比起冲突度大的节点都已完成信道分配后选择一个未被占用的信道并广播该消息。该方法虽说仅使用全向天线发送信号，能实现网络内部节点的无冲突性，但由于没有考虑降低节点的冲突邻居数量，从而导致网络占用的信道数目较多。
[0005]Umesh Kumar等人在其发表的论文“A Topology Control Approach to Using DirectionalAntennas in Wireless Mesh Networks”中提出一种基于定向天线的拓扑控制方法。其主要实现步骤是：(1)基于最大功率图G生成任一树T，树T的度为d，集合S表示T中节点度为 d和d
‑
1的节点集合；(2)通过S
‑
T得到子树T1，
…
，T
r
，若两个子树间存在一条边，则将该边加入树T中，并移除另一条合适的边；(3)直至各个子树间没有任何边相连，算法结束。该方法通过降低网络拓扑的节点度，使节点度不大于定向天线的数量，从而满足使用定
向天线构建网络拓扑的要求。然而该方法并不能保障最后生成的拓扑节点度一定不大于定向天线数量，无法保障移动自组织网络的连通性需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种面向移动自组织网络的全定向混合拓扑控制方法，以提高移动自组网的连通性和鲁棒性，降低节点的发射功率和整网占用的信道数目。
[0007]本专利技术的思路是：通过节点交互自己的节点ID和位置信息，使节点获取到局部最大功率子图，并在局部最大功率子图的基础上以最大化网络连通性为目标，生成局部拓扑子图；通过对局部拓扑子图的节点交互，删除局部拓扑子图中的单向边；通过调整节点天线的功率来保持局部拓扑子图的连通。
[0008]根据上述思路，本专利技术的实现方案包括如下：
[0009](1)移动自组网中任一节点u以最大功率发送含有自身信息的Hello包，并接收其它节点的Hello包，建立局部K连通子图
[0010](2)节点u对局部K连通子图进行功率求解，得到满足所需的最小功率
[0011][0012]其中，是节点u的邻居集合，P
io
是节点u使用全向天线和节点i通信的功率，P
id
是节点u使用定向天线和节点i通信的功率，a
i
表示节点u和节点i的通信方式，a
i
＝0表示节点u用全向天线和邻居节点i通信，a
i
＝1表示节点u用定向天线和邻居节点i通信；
[0013](3)将与其最大功率P
max
进行比较：
[0014]若则执行(4)，
[0015]否则，则令局部拓扑子图执行(5)；
[0016](4)节点u以最大化网络连通性为目标，生成局部拓扑子图执行(5)；
[0017](5)节点u交互局部拓扑子图删除中的单向链路，得到局部生成子图S
u
；
[0018](6)节点u对局部生成子图S
u
进行功率求解，得到功率分配结果和定向天线的方向。
[0019]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0020]第一，本专利技术由于使用了全向天线和定向天线联合发送信息，利用了定向天线传输距离更远、全向天线传播范围更广的优势，以最大化网络连通性为目标生成局部拓扑子图，使得本专利技术相比其它方法，有效提升了网络的连通性和鲁棒性。
[0021]第二，由于本专利技术给出了对给定拓扑结构的最小需求功率计算方法，通过使用定向天线和较远的节点通信，使用全向天线和较近的节点通信，使得本专利技术相比其它对比方法，在保障了网络连通性、鲁棒性的基础上，有效降低了节点的功率和整网占用的信道数量。
附图说明
[0022]图1是本专利技术的实现总流程图；
[0023]图2是本专利技术中生成局部拓扑子图的子流程图；
[0024]图3是本专利技术的网络连通度与节点数量关系的仿真结果图；
[0025]图4是本专利技术的平均路径数与节点数量关系的仿真结果图；
[0026]图5是本专利技术的节点平均发射功率与节点数量关系的仿真结果图；
[0027]图6是本专利技术的整网占用信道数与节点数量关系的仿真结果图。
具体实施方式
[0028]下面参照附图对本专利技术实施例和效果做进一步的详细说明。
[0029]本实施例的工作场景是具有N个节点的移动自组织网络，其节点装配有一个全向天线和N
A
个定向天线，节点总的信号发射功率有限，每个节点既可以作为源节点和目的节点，也可以为其它节点通信提供中继作用。
[0030]参照图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向移动自组织网络全定向混合的拓扑控制方法，其特征在于，包括：(1)移动自组网中任一节点u以最大功率发送含有自身信息的Hello包，并接收其它节点的Hello包，建立局部K连通子图(2)节点u对局部K连通子图进行功率求解，得到满足所需的最小功率所需的最小功率其中，是节点u的邻居集合，P
io
是节点u使用全向天线和节点i通信的功率，P
id
是节点u使用定向天线和节点i通信的功率，a
i
表示节点u和节点i的通信方式，a
i
＝0表示节点u用全向天线和邻居节点i通信，a
i
＝1表示节点u用定向天线和邻居节点i通信；(3)将与其最大功率P
max
进行比较：若则执行(4)，否则，则令局部拓扑子图执行(5)；(4)节点u以最大化网络连通性为目标，生成局部拓扑子图执行(5)；(5)节点u交互局部拓扑子图删除中的单向链路，得到局部生成子图S
u
；(6)节点u对局部生成子图S
u
进行功率求解，得到功率分配结果和定向天线的方向。2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述(2)中节点u对进行功率求解，实现如下：(2a)节点u先根据局部K连通子图得到邻居节点集合再分别计算以全向天线与任一邻居节点通信所需的最小功率P
io
＝βd
λ
和以定向天线与任一邻居节点通信所需的最小功率其中β是接收机灵敏度，d是节点u与其邻居i的距离，λ是路径损耗系数，θ是定向天线的波束宽度；(2b)根据(2a)的结果计算节点u与其邻居节点通信的总功率(2b)根据(2a)的结果计算节点u与其邻居节点通信的总功率3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，(4)中节点u以最大化网络连通性为目标生成局部拓扑子图实现如下：(4a)节点u令目标拓扑(4b)节点u利用FLSS算法生成K0连通的基础拓扑根据得到其邻居集合再...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊宇，盛敏，胡荣凯，郑阳，史琰，李建东，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：