高空高速移动节点自组网关键技术研究

作     者：杜敬锐 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张华

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 

主      题：移动自组网 连通度指数 A*算法 路由协议 竞争链路 

摘      要：近年来,随着航空运输业的迅速发展和无人机领域的迅速崛起,移动自组网的相关技术逐渐成为了研究者们的研究热点。目前,人们对移动自组网的研究还不够成熟,发展还很不完善,尤其是对高空高速移动节点自组网的研究,还面临着诸多挑战,比如,剧烈变化的拓扑结构以及有限的节点资源等等,这就要求相关的网络协议在完成既定任务的同时应具有低的计算复杂度、低的能量消耗等等特点。本文将针对高空高速移动节点自组网,提出基于拓扑控制的最佳路由获取算法,并设计出符合高空高速场景的混合式路由协议,最后给出具体实现方法。首先,本文介绍了高空高速移动节点自组网的无线信道模型、移动性模型和能量消耗模型,从而在此基础上给出了本文研究高空高速移动节点的网络模型。本文详细分析了在高空高速移动节点自组网中,发送功率、接收功率和路径损耗的关系以及在通信中主要的能量消耗,从而给出了网络拓扑边的权重的计算方法,最后设计出本文的网络模型并抽象成网络拓扑图。其次,本文研究了高空高速移动节点自组网中基于拓扑控制的最佳路由获取算法。首先,概述了高空高速移动节点自组网中拓扑控制的意义和基本研究方法,给出了连通度指数的概念,并给出基于连通度指数的拓扑控制算法。仿真结果显示,该算法在保证网络连通性的同时可以有效地降低延时和能量消耗。然后,详细分析了Dijkstra算法在移动自组网中的应用,并指出其存在搜索区域大、计算量过大而无法满足节点高速移动场景中节点对计算速度要求的问题。为解决这些问题,在基于连通度指数的拓扑控制的基础上,重点提出了基于A*算法的最佳路由获取算法,分析结果显示,它能够明显地降低搜索区域,降低计算复杂度,从而在节点高速移动的场景下能够更加及时地获取最佳路由的同时减少能量消耗。然后,论文以基于拓扑控制的最佳路由获取算法为基础,讨论高空高速移动节点自组网中基于最佳路由获取算法的混合式路由协议及其优化方法。通过对所提出的路由协议的详细分析,指出其存在传统移动自组网中经常出现的竞争链路和关键节点的问题。对于这类问题,详细讨论了经典的多路径延迟应答策略在高空高速场景下解决此类问题的缺点,并在此基础上提出了创新的解决算法。采用将节点的剩余能量考虑进权值的方法解决关键节点的问题,采用在此路由协议的基础上设置临时故障节点的方法解决竞争链路的问题。仿真结果显示,本文所提出的经优化后的路由协议可以有效地减少计算量、降低网络能耗并延长网络生存时间,非常适合于高空高速移动节点自组网。最后,论文介绍了高空高速移动节点自组网的实现。首先介绍了硬件平台的实物图及基本的架构图,重点指出了帧结构的设计方法和主要模块的实现方法,从而使得本文所提出的算法和协议能够得以实现。