基于定向天线的自组织网络邻节点发现机制研究

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定向天线在无线自组织网络拓扑控制和拓扑管理方面有很广泛的应用空间。通过在自组织网络中的节点配置定向天线,不仅能够从整体上提升网络的传输性能,而且可以带来良好的抗干扰性和防截获性,使得无线自组织网络在应用于军事通信、应急通信、个人通信和一些临时性场合时能获得更优化的性能。然而,定向天线是一种物理层设备,要充分发挥它的各种优势,就必须解决它所带来的无线网络邻节点发现困难和网络拓扑控制复杂等问题。因此,本文研究采用定向天线的无线自组织网络邻节点发现和拓扑控制问题,通过研究一种能够提升邻节点发现效率的机制,降低整个网络邻节点发现和节点入网的时间,提高网络性能。本文通过对基于定向天线的无线自组织网络邻节点发现问题的建模分析,提出在定向天线的每个主瓣波束方向执行差异化的邻节点查找,通过为不同的波束设置不同的方向选择概率使邻节点查找快速收敛。从理论上分析了邻节点发现过程中各个环节的发现概率和平均时间,给出基于定向天线的无线自组织网络邻节点发现概率和平均时间计算的理论模型。其次,本文提出适用于采用定向天线的无线自组织网络的邻节点发现机制,即基于概率优化的定向邻节点发现协议。本协议通过为各节点设置波束选择概率,并在邻节点查找过程中周期性的优化调整该数值,能够保证邻节点扫描在最需要执行的波束进行,减少了各周期邻节点查找的波束数量,从而从整体上降低邻节点查找时间,提升查找效率。其次,本协议通过改变当前周期各波束执行邻节点查找时发送和接收过程的时隙长度,能够降低信息在接收节点处的碰撞和冲突,从而提高信息成功接收的概率,进一步提升邻节点查找的效率。另外,本协议通过设置节点在执行邻节点发现时传输一种特殊格式的HELLO信息,使得节点间不需要收发不同的控制信息来建立握手,从而减少了控制信息的种类和信息间的交互,使查找过程更加简单高效。最后,本文利用OPNET网络仿真软件设计和实现了基于定向天线的无线自组织网络的邻节点发现的仿真模型,对所提出的基于概率优化的定向邻节点发现协议的性能进行了验证。结果表明,在不同的网络场景中,本协议都能有效地提升邻节点查找效率,增强网络的传输性能。同时,本文通过和随机定向邻节点发现协议以及NDSA发现协议的仿真比较,得出本协议能得到更好的邻节点查找性能,加速节点入网,保证网络连通。
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