[发明专利]一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法

说明书

本发明公开了一种无线自组织网络分布式拓扑控制方法，包括如下步骤：无线自组织网络任意节点通过与邻居节点交互信息，搜集其两跳范围内的各邻居节点及其特征参数；根据搜集到的局部拓扑信息，无线节点基于局部范围内任一节点对双向传输信QoS需求，计算链路两端节点信息传输所需的最小辐射功率；基于获得的两跳范围内任意链路两端节点最小辐射功率，无线节点计算链路权重，以最小化最大链路权重为目标，选择两条相互独立的两跳路径，进而得出节点所需的最小辐射功率；最后，节点与所选出的路径上的节点进行信息交互，协作调控节点发射功率，完成所选链路的建立。通过有效控制节点辐射功率减少公共邻居存在的概率，抑制三角链路问题。

技术领域

本发明属于无线自组织网络中网络控制技术领域，涉及用于保障网络拓扑鲁棒性的基于功率控制的分布式拓扑控制方法。

背景技术

无线自组织网络是由自带无线收发设备的节点组成的无线通信网络，具有自组织、自配置、自发现和自愈性等特点。无线自组织网络可以在不依赖于固定设备(如基站)的情况下实现无线节点信息共享与转发，已经成为航空通信网络、工业物联网等的主要发展方向。

由于无线自组织网络依靠网络节点进行信息转发，实现网内的通信，因此无线自组网的传输性能依赖网络的连通性。当网络不连通时，无线自组网分割成若干个不连通的分量，影响网络的正常运行。当网络中存在割点时，网络内大量通信数据需要经过割点进行路由通信，当割点发生故障或损毁时，网络将不连通。当网络全连通时，即无线自组网任意两个节点直接相连，任意两个节点都可一跳内可达。此时，意味着节点需要较高的发射功率，将会降低节点生存时间，特别是对于工业物联网，节省发射功率可以延长无线传感器节点的续航时间。基于此，无线自组织网络拓扑控制是保障网络鲁棒性，提升无线自组织网络传输效率的有效方法。

连通度是无线自组织网络连通性能常用度量参数。基于功率控制的拓扑控制方法是保障无线自组织网络连通性、提升网络传输效率的有效方法。在对无线自组织网络进行拓扑控制算法设计时，需要考虑其自身的网络特点，设计与该网络匹配的算法使得网络性能更加优越。参照分布式协同网络的特点及其应用场景，在进行拓扑控制算法设计时，通常需要参照以下设计准则。

一是低功耗，由于无线自组织网络中节点一般只能依靠电池能量供电，而电池所能存储的能量有限。因此，在设计拓扑控制算法时，要考虑无线通信节点的发射功率。

二是强连通性，在复杂网络环境中，无线自组织网络会因为不同的因素(能量耗尽，设备损坏，无线信道干扰等)而无法正常通信，这将可能导致网络分割，因此，提高网络的容错能力，保证网络的正常运行是拓扑控制算法设计所需考虑的一个重要目标。

三是全分布式算法、局部性，无线自组织网络通常具有无中心控制特点，网络中的节点具有相同的功能。在无线自组织网络拓扑控制算法的设计中应考虑算法的可分布式实现特性，可分布式执行的算法更适用于分布式网络。同时在分布式算法中，节点通常通过与邻节点进行信息交互来获取本地信息进行拓扑构建，且节点获取本地局部信息相较于全局信息容易，根据局部信息进行计算时计算量小，因此，需要局部信息即可进行辐射功率控制的算法更易于在分布式网络中实施。

上述三个准则在拓扑控制中同时实现难度较大，如准则1和准则2。密集的网络连通强度高，但是节点的发射功率大，这将导致节点的能耗增加，同时节点的发射功率大也将导致节点度大、干扰较大。准则3需要节点依据局部网络拓扑情况进行辐射功率控制，难以保障准则2所要求的全局网络的强连通性。

Bettstetter定理给出了分布式功率控制保障节点连通性的理论基础。Bettstetter定理指出节点度数与全局网络连通度的关系，如下式所示，P_K表示网络连通度为K的概率。当无线节点的邻居节点个数达到一定数量时可以以较大的概率保障全局网络拓扑的连通性。

其中N表示网络中节点总数，ρ表示节点密度，r表示节点覆盖范围，ρπr²/2表示节点覆盖范围内的邻居节点个数。