随着“万物互联”时代的到来,各领域对于无线通信的需求越来越迫切。尽管传统的蜂窝无线通信技术已经迈入了 5G时代,无线局域网技术也经过了大量的技术革新,无线多跳网络技术仍然以其组网灵活、部署方便、成本低廉和扩展性强等优势,在众多应用领域中占有不可替代的地位,被广泛应用于灾后应急通信、战场通信和环境监测等场景。同时,针对不同的应用场景,无线多跳网络衍生出了大量应用指向型网络,如无线传感网、车载自组网和航空自组网等等,大大丰富了无线多跳网络的多样性。从无线多跳网路技术的诞生以来,研究者们就提出了大量的网络策略,如组网策略,接入策略等,以保障无线多跳网络的可用性。同时,对于网络基本属性,如网络连通性和节点移动性等,研究者们也提出了大量的研究模型。随着无线多跳网络技术的成熟,对网络性能的追求也随着提高,网络性能分析逐渐成为了研究热点。因此,目前针对无线多跳网络的研究主要集中在网络策略的设计、网络属性的研究和网络性能的分析这三方面,重点在于网络策略的设计上。为了提高无线多跳网络的性能,如时延、吞吐量、节点能耗和收敛时间等,目前大量的研究逐渐趋向于对现有网络策略的改进,引入了大量的优化算法。尽管在各个通信层面上,我们都有不同的网络技术支持,如应用层的数据融合和网络编码、网络层的路由机制、接入层的拓扑控制和功率控制等等,无线多跳网络的发展仍然面临着大量的问题。多跳带宽骤降问题、热节点问题、大规模组网稳定性问题和干扰碰撞问题等等,严重限制着无线多跳网络的实际应用,使得无线多跳了的发展越来越难以推进。其根本原因之一在于,大量的研究盲目追求网络性能的提升而在网络策略的设计上加入了大量复杂的优化算法,没有深入分析网络的基本属性,忽略了网络属性的指导意义,网络策略的设计没有针对性。无线多跳网络的网络属性决定了网络的可用性及稳定性,是网络策略提出的依据和设计的方向,同时也是进行网络性能分析的前提。任何形式的通信网络,无论是有线网络还是无线网络,蜂窝通信网还是无线多跳网络,其网络机制的设计和网络的规划部署都是在明确了网络基本特性的基础上进行的。然而,目前针对无线多跳网络属性的研究比较零散,没有成体系的研究成果。各网络属性之间的关联关系,网络属性对于网络规划的限制和对于网络策略设计的影响等方面都没有形成完整的理论体系。基于网络属性的限制性而提出的新型网络架构也没有大的进展。以上的理论缺失是限制无线多跳网络发展的主要因素,也是急需解决的关键问题。本文将着重研究无线多跳网络的网络基本属性,在明确无线多跳网络研究整体框架的基础上,对无线多跳网络的固有属性进行建模分析,分别研究网络连通性、路径可靠性和节点移动性等网络基本属性,从网络、链路和节点三个层面上全方位分析无线多跳网络的基本属性,建立一套完整的研究体系。通过分析各网络属性之间的关系,得到网络属性对于网络规划的限制,包括网络半径、节点密度和网络架构设计等,为无线多跳网络规划提供理论指导。最后,深入分析无线多跳网络基本属性带来的固有缺陷,针对网络基本属性对网络规划的限制性,提出一种新型的网络架构,同时为该网络架构设计一套节能机制,提升网络性能。按照上述的研究主线,本文主要包含以下几大部分的内容:1.网络基本属性建模研究无线多跳网络基本属性的研究是本文的核心所在,本部分主要完成了网络连通性、路径可靠性和节点移动性这三个网络基本属性的建模研究,提出无线多跳网络基本属性研究的框架。网络连通性方面,采用统计参数模型分析网络中任意节点存在多跳路径的概率,研究多跳路径的存在性问题,并以其衡量网络的连通程度;路径可靠性方面,采用马尔科夫链模型对给定多跳路径的路由发现过程进行建模,研究任意节点找到多跳路由的成功率,并以该成功率衡量给定多跳路径的可靠程度;节点移动性方面,研究给定多跳路径的稳定持续时间,并以其评价网络的拓扑动态变化程度,同时对比该路径的稳定持续时间和路由发现时间,定义时间差参数,并用于衡量网络中给定多跳路径的持续稳定程度。本部分针对无线多跳网络的两个最基本特征——无线和多跳,从网络中存在一条无线多跳路径的概率,到成功找到这条无线多跳路径的概率,再到找到这条多跳路径后能够持续稳定的时间这三个角度全方面地分析网络基本属性,为后续网络属性研究提供了一个参考框架。2.网络属性对网络规划的限制性研究本部分主要完成了网络基本属性对网络规划中网络半径设计、节点密度设计和网络框架设计等方面的限制性分析。基于网络基本属性建模研究部分的理论结果,得到各个网络属性衡量指标的闭式解。通过对比仿真和理论结果,分析网络基本属性对网络半径、节点密度和网络架构设计的限制性。网络规划设计是无线多跳网络实用化的最后一步,本部分网络规划设计的限制性研究将为无线多跳网络的实际部署提供理论指导。3.新型网络架构设计本部分主要完成了基于软件定义的无线传感网网络架构设计。考虑到无线多跳网络路径可靠性的限制,针对低移动性和高连通概率的无线传感网,本部分设计了一种新型的无线传感网网络架构——软件定义无线传感网。该网络架构的设计初衷是为了利用软件定义思想的灵活性、可管理性和兼容性等优势,采用集中控制,数控分离的机制避免或弱化无线传感网中多跳路径可靠性的限制,提高组网成功率和网络稳定性。本部分从网络结构、节点能力、链路特点和业务需求等方面深入分析无线传感网和软件定义架构下有线网络的共性及差异性,设计软件定义无线传感网网络架构和协议流程,并通过实际平台测试该网络架构与传统无线传感网的性能差异。4.基于新型网络架构的节能算法设计本部分主要完成了软件定义无线传感网架构下的节能算法设计。基于上一部分设计的软件定义无线传感网架构,本部分设计了一种基于多能量空间的节能算法。网络中的节点依据其剩余能量,分配一个对应的能量空间。本部分遵循高能量空间节点保护低能量空间节点的原则,设计了一套数据转发规则,通过控制器节点实现相应的算法逻辑,并生成流表转发规则,下发给对应节点。最后通过仿真对比传统节能算法和本部分算法的优劣。