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无线移动自组织网络是由一组带有无线收发装置的节点所组成的通信网络。组成网络的节点同时具有用户终端和路由器的功能,可以在网络中任意移动,自由地选择加入或退出网络。节点采用分布式控制管理,可以不依赖预先存在的网络基础设施而方便、灵活的组网。无线移动自组织网络可以自组织和自修复,有较好的鲁棒性和抗毁能力,在军事战备、救灾抢险等一些需要临时通信的领域具有广阔的应用前景。无线移动自组织网络所具有的动态拓扑、时变信道、无中心、多跳、能量受限等特点,导致传统的路由算法不能在无线移动自组织网络中直接应用。因此,根据无线移动自组织网络的特点设计专门的路由算法具有非常重要的研究意义和应用价值,近年来得到了极大的关注。
本文在对无线移动自组织网络和相关路由算法进行了系统全面地分析和总结的基础上,深入细致地研究了路由算法中的能量高效问题和负载均衡问题,以及如何减轻网络拓扑结构频繁变化对路由算法性能的影响,取得了若干创新和成果。本文的主要贡献包括:
1.在无线移动自组织网络中,移动节点依靠能量有限的电池来供电,能量决定了节点的生命期。如何有效的利用节点电池能量,从而延长网络寿命成为路由算法设计中的核心问题之一。为此本文提出了一种基于能量高效的路由算法。该算法在路由发现阶段考虑了节点剩余能量情况,将瓶颈节点能量和路径剩余能量平均值作为路由选择度量,选择总体能量充足的路径以避开剩余能量较小的瓶颈节点的影响。仿真实验表明,该算法能够保护能量低的节点延长其服务时间,实现网络中能量的均衡消耗,延长了网络生存时间,提高了分组平均投递率。
2.在无线移动自组织网络中由于节点之间相互的独立运动,链路可能会频繁的发生断裂。当一条路径上任何一个链路发生断裂,该路径就失效。目前大多数路由协议均是在当前路径已经失效以后,才重新启动路由发现以寻找替代路径。在重路由过程中前路径已经断裂,必然会增加分组传输延时甚至导致分组丢失,严重的降低了网络性能。对此本文提出了一种基于能量高效与移动预测的路由算法。该路由算法在路由发现阶段排除不稳定链路,让剩余能量较多的节点优先进行路由请求分组的转发,同时对链路连接时间进行预测后采用主动式局部路由修复策略,在路径实际发生断裂之前就完成路由修复工作。分析和仿真实验表明,本文提出的算法在路由控制开销略有增加的情况下,提高了分组平均投递率,降低了数据分组端到端平均时延,同时延长了网络寿命。
3.传统的无线移动自组织网络路由协议以最少跳数作为路由选择的标准,导致部分中心节点过载而降低了网络性能,为此本文提出了一种基于流言机制的自适应负载均衡路由算法。该算法结合了流言路由机制和网络负载均衡的思想,在路由发现阶段根据节点分布情况和节点当前负载在局部范围内的相对轻重,自适应的调整流言转发概率,让负载较轻的节点优先参与路由建立。理论分析和仿真实验表明,该算法显著的减少了路由开销,提高了分组平均投递率,降低了数据分组端到端平均时延,具有较强的实用性。