无线多跳网络作为未来大规模无线网络的重要组成部分是当前信息通信技术领域的一个热点研究方向。无线多跳网络具有布网灵活、可扩展性、自组织等特点,有着十分广泛的应用前景,比如环境监管、军事侦察、目标追踪、搜寻营救等。持续膨胀的网络应用以及数据业务需求为移动通信产业迎来了前所未有的发展机遇,同时也带来了巨大的挑战。比如,无线多跳网络中智能终端有限的电池能量制约着用户的业务体验以及通信网络的进一步发展。因此,能量节约以及高效的使用已经成为无线多跳网络中的一个重要研究课题。网络的拓扑控制,也称拓扑设计,是无线多跳网络中的一项重要技术,直接影响着网络的各项性能。网络的拓扑控制是指在保证全网设计目标(如连通性、覆盖性)的前提下,通过调整各个节点的网络参数(如发射功率),实现某一特定的网络性能(如能量高效性、网络寿命最大化)。合理的网络拓扑结构能够有效地提升网络的容量、减少网络的能量消耗,使得拓扑控制在管理大规模、复杂的自主网络中扮演着重要的角色。基于此,本文从无线多跳网络的拓扑控制出发,结合其它网络性能(如抗毁性、传输时延、网络寿命等)的考虑,设计能量高效的网络拓扑控制协议。具体地,本文的主要工作以及研究成果总结如下:1)针对大多数网络拓扑控制协议所构建的网络拓扑在突然的节点或链路失败情况下难以维持网络连通性,本论文研究网络功率消耗与网络连通冗余度之间的权衡关系,使得设计的网络拓扑在保证网络连通冗余度的前提下尽可能地减少其功率消耗。减少功率消耗是为了保证网络的能量高效性,而维持网络的连通冗余度是为了保证网络拓扑具有抵御节点或链路失败的能力。为实现这一目标,定义一个新的拓扑度量,称为连通有效性。该拓扑度量是节点的发射功率以及连通度贡献量的函数,表示为节点每单位发射功率所贡献的连通冗余度。随后,提出基于连通有效性的拓扑控制(Connectivity Efficiency-based Topology Control,CETC)算法用以分配每个节点的发射功率。该算法的核心在于通过降低节点的发射功率,逐步删除功率消耗大、但是连通度贡献低的无线链路。通过仿真实验展示CETC算法所生成的网络拓扑的功率消耗与连通冗余度之间的权衡关系。2)针对CETC算法在构建拓扑过程中的信息交互开销过大这一问题,本文接下来研究分布式拓扑控制算法,限制拓扑信息的交互范围仅发生在相邻节点之间。同时,拓扑控制引入节点自私性这一特征,这里的节点自私性是指节点在网络运作中以自身的效益最大化为行为策略的选择准则。具体来讲,网络节点具有一定的自私性,以降低自身的功率消耗为目标,而全网范围的设计目标是在维持网络连通冗余度的前提下,尽可能地最小化所有节点的功率消耗之和。基于非合作博弈理论,将网络节点对功率消耗以及网络连通冗余度的兴趣偏好刻画为节点的效益函数。该效益函数使得每个节点在保证给定的网络连通冗余度的前提下尽可能地降低其发射功率。经理论分析证明所建模的拓扑控制博弈存在纳什均衡解(Nash Equilibrium,NE)。特别地,提出两个分布式的拓扑控制算法去构建稳定拓扑,分别为基于代数连通度的最大提升算法(Algebraic Connectivity-based Max-Improvement,ACMI)和基于代数连通度的δ提升算法(Algebraic Connectivity-basedδ-Improvement,ACDI)。在ACMI和ACDI算法中,各个节点仅依赖与局部的拓扑信息进行拓扑决策并调整其发射功率。ACMI和ACDI算法在构建稳定拓扑过程中仅需要交互很少的控制信息,其信息复杂度为O(n),这里n表示网络中节点的数目。通过仿真实验说明提出的拓扑控制算法可以降低网络运作的控制信令开销,能够在给定网络连通冗余度的约束下,实现全网的功率消耗最小。3)尽管减少网络的功率消耗可以一定程度地提升网络寿命,然则却难以实现网络寿命最大化,这是因为节点所处的位置不同,造成其能量消耗速率也不尽相同。因此,本文深入研究动态的网络拓扑控制以促使节点高效地、均衡地使用其能量资源,达到延长网络寿命的目的。同样采用非合作博弈理论来解决动态的网络拓扑构建问题,使得网络拓扑满足以下的设计目标:1)节点能够高效地、均衡地使用自己的能量资源;2)维持网络的连通性。每个节点在拓扑控制博弈中最小化其不情愿性,这里的不情愿性是指剩余能量较低的节点在拓扑构建过程中更愿意采用较小的发射功率来降低能量的消耗速率,不情愿使用较大的发射功率。通过理论的分析证明所建模的拓扑控制博弈存在NE解且每一个NE解都是帕尔托最优的。基于对拓扑控制博弈的理论分析,提出一个分布式的拓扑控制算法,即寿命延长的拓扑控制(Topology Control with Lifetime Extension,TCLE)。TCLE算法促使剩余能量较低的节点优先更新其发射功率,并且能够较大幅度地降低该发射功率。各个网络节点依据自身的剩余能量的变化动态的设置其发射功率,形成一系列动态的网络拓扑。通过仿真实验以及与已有算法的对比说明提出的拓扑控制协议TCLE能够显著地延长网络寿命。