拓扑控制综述

拓扑控制综述

[摘要]

本文基于Ad Hoc网络和无线mesh网络，概述了两种不同网络的拓扑控制的算法策略和模型，介绍了经典的算法和思想。指出了拓扑控制的研究趋势和在优化网络中的可结合点。本文属于一篇概述性文章，类似于读书笔记。

[关键字]Ad-hoc网无线mesh网拓扑控制功率

1.拓扑控制简述

拓扑控制是AD-HOC网中最重要的技术之一，主要用来降低能量消耗和无线干扰，其目标是在降低能量消耗和无线干扰的前提下，控制网络节点间的通信串路和节点的传输范围，以提高全网的生命周期和效率，如连通性和对称性等。由于AD-HOC网的移动性，拓扑控制影响到整个网络的性能，这是因为网络中的节点可以以任意速度和任意方式移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形等综合因素影响下，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时发生变化而且变化的方式和速度都是不可预测的，这更加重了无线自组网拓扑控制的难度。

无线MESH网络（WMN）是一种新型的自组织、自愈合、高建壮性、高带宽的多跳无线网络。主要由两种节点组成，MESH路由节点和MESH终端用户。每个处于MESH网络内的节点都可以有用户又有路由器的功能，因此每个节点都可以向其传输距离内的节点转发分组。因此，这种网络有易于维护、健壮性强、传输距离大等优点。

2.拓扑控制模型

2.1AD-HOC网拓扑控制模型

将AD-HOC网抽象为欧式空间内点集合，节点覆盖范围根据节点的最大传输范围分配。无线自组网的拓扑就是一些路由可达的串路集合，其主要取决于无线收发器的地理位置、发射器的发射功率、无线干扰、天线的方向等因素。拓扑控制的目标是通过控制节点间的通信串路和传输范围使生成的网络拓扑满足一定的性质，以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率。

2.2无线MESH网络拓扑控制模型

优化目标是通过调整每个节点的传输功率来提升网络的吞吐量、减少干扰等。可以将无线mesh主干网用无向图G=（V,E）表示，建立吞吐量或是低干扰的模型，寻找性能指标来衡量各个网络性能的走向。

3.拓扑控制策略

3.1拓扑控制策略的重要性

在无线网中若不采用好的拓扑控制策略，所有网络节点都将以最大传输功率工作，这将严重影响自组网的整体性能（从能耗、干扰、路由计算复杂度考虑）。

3. 2拓扑控制策略研究标准

拓扑控制策略应使网络拓扑满足下列一个或几个性质：连通性、对称性、稀疏性、Spanner 性质（在生成的拓扑中任何两个节点间的距离小于它们在无向图中距离的常数倍）。

3. 3拓扑控制策略研究工具

几何法：以几何结构为基础来构建网络的拓扑，来满足无线自组网的某些特性。主要有：最小生成树、DT图、相关邻居图。

概率法：节点按照某种概率随即分布，所生成的拓扑在以大概率满足某些性质的前提下，使节点所需的传输功率最小和邻居节点数最少。主要理论有：连续渗透理论、占位理论和几何随机图理论。

3.4拓扑控制策略的分类

根据网络节点的传输分为r是否相同，把控制策略分为：同构拓扑控制（r相同，理想状态，又根据网络节点的密集程度，细分为稀疏网和密集网的拓扑控制）和非同构拓扑控制（实际下的一般情况，根据生产拓扑时所需的信息类型不同，进一步分为基于方向、基于邻居节点、基于位置的拓扑控制策略）。

3. 5拓扑控制策略的主要思想

同构拓扑控制策略：定义临界传输范围

1）稀疏自组网的拓扑控制：逐步搜索能使全网保持连通的最小功率。SB2003

2）密集自组网的拓扑控制：目标为提高网络吞吐量，同时考虑能量有效性。在保证网络连通的前提下，将全网的功率调整到最低值，以最大限度地提高网络吞吐量。其核心问题是如何设定全网的最佳公共发射功率。GK1998

非同构拓扑控制策略：

1)基于方向的拓扑控制：强力算法和Supowit算法

2)基于邻居节点的拓扑控制：MobileGrid、LINT、LILT

3)基于位置的拓扑控制：NTC、LMST

3.6AD-HOC网拓扑控制策略的算法

拓扑控制策略的算法按其优化目标可以分为基于几何结构和基于能量有效性，前者主要以某些几何结构为基础构建网络拓扑，后者主要关注网络的能量有效性。

从算法的执行方式上可分为集中式算法（CONNECT、BICONN、能量感知拓扑控制算法）和分布式算法（LMA、LMN、CLTC）。集中式算法能在一定程度上取得全局优化的性质，但需要获得全网的信息，耗费大量网络资源，因此不适用于无控制中心，网络资源有限，移动性强的Ad Hoc网。

3.6.1基于几何结构的拓扑控制算法

该方法以某些几何结构为基础构建网络拓扑，导出UDG（V）图的子图，使节点确定自己的逻辑邻居集合，为节点分配适合的发射功率，从而在建立起1个连通网络的同时达到节能的目的。这些几何结构一般满足许多优秀的几何性质。

（1）最小生成树MST（又称EMST），所构建的网络拓扑时以节点间的欧几里得距离为度量的最小生成树。定义了1个图中边的最小子集，该子集可以保持图的连通。改进典型算法：LMST。

（2）限定相关邻居图RNG（V），基于MST和RNG的IMRG算法。

（3）限定加百利图GG（V）

（4）限定Yaoi图

（5）单位Delaunay三角剖分UDel（V），具有2个重要性质：空外接圆和最小最大。适合作为网络底层拓扑。

3.6.2基于能量有效性的拓扑控制算法

主要有3个优化目标：最小化最大功率分配问题、最小化总功率分配问题、拓扑控制后的拓扑图是未经拓扑控制的UDG（V）的支撑图，且功率扩展因子为1.

3.7无线MESH网络拓扑控制策略

基于功率控制的无线MESH网络拓扑控制策略，节点功率控制一般可转化为构造优化拓扑图来求解问题，已有的无线多跳网络功率控制机制中较为典型的有COMPOW、LMA、CBTC、Dist-RNG、K-NEIGH等。

通过构建无线mesh网的无向图G，构造最小树，调节节点的功率来形成算法。

4.拓扑控制与信道分配

4.1信道分配简介

信道分配时为无线网络中的每个节点上的每一个收发器分配适当的信道，使得网络的性能达到最优。衡量信道分配好坏的指标主要有：网络的连接性和链路之间的干扰。由于不同的收发器工作在不同的信道，不同链路之间的干扰会降低，但网络的连接性将会受到影响，因为网络中的一对节点之间的距离不仅要小于传输范围，而且至少各有一个收发器工作在同