基于位置信息的移动自组织网络路由算法研究

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移动自组织网络是一种由可移动节点自配置组成的多跳无线通讯网络。移动自组织网络的特殊网络结构及配置方式使其具有传统网络所不具有的特性,如不需要预置基础设施、网络拓扑的动态性以及节点的资源受限等。这些特性使得传统的网络路由技术很难直接应用于移动自组织网络中,因此需要研究适用于移动自组织网络的路由算法。目前,移动自组织网络多采用基于拓扑信息的路由算法,此类算法能够构造优化路径并保证数据传输可达性,然而此类算法直接或间接需要全局网络的拓扑信息来进行路由选择,由此造成的高路由开销使其不适合应用于大规模网络中。基于位置信息的路由算法由于仅需要局部网络位置信息进行路由选择,在网络规模变大时能仍保持较低开销,因此具有高可扩展性的优点。近年来,网络自定位算法、卫星定位系统的发展使节点获取位置信息的精度不断提高且成本不断降低,利用节点位置信息来构造路径的路由算法因其诸多优点和不再高昂的成本正日益受到重视。本文在分析移动自组织网络固有特性及当前路由算法研究成果的基础之上,主要研究了移动自组织网络环境中基于位置信息的路由算法。本论文的主要研究内容和创新点包含以下几个方面。首先,本文在对由于局部最小化现象导致贪婪转发算法失效的路由空洞问题进行分析的基础上,提出一种被动式空洞处理的路由算法GFVB。在每个节点仅维护一跳邻居节点位置分布情况的网络中,贪婪转发在直到因局部最小化现象失效后才会转由空洞处理算法来接替剩余路由任务。当路由空洞多边形存在凹边时,路径中将包含大量不必要节点。为解决空洞多边形凹边引起的路径绕路问题,GFVB算法通过在空洞凹边节点间构造虚拟路径,使数据包在需要穿越空洞边界前转向虚拟路径的两端节点,从而减少空洞凹边界中节点参与路由转发,减少路径跳数。理论分析及仿真实验均表明,对于存在凹边空洞的网络,GFVB算法能够有效提高路由性能。其次,针对空洞处理算法中的盲选问题,提出了一种主动式空洞处理的路由算法GRID。在每个节点仅维护一跳邻居节点位置分布情况的网络中,由于没有空洞边界信息,路径可能选择沿较长的空洞边界构造到达目的节点的路径。通过引入空洞识别算法,并将空洞信息在空洞附近的限定区域进行广播,使路由算法能够根据空洞信息选择较短的路径。为降低广播造成开销,利用空洞覆盖矩形来简化空洞信息,并利用基于贪婪转发算法的顶点转发算法构造绕过空洞的路径。在解决了盲选问题的同时部分解决了绕路问题,这两个问题的有效解决使GRID算法具有较低端到端传输延迟、能量消耗和较高的数据包投递率。与以往的研究采用备用模式接替贪婪转发算法来构造绕过空洞的路径不同,GRID完全利用贪婪转发来构造绕过空洞到达目的节点的路径。此外,对于CGF类路由算法中路径包含不必要边界节点的问题,提出了一种边界优化的路由算法BOPF。为减少路径中的空洞边界节点,BOPF通过将地标节点的位置信息发送回源节点来避免绕路问题。但与解决同样问题的GLR算法不同,BOPF并不需要发送专门的侦测控制包来寻找地标点,而是利用在边界转发模式中的普通数据包来检测地标节点。此外,与GLR将模式转换节点作为地标节点不同,BOPF选择潜在的地标节点发送回源节点,由源节点选择最终的地标节点。仿真结果显示BOPF算法能够有效降低路由开销,并提高数据包投递率以及优化路径所占比例。最后,对于多径路由中的路径耦合问题,提出基于区域划分的节点不相交多径路由算法RPOM。算法以启发式的方式逐级构造多条路径,利用单径路由算法构造主路径,并在主路径覆盖区域外构造多条节点不相交路径。尽管算法并不能同时构造多条路径,但算法利用节点位置信息避免了传统多径路由算法中的路径查询广播。此外,与其它基于固定区域划分的多径路由算法不同,RPOM通过对已有路径覆盖区域的划分来构造新的路径,在不相交区域构造节点不相交多路径,对随机部署的网络适应性较强。
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