航空自组织网络中拓扑控制算法的研究

论文总字数：29770字

摘 要

航空自组织网络是移动自组织网络在航空领域的一种具体应用，在现有航空通信系统中增加了飞行器之间的通信，以扩大航空网络的通信范围和通信质量。由于飞行器移动速度快、行动范围大、分布不均匀等特点使航空自组织网络的研究有其特殊性。

拓扑控制技术从无线传感器网络中产生的，最初设计目标是为了降低能耗，延长网络寿命。但是，在航空自组织网络中不涉及能量问题，引入拓扑控制算法主要目的是为了保证网络的连通性和通信质量，对航空自组织网络上层协议的设计和研究具有重要意义。

本文结合航空自组织网络的特点，研究了航空自组织网络中拓扑控制的内容和方法。主要的工作内容包括两个方面的内容。

首先，本文提出了一种随机网络模型，以中国现有机场为背景，采用随机方式部署航班，在匀速情况下获取飞机节点的实时位置。在此模型的基础上，本文分析了网络连通性，并研究了通信半径、航班密度等网络参数对网络连通性的影响。

其次，本文提出了单跳邻居节点的发现和选择方法，飞机节点以最大功率向通信半径内的节点发送Hello Packet，收到该包的节点根据链路距离以及持续时间选择最优的邻居节点发送Reply Packet并建立链路。最后，在随机网络模型中，我们对该算法进行了仿真并分析了网络性能。

本文的研究对象为随机分布的飞机轨迹，为真实轨迹组成的网络的连通性及航空自组织网络中的算法研究奠定了基础，这也是我们未来工作的方向和重点。

关键词： 航空自组织网络，拓扑控制，连通性，邻居节点的发现和选择

TOPOLOGY CONTROL IN IN AERONAUTICAL AD HOC NETWORKS

Abstract

Aeronautical Ad hoc Networks (AANETs) is a practical application of Mobile Ad hoc Networks (MANETs) in the field of aviation. Based on the current aviation communication system, AANETs add the communications between the aircrafts, in order to expand the scope and quality of aviation network. The research of AANETs is particular and different because of the high speed and wide scope of the aircrafts. In addition, the aircrafts distribute unevenly, also leading to complexity of AANETs.

Topology control technology was proposed in the wireless sensor network (WSN), originally designed to reduce the energy consumption and prolong the lifetime of network. However, the use of energy is not the key problem in AANETs. The main goal of topology control is to ensure the connectivity and quality of network and it is very important to the research of the upper layer protocols in AANETs.

This paper studies contents and methods of topology control, taking the characteristics of AANETs into the consideration. The main work includes the connectivity analysis and the choice of next hop.

Firstly, taking Chinese airports as study background, this paper proposes a random network in which the airlines would be arranged randomly. In this network, all aircrafts move with the uniform velocity and the real-time position of them can be predicted. On the basis of this model, this paper analyzes the network connectivity and the impacts of different parameters on the network, such as the communication radius of the aircrafts and the density of the flights.

Secondly, the method of discovering neighbors and choosing next hop is presented in the next section. The aircrafts send Hello Packets to neighbors within the scope of the communication radius. After receiving the packets, the aircrafts choose the optimal aircraft as neighbor node to send Reply Packet. The choice of optimal aircraft is based on the distance and duration of link. At last, by using the random network model, the algorithm is simulated to analyze the performance of network.

This research focuses on the random plane trajectory and lays the foundation for the research of real plane trajectory. This is also the research direction in the future.

KEY WORDS: Aeronautical Ad hoc Networks, topology control, connectivity, communication radius, discovery of neighbors, choice of next hop node

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

1.3 论文的主要工作 2

1.4 本论文的章节安排 2

第二章 相关工作 3

2.1 航空自组织网络技术 3

2.1.1 网络模型 3

2.1.2 网络特点 3

2.1.3 关键技术 3

2.1 拓扑控制技术 4

2.2.1 移动自组织网络中的拓扑控制 4

2.2.2 航空自组织网络中的拓扑控制 4

2.2 数据分发技术 5

2.3.1 航空自组织网络中的数据分发技术 5

2.3.2 拓扑控制对数据分发效率的影响 5

2.4 本章小结 6

第三章 航空自组织网络的连通性分析 7

3.1 网络模型 7

3.1.1 模型假设 7

3.1.2 模型建立 7

3.2 实验仿真 9

3.2.1 部署机场 9

3.2.2 安排航线 9

3.2.3 获取实时位置 10

3.2.4 计算连通度 11

3.3 结果分析 11

3.3.1 航班安排对连通状况的影响 11

3.3.2 通信半径对连通度的影响 13

3.3.3 时刻对网络连通度的影响 15

3.4 本章小结 16

第四章 邻居节点的发现和选择 17

4.1 算法提出 17

4.1.1 问题描述 17

4.1.2 邻居节点的发现 17

4.1.3 邻居节点的选择和更新 18

4.2 实验仿真 20

4.2.1 邻居发现 20

4.2.2 建立链路 20

4.3 结果分析 22

4.3.1 更新周期 22

4.3.2 链路成功率 23

4.3.3 延迟时间 23

4.4 本章小结 24

第五章 总结与未来进一步工作 25

致谢 26

参考文献 27

1. 绪论
   1. 研究背景

航空自组织网络（Aeronautical Ad hoc Networks, AANETs）是移动自组织网络（Mobile Ad hoc Networks，MANETs）在航空通信领域的具体应用，最早由美国军方提出[1]。AANETs利用飞行器构建无线网络来实现航空通信、导航、空管、商用等功能。由于飞行器的高动态特性带来拓扑的频繁变化，传统的拓扑结构不再适用，因而必须采用无中心结构的、各节点地位均等的自组织网络（Ad Hoc）。

AANETs由飞行器、卫星系统以及地面基站组成，在现有的航空通信系统中增加了由飞行器构成的移动自组织网络，使得飞行器能够不依赖地面基站而能够直接进行通信。在该网络中，飞机既是数据收发器，也是路由器，可以通过多跳的方式把数据传输给更远的飞行器或者与地面基站进行通信。

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