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传统蜂窝无线网络技术和无线局域网络技术都分别建立在事先部署基站和访问点的基础之上。无线自组织网络技术突破这种需要事先部署基础设施的要求,让网络中节点能够自主组网,以多跳方式进行通信。无线Mesh网络和无线传感器网络是两种不同类型的无线自组织网络。通过收集信息,无线传感器网络能够获得数字世界需要的关于物理世界的信息。无线Mesh网络则能够成为连接无线传感器网络和数字世界的桥梁。为最终实现物理世界和数字世界的有效联接,需要分别解决无线传感器网络和无线Mesh网络中的两个根本问题。无线传感器网络中的一个根本问题是能量问题。当网络的生存周期结束以后,无线传感器网络将不能获得物理世界的信息。无线Mesh网络中的一个根本问题是容量问题。只有解决了无线Mesh网络的容量问题,才能将无线传感器网络收集到的大量信息传送到数字世界的载体一互联网。本文围绕解决这两个根本问题展开。本研究主要工作包括以下四个方面：
⑴针对无线Mesh网络数据请求流“多对一”的传输模式,使用排队论的基本原理,对无线Mesh网络的瓶颈容量进行了分析和计算。本文回答了在一个无线Mesh网络中,一个终端用户请求在网关节点处至少会经历多长的时延(瓶颈时延);无线Mesh网络能够同时满足多少终端用户的请求(瓶颈容量)。和已有的工作相比,本文没有使用渐近分析,因此对于实际部署无线Mesh网络有更好的指导意义。
⑵对无线Mesh网络中节点地理位置信息已知和未知两种情形,以最大化网络容量为目标,本文提出了两类低复杂度的分布式链路调度算法。当网络中节点的地理位置信息已知时,算法对网络进行划分,在网络划分后得到的子区域进行子问题计算。当节点的地理位置信息未知时,算法利用了平面图的独立节点有限增长性质来分布式求解网络中的链路调度。这两类分布式链路调度算法都能够让系统获得任意比例的最大容量,仅需要每个节点与周围常数跳内的邻居交换信息即可产生一个新的可行调度。和已有的工作相比,本文考虑了多种更加贴近现实的无线干扰模型。
⑶无线传感器网络中数据流的“多对一”的传输模式使得在Sink的周围容易出现“能量空洞”,即Sink周围的节点最容易耗尽自身的能量,最终使得剩余节点采集的数据不能送达Sink,网络的生存周期结束。使用有移动能力的Sink节点能够在一定程度上缓解能量空洞问题,但是由于移动Sink的位置会不断变化,移动Sink需要不断地通知网络中的其他节点自己的位置。已有的工作要么假设移动Sink的位置总是已知,要么假设移动Sink通过广播的方式更新自己的位置。我们注意到全网范围内的广播会引起额外的能量消耗,这些额外的能量消耗有可能抵消Sink移动性带来的网络生存周期的延长,这就是本文所指的“抵消”效应。因此本文提出一种使用“混双Sink“的分布式数据收集协议,同时使用静止的Sink和移动的Sink。模拟实验表明“抵消”效应的确存在,使用“混双Sink”协议能够有效的缓解这种效应。
⑷已有的研究表明,如果网络中的节点均匀分布,在某些情况下无线传感器网络中的“能量空洞”问题无法避免,即Sink周围的节点总是最先耗尽能量。为避免“能量空洞”问题,在Sink周围布置更多的节点是一种缓解“能量空洞”的方法。这就是网络中的节点非均匀分布策略。本文证明即使在网络中使用节点非均匀分布策略,网络中的“能量空洞”问题仍然不能避免。尽管如此,本文证明如果网络中节点非均匀分布,可能实现次优的能耗均衡。次优的能耗均衡指当网络的生存周期终止时,只有网络的外围节点有能量剩余,网络的内部节点几乎同时耗尽了能量。在理论分析的基础上,本文中设计了一种新的确定性的节点非均匀分布策略并且提出了相应的路由算法q-Switch。模拟实验表明使用这种节点非均匀分布策略和相关的算法能够使网络达到次优的能耗均衡。