动态环境下无线Mesh网络的路由协议优化研究

动态环境下无线Mesh网络的路由协议优化研究,答 辩 人： 指导老师： 日 期：,目录,CONTENTS,3,OLSR路由协议优化,4,仿真结果与分析,5,总结与展望,星空地异构应急通信网络模型,一种基于异构网络的多层次应急通信系统模型，综合利用各种网络技术，应对突发灾难时的快速建网需求，实现可无人值守全自动快速构建的通信系统,基于ZigBee技术的传感器网络层 基于Mesh的中继网络层 基于卫星网络的高空覆盖层,星空地异构网络的多层次应急通信系统,无线灾害应急网络系统中存在的问题,灾害环境下的通信传输,存在的问题,通信时延大 信号不稳定 数据接受成功率低,问题的根源,需要适用于拓扑高动态网络的路由协议,解决,通过研究选取并优化无线Mesh网络中的路由协议来使其适用于动态的无线灾害应急系统中,方法,动态环境下无线Mesh网络协议研究,因为动态环境下的无线Mesh网络多跳通信的特点，每个节点不仅是主机还是路由器，就需要为其他节点中转信息。此外，动态环境下的无线Mesh网络结构的流动性使得原来的距离向量路由协议和链路状态路由协议不再适用，因此需要研究出能够应用于动态环境下的无线Mesh网络的路由协议。,目录,CONTENTS,3,OLSR路由协议优化,4,仿真结果与分析,5,总结与展望,无线Mesh网路路由协议选取,无线Mesh网路路由协议选取,DSR路由协议：一种按需驱动路由协议。在路由发现和路由维持机制的共同运行下，允许自组网中的节点发现和维持到网络中任意目的节点的源路由信息。,OLSR路由协议：一种表驱动路由协议。 它的核心是多点中继(MPR), MPR是被专门选定的节点，用于在洪泛过程中转发广播消息。,AODV路由协议:一种按需驱动路由协议。当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时，如果没有到达目标节点的路由，则必须先以多播的形式发出RREQ(路由请求)报文。,无线Mesh网路路由协议选取,对三种协议的评判标准采用OPNET进行模拟仿真,目录,CONTENTS,3,OLSR路由协议优化,4,仿真结果与分析,5,总结与展望,OLSR路由协议优化,MPR的优势具体表现为两个方面： (1)网络中的每个节点选择自己的一跳邻居节点中的一部分组成MPR集合，由MPR集合中的节点代替所有节点转发链路状态消息，实现路由控制消息的选择性洪泛，大大地降低了网络中控制消息的转发数量。 (2)由于链路状态信息只包括与MPR Selector节点之间的链路状态，而不是与所有一跳对称邻居节点之间的全部链路状态，从而可以有效地压缩链路状态消息的长度，控制链路状态消息的大小。,OLSR路由协议优化,传统的最小MPR集选择算法描述如下： 步骤1 定义中心节点i的MPR集为S，且初始化S为空； 步骤2 对于M1(Ni)中所有的节点，分别获取它们在M2(Ni)中所能覆盖的节点个数； 步骤3 对于M1(Ni)中的任一节点，如果该节点存在唯一的一跳邻居节点，则将此节点加入S的集合中； 步骤4 如果M2(Ni)中还存在未被S中任一节点所覆盖的节点，则对于M1(Ni)中未被加进S的节点，将其在M2(Ni)中具有最大覆盖数的一个节点加入S的集合中。 步骤5 跳转到步骤4直到M2(Ni)中不存在未被S中任一节点所覆盖的节点。,OLSR路由协议优化,如图1所示的拓扑结构中，若依照传统贪心策略算法， 首先根据算法描述中的步骤3选择节点d，然后根据步 骤4依次选择a、b、f，于是得到MPR集为：S=a，b，d，f，而 实际上此图的最小MPR集为b，d，f。由此可以说明依据传 统最小MPR集选择算法得到的MPR集不一定是最优解。,图1 计算最小MPR集的拓扑示意图,OLSR路由协议优化,传统的MPR集选择算法得到的MPR节点集虽然满足了必要条件，但不一定能得到最优解，可能会使MPR节点集合存在很大的冗余。因此本文提出了改进的最小MPR集选择算法，该算法为了避免MPR节点集的冗余，修改了贪心策略，在保证满足MPR集的选择条件下，逐步优化MPR集，使其能达到最优解。因此从MPR集合的选取方法上进行优化设计。,OLSR路由协议优化,步骤1:设S为节点Ni的MPR集，且S初始化为除了N_willingness等于WILL_NEVER的全部节点的集合； 步骤2：分别计算M1(Ni)中全部节点在M2(Ni)中所能覆盖的节点数量； 步骤3：S中没有被标注选定的节点按以下条件先后退出： (1)N_willingness较低的优先退出; (2)其次是reachability较小的退出： (3)最后是节点覆盖数量较少的节点退出，检查此刻M2(Ni)中还有没有S中某个节点所不能覆盖的二跳邻居节点。如果还有则说明该节点不能被移出S集合，如果没有则说明可以将该节点移出S集合； 步骤4：循环步骤3，直到M2(Ni)中的节点被S中节点完全覆盖。,OLSR路由协议优化,下面依据图1的实例来说明本算法能求解出MPR集的最优解。若依照改进的MPR选取算法，首先根据上述算法描述中的步骤1初始化S为a，b，c，d，e，f，再根据步骤2分别计算其覆盖度为：6，4，2，2，2，4；最后根据步骤3选择覆盖度最小的节点测试其退出是否会影口向M2(Ni)完整性，通过测试发现覆盖度最小的d的退出会影响M2(Ni)完整性，所以节点d不能退出，标记节点d为已选定。通过继续测试发现节点c、e的退出不会影响M2(Ni)完整性，b、d的退出会影响M2(Ni)完整性，并在最后将节点a去掉。所以测试的结果可以将节点c、e、a退出集合S，并得到MPR集为：S=b，d，f，由此可知该算法得到的集合S为最小MPR集。,图1 计算最小MPR集的拓扑示意图,目录,CONTENTS,3,OLSR路由协议优化,4,仿真结果与分析,5,总结与展望,仿真场景,本文进行的仿真测试模拟的以上所有场景的网络拓扑均构建在3000m * 1500m的地域范围内，分别针对OLSR、AODV和DSR这三种移动自组网路由协议构建了50个节点规模的网络，所有节点以10m/s的速度在限定区域内随机移动，构成无线Mesh网络。,仿真的性能指标,对比对象 AODV、DSR 、OLSR路由协议 OLSR路由协议与优化过后的OLSR路由协议 对比指标 通信业务时延 吞吐量 MAC层的网络负载,仿真结果 通信业务时延对比,通过对比可见，三种路由协议通过仿真测试，DSR路由协议的时延明显高于AODV路由协议和OLSR路由协议，表明DSR路由协议并不适合实时的信息反馈，相比OLSR路由协议和AODV路由协议能更好地适应动态变化环境。,仿真结果 路由报文发送吞吐量对比,通过对比发现，三种路由协议下，DSR路由协议的路由报文发送吞吐量明显高于AODV路由协议和OLSR路由协议，表明DSR路由协议网络开销更大，相比OLSR路由协议和AODV路由协议能节省设备资源，适合更大型的网络开销系统完成。,仿真结果 MAC层的网络负载量对比,通过比较分析，三种路由协议下，DSR路由协议的MAC层网络负载量吞明显高于AODV路由协议和OLSR路由协议，并且随着时间推延持续增长，表明DSR路由协议对于MAC层的网络负载需求量更大，相比OLSR路由协议和AODV路由协议对于MAC层的网络负载需求量较低并且维持稳定，表明了OLSR路由协议和AODV路由协议对于动态网络需求的稳定性较好。,仿真结果 不同移动速度端到端时延,仿真结果 不同移动速度下的业务吞吐量,对比可见，OLSR协议针对从低速到高速不同移动速度的网络拓扑均能很好的支持业务的快速路由传输，使得上层业务传输的端到端时延变化幅度不大，基本稳定保持在很小的时延范围内，其次为AODV协议，时延会逐渐稳步增长，最差的为DSR协议，时延变化起伏过大，甚至在一定速度下超出可接收的范围。总之，OLSR协议相较于AODV和DSR能适应快速变化的移动网络，可确保业务的及时交付，但业务的传输吞吐量较小。,仿真结果 与优化协议的业务吞吐量对比,仿真结果 与优化协议的端到端时延对比,仿真结果 与优化协议的路由开销量对比,目录,CONTENTS,3,OLSR路由协议优化,4,仿真结果与分析,5,总结与展望,总结与展望,工作总结 对多种现有的无线Mesh网络的路