（信号与信息处理专业论文）移动ad+hoc网络中关键技术的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 移动a dh o e 网络中关键技术的研究 摘要 移动a dh o c 网络是一个相对比较新颖的研究领域，其独特的无中 心控制和节点任意移动的特征在带给它快速、灵活、低成本组网等优 点的同时，也带来了技术实现上的挑战。本文紧密结合传统有线和无 线网络中的研究成果及现有网络结构，针对移动a dh o c 网络的特征 来对其中的几个关键问题进行研究，具体包括移动a dh o c 网络的 i n t e m e t 接入、t c p 性能的评估与改进、m a c 重传机制对t c p 性能 的影响及网络容量的研究等几部分。本文的创新和主要工作如下： 网关发现算法的链路代价评估与性能比较：本文综合分析了移动 a d h o c 网络中的节点进行i l a t e m e t 接入时所要解决的问题，并着重对 其中的网关发现机制进行探讨。首先对几种典型的网关发现策略( 如 主动式、被动式和混合式) 进行链路代价分析，并在a o d v 协议的 基础上仿真实现了三种网关发现源程序，从而对三种网关算法的有效 性进行综合比较。仿真算法的实现详细、可靠，具有相当的性能评估 可信度和现实应用价值。 基于移动i p 在不同接入点问进行陕速、无缝切换：本文在分析移 动a d h o c 网络接入i n t e r a c t 的实现方式的基础上，提出一种利用移动 a d h o c 网络中支持移动i p 功能的移动节点作为网关，来帮助其它a d h o c 节点进行i n t e m e t 接入的方案。并针对移动网关在不同无线接入 点之间的切换，提出一种快速的、无缝的切换算法。该算法利用固网 中的接入点之间的配合来事先为移动网关分配c o a 地址和进行数据 包的缓存保护与转发，使其与链路层切换同步进行，从而充分利用共 享信道下链路层切换固有的较大时延，降低了总的切换时延，同时使 切换中的数据包丢失率几乎降为零。仿真结果验证了算法的有效性。 北京邮电大学博士学位论文 摘要 t c p 性能评估与改进：本文在分析目前已有的蜂窝网无线t c p 算法和移动a dh o e 网络中的t c p 改进算法的基础上，对不同t c p 版本在移动a dh o c 网络中的性能进行了仿真比较与分析；并结合移 动a d h o e 网络拓扑时变和多径传输等特点，提出了一种改进的s a c k 算法，仿真结果显示该算法能在一定程度上改进t c p 性能。此外文 中还研究了不同t c p 版本在移动a dh o e 网络中的性能。整体研究显 示，t c p 在移动a dh o e 网络中的表现仍很不理想。 m a c 重传机制对t c p 性能影响的研究：本文结合蜂窝网和无线 局域网中关于链路层重传对t c p 性能影响的研究，首次研究了移动 a dh o e 网络所基于的i e e e 8 0 2 1 1m a c 重传机制对t c p 性能的影响。 通过进行理论分析与仿真相结合的方法，分析了m a c 重传对t c p 可能产生的影响，仿真研究了t c p 产生周期性多余重传的原因，并 相应地提出了减少t c p 多余重传和增强信道接入公平性的改进方案。 m a c 重传次数对t c p 性能影响的研究：通过在不同网络负载、 t c p 连接参数设置和不同a dh o e 网络移动情形下进行详细仿真，得 出了不同网络状况下i e e e8 0 2 1 1 m a c 最大重传次数对t c p 性能影 响的规律，为进行最优的动态网络配置提供了实验参考数据。最后在 此实验结果的基础上给出了m a c 竞争窗口动态调整算法。 a dh o e 网络容量的研究：本文对当前有关移动a dh o c 网络容量 ! ! 室塑皇奎堂壁主堂垒兰茎 一垒坠望竺 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g i e s o fm o b i l ea dh o cn e t w o r k s a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r ki san e wr e s e a r c hf i e l d w h i l et h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s o fi n f r a s t r u c t u r e l e s s a n dc h a n g e a b l et o p o l o g ym a k ei th o l da d v a n t a g e ss u c ha s f l e x i b l e ，i n s t a n t c o n s t r u c t i o na n dl o wc o s t ，也e ya l s ob r i n gc h a l l e n g e si nt e c h n i c a l i m p l e m e n t a t i o nt oi t b ym e a n so ft i g h t l yc o m b i n i n gw i t he x i s t i n g r e s e a r c h e si n t r a d i t i o n a lw i r e da n dw i r e l e s sf i e l d sa sw e l la sn e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e sb e i n gu s e d t o d a y , t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e s s o m er e s e a r c h e so nk e y t e c h n o l o g i e so f m o b i l ea dh o c n e t w o r k s ，s u c h a si n t e r a e ta c c e s so fm o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，e v a l u a t i o na n d i m p r o v e m e n tt c pp e r f o r m a n c e ，e f f e c t so fm a c r e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo nt c p p e r f o r m a n c e ，a n dr e s e a r c ho n t h en e t w o r kc a p a c i t yo fm o b i l ea dh o cn e t w o r k s t h e n o v e l t i e sa n dm a i nw o r k so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： l i n kc o s te y 8 | a o na n dl a e r f o r m a n e e e o m p a r l s o n b e t w e e nd i f f e r e n t g a t e w a y d i s c o v e r y m e t h o d s ：t h i sd i s s e r t a t i o n c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e s t h e p r o b l e m st h a t n e e dt ob es o l v e dw h e nm o b i l ea dh o cn e t w o r k sa c c e s si n t e r a c t ， e s p e c i a l l yt h o s e i ng a t e w a yd i s c o v e r y t h el i n kc o s t so fs e v e r a lt y p i c a l g a t e w a y d i s c o v e r ym e c h a n i s m s ( i e ，p r o a c t i v e ，r e a c t i v ea n dh y b r i d ) a r ee v a l u a t e df i r s t ，t h e n t h r e eg a t e w a yd i s c o v e r yp r o p o s a l sa r ei m p l e m e n t e di nn s 2b a s e do na o d v m e s s a g e s ， u n d e rw h i c ht h ep e r f o r m a n c e so ft h r e eg a t e w a yd i s c o v e r ym e t h o d sa r ec o m p a r e di n d e t a i l t h ei m p l e m e n t a t i o n so ft h e s ep r o p o s a l sa r ec r e d i b l ea n dv a l u a b l e w h i c h o b t a i ng o o dm a t c hw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s e s f a s ta n ds e a n i l e s sh a n d o f fb e t w e e nd i f f e r e n ta p sb a s e do nm o b i l ei p ：a r e r t h ea n a l y s i so f g a t e w a yi m p l e m e n t a t i o n f o rm o b i l ea dh o cn e t w o r kt oa c c e s s i n t e r a c t ， as c h e m eo f r e g a r d i n gt h en o d e st h a ts u p p o r tm o b i l e1 pf u n c t i o n a l i t yi nm o b i l ea d h o cn e t w o r k sa sm o b i l eg a i e w a yt oh e l po t h e ra dh o cn o d e st oa c c e s si n t e r a c ti s p r o p o s e d a n dt h e nam e t h o df o rm o b i l er o u t et oh a n d o f fb e t w e e nd i f f e r e n ta c c e s s p o i n t sq u i c k l ya n ds m o o t h l yi sp r o p o s e d t h em c t h o dm a k e su s eo ft h ec o o p e r a t i o n ! ! 塞! ! 皇奎堂堕主堂垡堡苎 些! ! 苎! b e t w e e nd i f f e r e n ta p si n w i r e dn e t w o r kt o a s s i g nc o a f o rm o b i l eg a t e w a ya n d c a c h e f o r w a r dt h ep a c k e t sd e s t i n e dt om o b i l eg a t e w a y b e t w e e na p si na d v a n c e ，w h i c h o c c u rs i m u l t a n e o u s l yw i t hl i n kl a y e rh a n d o f ft om a k ef u l lu s eo ft h el a r g ed e l a yo f l i n kl a y e rh a n d o f fo nt h es h a r e dc h a n n e l t h ep u r p o s ei st or e d u c eh a n d o f fd e l a ya s w e l la st om i n i m i z et h ep a c k e tl o s sr a t e c o m p u t e rs i r e u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t e dt h e e f f i c i e n c yo f t h e m e t h o d t c pp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na n di m p r o v e m e n t ：b a s e do nt h ea n a l y s i so f c u r r e n tw i r e l e s st c p a l g o r i t h m si nc e l l u l a rn e t w o r k a sw e l la st h o s ei nm o b i l ea dh o c n e t w o r k ，s i m u l a t i o n sa r em a d e t oc o m p a r ea n da n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n t t c pv e r s i o n si nm o b i l ea dh o en e t w o r k s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t i m e v a r y i n gt o p o l o g ya n dm u l t i - p a t ht r a n s m i s s i o no fm o b i l ea dh o cn e t w o r k ，a l l i m p r o v e ds a c ka l g o r i t h mi sp r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h m c a r ti m p r o v et c pt os o m ee x t e n t i na d d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tt c p v e r s i o n si nm o b i l ea dh o cn e t w o r k sh a sa l s ob e e ne v a l u a t e d t h ew h o l es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tb e h a v i o ro f t c pi nm o b i l ea dh o en e t w o r ki sf a ra w a yf r o m o p t i m a l a n dt h e r ei ss t i l lm u c hw o r kt od oi nt h i sf i e l d e 脏e t so fm a cr e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo nt c p p e r f o r m a n c e ：c o m b i n e d w i t ht h er e s e a r c ho f l i n k l a y e r r e t r a n s m i s s i o no nt c p p e r f o r m a n c e i nc e l l u l a rn e t w o r k a n dw l a n ，t h i sd i s s e r t a t i o no r i g i n a l l yr e s e a r c h e st h ee f f e c t so fi e e e8 0 2 11m a c r e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo nt c p p e r f o r m a n c e i nm o b i l ea dh o cn e t w o r k s t h r o u 吐 t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n , w ef i n dt h a ti ti st h eu n f a i r n e s so fm a c m e c h a n i s mt h a tr e s u l t si nt h ew e a kp l a c eo ft c pb a c k w a r da c k s e g m e n t sw h e n c o m p e t i n gc h a n n e lw i t hf o r w a r dt c ps e g m e n t s ，w h i c hr e s u l t si np e r i o d i c a le x t r a r e t r a n s m i s s i o n so ft c ra ni m p r o v e ds c h e m et oe n h a n c et h ef a i m e s so fc h a n n e l a c c e s si sp r o p o s e d a c c o r d i n g l y r e s e a r c ho nm a cr e t r a n s m i s s i o nl i m i t so i lt c pp e r f o r m a n c e ：t h r o u g h d e t a i l e ds i m u l a t i o n su n d e rd i f f e r e n tn e t w o r kl o a d t c pc o n n e c t i o np a r a m e t e r s e t t i n g s a sw e l la sd i f f e r e n tn e t w o r km o b i l i t ys c e n a r i o s ，t h er e g u l a t i o nf o rt h ee f f e c t so fm a c r e t r a n s m i s s i o nl i m i t so nt c pp e r f o r m a n c ei s c o n d u c t e d ，w h i c h c a n p r o v i d e e x p e r i m e n t a lr e f e r e n c ed a t af o ro p t i m a ln e t w o r kc o n f i g u r a t i o n f i n a l l y , a r ti m p r o v e d m a cs c h e m ef o rd y n a m i c a l l ya 由u s t i n gc o n t e n t i o nw i n d o ws i z ei s g i v e nb a s e do n t h e s es i m u l a t i o nr e s u l t s 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ec a p a c i t yo fa dh o cn e t w o r k ：t h i sd i s s e r t a t i o ne v a l u a t e s c u r r e n tr e s e a r c h e so nt h ec a p a c i t yo fm o b i l ea dh o cn e t w o r k s ，a n ds u m m a r i z e s s e v e r a ld i r e c t i o n st oi m p r o v et h ec a p a c i t yo f a dh o cn e t w o r k s b e s i d e st h i s ，ar o u t i n g s c h e m et os w i t c hb e t w e e nt h ec e l l u l a rm o d e ( f o r w a r dv i ab a s es t a t i o n ) a n da dh o c m o d e ( m u l t i - h o pf o r w a r d ) i sp r o p o s e d t o i m p r o v en e t w o r kc a p a c i t yb yh y b r i d n e t w o r k i n go f c e l l u l a rn e t w o r k a n dm o b i l ea dh o cn e t w o r k t h i sd i s s e r t a t i o na c t i v e l ye x t e n d st h et r a i no f t h o u g h t sd u r i n gt h er e s e a r c hp e r i o d b a s e do nt h et h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fa dh o cn e t w o r k ，t h i s d i s s e r t a t i o nt r i e st oa n a l y z ea n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fm o b i l ea dh o cn e t w o r k s b a s e do nn e t w o r kl a y e r i n gm e t h o da n dw i t ht h ea i do fa n a l y t i c a lm e t h o da sw e l la s o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m si nt r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s ( e g c e l l u l a rn e t w o r k sa n d w e a n ) t h ed i s s e r t a t i o na i m st oi n t e g r a t em o b i l ea d h o en e t w o r k si n t ot r a d i t i o n a l n e t w o r k ss e a m l e s st os p e e du pi t si m p l e m e n t a t i o ni nr e a l i t y k e yw o r d s ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k ；m o b i l ei p ；i n t e r n e ta c c e s s ； t c p ；m a c ；n e t w o r kc a p a c i t y 创新性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责 任。 本人签名：琴弦日期：妒牛占2 ， 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公 布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守 此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 本人签名： 导师签名： 日期：如毕8 。2 ， 日期： 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 应用前景 移动a dh o c 网络是一种新型的无线网络。在原有的网络构架技术中，移动 无线通信网络通常包括蜂窝移动通信网络和无线局域网。蜂窝移动通信网络中的 移动终端接入固定有线网络是基于基站( b s ) 的中心接入方式，而无线局域网 则要通过接入点( a p ) 完成终端接入固定网络，这两种网络都是有中心基础设 施的单跳无线传输网络。与其相比，移动a dh o c 网络不需要中心基础设施，组 成网络的每一个节点都可以自由移动，既可作为普通的数据收发节点，又可根据 网络状况作为分布式路由控制和中继节点来进行多跳的路由寻找和路由更新，从 而实现相互转发数据包，如图1 1 所示。显然，与传统的单跳无线网络相比，移 动a dh o e 网络强调的是多跳和无中心接入，因此要求其终端不仅具有主机的功 能，还要求具有路由器的功能。 图1 - 1 移动a dh o c 网络的结构示意图 由于移动a dh o c 网络具有无中心基础设施和允许节点任意移动等特性，因 此尤其适用于缺乏有线网络、需要进行网络快速部署或动态重配置的应用情形。 在二十世纪七、八十年代，a d h o e 组刚的研究主要是用于军事目的【l 】，那时a d h o c 网络的典型应用情形是在无任何网络设施的战场上搭建临时通信网络。但随着微 电子、移动计算设备和无线通信技术的迅猛发展，移动a dh o c 网络作为一种新 型的组网方式，在民用领域也逐渐展现出广阔的应用前景。移动a dh o e 网络的 应用情形扩展到如紧急搜索或会议文件共享等紧急和临时应用场合、传感器网 络、个人通信以及与移动通信系统的结合【1 9 】等领域。 移动a dh o c 网络能够不依赖中心基础设施，利用节点间的多跳转发进行通 信，因此具有比传统网络更大的组网灵活性。移动a dh o e 网络新的组网概念将 给无线组网领域带来革命性的变化，未来的普适计算( p e r v a s i v ec o r e p u t i n g ) 【2 】、 智能空间( s m a r ts p a c e ) 3 】等先进理念的实现都有赖于移动a d h o c 网络等移动计 ! ! 室堂皇查兰堕主堂垡丝茎 笙二重堕垦 算技术的实现。 1 1 2 相关研究 移动a dh o c 网络已成为近年来无线网络和移动计算领域集中研究的热点， 成为无线通信组网方式的一个新的发展方向。近几年来，国际知名的学术会议， 如i n f o c o m 。i c c ，m o b i c o m ，m o b i h o c 等均设有多个有关移动a dh o c 网络的讨论 专题，此外各国的学术界也纷纷召开专门研讨移动a dh o c 网络研究进展的专题 年会。在我国，移动a d h o c 网络的研究在近两、三年逐渐兴起。移动a d h o c 网 络的研究被列入“十五”国家高技术研究发展( 8 6 3 ) 计划通信技术主题第一批和 第二批课题研究计划鸭在最近两年国家自然科学基金( n s f c ) 委员会信息科 学部资助的项目中。有关移动a dh o c 网络的研究项目占据了重要份额【5 】。在近 几年来通信和计算机产业相对处于低潮的市场形势下，用于技术研究的投入也相 应地经历了资金紧缩；相比之下，移动a dh o c 网络方面的研究在近几年得到了 蓬勃发展，因此异常引人注目。 i e t f ( l u t c m c t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 标准组织予1 9 9 6 年成立了m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k s ) f i g 工作组，专门从事a dh o c 网络单播，组播路由协 议的研究及其性能评定。国外大学和研究机构也较早就开始了移动a dh o c 网络 的研究。卡耐基麦隆大学( c m u ) 的m o n a r c h 课题组【6 1 早在1 9 9 4 年就提出了 d s r 路由协议，并基于n s 2 仿其工具开发出了进行移动a d h o c 网络仿真的共享 扩展包。哥伦比亚大学的i n s i g n i a 项目组 7 j 设计并实现了一种在移动a dh o c 网络中支持自适应业务传送的i n s i g n i a q o s 框架，其关键部分是一个能支持自 适应业务进行快速预留、恢复和调整的带内信令系统，以对网络拓扑、节点连通 性和端到端q o s 条件做出快遽反应。康奈尔大学的z ，j ，h a a s 等攀i 对移动a dh o c 网络的路由和介质接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议、安全等方面 进行了广泛的研究，并提出了z r p 路由协议和双虻音多址接入( 潮m a ) 的 m a c 接入协议。佐治亚州理工学院的g n a n 项目组【9 】对移动a dh o c 网络与蜂 窝网的容量比较和混合组网、移动a d h o c 网络中的t c p 性能研究与改进等进行 了广泛的研究。赖斯大学( r i c eu n i v ) 的e m e l i t h e r b a t h 带领了m o n e t 项目 组【lo j 对移动a dh o c 网络路由研究及试验验证、移动a dh o c 网络的i n t e r n c t 接入 等进行了前沿研究。此外，一些国外风险投资商对移动a dh o e 网络的研究和产 品化进程也表示出相当的兴趣和信心。例如m e s h n e t w o r k s 公司1 早从2 o 年 就开始了移动a d h o c 网络产品的实用化研究。 近两、三年来，国内进行移动a dh o c 网络研究的项目组和公司也逐渐多起 来，但相比于国外的研究进度和规模，仍存在一定差距。 2 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 移动a dh o c 网络设计理念上的变革 由于移动a dh o e 网络具有独特的无中一i x , 基础设施、拓扑时变和多跳无线转 发等与传统无线网络完全不同的特征，这些特征在给移动a dh o c 网络带来独特 的应用同时，也给研究者带来了巨大的技术实现上的挑战。比如在介质接入控制、 动态路由以及移动a dh o e 网络作为整体接入i n t e r a e t 等方面所遇到的问题，都是 在有线网络如i n t e m e t 和蜂窝网中所没有遇到过的。移动a d h o e 网络在技术实现 上的艰难要求在设计各个协议层时采用与传统不同的设计理念，并且在不同协议 层产生相互影响时进行层间联合优化设计。移动a dh o c 网络主要有以下设计理 念上的变革。 1 2 1 按需路由 由于移动a dh o c 网络的节点移动性以及能量、存储容量、带宽等资源受限， 不能像在有线的i n t e r n e t 网络中那样在每个节点上存储所有可达的路由信息，并 对这些路由信息进行周期性更新。因此移动a dh o c 网络中普遍采用按需路由 ( o n - d e m a n d r o u t i n g ) 机制【1 2 】，即节点只有在需要与某个目的节点通信时才发起 寻找相应路由的过程，并在一定生命周期内对路由进行维护，过期的路由表项被 自动删除。到目前为止，按需的a d h o c 路由研究方面成绩斐然。 1 2 2 移动网络整体接入i n t e m e t 移动a dh o c 网络可以由一群节点自主形成，在组网方式上异常灵活。当移 动a dh o c 网络中的任意节点需要进行i n t e m e t 接入时，必须也通过某种灵活的机 制来加以实现。其中接入网关的发现机制及其实现方法是进行i n t e r a c t 接入的关 键，网关是连接i n t e r n e t 和移动a dh o c 网络的桥梁，它必须同时支持i n t e m e t 和 a d h o c 网络中的路由、物理接口等。不同于移动节点通过移动p 的支持进行移 动接入，移动a dh o e 网络通过网关以整体方式接入i n t e m e t 。本论文的第三章研 究了移动a dh o e 网络接入i n t e m e t 的实现方案。 1 2 3 层间设计 传统的i n t e m e t 网络可以认为是遵照o s l 分层模型来进行设计的，其影响力 已渗透到几乎所有的通信和计算机网络的设计中。然而出于移动a dh o e 网络应 用情形的复杂性和节点终端的限制，已有的研究已逐步显示，按照严格的分层概 念、单靠某层协议功能来应对移动a dh o c 网络中的某种情形往往会碰到难以逾 越的困难。因此，研究者们开始考虑是否需要打破分层的设计思路，以采用层间 的相互配合和联合优化算法来进行移动a dh o c 网络协议层的设计” 。本论文的 第五章研究了移动a d h o e 网络中传送层与m a c 层之闻的配合问题。 3 ! ! 室塑皇盔兰苎主堂垡堡苎一 一翌二墨! ! 鱼 1 2 4 无中心控制和多跳无线传输 移动a dh o c 两络无需中心基础设施，采用分布式方式进行信道接入控制。 由于缺乏中心式集中控制，该网络难以像蜂窝网那样采用时分、码分或频分的方 式进行多址接入，而是太多采用共享介质随机接入的方式；而且由于多跳传输， 网络存在隐藏终端和暴薅终端问题( 见文献 1 7 1 和本文第5 1 4 节的解释) 。 此外，多跳无线传输带来的空分复用和中继转发特佳，给系统容量的评估带 来了新的问题。虽然有研究显示采用a dh o c 方式进行多跳无线传输的网络容量 比楣同设餮下的蜂窝两容量要大i t 3 1 ，但随着网络规模的不断增大，菲本地业务 带来的中继跳数增多反而会限制网络容量的增- k f l 4 j 。网络的可扩展性影响到移 动a dh o e 网络将来的缀网应用模式。在这种情形下，蜂窝两和a dh o c 网进行混 合组网的模式显现出一定的应用前景。本论文第六章对网络容量的相关内容进行 了分析讨论。 1 2 5 拓扑控制 由于移动a dh o c 网络节点可以进行随机移动，容易造成路由断开甚至网络 分割。另外当节点密度过大或过小时，也需要通过节点间的协作和分布式功率控 制，实现空分复用和保持网络连通性之间的折衷，维持最优的网络拓扑。拓扑控 制一般使用合理的拓扑控制算法，通过物理层的功率控制和网络层的邻居信息交 换来得以实现，贯穿着层间优化的思想。拓扑控制是解决移动a dh o c 网络中的 一些“疑难杂症”的重要措施【 】，正成为继移动a dh o c 网络路由之后的个新的 研究热点。 1 3 本文的研究思路和论文创新点及内容安排 1 3 1 本论文的研究思路 本论文的研究是在本实验室在国家自然科学基金资助项耳“移动d 中关键技 术的研究”( 批准号：6 0 0 7 2 0 3 6 ) 的研究基础上，向多跳无线组网领域做出的更 进一步扩展，最初的研究思路源于将m o b i l e 邛机制延伸歪峨# 动a dh o c 网络中的 想法。因此论文首先研究了移动a dh o e 网络与固网联系和延伸的部分，即基于 移动d 进行移动a dh o c 网络的i n t e r n e t 接入的问题，并对t c p 延伸应用到移动 a d h o c 网络中的性能进行了评价与改进。在进行移动a d h o c 网络中t c p 性能的 研究时，我们进一步结合m a c 接入机制对t c p 性能的影响进行了分析和研究， 试图从层间机制相互适应的角度来优化移动a dh o c 网络的整体性能。在此基础 上，我们逐渐深入到移动a dh o c 网络中的几个关键问题的研究，如m a c 接入 4 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 机制的探讨和a dh o c 网络系统容量的评估和改进等，以对移动a dh o c 网络的性 能和应用模式有个宏观和整体上的预测和评价。 在研究移动a dh o e 网络的过程中，我们紧紧抓住以下两条基本思路来进行。 一是紧密结合移动a dh o c 网络中可能的应用模式、兼顾移动a dh o c 网络自 身的优点和固定网络( 尤其是i n t e r a c t ) 中已有的技术和应用模式来进行可行的 研究，从而在实现移动a dh o e 网络应用的平滑过渡同时，尽量降低其在技术实 现上的难度系数。在今天i n t e r a c t 占据相当地位和固网所具有的天然优势下，已 经很难有任何技术能将它跳跃性地超越或完全与其隔离，因此要实现移动a dh o c 网络的商用，必须考虑尽量与现存的i n t e r a c t 技术相融合。 二是紧密结合传统无线网络( 如蜂窝网、无线局域网) 中的概念和已有研究， 充分借鉴其中相应部分的优点和算法，进行对照式的性能评估和改进。不仅如此， 文中还考虑将移动a dh o e 网络与传统的蜂窝网进行混合组网，以充分利用现有 网络资源和技术积累来解决移动a dh o c 网络组网的q o s 保证和可扩展性等问 题，从而将移动a dh o e 网络的无线覆盖范围扩展和组网上的灵活、容错等优点 展现出来。 此外，移动a dh o c 网络相对是一个比较新的研究领域，经典的研究结果沉 淀得还不够多，因此在对很多问题的讨论上还呈现出百花齐放的局面。在对某个 问题进行更深入的研究之前往往需要在对已有研究进行宏观地总结、归纳和分析 的基础上来进行。正因为如此，本文在每章内容中都加入了对已有或相关研究的 评述。 在此需要说明的是，在有关a dh o c 网络的研究中，有诸如移动a dh o c 网络、 无线a dh o e 网络、多跳分组网络、对等网络等不同术语，这些术语往往与所研 究问题呈现一定的对应关系。“移动”一般对应于路由算法、拓扑控制方面的研究， 强调节点的移动性。“无线 和“多跳”一般对应于物理层或媒体接入控制方面的研 究。“对等”则一般更强调应用层上的分布式或与传统的有中心控制网络相对照来 进行研究。另外，有的文献根据节点的移动与否，把无线a dh o c 网络划分为移 动a dh o c 网络和无线传感器网络，但一般研究都将“移动a dh o c 网络”和“无线 a d h o c 网络”二者视为等同。为了保持整篇论文措辞上的整体一致性，本文在对 a d h o e 网络不同问题的研究上一律称其为“移动a d h o e 网络”。 1 3 2 本论文的创新之处 本文紧密结合传统有线和无线网络中的研究成果及现有网络结构，针对移动 a d h o c 网络的特征来对其中的几个关键问题进行研究，具体包括移动a dh o c 网 络的i n t e m e t 接入、t c p 性能评估与改进、m a c 重传机制对t c p 性能的影响及 网络容量的分析与改进等几部分。本文的创新和主要工作如下： 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 网关发现算法的代价评估与比较：本文综合分析了移动a dh o c 网络中的节 点进行i n t e m e t 接入时所要解决的阚题，并着重对其中的网关发现机制进行探讨。 对几种典型的网关发现机制进行链路代价评估，并在a o d v 协议的基础上实现 了三种两关发现源程序，对三种网关算法的有效性进行综合比较。仿真算法的实 现详细、可靠，具有相当的性能评估可信度和现实应用价值。 基于移动职在不同接入点问进行快速、无缝切换：本文在分析移动a dh o c 网络接入i n t e r n e t 的实现方式的基础上，针对移动a dh o c 网络中支持移动p 功 能的移动网关在不凰接入点之阊的切换，提出了一种快速的无缝甥换算法。该算 法利用固网中的接入点之间的配合来事先为移动网关分配c o a 地址和进行数据 包缓存保护与转发，使其与链路层的切换同步进行，充分利甩共享信遭下链路层 切换所带来的较大时延，从而在节省切换时延的同时将切换数据包丢失率降低到 最小。仿真验证了算法的有效性。 t c p 性能评估与改进：本文分析了目前已有的蜂窝网无线t c p 算法和移动 a dh o c 网络中的t c p 改进算法，对不同t c p 版本在移动a dh o c 网络中的性能 进行了仿真比较和分析；并结合移动a dh o c 网络拓扑时变和多径传输等特点， 提出了一种改进的s a c k 算法，仿真结果显示该算法改进能在一定程度上改进 t c p 性能。不过整个仿真研究指出，t c p 在移动a d h o c 网络中的表现总体上看 很不理想。 m a c 重传机制对t c p 性能影响的研究：本文结合蜂窝网和无线局域网中关 于链路层重传对t c p 性能影响的研究，首次研究了移动a dh o c 网络所基于的 i e e e s 0 2 1 1m a c 重传机制对t c p 性能的影响，从中发现m a c 机制的不公平性 导致t c p 反向应答包在与正向t c p 包竞争信道时总处于弱势，从而引起周期性 的多余重传，文中提出了减少t c p 多余重传和增强信道接入公平性的改进方案。 m a c 重传次数对