（通信与信息系统专业论文）移动自组织网络信道接入与功率控制技术研究.pdf

摘要 摘要 移动a dh o c 网络无需固定基础设施的支持，具有组网方便快捷、可靠性高、灵活 性强等优点，其应用越来越广泛。随着各种智能化、小型化的无线终端和智能家庭终端 大量出现，它们之间的信息共享和数据交换需求极大地推动了移动a dh o c 网络的发展， 使a dh o c 网络成为当前研究的热点之一。在此背景下，本论文对移动a dh o c 网络中的 信道接入和共享问题、功率控制和能量保护问题以及路由问题进行了深入研究。 论文首先对a dh o c 网络的媒体接入控制技术进行研究，分析了信道的多跳共享性 及隐藏终端问题和暴露终端问题，提出了一种新的双信道协议，采用双信道传输以及改 进的握手协议和信道预留方法避免了数据冲突，有效减轻了隐藏终端和暴露终端对数据 传输的影响，提高了信道利用率。节点根据收到的不同的控制包，在控制信道和数据信 道中采取3 种不同的预留方法。在数据传输中，隐藏终端能够同时接收数据，暴露终端 能够同时发送数据。在高业务量网络中分析了该协议的信道吞吐量属性，通过与基于 r t s c t s 的扔议的比较，结果表明，该协议能有效提高a dh o c 网络的信道吞吐量。 其次，论文对a dh o c 网络中的功率控制问题进行深入分析，提出了一种功率控制 m a c 协议，在控制包中包含发送功率和容许接收功率，通过两个通信节点之间的控制 信息的交换来决定数据包的发送功率和限制其他邻节点的发送功率，有效降低隐藏终端 和暴露终端之间的干扰，并且在数据接收的同时允许邻节点同时发送信息。通过仿真与 i e e e8 0 2 1i 的m a c 协议进行比较，结果表明，在移动自组织网络中，该功率控制协议 能够提高系统的端到端吞吐量性能，而大大减少移动节点的功率消耗，因此节约了网络 总功率消耗。 然后，本论文对移动自组织网络中的节点能量均衡问题进行深入研究，提出了一种 利用节点剩余能量信息进行路由选择和路由维护的能量平衡路由协议。在路由发现过程 中选择节点能量充足的路由，在节点剩余能量低于某一阈值时，向上行节点发出警示信 息，使其提前更换或寻找新的路由，避免了因节点能量耗尽而引起的路由中断，减少了 路由修复。通过仿真与d s r 路由协议相比较，结果表明，在节点能量受限的移动自组 织网络中，该能量平衡路由协议提高了节点的能量利用效率，延长了a dh o c 网络的生 存时间，减少了网络传输中的丢包数，并提高了网络的吞吐率属性。 最后，论文对a dh o c 网络中的能量保护问题进行分析，提出了一种能量有效的跨 层协议，将网络层的能量感知路由与m a c 层的功率控制技术相结合，以提高节点的能 量利用效率。在网络层中根据节点剩余能量决定节点接入路由的延迟时间，从而使剩余 能量较多的节点能够更快地接入路由，以使网络中的能量消耗更公平。在m a c 层中实 现功率控制，减少节点的实际能量消耗。仿真结果表明，在移动自组织网络中，该跨层 i 东南大学博士学位论文 协议不但能延长网络的生存时间，减少端到端的延迟，而且可以提高网络吞吐率。 关键词：移动a dh o c 网络，信道接入，功率控制，能量保护，m a c 协议，能量均 衡，路由协议 n a b s l 姒c t a b s t r a c t m o b i l ea dh o en e t 、o r k ( m a n e t ) h a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sc o n v e n i e n ta n dq u i c k n e t w o r ks e t u p ，h i g hr e l i a b i l i t y ，s t r o n gf l e x i b i l i t y ，w i t h o md e p e n d i n go na n yf i x e ds u p p o r t i n g i n f r a s t r u c t u r e t h e s ea d v a n t a g e sm a k et h ea p p l i c a t i o n so fa dh o en e t w o r kv e r ye x t e n s i v e w i t ht h ea p p e a r a n c eo fn u m e r o u si n t e l l i g e n t i z e da n dm i n i a t u r i z e dw i r e l e s sd e v i c e sa n ds m a r t h o u s e h o l dt e r m i n a l s ，t h e i rr e q u i r e m e n t so fi n f o r m a t i o ns h a r ea n dd a t ae x c h a n g ea c c e l e r a t et h e d e v e l o p m e n to fa dh o en e t w o r ka n dm a k ei t o n eo ft h ec u r r e n tr e s e a r c hh o t s p o t s 。t h e r e s e a r c ho fc h a n n e la c c e s sa n ds h a r e ，p o w e rc o n t r o l ，e n e r g yp r o t e c t i o na n dr o u t i n gi nm o b i l e a dh o en e t w o r k sa r ef o c u s e do ni nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y ，t h ep r o t o c o lo f m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) i na d h o en e t w o r k si sr e s e a r c h e d t h em u l t i - h o ps h a r i n gc h a r a c t e ro fw i r e l e s sc h a n n e l ，t h eh i d d e nt e r m i n a la n de x p o s e d t e r m i n a lp r o b l e m sa l ea n a l y z e d ，a n dan o v e ld u a lc h a n n e lp r o t o c o li sp r e s e n t e d i nt h i s p r o t o c 0 1 d u a lc h a n n e la n di m p m v e dh a n d s h a k e s 船w e l la sc h a n n e lr e s e r v a t i o na r ee m p l o y e d t oa v o i dc o l l i s i o ni nd a t at r a n s m i s s i o n t h eh i d d e nt e r m i n a la n de x p o s e dt e r m i n a lp r o b l e m s d u r i n gd a t a t r a n s m i s s i o na r ea l l e v i a t e da n dt h ec h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t i oi si n c r e a s c d b a s e do n r e c e i v e dc o n t r o lp a c k e t s , n o d e s 髑e3d i f f e r e n tn e t w o r ka l l o e a t i o nv e c t o r s ( n a v ) i nc o n t r o l c h a n n e lo rd a t ac h a n n e l d u r i n gd a t at r a n s m i s s i o n , t h eh i d d e nt e r m i n a lc a l lr e c e i v ed a t a s i m u l t a n e o u s l ya n dt h ee x p o s e dt e r m i n a lc a na l s ot r a n s m i td a t a t h ec h a n n e lt h r o u g h p u t p e r f o r m a n c eo ft h ep r o t o c o li sa n a l y z e da n de v a l u a t e d i nh e a v yt r a f 石cn e t w o r k s a c o m p a r i s o nw i t har t s c t sb a s e dp r o t o c o li sg i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o c o lc a n i m p r o v ec h a n n e lt h r o u g h p u ti na d h o en e t w o r k s s e c o n d l y ，t h ep r o b l e mo fp o w e rc o n t r o li na dh o en e t w o r k si sa n a l y z e da n dap o w e r c o n t r o l l e dm a cp r o t o c o lb a s e do ni e e e8 0 2 11i sp r e s e n t e d t r a n s m i s s i o np o w e ra n d p e r m i t t e dr e c e i v i n gp o w e ro fm e s s a g e sa r ec o m p r i s e di nt h ec o n t r o lp a c k e t s b ye x c h a n g i n g c o n t r o li n f o r m a t i o nb e t w e e nap a i ro f c o m m u n i c a t i o nn o d e s ，t h e i rt r a n s m i s s i o np o w e ro f d a t a p a c k e ti sd e t e r m i n e da n dt h et r a n s m i s s i o np o w e ro fo t h e rn e i g h b o rn o d e si sa l s or e s t r i c t e d ， w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nh i d d e nt e r m i n a l sa n de x p o s e dt e r m i n a l s d u r i n gd a t ar e c e i v i n go f o n en o d e ，t h ep r o t o c o la l s oa l l o w si t sn e i g h b o rn o d e st ot r a n s m i t i t i sc o m p a r e dw i t ht h ei e e e8 0 2 11m a cp r o t o c o lb ys i m u l a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p o w e rc o n t r o l l e dp r o t o c o lp r o p o s e dc a r li m p r o v et h ee n d - t o e n dt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ei n m o b i l ea dh o en e t w o r k s , w h i l ed e c r e a s et h ep o w e rc o n s u m p t i o no fm o b i l en o d e sg r e a t l y 1 东南大学博士学位论文 t h e r e f o r e ，t h en e t w o r kp o w e rc o n s u m p t i o nc a nb es a v e d t h i r d l y ，t h ee n e r g yb a l a n c ep r o b l e mi nm o b i l ea dh o cn e t w o r k si ss t u d i e da n da l l e n e r g y - b a l a n c e dr o u t i n g ( e b r ) p r o t o c o lw i t hr o u t es e l e c t i n ga n dm u t em a i n t e n a n c eu s i n g r e m a i n i n ge n e r g yi n f o r m a t i o no fn o d e si sp r o p o s e d d u r i n gr o u t ed i s c o v e r y ，t h er o u t ew i t h a m p l en o d a le n e r g yi ss e l e c t e d w h e nt h en o d a le n e r g yi sl o w e rt h a ns o m et h r e s h o l d ，t h en o d e s e n d sw a r n i n gm e s s a g et ot h eu p l i n kn o d e t h e nt h eu p l i n kn o d ec h a n g e si t sr o u t eo rf i n d sa n e wo n et oa v o i dr o u t ei n t e r r u p t i o nd u et oe n e r g ye x h a u s t i n ga n dt od e c r e a s er o u t er e p a i r b y s i m u l a t i o nt h ee b r p r o t o c o li sc o m p a r e d 、i t ht h ed s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) p r o t o c o l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee b r p r o t o c o li m p r o v e st h ee n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , p r o l o n g s l i f e t i m eo ft h en e t w o r k ，d e c r e a s e st h el o s t p a c k a g e si nt r a n s m i s s i o n , a n di n c r e a s e st h e n e t w o r kt h r o u g h p u tr a t i oi ne n e r g y l i m i t e dm o b i l ea dh o cn e t w o r k s f i n a l l y ，t h ee n e r g yp r o t e c t i o np r o b l e mi nm o b i l ea dh o en e t w o r k si sa n a l y z e da n d 锄 e n e r g y e f f i c i e n tg l o s s - l a y e rp r o t o c o li sp r e s e n t e d t h em o t h o do fe n e r g y a w a r er o u t i n gi n n e t w o r kl a y e ri si n t e g r a t e dw i t hp o w e rc o n t r o li nm a c l a y e rt oi m p r o v et h ee n e r g yu t i l i z i n g e f f i c i e n c yo fn o d e s i nn e t w o r kl a y e r , n o d e sc h o o s et h ej i t t e rd e l a yb a s e do nt h e i rc u r r e n t e n e r g yl e v e l s s ot h a tt h en o d e s 、 r i t l lm o r ee n e r g yr e m a i n i n ge n t e rt h er o u t em o r eq u i c k l ya n d e n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h en e t w o r kc a nb ef a i r e r p o w e rc o n t r o li nt h em a cl a y e re f f e c t i v e l y d e c r e a s e sa c t u a le n e r g yc o n s u m p t i o no fn o d e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t , i nm o b i l e a dh o cn e t w o r k s ，t h ee n e r g y - e f f i c i e n tc r o s s - l a y e rp r o t o c o lc a l lp r o l o n gt h en e t w o r kl i f e t i m e , d e c r e a s et h ee n e - t o - e n dd e l a y , a n di m p r o v et h en e t w o r kt h r o u g h p u tr a t i o k e y w o r d s ：m o b i l ea dh o en e t w o r k s , c h a n n e la c c e s s ，p o w e rc o n t r o l ，e n e r g yp r o t e c t i o n , m a c p r o t o c o l ，e n e r g yb a l a n c e ，r o u t i n gp r o t o c o l i v 英文缩略语 英文缩略语 a c k a c k n o w 】e d g e m e n t a o d v a dh o co nd e m e n dd i s t a n c ev e c t o r a p , a c c e s sp o i m a r q ，a m o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a t i m a dh o ct r a f f l ei n d i c a t i o nm e s s a g e s a t i m r e s a t i m r e s e r v a t i o n b e b ，b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f r b i b e a c o ni n t e r v a l b p s kb b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c c a c l e a rc h a r m e la s s e s s m e n t c c h c o n t r o lc h a n n e l c f p tc o n t e n t i o nf r e ep e r i o d c i d i lc l a s s l e s si n t e r - d o m a i nr o u t i n g c p c o n t e n t i o np e r i o d c s m a c a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c t s c l e a rt os e n d d a g d i r e e t e da e y c l i eg r a p h d a r p a ，d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y d c f d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n d c h d a 纽c h a n n e l s d i f s ，d c fi n t e rf r a m es p a c e d s d a t as e n d i n g d s rd y n a m i cs o u r c er o u t i n g d s s s ，d i r c c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m e b e n e r g y - b a l a n c e dr o u t i n g e i f s ，e x t e n d e di f s e r e r l le n e r g yr e r r f a m a f l o o ra c q u i s i t i o nm u l t i p l ea c c e s s f d p s k f r e q u e n c yd i f i c c i e n c yp h a s es h i f tk e y i n g f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f f t f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m f h s s f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m m f i l et r a n s f e rp r o t o c o l g l o m 0 g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s l e t f - i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i f s ，i n t e rf r a m es p a c e l l c l o g i cl i n kc o n t r o l m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r o l v 东南大学博士学位论文 m a c a ，m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e m a c a b i m a c ab yi n v i t a t i o n m a c a w ，m a c af o rw i r e l e s s m a n e t , m o b i l ea dh o cn e t w o r k m a r c h m e d i aa c c e s sw i t hr e d u c e dh a n d s h a k e m i b ，m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e m i l d ，m u l t i p l i c a t i v ei n e r e a s ea n dl i n e a rd p * r c a s e n a v , n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r s n t s n o t t o s e n d o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o p n e t , o p t i m i z e dp e r f o r m a n c en e t w o r ke n g i n e e r i n gt b 0 i p 2 p p e e r - t o p e e r p c f , p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p c lp r e f e r a b l ec h a n n e ll i s t p 1 f s ，p c fi f s p n p s e u d on o i s e p r n e t , p a c k e tr a d i on e t w o r k p s m p o w e r - s a v em o d e q o s ，q u a l 时o f s e r v i c e q p s l ( - q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g r e r r r o u t ee r r o r r i c h ，r e c e i v e r - i n i t i a t e dc h a n n e l h o p p i n g i u 递p r o u t er e p l y i u 迮q r o u t er e q u e s t r r t s ，r e q u e s tf o rr e q u e s tt os e n dp a c k e t r t r , r e a d yt or e e e i v e r t s r e q u e s tt os e n d s i f s ，s h o r ti f s s i n l 乙s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o s n s e n s o rn e t w o r k s s u r a n s u r v i v a b l e a d a p t i v en e t w o r k t c t r a n s m i s s i o nc o n f i r m t c p 忍只t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r a c tp r o t o c o l t d p s k t i m ed i f i c c i e n c yp h a s es l l i f ik e y i n g 1 n ，t i m et ol i v e v l s m v a r i a b l el e n g t hs u b n e tm a s k 、p a n w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k v l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：锾鹜日期： u ，l 乒 狮；，2 谓 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 缓，建 名：蝉嗍 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望，近几年来无线 网络通信技术得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字 助理等来实现移动中的通信。 常见的移动通信网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络 中，移动终端之间的通信必须借助于基站和( 或) 移动交换机的转接完成；在无线局域 网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。这些移动通信网络和无线通信 技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集 中式控制的方式。 但在某些特殊环境或紧急情况，有中心的移动通信技术并不能胜任。例如，战场上 部队快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科学考察、偏远山区、 临时会议等。在以上场合中迫切需要一种不依赖于固定基础设施，并且能够快速和灵活 配置的移动通信网络技术，a dh o e 网络就是为满足这种特殊应用需求而产生的。与此 同时，蓝牙( b l u e t o o t h ) 0 1 1 2 、家庭无线网( h o m e r f ) ( 3 l 等移动通信新技术也纷纷涌现。 a d h o e 网络不需要有线基础设备的支持，而是通过移动节点自由的组网实现通信。 a dh o e 网络中的移动节点同时具有多址接入和网络路由的能力，节点借助于多址接入 协议共享无线资源，通过路由协议存储及转发数据。移动节点等效于一个完整的无线路 由器，数据在a dh o e 网络中的传播可以通过直接连接方式发送，即一跳连接；也可以 通过多个节点转发，即多跳连接方式。a dh o c 网络的出现推进了人们实现在任意环境 下自由通信的进程，同时也为军事通信、灾难救助和临时通信提供了有效的解决方案。 1 2 a dh o e 网络简介 a dh o e 的意思是“f o r t h i s ”，即“专用的、特定的，1 4 j 1 5 】。a dh o c 网络是由一组带 有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能， 可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与i n t e m e t 或 蜂窝无线网络连接。a dh o e 网络中，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为 主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议， 根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在a dh o e 网络中，节点间的路 东南大学博士学位论文 由通常由多个网段( 跳) 组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终 端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网、自 组织网络、无固定设施的网络或对等网络。a dh o c 网络同时具备移动通信和计算机网 络的特点，可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。一个典型的网络结构如图 1 1 所示。 图1 1a dh o e 网络的一种典型结构 1 2 1 发展历史及应用 a dh o e 网络的前身是分组无线网( p r n e t ，p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 6 1 。早在1 9 7 2 年，美国国防预先研究计划局( d a r p a ，d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 就启动了p r n e t 项目，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。在此之后， d a r p a 于1 9 8 3 年启动了高残存性自适应网络( s u r a n ，s u r v i v a b l ea d a p t i v e n e t w o r k ) 项目，研究如何将p r n e t 的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1 9 9 4 年， d a r p a 又启动了全球移动信息系统( g l o m o ，g l o b a l m o b i l e i n f o r m a t i o n s y s t e m s ) 项目， 旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入 的研究。成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 8 0 2 1 l 标准委员会l 刀采用了“a dh o e 网络”一词来 描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，a dh o e 网络就此诞生。 a dh o e 网络技术在军事领域发展的同时，也引起了商用领域的极大兴趣。它也可 以作为无线接入网，提供迅速的组网能力。商用a dh o e 网络可以应用在没有固定基础 设施的会议室中，以进行各种商业数据的发布和共享。它们也适用于家用环境，使笔记 本、掌上型电脑等各种设备能够直接交换数据、语音、视频等信息，形成无线个域网 ( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 。采用蓝牙技术的无线个域网作为短距离的 a dh o e 网络极具发展前途。传感器网络( s n ，s e n s o rn e t w o r k s ) 作为一种新型的静态 多跳a dh o e 网络，可以用于战地情报搜集、环境污染监测、地震和海啸的早期预报、 生产车间监控等许多领域。a dh o e 网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动 2 第一章绪论 节点的多跳转发功能扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务，以及提 高小区边缘的数据速率等。在实际应用中，a dh o c 网络除了可以单独组网，实现局部 的通信外，还可以作为末端子网，通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与a dh o c 网络以外的主机进行通信。因此，a dh o c 网络也可以作为各种通信网络的无线接入手 段之一。 a dh o c 网络当前的研究成果主要集中在欧美，卡内基梅隆大学的m o n a r c h ( m o b i l e n e t w o r k i n g a r c h i t e c t u r e s ) 项目组建立了移动a d h o c 网络的测试平台，现在该 项目在r i c e 大学研究，主要开发自适应无线网络协议和协议接口l 引。欧洲考虑将移动 a dh o e 网络作为中继，从而可以扩大第二代及第三代移动通信系统的覆盖范围和提高 在网络发生故障时系统的鲁棒性，目前己经建立了a g s m ( a dh o cg s m ) 的试验系统 例。i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ，i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也成立了一个移动a dh o c 网络工作组，其主要目标就是针对a dh o c 这种无线多跳网络开发一种基于口协议的路 由机制，使得i p 协议扩展到这种自组织的、快速移动的无线网络。i e t f 也将a dh o c 网络称为m a n e t ( m o b i l e a d h o c n e t w o r k ) ，并公布了一系列的有关a d h o c 路由的草 案1 1 0 1 ，在本文中m a n e t 和a dh o e 网络这两个词所表达的意思相同。 1 2 2 特点 与其他传统的有线和无线通信网络相比，移动a dh o c 网络具有以下显著特点，在 设计和运行a dh o c 网络时，将面临许多技术上的问题。 1 ) 无中心和自组织性：移动a dh o c 网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是 可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施，这也是个人通信的一种体现 形式。a dh o c 网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过 分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何 时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征和节点的冗余性等特点，使 得网络的鲁棒性和抗毁性很好。 2 ) 自动配置：自动配置是a dh o c 网络的基本特征，节点必须检测其他节点以及它 们可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正常工作，这 涉及到连接i n t e m e t 的网关节点的更换、簇头的更新等。在网络形成阶段，节点可以就 网络拓扑进行协商( 星形，环形、点到点、点到多点、平面和分级) ，这依赖于网络的 类型、底层的无线技术和应用的需求。 3 ) 动态变化的网络拓扑：a dh o c 网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在 网络中移动，并可以随时关闭无线收发器。由于无线发送装置的天线类型多种多样、发 送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，使得移动终端 问通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预 测。此外，无线传播条件的快速改变，也导致了网络拓扑必须以不可预测的方式任意、 3 东南大学博士学位论文 迅速地改变。 4 ) 受限的无线传输带宽：a dh o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于 无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑 到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终 端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽值。 5 ) 移动终端的局限性：a d h o e 网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处， 但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、c p u 性能较低等，从而给应用程序设 计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。 6 ) 安全性较差：a dh o e 网络是一种特殊的移动通信网络，由于采用无线信道、有 限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡 眠”等网络攻击。因此，信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理和其他安全措篪都需 要特别考虑。 7 ) 网络的可扩展性不强：在目前i n t e r n e t 环境下，可以采用子网、无类别域间路由 ( c i d r ，a a s s l e s si n t e r - d o m a i nr o u t i n g ) 和可变长度子网掩码( v l s m ，v a r i a b l el e n g t h s u b n am a s k ) 等技术来增强i n t e m e t 的可扩展性。但是在a dh o e 网络中，动态变化的 拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能处于同一个网络中，因而子网技术所带 来的可扩展性无法应用在a dh o c 网络环境中。 8 ) 多跳路由：由于无线收发机发射功率的限制，节点的信号传播范围有限。当它 要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中问节点的转发，因此a dh o e 网络要求 支持多跳通信。此外，a dh o e 网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由 专用的路由设备( 如路由器) 完成的。这种多跳通信也带来了隐藏终端、暴露终端和公 平性等问题。 9 ) 存在单向的无线信道：a dh o e 网络采用无线信道通信，由于地形环境或发射功 率等因素影响可能产生单向无线信道。 1 0 ) 特殊的信道共享方式：传统的共享广播式信道是一跳共享的，而在a dh o e 网 络中，广播信道是多跳共享的。一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到，而覆 盖范围之外的节点则感知不到通信的存在。 1 1 ) 供电问题突出：考虑到成本和易于携带，节点不能配备太多数量的发送，接收器， 并且移动节点一般依靠电池提供工作所需的能量。因此如何节省节点电源、延长工作时 间将是影响网络协议设计的一个非常重要的因素。 这些特点使得a dh o e 网络在体系结构、网络管理和协议设计等方面都与蜂窝移动 通信网络、无线局域网和固定通信网络有着显著的区别。 4 第一章绪论 1 , 3 研究现状 研究移动a dh o e 网络的初衷是为军事侦察、指挥控制系统提供一种可以快速组织、 快速部署，同时具有自愈能力的通信网络，其在军事通信系统中的地位举足轻重，因此 早期的移动a d h o e 网络研究项目主要由军事单位组织和实施。随着移动a d h o e 网络研 究的不断开展，其商业价值逐步得到社会认同，同时在军事技术民用化大潮的推动下， 移动自组织网络技术的民用化进程日益受到关注。以i e t f 为首的国际标准化组织正在 加紧制定相关标准和规范，极大地推动了a dh o e 网络的发展。另外，在多项旨在推动 未来移动通信系统发展的重大科研项目中，移动a dh o e 网络作为一个重要的组成部分 受到格外关注，为了更有效地融合自组织网络与传统基于中心控制的移动通信网络( 例 如蜂窝通信网、卫星通信网、广播通信网等) ，多项重大科研项目正在开展，例如欧盟 i s t 第六框架下的研究项目，以及我国第四代移动通信研究项目等。 经过4 0