（通信与信息系统专业论文）空降集结通信系统协议研究及仿真.pdf

摘要 空降集结通信系统是在空降环境下特殊的移动通信系统。通过搭建无线自组 织通信网络，完成节点位置信息发送、接收以及查询等功能，实时掌握空降团队 位置信息，使空降团队快速高效集结成为可能。 本文主要工作内容是设计空降集结通信协议，并在c + + b u i l d e r 开发环境下完 成仿真。为了保证系统中网络各个节点之间的数据正确交换，本文根据经典协议 提出五层网络协议栈模型，研究了从物理层到应用层等相关各层合适的协议以及 网络编址方式，就系统涉及到的协议和通信理论进行细致的分析和探讨。协议的 设计实现紧密围绕三个突出特点：位置服务、路由选择、时分多址。运用c + + b u i l d e r 编程，得到通信系统仿真模型及网络部分性能分析结果，为空降集结通信网络的 使用和发展提供理论支持。 关键字：空降通信网络协议位置服务 a b s t r a c t a i r b o m ec o m m u l l i c a t i o i l ss y s t e mi sas p e c i a lm o b i l ec o m m u i l i c a t i o ns y s t e m b a s e do nt l l ea i r b o m ee n v i r o i l i l l e n t b yb u i l d i n ga 谢r e l e s sc o m m u l l i c a t i o nn e t w o r k ，i t c a l la c l l i e v em a i l y 觚c t i o i l ss u c ha ss e n d i n & r e c e i v i n g ，a i l dr e q u i r i n gt h em e m b e r s l o c a t i o n i ta l l s om a l ( e sa i r b o m et e 锄sa s s e m b l e dq u i c l ( 1 ya 1 1 de 伍c i e n t l yp o s s i b l e t l l o u 曲u p 批i n gt h el o c a t i o ni n f o m a t i o nt i m e l y i nt h i sp a p e r ，a i la i r b o m ec o m m 砌c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e da 1 1 ds i m u l a t e d u r l d e rc hb u i l d e rd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t af i v e l a y e rn e t 、v o r k p r o t o c o li s p r o p o s e db a s e do ns o m ec l a s s i c a lp r o t o c o lt oe n s u r et h a tt h es y s t e me x c h a n g e c o r r e c t l ya n de 箭c i e n t l yb e 觚e e ne a c hn o d e s o m er e l a t i n gp r o t o c o lo fe a c hl a y e r 锄d i sa l s ol e 锄e d n l i sp a p e rm a l ( e sd e t a i l e da 1 1 a l y s i s 锄dd i s c u s s i o no ft h es y s t e mo f 1 e c o m m u n i c a t i o n st h e o 巧r e l a i i n gt ot h i sp r o t o c 0 1 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm i s p r o t o c o li sf o c u s i n go nt l l i st 1 1 r e ef e a _ t u r e s ：l o c a l i z a t i o ns e i c e ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s sa 1 1 dr o u t i n g t h es i m u l a t i o no ft h i sp r o t o c o lc a na l s op r o v i d es o m en e t 、v o r k p e 响r m a n c e ，w h i c hw o u l eb eat h e o r e t i c a ls u p p o r tf o r t h ed e v e l o p m e n to ft h ea i m e c o m n 】u n i c a t i o n sn e t w o r k s k e y w o r d s ：a i r b o m ec o m m u n i c a t i o n s n e 押o r kp r o t o c o il o c a l i z a t i o ns e n ，i c e 创新性声明 本人声明所呈交的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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做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：日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 日期 第一章绪论 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 1 1 课题的来源及背景 本课题来自与x 公司合作项目：“空降集结通信系统研究”。本项目研究目的 是依靠g p s 定位的情况下，解决空降团队跳伞空降及着陆后快速集结这一难题。 1 1 2 课题研究的背景和意义 当今社会已经成为一个信息化的社会，作为信息交互的重要组成，通信越来越 被人们所关注。理想的通信目标是在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟 通联系，以及信息交流。因此，移动通信也就成为了现代通信领域至关重要的一 部分【5 】o 由于通信双方处在不断地运动状态，传统的有线通信己无法满足需要，这就使 无线通信有了广阔的用武之地。无线通信网络按照组网控制方式分为两类 1 】： 一、集中控制式的、具有预先部署的网络基础设施的移动网络。这种移动通信 网络通常以蜂窝移动方式和移动i p 方式实现，如蜂窝移动通信系统，无线局域网等。 其共同点是网络有中心控制设备，即负责接入、路由与交换的基础设施通常是固 定不动的。 二、无集中控制式的、无基础设施的移动网络。这种通信网络是由一系列移动 结点组成的一种自组织网络，它不依赖于任何己有的网络基础设施，网络中的结 点动态且任意分布，结点之间通过无线方式互连，节点兼备主机和路由器两种角 色。由于组网快速、灵活、使用方便，此网络通常应用于某些特殊场合，如战场 上部队的协同通信，地震或水灾后的营救，野外科学考察、临时会议等。本文所 研究的空降集结通信系统要求空降团队在不使用地面集中控制的情况下，完成团 队成员之间的数据通信，因此搭建此自组织网络成为适合的选择。 空降团队在空降和集结的过程中，还存在着诸多不便和危险。由于跳伞人员 散落的范围比较分散，加上周围地形环境可能比较复杂，特别是在山区跳伞，降 落人员很容易被山分隔，如果降落人员不能很好的完成定位，这样降落人员很容 易迷路，走失的可能性也非常大。因此必须借助于高性能测向设备，对空降团队 准确定位，确保指挥精确掌握各个空降人员的位置信息，以便完成迅速集结。 本通信集结系统采用g p s 定位，为空降团队在空降过程中精确定位提供保障， 2 空降集结通信系统协议研究与仿真 使用空降团队手持终端作为网络节点，搭建自组织网络，完成空降人员位置信息 发送至指挥节点的上行传输，以及指挥节点位置及指令信息到空降人员的下行广 播，提高了空降团队协作能力与指挥的调度能力，使空降团队高效集结至目的地 成为可能。 项目中作者借鉴传统自组织网络协议，提出五层网络协议栈模型，研究合适的 协议以及网络编址方式，并在c + + b u i l d e r 平台下进行仿真，模拟空降过程中团队 通信过程，并对网络性能做了初步分析，为空降集结系统的实现打下理论基础。 1 2 国内外研究的现状及发展趋势 从设备上而言，国外的空降集结主要应用一种集成了卫星接收机的手持对讲 机。这种对讲机不区分指挥员和普通队员，可以将队员的位置数据彼此传送，从 而实现对等定位。国内这种用于空降集结的手持对讲机大多属于军用，这种对讲 机使用时没有中心指挥台，因此大量队员发送定位数据需要人工协调，操作时间 长【2 9 1 。 从协议上而言，使用的预先架设网络设备的模式已经不适合于空降集结系统 在特殊场合的需要，承待一种自组织的网络模型的出现。由于自组网可以广泛地 应用于战场通信指挥与控制、警察与医疗部门的抢险救灾、传感器网络、课堂教 育等众多领域，其战略意义非常重要。9 0 年代中期，随着一些技术的公开，它开 始成为移动通信领域一个公开的研究热点。卡内基梅隆大学的m o n a r c h 工程组 己经建立了a dh o c 网络的测试床，欧洲目前己建立了一种称为a g s m 的试验系 统，其目的是希望将a dh o c 网络作为中继，以扩大第2 代及3 代移动通信系统的覆 盖范围和提高在网络和链路发生故障时系统的健壮性。另外，i m e m e t 工程任务组 ( i e f t ) 也己经成立了专门的研究小组一m a n e t 工作组，负责a dh o c 网络的相关协 议的标准化工作。目前典型的移动自组网有车载自组网( 蝌e t s ：v e h i c u l a r a dh o c n e 觚o r k s ) 、智能车载自组网( i n n e t s ：i n t e l l i g e n tv e h i c u l a ra dh o cn e 锕o r k s ) 和 基于因特网的移动自组网( i m a n e t ：i n t e m e tb a l s e dm o b i l e a d - h o c n e 觚o r k s ) 等。 空降集结通信网络具有节点运动速度高、网络拓扑变化剧烈、节点分布范围广泛 等特点，因此需要制定适合的自组织协议来满足这些特性。 1 2 1 论文研究内容 空降集结通信系统按照空降过程分为三个阶段： 1 “空空”通信阶段，指从飞机到达一定高度开始空投，已经空降的节点在 空中，到第一个空降节点降落到地面之前的通信阶段； 第一章绪论 2 “空地”通信阶段，指从部分空降节点仍在空中、部分节点已经降落至地 面，到最后一个空降节点到达地面之前的通信阶段： 3 “地地”通信阶段，指从所有节点均已降落至地面，到节点集结至目的地 完毕的通信阶段。 本文主要负责“空空”和“空地”两通信阶段的协议及仿真研究。空降集结通 信网络协议采用t d m a 方式提供半双工服务，空降人员在指定时隙内向指挥员上传 实时位置信息，同样指挥员在分配的时隙中广播其位置数据或发布指令信息，上 下行采用同样的传输速率，完成空降团队间数据交换。考虑到网络的互联互通， 依照标准网络模型的划分方法，将集结系统网络模型划分为物理层、数据链路层、 网络层、传输层和应用层五层，并分别对各层进行约定。由于本文只是对网络协 议的研究，故对物理层不做过多的探讨。本协议的设计实现紧密围绕三个突出特 点：位置服务、路由选择、时分多址。 在协议的基础上使用c + + b u i l d e r 进行仿真，较真实地模拟空降集结通信组网 的运行过程，同时验证网络基本协议、基本算法的正确性。基于流程仿真的思想， 真正起到了对此通信协议的正确性、有效性和容错性进行全面验证的作用。 1 2 2 论文结构安排 第一章叙述了论文的课题背景、国内外的发展现状，论文的主要工作和论文 内容的大致安排。 第二章简要叙述空降集结通信组网系统要求，并介绍一些相关网络模型的定 义特点及其协议体系结构。 第三章提出了空降集结通信组网系统的五层协议栈模型以及各层协议、完成 功能及报文格式，其中提出针对空降集结系统特点设计的应用层数据发送请求方 式、网络层路由方式，以及数据链路层固定时隙分配的轮询协议，详细讨论了链 路的各种工作状态及处理流程。 第四章简要叙述了c + + b u i l d e r 仿真平台及建模方法。根据协议设计模型进行 程序工作流程设计、参数配置及建模仿真，实现了空降集结通信系统的基本功能。 第五章得到空降集结通信系统的组网仿真结果，分析网络部分性能，对协议 的可靠性、高效性进行验证。 第二章空降集结通信组网协议分析 第二章空降集结通信组网协议分析 2 1 系统要求 本课题是团队空降后集结的通信系统的研究，它是结合现代卫星技术与通信技 术的数字化通信定位集结系统，通过卫星定位，完成数据通信与电子罗盘显示。 系统基本应用环境如下：空降团队由2 5 5 人构成；在飞机高度8 0 0 米，速度3 6 0 k m 1 1 时，跳伞人员开始空降；空降时间约5 分钟；分布范围为3 0 k m 左右。 1 系统基本通信参数要求： 工作频段为2 3 0 m h z 2 5 0 m h z ； 调制方式为f m f s k ； 发射功率为1 5 w 3 w ； 接收灵敏度为1 0 7 d b m ； 数据通信传输速率9 6 k b p s l9 2 k b p s 。 2 系统基本功能要求： 话音通信：与现有模拟台互通； 数据通信：与数据链电台数据通信； t d m a 组网：实现多跳t d m a 自组网； 网内识别； 精确定位：g p s ( 1 5 m 精度) g l o n a s s ( 3 0 米精度) 或北斗； 地理信息显示：地理信息输入、处理、显示，在电子地图上动态显示自己与网 内成员位置、身份信息并保留运动轨迹，实现引导； 体积小，重量轻，低功耗； 可靠性高，结构合理，适合伞降要求。 3 系统所需装备分类： 指挥官设备 要求能够显示所有成员位置信息与集结点、电子罗盘、实现话音通信。它应包 括通信电台模块、卫星定位接收模块、电子罗盘、中央处理与显控系统、供电 系统模块。 空降人员设备 要求能够显示指挥官位置信息和集结点、电子罗盘、实现话音通信。它只需要 卫星定位接收模块、数字信标设备，可以发送接收位置信息，便于被搜寻。 空投设备 要求与跳伞人员设备相同。 6 空降集结通信系统协议研究与仿真 其中，对于通信电台模块的要求是采用f h 抗干扰，t d m a 多址方式构成自 组网，并实现自动按时隙发布、刷新网内各成员位置、上下传输各类信息。 空降人员离机前中央处理系统控制全球卫星定位模块启动和通信模块进入网 同步。跳伞后全球卫星定位模块立即搜索卫星定位信号，降落过程即可进行时隙 侦听，接收网内人员发出的信号，同时在指定的时隙内发送自己的位置与身份信 息。 2 2 网络协议介绍 本文所研究的空降集结通信网络是一个无线自组织的网络，同a dh o c 网络有 许多相似之处。下面在简要描述a dh o c 定义特点基础上，重点介绍其体系结构。 2 2 1a dh o c 定义及特点 一、 定义 什么是移动a dh o c 网络? 严格意义上说，移动a dh o c 网络是一系列装备无线 通信装置，具有联网能力的设备的集合。这些设备无论在其无线通信信号覆盖范 围之内( 单跳) 还是在其信号覆盖范围之外( 多跳) 均可以相互通信。对于前者， 设备之间直接通信，对于后者，必须要借助中间设备来中继或转发从源设备到目 的设备的分组，因而必须采用多跳路由技术。 a dh o c 技术所标称的是一种有别于中心接入和单跳的特征，强调多跳和无中 心接入，移动终端不仅具有主机的功能，还具有路由器的功能。a dh o c 网络可以 在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如i i l t e m e t 或者蜂窝核心网。在后面这种情况中，a dh o c 网络通常是以一个末端网络的方式 连接进入现有网络，它只允许产生于或目的地是自治系统内部节点的信息进出， 而不会让其他信息穿越自治系统。 在a dh o c 网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机 运行相关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议， 进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自己的分组需 要进行分组转发。 二、特点 从a dh o c 网络的工作方式和组网形式来看，它具有以下几个特点： 1 网络的自组织性 相对常规通信网络而言，a dh o c 网络最大的特点就是可以在任何时刻和任何 地点，在不需要固定基础网络设施( 如基站等) 支持的条件下，快速构建起一个移动 第二章空降集结通信组网协议分析 通信网络。因此，a dh o c 网络有时也称为移动自组织网络( s e l f o r g a 【l i z e d n e 撕o r k s ) 。它也是个人通信的一种体现形式。 2 动态变化的网络拓扑结构 在a d h o c 网络中，结点可以以任意速度和任意方式在网络中移动，加上结点送 功率变化、无线信道干扰、衰落等综合因素的影响，结点间通过无线信道形成的 网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。在网 络拓扑图中，这些变化主要体现在结点加入、离开网络以及链路权值系数的变化。 而对于常规无线网络，网络拓扑结构则表现较为稳定，拓扑结构的变化通常是由 于链路状态的变化( 如链路拥塞或是设备故障等) 。 3 分布式控制网络 a dh o c 网络中的每个结点都兼备路由和主机的功能，不存在一个网络中心控制 点，结点之间的地位是平等的，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开 网络。任意结点的故障不会影响整个网络的运行。网络路由协议通常采用分布式 控制方式，因而具有较强的鲁棒性和抗毁性。 4 多跳路由 由于结点发射功率的限制，结点的覆盖范围是有限的。当要与其覆盖范围之 外的结点进行通信时，需要中间结点的转发，即要经过多跳。与普通网络中的多 跳不同，a dh o c 网络中的多跳路由是由普通结点共同完成的，而不是由专用的路 由设备( 如路由器) 完成的。反过来，如果可以使用多跳路由，结点的发射功率可以 很低，从而达到节省电能延长电池工作时间的目的。 5 传输信道基于无线信道，且带宽有限 a dh o c 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比有线信道要低得多。同时考虑到竞争共享无线信 道产生的碰撞、信道衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素，结点可用的实际 带宽远远小于理论上的最大带宽值。因此a dh o c 网络协议设计的原则就是尽量减 少结点间交互的信息量，其目的是为了节约有限的带宽。 6 电源限制 作为移动终端的a dh o c 网络结点一般采用电池供电，这与普通网络设备使用 源线供电有着显著的差异。为了延长电池的使用时间，在设计网络协议时，要尽 量节约电池的电能。 7 网络安全性较差 a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道，网络的控制方 多为分布式控制，因此更加容易受到被窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”( 终 端无法进入睡眠模式) 、伪造等各种网络攻击。此外，无中心和自组织的网络组织 形式也容易遭受冒充、欺骗等形式的攻击。信道加密、抗干扰、用户认证都需要 8 空降集结通信系统协议研究与仿真 特别考虑。 2 2 2a dh o c 网络协议体系结构 对于网络协议体系结构的描述，最有影响的是1 9 8 4 年国际标准化组织提出的 开放式系统互联参考模型( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ，o s 删) 【3 1 1 。此模型作为网络通信的概念性标准框架，使由不同的设备和应用软件所形成 的网络进行通信成为可能。现在，该模型已成为一个主要的结构模型，用于计算 机之间和网络间的通信。o s i 参考模型定义了七个不同的层次，如图2 1 左侧所示。 分层后，每一层的协议可以独自存在，因此分配到各层的任务能够独立地执行。 分层带来的另一个好处是，某一层的协议能够在不影响其他层协议的情况下被更 新，大大增加了协议设计的灵活性。 庹用鬈 ：靛嘈联 会话脆 0 输壤 刚绻崩 链簿鹱 物堤竣 盎机剽| t ) ! l 终崖 膨周鹱 ：0 梭垅 l 嚏络麒 链繁联 物琏鹱 o s i 参考楔型t c p ，护梦等帐氍7 笼线r l 卵嘲擎芍搬弘 图2 1 网络协议栈参考模型【3 0 】 o s i 参考模型对于理解网络协议内部的运作很有帮助，但因其过于复杂，实际 中很少应用。而t c p i p ( t r a j l 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 m e tp r o t o c 0 1 ) 协议栈则获 得了更为广泛的应用，并成为计算机通信网络协议事实上的标准【3 1 】。t c p i p 参考 模型可以看作是对o s i 参考模型的简化，去掉了o s i 参考模型中的会话层和表示 层( 这两层的功能被合并到应用层实现) ，同时将o s i 参考模型中的链路层和物 理层合并为主机到网络层，如图2 1 中间所示。根据无线自组网特性，参照0 s i 的经典7 层协议参考模型和t c p i p 的体系结构【3 l 】，可以将无线自组网的协议栈划 分为5 层，如图2 1 右侧所示。考虑到t c p i p 协议己经成为网络互连标准，所以 图2 1 中无线自组网协议栈参考模型的体系结构是基于t c p i p 参考模型的体系结 构，并根据无线自组网的特点进行了必要的修改和扩充。例如，修改m a c 协议以 更好利用共享的无线空间信道，修改路由协议以适应网络拓扑的动态变化，修改 传输控制协议以提高其在无线传输环境下的性能等。 餐 一餐一连 糊 一输一互兰| | | 、，k一一、， 第二章空降集结通信组网协议分析 9 在无线白组网协议栈中，各子层的功能与技术介绍如下： 一、 物理层 自组网物理层主要实现信道的区分和选择、无线信号的监测、调制解调等。 由于多径传播( m u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n ) 带来的多径衰落、码间干扰以及无线环境的空 间广播特性带来的节点间的互相干扰，使无线自组网传输链路的带宽容量降低。 物理层的设计目标是以较低的能量消耗，克服无线媒体的传输损耗，获得较大的 链路容量。其关键技术包括调制解调、信道编码、多天线、自适应功率控制、自 适应干扰抵消、自适应速率控制等。 二、 数据链路层【3 0 】 数据链路层解决的主要问题包括媒体接入控制，以及数据的传送、同步、纠 错以及流量控制等。a dh o c 数据链路层又分为媒体接入控制( m a c ，m e d i aa c c e s s c o n t l 0 1 ) 和逻辑链路控制( l l cl o g i c a l l i i l l ( c o n t r 0 1 ) 层，在一般情况下，主要关注 m a c 层协议。 数据链路层中m a c 协议是无线自组网协议栈中的重要组成部分，它既要对无 线信道进行信道划分、分配和能量控制，又要负责向网络层提供统一的服务，屏 蔽底层不同的信道控制方法，实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、确认、差 错控制和流量控制等功能。无线自组网m a c 协议是分组报文在无线信道上发送和 接收的直接控制者，因此，它能否高效、公平地利用有限的无线信道资源对无线 自组网性能起决定性的作用。作为一个研究热点，在过去的几十年里、尤其是近 几年随着无线自组网硬件技术的成熟，学术界对无线自组网m a c 协议进行了大量 的研究，并出现了许多m a c 层协议。 无线自组网m a c 协议解决的是对无线信道的接入方式，从不同的视角出发， 可以对其进行不同分类。根据节点获取信道的方式，可以将无线自组网m a c 协议 粗略分为基于竞争的( c o n t e n t i o n - b a u s e d ) 和非竞争的( c o n t e n t i o n f r e e ) 两类，此 外，根据时间同步关系，可以分为同步m a c 协议和异步m a c 协议；根据所用的 无线信道个数，可以分支持单信道、双信道和多信道的m a c 协议；根据发射天线 的种类，如全向天线、定向天线、或多入多出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，m i m o ) 天线等，也可以进行不同划分。 在非竞争的无线自组网m a c 协议( 如t d m a ，f d m a ，c d m a 等) 中，节点之 间通过一定的资源( 如t d m a 中的时间片，f d m a 中的频谱空间和c d m a 中的 编码空间等) 分配机制来避免竞争。 l o 空降集结通信系统协议研究与仿真 奔甄诵盯拧制譬议 j 鬣百躲籀| i 基子竞争船 善i ) 赫磊f d 隧a ，c d 翳a 等) ii 2 。7 。1 ”。 毯予笺托访1 0 篱翌= 仃篾终7 脊突处嚣钒考：内 戆磐cll 寨黼忙搿矧l 瓣鞋需 图2 2 无线自组网m a c 协议分类u u j 如图2 2 所示，基于竞争的无线自组网m a c 协议可以进一步分为基于随机访 问的和带有预约冲突处理机制的两类。在随机访问模式下，节点在自身准备好之 后就立即访问信道，如a l o h a 协议、时隙a l o h a ( s 1 0 t t e da l o h a ) 协议等。 a l o h a 协议虽然简单，但由于节点在发送时未考虑其他节点的情况，导致很高的 冲突率。为了避免冲突，节点不应该在其他节点正在发送的时刻进行发送，因而 可以让节点首先侦听信道是否空闲再决定自己是否发送，这就是载波侦听多路访 问( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s ，c s m a ) 协议。为了解决c s m a 协议中存在的隐 藏终端和暴露终端等问题，人们在无线自组网m a c 协议中引入动态预约冲突处 理机制。比如，m a c a 和m a c a w 就使用请求发送( r e q u e s t t o s e n d ，r t s ) 和清 除发送( c l e 扑t 0 s e n d ，c t s ) 控制报文来实现信道预约和冲突避免，以提高随后 进行的数据报文传输的成功率。f a m a ，i e e e8 0 2 1 l 等协议则结合使用了载波侦 听技术和控制报文。 三、网络层【3 2 l 网络层需要完成邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互联功能。邻居发现 用于收集网络拓扑信息。路由协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由，将 网络层分组从源节点发送到目的节点以实现节点之间的通信。路由协议包括单播 路由和多播路由协议，此外还可以采用虚电路方式来支持实时分组的传输。 在无线自组网中，由于节点无线覆盖范围的有限性，两个无法直接连接的节点 需要借助于其它节点的分组转发才能通信。网络中的每个节点都充当路由器的角 色，具有发现和维持到其它节点路由的功能。自组网动态变化的拓扑结构决定了 传统固定网中的距离向量和链路状态路由协议并不适用。在以多跳为基本特点的 自组网中，如何寻找一条理想的路径进行数据分组转发是其最重要的问题之一。 为了完成节点之间的通信，路由协议需要监控网络拓扑结构变化，交换路由信息， 第二章空降集结通信组网协议分析 负责建立、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据分绍，提供网络的可用 性。由于路由协议是移动节点之间相互通信的基础，因此成为当前无线自组网体 系结构中的研究热点。移动a dh o c 的四种类型的路由协议如下所示： 1 先验式( p r o a c t i v e ) 和反应式( r e a c t i v e ) ； 2 平面型( n a t ) 和层次型( h i e r a r c l l i c a l ) ： 3 g p s 辅助型( g p sa s s i s t e d ) 和非g p s 辅助( n o n g p sa s s i s t e d ) 型路由协议； 4 单路径型( s i n g l epa ：t h ) 和多路径型( m u l t i p a _ t 1 1 ) 。 在具体的路由协议设计过程中，可以采用单一策略，也可以同时采用多种策 略，如反应式的g p s 辅助型多路径路由协议等，下面分类介绍一些典型的路由协议。 ( 一) 先验式路由协议 网络中的主机通过周期性的交互路由信息得到所有其它主机的路由，而不管 需不需要该路由进行通信。典型的先验式路由协议有： 1 d s d v ( h i g h l yd y n 锄i cd e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i i l g ) d s d v 是先验式距离向量路由协议，基于经典的b e l l m a l l f o r d 路由机制，主要 改进是在路由表项中包含了由目的节点指定的序列号，以区分新旧路由，避免路 由循环。其路由更新既是时间驱动的( 周期性更新，可让新加入的节点及时了解 网络拓扑) ，又是事件驱动的( 可及时反应拓扑变化) 。在具体环境下，需要在 及时性和减少开销之间取得平衡，尤其是在不可靠环境，拓扑频繁变化的网络中， 可考虑只依靠周期性更新。更新信息分为两类：“完整”信息，包含路由表中所有信 息；“增量”信息，只包含自上一次广播“完整”信息之后的更新内容。d s d v 不适应 快速变化的自组网，不支持单向信道。 2 w r p ( t h ew i r e l e s sr 0 u t i n gp r o t o c 0 1 ) w i 心( t h ew i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 也是先验式距离向量路由协议。w i 冲是在 路径发现算法p f a 基础上改进设计，以减少出现环路的次数。w i 心的改进之处在 于当节点i 监视到与邻居节点i 的链路发生变化时，i 会检测所有邻居节点关于倒 数第二跳节点信息的一致性，而p f a 只检察节点j 关于倒数第二跳节点信息的一致 性。在w p r 中，每一个节点需要维护4 个表：距离表、路由表、链路代价表、消 息中继列表( m r l ) 。移动节点使用更新消息通知每一条链路的变化，更新消息 仅在邻节点间传递。节点通过接收应答及其它消息来感知其邻节点的存在。如果 一个节点没有更新消息需要发送，它必须定期发送h e l l o 消息以声明其存在。 3 f s r ( f i s h e y es t a t er o u t i n g ) f s r 是先验式链路状态( l s ) 路由协议，其目的是通过鱼眼( f i s h e y e ) 效应( 对 于较近的节点用较短间隔交换链路状态信息，对于较远的节点用较长的间隔交换 状态信息) ，减少路由信息流量。链路状态信息交换由时间驱动的，f s r 的扩展 性好。 空降集结通信系统协议研究与仿真 4 f s l s ( f u 乙万s i g h t e dl i i 墩s t a t e ) f s l s 和f s r 相似，使用了一种叫h s l s ( h a z ys i 曲t e dl i l l l ( s t a t e ) 的最优化算 法。即每2 k 宰t 时间向2 k 范围的节点发送一个链路状态信息。k 表跳数，t 表链 路状态更新的最小时间间隔。 5 o l s r ( o p t i m i z e dl i n ks t a t er o u t i n g ) o l s r 是一种优化的l s 协议，这个协议的一个关键概念是多点中继站( m p r ) ， 仅由被选举为m p r 的节点产生l s 信息和转播控制信息，而且m p r 只需要维护 m p r 和以自己做为m p r 的节点( m p r s e l e c t o r ) 之间的l s 更新。o l s r 适用于 密集型网络，对于稀疏型网络，每个邻节点都成了m p r ，则o l s r 就变成了纯l s 。 6 t b r p f (t o p o l o g yb r o a d c a s to nr e v e r s ep a t hf o r 、删i n g ) t b i 冲f 也是一种l s 协议。它包括两个模块：邻节点发现模块、路由模块。 每个节点通过拓扑表中的部分拓扑信息计算出一个源树( r t ) ，提供了到所有可 达节点的最短路径。每个节点只向其邻节点通告部分源树，以减少开销，也可有 选择的通告完整拓扑，以提高快速移动网络的健壮性。h e l l o 消息只报告邻节点 状态的变化，也可减少开销。 7 s t a ra ( s y s t e ma i l dt r a 衔cd e p e n d e n ta d a p t i v er o u t i n ga l g o r i t h m ) s t a r a 协议采用了最短路径算法计算路径，但“最短”路由度量采用平均时 延，考虑了无线链路的容量和排队时延等因素。其采用的平均时延估测机制不需 要双向信道和节点间的时钟同步的支持。 ( 二) 反应式路由协议 网络中的每个节点在需要进行通信时才发送路由分组，以减少路由开销。一 般分成两个阶段：路由发现和路由维护。路由发现：当一个节点需要向某个目标 节点发送数据时，首先查询其路由表，如果不存在所需路由，就启动一个路由发 现过程，通常是广播一个路由请求( 融也q ) 分组，当合适的路由被找到，返回一 个请求响应( 砒迮p ) ，该过程就终止，或所有可能的路由排列都己检查过，该过 程也终止。路由维护：路由建立后，它就由某种路由维护程序进行维护，直到该 路由不再需要，或通过任何路径都无法访问目标节点。 1 平面泛洪路由 d s r ( d y n 锄i cs o u r c er 0 u t i n g ) d s r 是一种简单有效的路由协议。数据分组头部包含了完整的路由信息，可 以避免环路。中间节点使用了路由缓存技术以减少了路由发现的耗费，但过期路 由会影响路由选择的准确性。d s r 支持单向链路，支持主动应答和被动应答两种 链路状态监测方法，不需要周期性的广播链路状态信息，可减少开销。但因分组 头部包含了完整的路由信息，所以链路利用率低。 a o d v ( a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 第二章空降集结通信组网协议分析 a o d v 是基于d s d v 的，使用目的序列号防止环路和计数到无穷大等问题。 在路由发现阶段，当节点需要发送信息而又没有目的节点的有效路由时，启动一 个路由发现过程。a o d v 允许中间节点响应砒迮q 。发现路由后，中间节点或目 的节点以单播的方式向源节点发送一个l 氓e p 分组。a o d v 支持单向链路。a o d v 路由开销小，但要周期性地广播h e l l o 报文来监视链路状态，要消耗一定的电池 能源和网络带宽。 t o r a ( t 色m p o r a i l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) t o i 认是基于链路反转的路由算法，提供到目的节点的多条路由，可以传输更 高速的数据。其关键的设计概念是将控制信息局限在发生拓扑变化的区域的少量 节点中。它可以处理高密度网络，适应高度动态的移动网络环境，但不支持单向 信道，且t o r a 算法是基于同步时钟的，所以时钟不同可导致路由故障。 a b r ( a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g ) a b r 有两个独特之处：一是依据路由的持久性和质量来选择路由；二是当路 由失效时，通过路由重组来快速查找路由。 s s r ( s i 印a ls t a b i l i t ) rb a s e da d 印t i v er o u t i n g ) s s r 是基于信号强度自适应路由协议。该协议旨在选择连接性最强的路由。 s s a 由两个互相合作的协议构成：动态路由协议( d i 冲) 和静态路由协议( s i 冲) 。 d r p 负责维护信号稳定度表( s s t ) 和路由表( r t ) 。s s t 记录邻节点的信号强 度。在选择路由时，将信号强度作为选择依据，以得到稳定性最好的路由。 ( 三) 平面路由 平面路由分为平面受限路由和平面泛洪路由，平面泛洪路由已在上文中介绍。 平面受限路由与平面泛洪路由类似，不同的是在路由查找过程中，对请求报文的 传播范围进行了限制，以减少路由开销，且速度快，网络可扩展性好。典型的平 面受限路由协议有： 1 l a r ( l o c a t i o n - a i d e dr o u t i n g ) l a r 通过g p s 获得移动主机的位置信息来控制路由查询范围。提供了两种控 制路由查找的策略：区域策略和距离策略。在区域策略中，只有在限定的路由请 求传播范围内的主机才参与路由查找；在距离策略中，通过比较源节点到目的节 点的距离和中间节点到目的节点的距离来决定中间节点是否转发路由请求。 2 i m m a r ( r e l a t i v ed i s t a n c em i e r 0 一d i s c o v e 巧a dh o cr o u t i n g ) r d 眦由路由查找和路由维护两部分组成。在路由查找时，利用源宿主机间 的网段数来限制路由查找范围。在路由维护时，依据主机间的空间关系来确定维 护策略。它使用主动应答来监测链路状态。 ( 四) 层次型路由协议 在分层路由协议中，最常用的方法是将地理上紧密相联的节点组成一个显式 1 4 空降集结通信系统协议研究与仿真 的簇，每个簇选一个簇头，簇内部节点与簇头单跳通信，这种方式称为物理分层。 另一种方法是隐式地分层，每个节点属于一个本地范围，范围内外使用不同的路 由策略。范围中的节点要进行选路，这种方式称为逻辑分层。典型的层次型路由 协议有： 1 c g s r ( c l u s t e r h e a dg a t e w a ys 而t c hr o u t i n g ) c g s r 是典型的基于簇的d v 路由协议，用l c c ( l e a s tc l u s t e r h e a dc h a i l g e ) 算法分簇，选簇头，属于两个或多个簇的节点作为网关。网络由三种节点：簇头， 网关，内部节点组成。每个节点维护两张表：簇成员表，d v 路由表。簇成员表 记录了到每个节点的簇头信息，并周期性地广播，表的大小取决于网络 中簇的个数。路由表只维护了到每个簇簇头的一条路由。 2 h s r ( h i e r a r c h i c a ls t a t er o u t i n g ) h s r 是基于簇的l s 路由协议，通过递归使用簇方法来维护一个逻辑分层结 构。也由三种节点：簇头，网关，内部节点组成。节点地址格式为h i d ( 物理节点 的h i e r a r c h i c a li d ) ，显示了该节点的分层拓扑信息，h i d 足以将分组传到网络中 的任何目的节点。 ( 五) g p s 辅助型路由协议 随着g p s 等定位技术的发展和具体应用，基于地理位置信息的路由协议较好地 解决了传统路由协议在移动a d h o c 网络等无线网络中的低效问题。同时，它还可以 提供网络定时，为装有g p s 的节点提供全局同步。 1 g e o c a s t ( g e o 伊a p l l i ca d d r e s s i n ga n dr o u t i n g ) g c o c a s t 允许信息被传到某一地理区域中的所有节点，地理区域可以是一点， 一个圆或一个椭圆。g e o c a s t 中有三种类型的节点：g e o h o s t 是可接收和发送用 户信息和地理位置信息的主机；g e o n o d e 存在于子网中，将从g e o h o s t 接收的信 息转发给g e o r o u t e r 并存放从g e o r o u t e r 接收的位置信息；g e o r o u t e r 计算服务 区，通过交换服务区的信息来建立路由表。 2 d i 之e a m ( d i s t a n c er o u t i n ge f r e c ta 1 9 0 r i t h mf o rm o b i l i 够) d r e 蝴是一种使用位置信息的先验式路由协议。它提供了多路径的路由，每 个节点通过使用从g p s 获得的信息实现距离效应原则和移动率原则，从而减少路 由开销。 3 g p s r ( g r e e d yp e r i m e t e rs t a t e l e s sr o u t i n g ) g p s r 路由协议是对于无