（计算机软件与理论专业论文）ad+hoc网络中广播算法的研究.pdf

摘要 摘要 无线自组织网络( a dh o e ) 是当前无线通信领域一种新的、j 下在发展的网络技术，它 j 下在迅速地从军事通信渗透到相关的民用通信领域。 在移动无线自组网中，广播被广泛地用于路由发现、地址解析和许多其它的网络服 务中。在a dh o e 中，并不是每个节点都是直接相互通信的，所以一个广播包可能会被 许多节点转发以保证这个包到达a dh o e 中的所有节点。由此可知，一个低效的广播算 法可能会导致产生许多冗余的转发包，所以广播的效率对a dh o e 的性能有重要的意义。 一个良好的广播算法是进行无线路由协议研究的关键和前提。在研究了前人所提出 的广播算法之后，本文就广播算法分别从两个方面进行研究和探讨：网络中节点转发概 率的研究以及广播节点的邻居节点分布情况的研究。 对网络中节点转发概率的研究主要是实现根据距离动态调整转发概率。改进后的算 法以概率算法为基础，参考转发节点间的距离，针对各种网络结构设置最佳概率值。通 过对算法进行测试，验证了根据距离动态调整转发概率的基本功能的实现，对算法的可 达性能和广播包数目也进行了测试分析。动态调整节点转发概率的实现为减少广播风暴 对网络影响的目标提供了一种可靠、有效的方案。 本文主要分析了广播节点的邻居节点分布情况，以使广播节点的覆盖范围最大化。 参考概率算法和计数器算法，通过邻居节点与转发节点发送范围边界上均匀分布点的位 置关系，以及网络中节点的分布密度动态地调整转发概率，探讨出对原有算法的改进方 案。使用n s 2 对算法进行仿真实现和性能测试，结果表明：采用均匀分布在节点发送范 围边界上的邻居节点，可以达到比概率算法和计数器算法更高的可达性；适当的概率值 使得网络工作状态良好，没有明显的广播包冗余。对广播节点的邻居节点分布的研究是 对基于几何广播算法问题的一种探讨。 关键字：a dh o e 网络；动态概率；广播；均匀区域 a b s t r a c t a b s t r a c t s e l f - o r g a n i z i n gw i r e l e s sn e t w o r k ( a dh o c ) i san e w a n dd e v e l o p e dn e t w o r kt e c h n o l o g y i nt h ef i e l do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi s r a p i d l yi n f i l t r a t e d f r o mm i l i t a r y c o m m u n i c a t i o n si n t ot h er e l a t e dc i v i l i a nc o m m u n i c a t i o n sf i e l d s i na dh o cn e t w o r k s ，b r o a d c a s t i n gi s e x t e n s i v e l yu s e di n r o u t ed i s c o v e r y , a d d r e s s r e s o l u t i o n ，a n dm a n yo t h e rn e t w o r ks e r v i c e s i na dh o c ，i ti sn o tt h ec a s et h a te v e r yn o d ec a n d i r e c t l yc o m m u n i c a t ew i t ha l lo t h e rn o d e s ab r o a d c a s tp a c k e tm a yb er e b r o a d c a s ta tm a n y n o d e st og u a r a n t e et h a tt h ep a c k e tc a nr e a c ha l ln o d e si na dh o c a ni n e f f i c i e n tb r o a d c a s t a p p r o a c hm a yg e n e r a t em a n yr e d u n d a n tr e b r o a d c a s t i n gp a c k e t s a sar e s u l t ，t h ee f f i c i e n c yo f b r o a d c a s t i n gi sc r i t i c a lf o rt h ep e r f o r m a n c eo f a dh o e t h ep r e m i s ea n dk e yo ft h er e s e a r c ho fw i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c o li sa ne x c e l l e n t b r o a d c a s ta l g o r i t h m b a s e do nt h ee x i s t i n gb r o a d c a s ta l g o r i t h m s ，b o t hr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o n a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e rf o rt h i st o p i c ：t h er e b r o a d c a s t i n gp r o b a b i l i t yo fe a c hn o d ea n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h er e b r o a d c a s tn e i g h b o r i n gh o s t sa r o u n de a c hf o r w a r d i n gh o s t f o rt h er e b r o a d c a s t i n gp r o b a b i l i t yr e s e a r c h , i ti ss h o w e di n t h i sp a p e rm a i n l yt h a t a d j u s t i n g d y n a m i c a l l yt h ep r o b a b i l i t ya c c o r d i n gt o t h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c hn o d e 刀 e i m p r o v e da l g o r i t h mi sb a s e do nt h ep r o b a b i l i s t i ca l g o r i t h m ，r e f e r r i n gt ot h ed i s t a n c eb e t w e e n e a c hn o d e i ti ss h o w e dt h a ta l lk i n d so fn e t w o r kt o p o l o g ya r es e tt h eb e s tp r o b a b i l i t y t h r o u g hs o m et e s t s ，i t c o n f i r m e dt h a tt h eb a s i cf u n c t i o no fa d j u s t i n gd y n a m i c a l l yt h e p r o b a b i l i t ya c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c hn o d ei si m p l e m e n t e d o t h e r w i s e ，s o m e t e s t sa n da n a l y s i sh a v eb e e nd o n et os h o wt h er e a c h a b i l i t ya n dt h es a v e dr e b r o a d c a s t i ti s p r o v i d e dt h a ta d j u s t i n gd y n a m i c a l l yt h ep r o b a b i l i t ya c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c h n o d ei sar e l i a b l ea n de f f e c t i v es o l u t i o nt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fb r o a d c a s ts t o r i l l t h ed i s t r i b u t i o no ft h er e b r o a d c a s tn e i g h b o r i n gh o s t sa r o u n de a c hf o r w a r d i n gh o s ti s f o c u s e di nt h ep a p e ri no r d e rt ok e e pt h ea v e r a g ea r e ac o v e r e db ye a c hb r o a d c a s t i n gh o s tt ob e m a x i m u m r e f e r r i n gt ot h ep r o b a b i l i s t i ca l g o r i t h ma n dt h ec o u n t e r - b a s e da l g o r i t h mi t i s i n t r o d u c e dt h a tam e t h o dt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m s a c c o r d i n gt ot h el o c a t i o n b e t w e e nt h en e i g h b o r i n gn o d ea n dt h es y m m e t r i c a lp o i n ta r o u n dt h ef o r w a r d i n gh o s ta n dt h e d i s t r i b u t i o nd e n s i t yo fn o d e si na dh o cn e t w o r kt h er e b r o a d c a s t i n gp r o b a b i l i t yi sd y n a m i c a l l y a d j u s t e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es u p e r i o r i t yo ft h o s ea l g o r i t h m si na dh o c n e t w o r k m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o ni m p l e m e n t a t i o na n dt h er e s u l t so fs o m es i m u l a t i o nt e s t s a r eg i v e na n ds o m ep e r f o r m a n c ef i g u r e so f b r o a d c a s t i n ga l g o r i t h ma r ea n a l y z e db yn s 2 a f t e r s e l e c t e dt h en e i g h b o r i n gn o d eo nt h es y m m e t r i c a lp o i n ta r o u n dt h ef o r w a r d i n gh o s t ，n e t w o r k m a yb eo b t a i n e db e t t e rr e a c h a b i l i t y n e t w o r kw i t ha p p r o p r i a t ep r o b a b i l i t yw o r k sw e l la n dh a s l e s sr e d u n d a n tr e b r o a d c a s t i n gp a c k e t s i ti ss h o w e dt h a tr e s e a r c ho ft h ed i s t r i b u t i o no ft h e r e b r o a d c a s t n e i g h b o r i n gh o s t sa r o u n de a c hf o r w a r d i n gh o s ti s t h ee x p l o r a t i o no ft h e g e o m e t r y - b a s e db r o a d c a s ta l g o r i t h m k e y w o r d s ： a dh o cn e t w o r k ；d y n a m i c a lp r o b a b i l i t y ；b r o a d c a s t ；s y m m e t r i c a la r e a i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含本人为获得江南 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谢意。 签名： 弦鳋 日 期： 2 竺曼：主：l 兰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 篁筮鳃一导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题意义 a dh o e 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的临时性自制 系统。网络中的移动终端具有路由和报文转发功能。当通信的源节点和目的节点不在直 接通信范围之内时，他们可以通过中i 日j 节点转发报文，即报文要经过多跳( h o p ) 才能到 达目的地，这是a dh o e 网络与其它移动通信网络的最根本区别【。因此，a dh o e 网络 中的节点常常既是一个终端，又是一个路由器【2 】。a dh o c 网络既可以作为一个独立的网 络而存在，又可以接入到有线网而成为因特网的一部分，故可广泛用于救灾工作系统之 间、城市车辆之问的通信，以及其它需要临时快速建立通信网络的场合，因而具有广泛 的应用前景p j 。 a dh o c 网络的显著特点是网络拓扑的高度动态性【4 】【5 1 。当节点进行通信时，需要先 通过广播获得通信的有效路径；当消息传送的目的节点未知或需要送给网络中所有节点 时，也需要通过广播实现，广播服务是a dh o c 网络中常用的操作。在a dh o e 网络中， 由于节点的移动性，广播使用要比有线网络更加频繁。但是盲目的泛洪会导致严重的广 播信息冗余，信道争抢和广播信号碰撞。总地来说，把以上这些与泛洪有关的问题叫做 广播风暴问题。减少广播风暴的一种方法就是禁止一些主机转发广播信息，以减少信息 冗余，进一步减少信道争抢和信号碰撞。 a dh o e 网络是一种特殊的无线通信网络。其主要特点如下： ( 1 ) a dh o c 网络具有很强的独立组网能力，不需要基站的支持，结点丌机后可以 快速、自动组网。 ( 2 ) a dh o c 网络采用了无中心结构，所有结点地位平等，组成一个对等式网络， 其间的结点可以随时加入或者离开网络，任意结点的故障不会影响整个网络的运行。这 一特点决定了，a dh o c 网络具有很强的抗毁性。 ( 3 ) a dh o e 网络没有严格的控制中心，所有结点通过分层的网络协议和分布式算 法协调各自的行为。无中心和自组织的特点使得a dh o c 网络成为快速自组织网络。 ( 4 ) 由于结点发射功率的限制，结点的覆盖范围是有限的。当要与自身所覆盖范 围之外的结点相互通信时，需要中间结点的转发，即要经过多跳。与普通的网络中的多 跳不同。a dh o e 网络中的多跳路由是由网络中的普通结点共同协作完成的，而不是由 专门的路由设备来完成。相反，如果可以使用多跳路由，结点的发射功率可以很低，从 而达到节省能量的目的。 ( 5 ) a dh o c 网络中，所有移动终端能够以任意的速度移动，随时进入或离开网络， 再加上外界环境和天气的变化使得移动终端通过无线信道形成的网络拓扑结构具有随 时变化的可能性，而且其变化速度难以预测。这些变化主要体现在结点和链路的数量和 分布上。所以a dh o e 网络的路由是区别与传统的有线网络和蜂窝网络的路由的。因此 对a dh o e 网络路由的研究也就颇具意义。 江南人学硕十学何论文 在a dh o c 网络中，保持数据分组的可到达性和网络一致性是一个非常关键的问题。 在解决该问题方面，a dh o c 网络路由承受的大量负担影响了带宽和能量使用。尽管a d h o c 网络路由逐步由表驱动方式转变为按需驱动，使得路由信息只需要在必要时才会计 算出来，降低了额外负担，但是其路由发现过程通常仍是运用洪泛法实现。在大型网络 中使用一次洪泛法，广播将产生大量冗余转发，而且邻近节点的转发很可能同时发生， 这必然导致信息冲突和信道争用，即导致广播风暴问题产生。 1 2 国内外研究现状 广播在移动a dh o c 网络通信中又起着重要的作用。它把信息从一个节点向整个网络 中的所有节点发送，因而不但可以向全网发送简单的控制命令，而且在许多的网络层的 单橘和多播协议寻找路由的过程中起关键作用。比如，d s r ，a o d v ，z r p ，l a r 等都 是用广播来发现节点间的路径或更新网络节点的状态。当前，这些协议依赖于广播的一 种简单形式f l o o d i n g 。但f l o o d i n g 会引起网络的拥塞和数据冲突，从而降低网 络资源利用率。 近年来，提出了许多广播协议，希望在保证网络中的每个节点得到广播报文的同时 尽量减少数据重传的数量。 n it s e n g ，c h e n 和s h e n 研究了m a n e t 中的广播风暴问题。他们的研究指出直接 使用泛洪进行广播通常会消耗大量网络资源，并且会导致严重的冗余、竞争和碰撞。作 者提出了5 种方案用以克服泛洪产生的问题：概率算法、计数器算法、位置算法、距离 算法和基于簇的算法。减少广播转发的一个很直观的方式就是用概率进行转发，也就是 说，当主机第一次接收到某广播消息时，它将以概率p 来进行转发。在这种情况下，概 率p 的选择尤为关键。概率的减小会降低广播风暴的作用，覆盖范围也随之减小。显然， p ：l 时，本方案相当于泛洪。本算法的优点是简单易行，降低了延时和带宽损耗。计数 器算法是用一个计数器c 来跟踪记录广播消息收到的次数。选择一个计数器门限值c ， 当c c 时，转发被禁止。这种算法性能优越，但增加了每个节点的延时，显然，该算 法不适合对实时有严格要求的应用。在距离算法中，每个接收到广播包的节点将比较上 一节点与本节点之间的距离，计算出转发的覆盖率，若覆盖率低于某一门限值，则丢弃 广播包。这种算法还需要如g p s 这种定位设备的配合，以便为每个节点提供定位信息。 位置算法是指当节点转发广播包时，它会在这个广播包的包头添加自身的位置信息。当 节点接收到广播包时，它会记录下发送节点的位置，然后计算额外覆盖范围以便决定是 否转发这个广播包。这种算法虽然具备很高的可达性，但也需要如g p s 定位设备的配 合。基于簇的算法，每个节点为了表明自身的存在，会周期性地发送数据包以便判断它 与其他节点是否连通。这种算法的优点是有助于减少冗余的广播包。 在2 0 世纪7 0 年代到9 0 年代早期，我们很难从公开的出版物上获得有价值的理论 与技术成果。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，a dh o c 网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。目前a dh o c 2 第一章绪论 网络尚未达到完全实用阶段，大部分工作仍处在仿真和实验阶段，仿真规模在数百至数 千结点，实验规模在几十个结点左右。 1 3 论文的主要工作及结构 1 3 1 主要工作 整个研究课题所完成的任务是，在研究了前人所提出的广播算法之后，提出两种新 型广播算法刈p b d ( d y n a m i c a lp r o b a b i l i t yb a s e dd i s t a n c e ) 和d s a b ( d y n a m i c a ll y s y m m e t r i c a la r e ab r o a d c a s t ) ，d p b d 算法是在概率算法和距离算法的基础上，根据a d h o c 网络中节点间的距离动念地调整转发概率，d s a b 算法以概率算法和计数器算法为 基础，根据a dh o c 网络中节点间的距离和邻居节点与转发节点发送范围边界上均匀分 布点的位置关系动态地调整转发概率，既保证了广播的可达性又减少转发广播包的数 目。经查阅大量资料表明，这样的解决方案并不多见。 1 3 2 组织安排 论文共分为五个部分： 第一章：绪论。如上所述，介绍选题意义，国内外研究现状以及论文的主要工作及 结构。 第二章：a dh o c 网络中的广播风暴问题。本章主要分为六部分：i e e e8 0 2 1 l 简介； a dh o c 无线网络介绍；a dh o c 网络中的路由协议；a dh o c 网络中的广播及其特征；广 播风暴的产生和解决机制。 第三章：基于距离的广播算法的改进。本章主要分为四部分：转播概率分析；n s 2 网络仿真环境；基于距离的动态概率算法；实验及结果。 第四章：基于动态均匀区域的广播算法。本章主要分为三部分：动态均匀区域；算 法描述；实验及结果。 第五章：对全文进行了总结，并对后续工作进行了展望。 沮：南人学硕1 ：学何论文 第二章a dh o e 网络中的广播风暴问题 2 1i e e e8 0 2 1 1 简介 美国的国际电子电机学会( i e e e ) 于1 9 9 0 年1 1 月召丌了8 0 2 1 1 委员会，开始制 定无线区域网络的标准，而参与制定标准的厂商超过两百多家，而因为制定标准的工程 庞大，又加之技术以及政治上的考虑，因此直到1 9 9 5 年初稿才制定完成。 无线网络和有线网络首先在设计上会遇到一些不同点，首先是有线网络中每一个位 胃对应的是一个固定的设备放在固定的位置，但是无线网络中的设备是不停移动的，所 以其节点位置不能代表其实际位置。另外，无线传输先天上受到其介质，也就是大气的 影响非常大，这些影响有： ( 1 ) 传输距离受限，而且会随时变化。 ( 2 ) 和有线的介质比起来，在空气中的传输特性非常不稳定。 ( 3 ) 空气是开放的，在空气中容易受到干扰，也无法防止他人接收。 ( 4 )同一个空问的所有装置都用同一个介质来传输。 ( 5 ) 无线网络中的拓扑是动态变动的。 另外，无线网络在移动时会受限于i e e e8 0 2 系列的架构，从m a c 层以上所看到的 都要与其他有限的网络一样，这使得i e e e8 0 2 1 l 的m a c 层与其他传统上的m a c 层颇 有不同，因此i e e e8 0 2 1 1 主要分成两个部分，一部分是要设计出和物理层无关也适用 于所有无线网络系统的m a c 层规格，另外一部分则制定出依照传输媒介不同而不同的 物理层规格，i e e e8 0 2 1 1 所支持的每一种频率，如9 1 5 m h z 、2 4 g z 和5 8 6 h z 频率以 及红外频率等都有不同的规格，另外也定义出功率的管理以及时限性的服务等。 i e e e8 0 2 1 l 的主要特征如下： ( 1 ) 传输媒介为无线电。 ( 2 ) 多重传输速度，可让各个工作站使用不同的传输速率，如0 5 m b p s 、1 m b p s 、 2 m b p s 、5 5 m b p s 和11 m b p s ，而新的i e e e8 0 2 1 1 9 已经定义到5 4 m b p s 。 ( 3 ) 基本通信协议为c s m a c a ，如果有两个以上的工作站同时传送信息的话， 将会导致冲撞并视为无效信息而丢弃，c s m a c a 可以避免大部分的冲撞，但是还是无 法完全避免，因此不太适合用于传输即时的影音信息。 ( 4 ) 提供分散式协调功能( d c f ) 以及集中式协调功能( p c f ) 1 7 】，分散式协调 功能适合传输非即时的信息，而集中式协调功能则是采用轮询的方式，以此可事先安排 传送时间，比较可以提供保证传送延迟的服务。 ( 5 ) 非即时传输时并不保证带宽的公平分配，因为在d c f 部分时是利用 c s m a c a 机制来竞争传送信息的机会，并非轮流传送，因此每个工作站所使用的带宽 并不一定相同。 ( 6 ) 提供信息认证及保密功能，因为无线电为开放性的介质，因此除了要确认对 方身份之外，更需加入保密的功能。 4 第一二章a dh o e 网络中的广播风暴问题 ( 7 ) 无线网络因为带宽不足，因此对于应付多媒体信息的传送上会娃得较困难， 尤其是工作站越多，分配到的带宽就更少。 在i e e e8 0 2 1l 的网络基本架构大致上分为两种： ( 1 ) i n f r a s t r u c t u r ew i r e l e s sl a n ，即为有基础架构的无线区域网络，如图2 1 ，在 这种架构中会有一个接入点( a c c e s sp o i n t ) ，其功能是将一个或多个的无线区域网络和 现有的有线网络系统作连接，这样在无线区域网络内的工作站才能和外界的节点相互连 接8 1 。其特征为固定且预先定为好的基站位置、静态骨干网络拓扑、良好的环境以及稳 定的连接、在基站架设时做好详细的规划。 一一一一 ，。 。l 、 f! n t e r n e t j 、- 。i 一一，一7 7 7 ，一l 、一 ，一j 一 毒蠢、j ? j 。毒毒、| | ：无线网络l，7 无线网络2 。、 ， 。 一一， 图2 1l q f f a s t r u c t u r e 结构 ( 2 ) a dh o ew i r e l e s sl a n ，即为无基础架构的无线区域网络如图2 2 ，这种架构 只管区域网络内的每台机器是否能连成网络，而不管与外界是否能沟通，在这种架构中 任意两个用户都可以彼此直接通信，而这种架构是有至少两台以上的工作站所组成。其 特征是没有固定的基站，网络会快速的变化、动态的网络拓扑、容易受干扰、要自动形 成无基础构架网络并且适应拓扑的变化。 夕 图2 2 a d h o c 结构 5 召 江南人学硕十学位论文 2 2a dh o o 无线网络 2 2 1a dh o c 网络的定义 a dh o e 网络足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。网络中的移动终端具有路由和报文转发功能，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，也可接入i n t e r n e t 或蜂窝无线网络。在后一种情况中，a d h o e 网络通常是以术端子网的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，a dh o c 网络一般不适于作为中问承载网络。它只允许产生于或目的地是网络内部节点的信息进 出，而不让其他信息穿越本网络，从而大大减少了与现有i n t e m e t 互操作的路由丌销。 a dh o e 网络中，每个终端兼具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 山表参与分组转发和路由维护工作。在a dh o e 网络中，节点间的路由通常由多跳( h o p ) 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会通过多个中 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【4 5 j 。 2 2 2a dh o e 网络的特点并口用途 a dh o e 网络使用无线方式通信，通常以电池为能源。一方面它继承了无线通信系 统和电池能源系统的共同特点，如带宽有限，能源限制，低q o s 等。除此之外，移动自 组网更为本质的特点是其节点的移动特性以及分布性和独立性带来的多跳和无中心节 点的结构。这些新的特色使得移动自组网的路由管理、拓扑管理和位置管理呈现出完全 不同的状况。移动自组网的特点如下【6 】： l 、自组织的终端节点：每个移动终端节点都具有自组织能力，即，它们可以同时 扮演路由器和主机的角色，除了具有主机节点的处理能力外，还兼有数据转发功能。 2 、分布式操作：a dh o e 网络中没有负责中心控制的骨干网，对于网络的控制和管 理是分布到各个网络节点的，a dh o e 网络中的节点必须通过协同以及必要时的通信中 继才能完成诸如路由与安全的控制管理功能。 3 、多跳路由：当数据发送方和接收方不在单跳范围内时，必须经由其它单个或多 个节点的中继才能完成数据的传输。 4 、动态连接质量：相对有线通信，无线通信的丢包率和错误率更高。噪声、信号 衰减和干扰以及低带宽都使得节点间的连接呈现不稳定、低质量的态势。 5 、动态网络拓扑：由于a dh o e 网络中的节点可以是动态移动的，且节点间的无线 连接状况也是动态变化的，整个网络的拓扑结构呈现出动态性和不可预知性。移动自组 网必须对于节点的移动模式、网络的流量及数据传播条件有一定的适应和调整能力。 6 、弱终端：很多情况下，a dh o c 网络中的节点具有相对较弱的计算能力、较小的 存储空间和较低的能源储备。 综上所述，在a dh o e 网络中，网络的节点位置和拓扑结构具有高度的动态性和随 机性，节点的自由分布和自组织成网的能力使得a dh o e 网络具有如下三点最为本质的 6 第二章a di l o c 网络中的j 播风暴问题 特征： l 、移动性：所有节点均可移动，网络具有动态的拓扑和路由重组能力。 2 、分靠性：网络中没有中心控制节点，在单个或部分节点失效的情况下，其它节 点仍可保持通信。 3 、独立性：网络不依赖于固定的通信设施，可以单独自组织成网。 由于a dh o e 网络的这些特点，它可应用于军事和民用的许多领域： ( 1 ) 军事侦察系统与指挥控制系统 ( 2 ) 灾难救援通信系统 ( 3 ) 信息家电和娱乐系统野外作业通信系统 ( 4 ) 传感器网络系统 ( 5 ) 移动机器人网络系统 ( 6 ) 旅游指南与交通导航管理系统 ( 7 ) 远程教学系统 ( 8 ) 无线公共网络接入系统 2 2 3 与其它无线通信系统的比较 ( 1 ) 蜂窝系统 蜂窝系统间可以提供广阔的覆盖范围，支持无线语音双工通信，可以较好地管理用 户移动性。蜂窝系统的发展可按照应用技术划分为三代【6 】。第一代( 1 g ) 是以 f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术为标志的模拟蜂窝系统以及模拟无绳电 话系统【9 】，如美国的a m p s 系统。这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音 业务。模拟蜂窝系统中，语音按电路交换的形式在窄带宽信道上以频率调制的方法传输， 系统对每个单元( c e l l ) 的控制放在移动支持中心m s s ( m o b i l es u p p o r ts t a t i o ) 或者基站b s ( b a s es t a t i o n ) 上，m s s 和基站作为固定网的一部分以无线方式连接移动用户。第二代( 2 g ) 是以t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 和c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技 术为标志的数字蜂窝系统，如g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ，和以 d e c t 、p a c s 、c t 2 为代表的数字无绳电话系统以及通信工业协会制定的i s 一5 4 和i s 一9 5 标准。数字蜂窝系统提高了系统容量，采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善， 但t d m a 的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。数字蜂窝系统有较高的误码 率和较低的有效数据传输速率。国际电联i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 在 1 9 8 5 年提出了第三代( 3 g ) 蜂窝系统的概念f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 1o j ，在19 9 9 年改为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e m a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s 2 0 0 0 ) 标准。与前两代系统相比，第三代蜂窝系统的主要特征是可提供丰富多彩的 移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持1 4 4 k b p s ，步行慢速移动环境中支 持3 8 4 k b p s ，静止状态下支持2 m b p s 。其设计目标是提供比第二代系统更大的系统容量、 更好的通信质量、在全球范围内更好地实现无缝漫游、为用户提供包括话音、数据及多 媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。目前i t u 接受 的3 g 标准主要有以下三种：w c d m a ( w i d e b a n dc d m a ) ，c d m a 2 0 0 0 与 7 江南人学硕十学位论文 t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 】。 与移动自组网相比，蜂窝系统覆盖范围广泛，通信的q o s 较有保障，适合作为人口 常住区的公共通信系统。但蜂窝系统需事先将覆盖区域划分为小区，组网受到地形限制， 配置管理较为复杂。不适合山地、海洋、极地、战场等环境的通信，不适合需要快速组 网环境的通信。 ( 2 ) 无线局域网 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k l 是i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 定义的一个无线网络通信的工业标准，是采用无线传输媒体的计算 机肺域网【6 1 。它由无线网卡、无线接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 、主机和有关设备组成。无线 局域网具有无需物理布线、组网灵活快捷、可移动性强、传输速率高、信号比较稳定等 优点，通过部署足够的a p 可覆盖一部分区域，用户可以在这些a p 间实现无缝漫游。 无线局域网第一个版本发表于1 9 9 7 年，其中定义了m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和物 理层。物理层定义了工作在2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r i a l ， s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 频段上两 种无线调频方式和一种红外传输方式【i2 1 ，总数据传输速率设计为2 m b p s 。两个设备之间 的通信可通过自由直接连接( a dh o c ) 的方式进行，也可以在基站的协调下进行。1 9 9 9 年 w l a n 加上了两个补充版本8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 。8 0 2 1 l a 定义了一个在s g h zi s m 频段 上的数据传输速率可达5 4 m b p s 的物理层。8 0 2 1lb 定义了一个在2 4 g h zi s m 频段上但 数据传输速率高达l1 m b p s 的物理层，在性能、价格各方面均超过b l u e t o o t h ，h o m e r f 等技术，加之2 4 g h zi s m 频段为世界上绝大多数国家通用，使8 0 2 1 1 b 得到了迄今为 止最为广泛的应用。苹果公司把自己开发的8 0 2 1 1 标准叫做a i r p o r t 。1 9 9 9 年工业界成 立了w i f i 联盟，致力解决符合8 0 2 1 1 标准的产品生产和设备兼容性问题。 在宾馆、机场、餐厅、书店、学校、医院、剧院等场所安装无线局域网的接入点可 为用户提供无线接入服务，w l a n 可看作有线网络在无线领域的扩充。 ( 3 ) 集群无线通信系统 集群无线通信系统是多个用户共用一组无线电信道，动态分配使用这些信道的专用 移动通信系统，是一种最主要的专用移动通信系统。目前新一代数字集群系统的代表有 爱立信公司的d a c s 系统，摩托罗拉公司的m i r s 系统。它们的主要特点是相同频率、 共用设施、共享覆盖区、共享通信业务、共同分担费用等。由于是专用网络，它们的规 模一般不大，多用于交通、公安等部门的指挥调度。 ( 4 ) 对讲机系统 对讲机可以实现最简单的移动通信。在无线传输距离内，只要持有对讲机的用户双 方将使用频率调谐到同一频段上，便可相互通话。对讲机系统主要用于话音通讯，是当 前军队、公安部门应用较多的通信手段。 对讲机系统与移动自组网的最大不同在于对讲机不支持通信中继，因而受无线传输 范围的限制。为了扩大通信覆盖范围，必须增大对讲机的无线传输距离，因而必须增大 发射功率，不利于提高通信设备的便携性。另一方面，扩大无线覆盖范围也使得频率的 空分复用率降低，使得系统容量和可用通信带宽降低。对讲机系统可视作仅支持语音通 第一二章a dh o e 网络中的j “橘风暴问题 信的简单单跳移动自组网，其覆盖范围和数据传输速率都受到限制。 ( 5 ) 卫星系统 卫星系统主要分为两大类。第一类是同步轨道卫星系统，其主要代表为i n m a r s a t b 、 i n m a r s a t m 、澳大利亚的m o b i l e s a t 、北美的m s a t ，j e tp r o p u l s i o nl a b 的p a s s 、 欧洲的o l y m p u s 、美国的a c t s 、同本的e s t o v i 、欧洲的p r o d a t 和m s b n 卫星系统 等。由于同步轨道高，传输路径长，信号时延和衰减都非常大，所以同步轨道卫星系统 多用于船舶、飞机、车辆等移动体，极少考虑到个人通信的需求。事实上，同步轨道系 统实现个人通信存在着巨大的困难，其中最大的问题就是个人终端与车载终端的性能参 数相差很大，对卫星性能的要求也相差很大。 第二类是中低轨道的移动卫星系统。美国1 g h z 以上的低轨移动卫星系统有 i r i d i u m ( 6 6 星) 、o d y s s e y ( 1 2 星) 、e l l i p s o ( 1 5 9 星) 、g l o b a l s t a r ( 2 4 4 8 星) 、 a r i e s ( 4 8 星) 、t e l e d e s i c 网络( 8 4 0 星) 等。还有前苏联c o s c o m 公司的k o c h o h 系统 ( 3 2 星) 、欧洲的a r c h i m e d e s 系统、德国的l o o p u s ( 3 星) 系统、墨西哥的1 2 星低轨 卫星系统、法国的5 - - - 6 星低轨卫星系统等。 在中低轨道卫星系统中具代表性的是m o t o r o l a 公司提出的i r i d i u m 系统和l o r a l 公司与q u a l e o m m 公司共同倡导发起的g l o b a l s t a r 系统。i r i d i u m 系统有星际电路， 具备星上处理和交换功能，覆盖全球范围，除了提供电话业务外，还提供传真、全球定 位、无线电定位，以及全球寻呼业判b 】。但由于其手机价格和通信费用过高，i r i d i u m 公司己于1 9 9 9 年申请破产保护，并于2 0 0 0 年终止业务。g l o b a l s t a r 系统设计简单， 没有星际电路和星上处理交换功能，仅作为地面蜂窝系统的延伸，技术风险小，手机和 通信费用相对低【l4 1 。但是该系统只可覆盖地球南北纬7 0 度之间的范围，且地面站多达 1 5 0 2 0 0 个，在战争和自然灾害时，远不及只有1 2 个地面站的i r i d i u