（计算机应用技术专业论文）基于能量控制的ad+hoc网络路由协议的研究及仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 a dh o c 网络是一种不依赖于固定设施的、自组织的无线网络，其组网方便、 快捷，不受时间和空间的限制，既可应用于救援、会议、战场、探险或危险环境 中的目标监控等场合，又可用于有线网末端网络的扩展。a d h o c 网络的主要特点 是无线传输、动态拓扑、多跳连接、信道共享、带宽受限和能源受限。 路由技术是a dh o c 网络的关键技术，也是影响网络整体性能最重要的因素 之一。传统有线网络中所使用的路由协议已经不再适应a dh o c 网络动态变化的 拓扑结构，必须设计新的a dh o c 网络路由协议。近年来，出现了一些专门适用 于a dh o c 网络的路由协议，如a o d v ，d s r ，d s d v 等，但就整体而言，a dh o c 网络路由技术，特别是具有能量控制的路由技术，仍处于研究的初级阶段，还 有待于进一步的深入研究。 本文首先概述了a d h o c 网络的基本概念和关键技术，其次介绍了a d h o c 网 络传统的路由协议，然后归纳总结了现有节能路由协议普遍采用的能量控制策 略类型。着重分析和比较了a d h o c 网络中比较典型的四种传统路由协议a o d v ， d s r ，d s d v 及t o r a ，在能量控制方面的性能。确定以d s r 协议为基础进行 基于能量控制的改进。经过深入研究a dh o c 网络在网络层、m a c 子层、物理层 的能量控制问题，提出了一种基于能量控制的改进型a dh o c 网络路由协议 分布式动态能量控制源路由协议( d d e c s r ，d i s t r i b m e dd y n 锄i ce n e r g yc o n 廿o l s o u r c er o 矾n 2 ) 。协议通过引入低能耗平衡路由算法来降低路由传输能耗，平衡 网络流量，提高了网络路由协议的能量控制性能；协议采用了跨层设计的方式， 路由的选择综合了链路和节点剩余能量的信息。以节点发射功率水平和节点剩 余能量构成联合函数，根据路径上所有节点的联合函数总和作为路由选择的依 据，应用于路由发现阶段；而路由维护阶段采用m e e 8 0 2 1 1m a c 协议的载波监 听，以及备份次最低能耗路径的联合机制来实现。最后，我们对d d e c s r 协议 进行了算法分析。 通过o p n e tm o d e l c r 网络仿真平台对d d e c s r 协议进行了仿真实验，仿真 结果表明：协议不仅降低了传输路径所需的能量，而且平衡了网络的传输流量。 有效地节省了节点能量，延长了a dh o c 网络的生存时间，体现了其在能量控制 性能上的优势。因此，d d e c s r 协议是一种具有良好能量控制性能的a d 幻c 网 络路由协议。 本课题得到了国家自然科学基金资助项目( 批准号t9 0 3 0 4 0 1 8 ) 的资助。 关键字：a dh o c 网络，能量控制，路由协议 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a dh o cn e 打拙sa 诧t h ec o l k c 缸o no f w i r e l e 8 sm o b i l eh o s t s 旬日n i n gat 咖口o r a r y s e l f - o r g a n i z e d 珈酏w o r k 、矾也o l l t 也ea i do fa n yc 日l 仃a l i z e da c h i n i s t 晰o no rs t a n d a r d s u p p o ns e r v i c e s ms u c ha ne n v i r o n m e 肚，i tm a yb en e c e s s a r yf b ro n em o b i l eh o s tt 0 e m i s tt h ea i do fo t h e r si nf ( i r w a r d i n gap 孔k e tt oi t sd e s t i n a t i o n ，d u et 0 也el i m i t e d p r o p a g a d o nr a n g eo f e a c hm o b i kh o 州sw i r e l e s s 订a n s m i s s i o n hi sn 叶l i m i t e db yt l l e t i m ea n ds p a c et 0b eb u i nq u i c h ya n dc o n v c n i e n t l y ，s o 也戤i ti sa p 固i e dt 0s u c h p o s 试o n s 嬲s u c c o r ，c o n f e r e n c e ，b a t t l e ：e i e l d ，e x p l o 嘶o n ，出m g e r o u ss 洒j a 墩ma n ds oo n 髓e r ea r em o s tc h a r a c t c r so fw i i d e s sc o m m l 】n i c 砸0 1 1 ，d y i l 删ct o p o l o 职酬t i - h o p ， s h a r ec h a n l l e l ，b 融l d w i d 也- l 砌t e da n de n 既菖y - 1 i l i t e df o r a dh o cn e “旧幽 r o u t m gt e c l l n i q u ei sa ni m p o n a mt e c h r 】昀u cf o ra dh o cn e t 、v o r k sa n do n e0 f t h c m o s ti m p o r t a ：n tf 沁t o r s 世b c t 也ep e d o r m a n c eo ft l l en 戚w o r k s a st h ed y n a m i ca d v a r i a b l et o p 0 1 0 9 玛m o s e 妞d i 硅。毋a 垂f o m i l i gp r o t o c d l se a n n o tb ea p p l i e a b l 暑t oa dh o c n e 姗o r k sa n dn e wr o u t i n gp r o t o c o l sm u s tb ed e s i 郾旧d i nr e c e m ”缸s ，s o m es p e c i a l f o m i n gp r o t o c o l sf b ra db o cn e t w o r kh a v e 孵a r e ds u c h 嬲a o d v ，d s ra n dd s d v b u tt o 协ew h o l ef i e l d so fa dh o cn e t w o r k s ，m u t _ m gt e c b 丑i q u e s ，e s p e d a l l ye n e r g y c o n 订o lr o u t i i 唱t e c h l l i q u e ，s t i l lh a v eal o n gw a yt 0g o ，a l lt h o s er o u 垃n gp r o t o c o j 8n d t ob eh n p m v e d s or o m i r 堰t e c h n i q u e sf o ra dh o cn e t w o r k ss 吐l ln c e da 血m l 盯 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t w ba n a i y z ed e t a i l e df o l l rc o n d i t i o n a 王a dh o cn e t w o r k s r o u t 泌gp r o t o c o l si n t e r m sd fe n e r g yc o n t r o la n di n v e s t i g a t ed e e p l ye n e r g yc a r 衄o lt on e t w o r kl a y e r m a c l e v e la n dp h y s i c a ll a y e r t k nw ep r o p o s et h ed d e c s r ( d i s 砸b u i e dd y n a i n i c e n e f 影c o n 昀1s o u r c er o 蚶n 曲i nc h a p 捃r4a n dd i s c u s sn l ea l g o 枷1 i na n dd e t a i lo f d d e c s rb l l i l m n g1 】n i t e df i l n c t i o na b o ml h l ks t a n 硌a n dr e s i d u a le n e r 眄o f o d et o c h o o s er o l m n ga n dm a i n t 蛐gr o u t 证gb yl l n i t e dm e c h a n i s mw h j c hc o m b i n e s b a c k u p 蛐g 谢t l lc s m a 杞鸟o fi b e e 8 0 2 1 1m a c 口r o t o e 0 1 s f i n a l l y ，w e 钯k c -r a i l a l y s i so f d d e c s r n es i i n 山a t i o n so f 叻e c s ra r cs e tu pb yo 孙m t m o d e l e r ，t h r o u 吐谢l i c hn l i g d i s s e r 吼i o np m v e st l l ef b a s i b i l i 蜉a n dv a l i d i t yo fd d e c s ra n dp r o 、r i d e sar e f e r e n c e f b rc o r r e l a t i v er e s e 缎c h 。 t h i s 帅r ki ss u p p o n e db yt h en n t i o n a ln a t 1 件s c i 吼c ef o u n d a t i o no fc h i n a r n o 帅蛔嘲 k e yw o r d s ：a dh o cn 酣r k s ，e l 埘g yc o 蛐帕l ，r o 嘶n gp r o t o c o l s 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题背景及来源 第1 章绪论 随着信息技术和i m e m e t 的发展，人们对无线环境下提供数据服务的需求变 得更加迫切。近年来，蜂窝式数字移动通信系统( g s m ，g p r s 和c d m a ) ，无线 局域网( w l a n ) 和低轨卫星通信系统等移动通信新技术纷纷涌现【l j 。目前，无 线网络根据其结构的特点分为两类：有固定基础设施的无线网络和无固定基础 设施的无线网络。 在有固定基础设施的无线网络中，包括了大量的移动节点和少量功能强大 的固定节点( 基站) 。基站使用线缆连接，基站在其覆盖范围内和移动节点通过 无线介质通信，节点可在通信过程中移动。当移动节点离开原基站的无线覆盖 范围后，它可与另一个基站建立连接并通过该基站继续进行通信。在这种组网 和通信方式中，基站位置是固定不动的，例如前面所述的g s m g p r s 和c d m a 等系统。这种模式可以有效地利用现成的基站等基础设施，在基站的覆盖范围 内可以方便的实现通信。但这种方式存在的主要问题是移动用户在基站间切换 的问题，这要求用户在切换的同时，不能有明显的延迟和数据丢失。这种模式 的另一个问题是它利用了蜂窝移动通信的基站等基础设施，虽然带来了方便， 但也限制了它可以实现有效通信的范围仅仅只能够在基站覆盖范围之内。 a dh o c 网络是一种典型的无固定基础设施的无线网络。a dh o c 网络是完全 由无线连接的移动节点所构建而成的网络，其拓扑结构可以随时问动态变化， 网络中没有固定的路由器，每个节点既是主机又具备路由功能，负责发现和维 护通往其它节点的路径。与有固定基础设施的无线网络相比，a dh o c 网络更坚 固，更耐用，而且不需要提供固定的基础设施，用户就可以通过无线网络互通。 因此a dh o c 网络主要应用于军事上，以及一些紧急情况，如受灾地区的通信、 边远地区和勘探等场合的通信【2 】。 a dh o c 网络技术是无线通信领域的重要技术之一，数据通信已逐渐成为a d h o c 网络的主流业务。随着无线接入技术的发展，新的通信协议的制定，a dh o c 网络能提供给接入节点更高的带宽和更优秀的通信质量。以无线路由技术、无 武汉理工大学硕士学位论文 线互联技术为支撑的a dh o c 网络可以在有线网络来不及铺开，或不便铺开的区 域快速组网，灵活移动。无线路由和互联技术将为a dh o c 网络的规划和管理提 供保障。 本课题得到了国家自然科学基金项目( 批准号：9 0 3 0 4 0 1 8 ) 的资助。 1 2 课题意义和主要工作 a dh o c 网络作为移动网络的一种特殊形式，由于它不需要固定的基站，各 个节点均可以自由移动，并且能够实现动态的链接，加上其具有生存性极强，组 网与移动极为方便等特点，弥补了蜂窝式数字移动通信系统与有线网络的不足， 在许多特殊情况下有着不可替代的作用。可广泛应用于国防战备、灾难援助等无 法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线网络代价太大的环境， 此外还可以作为生存性极强的后备网络。因此，a dh o c 网络的研究对科技进步 具有重大促进作用。同时，随着a d h o c 网络研究的发展和相关产品的成熟，a d h o c 网络必将越来越受到人们的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广 泛的研究与发展前景。路由协议作为影响网络的一个重要因素，是确保a dh o c 网络运行的关键。考虑到a dh o c 网络路由协议主要应用在以小电池组为能量来 源的移动设备上，能量消耗也是a dh o c 网络路由协议性能分析的一个非常重要 的方面。如何有效地减少电池能量消耗，延长整个网络的生存时间已经成为路由 协议性能评价中的一个新的研究热点。 为了延长a d h o c 网络的生存时间，提高a d h o c 网络路由协议的性能，本文 主要对以下方面进行了研究： 1 1 对a dh o c 网络进行了研究，详细地领会了a dh o c 网络的定义、主要功 能、当前面临的主要技术问题，以及典型的a dh o c 网络路由协议。 2 ) 针对延长a d h o c 网络生存时间和降低节点能耗的要求，整理和学习了多 种能量保护路由策略。根据不同的协议层制定相应的节能方案，最后综合各协 议层的关系，提出一种采用跨层设计的能量控制路由策略。 3 ) 广泛地参考并比较了多种a dh o c 网络路由协议的能耗表现，选取d s r 路由协议作为a d h o c 网络的网络层协议，并且对传统的d s r 路由协议进行了能 量控制策略的改进，从而形成了改迸的d i g 研b u t e dd y n a r n i ce n e 娼yc o i l 廿0 1 s o l l r c e r o u t m g 协议，并且利用o p n l 玎m o d e l e r 仿真平台对其性能进行了分析。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 a dh o c 网络概述 a dh o c 技术起源于2 0 世纪7 0 年代的美国军事领域，当时所提出的网络是 一种服务于军方的无线分组网络，实现基于该种网络的数据通信。后来，a d h o c 技术又吸取了p r n e t s i i i a n 以及g 1 0 m o 等项目的组网思想，形成了一种新 型的网络构架技术。 1 3 1a dh o c 网络的定义 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个无中心的临 时性自治系统，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑结构。由于节点的无线 通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的节点可以通过其他节点为媒介分组转 发数据进行通信。它可以在没有或不便利用基础网络设施的情况下提供一种通 信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。因此，a dh o c 网络是一种 工作在无固定基础设施环境下的自组织的无线移动网络【3 j 。 在a dh o c 网络中，每一个移动节点都有自己的无线收发器，使之可以在一 定距离内与其它节点通信；一个节点也可同时配备几个收发装置，使得它可以 连接在固定网络上，成为与固定网络联系的一个接口。除非采用了间接通信机 制，否则一个节点是无法与超过其通信覆盖范围的其它节点通信的。节点间的 通信可以通过一个节点链，链上的相邻节点是直接通信的，沿着这条链路数据 就能够以“多跳”的方式传输；因此要求所有节点都必须有路由和转发数据的 能力。图1 1 描述了一个由三个节点组成的简单a d h o c 网络。 图1 1 一个简单的a d h o c 网络 3 武汉理工大学硕士学位论文 在该图中，节点主机a 不在节点主机c 的通信覆盖范围内，同时c 也不在 节点主机a 的通信覆盖范围内，而a ，c 都在主机b 的通信覆盖范围内；因此， a 要传送消息到c ，必须通过节点主机b 。 1 3 2a dh o c 网络的特点 根据前面的叙述，a dh o c 网络是种特殊的无线移动网络。网络中所有节 点的地位平等，无需任何预设的基础设施和任何的中心控制节点。网络中的节 点不仅具有普通移动终端的功能，而且具有分组转发能力。 与固定网络和普通移动网络相比，a d h o c 网络具有以下特点 4 】： 1 ) 易于组网：由于a dh o c 网络不需要固定的基础设施，当有组网需要时仅 需将一系列带有收发装置的节点置于某一特定区域，这些节点就能形成一个移 动自组网络。 2 ) 分布式控制：a dh o c 网络中的节点兼备移动终端和路由功能，不存在一 个网络中心控制点，移动节点之间的地位是平等的，节点可以随时加入和离开 网络。网络路由协议通常采用分布式控制方式，因而具有很强的健壮性，任何 节点发生故障时都不会影响整个网络的运行。 3 ) i 网络自主性：a dh o c 网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是网络 的部署或展开无需依赖于任何预设的基础设施。节点通过分层协议和分布式算 法协调各自的行为，它们可以快速、自动地组成一个独立的网络。 4 ) 可能存在单向通信：如图1 2 所示，著节点主机a ，b 发射功率不同。a 发射的信号b 能接收到，但b 发射的信号a 却不能接收到。 图1 2 节点主机a ，b 发射功率不同的情况 4 一一 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 动态拓扑：a d h o c 网络是一个动态的网络。a d h o c 网络中的节点可以随 处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。 此外，加上地理环境、功率、信道干扰等因素的影响，也导致了网络拓扑以不 可预测的方式任意和快速地改变。 6 ) 有限带宽：a dh o c 网络采用无线传输技术作为底层通信手段，相对于有 线信道，其容量较低。并且由于多信道竞争、多径衰减、噪声和信号干扰等多 种因素，使得移动节点之间的实际带宽更小。 7 ) 节点能量有限：移动节点依靠电池组提供所需的能量，减少功耗是网络 协议设计需要考虑的一个非常重要的因素。 8 ) 多跳路由：当节点需要与其通信覆盖范围之外的节点进行通信时，需要 媒介节点进行分组的多跳转发。与固定网络的多跳不同，a dh o c 网络中的多跳 路由是由普通的网络节点完成的，丽不是由专用的路由设备( 如路由器) 来完 成的。 9 ) 有限的安全性：因为a d h o c 网络采用的是无线信道，所以它会比有线网 络更易受到安全性的威胁。这些安全性的攻击包括窃听、电子欺骗、拒绝服务 等。 上述特点表明，a dh o c 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与 普通移动通信网络和固定网络有着显著的区别。 1 3 3a dh o c 网络的体系结构 网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，也就是网络及其各部 件所应完成的功能的精确定义。由于a dh o c 网络的独特性，传统的体系结构和 现存的大量协议在a dh o c 网络中不再适用。a dh o c 网络的体系结构和设计方法 应充分考虑网络的动态自组织特性和特殊的应用环鲥5 一。 1 ) 节点结构 a dh o c 网络的节点不仅具有移动终端的功能，还要完成路由器的功能。因 此，网络节点通常包括主机、路由器和电台三部分。其中主机部分( 外置计算 机或嵌入式计算机) 完成移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等；而路 由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能；电 台部分( 无线接口) 提供无线信息传输功能。从物理结构上分，如图1 _ 3 所示， 5 武汉理工大学硕士学位论文 节点可以被分为以下几类：单主机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多 主机多电台。手持机一般采用单主机单电台结构，复杂的车载机可能包括通信 车内的多个主机，它可以采用多主机单多电台结构，以实现多个主机共享一个 或多个电台。多电台使节点具有更大的灵活性和自适应能力，不仅可以使用多 个电台来构建叠加网络，还可以作为网关节点来互联多个a d h o c 网络。 路由器 主机主机主机 单主机单电台单主机多电台 多主机单电台多主机多电台 图1 3a dh o c 网络节点的几种物理结构 2 ) 网络拓扑 由于节点兼备移动终端和路由器的功能，因此，在a dh o c 网络中通常不采 用集中式控制结构，而采用平面结构和分级结构。 平面结构，如图1 4 所示。在这种网络结构中，所有节点在网络控制、路由 选择和流量管理上是平等的，原则上不存在瓶颈，网络比较健壮。源节点和目 的节点之间一般存在多条路径，可以较好地实现负载平衡和选择最优的路由。 图1 4 平面结构 6 疑 武汉理工大学硕士学位论文 另外，平面结构中节点的覆盖范围比较小，相对比较安全。但在用户很多， 特别是在移动的情况下，存在处理能力弱，控制开销大，路由经常中断等缺点， 并且无法实施集中式的网络管理和控制功能，因此它主要用于中小型网络。 在分级结构中，网络按簇( c l u s t e r ) 划分。每个簇由一个簇头( c l u s t e r _ h e a d e r ) 和多个簇成员( d u s t e r - m e n l b e r ) 组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一 级的网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结 构中，簇头节点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节点使用算 法选举产生。 根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可以被分为单频率分级和多频率 分级两种。这里的频率应理解为信道。信道的区分可采用各种多址技术，如 f d m a 、t d m a 、c d m a 等。 单频率分级网络，如图1 5 所示。其中所有节点使用同一个频率通信。为了 实现簇头之间的通信，要有网关节点( 同时属于两个簇的节点) 的支持。簇头 和网关形成了更高一级的网络，称为虚拟骨干。 簇成员一簇头两关 图1 5 单频率分级结构 多频率分级网络，如图1 6 所示。不同级采用不同的通信频率。低级节点的 通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中， 有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在图1 7 所示的两级网络中，簇 头节点有两个频率。频率l 用于簇头与簇成员的通信，而频率2 用于簇头间的 通信。分级网络的每个节点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法， 算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。 7 武汉理工大学硕士学位论文 一；i 捌 h ：一厶 - ；一 ，- 一 。 高级 i 低级 l ：一 簇头旗成员频率1一频率2 ：? 簇 图1 6 多频率分级结构 平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在 瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每一个节点都需要知道到达其 它所有节点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。当平 面结构网络的规模增加到某个程度时，所有的带宽都可能会被路由协议消耗掉。 在分级结构的网络中，主要有如下的优点： ( 1 ) 簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，这大大减少了网 络中路由控制信息的数量。 ( 2 ) 具有很好的可扩充性，网络规模不受限制。可以简单地通过增加簇的个 数和网络的级数来增加网络的规模。 ( 3 ) 簇头节点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的健壮性。 假设一个簇中的平均点数为，网络分级数为尬那么，网络中的总节点 数为 一。使用平面状态路由，节点需要维护。们条记录，而使用分级路由， 节点最多只需要维护0 “坳条记录。并且只有处于最高簇中的节点需要维护 0 m 条记录，因为它同时属于肘个级别簇，在每个簇中需要维护条记录。 分级结构的主要缺点如下： ( 1 ) 需要簇头选择算法和簇维护机制。 ( 2 ) 簇头节点的任务相对较重，可能成为网络的瓶颈。 ( 3 ) 簇间的路由不一定是最佳路由。 8 ， 武汉理工大学硕士学位论文 这些问题都是在设计分簇网络结构时需要特别考虑的问题。但是从实施资 源管理和提供服务质量保障的角度出发，分级结构有较大优势，体现在以下几 个方面： ( 1 ) 分级结构有较好的可扩展性。 ( 2 ) 分级结构使路由信息局部化，减少了路由协议的开销，提高了系统的吞 吐量，并且容易实现网络的局部同步。 ( 3 ) 分级结构中节点的定位要比平面结构简单。在平面结构中，想知道一个 节点的位置需要在全网中执行查询操作。而在分级结构中，簇头知道所属簇成 员的位置，只需要查询相应的簇头就可以获得节点位置信息。 ( 4 ) 分级结构结合了无中心和有中心模式，可以采用两种模式的技术优势。 每个簇都有控制中心，基于有中心的) m a 、c d m a 和轮询等接入技术都可以 在分级的网络中使用，并且基于有中心控制的路由、功率控制、移动性管理和 网络管理等机制也可以移植到a dh o c 网络中来。 总之，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面结构，而当网络的规模 增大时，应采用分级结构。 3 ) 协议栈 根据a dh o c 网络的特征，参照o s i 的经典7 层协议栈模型和t c p i p 的体 系结构，可以将a dh o c 网络的协议栈划分为5 层，如图1 7 所示。 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图1 7 a d h o c 网络协议栈 考虑到t c p i p 协议称为事实的网络互联标准，a dh o c 网络的体系结构应基 于t c m p 体系结构( 美军近期数字电台明确采用t c p 仃p 体系结构) ，并需要根 据自身特点进行必要的简化、修改和扩充。例如，现有路由协议和组网方式都 9 武汉理工大学硕士学位论文 必须做重大修改，无线网络中的t c p 机制和性能也需重新评估，考虑与有线网 的无缝连接，兼顾网络的效率与抗毁性等。 在协议栈中，各层的功能描述如下： ( 1 】物理层 功能包括信道的区分和选择、无线信号的监测、调制解调等。由于多径传 输带来的多径衰减、码间串扰，以及无线传输的空间广播特征带来的节点闻的 相互干扰，使得a dh o c 网络传输链路的带宽容量较低。因此，物理层的设计目 标是以相对低的能量消耗，克服无线媒体的传输损失，获得较大的链路容量。 ( 2 ) 数据链路层 m a c 子层规定了不同的用户如何共享可用的媒体资源，即控制移动节点对 共享无线信道的访问，它包括两个部分：一是信道的划分，即如何把频谱划分 不同的信道；二是信道分配，如何把信道分配给不同的用户。可以采用随机竞 争机制( c s m a ，i e e e8 0 2 1 1 或m a c a ) 、基于信道划分的接入机制( ) m a 、 f d m a 或c d m a ) 、轮转机制( 轮询或令牌环) 、动态调度机制以及以上机制的 组合。逻辑链路控制l l c 子层负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的 m a c 方法。具体包括数据流的复用、数据帧的检测、分组的转发确认、优先级 排队、差错控制和流量控制等。 ( 3 ) 网络层 主要功能包括完成邻居节点发现、分组路由、拥塞控制和网络互联功能。 邻居节点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，将网络层分组数据从源节点传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 持实时分组数据的传输。 ( 4 ) 传输层 主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网( 下三层 的细节) 相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源，特别是当a d h o c 网络需要接入i i i t e m e t 等外部网络时尤其需要传输层协议的支持。目前a dh o c 网络的传输层还是基于传统有线网络中的传输层协议，包括传输控制协议( t c p ) 和用户数据报协议( u d p ) 以及适用于无线环境的其他特定的传输层协议。 ( 5 ) 应用层 主要功能是提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格延时和丢失率限 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 制的实时应用( 紧急控制信息) 、基于r 1 p r t c p 的自适应应用( 音频和视频) 和没有任何服务质量保障的数据报业务。此外还可以采用各种应用层协议和标 准，妻口w a p ( v ，i r e l e s s a p p l i c a t i o np r o t o c o i ) 。 ( 6 ) 可选功能 包括功率控制、拓扑控制、分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、 服务发现、地址自动配置和安全策略等。这些可选功能模块在协议栈中的具体 的位置取决于各功能模块的作用以及与上下层协议的关系。例如功率控制机制 可以工作在物理层之上为数据链路层提供服务 信令协议一般在网络层之上工 作为传输层提供服务；分簇算法可以工作在数据链路层之上为网络层提供服务。 此外，为了优化系统性能，还可以考虑采用跨层的协议栈设计方法。考虑 到a dh o c 网络中的能量极其宝贵，各个层也应采用相应的能量保护机制。需要 注意的是该协议栈是一个通用a dh o c 网络协议栈，对于具体的应用场合，该协 议栈可以简化，去掉不必要的功能模块或添加新的模块，并根据系统和应用要 求作进一步的细化。 1 4a dh o c 网络的关键技术 由于a dh o c 网络的特殊性，传统有线网络和蜂窝数字移动通信网中使用的 各种协议和技术无法被直接使用，需要为a dh o c 网络设计专门的协议和技术。 a dh o c 网络涉及的技术很多，但主要体现在物理层自适应技术、功率控制、多 天线技术、混合a i 峋、自适应资源分配等几个方面7 ，酊。 1 4 1 物理层自适应技术 由于能量的限制，a dh o c 网络的物理层设计面临许多新的挑战。由于多径 衰减引起的幅度与相位的扰动、延迟扩展引起的码间串扰、来自其它节点信号 的干扰等等因素，使得无线信道的单位带宽容爨相对很小。a dh o c 网络物理层 设计的目标是在相对小的能量条件下，使得数据速率接近最基本的信道容量。 实际的无线信道具有两大特点：时变特性和衰减特性。因此，无线信道的 信道容量也是一个时变的随机变量，只有使发送速率也是一个随信道容量变化 的量，也就是使编码调制方式具有自适应性，才能使信道容量最大化。如何充 分利用有限的带宽、能量资源，基于应用的特点和对q o s 的要求，最大化网络 武汉理工大学硕士学位论文 的吞吐量，最小化能量的消耗，延长能量受限网络的寿命，将是物理层自适应 技术要解决的问题。解决的方法主要有自适应调制和自适应编码( a m c ) ，根据 信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便 最大限度地发送信息，实现比较高的速率。实现可变速率调制的方法有以下几 种：可变速率正交振幅调制( v r q a m ) 、可变扩频增益码分多址( v s g c d m a ) 、 多码码分多址( m c c d m a ) ，自适应编码调制有可变速率自适应格状编码调制 ( 触r c q a m ) 。此外还有自适应帧长控制、自适应冗余重传机制、自适应链路调 整等技术。 1 4 2 功率控制 为了提高系统的性能，功率控制是一个有力的机制。数据链路层功率控制 能够对多径衰减的随机变化进行补偿，可以在满足数据速率与误码率的前提下 降低功率，减小系统干扰。数据链路层功率控制策略可以在保持信噪比s 孙限的 前提下增加或减少信号功率，或者在信道条件好的时候增加数据速率。 数据链路层功率控制策略主要分为三种：固定s 玳r 策略，能耗较大；自适 应调整功率，不适用于有严格延时限制的应用；基于q o s 的分布式功率控制算 法，可以满足不同业务的q o s 要求。固定速率下基于q o s 的分布式功率控制算 法，侧重于保证延时和可靠性。可变速率下基于q o s 的分布式功率控制算法， 在延时要求比较宽松的情况下，侧重于提高链路的平均吞吐量，最大化单位能 量传输的比特数量。 网络层功率控制策略同样主要分为三种：最小传送功率的路由策略，设计 简单；基于节点能量感知的路由策略，网络节点的平均存活时间缩短；多径能 耗均衡的路由策略，网络生存时间延长，路由协议健壮。 1 4 3 多天线技术 在接收或发送端采用多天线会大大提高系统的性能，减小发送的功率。多 天线系统采用分集合并、多输入多输出m d d o 技术或波束形成。 分集合并是一个普通的技术，用来减轻平坦衰减的影响。通过显著的减轻 平坦衰减的影响，分集合并可以有效地节省系统功率。 m i m o 系统在发送和接收端都采用了多天线，能够有效地提高数据传输的 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 速率。多天线技术可以减小发送信号的功率，但是增加了对系统进行信号处理 能力的要求，因此对能量受限的系统，存在一个折衷的方案。由于m i m o 或多 发多收天线m t m r a 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，是新 一代移动通信系统必须采用的关键技术，而a dh o c 网络也将成为新一代移动通 信系统的一种网络组织形式，因此这两者的结合是必然的。奠定无线移动通信 系统多输入多输出技术的工作是由a t tb e l l 实验室完成。 在a dh o c 网络中同时可以利用智能天线技术来提高频谱资源、降低系统功 耗，同时智能天线利用阵列天线代替常规天线，能够降低系统干扰，提高系统 容量和频谱效率。该技术包括预多波束形成、自适应波束形成等，但增加了系 统复杂度，并且也增加了通道校正。 1 4 4 混合a r q a r q 即自动请求重发，存在a r q 的通信链路一般都是闭环链路，存在一个 反馈应答信号( a c k & n a c k ) ，本身没有纠错功能。将f e c 和a r q 相结合， 实现了检错纠错的功能，称为混合a r q ( h - a r q ) 。目前主要的a r q 技术有选 择重传( s e l e c t i v er e p e a t ) 和停止等待重传( s t o pa 1 1 dw a i t ) 两种。 混合a r q 是种链路自适应技术，是a r q 和前向纠错( f e c ，f o n 盯d e n 町 c o r r e 吐i o n ) 相结合的纠错方法，与f e c 共同完成无差错传输保护。h a r q 电p e i 的目的是使用f e c 处理最常见的一些错误模式，比较少发生的错误模式由错误 检测和a r q 处理。h 6 凰q t y p e i 通常放弃触发a r q 以前接收的数据包； h a r q t y p e i i 是存储重复发送的包，并与这个包的后续传输合并，产生一个更 可靠的包，合并的方式采用编码合并和分集合并；h 舢峋咖e i i i 属于一种增量 u ，但不同之处在于每一次重传的信息都是可以自编码的。 在目前的h a r d 中，为了增大数据的吞吐量，通常自收端数据帧的合并有 两个方法：分集合并( d i 、惯s 畸c o i n b i n i n g ) 和编码合并( c o d cc o m b i n i n g ) 。分集 合并是将经过相同删除格式的码字先后进行重传，然后合并；实现较为简单， 没有太复杂的算法，性能虽然没有编码合并出色，但简单可行。编码合并能够 将数目最少的，编码速率为r 的码字合并起来，得到一个编码速率小于r 的码 字，这样的码字具有更强的纠错能力。 自适应编码舢证c + h a r q 可以形成最佳组合：a m c 提供了数据速率的选 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 择，h - a r q 则可以根据信道条件对数据速率做精细的调整。 1 4 5 自适应资源分配 自适应资源分配是数据链路层设计中一个相对而言较新的技术，该技术提 供了一种稳健的链路性能，最基本的假设是能够自适应地调整链路发送方使其 适应信道、干扰和数据特性。自适应资源分配主要研究功率、速率、编码和误 码率b e r 的自适应。 一般的q o s 主要考虑带宽、延时和传输保证三个方面。在a d h o c 网络中， 数据链路层传输保证成为a dh o c 网络中对q o s 支持的一个重要特性；m a c 子 层信道接入协议则保证了q o s 对带宽的要求；节点的移动特性对不同的网络层 路由协议的性能起着决定性的作用。 d a 船a 的g 1 0 m o 计划研究了如何在a d h o c 网络中使用自适应链路控制协 议传输多媒体话音、数据和视频业务。g l o m o 计划的目标在于：开发最小化的 能量消耗和最大化电池寿命的自适应协议。在a dh o c 网络中没有用于传输闭环 控制信息的反向链路，因此自适应功率和信息速率调整算法的性能对无线链路 特性的统计变化非常敏感。已经用于i t t 的手持多媒体终端( t ) 中采用的 分组无线电网络自适应链路控制协议用单一的无线解决方案提供了数据、视频 通信和高性能的话音业务。在该协议中将r t s c t s a c k 报文控制包与信道质量 测量手段以及数据链路层算法相结合来自适应调整传输中物理层和数据链路层 参数，尽量最大化单位时间的信息吞吐量，最小化每比特信息正确传输所消耗 的能量。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章基于能量控制的a dh o c 网络路由策略 2 1 传统的a dh o c 网络路由策略 开发良好的路由策略是建立a dh o c 网络的首要问题，现有的路由策略根据 路由建立的时间和方式可以分为表驱动路由策略和按需路由策略两大类。表驱 动路由策略是通过改进现有的常规路由协议，解决存在的路由回路和收敛速度 慢等问题的基础上发展出来的一种a dh o c 网络路由策略，其优点是在有数据传 输时能够即时发送，缺点是节点要通过路由信息的交换来维持路由，这样将会 对移动节点造成储存和计算负担，而且浪费了网络带宽，在拓扑变化较快时尤 为突出。典型的表驱动路由策略有d s d v ( d e s 如a t i o n - s e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r ) ， w r p ( w i r e l e s sr o 砸n gp r o t o c 0 1 ) 和s t a r a ( s y s t e m 蛆dt r a 伍cd 印e n d e n ta d a p 晰e r o u t i n ga l g o r i t h m ) 等。按需路由策略则不必维护去往所有节点的路由，它仅在 没有去往目的节点路由的时候才按需进行路由发现，这样有效地节省了带宽和 内存，但显然是以路由建立的延时作为代价的，特别是现有路由建立过程多数 还要通过泛洪方式广播路由信息，这将导致瞬间的流量激增。典型的按需路由 策略有a o d v ( a d - h o co n - d e i i l a n dd i 咖n c ev c c t o rr o l n i n g ) ，d s r ( d ”a m i c s o l l r c er o 埘n g ) 和t o r a ( t e m p o r a l l y o r d e r e dr o m m g a l g o 删m s ) 【9 ，1 0 1 。 2 1 1 表驱动路由策略 表驱动路由策略的路由发现机制与传统路由协议类似，节点通过周期性地 广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由。同时，节点必须维护去往 全网所有节点的路由。它的优点是当节点需要发送数据分组时，只要去往目的 节点的路由存在，所需的延时很小。缺点是主动路由需要花费较大的开销，尽 可能使得路由更新能够紧随当前拓扑结构的变化。然而，动态变化的拓扑结构 可能使得这些路由更新变成过时信息，路由协议始终处于不收敛状态“”。 在a dh o c 网络路由协议的研究初期，主要思路是修改有线网络的路由协议 以适应在a dh o c 网络环境中运行，这些路由协议大多属于表驱动路由策略。在 对以下各种表驱动路由策略的描述中，说明了如何对传统路由协议进行改进以 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 适应在a dh o c 网络环境中运行。 1 ) d s d v ( d e s t i n 撕o n s e q u e n c e dd i s 乜n c e v e c t o r ) 策略是在距离矢量路由算 法d v a 基础上进行改进设计的。它被认为是最早的a d h o c 网络路由策略。d s d v 的特点是采用了序列号机制用于区分路由的新旧程度，防止d 可能产生的路 由环路。它的缺点是不适应变化速度快的a dh o c 网络，不支持单向信道【1 2 1 。 2 ) w i 潆( ，i r e l