（通信与信息系统专业论文）移动自组织网络高性能路由与服务质量支持的研究.pdfVIP

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = 一 摘要 一个移动自组织无线网络( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ，m a n e t ) 是指一个完全机动 的而且可以简单快速地配置的无线网络。它可以不需要基站、交换中心、专门的路 由器或者有线的主干组织网络。f 信息直接在各个柑点问传送，或者通过作为路山器 的中间节点传送。分类，接人控制，调度和传送数据的工作量在各个移动节点间分 配。所以路由就成为自组织网络中的主要问题。在某些应用环境中，比如战地通 信，国家危机，灾难时期( 火灾，洪水，地震) 等等，有线网络通信不存在而自组 织网络足唯一u ，i j 通信和信息访m 力式。，外， 】纰纵网络j i ! i l 往比问论坛方脚发挥 着重要作用，比如校园娱乐，会议和电子化教室等等) 遗篇论文研究的问题是设计有效的自组织网络路由西议以及如何在m a n e t 一卜- 提 供服务质艟( q u a l i t yo f s e r v i c e s ，q o s ) 的支持。奉义分为嘣个部分，第一部分比较 九必种关键的自组织路由协议的性能，它们分别是d s d v ，t o r a ，d s r 和a o d v 。 我们将各种协议设置为在同样的负载和网络环境条件下，然后通过端到端的吞吐量 和时延来评测协议性能，i 司时控制分组升销和路由收集时间( r o u t ea c q u i s i t i o n t i m e ) 。从我们给出的详细的仿真结果和分析中可以看出：对于一个给定的网络环 境，一定存在一个合适的网络路由协议可以达到要求。彳7 y 。 第二部分研究在m a n e t 网络卜如何支持q o s 。f 我们提出一种q o s 路由协议，叫 做“抢先的软交换路由维持协议”( p s a r p ) 。我们认为尽管在动态的无线网络中发现 并维持路由需要大量的资源：时问，带宽和能量，大多数现有的路由协议并没有在 路径维持办面花力气。p s a r p 以预报机制米保址q o s ，以及维持连通性，此机制用 来监控活动链路的距离，信号强度和电池能录水平，同n 寸努力预测路1 1 1 失败稿i 软交 换到合适的邻居节点。这个目标被分解为一系列的问题，同时提供了各种算法作为 可能的解决方法。少1 厂 关键词：自组织无线网络卧议服务质堵预测 抢先的软交换路由维持协议 加z 一t + 华中科技大学硕士学位论文 ：= 一 a b s t r a c t am o b i l ea dh o cw i r e l e s sn e t w o r k ( m a n e t ) i s o n et h a ti sc o m p l e t e l ym o b i l ea n dt h a t c a nb ee a s i l ya n dq u i c k l yd e p l o y e d i tn e e d sn ob a s es t a t i o n ，s w i t c h i n gc e n t e r ，d e d i c a t e d r o u t e r so rw i r e db a c k b o n ei n f r a s t r u c t u r e c o m m u n i c a t i o ni sd i r e c t l yb e t w e e nn o d e so r t h r o u g hi n t e r m e d i a t e n o d e sa c t i n ga sr o u t e r s t h ew o r k l o a do fc l a s s i f i c a t i o n ，a d m i s s i o n c o n t r o l ，s c h e d u l i n ga n df o r w a r d i n gi s d i s t r i b u t e da m o n g s tt h em o b i l en o d e st h e m s e l v e s t h u sr o u t i n gi sam a j o rp r o b l e mi na dh o cn e t w o r k s i ns o m ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ， s u c ha sb a t t l e f i e l dc o m m u n i c a t i o n s ，n a t i o n a lc r i s e s ，d i s a s t e rr e c o v e r y ( f i r e ，f l o o d ，e a r t h q u a k e ) e t c ，t h ew i r e d n e t w o r ki sn o ta v a i l a b l ea n da dh o cn e t w o r k sp r o v i d et h eo n l yf e a s i b l e m e a n sf o rc o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o na c c e s s a l s oa dh o cn e t w o r ki sn o wp l a y i n g i m p o r t a n tr o l ei nc i v i l i a nf o r u m ss u c ha sc a m p u sr e c r e a t i o n s ，c o n f e r e n c e s ，a n de l e c t r o n i c c l a s s r o o m se t c t h i st h e s i sr e s e a r c h e so ne f f i c i e n ta dh o cr o u t i n gp r o t o c o l sa n dh o wq o s i ss u p p o r t e d i nm a n e t t h ef i r s tp a r tc o m p a r e st h er e l a t i v ep e r f o r m a n c eo ff o u rk e ya dh o cr o u t i n g p r o t o c o l s ：d s d v ，t o r a ，d s ra n d a o d v w e s u b j e c tt h ep r o t o c o l s t oi d e n t i c a ll o a d sa n d e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa n de v a l u a t et h e i rr e l a t i v ep e r f o r m a n c ew i t hr e s p e c tt oe n d - t o e n d t h r o u g h p u t a n dd e l a y ，c o n t r o l p a c k e t o v e r h e a da n dr o u t ea c q u i s i t i o nt i m e f r o mt h e d e t a i l e ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i sw ep r e s e n t e d ，a na p p r o p r i a t ec h o i c eo fr o u t i n g p r o t o c o l c a l lb em a d ef o rg i v e nn e t w o r kc o n t e x ta n d g o a l t h es e c o n dp a r ti n v e s t i g a t e sh o wq o si ss u p p o r t e di nm a n e t w e p r o p o s eaq o s r o u t i n gp r o t o c o lf o rm o b i l ea d - h o cw i r e l e s sn e t w o r kt e r m e db yu sa s p r e e m p t i v es o f t h a n d o f fr o u t em a i n t e n a n c ep r o t o c o l ( p s a r p ) 。w ea r g u et h a t a l t h o u g hf i n d i n ga n d m a i n t a i n i n gr o u t ei n ad y n a m i cw i r e l e s sn e t w o r kr e q u i r e sc o n s i d e r a b l er e s o u r c e s ：t i m e ， b a n d w i d t h ，a n dp o w e r ，m o s to ft h ee x i t i n gr o u t i n gp r o t o c o ld on o tp u tm u c he f f o r ti n t op a t h m a i n t e n a n c ep s a r pe n s u l 急q o sa n dm a i n t a i nc o n n e e t i v i t yb ye m p l o y i n ga ：p r e d i c t i o n m e c h a n i s mt h a tm o n i t o r st h ed i s t a n c e ，s i g n a l s t r e n g t ha n db a t t e r ye n e r g yl e v e lo fa c t i v e l i n k sa n dt r i e st o p r e d i c tr o u t ef a i l u r ea n ds o f t h a n d o f ft os u i t a b l e n e i g h b o rn o d e t h e p r o j e c ti s d i v i d e di n t oan u m b e ro fp r o b l e m sa n da l g o r i t h m sa r e p r o v i d e d a s p o s s i b l e s o l u t i o n s k e yw o r d s ：a d h o c n e t w o r k ，q o s ，p s a r p ，r o u t i n g ，p r e e m p t i o n 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = 一 1 i n t r o d u c t i o n s i n c et h e i re m e r g e n c ei n1 9 7 0 s ，w i r e l e s sn e t w o r k sh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l yp o p u l a r i nt h e c o m p u t i n gi n d u s t r y t h ep r i n c i p a l r e a s o n s f o r i m p l e m e n t i n g w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s i n c l u d e s u p p o r t f o rt e r m i n a l m o b i l i t y ，a n d m o r e r a p i d ， w i d e s p r e a da c c e s st oc o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e s ，w i t h o u tt h en e e dt oc o n s t r u c ta n dm a n a g e e x p e n s i v ec a b l i n gs y s t e m s o nt h es c a l e r e q u i r e d f o rw i r e d s y s t e m s p r e c i s e l y ，t h e a d v a n t a g e so faw i r e l e s ss y s t e ma r em o b i l i t y ，f l e x i b i l i t ya n dc o s ts a v i n g s m o s tw i r e l e s s n e t w o r k sc u r r e n t l yi n o p e r a t i o ns u p p o r tu n t e t h e r e da c c e s sf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s d e v i c e sb yp r o v i d i n gaw i r e l e s si n t e r f a c eb e t w e e nt h em o b i l ed e v i c e sa n daf i x e dn e t w o r k o fl i m i t e dr a n g eb a s e - s t a 矗o n s ( b s ) b a s e do nt h i s i n f r a s t r u c t u r em o d e lf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，t h ea i r - i n t e r f a c ec o n s i s t so fas i n g l ed a t a l i n kt e r m i n a t i n go nab s c o m m u n i c a t i o n sf r o mt h a t p o i n ti s r o u t e da c r o s saf i x e dn e t w o r kt oi t sd e s t i n a t i o n m o b i l i t yi sm a n a g e db ya l l o c a t i n gal i m i t e ds e to fc o m m u n i c a t i o n sf r e q u e n c yc h a n n e l st o e a c hb s ，a n dd y n a m i c a l l ya s s i g n i n gam o b i l ed e v i c et oal o c a lc h a n n e la si tm o v e sf _ r o m t h ec o v e r a g ea r e ao fo n eb st oa n o t h e r c h a n n e l sa l ea l l o c a t e dt ob s ss u c ht h a tt h e yc a n b er e u s e di nas u b s e to ft h eb s si n an e t w o r kw i t hm i n i m a lm u t u a li n t e r f e r e n c e t h i s i n f r a s t r u c t u r em o d e li sa l s or e f e r r e dt oa sc e l l u l a rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s b e c a u s et h e p h y s i c a lg e o g r a p h yi ss u b d i v i d e di n t os m a l l e rp a r t i t i o n sc a l l e dc e l l s ，e a c hs u p p o r t i n gi t s o w nb sa n da l l o c a t e ds e to fc h a n n e l s a ne x a m p l eo fa l l i n f r a s t r u c t u r en e t w o r ki sa n o f f i c e1 0 c a la r e an e t w o r k ( w l a n s l z 二 j j ，7 。：一 f i gi 1e x a m p l e o fa ni n f r a s t r u c t u r en e t w o r k t h ea d v a n t a g eo ft h ei n f r a s t r u c t u r e m o d e lf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si s t h a t e x i s t i n gw i r e dn e t w o r k s c a nb el e v e r a g e dt o s u p p o r t a c c e s sf o rm o b i l eu s e r sw i t h o u t m o d i f i c a t i o n st ot h en e t w o r k sc o n t r o ls t r u c t u r e t h ed i s a d v a n t a g ei s t h a ti t r e q u i r e sa f i x e di n f r a s t r u c t u r e - - c o n s t r a i n i n gn o d em o b i l i t y ，l i m i t i n g n e t w o r kd e p l o y a b i l i t y ，a n d i n c r e a s i n gi n s t a l l a t i o na n dm a n a g e m e n tc o s t s i n f r a s t r u c t u r e d w i r e l e s sn e t w o r k sa r en o t w e l ls u i t e df o rr a p i dn e t w o r kd e p l o y m e n t ，t e m p o r a r yn e t w o r k i n gf o rm o b i l ed e v i c e s ，o r f o re n v i r o n m e n t sw h e r ei t i sd i f f i c u l tt oa c h i e v ea d e q u a t eb ss t a t i o nc o v e r a g e ，o rt h e i n s t a l l a t i o no ff i x e di n f r a s t u c t u r ei sn o tf e a s i b l e t oa d d r e s st h e s es h o r t c o m i n g s ，an e w c l a s so fw i r e l e s sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e r e f e r r e dt oa sm o b i l ea dh o cw r e 彪s sn e t w o r k ( m a n e t ) i se m e r g i n ga sa f l e x i b l ea n dp o w e r f u lw i r e l e s sa r c h i t e c t u r et h a td o e sn o tr e l y o naf i x e dn e t w o r k i n gi n f r a s t r u c t u r e am o b i l ea d h o en e t w o r ki sa na u t o n o m o u ss y s t e mo fm o b i l eh o s t sc o n n e c t e db y w i r e l e s sl i n k sw i t hn os u p p o s i n gf i x e di n f r a s t r u c t u r eo rc e n t r a la d m i n i s t r a t i o n d u et ot h e l i m i t e dr a d i o p r o p a g a t i o n ，i f t w oh o s t sa r en o tw i t h i nd i r e c tw i r e l e s st r a n s m i s s i o nr a n g eo f e a c ho t h e r ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e mm u s tp a s st h r o u g ho n e o rm o r eo t h e rh o s t s s oam a n e ti sa m u l t i h o pn e t w o r k ，t h eh o s t s i nw h i c hm a ys e r v ea sr o u t e r s 2 当 华中科技大学硕士学位论文 f i g1 2e x a m p l eo fa na d h o cn e t w o r k am a n e t m a yo p e r a t ei ni s o l a t i o n ，o rm a yb ec o n n e c t e dt o af i x e dn e t w o r ka sa s t u b i ti s v e r yu s e f u li na r e a sw h e r et h ec o m m u n i c a t i o ni n f r a s t r u c t u r ei su n a v a i l a b l e ，o r r a p i dd e p l o y m e n ta n dd y n a m i cr e c o n l g u r a t i o n i sn e c e s s a r y e x a m p l e si n c l u d ec r i t i c a la p p l i c a t i o n ss u c ha s i n m i l i t a r yb a t t l e f i e l d s a n dc i v i l i a n e m e r g e n c y d i s a s t e r r e l i e f ；a n di n d u s t r i a l ，c o m m e r c i a l ，o r e d u c a t i o n a l a p p l i c a t i o n s i n v o l v i n gc o o p e r a t i v em o b i l e d a t ae x c h a n g es u c ha sa tc o n v e n t i o n sa n di nc l a s s r o o m s ， h e n c e ，t h ed e v e l o p m e n to fa d - h o cn e t w o r k si sc u r r e n t l yd r i v e nb yav i s i o nf o c u s e da s m u c ho n p o t e n t i a lc o m m e r c i a l ，a sw e l la sm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s t h ef u n d a m e n t a lp r o p e r t y ，w h i c hd i s t i n g u i s h e sa d - h o cn e t w o r k sf r o mo t h e rw i r e l e s s a r c h i t e c t u r e sa r e ： d y n a m i ct o p o l o g i e s ：n o d e sa r ef r e et om o v ea r b i t r a r i l y ；t h u st h en e t w o r kt o p o l o g y m a yc h a n g er a n d o m l ya n dr a p i d l ya tu n p r e d i c t a b l et i m e s n e wn o d e sm a yu n e x p e c t e d l y j o i nt h en e t w o r k o re x i s t i n gn o d e sm a yl e a v eo rb et u r n e do f f b a n d w i d t h - c o n s f r a m 以v a r i a b l ec a p a c i t yl i n k s ：w i r e l e s sl i n k sw i l lh a v es i g n i f i c a n t l y l o w e rc a p a c i t yt h a nt h e kw k e d c o u n t e r p a r t s a l s o ，d u et om u l t i p l ea c c e s s ，f a d i n g ，n o i s e ， a n di n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n se t c t h ew i r e l e s sl i n k sh a v el o w t h r o u g h p u t ： g弋州 华中科技大学硕士学位论文 e n e r g y c o n s t r a i n e do p e r a t i o n ：s o m eo r a l lo ft h en o d e si nam a n e tm a yr e l yo n b a t t e r y f o rt h e s en o d e s ，e n e r g y c o n s e r v a t i o nm u s tb cc o n s i d e r e di ns y s t e md e s i g n l i m i t e dp h y s i c a ls e c u r i t y ：m o b i l en e t w o r k sa r e g e n e r a l l y m o r e p r o n e t o p h y s i c a l s e c u r i t y t h r e a t st h a na r ef i x e dc a b l en e t w o r k s t h e r ei si n c r e a s e d p o s s i b i l i t y o f e a v e s d r o p p i n g ，s p o o f i n g a n dd e n i a l o f - s e r v i c ea t t a c k si nt h e s en e t w o r k s r e s e a r c hw o r ko na dh o cn e t w o r k ss t a r t e di n1 9 9 5i nac o n f e r e n c es e s s i o no fi n t e r n e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ( i e t f 0 e a r l yd i s c u s s i o n sc e n t e r e da r o u n d m i l i t a r y t a c t i c a l n e t w o r k s ，s a t e l l i t e n e t w o r k sa n dw e a r a b l e c o m p u t e rn e t w o r k s , w i t hs p e c i f i c c o n c e r n s b e i n gr a i s e dr e l a t i v et oa d a p t a t i o no fe x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l st os u p p o r ti pn e t w o r k i n g i ns u c hh i g h l yd y n a m i c e n v i r o n m e n t s b y1 9 9 6 t h i sw o r kh a de v o l v e di n t ot h em o b i l ea d h o cn e t w o r k ( m a n e t ) ，a n df i n a l l yt ot h ec h a r t e ro ft h em a n e t w o r k i n gg r o u p ( w g ) o ft h ei e t fi n1 9 9 7 t h et a s ko ft h em a n e tw gi st os p e c i f ys t a n d a r di n t e r f a c e sa n d p r o t o c o l sf o rs u p p o r to fi p - b a s e di n t e r n e t w o r k i n go v e ra d - h o cn e t w o r k s m o r er e c e n t l y ， t h ea d h o cw i r e l e s sn e t w o r k i n g c o m p u t i n gc o n r t i u mw a se s t a b l i s h e d ，w i t ht h eg o a l o f c o a l e s c i n gt h ei n t e r e s t sa n de f f o r t so fi n d u s t r ya n da c a d e m i c s ，i no r d e rt oa p p l ya d h o c n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y t oa p p l i c a t i o n sr a n g i n gf r o mh o m e w i r e l e s s ，t ow i d ea r e ap e e r - t o r e m o t e n e t w o r k i n g a n d c o m m u n i c a t i o n s f u r t h e r m o r e ，s e s s i o n si n m a j o r w i r e l e s s n e t w o r k i n g c o n f e r e n c e sa n ds p e c i a li s s u e sd e v o t e dt oa d - h o c n e t w o r k i n g i s s u e sa r e a p p e a r i n gi nt o pq u a l i t yj o u r n a l s ，i n d i c a t i n gg r o w i n ga d v o c a c ya n db e l i e fi nt h ep r a c t i c a l p o t e n t i a lo f t h i st e c h n o l o g y 1 1m 砌o r c h a l l e n g e so f w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k t h es u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no l w i r e l e s sa d h o cn e t w o r k i n gt c c h n o l o g yp r c s c n t sa u n i q u es e to fc h a l l e n g e st h a td i f f e rf r o mt r a d i t i o n a lw i r e l e s ss y s t e m sa n dw i r e dn e t w o r k s as e io f f i v e ( 5 ) p r o p e r t i e sa r ci d e n t i f i e db e l o w ，w h i c ha r ct h eb a s i sf o rt h e s ec h a l l e n g e s ： 1 t h e r ei sn oc e n t r a l i z e da u t h o r i t yf o rn e t w o r k c o n t r o l ，r o u t i n go ra d m i n i s t r a t i o n 2 n e t w o r k d e v i c e s ，i n c l u d i n gu s e rt e r m i n a l s ，t o u t e r s ，a n do t h e rp o t e n t i a ls e r v i c ep l a t f o r m s a r ef r e et om o v e r a p i d l ya n da r b i t r a r i l yi nt i m ea n ds p a c e 3 a l lc o m m u n i c a t i o n ，u s e rd a t aa n dc o n t r o l i n f o r m a t i o n ，i sc a r r i e do v e rt h ew i r e l e s s m e d i u m t h e r ea r en ow i r e dc o m m u n i c a t i o n si i n k s 一 华中科技大学硕士学位论文 4 r e s o u r c e s ，i n c l u d i n ge n e r g y ，b a n d w i d t h ，p r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dm e m o r y ，w h i c h a r e r e l a t i v e l ya b u n d a n t i nw i r e de n v i r o n m e n t s ，a r es t r i c t l yl i m i t e da n dm u s tb ep r e s e r v e d 5 m o b i l en o d e st h a ta r ee n dp o i n t sf o ru s e rc o m m u n i c a t i o n sa n dp r o c e s su s e ra p p l i c a t i o n s m u s ta c t c o o p e r a t i v e l y t oh a n d l en e t w o r kf u n c t i o n s ，m o s t l y n o t a b l yr o u t i n g ，w i t h o u t s p e c i a l i z e dr o u t e r s t h ec h a l l e n g e ss t e m m i n gf r o mt h ep r o p e r t i e sd e s c r i b e da b o v ea f f e c te v e r ya s p e c to f s y s t e md e s i g na n dp e r f o r m a n c e - - f r o mi s s u e sr e l a t e dt op h y s i c a la n dm a c l a y e rd e s i g n ， t o n e t w o r k l a y e r i s s u e s i n c l u d i n gr o u t i n g ，a d d r e s s i n ga n dm o b i l i t ym a n a g e m e n t ，a n d w h e r er e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n sa r er e q u i r e d ，c o n n e c t i o na d m i s s i o n sc o n t r o la n dr e a l t i m er e s o u r c em a n a g e m e n t ，a n df i n a l l y a p p l i c a t i o n l a y e ri s s u e s g i v e nt h e s e d i f f i c u l t c h a l l e n g e s ，t h eq u e s t i o nr e m a i n sa st ow h a t r o l ea d h o cn e t w o r k i n gt e c h n o l o g yw i l lp l a y i nt h ef u t u r e w i l lt h i sn e t w o r ka r c h i t e c t u r ee v o l v et ob e c o m eau s e f u la n di m p o r t a n t c o m p o n e n t o fa l l i n c r e a s i n g l y d i v e r s e g l o b a ln e t w o r k i n g i n f r a s t r u c t u r e c a p a b l e o f d e l i v e r i n ga n y w h e r e , a n y t i m ec o m m u n i c a t i o n s - - aw i r e l e s si n t e r n e t ? o r , w i l la d h o c n e t w o r k sr e m a i nav e r ys p e c i a l i z e d ，a l b e i ti m p o r t a n t ，n i c h et e c h n o l o g yu s e df o rm i l i t a r y a n do t h e rl i m i t e di n s t a n t - i n f r a s t r u c t u r ea p p l i c a t i o n ? t oa d d r e s st h i sq u e s t i o n ，w i r e l e s sa d h o cn e t w o r kd e s i g n e r sa l ef a c e dw i t ht h ef o l l o w i n g b r o a d y e tf u n d a m e n t a lp r o b l e m ： d e v e l o p h a r d w a r ec o m p o n e n t s ，s c a l a b l ec o n ”o ls t r a t e g i e s ，a n dp r o t o c o l st h a ta r ec a p a b l e o fa d a p t i v e l ys u p p o r t i n ge q u i v a l e n ta p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e st ot h o s ea v a i l a b l et o d a y ，o r e n v i s i o n e df o rw i r e da n dm o b i l en e t w o r k si nt h ep r e s e n c eo faw i d er a n g eo fm o b i l i t y p a t t e r n