（电磁场与微波技术专业论文）ad+hoc网络中路由和接入算法的qos研究.pdf

摘要 随着无线通信技术和移动终端技术的快速发展以及大量便携式设备的涌 现，作为一种多跳、无中心、自组织网络技术，近些年来a d h o c 网络引起了越 来越多的关注。在现有a dh o c 网络中提供q o s 保障已经逐渐成为a dh o c 网络 路由和接入技术研究的主要方向。 无线a dh o e 网络它具有如下特点：网络的自组性、网络拓扑结构的动态变 化、有限的传输带宽、移动终端的局限性以及分布式的网络控制。由于a dh o c 网络的这些特殊性，目前对它的研究主要集中在以下几个方面：路由协议、服 务质量、m a c 协议、能量消费、节点移动性管理和安全性问题。 针对a dh o c 网络的上述特点，为了更好的提供q o s 保障，本文提出并验 证了新的路由和接入算法。首先介绍和分析了几种现行路由协议，对提出的一 种新型的q o s 路由算法- q o sd y n a m i cs o u r c er o u t i n g ( q o sd s r ) 进行了仿真 验证。该算法利用接入控制来有效的减少了泛洪给网络带来的负荷，通过资源 预留方式保证业务的q o s 。本文通过仿真，将该算法与传统的d s r 进行了验证 比较，仿真结果证明了q o sd s r 可隧极本静圆终的蚕睦萤减少控制分组给网 络带来的开销。 本文针对a dh o c 网络m a c 层特点，在介绍和分析各种现行接入协议的基 础上，针对现存的问题，结合c d m a 技术，本文又提出种新型的带有队列调 度的多信道接入协议。该算法在码分多址的基础上，将种队列调度算法引入 到多信道接入协议中，队列可以缓冲数据包，尤其是能够针对m a c 层中每个 数据包的不同特点和网络状态对它们进行调度，从而降低若干束自不同节点的 数据包在同一目的节点发生碰撞的概率：同时在发生冲突后的随机退避中，队 列调度还可以使无线节点从消极等待转向积极发送的状态，提高无线资源利用 率。从最后的仿真结果及其分析中可以发现队列调度对性能有很大的改进，尤 其是吞吐量、时延，传输率等。 关键字：a dh o c 网络，q o sd s r ，m a c ，c d m a ，队列调度，q s ，c t a b s t r a c t r e c e n t l ym o b i l ea dh o cn e t w o r k sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ea t t r a c t i v ea sa m u l t i h o ps e l 5 0 r g a n i z e dn e t w o r kw i t ht h ep r o g r e s so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dm o b i l et e r m i n a l s t e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h eq o sg u a r a n t e es t i l l r e m a i nam a i np r o b l e m ，w h i c hh a sb e c o m et h eo b s t a c l ef o rt h er e s e a r c ho ft h er o u t i n g a n dm a ct e c h n o l o g yo ft h ea dh o cn e t w o r k w i r e l e s sa dh o cn e t w o r k se n j o ys o m ei t so w nc h a r a c t e r s ：s e l f - o r g a n i z a t i o n ， u n e x p e c t e dt o p o l o g yc h a n g i n g ，l i m i t e dw i r e l e s sb a n d w i d t h ，l i m i t e dt e r m i n a lp o w e r ， a n de t c s om u c hr e s e a r c hf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga r e a s ：r o u t i n gp r o t o c o l ，m a c p r o t o c o l ，e n e r g ye f f i c i e n c y ，q o sa n ds a f e t yq u e s t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v ei s s u e s ，s o m en e wa l g o r i t h m so nr o u t i n ga n dm a ch a v e b e e na p p r o v e di no r d e rt og u a r a n t e eq o si nt h i sp a p e r f i r s t l y ，s o m ec u r r e n tr o u t i n g p r o t o c o l sa r ei n t r o d u c e d ，t h e nan e wq o sg u a r a n t e e dp r o t o c o l ，q o sd s r ，i ss i m u l a t e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n t h ep r o t o c o lc a nd e c r e a s et h ef l o o d i n gi nt h e n e t w o r kt h r o u g ht h ea c c e s sc o n t r o l ，a n da l s oc a ng u a r a n t e eq o sf o rd i f f e r e n tp r i o r i t y t r a f f i c st h r o u g ht h er e s o u r c er e s e r v a t i o n i nt h es i m u l a t i o n ，t h eq o sd s ri sc o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a ld s r ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tq o sd s rc a ni n c r e a s e t h et h r o u g h p u to ft h en e t w o r ka n dr e d u c et h ec o n t r o lp a c k e t sf o rt h er o u t i n gd i s c o v e r y a n dm a i n t e n a n c e a sw ek n o w ，t h er o u t i n gl a y e ri sr e s p o n s i b l ef o rt h ee n d t o - e n dc o n n e c t i o n s ， w h i l em a cl a y e ri sr e s p o n s i b l ef o rt h er e s o u r c ed i s t r i b u t ea n dc o n n e c t i o ns e t u p ， a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fm a cl a y e ri na dh o cn e t w o r k s ，an e wm u l t i c h a n n e l m e d i aa c c e s sp r o t o c o lw i t hq u e u es c h e d u l i n gi si n t r o d u c e d ，w h i c hi sb a s e do nc d m a t e c h n o l o g y t h eq u e u e sa r eu s e dt ob u f f e rp a c k e t si nt h em a cl a y e rm a ds c h e d u l e t h e ma c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r sa n dt h ed i f f e r e n tn e t w o r ks t a t e s s ot h e s eq u e u e s c a nh e l pt od e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fn m l t i p l ep a c k e t s s i m u l t a n e o u sa r r i v a la tt h e s a l t l ed e s t i n a t i o n a n di nt h er a n d o mb a c k o f ff o rac o l l i s i o n ，t h eq u e u e st r a n s f e rt h e n o d ef r o mp a s s i v ew a i t i n gt op o s i t i v es e n d i n g ，s oh e l pt oi n c r e a s et h ew i r e l e s s r e s o u r c eu s a g e a tl a s tf r o mt h ed e t a i l e da n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t sw ec a r ls e e t h en e wp r o t o c o lh a si m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eg r e a t l y ，s u c ha st h r o u g h p u t ，d e l a ya n d d e l i v e r yr a t i o k e yw o r d s ：a dh o c ，q o sd s r ，m a c ，c d m a ，q u e u es c h e d u l i n g ，q s c t 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我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。 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：孓。li 日期：枷r ；形 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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沦文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向困 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位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、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期：埘；，纠 同期：1 帅s j 、e 1 1 研究背景简介 第一章绪论 近年来由于便携式设备( ! t i p d a ，w c d m a 手机和笔记本电脑等) 在移动 性、储存能力、无线通信能力等方面的迅速发展，使得不需要固定基站支持的 a d h o e 1 网得到了广泛应用。a d h o c 网络可以在不能利用或不便利用现有网络 基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，因此对于军用网有着特殊意义。另 外它可用于偏远地区的援救系统，或者是需要很快扩展网络覆盖范围的情况， 比如大型建筑工地。在大型会议中与会者也可利用笔记本电脑或掌上电脑在a d h o c 网络环境下互相传递信息。 a dh o c 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某即将发生的特定目 标、事件或局势而不为其他的”的意思。a dh o c 技术起源于2 0 世纪7 0 年代的 美国军事领。随着移动通信和移动终端技术的高速发展，a dh o c 技术不但在军 事领域中得到了充分的发展，而且也在民用移动通信中得到了应用，尤其是在 一些特殊的工作环境中，比如所在的工作场地没有可以利用的设备或者由于某 种因素的限制( 投入、安全、政策等) 不能使用已有的网络通信基础设施时， 用户之间的信息交流以及协同工作就需要利用a dh o c 技术完成通信网络的立即 部署，满足用户对移动数据通信的需求。 基于a dh o e 技术的a dh o c 网络是一种临时自治的分布式系统，终端具有无 中心接入和多跳等特征。这些特性使得a d h o c 技术涉及到- f o s i 分层模型 2 中 的每一个层面。研究者已经在媒质接入问题、路出问题、组播路由问题、功率 管理问题、q o s 问题 3 】、安全问题、传输层问题等方面发布了相关的研究成 果。在众多的难题中，a dh o c 网络的路由问题和接入技术尤其关键，i e t f 已经 成立了m a n e t 工作组集中从事a d h o c 网络单播路由协议和接入技术及其性能 评定的研究，现已发布了一些路由草案，i e t f 下一步还将就如何实现多播路由 以及q o s 等问题展丌讨论。 1 2 研究工作简介 服务质量( q o s ) 的是指网络为保证用户需要的业务事先定义的一系列业 务性能限制( 如：端到端时延，可用带宽，丢包率等) 。为了保证网络的 q o s ，必须针对不同的业务在路由层提供足够可用的网络资源：此外，在网络 接入层，需要考虑如何尽可能的提高资源利用率，从而实现更有效更保障的通 信。 由于a d h o c 网络具有自组织性和网络拓扑动态变化的特性r i p 4 ，o s p f 【5 】等传统的路出协议在a d h o c 网络中不能被有效的应用。为了满足a d h o c 网 络的需求，研究者从不同方面提出了些基于a dh o c 网络的路由方案，如目的 序列距离矢量路由( d s d v ，d e s t i n 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 rr o u t i n g ) 6 】、动态源路出( d s r ，d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 7 、a dh o c 需驱动矢量路 由( a o d v ，a dh o co n d e m a n dv e c t o rr o u t i n g ) 8 】、临时序列路出算法 ( t o r a ，t e m p o r a l l y o r d e r e d r o u t i n g a l g o r i t h m ) 9 等。这些算法主要是关注 路由及控制开销的优化，而没有对业务的q o s 加以考虑。 为了保证q o s ，必须具有足够的可用网络资源。因此首要的工作就是在源 节点和目的节点之间发现一条合适的通道或是路由，此通道或是路出可以提供 必要的资源以满足特定业务的q o s 限制。这种用于发现满足特定业务的q o s 限 制的路由算法称为q o s 路由算法 1 0 一1 8 。在a dh o c 网路中q o s 路由协议的研 究中有一些难点，比如：分布式应用( 如互联网电话或分布式游戏) 在延迟、 延迟抖动、丢包率和带宽等方面有不同的q o s 限制：由于负载的临时波动、链 路的加入或断开都会引起的网络状念动念改变：将来的综合性服务网络会承载 q o s 业务和尽力而为( b e s t e f f o r t ) 业务，这会使得性能优化变得更加困难。 针对上述特点，本文重点介绍了一种a dh o c 网络中具有q o s 保障的路由协 议q o sd s r 。在介绍和分析q o sd s r 算法的基础上，对算法的性能加以仿真 分析，并将分析的结果与传统d s r 算法在数据传输率、丢包率、端到端延迟等 各个方面一一加以比较。仿真的目的一方面是对a d h o c 的具有q o s 路由算法 进行性能评估，一方面也是为接入算法的研究及其验证做一些准备工作。通过 仿真结果的分析，我们可以发现，在算法在数据传输率、丢包率和网络负荷等 各个方面都有了明显的提高。 2 出于a d h o e 网络动态变化的网络拓扑结构以及无线信道自身的特点，在进 行数据传输时，必须使用特殊的介质接入控制子层。在有线网络应用的 c s m a j c d 1 9 1 ( 带冲突检测的载波侦听多重访问) 不适用于无线网络，因为无 线网络中存在隐藏终端( 隐终端) 的问题。目前已经提出了一些m a c 协议 如：m a c a 2 0 】，m a c a w 2 1 】，f a m a 2 2 】，d b t m a 2 3 ，r i m a 2 4 ， p a m a s 2 s 和m a c a c t 2 6 等协议。但是这些协议一般只适合那种网络规模 较小，移动性较弱的a dh o c 网络，而且这些协议大多数为单信道接入协议，具 有较低的频率使用效率，即使为多信道协议，仍没有处理好邻居节点之问的竞 争机制，没有使多信道协议达的特点达到最佳。 目自口存在的多信道协，大多是利用不同的码字、频率或者时隙将一段固定 的频谱分成不同的信道使用，但其他方面的处理仍然沿用了单信道的方式，虽 然在一定程度上解决了单信道很难解决的隐减终端和暴露终端的问题，提高了 接入性能：但目前的多信道协议大多只是提出这样一种框架，没有在此基础上 进一步的改进，充分利用多信道提供的模式而改善接入的性能。 通过对这些信道接入协议进行研究分析，本文提出了一种新的多信道接入 算法。该算法中引入了队列调度算法，队列可以缓冲数据包，尤其是能够针对 m a c 层中每个数据包的不同特点和网络状态对它们进行调度，从而降低若干来 自不同节点的数据包在同一目的节点发生碰撞的概率：同时在发生冲突后的随 机退避中，队列调度还可以使无线节点从消极等待转向积极发送的状态，提高 无线资源利用率。从最后的仿真结果及其分析中可以发现队列调度对性能有很 大的改进，尤其是在时延、传输率以及吞吐量等各个方面，在与传统多信道接 入协议进行比较的基础上，新算法的吞吐量提高了1 2 左右。 1 3 文章结构 第一章简单介绍a dh o c 网络技术的背景，介绍本文研究内容的选取原因， 综述研究工作的范围和本文的结构。 第二章从a dh o c k 络的基本知识出发，阐述了a dh o c 网络技术中涉及的各 项关键技术，分别介绍t a dh o c 网络的起源、分层、特点以及主要问题 - 3 第三章介绍了a dh o c 网络的路由技术，分别介绍了目前现行的主要路由技 术，重点介绍分析了一种具有o o s 保障的路由协议o o sd s r ，本章重点对该协议 进行了仿真验证，通过分析仿真结果得出了结论。 第四章是本文的核心，从a dh o c 网络接入层特点出发，提出了一种新型的 多信道接入算法，并对该算法进行了仿真，在仿真结果的基础上进行了理论分 析，一方面验证了仿真结果的可用性，一方面进一步证明了该算法的合理性。 第五章为全文总结。 d 2 。1a dh o c 综述 篇二章a dh o c 网络簿论 无线鄹络霹掇攒獒鳕擒努为肖串心燃爨( i n f r a s t r u c t u r c dn e t w o r k ) 狂秃中心 嘲络( i n f r a s t r u c t u r e l e s s n e t w o r k ) 。谯寄审心网终中，移动阕户遗过固定静赫站 送行道痿，黎藏餍移勰逡臻系统。a dh o c 涮络楚一糖茏中心熬瓣终。宅撂敞避 一游王捧在凳矮定雅鹣垮凌下静鑫爨瓢鼹笼线移饕翳络，嚣m a n 蓖t ( m o b i t e a 娃h o cn e t w o r k ) 。该瓣络是一种鸯特豫粥途的秃中心薛薅簿式网络。网络中 的节点将在箕蠹搂通信藏溺交熬节感傺两鼹逢器，遭过节赢转靛实现远鼯褒节 患潮鼹遵结。出予a dh o c 麓络所其蓊煎姆点，宅又被拣诲参虢辩络( m u l t i m h o p n e t w o r k ) 、燹篷邂麓鬻设夔靛溪络i n f m s t r u c t u r e l e s s n e t w o r k ) 戴囊爨缀 躐络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) n 翅图冬l 搿示，程a dh o c 露终书，麟不稀要一个卷定鹩熟络结构，瞧浚誊 弩蠲的固定的基站戏蹒幽嚣作为网络的铃理中心。阚络牵的镪个节点都糟警予 个骖稳黪臻出嚣，邀鍪麓熹终舞粥簿襄髂襁互连接，实穗熔惑包熬转笈t 宅 稍舔参与路国懿笈蠛霸缝铲过程，获丽耩袋了一夺a d h o e 麟缀。与煮中心鲻箍 桶魄，a d h o c 耐络翼嚓避、更耐耀，丽照不需要提供露患瀚臀予设藏，爆声就 磷戳靠簧帮媒馋努斑秃缝瓣。因姥，a dh o e 网络主要应用程攀事上，以及艘 紧急涛凝，如受灾嫩激淑遴癌、逸逡越聪鞠勘探镑场台黪邋傣。 耄摹礤“手 i 矗 黎黧鬃， 露i 霉翼蠢 。、菇 ” 盆盛蕊 蠲2 - 1a dh o e 鼹缀弦鞫 。s * 在a dh o e 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 定范围内与其它节点通信，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。除非采用了问接通信机 制，否则个节点是无法与在其通信范围之外的其它节点通信的。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，沿着这条链路数掘就 可以以“多跳”的方式传输。因此所有节点都必须有能够路由和转发数掘的能 力。a d h o c 网络可以不需在路出层手工配置，而是自发的建立连接。而且，a d h o c 网络的路出层具备当节点移动导致拓扑结构变化时重新配置路出的能力。 2 2a dh o c 起源 a dh o c 网络的起源可以追溯到1 9 6 8 年的a l o h a 2 7 】网络和1 9 7 3 年 d a r p a _ 丌始研究的分组无线电网络【2 8 1 。t e e e 在丌发i e e e8 0 2 1t 2 9 】标准 时，将分组无线电网络改称为a dh o c 网络。a dh o c 来源于拉丁语字面土的 意思是“为特定目的或场合的”或“仅为这种情况的”。当时分组无线电网络 已经用于大规模的军事和救援行动中，采用新的名字，i e e e 希望a dh o c 网络 成为为特定目的而临时组建并短期存在的网络。需要指出的是，1 e e e8 0 2 ，1 1 标 准定义的a dh o c 网络为仅出那些通过无线媒质能够互相进行直接通信的站点组 成的网络，即独立的基本服务集( i b s s ) 。i b s s 没有接入点，为单跳a dh o c 网络，但是目前研究的a d h o c 网络通常是多跳的。1 9 9 7 年i e t f 成立了移动 a dh o c 网络m a n e t 工作组，专门负责具有数百个节点的移动a dh o c 网络的 路由算法的研究和丌发并制定相应的标准。m a n e t 工作组的= i ：作成绩斐 然，已经制定了十几个i n t e m e t 草案标准。 2 3a dh o c 分层 参照o s t 七层模型，从各个层面上来分析a dh o c 网络的技术特点，并就 各个层次的构成来逐一介绍。其协议栈结构如图2 2 所示。由图2 2 可以看出 构筑网络时如果采用a dh o c 方式，所选用各层次的构建方式是可选的。 一6 一 d a t al i n k l a y e r 幽2 - 2a dh o c 网络的0 s i 模玳分层 夺物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 完成无线信号编码译码、发送和接收等工作。到 目前为止，a d h o c 物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网 的各种标准，其中包括i e e e8 0 2 1 1 系列、蓝牙、h i p e r l a n 3 0 等标准所定 义的物理层。 夺数据链路层：( d a t al i n kl a y e r ) 控制对共享无线信道的访问以及对逻辑链路 的控制，所以数据链路层又分为媒体接入控制层( m a c ，m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 和逻辑链路控制层( l l c ，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 。 夺网络层是a dh o c 技术的重点，也是a dh o c 网络与其它现有网络的主要区 别所在。i p v 4 协议、i p v 6 协议或其他网络层协议提供网络层数据服务；网 络层的单目标路由协议维护路由表，使其与当前的a d h o c 网络拓扑结构一一 致；多目标路由协议提供群组通信的底层支持：网际互联支持a dh o c 刚络 与其他现有网络互联，q o s 支持提供可保证的q o s 服务，路由安全提供对 路由协议的安全保障。 夺传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般的思路是对有线网中的 t c p u d p 进行改造，使之适应无线环境。 夺a dh o c 的高层主要包括的是建立在a dh o c 之上的无线应用以及接入移动 通信核心网的各种业务。 2 3 1a dh o c 数据链路层 数据链路层解决的主要问题包括媒体接入控制，数据的传送、同步、纠错 以及流量控制等。因此，a dh o c 数据链路层又分为m a c 和l l c 层。一般情况 7 孕毫一 下，我们主要关注的是m a c 层，因为m a c 层决定了数据链路层的绝大部分功 能。 从夏威夷大学的a l o h a 项目组提出在单跳的无线网络中进行分组数据的 广播的可行性以来，针对媒质共享竞争的问题，已经有a l o h a 、时隙 a l o h a 、c s m a ，以及i e e e8 0 2 1 l 所采用的c s m a c d 。m a c 层主要就是使 用媒质接入方案。出于a l o h a 、时隙a l o h a 、c s m a 都存在媒质冲突、暴露 终端以及隐藏终端等严重的问题，后来就有带冲突检测和冲突避免的c s m a 媒 质接入方案的提出，即c s m a c a 3 1 。但是，基于无线a dh o e 环境的 c s m a c a 仍然存在着一些问题，于是，一些学者就提出了各种相应的改进形 式作为m a c 层的解决方案，包括针对基于c s m a c am a c a ( 冲突避免多址 接入，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 ) 的改进：m a c a w ( m a c af o r w i r e l e s s ) 。m a c a 采用的是c s m a c a 方案，利用r t s 和c t s 进行交换，完 成对共享无线媒质的检测。目前的i e e e8 0 2 1 1 所定义的m a c 层功能就是采用 的m a c a 。m a c a w 是第一个专门针对无线环境而设计的m a c 层协议，陔方 案摒弃了原来针对以太网的避退算法，采用了新的避退算法，以便更适合无线 信道的环境。m a c a w 在原来m a c a 的基础上，增加了确认数据包，用r t s c t s d a t a ，以及r t s c t s d a t a a c k 实现媒质的冲突检测。c s m a c a 如图2 3 所示。 一l d j t a 厂li 触il r t s c t s d e f e ra c c e s si r t sh o a f i ! * l * s 一 2 3 2a dh o c 网络层 幽2 - 3c s m a c a 示意幽 a dh o c 网络结构是动态变化的，因此a dh o c 网络不适于采用常规路山协 议。一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以下特性要求：分布式运行方 式：提供无环路路由；需驱动协议操作；具有可靠的安全性：提供设各“休 眠”操作特性：对单向信道的支持等。 8 。 对一个a dh o c 网络层路由协议定量衡量比较的指标应该包括：端到端的平 均时延( e n d t o - e n dd e l a y ) ；分组的平均吞吐量( a v e r a g et h r o u g h p u t ) ；路由 协议开销( c o s t ) ：路出请求时间等。 正是由于a dh o c 网络层路由协议对于a dh o c 网络性能的重要性，使其成 为一个研究的热点。从总体上蜕，目a u 所提出的各种路由协议基本上可以归纳 为三类：一类是基于路由表驱动( t a b l ed r i v e n ) 的路出协议，一种是源发起按 需驱动( o n d e m a n dd r i v e n ) 的路由协议，还有一种是两种模式的混合形式 2 4a dt t o c 特点 相对于有线网络，甚至是有中心的移动网络，无线a dh o c 网络具有一些突 出的特点：节点常常在网络中任意地移动，自由加入和退出网络，无线传播条 件也随时间和空间不断改变，使网络拓扑结构频繁变化；带宽有限、容量可变 的链路，多接入、多径衰减、噪声和信号干扰等因素将显著降低无线通信的吞 吐量；移动节点常常依靠电池来提供能量，能量有限；多跳通信，无线节点的 发射功率有限，常常需要其它的中间节点来中继信息：有限的网络安全，与有 线网络相比，无线a dh o c 网络存在更加严重的安全性问题，在设计网络时，需 要仔细考虑窃听、欺骗和拒绝服务攻击等，可以归纳为以下几个特点。 ( 1 ) 无线信道带来的特点： 网络带宽较窄。目前无线网络的传输带宽只有几十k b i t s - 几m b i t s ，如 何提高信道利用率是无线网络中需要考虑的一个重要问题： 信道传输质量较差。与有线信道相比，无线信道的误码率远远大于有线 信道的误码率，高误码率的信道将会引起数据的重传，从而进步降低 无线信道的利用率： 节点的通信距离受限。网络中所有的节点共享传输信道。这有点类似以 太网，但与以太网不同的是，无线网络中，由于发射功率等原因，个 节点发出的信号，可能网络中其它的节点并不一定都能收到，这样在使 用c s m a ( 载波检测多址访f 0 7 ) 协议时就会出现“隐终端”和“暴露终 端”等问题； 9 ( 2 ) 网络的拓扑结构变化频繁。在a dh o e 网络中，所有的节点都参与数掘的 转发和路由的维护，但与传统的固定网不同的是，作为路由器的每个节点都是 移动的，因此其拓扑结构的变化速度将会远远大于固定网的拓扑变化速度。节 点常常在网络中任意地移动，自由加入和退出网络，无线传播条件也随时间和 空间不断改变，使网络拓扑结构频繁变化。 ( 3 ) m a n e t 的一些节点可能工作在有限的能量供给下。如果一个节点是由电 池来供电的话。它就不能参与网络中的所有通信工作，否则会很快被迫停止操 作。 ( 4 ) 保密性问题。无线链路容易被窃听或被干扰导致服务拒绝。 2 5a dh o c 网络存在问题 相对于有线网络，甚至是有中心的移动网络，无线a dh o c 网络具有上述突 出的特点。传统网络中对连接性和业务传输的基本需求，在a dh o c 中也同样需 要得到满足，因此形成了a dh o c 网络中问题，主要包括服务质量q o s 、m a c 协议、功控和能量消费、节点移动性管理、安全性等问题。 2 5 1 服务质量q o s 耳目ii n t e m e t 只支持尽力而为业务( 3 2 所谓尽力而为是尽最大能力将用户 数掘包发送到目的地，并不提供任何质量保证。而以i n t e r n e t 网为基础模型的 a dh o c 同样面临无法保证业务质量的问题。q o s 3 3 是指当源端向目的端发送 分组流时，网络向用户保证提供一组满足预先定义的服务性能约束，如端到端 的延迟、带宽、分组丢失率等。显然，为了提供q o s 保证，首要的任务就是在 源和目的节点之间寻找具有必要资源来满足q o s 要求的路由，其次对于特定的 流旦路由被选择后，必须为该流预留必要的资源( 如带宽、路出器中的缓存 空间等) 。提供q o s 路出可以将这些任务结合在一起，这样q o s 保证转换y , j q o s 路由问题。 1 0 2 5 2 媒体接入控制( m a c ) 协议 无线a dh o c 网络中m a c 协议主要为i e e e8 0 2 1 1 标准中的c s m c a 协 议和h i p e r l a n 2 协议。对于a dh o c 网络，i e e e8 0 2 1 l 标准采用分布式的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 ) 接入模式，m a c 层协议为c s m a c a ，节 点间的数据传输过程为r t s c t s + 数据+ 确认。h i p e r l a n 2 是出欧洲标准化组织 e t s i 丌发的高速无线接入项目的一部分，能够携带多媒体数据和支持服务质量 保证。h i p e r l a n 2 将移动终端组织到由某个终端确定的蜂窝内，这个终端被称 为接入点或中央控制器。h i p e r l a r , 2 网络采用直接模式时可以用于a dh o c 网络 的组网。和i e e e8 0 2 1i 的区别在于，采用h i p e r l a n 2 标准a dh o c 网络的媒体 接入控制仍然需要由中央控制器负责管理。因此，在没有中央控制器参与的情 况下，任何两个移动终端并不能直接进行通信。i e e e8 0 2 1 1 和h i p e r l a n 2 兼 容，但扩展性更好，而且有实际产品问世，如l u c e n tw a v e l a ni e e e8 0 2 1 1p c 卡，而到目前为止，还没有见到h i p e r l a n 2 的产品。因此目前对a d h o c 网络 的研究常常是采用i e e e8 0 2 1l 标准。 i e e e8 0 2 1 1m a c 层协议在多跳网络中主要存在隐藏节点和暴露节点问 题。 目前几乎所有的a dh o e 网络信道接入协议都使用随机接入技术。 a l o h a ，时隙a l o h a 和c s m a 系列都是经典的随机接入技术。由于a dh o c 网络的多跳特性，单纯使用c s m a 技术会产生隐终端( h i d d e nt e r m i n a l ) 问题 和暴露终端( e x p o s e dt e r m i n a l ) 问题。 隐终端是指在接收者的通信范围内而在发送者通信范围外的终端( 见图2 4 ) 。隐终端因听不到发送者的发送而可能向接收者发送报文，造成报文在接收 者处碰撞。碰撞后发送者要重传被碰撞破坏的报文，从而降低了信道利用率， 增加了系统时延。所以，a dh o c 网络信道接入协议必须解决隐终端问题。 f f 、 乞 幽2 - 4 隐终端问题 在图2 4 中，当a 向b 发送数据时，c 感知不到a 的发送。如果c 此时向 b 发送数据就会产生碰撞，c 成了隐发送终端( 隐终端c 作为发送者) 。当a 向b 发送数掘时，c 显然不能向b 发送。因为c 在a 的通信距离之外，a 无法 通知c 它在发送数据。所以要想让c 知道a 在向b 发送，可以让b 在接收数 据之前通知c 。一种可能的解决方案是在每次发送数据之前，通信双方先使用 控制报文进行握手，听到回应握手信号( 出接收者发送的) 的节点必须延迟发 送。例如当a 要向b 发送数掘时，a 先向b 发送r t s ( r e q u e s t t os e n d ) ：b 收到r t s 后，回应c t s ( c l e a r t os e n d ) ；a 收到c t s 后丌始向b 发送数据 ( 如果a 收不到c t s ，a 认为发生了冲突，超时重发r t s ) 。这样，隐终端c 能够听到b 发送的c t s ，知道a 要向b 发送数据，c 延迟发送。这就解决了隐 发送终端问题。 若采取这种方案，当c 听到b 发送的c t s 而延迟发送时，如果d 向c 发 送r t s 请求发送数据。因为c 此时不能发送任何信息，所以d 就收不到束自c 的c t s 。这被称为隐接收终端问题( 隐终端c 作为接收者) 。d 无法判断是发 生了报文冲突，还是c 没有丌机，还是c 是隐终端。d 只能认为报文冲突，超 时后重新向c 发送r t s 。显然d 在a 和b 通信期阳j 不可能收到来自c 的 c t s 。这造成了不必要的重发，浪费了带宽。当系统只有一个信道时，隐接收 终端问题是无法解决的。因为在单信道的情况下，c 发送的任阿信号部会造成 b 处的报文碰撞。一种可能的解决方法是c 通过一个带外信号，通知d 它此时 不能发送，f 处于延迟发送状态，d 可以先处理其它任务。另一种方法是如果 系统有数据信道和控制信道，当a 和b 在数据信道上交互数据信启、时，c 可以 通过控制信道与d 交互控制消息。控制消息交互成功后，d 可以通过数据信道 向c 发送报文而不会产生冲突。 由此可见，在使用单信道的网络中，不可能同时解决隐发送终端和隐接收 终端问题。要想完全解决隐终端问题，数据和控制报文必须在不同的信道上分 丌传送。 暴露终端是指在发送者的通信范围之内而在接收者通信范围之外的终端 ( 见图2 - 5 ) 。暴露终端因听到发送者的发送而延迟发送。但因为它在接收者的 通信范围之外，它的发送实际上并不会造成冲突。这就引入了不必要的延迟， 所以也要想办法解决。 1 2 - 酗2 - 5 暴露终端问题 在图2 - 5 所示的暴露终端问题中，当b 向a 发送报文时，c 成了暴露终 端。如果仍采用解决隐终端问题提出的握手机制。当b 向a 发送数据时，c 听 到了b 发送的r t s ，但没有听到a 回送的c t s 。此时，c 便知道自己是暴露终 端，它向d 发送数据并不会影响b 与a 的通信。但是问题并没有解决。当c 知 道自己是暴露终端后它认为自己可以向d 发送。c 向d 发送r t s ，但来自d 的c t s 会与b 发送的数据在c 处产生碰撞。也就是说c 收不到d 的c t s 。同 样的问题产生了，由于c 不知道d 的当前状念，就超时重发。显然，在b 与a 通信期间，c 无论发送多少次r t s ，它都不可能听到来自d 的c t s 。c 不但没 有向d 成功发送数据报文，反而重发了很多无用的r t s 。这是暴露发送终端问 题( 暴露终端作为发送者) 。再来看看c 作为接收者时出现的问题。当b 向a 发送数据时，如果d 想向c 发送数据。来自d 的r t s 与b 发送的数据会在c 处碰撞，所以c 收不到来自d 的r t s 。d 不知道c 处于何种状态，超时重发。 这是暴露接收终端问题。 i e e e8 0 2 1 1 的m a c 协议的载波监听( 和干扰) 的范围通常大于通信范 围，加剧了隐簸节点和暴露节点的问题； 由于a dh o c 网络信道接入协议的重要性，在这方面丌展的研究很多。其中 m a c a ( m u l t i p l ea c c e s sc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 是一个用于单信道网络的信道接 入协议。通过r t s c t s 机制来解决隐终端和暴露终端问题，采用b e b 退避算 法。缺点是没有解决隐接收终端和暴露终端问题，b e b 退避算法会造成严重的 不公平现象。m a c a w ( m a c af o r w i r e l e s sl a n ) 是m a c a 的改进。同样用 于单信道的网络，使用r t s c t s 。d s ( d a t as e n d i n g ) 机制来解决隐终端和暴露 终端问题。使用m i l d 退避算法和退避计数器广播技术。缺点是也没有解决隐 接收终端和暴露终端问题。d b t m a ( d u a l b u s y t o n e m u l t i p l e a c c e s s ) 将信道 分为数据信道和控制信道。另外还有两个窄带忙音b t r 和b t t 指示某站f 在数 据信道上接收和发送报文。通过对b t r 和b t t 的载波监听加上r t s c t s 来解决 隐终端问题和暴露终端问题。因为使用了两个信道，隐终端和暴露终端问题得 1 3 到了较好的解决。d b t m a 的缺点是使用窄带忙音，需要额外的载波监听硬 件。 2 5 3 能量消费和安全问题 能量消费( 功率控制) 问题涉及到无线网络中的各层。节点能量消费可以 分为通信费用和计算费用两部分。前者是指无线网络接口消费的能量。在a d h o c 网络中，移动节点可以位于发射