（计算机科学与技术专业论文）无线自组网mac协议关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 近年来，随着研究的深入和相关硬件技术的发展与成熟，无线自组网技术在 实际应用中得到越来越多的部署。无线自组网是由无线通信节点通过分布式协议 连接而成的系统，具有独立性、多跳性、分布性和移动性等特点。介质访问控制 协议( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 是无线自组网协议栈的重要组成部分，决定 了节点如何通过共享的无线空间信道发送和接收报文。m a c 协议能否高效的利用 有限的无线信道资源对无线自组网的性能有决定性的影响。 基于随机竞争的m a c 协议开销低，适合在无线自组网环境下单个节点上实现 且实现开销不高，因而成为无线自组网m a c 协议研究中最主流的技术。作为基于 随机竞争的无线自组网m a c 协议最典型和最成功的代表，i e e e8 0 2 1 l 协议在研 究和实际应用中使用最为广泛。但是，i e e e8 0 2 1 l 通过r t s c t s 控制报文预约信 道的通信方式牺牲了邻近节点可能的并发传输机会，导致网络的吞吐量不高。无 线自组网共享信道的接入方式决定了节点在通信过程中不可避免的面临流内竞争 乃至流间竞争，而i e e e8 0 2 1 1 协议处理这些m a c 竞争不够完善是导致其在无线 自组网多跳环境下性能不够理想的主要原因。 围绕无线自组网m a c 协议性能优化这个关键问题，本文深入分析了影响m a c 协议性能的本质原因，针对现有工作存在的对并发传输支持不够理想、对流内竞 争和流间竞争等m a c 层竞争处理不够完善等不足之处，提出了相应的解决方法。 本文主要工作包括： 1 m a c 层并发传输机制研究。在无线自组网中，在给定区域内同时进行的 传输越多，则整个系统的吞吐量就越高。因而，在确保彼此不破坏对方传输的前 提下，在一定的空间范围内调度尽可能多的传输是提高无线自组网m a c 协议吞吐 量的有效途径之一。在无线自组网中，无线通信节点在接收报文时可以容忍一定 程度的干扰存在，这就是无线通信所特有的捕获效应。利用无线通信的这一内在 特征，本文基于现有符合i e e e8 0 2 1 1 规范的硬件，提出一种用于无线自组网的并 发传输m a c 协议皿讧a c 。 为了实现并发传输，c t m a c 协议在控制报文和数据报文间插入附加控制时 隙，并让节点在成功交换控制报文后进行相应的等待，直到附加控制时隙结束才 开始数据报文的发送。配合附加控制时隙机制的引入，c t m a c 协议的控制报文只 是有条件的使邻居节点静默，以便邻居节点有更多的机会交换控制报文并调度传 输。为了确保并发调度的传输可以互不干扰的成功进行，本文对r t s c t s 控制报 文机制进行扩展，并在控制报文中引入必要的冲突避免信息作为并发调度的依据。 为了更充分的利用无线自组网内潜在的并发机会，本文提出一种新颖的a c k 报文 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 串行化机制，有效隔离了不同传输的d a t a 报文和a c k 报文，在提高协议并发度 的同时极大的简化了协议的设计。由于附加控制时隙的长度对协议的性能有重要 的影响，本文提出一种附加控制时隙自适应调整技术，节点可以通过报文级的调 整对周围的情况做出及时的反应，优化自己的行为。模拟结果表明，c t m a c 协议 突破了传统的基于c s m c a 机制的m a c 协议对并发传输的限制，在网络中存在 并发可能时明显的提高了系统的吞吐量。 2 多跳通信环境下流内竞争问题研究。无线自组网分布、自组的特性决定了 其中的流量以多跳流量为主。多跳通信路径上的相邻节点不可避免的面临流内竞 争问题，制约了m a c 协议的性能。本文在深入分析多跳通信流本质特征的基础上， 着眼于流内竞争问题的解决，提出主动等待m a c 协议v w m a c 。v w m a c 协议采用一种自我克制策略，节点在成功发送d a t a 报文后根据所发送d a t a 报 文的长度和与多跳路径上邻近节点的位置关系主动的等待一段时间，并在等待期 间切换到睡眠状态以节约宝贵的电池能量。本文得出了节点主动等待时长计算的 经验公式，并通过模拟实验进行正确性验证。模拟结果显示，v w m a c 协议较好 的解决了流内竞争问题，与已有协议相比，v w m a c 提高了多跳通信流的端到端 吞吐量，降低了端到端延迟并改善了节点的能源使用效率。 3 m a c 层竞争动态处理机制研究。在m a c 层，无线自组网节点同时面临 流内竞争和流间竞争等多种竞争。对竞争和冲突的处理是否及时和主动在很大程 度上决定了m a c 协议的性能。针对传统的二进制指数回退机制存在的问题，本文 提出一种动态等待m a c 协议d w m a c ，使节点根据自己所面临竞争的激烈程 度动态的调整自己参与无线信道竞争的行为。d w m a c 协议下，节点在成功发送 d a t a 报文后将主动进行等待，等待时长由节点动态的根据其面临的竞争程度和 相邻节点所声明的信道占用时间决定。在动态等待期间，节点放弃对信道的主动 接入，但可以被动的响应c t s 报文并接收数据。位于多条多跳通信路径上的交叉 节点需要更多的机会占用信道进行报文转发。对此，本文提出一种交叉节点标识 机制，根据交叉节点需要转发的报文数量来确定该节点的动态等待时长。利用网 络内通信流量在时间上的内在联系，本文根据节点周围竞争的历史信息对动态等 待时长的计算进行平滑优化，进一步提高了协议的性能。模拟结果表明，d w m a c 协议能够更加高效的处理m a c 层竞争和冲突，主动和及时的调整节点的竞争行 为，提高了无线自组网吞吐量和报文延迟方面的性能。 主题词：无线自组网，姒c 协议，并发传输，流内竞争，流间竞争 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i mt h ei n d e p t hr e s e a r c ho fr e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n dt h e i m p r o v e m e n ti nh a r d w a r e t h e r ea r em o r ea n dm o r ed e p l o y e dw i r e l e s sa dh o en e t w o r k s i n p r a c t i c e aw i r e l e s sa dh o en e t w o r ki san e t w o r kt e m p o r a r i l ya n ds p o n t a n e o u s l y e s t a b l i s h e db yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d e st h r o u g hd i s t r i b u t e dp r o t o c o l s ，w i t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a s t r u c t u r e l e s s ，m u l t i h o p ，d i s t r i b u t e da n dm o b i l i t y a so n e i m p o r t a n tp a r to ft h ew i r e l e s sa dh o cn e t w o r kp r o t o c o ls u i t e t h em e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o ld e t e r m i n e sh o wo n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d et r a n s m i t sa n d r e c e i v e sp a c k e t st h r o u g hw i r e l e s sc h a n n e l t h u s ，t h em a c p r o t o c o ll a r g e l yd e t e r m i n e s t h en e t w o r kp e r f o r m a n c ew h i c hc a nb em e a s u r e di nl 崩 i n so ft h r o u g h p u t , t r a n s m i s s i o n d e l a ya n de n e r g yc o n s u m p t i o n , e t c f o c u so nh o wt oi m p r o v et h ew i r e l e s sa dh o ek 【a cp r o t o c 0 1 t h i st h e s i sf i r s t d e e p l ya n a l y s e st h ee s s e n t i a lf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n et h ep e r f o r m a n c eo fam a c p r o t o c 0 1 t h e n , t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sa n de v a l u a t e sn e ws o l u t i o n sf u rc o n c u r r e n t t r a n s m i s s i o n ，i n t r a - f l o wc o n t e n t i o na n di n t e r - f l o wc o n t e n t i o n t 1 1 em a j o rc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i si n e l u d e ： 1 r e s e a r c ho nc o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m i nag i v e na r e ao ft h ew i r e l e s s a dh o en e t w o r k , m o r es c h e d u l e dt r a n s m i s s i o n sm e a n sh i g h e rt h r o u g h o u t s o w i t h o u t v i o l a t i n ge a c ho t h e r , i ti sap r o m i s i n ga p p r o a c ht oi m p r o v et h et h r o u g h p u to f aw i r e l e s s a dh o en e t w o r km a cp r o t o c o lb ys c h e d u l i n ga sm o r e 觞p o s s i b l et r a n s m i s s i o n si na g i v e ns p a c e i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , ap a c k e tc a nb er e c e i v e ds u c c e s s f u l l ye v e ni f t h e r ee x i s to t h e ro v e r l a p p i n go ri n t e r f e r i n gp a c k e t s t h i sp h e n o m e n o ni st h es oc a l l e d c a p t u r ee f f e c t b a s e do nt h ec a p t u r ee f f e c t , t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sac o n c u r r e n t t r a n s m i s s i o nm a cp r o t o c o l ( c t m a c ) w h i c hc a nw o r ko ne x i s t i n gi e e e8 0 2 1l h a r d w a r e c 耵眦i n s e r t sa d d i t i o n a lc o n t r o lg a db e t w e e nt h et r a n s m i s s i o no f c o n t r 0 1p a c k e t s ( r t s c t s a t s ) a n dd a t ap a c k e t a f t e rt h es u c c e s s f u le x c h a n g eo fc o n t r o lp a c k e t s ，a n o d ew a i t su n t i lt h ef i n i s ho fc u r r e n ta d d i t i o n a lc o n t r o lg a p a d d i t i o n a l l y ，t h ec o n t r o l p a c k e t so fc t m a c w i l ln o ta l w a y ss r e n c et h en e i g h b o r i n gn o d e s t h u s ，t h ea d d i t i o n a l c o n t r o lg a pa l l o w sas e r i e so fr t s c t se x c h a n g e st ot a k ep l a c eb e t w e e nt h en o d e si n t h ev i c i n i t yo ft h et r a n s m i t t i n go rr e c e i v i n gn o d et os c h e d u l ep o s s i b l em u l t i p l e ， c o n c u r r e n td a t at r a n s m i s s i o n s t os a f e g u a r dt h ec o n c u r r e n td a t at r a n s m i s s i o n s ，c o l l i s i o n a v o i d a n c ei n f o r m a t i o nj si n c l u d e di nt h ec o n t r o lp a c k e t sa n du s e db yt h en e i g h b o r i n g n o d e st od e t e r m i n ew h e t h e rt h e ys h o u l db e g i nt h e i rt r a n s m i s s i o n s a l s o ，t oi s o l a t et h e p o s s i b l ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nd a t ap a c k e t sa n da c kp a c k e t s ，an o v e la c ks e q u e n c e m e c h a n i s mi sp r o p o s e d b e c a u s et h es i z eo fa d d i t i o n a lc o n t r o lg a ph a sas i g n i f i c a n t 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 i m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec t m a c ，t h i st h e s i sp r o p o s e sap a c k e t l e v e la d a p t i v e m e c h a n i s mt oa d j u s tt h el e n 垂ho fa d d i t i o n a lc o n t r o lg a pa c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f c o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o n si nt h ev i c i n i t y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tas i g n i f i c a n tg a i n i nt h r o u g h p u tc a nb eo b t a i n e db yt h ec t m a cp r o t o c o lc o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n g w o r ki n c l u d i n gt h ei e e e8 0 2 1lm a c p r o t o c 0 1 2 r e s e a r c ho fm t r a - f l o wc o n t e n t i o np r o b l e mu n d e rm u l t i h o ps e e n a r l o s d u et ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a s t r u c t u r e l e s sa n dm u l t i h o p m o s to ft h et r a f f i c si naw i r e l e s sa d h o en e t w o r ka r em u l t i h o p t of u l f i l lt h ef o r w a r d i n go ft h er e c e i v e dp a c k e t s t h e n e i g h b o r i n gn o d e so nam u l t i h o pr o u t ew i l lc o n t e n dw i t i le a c ho t h e ri n e v i t a b l y t h i si s t h es oc a l l e di n t r a - f l o wc o n t e n t i o np r o b l e m w h i c hl i m i t st h ep e r f o r m a n c eo ft h em a c p r o t o c 0 1 b ya n a l y z i n gt h ee s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so f am u l t i h o pt r a f f i c ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e dan o v e lv o l u n t a r yw a i t i n gm a cp r o t o c o l ( v w m a c ) t os o l v et h i sp r o b l e m t h r o u g hv o l u n t a r yw a i t i n gb yw i r e l e s sh o s t sa c c o r d i n gt ot h el e n g t ho fd a t ap a c k e t t r a n s m i t t e da n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nn e i g h b o r i n gn o d e so nt h em u l t i h o pp a t h , v m a c u s e sas u r p r i s i n g l ys i m p l es t r a t e g yt oa c h i e v es i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n t t 1 l i st h e s i sg a i n st h ee q u a t i o nt oc o m p u t et h el e n g t ho fv o l u n t a r yw a i t i n gt i m ea n d v a l i d a t ei t sc o r r e c t n e s st h r o u g hs i m u l a t i o n i n a d d i t i o n , v o l u n t a r yw n i t i n g o f p a n i c i p a t i n gn o d e sp r e s e n to p p o r t u n i t yf o rt h e s en o d e st ot r a n s i tt os l e e ps t a t et o c o n s e r v es c a r c ee n e r g y o u rs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tv w m a c o u t p e r f o r m si e e e 8 0 2 1 1a n de x i s t i n ga p p r o a c h e si nt e r m so ft h r o u g h p u t ，t r a n s m i s s i o nd e l a ya n de n e r g y e f f i c i e n c y 3 r e s e a r c ho fm e c h a n i s m sf o rd e a l i n gw i t hm em a c l a y e rc o n t e n t i o n s a tt h e m a c l a y e r ，aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d ef a c e sv a r i o u sk i n d so fc o n t e n t i o n sw h i c h i n c l u d ei n t r a - f l o wc o n t e n t i o na n di n t e r - f l o wc o n t e n t i o n t h em a c l a y e rc o n t e n t i o n s a n dt h er e s u l t i n gc o l l i s i o n sh a v es i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fam a c p r o t o c 0 1 d e a l i n gw i t ht h e s ep r o b l e m sq u i c k l ya n da c t i v e l yi sn e c e s s a r yf o rad e s i r a b l e w i r e l e s sa dh o cm a c p r o t o c 0 1 i nt h i st h e s i s ，an o v e lm a cp r o t o c o l ，d y n a m i cw a i t i n g m a c ( d w m a c ) ，i sp r o p o s e dt om a n a g et h ec o n t e n d i n ga c t i o n so faw i r e l e s sn o d e d y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h ec o n t e n t i o nl e v e l i nd w m a c ，an o d ew a i t sv o l u n t a r i l ya f t e rt h es u c c e s s f u lt r a n s m i s s i o no fad a t a p a c k e t t h ed u r a t i o no fw a i t i n gi sd e t e r m i n e dj o i n t l yb yt h ec o n t e n t i o nl e v e li nt h e v i c i n i t ya n d t h el e n g t ho f t h ec o n t e n d e dt r a n s m i s s i o n s i nt h es t a t eo f d y n a m i cw a i t i n g , a n o d el o s e st h er i g h to ft r a n s m i t t i n g ，e v e ni fi th a sp a c k e tw a i t i n gi ni t st r a n s m i tq u e u e h o w e v e r ，i tc a nr e c e i v ep a s s i v e l yf r o mn e i g h b o r i n gn o d e sw h e nr t sp a c k e ti sr e c e i v e d t h ec r o s sn o d ew h i c hi so nt h er o u t e so fm u l t i p l em u l t i h o pt r a f f i c sn e e d sm o r e c o n s i d e r a t i o n ，b e c a u s ei tr e q u i r e sm o r ec h a n c e st of o r w a r dt h er e c e i v e dp a c k e t s i nt h i s d i s s e r t a t i o n , am a r k i n gm e c h a n i s mi sp r o p o s e dt oa s s i g nt h ec r o s sn o d eh i g h e rp r i o r i t y 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 d u r i n gt h ec o n t e n t i o nf o rt h es h a r e dc h a n n e l b e c a u s et h ef l o w si nt h ew i r e l e s sa dh o c n e t w o r kh a v es o m ei n t r i n s i cr e l a t i o n s b i p ，d w m a cu s e sa na r m af i l t e rm e t h o dt o u t i l i z et h eh i s t o r yi n f o r m a t i o na n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c ef u r t h e r c o m p a r e dw i t h e x i s t i n gs o l u t i o n s ，d w m a cd e a l sw i t ht h em a cl a y e rc o n t e n t i o n sm o r ee f f e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td w m a cp r o t o c o li sa b l et oa d j u s tt h ea c t i o no fa w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn o d et i m e l ya n da c t i v e l y ，r e s u l t i n gs i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t si n t h r o u g h p u ta n dp a c k e td e l a y k e yw o r d s ：w i r e l e s s a dh o en e t w o r k m a c p r o t o c o l 。c o n c u r r e n t t r a n s m i s s i o n ，i n t r a - f l o wc o n t e n t i o n ，i n t e r - f l o wc o n t e n t i o n 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表2 1d d c f 协议的参数2 9 表2 2 缩略语对照表3 4 表2 2 缩略语对照表( 续) 3 5 表3 1 协议描述所用的缩写符号4 2 表3 1 协议描述所用的缩写符号( 续) 。4 3 表3 2 模拟参数取值6 l 表4 1 模拟参数取值7 7 表5 1 模拟参数取值9 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 多跳无线自组网示意图。2 图1 2 网络协议栈参考模型3 图1 3 隐藏终端和暴露终端。6 图1 4 流内竞争。8 图1 5 流间竞争。8 图1 6 无线自组网m a c 协议分类9 图2 1 节点位置图示2 3 图2 2 传输范围、载波侦听范围和载波侦听带示意图2 4 图2 3i e e e8 0 2 1 ld c f 中节点对n a v 的设置2 4 图2 4 帧间间隔之间的时间关系2 6 图2 5c w 窗口指数递增示例图。2 7 图3 1 主从传输示意拓扑结构4 3 图3 2c t m a c 的基本原理。4 4 图3 3 重叠锁定示意图4 5 图3 4 从传输d a t a 报文与主传输a c k 报文的冲突4 7 图3 5a c k 报文和d a t a 报文的冲突示例拓扑4 7 图3 6 并发传输a c k 报文的发送时机。4 8 图3 7 发送节点状态图5 7 图3 8 接收节点状态图5 8 图3 9 其他节点状态图5 9 图3 1 0 线性拓扑场景6 2 图3 1 l 线性拓扑场景下系统吞吐量6 2 图3 1 2 随机网格拓扑场景6 3 图3 1 3 随机网格拓扑场景下系统吞吐量( m = 2 ) 6 3 图3 1 4 随机网格拓扑场景下系统吞吐量( m = 3 ) 6 4 图3 1 5 随机网格拓扑场景下系统吞吐量6 5 图3 1 6 分簇拓扑场景。6 5 图3 1 7 分簇拓扑场景下系统吞吐量( p = o 2 5 ) 6 6 图3 1 8 分簇拓扑场景下系统吞吐量( p = o ) 6 6 图3 1 9 随机拓扑场景下系统吞吐量6 7 图4 1 多跳端到端通信6 9 图4 2 带有快速转发机制的i e e e8 0 2 1 1 7 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 3 对应于图4 1 中传输的最佳调度方案7 3 图4 4 线性拓扑结构7 4 图4 5n w s 取不同值时报文的平均延迟7 4 图4 6 跳数为2 和3 时的最佳调度方案7 6 图4 7 不必要的信道预约7 6 图4 8v w m a c 协议基本操作过程7 7 图4 9 线性拓扑下v w m a c 和8 0 2 1 1 性能比较7 9 图4 1 0 线性拓扑下v w m a c 与已有协议及8 0 2 1 l 性能比较7 9 图4 1 l 交叉通信流示意图。8 0 图4 1 2 网格拓扑下的交叉通信流的性能。8 l 图4 1 3 汇聚通信流示意图。8 1 图4 1 4 网格拓扑下的汇聚通信流的性能8 2 图5 1p r 策略示意图8 6 图5 2 节点的状态转换过程8 8 图5 38 0 2 11 协议下节点竞争信道的过程9 0 图5 4d w m a c 协议基本操作过程9 l 图5 5 交叉节点示意图9 3 图5 6 网格拓扑下单通信流场景示意图9 6 图5 7 网格拓扑下单通信流场景模拟结果9 6 图5 8 网格拓扑下交叉通信流场景示意图9 7 图5 9 网格拓扑下交叉通信流场景模拟结果9 7 图5 1 0 网格拓扑下并行多通信流场景示意图。9 8 图5 1 l 网格拓扑下并行多通信流场景模拟结果9 8 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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。 学位论文题目：盔基堡回丝! 刍丝趟基塑盆：猫塑 学位论文作者签名 熏互夔日期：卯5 年彳月玎日 学位论文版权使用授权书 本入完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，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捡索 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 立氆苴丝目幽鱼生越盔丝整圣婴红 学位论文作者签名：盔。互蹩： 作者指导教师签名：多兰塑 日期：驰5 年呼月日 b 翔：抛s 年 只f ，b 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 随着移动通信技术、计算机网络技术的不断进步以及因特网的迅猛发展，为 用户提供各种信息服务和通信支持的相关技术已成为当前信息技术研究的一大热 点。传统的蜂窝系统是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统，然而它依赖于固 定的通信设施( 如基站) 。为了支持野外或无固定基站环境中的通信，一种新的 网络技术一一无线自组网技术应运而生。然而，无线自组网多跳通信和分布式无 中心的组网模式为网络通信带来了许多新问题，如无线信道分配、路由、安全、 网络管理等。解决上述问题，能为无线传感器网络、战术互连网、救灾应急网等 重要应用提供有效的通信支持，因此既具有挑战性，又具有重要意义。 1 1 1 基本概念 1 1 无线自组网简介 无线自组网的英文名称为w i r e l e s s a d h o e n e t w o r k 【l 】，是一种在没有骨干网络 的条件下，由系统中的通信节点通过分布式协议互连或组织起来的无线网络系统。 a dh o e 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定目标、事 件或局势而不为其他的”的意思。本文所标称的无线自组网是指一种特定的无线 网络结构，强调的是多跳、自组识、无中心的概念。 在无线自组网中，没有固定的通信基站，所有通信节点均可移动，两个节点 之间可以直接进行无线通信。若一个节点发出的信息可被所有其他节点接收到， 这种网络称为单跳( s i n g l e - h o p ) 无线自组网。当两个节点不在彼此的无线通信范 围内时，需要通过中间节点对通信进行中继，这种网络称为多跳( m u l t i - h o p ) 无 线自组网。为了实现通信中继，通信节点一般应具有路由和转发消息的能力。多 跳网络更能体现无线自组网的优势，也是无线自组网的主要应用形式，因而我们 将其作为主要的研究目标，其示意图如图1 1 所示。下文若不作特别声明，所讨论 的网络环境均指多跳无线自组网。 与传统无线通信系统相比，无线自组网具有如下特点： 独立性。无线通信节点通过无线空间信道自组成网，不依赖于固定的通 信基础设施； 分布性。网络节点通过分布协议互联成网，不必设置通信控制中心。在 单个或部分节点故障的情况下，其余节点仍可通信； 多跳性。由于无线通信距离受限，网络内节点问的通信往往需要借助其 他节点中继转发才能实现，这样就形成多跳通信路径； 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 移动性。系统中所有通信节点均可移动，网络在拓扑变化时具有路由动 态重构能力。 1 1 2 研究热点 图1 1 多跳无线自组网示意图 无线自组网由于其独立性、分布性、多跳性和移动性等特点，在设计和实现 中存在许多关键技术问题有待解决 2 1 ： 信道分配问题； 路由问题： 安全问题； 服务质量问题； 能耗管理问题； 网络管理问题。 针对上述问题，无线自组网的研究热点包括： 1 信道接入技术。其研究目标是开发适用于多跳环境下共享无线信道通信的 介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议，控制无线通信节点对信道的 访问，实现信道资源的高效利用。 2 路由技术。其研究目标是开发各种有效的路由技术和路由协议，如单播路 由，组播路由以及不同通信模式下的路由协议，为不能直接通信的节点提供可达 的数据传输路径。 3 安全技术。其研究目标是开发针对无线自组网特点的安全技术，确保路由、 通信以及高层应用的私密性、可用性和鲁棒性等。 4 服务质量保证技术。其研究目标是基于无线自组网特殊的组网和通信机制， 研究适用的服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 保证机制，以满足一定的基于端到 端性能的服务属性，如时延、时延抖动、可用带宽和分组丢包等。 5 能耗管理技术。其研究目标是针对无线自组网节点多采用电池供电的特征， 研究有效的能耗管理技术，如功率控制技术、节点状态调度技术等，在确保网络 连通性的前提下，尽可能的延长节点和网络的生存时间。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 6 网络管理技术。其研究目标是为网络管理员提供准确、实时的关于网络中 的通信连接、网络节点等的信息，并为网络的正常有效工作提供管理层的保证。 它包括网络拓扑信息、节点位置信息等的管理技术、网络的自动配置技术、故障 检测与恢复技术等。 从以上研究内容可以得出，进行一次成功的无线通信，涉及的问题很多，问 题之间也相互关联，要全面系统的解决这些问题十分复杂。目前，在通信网络研 究与开发过程中，为了清晰的描述所关注的问题，人们通常采用协议的方式对网 络内节点的行为进行规范。网络协议是为网络中的数据交换所制定的规则、约定 与标准。协议代表着标准化，规定了通信过程中信息交换所采用的消息格式和意 义，是通信双方都必须遵循的一系列规则。 1 1 3 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 f r m ) 【3 】。此模型作为网络通信的概念性标准框架，使