戰(zhàn)術(shù)MANET中的路由協(xié)議及QoS路由算法研究.pdf

1、戰(zhàn)術(shù) MANET是由戰(zhàn)術(shù)無線電臺(tái)構(gòu)成的無中心、自組織的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)，是戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中覆蓋范圍最大、通信節(jié)點(diǎn)數(shù)最多的末端子網(wǎng)，是移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)在數(shù)字化戰(zhàn)場上的一種典型應(yīng)用。由于戰(zhàn)術(shù) MANET具有組網(wǎng)靈活、可快速展開、高抗毀性的特點(diǎn)，特別適用于戰(zhàn)場通信指揮和控制，因此現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求與日俱增。
　　在戰(zhàn)術(shù) MANET中，高效可靠的路由協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)成功通信的前提和基礎(chǔ)，是建立移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的首要問題，

2、同時(shí)也是主要的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)；尤其是未來的戰(zhàn)術(shù) MANET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化更快，各種戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)必須要迅速地跟上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，靈活快捷地組網(wǎng)，因此組網(wǎng)的快捷性和可靠性要求更高，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
　　數(shù)字化戰(zhàn)爭的發(fā)展趨勢決定了未來的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)綜合性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男畔⒉辉偈菃我坏脑捯艉椭笓]控制指令，還要完成戰(zhàn)場態(tài)勢信息、戰(zhàn)場偵察視頻、戰(zhàn)場圖像、實(shí)時(shí)會(huì)議等多媒體業(yè)務(wù)的綜合傳輸。為了保證多媒體業(yè)務(wù)穩(wěn)定而可靠地傳輸，作為

3、末端子網(wǎng)的戰(zhàn)術(shù) MANET必須要為不同的業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保證（QoS），而其中的QoS路由技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)QoS保障的關(guān)鍵問題，現(xiàn)階段的研究面臨許多的困難和挑戰(zhàn)。
　　基于以上應(yīng)用背景，本文在研究分析國內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對戰(zhàn)術(shù)MANET中的路由協(xié)議以及路由選擇時(shí)的QoS保證技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究，主要就以下幾個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新性工作：
　?、偬岢隽嘶陂e時(shí)逆尋和路由學(xué)習(xí)機(jī)制的優(yōu)化AODV路由協(xié)議。
　　針

4、對標(biāo)準(zhǔn)AODV路由協(xié)議的局限性，本文在不增加硬件設(shè)備和不過多增加節(jié)點(diǎn)處理負(fù)擔(dān)的前提下，提出了節(jié)點(diǎn)閑時(shí)反向路由搜索機(jī)制和鄰居節(jié)點(diǎn)路由監(jiān)聽學(xué)習(xí)機(jī)制，進(jìn)而提出了結(jié)合這兩種機(jī)制的優(yōu)化的AODV路由協(xié)議──O-AODV。O-AODV協(xié)議能夠在MANET網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生多個(gè)局部路由，從而增加網(wǎng)絡(luò)中的路由冗余度，提高路由發(fā)現(xiàn)的效率，加快故障路由的本地修復(fù)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， O-AODV協(xié)議提高了分組投遞率，降低了端到端延時(shí)，有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中的重路由開銷

5、，在大規(guī)模和拓?fù)渥兓斓木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中優(yōu)于AODV協(xié)議。
　?、诮Y(jié)合戰(zhàn)術(shù)MANET的群組特性，設(shè)計(jì)了基于鄰居穩(wěn)定度的自適應(yīng)混合式路由協(xié)議。
　　根據(jù)戰(zhàn)術(shù)MANET的組成特點(diǎn)和使命要求，本文分析了戰(zhàn)術(shù)MANET的群組特性，并利用節(jié)點(diǎn)的鄰居穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)群組的自動(dòng)區(qū)分。在此基礎(chǔ)上，為戰(zhàn)術(shù)MANET中的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了兩種路由工作狀態(tài)：表驅(qū)動(dòng)路由狀態(tài)和按需路由狀態(tài)，進(jìn)而提出了一種自適應(yīng)的混合式路由協(xié)議──NS-AHRA。NS-AHRA協(xié)議在穩(wěn)定

6、群組內(nèi)采用表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，在群組之間則采用按需路由協(xié)議，充分利用了表驅(qū)動(dòng)路由時(shí)延小和按需路由開銷小的優(yōu)點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，NS-AHRA協(xié)議具有較好的報(bào)文投遞率、適中的端到端時(shí)延和較小的路由開銷，比單純的表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議或按需路由協(xié)議性能更好、路由效率更高。
　　③提出了基于多態(tài)轉(zhuǎn)移策略的多約束條件蟻群優(yōu)化QoS路由算法
　　本文分析了戰(zhàn)術(shù)MANET多目標(biāo)、多約束條件的QoS路由模型，并采用蟻群優(yōu)化算法來解決戰(zhàn)術(shù)MANET的Qo

7、S路由問題。為了提高蟻群優(yōu)化QoS路由算法的效率，降低時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)開銷，本文提出了基于多態(tài)轉(zhuǎn)移策略和資源預(yù)約機(jī)制的蟻群優(yōu)化 QoS路由算法──MTS-AQRA。MTS-AQRA算法將鏈路穩(wěn)定性和路由擁塞度與常規(guī)的QoS路由約束條件結(jié)合起來，利用多態(tài)轉(zhuǎn)移策略產(chǎn)生的多樣化路由搜索蟻群和并行路由搜索處理，能夠在戰(zhàn)術(shù) MANET網(wǎng)絡(luò)中快速地建立滿足業(yè)務(wù)QoS要求的穩(wěn)定路由。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MTS-AQRA在分組到達(dá)率、端到端時(shí)延等指標(biāo)上具有較好

8、的綜合路由性能。
　　④提出了結(jié)合群組特性和業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度機(jī)制的自適應(yīng)混合式 QoS路由算法。
　　利用戰(zhàn)術(shù) MANET的群組特性以及網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)優(yōu)先級的區(qū)別，本文設(shè)計(jì)了一種根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行區(qū)分路由的業(yè)務(wù)調(diào)度路由機(jī)制，提出了一種適合戰(zhàn)術(shù)MANET的自適應(yīng)混合式QoS路由算法──HQRA。HQRA算法在穩(wěn)定群組內(nèi)采用表驅(qū)動(dòng)式QoS路由，而在群組間則采用按需的蟻群優(yōu)化QoS路由，并且在路由過程中根據(jù)業(yè)務(wù)的等級和業(yè)務(wù) QoS

9、指標(biāo)的優(yōu)先級進(jìn)行區(qū)分調(diào)度，以滿足戰(zhàn)術(shù)MANET網(wǎng)絡(luò)中各種業(yè)務(wù)的傳輸要求。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了HQRA算法能夠按照不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級的進(jìn)行區(qū)分路由，保證戰(zhàn)術(shù) MANET中戰(zhàn)術(shù)等級高的業(yè)務(wù)優(yōu)先使用網(wǎng)絡(luò)資源；同時(shí)對于單一業(yè)務(wù)的傳輸，融合群組特性和區(qū)分調(diào)度功能的HQRA算法在路由性能上優(yōu)于常規(guī)的路由算法，能夠滿足戰(zhàn)術(shù)MANET中QoS業(yè)務(wù)的路由需要。
　?、莼谇度胧紸RM硬件平臺(tái)、Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式Linux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)研制了 MA

10、NET試驗(yàn)床，并在該試驗(yàn)床上對文中提出的各種路由算法進(jìn)行了實(shí)物實(shí)景仿真實(shí)驗(yàn)和性能對比研究。
　　為了在物理環(huán)境中驗(yàn)證路由算法的性能，本文研制了基于ARM技術(shù)的Wi-Fi手持式 MANET終端，為其移植了嵌入式 Linux操作系統(tǒng)和無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)和移植了多種路由算法驅(qū)動(dòng)程序以及網(wǎng)絡(luò)性能測試軟件，然后用多個(gè)MANET手持終端構(gòu)建了 MANET試驗(yàn)床，并將其布置在實(shí)際的地形地物環(huán)境中對本文提出的路由算法進(jìn)行了多種實(shí)物實(shí)景仿真實(shí)驗(yàn)

11、研究和性能驗(yàn)證。實(shí)物實(shí)景仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際的地形地物環(huán)境和實(shí)際的MANET網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，文中提出的幾種路由算法具有較好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，能夠滿足一定網(wǎng)絡(luò)條件下特定業(yè)務(wù)的傳輸需求：O-AODV和NS-AHRA算法適宜于在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中傳輸無QoS要求的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，有QoS指標(biāo)要求的實(shí)時(shí)音頻和實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)傳輸則是MTS-AQRA和HQRA算法的優(yōu)勢；此外，具有業(yè)務(wù)優(yōu)先級區(qū)分調(diào)度能力的HQRA算法能夠?qū)?zhàn)術(shù)MANET中不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)傳輸提供強(qiáng)