無線自組網(wǎng)主動路由協(xié)議研究與分析.pdf

1、無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時性自治系統(tǒng)，由一組帶有無線收發(fā)功能的移動節(jié)點組成。
　　近年來，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用已涉及到軍事通信、應(yīng)急通信等領(lǐng)域，主要應(yīng)用場景有:
　　(1)軍用及警用領(lǐng)域
　　軍事與警用領(lǐng)域至今仍是無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。在現(xiàn)代化的戰(zhàn)場上，由于沒有基站等基礎(chǔ)設(shè)施，裝備了移動通信裝置的軍事人員、軍事車輛以及各種軍事設(shè)備之間可以借助無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進行信息交換，以保持密切聯(lián)系、

2、協(xié)作完成作戰(zhàn)任務(wù)。裝備音頻傳感器和攝像頭的軍事車輛和設(shè)備也能夠組成無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)，在目標區(qū)域收集重要的位置和環(huán)境信息傳送到處理節(jié)點。
　　(2)緊急和突發(fā)場合
　　在自然災(zāi)害或其他各種原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施出現(xiàn)故障或無法使用時，快速地恢復通信是非常重要的。借助無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議，可以快速地建立臨時網(wǎng)絡(luò)，延伸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而為營救贏得時間，減少災(zāi)難所帶來的危害。
　　(3)移動會議
　　目前，越來越

3、多的參會人員攜帶電腦等便攜式設(shè)備參加會議，如果與會者不用借助路由器、集線器或基站就能將各種移動終端快速地組成無線網(wǎng)絡(luò)從而完成提問、交流以及資料的分發(fā)，這無疑具有重要的意義。此外，借助無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)分布式會議。
　　(4)車載無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)
　　車載無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本思想是，在一定的通信范圍內(nèi)的車輛可以相互交換各自的車速、位置等信息和車載傳感器感知的數(shù)據(jù)，并自動地連接建立起一個移動的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點的單

4、跳通信范圍只有幾百到一千米，每一個節(jié)點同時是收發(fā)器和路由器，采用多跳的方式將數(shù)據(jù)傳給更遠的車輛。目前，車載無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在交通中已有十分廣泛的應(yīng)用，提高了駕駛的安全性和路況的實時性。
　　與集中式單跳無線網(wǎng)絡(luò)（如2G、3G、LTE等）相比，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有如下鮮明的特點:
　　(1)動態(tài)拓撲。無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的任意移動會引起網(wǎng)絡(luò)拓撲的實時變化。相比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備引起的小區(qū)切換，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓

5、撲變化無疑是更加隨機、更加迅速、更加顛覆性的。
　　(2)自組織、自愈合。無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種集中式（具有分布式多中心點）/分布式/混合式網(wǎng)絡(luò)，不需要預先架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。移動節(jié)點通過鄰居感知自組織建立維護網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點的加入和退出都不會影響網(wǎng)絡(luò)的功能。這種特性使得無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有更高的靈活性和健壯性。
　　(3)多跳傳輸。在傳統(tǒng)的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，僅支持一跳或兩跳（Relay和CoMP）組網(wǎng)。在無線Ad Hoc

6、網(wǎng)絡(luò)中，任何普通節(jié)點都可以成為多跳傳輸?shù)闹欣^節(jié)點。這種靈活的多跳轉(zhuǎn)發(fā)功能也恰恰體現(xiàn)了無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多點協(xié)作功能。
　　(4)帶寬有限。由于無線信道衰減大、噪聲和干擾較強等原因，無線鏈路的容量要明顯低于有線鏈路。并且在多跳傳輸中，相比傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的每一跳都是通過無線信道傳輸?shù)模@就造成了信道容量的損耗是隨跳數(shù)增加而不斷增大的（注:采用資源復用和多信道機制可部分解決）。
　　(5)能量受限。在無

7、線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點設(shè)備可以是多種多樣的。大到衛(wèi)星、軍艦、汽車等，小到PC機、手持型設(shè)備、智能可穿戴設(shè)備、傳感器節(jié)點等都可以成為網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)節(jié)點或者中繼節(jié)點。相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當中的基站等基礎(chǔ)設(shè)施，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的這些移動節(jié)點往往是能量有限的。所以在網(wǎng)絡(luò)部署和協(xié)議設(shè)計中，節(jié)能也是一個需要考慮的因素。
　　(6)低安全性。由于多跳的無線傳輸信道以及分布式的控制機制，相對傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更容易受到被動竊聽、主

8、動入侵、拒絕服務(wù)、剝奪“睡眠”等網(wǎng)絡(luò)攻擊。安全問題是自組網(wǎng)絡(luò)部署和運營中另一個需要重點考慮的問題。
　　隨著無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)需求逐漸增多，人們對通信服務(wù)質(zhì)量的要求也隨之越來越高，不僅考慮業(yè)務(wù)可達性，對業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?、時延等指標也提出了更高的要求。針對這類問題，無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有許多研究方向，如能源消耗，安全問題，QoS等。而路由協(xié)議決定業(yè)務(wù)傳輸?shù)男阅埽涓倪M和優(yōu)化是無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究熱點。目前無線Ad

9、 Hoc網(wǎng)絡(luò)中主要的路由協(xié)議有:DSDV，AODV，DSR和ZRP路由協(xié)議等。其中AODV屬于按需路由協(xié)議，當一個節(jié)點需要給網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點傳送信息時，如果沒有到達目標節(jié)點的路由，則必須先以廣播的形式發(fā)出RREQ（路由請求）消息進行尋路。RREQ消息中記錄著業(yè)務(wù)源節(jié)點和目的節(jié)點的IP地址，鄰近節(jié)點收到RREQ，首先判斷目的節(jié)點是否為自己。如果是，則向源節(jié)點發(fā)送RREP（路由回復）;如果不是，則首先在路由表中查找是否有到達目的節(jié)點的路由，

10、如果有，則向源節(jié)點單播RREP，否則繼續(xù)廣播RREQ進行查找。按需路由發(fā)送業(yè)務(wù)前需要進行尋路，因此業(yè)務(wù)時延較大。ZRP協(xié)議為區(qū)域路由協(xié)議屬于混合路由協(xié)議的一種，混合路由協(xié)議是綜合按需驅(qū)動路由協(xié)議與表驅(qū)動路由協(xié)議的協(xié)議，是近年來迅被提出并發(fā)展的一種新型路由協(xié)議。ZRP路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)劃分為各個區(qū)域，對于域內(nèi)的節(jié)點，在業(yè)務(wù)到達之前進行路由交互，通過周期性向鄰居發(fā)送本地路由表本區(qū)域內(nèi)到達所有節(jié)點的路由，因此域內(nèi)不需要進行尋路。當目的結(jié)點不在源節(jié)

11、點的主動路由域內(nèi)，則需要按照按需路由協(xié)議進行路由查找。該協(xié)議的優(yōu)勢在于，與單純的主動驅(qū)動路由協(xié)議相比可以減少通信開銷，而與按需路由協(xié)議相比又可以相對減少域內(nèi)節(jié)點的尋路時延。主動路由協(xié)議又稱為先驗式路由協(xié)議，該協(xié)議的特點是每個節(jié)點都需要維護一張可達節(jié)點的路由表，并包含相關(guān)節(jié)點的信息。每個節(jié)點在全網(wǎng)范圍內(nèi)動態(tài)找尋所有可達節(jié)點，并確保所有節(jié)點有相同路由表。典型的無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主動路由協(xié)議有DSDV與DSR協(xié)議。由于主動路由協(xié)議具有低時延

12、的特點，因此本文主要對無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較為廣泛的主動路由協(xié)議目的節(jié)點序列距離矢量(DSDV)協(xié)議進行研究。
　　DSDV協(xié)議采用最短路徑法則，每個節(jié)點維護一張包含到達節(jié)點的路由信息的路由表，并根據(jù)每個節(jié)點廣播路由更新消息來更新路由的變化。協(xié)議中使用目的端序列號，避免因使用過時的路由信息而產(chǎn)生無效（包括路由環(huán)路）的路徑。每個目的節(jié)點的路由記錄對應(yīng)一個目的節(jié)點序列號，這個序列號由目的節(jié)點產(chǎn)生。當節(jié)點從鄰節(jié)點的消息中得到某一目

13、標節(jié)點的另一個路由記錄時，若新記錄的順序號比已有的記錄大，則節(jié)點使用新的路由記錄。若兩個路由記錄的順序號相同，則節(jié)點使用路徑長度更短的記錄;否則，目標節(jié)點的記錄不變。
　　衡量路由性能的主要指標為時延、開銷。時延是指一個數(shù)據(jù)包從源節(jié)點傳送到目的節(jié)點所需要的時間。它包括了發(fā)送時延，傳播時延，處理時延，排隊時延等。在不考慮業(yè)務(wù)擁塞的情況下，由路由引起的時延主要來自于尋路。而對主動路由協(xié)議來說，尋路的過程為網(wǎng)絡(luò)中拓撲發(fā)生變化到全網(wǎng)都獲得

14、新拓撲的時間。由于主動路由需要通過廣播路由更新消息告知全網(wǎng)節(jié)點路由（拓撲）的變化，因此會帶來較大的路由開銷。而路由開銷越大，路由所造成的網(wǎng)絡(luò)壓力就越大，占用資源量越多。
　　綜上，本文針對主動路由存在的更新周期過長鏈路不準確、更新周期過短開銷大的缺陷，首先介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)DSDV路由協(xié)議的研究目的和意義及其發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了本文的內(nèi)容安排和工作。其次，介紹了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究背景，并對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中多種路由協(xié)議進行比

15、較，分析其優(yōu)缺點。然后對DSDV的原理進行介紹，對DSDV路由協(xié)議流程進行重點分析，提出了DSDV目前存在的問題與文章的主要研究工作，對協(xié)議性能進行分析，并詳細介紹性能仿真的過程。然后，根據(jù)DSDV路由協(xié)議的性能評估標準，對參數(shù)進行分析與仿真，并闡述未來工作。本文根據(jù)設(shè)定不同更新周期，結(jié)合NS-2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺模擬了DSDV路由協(xié)議在不同更新周期的情況下的性能，為后續(xù)DSDV的研究提供參考。將更新周期設(shè)定為本文得出的最優(yōu)化更新周期，并與同