车辆Ad hoc网络路由协议研究.docx

1、车辆Ad hoc网络路由协议研究车辆Ad hoc网络路由协议研究 作为没有基础设施的网络，因其组网灵活、生命力强、自组织等特点，在军事和民用方面具有广阔的应用前景，是目前网络研究中的热点问题。 近年来车辆Ad Hoc网络（Vehicular Ad hoc Networks）因其突出的特点和日益广泛的应用而成为其中一个研究方向1。 随着电子技术的快速发展以及汽车制造行业的竞争日益激烈，汽车将变成“轮子上的计算机（Computer workson wheels）”，或者“轮子上的计算机网络（Computer workson wheels）”2。 目前，汽车制造商已经在汽车信息技术方面取得重大进步一

2、辆汽车可以包含数十个相互连接的处理器，它通常包含一个中央处理计算机以及一个事件记录器（Event DataRecorder），类似飞机上使用的黑盒子。 它也可以包含GPS接收仪、导航系统、一个或者多个雷达。 有了这些技术和设备，车辆对其周围环境的反应能力大幅增加，并进而增加交通系统的效率和安全性。 考虑到车辆通信所可能带来的巨大利益以及巨大的车辆数目，车辆Ad Hoc网络很有可能成为未来最大的Ad Hoc网络。 车辆Ad Hoc网络的研究得到了研究者的日益重视。 美国政府FCC部门也为车辆Ad Hoc网络的通信划分出75MHz带宽。 与传统移动Ad Hoc网络相比，车辆Ad Hoc网络独有的特

3、性为其研究带来了新的挑战3,4一是高速的拓扑变化。 车辆行驶的速度通常远远高于传统移动Ad Hoc网络中节点移动的速度，这导致网络拓扑的变化更加频繁和复杂。 二是频繁的网络分隔。 由于车辆Ad Hoc网络及其节点的高速移动性，网络会被频繁地分割（或重新组合）成很多部分。 一个车辆很有可能无法与离它不是很远的另一辆车通信，因为它们中间缺少中继者。 这使得传统移动Ad Hoc网络中的很多协议（特别是路由协议）不再有效。 三是网络有效路径的时效短。 四是有限的冗余性。 1.2国内外研究动态车辆Ad Hoc网络作为无线移动Ad Hoc网络领域近几年新出现的一个研究热点，吸引了研究机构和大学众多研究者的

4、关注。 相关的重要国际会议也开始组织专门的讨论组对车辆Ad Hoc网络问题进行讨论，比如Infor从xx年起开始设置VANET分会，对车辆移动Ad Hoc网络面临的问题和热点进行讨论。 主要有下面几个研究的热点。 1）数据发布和路由2车辆Ad Hoc网络路由协议研究消息分发机制的目的在于把紧急消息可靠地传递给目标节点，比如事故和道路警告系统5,6。 这种安全相关的紧急数据发布不同于传统的路由问题，其数据的传输是突发的、少量的，不需要建立长期的固定路由，而且要求非常短的反应时间和高度的可靠性，相关的研究在VANETs中独成一个分支，称为数据发布（data dissemination）。 车辆Ad

5、 Hoc网络的应用，至关重要的一点就是设计成功的路由机制，也可以说成功的路由协议也是车辆Ad Hoc网络能否被大规模推广的前提。 根据应用的不同，车辆Ad Hoc网络的数据通信可以分为两类，一类是跟安全紧急应用相关的消息分发机制（message dissemination），另一类是用于非紧急应用（如Inter连接和文件传输）的路由协议。 车辆Ad Hoc网络具有拓扑变化频繁、节点高速移动、路径多跳、连接寿命短等特点，这使得传统Ad Hoc网络中一些典型的路由协议不能简单移植应用在车辆Ad Hoc网络中，因为协议性能会急剧下降。 2）定位问题尽管针对Ad Hoc网络和传感器网络的定位技术已经出

6、现了很多，如GPS、APIT、DV-Hop等。 但这些定位技术或者是需要多个基站的支持，或者仅能够提供精度有限的定位。 车辆Ad Hoc网络中新的应用，对定位技术提出了新的需求，例如对高精度的需求，车辆之间的定位误差应该能够达到厘米级别而不是米级别；对不依赖基础设施定位的需求，在车辆Ad Hoc网络推广的初期，将仅有少量的路段能够部署基础设施，这就要求定位技术必须能够在不完全依赖基础设施的前提下保证其定位能力。 一些新的无线电技术将能够帮助实现车辆Ad Hoc网络的定位，例如UWB（Ultra WideBand）超宽带宽技术，这种技术能够实现较高精度的检测，但仍然要做很多工作，来使其适应车辆A

7、d Hoc网络的应用需求。 3）安全问题在应用的推动下，车辆Ad Hoc网络的研究发展迅速，但是，目前有些学者已经指出未来的车辆Ad Hoc网络可能面对着一系列的安全威胁75,76，这些安全威胁会影响到车辆Ad Hoc网络的运行效率、甚至可能会影响到人们的生命安全。 Sybil攻击7,8,9就是一个典型的例子。 4）其它重要的热点问题除了上面提到的问题以外，还有许多关键问题也引起了研究者广泛的兴趣，包括管理问题、时间同步等。 1.3主要研究工作本文的主要工作成果包括第一，提出在车辆Ad Hoc网中整合服务发现过程和路由建立过程的方法并对其进行了详细设计。 该方法有效减少了系统的开销、加快了路由

8、建立过程；第二，根据车辆Ad Hoc网络拓扑结构变化规律，提出并详3第1章绪论细分析和设计了分布式路由维护方案。 该方案能在拓扑快速变化的车辆Ad Hoc网中以较小的代价维持节点间的路由、增加路径的有效吞吐量；第三，详细分析了车辆Ad Hoc网络中频繁出现的网络分隔问题，并提出解决途径。 该途径能够在网络分隔发生的情况下，实现车辆Ad Hoc网中端到端的通信。 最后，指出了目前仍然存在的问题，讨论了未来可能的研究方向。 1.4本文内容安排论文的主要内容共分为六章，具体的内容安排如下第一章讲述了本文研究的背景以及国内外研究动态，提出了本文的主要研究目标和研究工作并介绍了本文的组织结构。 第二章研

9、究了Ad Hoc网络的发展历史、概念、特点、系统结构以及理论和技术上研究的热点问题。 第三章详细研究了Ad Hoc网络路由协议的分类，并对常用路由协议自身具备的特性做了研究和分析。 第四章首先介绍了车辆Ad Hoc网络模型，在此基础上设计出一种针对车辆Ad Hoc网络的新型路由机制，并详细介绍了机制中的路由发现、路由维护、数据分布过程和网络分隔管理问题。 第五章简单介绍NS2网络仿真软件的产生历史、设计目标和使用NS2进行路由协议仿真的一般步骤。 然后，利用NS2软件，对四种协议（本文提出的协议SDRP，两种常用的传统Ad Hoc网络路由协议AODV和DSR，车辆Ad Hoc网专用协议DPP）

10、在模拟环境下进行仿真，并对仿真结果进行研究和分析。 通过比较几种路由协议在几种特殊场景下的性能，得出本文协议的优越性和有效性。 第六章总结全文并指出下一步研究工作。 最后，列出了论文的主要参考文献。 4车辆Ad Hoc网络路由协议研究5第2章AD HOC网络基本理论第第2章AD HOC网络基本理论2.1Ad hoc网络概述2.1.1Ad hoc网络的产生随着人们对随时随地可以进行自由通信的需求，近几年来，无线通信网络无论在技术上、还是在商业上都获得了飞速的发展，并且已经在世界范围内被广泛地应用。 由于能灵活、快速、方便地支持用户的移动性，使得无线通信网络成为个人通信和Inter发展的方向，而且

11、也只有通过无线通信网络才能实现“任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换”的理想的通信目标。 目前主要的无线通信网络可分为两大类，一类是由目前的第2代数字蜂窝移动通信系统(ZG，包括GSM10、CDMA11等)发展而来的第2.5代(2.5G，包括GPRS、CDMA1x等)和第3代(3G，包括WCDMA、CDMA 2000、TD-SCDMA等)移动通信系统。 另一类是应用了国际电气和电子工程师协会(IEEEInstitute ofElectrical andElectronic Engineers)开发的802系列无线协议的无线通信系统。 根据覆盖范围，这些系统可分为无线个人网(

12、WPANWireless PersonalArea Network，包括IEEE802.15.1蓝牙12、IEEE802.15.3超宽带接入)、无线局域网(WLANWireless LocalArea Network，包括IEEE802.1113/a/b/g，HiperLAN)和无线城域网(WMANWireless MetropolitanArea Network,包括IEEE802.1614、IEEE802.2015,16)。 这些技术大大方便了人民的生活，同时也促进了无线通信技术的发展。 我们通常提到的无线通信技术一般都是中心式的，它的运行离不开预先部署的网络基础设施。 典型的例子有:蜂窝

13、移动通信系统要有基站和移动交换中心等基础设施的支持；而无线局域网中移动终端则主要通过接入点(APAess Point)接入有线骨干网。 这两种网络的架构都是基于中心控制的，实际上其无线链路都只有一跳（无线单跳）。 但对于有些特殊场合来说，这种有中心的移动网络并不能胜任，因为不可能有这种预先部署的固定设施可以使用。 比如，在战场上指挥快速展开的部队，发生地震或水灾等大型灾害后的营救，太空环境中科学考察、偏远地区作业以及临时性的大型会议等。 在这些应用场景中，不能依赖于任何预设的基础设施，或者预先架设的网络基础设置己经因灾害或战争而损毁不能发挥作用。 在此情况下，一种能够临时快速自动组网的移动网络

14、无线移动Ad Hoc网络应运而生，并且迅速成为了移动通信技术的一个重要分支，在未来的通信技术中占据重要地位。 6车辆Ad Hoc网络路由协议研究2.1.2Ad hoc网络的发展移动Ad hoc网络的起源可以值得追溯到1968年。 当时为了能够和夏威夷群岛的教育机构交换数据，美国建立了一种使用无线电广播技术的报文交换计算机网（ALOHA网络），虽然只是一种单跳的网络协议，但是ALOHA网络为日后移动Ad Hoc网络的发展奠定了基础。 移动Ad hoc网络的发展主要由军事需求所推动，它的前身是报文无线网（PRNetPacket RadioNetwork）。 早在1972年，美国国防部高级研究规划署

15、（DARPA:Defense AdvancedResearch ProjectAgency）就启动了报文无线网项目（PRNetPacket RadioNetwork），研究在战场环境下利用报文无线网进行数据通信。 此后，DARPA于1983年启动了高残存性自适应网络项目（SURANSurvivable AdaptiveNetwork)，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。 此外，还要研发能够适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议。 继续SURAN的研究成果，1987年出现了低开销报文无线技术（LPRLow-cost PacketRadio），它基于Intel8086

16、微处理器，是采用直序扩频通信的报文交换系统。 为了进行持续的研究，1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo（Globle MobileInformation Systems）项目，旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。 近年来，移动Ad Hoc网络逐渐从军事领域走向民用。 美国军方于1997年实施的战术互联网（TITactical Inter）是目前最大规模的多跳报文无线网，ELBACTD（Extending theLittoral Battle-space AdvancedConcept TechnologyDemonstrati

17、on）是美国军方1999年建立的另一个移动Ad Hoc网络。 2000年，DAPRA资助了的研究“自愈式雷场系统”（采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破）就是一个典型的移动Ad Hoc网络应用实例。 不仅限于军事领域，移动Ad Hoc网络目前在民用领域的应用也已得到长足发展。 到20世纪90年代，基于射频和红外技术的各种无线通信设备的出现以及笔记本电脑的流行，使得移动Ad Hoc网络在民用通信领域产生了巨大的应用空间。 成立于1991年5月的IEEE802.ll标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的、自组织、对等式多跳移动通信网络，移动Ad hoc网络就此诞

18、生。 互联网工程任务组（The InterEngineering TaskForce，IETF）为此还专门成立了一个MANET（Mobile Ad Hoc Network）工作组来研究这种网络的路由协议，并制订了一系列协议与草案。 除此之外，国内外众多高校与研究机构也纷纷展开了对移动Ad Hoc网络的广泛研究，短短几年间，移动Ad Hoc网络已经成为学术界研究的热点。 7第2章AD HOC网络基本理论2.1.3Ad hoc网络的概念移动Ad Hoc网络中“Ad Hoc”一词拉丁语，其含义是“For this”，引申为“For thispurpose only”，即“专为某种目的，特别的”意思，

19、意即移动Ad Hoc网络是一种有特殊用途的网络。 Whatis.对移动Ad Hoc网络是这样定义的移动Ad Hoc网络是一个局域网或小型网络，它采用无线通信技术，网络中的节点互相作为其邻居节点的路由器，通过节点转发，实现移动Ad Hoc网络内部主机之间和内部主机与外部主机之间的通信。 移动Ad Hoc网络可以独立工作，也可以与Inter或蜂窝无线网络连接。 在后一种情况中，移动Ad hoc网络通常是以末端子网（树桩网络）的形式接入现有网络。 图2.1一种典型的移动Ad hoc网络示意图图2.1给出了一种典型的移动AD HOC网络示意图，其中图2.1（a）是其物理结构图，而图2.1（b）给出了其

20、逻辑结构图。 由图可见，网络中的节点可以是带有无线接口的笔记本电脑、个人数字助理(PDA)、掌上电脑、智能手机等移动终端，每个节点的地位平等，无需设置任何中心控制节点，节点都可以通过无线信道的连接形成一个灵活的拓扑结构，网络的拓扑结构随着节点的移动而动态变化，网络中的节点同时具有主机和路由器的功能作为主机，节点提供面向用户的服务；作为路由器，节点运行相应的路由协议，并根据路由策略参与报文转发和路由维护。 由于每个节点的覆盖范围有限，两个无法直接通信的无线节点可以通过多个中间节点的转发来实现通信。 如图2.1（b）中的节点A和节点G无法直接通信，但节点A和节点G可以通过路径ABCFG或者路径AB

21、CEFG进行通信，即节点间以多跳(Multi-Hop)方式进行相互之间的数据传输。 这样，节点通过相互的协作自组织成一个连通的无线多跳网络，因此，移动Ad Hoc网络又称为多跳无线网（Multi-Hop WirelessNetwork）、自组织网络（Self-Organized Network）或无基础设施的网络（Infrastructure lessNetwork）。 8车辆Ad Hoc网络路由协议研究2.1.4Ad hoc网络的特点与传统的无线通信网络和固定网络相比，移动Ad Hoc网络具有以下特点17-19l)无中心移动Ad hoc网络中没有严格的控制中心，所有节点的地位平等，组成一个对

22、等式网络。 其中的节点可以随时加入和离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，与有中心的网络相比，移动Ad Hoc网络具有分布式特征、节点的冗余性等特点，具有很强的健壮性和抗毁性。 2)自组织移动Ad hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以不需要现有的网络基础设施（包括有线和无线网络）的支持，通过分布式算法来协调彼此的行为，在任何时刻任何地方快速展开并构建起一个移动通信网络。 3)动态变化的网络拓扑网络的拓扑结构是指从网络层角度来看，物理网络的逻辑视图。 在移动Ad hoc网络中，移动用户终端可以随机地在网络中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地

23、形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是难以预测的，具体的体现就是拓扑结构中代表移动终端顶点的增加或消失，代表无线信道的有向边的增加和消失，网络拓扑结构的分割和合并等等。 而对于传统的有线网络而言，网络拓扑结构则表现较为稳定。 这是移动Ad Hoc网络和传统的有线网络的最大区别之一。 4)多跳路由由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。 当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发。 与固定网络的多跳不同，移动Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通的网络节点在无线链路上接力完成的，而不是由专用的路由设备（如路由

24、器）完成。 移动Ad Hoc网络中的每一个网络节点扮演着多个角色，它们可以是服务器、终端，也可以是路由器。 5)受限的无线传输带宽移动Ad Hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。 此外，无线信道竞争共享产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，使得移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态地发生变化。 我们在实际环境中的测试表明，在链路层采用802.llb的移动Ad Hoc网络中，理论上一跳带宽是11Mb/s，而采用不同的无线网卡所测得的结果是3Mb/s到6Mb/s之间。 6)存在单向的

25、无线信道9第2章AD HOC网络基本理论移动Ad Hoc网络采用无线信道通信，由于天线的发射功率和接收门限、传播模式以及地形环境等因素，可能使得两个节点之间存在单向链路，即一个节点可以成功地向另一个节点发送报文，而反向则无法通信。 这些单向信道可能为路由协议带来三个严重的影响认知的单向性、路由单向性和汇聚点不可达20。 7)移动终端的局限性在移动Ad Hoc网络中，无线终端通常以PDA、掌上型电脑或手持式电脑为主要形式。 相对于台式机而言，在带来移动性、灵巧、轻便等好处的同时，其固有的特性，例如依靠电池这样的可耗尽能源提供电源(车辆终端的电源相对而言较有保障)、内存较小、CPU性能较低等，给应

26、用程序设计开发和推广带来一定的难度。 同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。 而且，考虑到成本和易携带性，移动节点不能配备太多的无线收发器并且一般依靠具有有限能量的电池供电。 因此如何有效利用电池能量和系统资源，是移动实用化所面临的一个非常突出的问题。 8)低安全性相对固定网络而言，移动无线网络一般更易遭遇物理安全威胁。 由于无线网络的广播式信道，外部攻击者更易于在物理层上进行窃听、欺骗、拒绝服务等攻击。 此外，由于移动Ad Hoc网络与传统网络的巨大差异，传统网络中的许多安全策略和机制不再适用。 因此，传统的安全措施如信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制等机制在移动Ad

27、Hoc网络都必须重新考虑和设计。 上述特点使得移动Ad Hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和无线局域网有着显著的区别。 无线局域网的研究内容集中在物理层和数据链路层，而移动Ad Hoc网络的研究内容覆盖了协议的所有层。 2.1.5Ad hoc网络的应用移动Ad Hoc网络的许多优良特性为它在民用和军用通信领域占据了一席之地提供了有利的依据。 首先，移动Ad Hoc网络的自组织性提供了廉价并且快速部署网络的可能；其次，多跳和中间节点的转发特性可以减少每个终端的发射功率而不降低网络的覆盖范围，从而天线和相关发射/接收单元的设计难度和成本得以降低，并使得无线终端

28、的小型化、低功耗成为可能。 从共享无线信道的角度来看，移动Ad Hoc网络降低了信号冲突的几率，提高了信道利用率；从用户的角度看，低功率的无线电波产生的电磁辐射较少，对用户身体健康的影响较小。 另外，网络的鲁棒性、抗毁性，使得移动Ad Hoc网络在某些特殊的场景中，更是不可替代的方案。 结合当前的应用领域和未来的发展趋势，移动Ad Hoc网络的应用场合包括以下方面l)军事应用10车辆Ad Hoc网络路由协议研究针对移动Ad Hoc网络的研究是因军事应用而发起的，因此，军事应用仍是移动Ad Hoc网络的主要应用领域。 因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，无线Ad Hoc网络是

29、数字化战场通信的首选技术，并已经成为战术互联网的核心技术。 美军研制的大量可应用于单兵、车辆、指挥所等不同场合的无线自组织网络设备，在阿富汗反恐战争、第二次海湾战争中得到了广泛应用。 在可以预见的将来信息化军事斗争中，移动Ad Hoc网络将发挥着更为重要的作用。 2)无线传感器网络无线传感器网络（Wireless SensorNetwork）是一种特殊的移动Ad Hoc网络，它由大量的无线传感器节点组成，每个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/DC能量转换器）等组成15，节点的发射功率很小，地理

30、位置较为分散，因此移动Ad Hoc网络特有的无线多跳通信方式是其非常实用的解决方案。 无线传感器网络不仅在军事应用，而且在环境监测等民用领域具有非常广阔的应用前景。 3)紧急事故和临时突发场合在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等）可能因被摧毁而无法正常工作；在比较苛刻环境条件下（如处于边远或偏僻野外地区时），同样无法依赖预设或固定的网络设施进行通信，移动Ad hoc网络技术因其独立组网能力和自组织特点而成为这些场合通信的最佳选择。 类似地，对于临时场合的通信，例如在大型会议、庆典

31、、展览等场合，移动Ad Hoc网络技术的采用可以免去布线和部署网络设备的繁琐工作。 4)个人通信无线个域网WPAN（Wireless PersonalArea Network）是移动Ad Hoc网络的又一个重要应用领域，它可以用作实现PDA、手机、笔记本电脑等多种个人通信设备之间的通信，并可以构造虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用（MP2P）。 考虑到电磁波辐射的问题，个人网络通信设备的无线发射功率应尽量小，这种情况下移动Ad Hoc网络的多跳通信特点将再次展现其优势。 蓝牙技术中的散射网21（Scatter）就是一个典型的例子。 5)商业应用移动Ad Hoc网络的商业应用包括组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统、车辆无线自组网等，开展移动和可携带计算等。 6)与其他通信系统的融合22移动Ad Hoc网络还可以作为末端子网通过接入点接入到现有的网络基础设施上，如Inter或者蜂窝移动通信网络，在解决宽带互联网接入的“最后一英里”11第2章AD HOC网络基本理论问题中被认为是非常有前景的解决方案之一23。 移动Ad Hoc网络与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。 7)其它应用移动Ad Hoc网络