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无线自组网关键技术的研究

论文题目：

无线自组网关键技术的研究

专业：

通信技术0901

学生：

签名：

指导老师签名：

摘要

本文首先介绍了自组织网络（Adhoc网络）。

在一个自组织网络中，所有的节点都是可以移动的，能够以任意的方式互相连接。

网络中所有的节点都具有路由功能，扩展通信范围，并为通信的节点提供持续的连接。

由于其独特的特点，需要对Adhoc网络进行

深入研究，开发出适用于其特点的协议和算法，以加快Adhoc网络的实用化。

论文在研究和分析了Adhoc网络特点的基础上，研究了主要的先应式路由协议和按需路由协议的工作过程及其各自的优缺点，并对它们做了比较。

本文研究结果表明，所述协议皆可适用于Adhoc网络，但不同协议也存在不同的问题，有待解决。

【关键词】无线自组织网络路由协议

【论文类型】理论研究型

Title:

WirelessAdhocnetworksofkeytechnologiesoftheresearch

Major:

CommunicationTechnology

Name

Supervisor

Signature:

ABSTRACT

ThethesisintroducestheAdhocnetworks.InaWirelessAdhocnetworks,allnodesaremobileandcanbeinterconnectedinanarbitrarymanner.Nodesofthenetworksfunctionasrouterstoextendthecommunicationrangeandtoprovidecontinuedconnectionsbetweencommunicationmobilenodes.Becauseofuniquecharacteristics,itisnecessarytoperformin-depthstudyondevelopingthealgorithmsandprotocolsthatareapplicableforAdhocnetworks.

BasedontheresearchandanalysisofthecharacteristicsoftheAdhocnetworks,thethesishasstudiedtheworkprocessesandthecharacteristicsoftheproactiveroutingprotocolsandon-demandroutingprotocols,andcomparedthem.TheresultsshowthattheseprotocolsdescribedinthisthesisareadaptedtoAdhocnetworks.However,therearedifferentprotocolswithdifferentissuestoberesolved.

【KeyWords]WirelessAdhocNetworksRoutingProtocol

【TypeofThesis]TheoreticalResearch

、八■、-

前言

20世纪90年代末期以来，在无线通信领域一种新的网络技术正在迅速发展，并很快从军事通信渗透到相关的各个民用通信领域，这就是无线自组织多跳移动通信网络一一AdHoc网络技术。

AdHoc网络可以在没有基础设施支持的情况下提供灵活方便的通信，这种技术拓宽了移动通信的应用领域，具有光明的前景。

特别是在军事应用领域，或在发生了地震、水灾、火灾等重大灾难后固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作的地区，或当处于偏远或野外地区（包括野外科考、边远矿山作业、边远地区执行任务分队的通信等）无法依赖固定或预设的网络设施进行通信时，就需要AdHoc网络这种不依赖任何固

定网络设施又能快速布设的自组网络技术。

它能够在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有非凡的意义。

AdHoc网络技术具有单独组网能力和自组织

的特点，是上述这些场合通信的唯一或最佳的选择。

本文将紧密围绕AdHoc网络的无中心、自组织和自由移动等显著特点来阐述和分析这种技术的优势、存在的问题。

由于AdHoc网络涉及到的技术和领域很多，本文将重点介绍和分析AdHoc网络的主要关键技术：

路由协议和QoS保证等技术。

本文第一章将对AdHoc网络的产生、发展历史及其应用场合进行简单的介绍。

第二章将介绍AdHoc网络的定义、特点等基本原理并对一些相关的关键技术做了简单的介绍。

第三章将介绍AdHoc网络的路由协议。

重点介绍几种比较典型的先应式路由协议和按需路由协议的工作原理和特点，并对它们做了比较。

第四章展望了AdHoc网络的应用前景

及探讨了待解决的问题。

1移动AdHoc网络引论-1-

1.1AdHoc网络概述-1-

1.2AdHoc网络的产生背景-1-

1.3AdHoc网络的发展历史-2-

1.4Adhoc网络的应用-2-

1.5本文主要内容介绍-3-

2AdHoc网络的基本原理-4-

2.1AdHoc网络的定义-4-

2.2AdHoc网络的特点-5-

2.3AdHoc网络的关键技术-7-

2.3.1信道接入技术-7-

2.3.2物理层技术-8-

2.3.3路由协议-8-

2.3.4网络体系结构-8-

2.3.5QoS保证-8-

2.3.6广播和多播-8-

2.3.7安全问题-9-

2.3.8网络管理-9-

2.3.9传输层服务-9-

2.3.10网络互联技术-9-

3AdHoc网络的路由协议-10-

3.1概述-10-

3.1.1AdHoc网络与传统移动通信系统在路由问题上的区别-10-

3.1.2传统Internet网络路由协议-11-

3.2路由协议-11-

3.2.1路由协议的分类-12-

3.3先应式路由协议-13-

331DSDV路由协议-13-

332WRP路由协议-16-

3.3.3WRP和DSDV」、结-18-

3.4按需路由协议-19-

3.4.1DSR协议-19-

3.4.2AODV协议-22-

3.4.3DSR和AODVf、结-24-

3.5先应式路由协议和按需路由协议的性能比较-25-

4结束语-26-

4.1应用前景-26-

-27-

-28-

4.2待解决的问题-26-

致谢.

附录：

缩略语表

1移动AdHoc网络弓I论

1.1AdHoc网络概述

AdHoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。

AdHoc网络中所有节点的地位平等，

无需设置任何中心控制节点，具有很强的抗毁性。

网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。

当通信的源节点和目的节点不在直接通信范围之内时，它们可以通过中间节点转发报文进行通信。

有时节点间的通信可能要经过多个中间节点的转发，即报文要经过多跳（Hop）才能到达目的地，这是AdHoc网络与其他移动通信网络的最根本的区别。

AdHoc网络的节点通过分层的网络协议和分布式算法的相互协调，实现网络的自动组织和运行。

因此它又被称为多跳无线网（Multi-HopWirelessNetwork）、自组织网络（Self-OrganizedNetwork）或无固定设施的网络

（InfrastructurelessNetwork）。

1.2AdHoc网络的产生背景

随着信息技术不断发展，人们对移动通信技术的需求越来越强。

近年来，移动通信技术得到飞速的发展、普及，新技术不断涌现。

一般的移动通信技术都是集中式控制的，即是有中心的。

它们通常要基于预先架设的网络基础设施才能运行。

例如，蜂窝移动通信系统要有基站和移动交换中心等功能设施的支持；无线局域网一般也工作在有接入点（AccessPoint）和有线骨干网的模式下。

但对于特殊的应用场合，有中心的移动通信技术并不能胜任。

比如，战场上部队的快速展开和推进，发生地震或水灾等大型灾害后的营救，野外科考，偏远矿山作业以及临时性组织的大型会议等，这些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施，或者预先架设的网络基础设施已经因灾害损毁而失去效用，而是需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术。

作为移动通信技术的一个重要分支，AdHoc网络技术可以满足这些特殊

场合的需要。

“AdHoc”一词来源于拉丁语，意思是“专用的、特定的”。

AdHoc网络通常也可

称为“无固定设施网”或“自组织网”。

由于组网快速、灵活，使用方便，目前AdHoc

网络已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用，已经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来的通信技术中占据重要地位。

1.3AdHoc网络的发展历史

AdHoc网络的前身是分组无线网PRNE（packetradionetwork）[1,2]，对分组无线

网的研究源于军事通信的需要。

早在1972年，美国的DARPA就启动了分组无线网项目

PRNET研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。

在此之后，DARP于1983年启

动了高残存性自适应网络SURAN（survivableadaptivenetwork）项目，研究如何将PRENT的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。

1994年，DARPA又启动了全球移动信息

系统GloMo（globlemobileinformationsystems）项目，旨在对能够满足军事应用需要

的、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。

成立于1991年的IEEE802.11标准

委员会采用了“AdHoc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，

AdHoc网络就此诞生。

IETF将AdHoc网络称为MANE（移动AdHoc网络）。

1.4Adhoc网络的应用

AdHoc网络有很多优良特性，这样它在军事和民用通信领域占据了一席之地。

首先，网络的自组织性为它提供了廉价且快速部署网络的可能。

其次，多跳和中间结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覆盖范围，从而将天线和相关发射/接收

部件的设计难度和成本降低了，移动终端将更可能小型化、低功耗。

从共享无线信道的角度来看，AdHoc网络降低了信号冲突的几率，提高了信道的利用率。

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，网络的抗毁性满足了某些特定应用的需求。

总的来说，它的应用可以归纳为以下几类。

1）军事应用

军事应用是AdHoc网络技术的主要应用领域。

因其特有的无需架设网络设施、可以快速展开、抗毁性强等特点，它是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。

为了满足信息战场和数字化战场的需要，美军研制了大量无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥场所等不同的场合。

美军的近期数字电台NTDF和无线互联

网控制器等通信装备都利用了AdHoc网络技术。

2）传感网络

传感网络是AdHoc网络技术应用的另一领域。

传感器的发射功率很小，大量地理分散的传感器通过AdHoc网络技术组成网络，可以实现传感器之间以及与控制中心之间的通信。

传感网络中，结点不仅能够协作转发来实现通信，还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息，这种网络具有非常广阔的应用前景。

3）紧急和突发场合

在我们的日常生活中，经常会发生一些突发性灾害，这些突发性的灾难会使人们的生命和财产的安全受到威胁。

而在抗击这些突发性的灾难过程时，固定的通信网络设施可能无法正常工作，快速地恢复通信尤为重要。

此时，建立临时网络通信设施，使灾害区域可维持较好的通信状态是非常必要的。

4）偏远野外地区

当处于偏远或野外地区时，通常无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。

AdHoc

网络技术具有单独组网能力和自组织性特点，是这些场合实现通信的最佳选择。

5）个人通信

个人局域网是AdHoc网络技术的又一大应用领域，可以用个人域网络（PAN来实现PDA手机、掌上电脑等个人通信设备之间的通信，并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用（MP2P。

蓝牙的超网（Scatternet）技术就是一个典型的例子。

6）家庭网络

如果无线计算机可以在家庭得到普及，这些计算机将可能从办公室带回家，或者从家带到办公室，也可能在出差时使用。

7）商业应用

使用AdHoc网络技术来组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统和无线设备网络，开展移动和可携带计算等。

1.5本文主要内容介绍

第一章首先对AdHoc网络进行了简单的介绍，主要有AdHoc网络的产生、发展历史及其应用场合。

第二章将介绍AdHoc网络的定义、特点等基本原理，并对一些相关的关键技术做了简单的介绍。

第三章将介绍AdHoc网络的路由协议，重点介绍几种比较典型的先应式路由协议和按需路由协议的工作原理和特点，并对它们做了比较。

第四章展望了AdHoc网络的应用前景及探讨了待解决的问题。

2AdHoc网络的基本原理

2.1AdHoc网络的定义

AdHoc这个词来源于拉丁语，本意是“向这个”的意思，在英语中其基本含义是“专门为某一特定目的的，即事先未准备的”。

在无线移动自组织网中，AdHoc代表无事先

准备的、临时性的含义。

那么究竟什么是无线移动自组织网呢？

AdHoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。

移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。

AdHoc网络中，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：

作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。

在AdHoc网络中，结点间的路由通常由多个网段（跳）组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往通过多个中间结点的转发来实现通信。

所以，它又被称为多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。

AdHoc网络同时

具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊的移动计算机通信网络。

图2-1（a）中给出了AdHoc网络的一种典型的物理网络结构，图2-1（b）是其逻辑结构，图中终端A和I无法直接通信，但A和I可以通过路径A-B-G-I进行通信。

◎

（a）

[18]

移动终端

图2-1典型的AdHoc网络的物理结构和逻辑结构

2.2AdHoc网络的特点

与其它传统通信网络相比，AdHoc网络具有以下显著特点：

1）独立组网

AdHoc网络具有独立组网能力，即网络的布设无需依赖于任何预先架设的网络设施。

节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

2）无中心和自组织性

AdHoc网络采用无中心结构，网络中没有绝对的控制中心。

所有节点的地位平等，即是一个对等式网络，各节点通过分层的网络协议和分布式的算法协调彼此的行为。

节点可以随时加入和离开网络。

任意节点的故障不会影响整个网络的运行，与有中心网络相比具有很强的抗毁性。

无中心和自组织特点使得AdHoc网络可以实现快速自动组网。

3）多跳路由

当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。

与普通网络中的多跳不同，AdHoc网络中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。

反过来，如果可以使用多跳路由，节点的发射功率可以很低，从而节省电能、延长电池工作时间。

4）网络的动态拓扑

AdHoc网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移动模式移动，并且可以随时关闭电台等各种综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测，因而需要开发专门的路由协议，以适应这种动态拓扑网络的需要。

5）分布式控制

在自组网中，为了实现网内成员之间的通信，一般要解决无线资源使用、路由发现等控制问题。

由于自组网没有预设的基础设施，也就没有预设的中心控制节点，所以只能采用分布式控制的方式来完成。

6）特殊的无线信道特征

AdHoc网络采用无线传输技术，它所能提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。

移动终端获得的实际带宽远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态变化。

传统的共享广播式信道是一跳共享的，而AdHoc是多跳共享的。

这一

特征一方面提高了信道的空间重用度，另一方面使得报文的冲突与节点所处的地理位置