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本科学年论文

论文题目：

XXXXXXX（黑体小二）

学院：

电子工程学院

年级：

2010级

专业：

通信工程

姓名：

XXX（黑体三号）

学号：

XXXX

指导教师：

秦丹阳

2013年6月30日

1绪论（一级标题黑体小二）

1.1课题背景及研究的目的和意义（二级标题黑体小三）

1.1.1课题背景（三级标题黑体四号）

【说明】正文宋体小四，标点符号（逗号、句号、括号、双引号等）采用中文格式，英文采用TimesNewRome，1.5倍行间距，如果行内出现公式可用24pt固定行间距；款项标题黑体小四，后空四个格，如P11所示，公式部分如第四部分所示，特别注意对式中变量解释时的格式。

信息传递和共享主要通过移动通信网络，它是信息时代的“神经”和“纽带”，它在社会需求和信息技术发展的推动下，正在以超常的速度，以社会和科技为背景发展着。

它的飞速成长，不仅使人类生产和生活的方式发生改变，而且也影响着全球的政治、经济、军事等领域。

1979年美国芝加哥先进移动电话系统（AdvancedMobileTelephoneSystem,AMPS）（首次出现的英文缩写需要给出全称）的开通正式标志着人类进入到现代移动通信时代[1]（参考文献标号外的方括号采用英文格式的方括号，小四，上标）。

三十多年的成长，人类文明史上的一次创新，即移动通信技术所带来的发展使得移动通信在经历了第一代模拟蜂窝移动通信使人们无线通话的梦想成真直至发展到如今能够为更大规模用户提供语音、图像、视频、数据等各种媒体业务的第三代通信体制[2]。

无线蜂窝网络和无线局域网络（WirelessLocalAreaNetworks,WLAN）作为当今移动通信网络的领军网络都采用集中式的控制方式，如图1-1所示。

图1-1无线蜂窝网网络结构（图题黑体五号）

而需要借助于预先部署的接入点（AccessPoint,AP）以及有线骨干网等WLAN则才能运行[3]，如图1-2所示。

图1-2无线局域网网络结构

然而，对于如战场上部队快速展开和推进，发生地震或水灾后的紧急营救等某些没有预先架设基础设施或已有设施遭到损毁而失去效用的特殊场合，这类网络便失去了作用。

这些特殊场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施。

基于健壮性考虑也不能采取有中心的控制方式。

因此，需要一种特殊的不能基于任何预先架设好的网络设施但能实现临时快速自动组网，并且节点能够移动的通信系统。

移动AdHoc网络[4]是具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的自组织无线通信网络,网络结构图如图1-3所示。

a）物理结构b）逻辑结构（分图题楷体五号）

图1-3移动AdHoc网络结构

但移动AdHoc网络具有自身多跳路由、动态拓扑和特殊无线信道等特性，原因是由于两个或多个需要通信的节点之间常常没有直接的链路连接而需要其他节点的多次中继转发，这导致相对于有线信道来说所提供的网络带宽相对较低，相对于集中式控制的蜂窝移动通信系统网络的稳定性也较差。

针对这些问题，大量的研究工作在许多国家的无线通信技术研究人员和企业、高校在这方面展开。

针对于媒质接入问题、路由问题、组播路由问题、功率管理问题、QoS问题等方面研究者们已经取得了一定的研究成果。

终上所述，移动AdHoc网络是一种在没有预先架设的固定基础设施或中心控制机构的环境中由移动终端通过无线链路连接而形成的自组织、分布式网络。

考虑到网络中节点的通信范围受到有限能量的限制，业务分组在网络中的传输需要采用多跳的方式来进行，这也是移动AdHoc网络有别于其它无线通信网络的重要特征。

1.1.2研究的目的与意义

移动AdHoc网络与普通移动通信网络相比，具有许多比如不依赖于预设的基础设施、自组织开展、部署灵活等自身优势并且存在许多应用潜力。

然而，正是这些自身优势使得对于移动AdHoc网络相关技术的研究产生了新的问题[5]。

移动AdHoc网络存在拓扑结构的频繁变化、多跳通信的固有本质以及缺少中心控制机构的协调和管理等特点，并且同时还需解决传统移动通信网络一样带宽资源和供电能力受限、无线链路连接脆弱以及传输质量无法保证等问题，这些困难都制约了移动AdHoc网络的快速发展。

由于采用多跳的通信方式，因此端到端的传输路由往往由多条链路组成，节点的游牧特征和无线信号的脆弱特性为移动AdHoc网络路由的建立和维护提出了新的挑战[6]。

网络中节点间的相对运动以及无线信号的传播损伤所引起的任何链路中断都将导致业务传输路径的失效。

为了能够在动态、无中心的网络环境中修复业务传输路径，移动AdHoc网络需要采用先应式路由协议的节点需要周期性的进行全网路由状态更新，并保存包含网络中所有节点间链路信息的路由表，从而产生较大的能量消耗和网络控制开销。

此外，频繁的拓扑结构变化将缩短所得路由的有效期并降低其可用性。

因此，如何能够有效的降低控制开销、提高吞吐量并极大的节省能量消耗和带宽占用，成为移动AdHoc网络路由协议的研究重点。

本文只要着眼于移动AdHoc网络业务传输的路由问题[7]。

移动AdHoc网络的路由应该具备收敛速度快、无环路、控制开销小、对终端无过高要求、适应动态网络环境[8]以及简单实用等特点[9]。

1.2移动AdHoc网络国内外研究现状

移动AdHoc网络的产生最早起源于与军事应用相关的战术网络用以满足战场环境下的抗毁性通信需求[10]。

移动AdHoc网络以一种无须依赖预设基础设施并能够提供超视距连接的无线移动分布式多跳网络结构在现代军事通信史上留下了辉煌的印记[11]。

移动AdHoc网络最初应用于军事领域，它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，该项目由DARPA资助，其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络（SURvivableAdaptiveNetwork,SURAN）和全球移动信息系统（GlobalInformationSystem,GloMo）项目的研究。

由于无线通信和终端技术的不断发展，移动AdHoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建移动AdHoc网络实现。

近年来，移动AdHoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。

在民用领域，移动AdHoc网络可以用于灾难救助。

在发生洪水、地震后，有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信，通过移动AdHoc网络可以快速地建立应急通信网络，保证救援工作的顺利进行，完成紧急通信需求任务。

移动AdHoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。

在这些地区，由于造价、地理环境等原因往往没有有线通信设施，移动AdHoc网络可以解决这些环境中的通信问题。

移动AdHoc网络还可以用于临时的通信需求，如商务会议中需要参会人员之间互相通信交流，在现有的有线通信系统不能满足通信需求的情况下，可以通过移动AdHoc网络来完成通信任务。

移动AdHoc网络在研究领域也很受关注，近几年的网络国际会议基本都有移动AdHoc网络专题，随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求，移动AdHoc网络会受到更多的关注，得到更快速的发展和普及。

2移动AdHoc网络概述

2.1引言

随着IEEE802.11系列标准的成熟和无线设备的普及，无线网络的应用越来越广泛，对人们的生活产生了巨大的影响，越来越多的企业和家庭开始使用无线设备。

无线网络已经不再是传统有线网络的补充，而成为很多应用场合首选的接入方式，帮助人们摆脱双绞线和光纤的束缚，随时随地方便地利用网络进行工作和娱乐。

可以预计在不久的将来无线网络将会有更大的发展。

2.2移动AdHoc网络基本概述

移动AdHoc网络，也被称为多跳无线网络（Multi-hopWirelessNetwork）。

移动AdHoc网络由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成，是一个多跳的临时性无中心的网络，可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络[12]，并不需要现有基础网络设施的支持，每个终端地位相等，都默认为其他节点提供路由服务。

移动AdHoc网络是移动通信和计算机网络相结合的一种网络。

一方面，网络的信息交换采用了计算机网络中的分组交换机制，而不是电话交换网络中的电路交换机制；另一方面，用户终端是可移动的便携式终端，如笔记本、PDA等，并配置有相应的无线收发设备，并且用户可以随意移动或处于静止状态。

在移动AdHoc网络中每个用户终端不仅能够移动，而且都兼有主机和路由器双重功能。

作为主机，终端需要运行各种面向用户的应用程序；同时，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完成数据的分组转发和路由维护工作。

在部分网络遭到破坏之后，这种分布式控制和无中心的网络结构能够维持剩余的通信能力，确保重要的通信指挥流畅，具有较强的鲁棒性。

作为一种无中心分布控制网络（InfrastructureNetworks），移动AdHoc网络是一种自治的无线多跳网。

没有固定的中心，没有专门的路由器，所有节点都是移动的，并且能够以任意方式动态地保持与其他节点的联系。

由于终端的无线覆盖范围的限制，同一个AdHoc网络中任意节点之间可能无法进行直接通信，需要借助其他节点进行分组转发。

这就产生了AdHoc网络的路由协议，主要有目的序列距离矢量[13]（DestinationSequencedDistanceVector,DSDV）路由、AdHoc按需距离矢量[14]（AdhocOn-demandDistanceVector,AODV）路由、动态源路由[15]（DynamicSourceRouting,DSR）等。

每个节点上都运行同样的路由协议，实现发现和维护路由的功能。

2.3移动AdHoc网络特点

移动AdHoc网络的主要特征有以下几点[16]：

（下面的括号必须采用中文格式）

（1）移动AdHoc几乎不需要固定预设基础设施支持，可以灵活的展开；

（2）既然网络基础结构是不具可用性的，这些节点必须通过自己组织和维护网络（要求有自主的分布式控制）。

节点能侦测到其它节点的存在，并和它们一起加入网络；

（3）大部分甚至所有节点都在移动，导致网络拓扑动态变化。

当节点移动时，网络拓扑变化，新的节点加入，一些节点离开，或者是一些路由中断。

经常出现频繁的、临时的、突发性的网络连接损失；

（4）由于大多数节点是移动的，那就意味着只能是无线通信方式；

（5）节点既是一个主机，又是一个路由器。

一个节点可能想连接到超出单跳距离外的另一个节点，那么对每一个节点而言，路由功能是必需的，因为网络没有下部结构支持，节点不必是同一类型（可以是电话、PDA、膝上型电脑、传感器等）；

（6）由于每一个节点能为其它节点发送通信量，多跳性是可能的。

在AdHoc网络里多跳是所希望的能力，因为在单跳AdHoc网络里空间不会按比例增大，也就限制了节点之间的通信；

（7）节点能移动，它们就不能依靠线路供能，而只能靠电池提供动力；

（8）每个节点可以有不同的性能。

为了能连接基于下部结构的网络（形成一个混合网络），一些节点能和不止一种类型的网络通信；

（9）移动AdHoc网络由于采用的是无线传播方式，因而会比有线网络更易受到敌方的干扰、窃听和攻击。

2.4移动AdHoc网络的拓扑结构

AdHoc网络的拓扑结构可划分为两种形式平面结构[17]（FlatArchitecture）和分层结构[18]（HierarchicalArchitecture）。

2.4.1平面结构

移动AdHoc网络的平面结构如图2-1所示。

图2-1移动AdHoc网络的平面结构（S，G，I，K，M，D是一条路径）

平面结构的网络是全分布式的结构，源节点和目的节点之间一般存在多条路径，可实现负载平衡，也可为不同的业务类型选择适当的路径，网络中的所有节点都是对等的，所有的节点由单个的全向电台组成，在网络中共享同一个随机接入无线信道。

平面结构中各节点的覆盖取值范围较小，信号被侦听、截获的概率较小，因此这种网络具有一定的安全性和健壮性（Robust）。

然而，平面结构的扩展性却很差。

理论分析显示，即使网络的结构已经是最优的设计，每个节点的吞吐量仍是随着网络中节点数的增大而急剧下降，甚至到零。

另外，从协议的角度来考虑，路由协议也影响了网络的容量。

现在的许多协议都是基于平面结构来设计的，研究已经证明，当网络的规模很小时（在大多数情况下，节点数不超过100个），路由协议是很有效的。

然而，在很多场合（例如，战场和灾区）需要大规模的网络，这时，再采用平面结构的路由协议，性能就要下降。

具体原因主要有以下三个方面。

（1）大规模的网络中，从源节点到目的节点的路径变得很长。

例如，在战场上，每个电台的传播取值范围是受限的，而战场上的节点数却有几百个，从源节点到目的节点的平均跳数将会超过10个，任何一条链路（Link）的破坏就会引起整条路径（Path）的失败。

即使没有路径的失败，由于时延很大，在一些对时间要求严格的场合，这种时延是不能接受的；

（2）路由引起的链路负载变得很大。

平面网络的路由协议可以分成两部分：

先应式路由（Proactive），又称为表驱动路由（Table-driven）和反应式路由（Reactive），又称为按需路由（On-demand）。

先应式路由协议需要周期地向全网广播交换路由信息，这会造成很大的信息量，当在移动环境下，为了保持准确的路由信息，需要对路由表频繁地更新，这也会产生很大的控制负载。

在大规模的通信网中使用按需路由，虽然只在需要的时候才产生信息负载，但是，当节点的Cache中无相关路由信息时，则需要通过洪泛（Flooding）方式来搜寻路径信息，这就会产生大的负载。

由于移动性和Cache路由器的中止，长路径更容易中断，这又会引起新的泛洪搜索新的路由；

（3）在大规模的平面网中，移动网络使得对远端节点的路由信息是不准确的。

由于网络很大，路由信息需要花费很长时间才能到达远端节点，当到达时，该信息可能就过时了，这种过时的路由信息就会使数据包在传输途中丢失。

2.4.2分层结构

为了改善AdHoc网络的扩展性问题，可以采用两种方法。

一种方法就是在网络结构保持不变的前提下，对现有的平面网络路由算法进行改进，使平面结构更具有扩展性（实际上，这也可以被看作逻辑分层）。

例如，在鱼眼状态路由（FSR）中对搜索取值范围内外的节点分别采用不同的频率进行搜索；优化链路状态路由（OLSR）则通过对部分的邻节点进行分组广播减小控制分组负载；基于随机的目的序列距离向量（R-DSDV）引入了拥塞控制来减小控制负载路标路由使用一个路标可减少节点的跳数。

在一些按需路由中采取就地修复中断的办法，减小了控制负载。

一些基于地理位置的路由，如定位辅助路由（LocalAssistanceRouting,LAR）和贪心周长无状态路由（GreedyPerimeterStatelessRouting,GPSR）则利用地理位置信息（如GPS）增加了可扩展性。

另一种方法就是从物理上改变它的结构，利用分层网络代替平面网络，从根本上改变网络的扩展性问题。

移动AdHoc网络的分层结构如图2-2所示。

图2-2移动AdHoc网络的分层结构

在这种结构中，网络被分成了三个层次。

（1）Level1层次地面移动AdHoc无线网。

在这个层次上既有普通的地面无线节点，也有骨干节点（BackboneNode）。

骨干节点是嵌入到地面无线网中的。

在该层次中主要考虑3个问题：

骨干节点的最优个数；骨干节点的展开和路由；群首（ClusterHead）的选择算法；

（2）Level2层次地面嵌入式移动骨干网。

在战术环境中，一些特殊的战斗单元，如卡车、坦克、相对战士可以携带更多的电台装备。

这些移动的节点，采用波束形成天线，能形成高速的定向无线通信链路。

因此可以选择这些节点作为骨干节点，形成骨干网嵌入到地面无线网中。

在这个层次中，定向点对点的天线主要负责邻近骨干节点之间的互通。

每个骨干节点至少应当有3组频率分别与普通节点、骨干节点及上一层的UAV通信；

（3）Level3层次空中移动骨干网。

由一组无人飞行器（UnmannedAerialVehicle,UAV）组成，采用相控阵天线保持与地面骨干网的联系，同时利用波束形成技术保持与UAV之间的互联。

这些UAV位于地面5万到6万英尺的高度，以8海里为直径的圆绕行。

借助空中移动骨干网可以实现跨区域的通信。

在这种结构中，低层节点之间的通信利用了高层次的链路，减少了节点通信之间的跳数，可以很好地用在大规模通信网中，但是，这种结构在改善网络扩展性的同时，也出现了一些其他的局限。

（1）所有的通信量，即使是同一个群内的通信，也要经过骨干节点，这就会在骨干节点处引起拥塞和争用；

（2）每个群实际上是一个单跳群，这就限制了群的规模，同时会引起频繁的HID（HierarchicalID）的更新；

（3）在分层网中，由于一些节点的位置重要（如骨干节点和UAV），易受到攻击，可能对整个网络的性能造成很大的影响。

2.5AdHoc网络的应用

1997年IETF成立了一个专门的移动AdHoc网络工作组MANET（MobileAdHocNetworks），专门负责研究和开发移动AdHoc网络并制定相应的标准。

这些年，移动通信和移动终端技术不断向前发展，使得移动AdHoc网络技术不但在军事领域前景广阔，而且也在民用移动通信领域得到应用。

它的应用场合可以归纳为以下几类：

（1）军事通信军事应用是移动AdHoc网络技术的主要应用领域[19]。

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，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。

在通信基础设施如基站受到破坏而瘫痪时，装备了移动通信装置的军事人员可以通过移动AdHoc网络进行通信，顺利完成作战任务。

（2）紧急服务在遭遇自然灾害或其它各种灾难后，固定的通信网络设施都可能无法正常工作，快速地恢复通信尤为重要。

此时移动AdHoc网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供临时通信，从而为营救赢得时间，对抢险和救灾工作具有重要意义。

（3）传感器网络传感器网络是移动AdHoc网络技术应用的另一大应用领域[20]。

对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术，并且考虑到体积和节能等因素传感器的发射功率不可能很大。

分散在各处的传感器组成一个移动AdHoc网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。

在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点融合成完备的战区态势图。

在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡，传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。

传感器网络还可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息以及生态环境监测等。

（4）移动会议现在，笔记本电脑、PDA等便携式设备越来越普及。

在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过移动AdHoc方式组成一个临时网络来协同工作。

借助移动AdHoc网络，还可以实现分布式会议。

（5）个人域网络个人域网络（PersonalAreaNetwork,PAN）的概念式由IEEE802.15提出的，该网络只包含与某个人密切相关的装置如PDA、手机、掌上电脑等，这些装置可能不与广域网相连，但它们在进行某项活动时又确实需要通信。

目前，蓝牙技术只能实现室内近距离通信，移动AdHoc网络为建立室外更大范围的PAN与PAN之间的多跳互联提供了技术可能性。

（6）其它应用移动AdHoc网络的应用领域还有很多，如移动AdHoc网络与蜂窝移动通信网络相结合，利用移动AdHoc网络的多跳转发能力，扩大蜂窝移动通信网络的覆盖蜂窝网络的覆盖范围、均衡相邻小区的业务等，作为移动通信网络的一个重要补充，为用户提供更加完善的通信服务。

2.6面临的挑战

移动AdHoc网络作为一种新型无线通信网络，已经引起了人们广泛关注。

但同时它又是一个复杂的网络，所涉及的研究内容非常广泛。

移动AdHoc网络的实用化还有许多亟待解决的问题。

2.6.1可扩展性

一个大规模的移动AdHoc网络可能包含成百上千甚至更多的节点。

在这样一个网络中，节点间存在相互干扰，这样网络容量就会下降，而且网络中各节点的吞吐量也会下降；同时不断变化的网络拓扑也会对现有的移动AdHoc网络路由协议提出严峻考验。

可扩展性问题的解决最终需要智能天线和多用户检测技术的支持。

2.6.2跨层设计

移动AdHoc网络的跨层设计是相对于OSI的分层思想而言的。

严格的分层方法的好处是层与层间相对独立，协议设计简单。

它通过增加“水平方向”的通信量，降低“垂直方向”的处理开销。

但对于移动AdHoc网络环境，频率资源非常宝贵，最大限度地降低通信开销是一个首要问题。

通过跨层设计可以降低协议栈的信息冗余度，同时层与层之间的协作更加紧密，缩短响应时间。

这样就能节约有限的无线带宽资源，达到优化系统的目的。

移动AdHoc网络跨层优化的目标是使网络的整体性能得到优化，因此需要把传统的分层优化的各个要求转化到跨层优化中。

同时，跨层优化还面临复杂的建模和仿真，这些都需要进一步研究和解决。

2.6.3与现有网络的融合

随着移动AdHoc网络的组网技术的不断发展，移动AdHoc网络与现有网络的融合已经成为网络互联的重要内容。

移动AdHoc网络与现有网络融合的主要目的是完成异构网络的无缝互连，移动AdHoc网络可以看成现有网络在特定场合的一种扩展。

移动AdHoc网络通常以一个末端网络的方式进入现有网络，这样就要考虑到移动AdHoc网络与现有网络的兼容性问题，其它网络是否可以通过移动AdHoc网络技术将最后一跳扩展为多跳无线连接。

将传统的有基础设施的无线网络中的移动IP协议加以改进，与移动AdHoc网络技术有机结合起来，是解决融合问题的一个重要方向。

移动AdHoc网络自身的独特性，使得它在军事领域的应用中保持重要地位，在民用领域中的作用逐步扩大。

然而，它作为一种新型网络，还存在很多问题，新的应用也对它的研究和发展不断提出新的挑战。

随着研究的深入，移动AdHoc网络将在无线通信领域中有着更加广阔的前景。

2.7本章小结

本章主要概述了移动通信网络的重要分支移动AdHoc网络并从网络特点、拓扑结构、应用等方面对其进行简要介绍。

移动AdHoc网络节点的移动性使得网络拓扑不断变化，无线节点间的信号也容易受干扰而衰减，传统的基于因特网的路由协议无法适应这些特性。

移动AdHoc网络是一种新颖的移动计算机网络的类型，它既可以作为一种独立的网络运行，也可以作为当前具有固定设施网络的一种补充形式。

其自身的独特性，赋予其巨大的发展前景。

在移动AdHoc网络的研究中还存在许多亟待解决的问题：

设计具有节能策略、安全保障、组播功能和QoS支持等扩展特性的路由协议，以及移动AdHoc网络的网络管理等。

移动AdHoc网设计的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量、高效率的路由协议。

保证网络的连通性、迅速恢复中断的链路以及增强网络的扩展性将是移动AdHoc网路由算法设计需要重点考虑的问题。

3移动AdHoc网络多跳路由研究

3.1引言

多跳性是移动AdHoc网络的主要特征，要实现报文的多跳转发，必须有路由协议的支持。

而AdHoc网络使用带宽较窄的无线信道，且由于主机的移动造成拓扑变化比较频繁：

如果直接将传统路由协议应用于移动AdHoc网络中，这