无线自组网关键技术的研究.docx
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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：
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指导老师签名：
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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：
Signature:
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Supervisor：
Signature:
_______
ABSTRACT
ThethesisintroducestheAdhocnetworks.InaWirelessAdhocnetworks,allnodesaremobileandcanbeinterconnectedinanarbitrarymanner.Nodesofthenetworksfunctionasrouterstoextendthecommunicationrangeandtoprovidecontinuedconnectionsbetweencommunicationmobilenodes.Becauseofuniquecharacteristics,itisnecessarytoperformin-depthstudyondevelopingthealgorithmsandprotocolsthatareapplicableforAdhocnetworks.
BasedontheresearchandanalysisofthecharacteristicsoftheAdhocnetworks,thethesishasstudiedtheworkprocessesandthecharacteristicsoftheproactiveroutingprotocolsandon-demandroutingprotocols,andcomparedthem.TheresultsshowthattheseprotocolsdescribedinthisthesisareadaptedtoAdhocnetworks.However,therearedifferentprotocolswithdifferentissuestoberesolved.
【KeyWords】WirelessAdhocNetworksRoutingProtocol
【TypeofThesis】TheoreticalResearch
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——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
1.1AdHoc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PRNET（packetradionetwork）
，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，DARPA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MANET（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NTDR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。
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相关。
此外，地形或发射功率等因素使得AdHoc网络中可能存在单向无线信道。
7）移动终端的局限性
移动终端具有携带方便、轻便灵巧等优点，但也存在固有缺陷，如能源受限，内存较小、CPU处理能力较低和成本较高等，从而给应用的设计开发和推广带来一定难度，同时显示屏等外设的功能和尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务。
考虑到成本和易于携带，移动节点不能配备太多数量的发送接收器，并且节点一般依靠电池供电。
因此，如何高效地使用节点的电能和延长节点的工作时间是一个十分突出的问题。
8）带宽有限、链路容量易变
无线链路的容量明显低于有线信道。
无线环境具有带宽有限、比特误码率高、链路质量和链路容量起伏波动等问题。
考虑到多址访问、衰落、噪声、环境干扰等因素的影响后，无线通信的实际吞吐量常常比最大无线传输速率低得多。
9）安全性差
AdHoc网络采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。
另外，AdHoc网络由节点自身充当路由器，使得AdHoc网络中的安全问题非常复杂，传统网络中的许多安全策略和机制将不再适用。
因此，信道加密、抗干扰、用户认证、密钥管理、访问控制和其它安全措施都需要特别考虑。
这些特点使得AdHoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与现有的无线通信系统（如蜂窝移动通信系统和无线局域网）有着显著的区别。
蜂窝移动通信系统的架设周期较长，网络维护和管理需要消耗相当多的人力、物力。
而AdHoc网络不需要固定网络设施的支持就可以独立组网，部署速度要快得多。
在蜂窝移动通信系统中，网络结构比较稳定。
而在AdHoc网络环境下，网络的拓扑结构是动态变化的。
无线局域网是一个单跳的网络，而AdHoc网络是一个多跳的无线网络。
无线局域网的研究内容集中在物理层和数据链路层，而AdHoc网络的研究内容覆盖了协议的所有层。
表2-1列出了AdHoc网络与现有无线网络的区别。
网络类型
比较的内容
现有无线网络
AdHoc网络
无线网络结构
有中心，单跳
无中心，多跳
拓扑结构
固定
动态建立、灵活变化
有无基础设施支持
有
无
安全性和服务质量
较好
较差
配置速度
慢
快
生存时间
长
短
路由选择和维护
容易
困难
网络健壮性
低
高
研究重点
物理层和链路层
协议的所有层
中继设备
基站和有线骨干网
无线节点和无线骨干网
中继节点的特点
基站有多部收发信机，全双工方式通信，有专用硬件，易于实现全网同步
无线节点通常只有一部收发信机，半双工方式工作，不易于实现全网同步
无线节点的控制管理
由基站集中负责，无线节点必须先与基站通信，再通过基站与目的节点通信
由无线节点本身负责，通常采用分布式方式
表2-1AdHoc网络与现有无线网络的主要区别
2.3AdHoc网络的关键技术
由于AdHoc网络的特殊性，传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用，需要为AdHoc网络设计专门的协议和技术。
AdHoc网络涉及的技术很多，全球的研究人员在这方面开展了大量的研究。
综合体现如下几个方面：
2.3.1信道接入技术
信道接入技术是AdHoc网络协议的基础。
它控制节点如何接入无线信道，对AdHoc网络的性能起着决定性的作用。
AdHoc网络的无线信道是多跳共享的多点信道。
即一个节点发送信息时，邻居节点（也只有邻居节点）可以收到。
此外，AdHoc网络还存在隐终端和暴露终端问题。
这些问题都需要专门设计的信道接入技术才能解决。
2.3.2物理层技术
到目前为止，AdHoc网络物理层主要参考来自构建无线局域网的各种标准，其中包括IEEE802.11系列、蓝牙、HiperLAN等标准定义的物理层。
2.3.3路由协议
路由协议是AdHoc网络重要组成部分。
要实现多跳路由，必须要有路由协议的支持。
IETF成立的MANET工作组目前就主要负责AdHoc网络IP层路由的标准化工作。
这部分将在后面的章节中做重点研究。
2.3.4网络体系结构
早期的AdHoc网络主要是为了数据业务而设计的，没有对体系结构做过多的考虑，但当AdHoc网络需要提供多种业务并且支持一定的QoS时，应当考虑选择最为合适的体系结构,一般采用分布式控制结构，即平面结构如图2-2（a）所示和分级结构如图2-2（b）所示。
（a）平面结构（b）分级结构
图2-2网络体系结构
2.3.5QoS保证
AdHoc网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。
随着应用的不断扩展，需要在AdHoc网络中传输话音、图像等多媒体信息。
多媒体信息对带宽、时延和时延抖动等都提出了很高要求，即需要提供一定的QoS保证。
AdHoc网络中的QoS保证是系统性问题，不同层都要提供相应的机制，这部分将在后面的章节中做重点研究。
2.3.6广播和多播
由于AdHoc网络的特殊性，广播和多播问题变得非常复杂，它们需要链路层和网络层的支持。
目前这个问题的研究已经取得了阶段性进展。
2.3.7安全问题
AdHoc网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。
因此需要研究适用于AdHoc网络的安全体系结构和安全技术。
2.3.8网络管理
网络管理涉及面较广，包括AdHoc网络中的服务发现、移动性管理、地址管理和服务管理等。
需要相应的机制来解决节点定位和地址自动配置等问题。
2.3.9传输层服务
在AdHoc网络中，无线信道的衰落、干扰、节点移动等因素会造成报文冲突和丢失，这将严重影响TCP的性能。
因此，在AdHoc网络中要对传输层服务（比如TCP）进行修改，以满足数据传输的需要。
2.3.10网络互联技术
在很多场合下，AdHoc网络要与其它网络互联。
在有的情况下，AdHoc网络还要作为末端子网接入因特网，由于AdHoc网络采用了不同的路由协议和传输层服务，在网络互联时需要进行相应的转换工作。
3AdHoc网络的路由协议
3.1概述
在AdHoc网络中，随着节点移动，网络拓扑结构在不断变化。
如何迅速准确地选择到达目的节点的路由（即网络的路由选择问题），是AdHoc网络的一个重要和核心的问题。
路由的功能是在网络层实现的，它的主要目的就是要为数据分组以最佳路径通过通信子网到达目的节点提供服务。
路由包含两个基本的动作：
确定最佳路径和通过网络传输信息。
路由协议是无线自组网体系结构中不可或缺的重要组成部分，其主要作用是发现和维护路由。
3.1.1AdHoc网络与传统移动通信系统在路由问题上的区别
目前常见的移动通信系统主要包括蜂窝移动通信系统和无线局域网等。
AdHoc网络在系统的组织、管理和维护方面与它们有很大的差异。
这种差异的主要表现分述如下：
1）AdHoc网络与蜂窝移动通信系统的区别
在蜂窝移动通信系统中，移动节点之间呼叫的路由选择及建立主要是通过固定网络设备，如交换机、VLR/HLR等完成的，基站主要完成射频信号的发送和接收。
而在AdHoc网络中，不存在这样的固定设备，节点间的路由选择完全由移动节点完成。
同时，在蜂窝移动通信系统中，尽管也会由于设备或链路出现故障等原因导致网络结构出现变化，但总体来讲，网络结构比较稳定。
而在AdHoc网络环境下，节点的频繁随意移动会造成网络拓扑结构发生经常性的变化，网络拓扑的频繁变化在很大程度上会影响路由选择。
2）AdHoc网络与无线局域网的区别
从网络层的角度看，无线局域网是一个单跳的网络，而AdHoc网络是一个多跳的网络。
由于局域网是单跳网络，分组的处理不用通过网络层，其主要研究的内容主要集中在网络的物理层和数据链路层，即信道接入控制。
而在AdHoc网络中，终端设备一面作为主机，用户终端需要运行面向用户的应用程序；另一方面，作为路由器，用户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工作和路由维护工作。
因此AdHoc网络研究的一个主要内容是以路由协议为核心的网络层设计。
综上，不难发现AdHoc网络与传统的移动通信网在路由选择方面有很大的差异，必须采用合适的路由协议以解决AdHoc网络中的路由选择问题。
3.1.2传统Internet网络路由协议
目前在Internet中常用的内部网关路由协议主要有两种。
一种是基于距离矢量的路由
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