移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由算法及協(xié)議研究.pdf

1、移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)是一種把移動通信和計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起的網(wǎng)絡(luò)，它具有分布式、自組織、自配置、自管理等特征，不需要固定基礎(chǔ)設(shè)施的支持，能夠在不能或不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐平臺，從而拓寬了移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合，可廣泛應(yīng)用于國防戰(zhàn)備、搶險救災(zāi)、應(yīng)對突發(fā)事件等無法得到有線網(wǎng)絡(luò)支持或只是臨時需要通信的環(huán)境，是下一代網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。路由技術(shù)擔負著為數(shù)據(jù)分組尋找路由和將其傳送到目的地的任務(wù)，是移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的一項

2、關(guān)鍵技術(shù)，而路由算法和協(xié)議則是路由技術(shù)的核心內(nèi)容，直接關(guān)系到時延、吞吐率和成功率等網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣。移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)所具有的多跳、動態(tài)拓撲、時變信道、資源受限等特點，給路由算法和協(xié)議的設(shè)計帶來很大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)和有中心無線網(wǎng)絡(luò)的路由算法和協(xié)議無法在移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中直接應(yīng)用。為此，需要根據(jù)移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計專門的路由算法和協(xié)議，這是移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)研究和設(shè)計的主要技術(shù)難點之一。本文針對移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)，圍

3、繞平面結(jié)構(gòu)移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的表驅(qū)動和按需兩大類路由算法和協(xié)議，集中研究了以下幾方面內(nèi)容：基于拓撲維護的多信道表驅(qū)動路由算法、基于源路由的表驅(qū)動多徑路由算法、基于跨層設(shè)計的高效按需路由協(xié)議、基于跨層設(shè)計的按需定向路由協(xié)議、基于MPR泛洪的按需路由算法。 表驅(qū)動路由算法，也被稱為先應(yīng)式路由算法，采用了表驅(qū)動的路由發(fā)現(xiàn)機制。在這種機制中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過周期性廣播控制消息來交換路由信息并利用收到的路由信息生成路由表，供數(shù)據(jù)分組尋找路由

4、時使用。周期性廣播控制信息會增加網(wǎng)絡(luò)的開銷，但節(jié)點根據(jù)存儲的網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系(即路由表)為數(shù)據(jù)分組尋路，則能減小分組的端到端時延。移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)表驅(qū)動路由算法中具有代表性的是OLSR路由算法。OLSR算法本質(zhì)上是一種鏈路一狀態(tài)算法，它通過MPR泛洪方式減少了廣播控制消息的開銷以適應(yīng)移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中資源受限的環(huán)境。針對OLSR中的節(jié)點在動態(tài)環(huán)境下會出現(xiàn)路由表項不全的問題以及多信道條件下的信道選擇問題，本文在第二章中提出了一種基于拓撲維

5、護的控制消息發(fā)送控制方法和一種基于剩余帶寬的信道選擇算法，并把它們結(jié)合起來，得到了一種新的基于拓撲維護的自適應(yīng)多信道表驅(qū)動路由算法—MOLSR-TM(MultichannelOptimizedLinkStateRoutingbasedonTopologyMaintenance)。MOLSR-TM同時工作在8個MAC信道上，能夠根據(jù)節(jié)點的拓撲維護狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整控制消息的發(fā)送，以便增強節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)拓撲狀況的了解，為更多的數(shù)據(jù)分組找到通往目的

6、地的路由。性能分析和仿真結(jié)果驗證了MOLSR-TM的有效性和對OLSR算法性能的提升。 與第二章的多信道自適應(yīng)算法不同，第三章重點研究了多徑路由。多徑路由是指尋找并使用多條路徑來傳送數(shù)據(jù)分組，它的主要優(yōu)點是：增加會話的帶寬和系統(tǒng)吞吐率，減少單個路徑上的業(yè)務(wù)突發(fā)性和分組時延，更好地適應(yīng)信道質(zhì)量的變化，增加會話連接的可靠性。針對以表驅(qū)動路由算法為基礎(chǔ)的并發(fā)多徑路由研究較少的問題，本文以O(shè)LSR為基礎(chǔ)，提出了能夠生成多條不相交路徑的多

7、重Dijkstra算法，設(shè)計了在控制分組中捎帶節(jié)點負載信息的路由信息交換方式，并創(chuàng)造性地使用源路由機制來分離路徑以減輕路由耦合影響，由此得到了一種新的并發(fā)多徑表驅(qū)動路由算法—SBMTR(Sourcerouting-BasedMultipathTable-drivenRouting)，并從數(shù)學推導(dǎo)、性能分析和仿真實驗等環(huán)節(jié)中進行了驗證：SBMTR在吞吐率、分組端到端時延和分組傳送成功率等性能上優(yōu)于同類的單徑路由算法。 第四章將關(guān)注

8、的重心轉(zhuǎn)向按需路由算法及協(xié)議。按需路由算法(協(xié)議)也被稱為反應(yīng)式路由算法(協(xié)議)，它采用按需的路由發(fā)現(xiàn)機制，在需要傳送的數(shù)據(jù)分組沒有路由通往目的地的情況下，節(jié)點發(fā)起路由查找過程，如果找到路由則使用并維護它，分組傳送完之后刪除路由。按需機制沒有周期性的控制分組全網(wǎng)廣播操作，減少了開銷，但尋路過程增加了時延。AODV中設(shè)計了一種可選的HELLO消息機制，能夠為節(jié)點提供本地連接性信息，有利于路由，但帶來了一定的開銷，本章為了減少HELLO消息

9、機制的開銷，運用跨層設(shè)計的方法設(shè)計了一種新的HELLO消息機制，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的基于跨層設(shè)計的按需路由協(xié)議—CLAODV(Cross-LayerAdhocOn-demandDistanceVectorroutingprotocol)，該協(xié)議以AODV路由協(xié)議為原型，用跨層協(xié)同的思路重新設(shè)計了HELLO消息機制，在保證其功能的前提下顯著減少了開銷，達到了既縮短尋路時延，又提高協(xié)議效率的效果。 第五章繼續(xù)研究按需路由協(xié)議，針

10、對同頻共享無線信道中的隱藏/暴露終端問題，同時根據(jù)AODV路由協(xié)議中節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組和部分控制分組時使用單播方式的特點，設(shè)計了一種跨網(wǎng)絡(luò)、MAC和物理三層的信息共享和協(xié)同操作的方法，結(jié)合使用這種方法和智能天線，能夠?qū)崿F(xiàn)單播分組的定向發(fā)送和廣播分組的全向發(fā)送，由此提出了一種新的基于跨層設(shè)計的按需定向路由協(xié)議—CAODR(Cross-layerAdhocOn-demandDirectionalRoutingprotocol)。CAODR通過

11、跨層定向操作，成功減少了隱藏終端引起的分組碰撞和暴露終端引起的節(jié)點不必要等待，增加了網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。性能分析和仿真試驗表明了CAODR在端到端時延、吞吐率等方面具有優(yōu)良的性能。 為了實現(xiàn)優(yōu)勢互補，第六章將表驅(qū)動和按需路由算法融合在一起研究，針對AODV算法尋路階段泛洪開銷大的問題，設(shè)計了一種改進的MPR泛洪機制來改善它，并對HELLO消息機制進行了擴展，同時也改進了RREP的處理方式，從而增加了節(jié)點所獲得的有效路由信息。在以上研

12、究的基礎(chǔ)上，提出了一種新的基于MPR泛洪的按需路由算法—MBOR(MPR-flooding-BasedOn-demandRouting)。MBOR在尋路時的全網(wǎng)泛洪開銷被改進的MPR機制有效減少；通過改進的HELLO消息機制，節(jié)點可以直接掌握兩跳內(nèi)所有鄰居節(jié)點的情況；在路由查找過程中對路由答復(fù)分組的充分利用增加了節(jié)點的路由信息，為尋路帶來方便。理論分析表明MBOR優(yōu)于經(jīng)典的按需路由算法，并從數(shù)學推導(dǎo)、性能分析和仿真試驗中得到了驗證。