无线自组网主动路由协议研究与分析

发布时间：2018-01-15 19:43

本文关键词：无线自组网主动路由协议研究与分析　出处：《北京交通大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：无线Ad Hoc网络是一种多跳的临时性自治系统,由一组带有无线收发功能的移动节点组成。近年来,无线Ad Hoc网络应用已涉及到军事通信、应急通信等领域,主要应用场景有:(1)军用及警用领域军事与警用领域至今仍是无线Ad Hoc网络的重要应用领域。在现代化的战场上,由于没有基站等基础设施,装备了移动通信装置的军事人员、军事车辆以及各种军事设备之间可以借助无线Ad Hoc网络进行信息交换,以保持密切联系、协作完成作战任务。装备音频传感器和摄像头的军事车辆和设备也能够组成无线Ad Hoc网络,在目标区域收集重要的位置和环境信息传送到处理节点。(2)紧急和突发场合在自然灾害或其他各种原因导致网络基础设施出现故障或无法使用时,快速地恢复通信是非常重要的。借助无线Ad Hoc网络技术和协议,可以快速地建立临时网络,延伸网络基础设施,从而为营救赢得时间,减少灾难所带来的危害。(3)移动会议目前,越来越多的参会人员携带电脑等便携式设备参加会议,如果与会者不用借助路由器、集线器或基站就能将各种移动终端快速地组成无线网络从而完成提问、交流以及资料的分发,这无疑具有重要的意义。此外,借助无线Ad Hoc网络还可以实现分布式会议。(4)车载无线Ad Hoc网络车载无线AdHoc网络的基本思想是,在一定的通信范围内的车辆可以相互交换各自的车速、位置等信息和车载传感器感知的数据,并自动地连接建立起一个移动的网络。节点的单跳通信范围只有几百到一千米,每一个节点同时是收发器和路由器,采用多跳的方式将数据传给更远的车辆。目前,车载无线AdHoc网络在交通中已有十分广泛的应用,提高了驾驶的安全性和路况的实时性。与集中式单跳无线网络(如2G、3G、LTE等)相比,无线Ad Hoc网络具有如下鲜明的特点:(1)动态拓扑。无线Ad Hoc网络中节点的任意移动会引起网络拓扑的实时变化。相比传统蜂窝网络中设备引起的小区切换,Ad Hoc网络的拓扑变化无疑是更加随机、更加迅速、更加颠覆性的。(2)自组织、自愈合。无线AdHoc网络是一种集中式(具有分布式多中心点)/分布式/混合式网络,不需要预先架构网络基础设施。移动节点通过邻居感知自组织建立维护网络,任何节点的加入和退出都不会影响网络的功能。这种特性使得无线Ad Hoc网络具有更高的灵活性和健壮性。(3)多跳传输。在传统的移动蜂窝网络中,仅支持一跳或两跳(Relay和CoMP)组网。在无线Ad Hoc网络中,任何普通节点都可以成为多跳传输的中继节点。这种灵活的多跳转发功能也恰恰体现了无线Ad Hoc网络的多点协作功能。(4)带宽有限。由于无线信道衰减大、噪声和干扰较强等原因,无线链路的容量要明显低于有线链路。并且在多跳传输中,相比传统的无线网络,无线Ad Hoc网络中的每一跳都是通过无线信道传输的,这就造成了信道容量的损耗是随跳数增加而不断增大的(注:采用资源复用和多信道机制可部分解决)。(5)能量受限。在无线AdHoc网络中,节点设备可以是多种多样的。大到卫星、军舰、汽车等,小到PC机、手持型设备、智能可穿戴设备、传感器节点等都可以成为网络的业务节点或者中继节点。相比传统网络当中的基站等基础设施,无线AdHoc网络中的这些移动节点往往是能量有限的。所以在网络部署和协议设计中,节能也是一个需要考虑的因素。(6)低安全性。由于多跳的无线传输信道以及分布式的控制机制,相对传统的蜂窝网络,无线Ad Hoc网络更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺"睡眠"等网络攻击。安全问题是自组网络部署和运营中另一个需要重点考虑的问题。随着无线Ad Hoe网络中传输的业务需求逐渐增多,人们对通信服务质量的要求也随之越来越高,不仅考虑业务可达性,对业务传输的可靠性、时延等指标也提出了更高的要求。针对这类问题,无线AdHoc网络有许多研究方向,如能源消耗,安全问题,QoS等。而路由协议决定业务传输的性能,其改进和优化是无线Ad Hoc网络的研究热点。目前无线Ad Hoc网络中主要的路由协议有:DSDV,AODV,DSR和ZRP路由协议等。其中AODV属于按需路由协议,当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时,如果没有到达目标节点的路由,则必须先以广播的形式发出RREQ(路由请求)消息进行寻路。RREQ消息中记录着业务源节点和目的节点的IP地址,邻近节点收到RREQ,首先判断目的节点是否为自己。如果是,则向源节点发送RREP(路由回复);如果不是,则首先在路由表中查找是否有到达目的节点的路由,如果有,则向源节点单播RREP,否则继续广播RREQ进行查找。按需路由发送业务前需要进行寻路,因此业务时延较大。ZRP协议为区域路由协议属于混合路由协议的一种,混合路由协议是综合按需驱动路由协议与表驱动路由协议的协议,是近年来迅被提出并发展的一种新型路由协议。ZRP路由协议将网络划分为各个区域,对于域内的节点,在业务到达之前进行路由交互,通过周期性向邻居发送本地路由表本区域内到达所有节点的路由,因此域内不需要进行寻路。当目的结点不在源节点的主动路由域内,则需要按照按需路由协议进行路由查找。该协议的优势在于,与单纯的主动驱动路由协议相比可以减少通信开销,而与按需路由协议相比又可以相对减少域内节点的寻路时延。主动路由协议又称为先验式路由协议,该协议的特点是每个节点都需要维护一张可达节点的路由表,并包含相关节点的信息。每个节点在全网范围内动态找寻所有可达节点,并确保所有节点有相同路由表。典型的无线Ad Hoc网络主动路由协议有DSDV与DSR协议。由于主动路由协议具有低时延的特点,因此本文主要对无线Ad Hoc网络中应用较为广泛的主动路由协议目的节点序列距离矢量(DSDV)协议进行研究。DSDV协议采用最短路径法则,每个节点维护一张包含到达节点的路由信息的路由表,并根据每个节点广播路由更新消息来更新路由的变化。协议中使用目的端序列号,避免因使用过时的路由信息而产生无效(包括路由环路)的路径。每个目的节点的路由记录对应一个目的节点序列号,这个序列号由目的节点产生。当节点从邻节点的消息中得到某一目标节点的另一个路由记录时,若新记录的顺序号比已有的记录大,则节点使用新的路由记录。若两个路由记录的顺序号相同,则节点使用路径长度更短的记录;否则,目标节点的记录不变。衡量路由性能的主要指标为时延、开销。时延是指一个数据包从源节点传送到目的节点所需要的时间。它包括了发送时延,传播时延,处理时延,排队时延等。在不考虑业务拥塞的情况下,由路由引起的时延主要来自于寻路。而对主动路由协议来说,寻路的过程为网络中拓扑发生变化到全网都获得新拓扑的时间。由于主动路由需要通过广播路由更新消息告知全网节点路由(拓扑)的变化,因此会带来较大的路由开销。而路由开销越大,路由所造成的网络压力就越大,占用资源量越多。综上,本文针对主动路由存在的更新周期过长链路不准确、更新周期过短开销大的缺陷,首先介绍了 Ad Hoc网络DSDV路由协议的研究目的和意义及其发展现状,并介绍了本文的内容安排和工作。其次,介绍了 AdHoc网络的研究背景,并对Ad Hoc网络中多种路由协议进行比较,分析其优缺点。然后对DSDV的原理进行介绍,对DSDV路由协议流程进行重点分析,提出了 DSDV目前存在的问题与文章的主要研究工作,对协议性能进行分析,并详细介绍性能仿真的过程。然后,根据DSDV路由协议的性能评估标准,对参数进行分析与仿真,并阐述未来工作。本文根据设定不同更新周期,结合NS-2网络仿真平台模拟了 DSDV路由协议在不同更新周期的情况下的性能,为后续DSDV的研究提供参考。将更新周期设定为本文得出的最优化更新周期,并与同类主动路由OLSR及按需路由AODV进行对比,得出优化后的DSDV协议能够在达到较小时延的同时保持较为稳定的开销。最后对本文进行总结,并对Ad Hoc网络DSDV路由协议进行展望。
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【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.5

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