基于aodv的ad hoc网络qos路由协议的研究与仿真

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武汉理工大学硕士学位论文摘要无线自组网(AdHoc)是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的一个多跳、临时和无中心的网络。由于AdHoc网络不需要现有基础网络设施的支持，因此AdHoc网络的使用非常方便、灵活。近年来，随着网络多媒体业务的不断增多，如何在AdHoc网络中提供多媒体业务成为一个迫切需要解决的问题，越来越多的学者开始研究如何在AdHoc网络中满足QoS需求，使之具备传输多媒体业务的能力，而这个问题的关键是设计稳定高效的QoS路由协议。另一方面，AdHoc网络中节点的频繁移动，网络拓扑结构的不断变化，加之移动节点的计算能力和存储容量较低，并且能量受限，要求路由协议尽量简单，极大的增加了AdHoc网络中路由协议设计的难度。本文的研究工作和创新点主要体现在以下几个方面：(1)对AdHoc网络中典型的路由协议进行了分析并且对典型的按需路由协议AODV和表驱动路由协议DSDV进行了仿真。仿真结果表明，总的来说，按需路由协议的性能要好于主动路由协议，因为按需路由协议是为适应AdHoc网络的需要而设计的。(2)对AdHoc网络的功率控制问题进行了探讨，分别从物理层、链路层和网络层对功率控制问题进行了分析，比较了DSR、AODV、DSDV和TORA四种典型路由协议的能耗情况。(3)对在AdHoc网络中实施QoS路由的有关问题进行了研究，分别从QoS模型、QoS路由算法、QoS路由协议以及QoS实施中的难点等几个方面来研究如何在AdHoc网络中满足QoS需求。(4)提出了一种新的基于带宽和能量约束的QoS路由协议BERP(BandwidthandEnergyRouteProtoc01)。该协议以典型的AODV协议为基础，针对现有的许多QoS路由协议的局限性，即一旦选定了源节点到目的节点的路径，满足要求的特定业务流会一直从这条路径上传送数据包，直到这条路径断链，因此BERP修改了以带宽为指标的基于AODV的QoS路由协议的路由发现机制和维护机制，在路由发现过程中，选择剩余能量较多的节点建立的路径来传送数据包，在路由维护过程中，为节点 武汉理工大学硕士学位论文定义一个能量级别，当节点的能量级别小于设定的值时，重新启动路由修复，通过这种方式，使得整个网络中节点的能量消耗比较均衡，从而延长了网络的存活时间。本文得到了国家自然科学基金项目(批准号：60672137，90304018，60773211)，教育部博士点基金项目(批准号：20060497015)和湖北省科技攻关项目(2007从101C63)的资助。关键词：AdHoc网络，QoS路由协议，AODV，能量，NS2Ⅱ 武汉理工大学硕士学位论文AbstractWirelessmobileAdHocnetworksformedbyacollectionofmobilenodesthroughradiolinksaretypicallycharacterizedbyⅡleirmulti—hop，temporaryandnn·center．TheuseofAdHoenetworksisveryconvenientandflexible，becauseitdoesn’tneedthesupportofexistingnetworkinfrastructure．Forthepastfewyears，withtheincreasingofnetworkmultimediabusiness，howtoprovidemultimediabusinessinAdHoenetworksisbecomingapressingproblemtoberesolved,moreandmorescholarsstartresearchinghowtosatisfyQoSrequirementinAdHoenetworksandmakeittransportmultimediabusiness．However,theemphasisoftheproblemisdesigninghighlyefficientandstableroutingprotoc01．Ontheotherhand,thenodesinAdHoenetworksmovefrequentlyandthenetworktopologychangesconstantly，andthemobilenode’Sabilityofcomputationstorageisverylow，谢廿lenergylimited，whichincreasethedifficultiesofdesigningroutingprotocolinAdHocnetworksimmensely．Theresearchworkandinnovationofthethesisareasfollows：(1)ThethesisanalyzestheclassicroutingprotocolsinAdHoenetworksandmakessimulationsfortwoprotocolsofOn—DemandroutingprotocolAODVandTableDrivenroutingProtocolDSDV．Overall，thesimulationresultsshowthattheperformancesofOn·DemandroutingprotocolsarebetterthanTableDrivenroutingprotocols，becauseOn-DemandroutingprotocolsaredesignatedfortheneedofAdHoenetworks．(2)ThethesismakesresearchesforthequestionofpowercontrolinAdHoenetworks，andanalyzespowercontrolquestionfromphysicslayer,linklayerandnetworklayer，andalsocomparestheenergyconsumptionoffourclassicroutingprotocolsofDSR、AODV、DSDVandTOIL&．(3)TheproblemofimplementingQoSroutingisstudiedinthisthesis，andtheauthorresearchesthathowtosatisfyQoSrequirementsfromtheaspectsofQoSmodel，QoSroutingalgorithms，QoSroutingprotocolsandthedifficultiesofQoSimplementation．III 武汉理工大学硕士学位论文(4)TheauthorproposesanewbandwidthandprotocolBERP(BandwidthandEnergyRouteProtoc01)．BERPisbasedonclassicAODVprotoc01．ForsomecurrentQoSroutingprotocols，afterchoosingthepathfromsourc宅nodetodestinationnode,thespecialQoSflowofsatisfyingdemandwillalwaystransportdatapackages谢mthepath,untilthepathdisconnection，soBERPmodifiesroutingdiscoveryandmaintenancemechanismfortheQoSroutingprotocols，whichisbasedonAODVandfeaturedbybandwidth．Whenroutingdiscovering,BERPchoosesthenodes，whichhavemoreremainingenergytotransportdatapackages．Attheprocessofroutingmaintenance，BERPdefinesavariablenamedenergylevel，whennode’senergylevelislowerthandesignatedvalue，thealgorithmwillstartroutingrepairingproe．．dures．Bythisway,allthenodes’energyconsumptioninnetworkwillbecomemorebalanced，andthelifetimeofthenetworkwillbeprolonged．ThisthesisissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(60672137，90304018，60773211)，SpecializedResearchFundfortheDoctoralProgramFoundationofMinistryofEducationofChinaunderGrant(20060497015)andHubeiProvinceScientificandTechnologicalResearchProject(2007AAl01C63)．Keywords：AdHocNetworks，QoSroutingprotocols，AODV，∞ergy,NS21V 独创性声明本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：孽冬雄日期—么斟关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生签名：枣盛耷导师签名：主鼢姓ul 武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1．1课题研究的来源和意义随着社会的进步，人们对灵活、快捷、方便的通信方式要求越来越高；而全球化进程的加快又进一步刺激了通信与网络技术的发展，人们不断追求任何人可以在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。个人业务需求无论是在支持范围上还是种类、质量要求上都大大的增加，极大地刺激了无线通信网络的迅速发展。蜂窝移动通信系统、无线局域网(IEEE802．11)、蓝牙技术(Bluetooth)、家庭无线I网(HomeRF)等移动通信新技术【l】纷纷涌现，而AdHoc网络技术作为无线通信领域一种新的网络技术，正在从军事通信渗透到相关的各个民用通信领域。这些新技术的出现，极大的方便了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展。AdHoc网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制；另一方面作为互联网在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到互联网的无缝的接入机制。当前互联网已经可以在一定程度上保证综合业务传输的服务质量。近年来随着多媒体应用的普及和AdHoc网络在商业应用的进展，人们很自然地会产生在AdHoc网络上传送综合业务的需求，并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障。因此AdHoc网络对QoS保障的支持显得越来越迫切和重要。无线通信技术和计算机网络技术的发展为无线移动AdHoc网络的产生奠定了基础。AdHoc网络不论是军用还是民用，都有着广泛的应用价值和重要的研究意义。在AdHoc网络研究中，因为每个节点兼具路由器的功能，所以路由是一个非常重要的研究问题。与固定的有线网络不同的是，在AdHoc网络中提供QoS支持将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战．与其它通信网络一样，AdHoc网络中的服务质量保证也是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。其实现至今仍是一个待解决的问题。这对带宽较低、通信线路质量受限的AdHoc网络而言，是很大的挑战。所以，如何在AdHoc网络中合理地利用无线网络资源，实现有针对性的QoS保证具有重要的理论及实际意义。本文得到了国家自然科学基金项目(批准号：60672137，90304018，60773211)，教育部博士点基金项目(批准号：20060497015)和湖北省科技攻关 武汉理工大学硕士学位论文项目(2007．从101C63)的资助。J1．2AdHoc网络的发展历史与定义无线AdHoe网络的前身是分组无线网(PaeketRadioNetwork)。早在1972年，美国DARPA(美国国防高级研究计划局，DefenseAdvancedResearchProjectAgeney)就启动了分组无线网项目PRNET(PacketRadioNetwork)，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项目SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。成立于1991年5月的IEEE802．11标准委员会采用了“AdHoe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，AdHoe网络就此诞生。正TF也将AdHoe网络称为MANET(移动AdHoe网络)。AdHoe一词来源于拉丁语，意思是“专用的、特定的”意思，即AdHoe网络是一种有特殊用途的网络。无线AdHoe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临时性自治系统【2捌，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Intemet或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，无线AdHoe网络通常是以末端子网(树桩网络1的形式接入现有网络。无线AdHoe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。在无线AdHoe网络中，节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要通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。AdHoe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类型的移动计算机通信网络。1．3AdHoc网络的特征比较(1)无中心和自组织性：AdHoe网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻住何地方快速展开并自动组网。由2 武汉理工大学硕士学位论文于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好，图1．1所示为AdHoe网络结构示意图。图1．1AdHoc网络结构(2)动态变化的网络拓扑：AdHoe网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰；地形和天气等综合因素的影响，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。(3)多跳路由：由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它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，即要过多跳。此外，AdHoe网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，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，从而达到节省电能延长电池工作时间的目的。(4)无线信道传输：AdHoe网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远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，而在AdHoc网络中，广播信道是多跳共享的。一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到，而此范围之外的其他节点觉察不到。此外，地形或发射功率等因素影响使得AdHoe网络中可能产生单向无线信道。(5)移动终端的局限性：AdHoc网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处。但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等，3 武汉理工大学硕士学位论文从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。(6)安全性较差：AdHoe网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它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。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。如表1．1所示列出了AdHoe网络与现有无线网络的主要区别。表1．1AdHoe网络与现有无线网络的主要区别‘＼现有无线网络AdHoe网络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多变有无基础设施支持有无安全性和服务质量较好较差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战和有线骨干网无线节点和无线骨干网有基站集中负责，无线无线节点集中负责，无线节点的控制管理节点必须与基站通信通常采用分级控制1．4课题的背景在AdHoe网络中实施QoS不是某层协议要单独面对的问题，而是各个协4 武汉理工大学硕士学位论文议层都要面对和解决的问题。在信道接入层需要信道预留，网络层需要QoS路由，网络层之上又需要资源预留信令，在应用层还需要自适应编解码和缓存等·技术。建立一个明晰的QoS框架来指导各协议层的设计，并能够在各层之间交互QoS需要的信息是非常重要而且急迫的。在这方面许多的研究人员作了大量的工作，并取得了一定的研究成果。但这些成果都是基于某种网络拓扑和应用环境而设计的，或是基于某个约束条件而设计的。随着AdHoc网络应用的普及，在网络规模、网络拓扑、组网形式等方面都呈现出一定的多样性，能满足这种多样性的路由协议还非常少见。此外，对于实时业务(如多媒体业务)的支持，路由协议要能够提供带QoS的路由选择功能，这牵涉到多约束条件的路由协议，目前仍是一个难点。对已有的无线AdHoc网络的QoS路由协议，我们将其大致分为3类：基于TDMA的、基于TDMA／CDMA的和通用的QoS路由协议。1．4．1基于TDMA的QoS路由协议对于这类QoS路由协议，要求无线节点采用TDMA的多址技术，且网络中的各移动节点能估计无线链路的可用带宽(通常以空闲时隙表示)并预留可用的带宽资源．它需要解决如下几个关键问题：(1)在考虑隐终端和显终端问题的前提下，为路径P上除目的节点外的所有节点给出一种无冲突的发送时隙调度算法，使路径P的带宽最大。由于这一问题是NP完全的，因此，好的思路是给出次优的启发式算法；(2)基于上述发送时隙调度算法，给出相应的QoS路由协议，该协议的开销应尽可能小，同时能快速响应网络拓扑的变化，进行QoS路径的重建和恢复；(3)无论是时隙调度算法还是路由协议都应该是分布式的。1．4．2基于TDMA／CDMA的QoS路由协议在基于TDMA／CDMA的无线AdHoc网络中，无线链路采用TDMA和CDMA相结合的多址技术。需要解决的关键问题与基于TDMA的QoS路由协议需要解决的关键问题类似。不同的是，由于在网络中不存在明显的隐终端问题，因此，其路径比用带宽的估计和时隙预留算法相对简单，但其代价是需要在TDMA之上叠加复杂的CDMA机制。 武汉理工大学硕士学位论文1．4．3通用的QoS路由协议通用的QoS路由协议并不针对具体的MAC机制，但它假设MAC协议具有本地可用带宽估计、时延估计和资源预留功能。需要考虑以下几个主要问题：(1)网络拓扑和链路状态信息的更新与维护；(2)基于不完全和不准确的网络拓扑和链路状态信息发现QoS路由。在无线AdHoc网络中，由于无线信道的特点和节点的移动性，移动节点保存的网络拓扑和链路状态信息通常是不完全和不准确的；(3)应避免泛洪式的QoS路由搜索算法。QoS路由搜索算法能够根据网络拓扑和链路状态信息引导路由搜索包沿某方向在一定范围内搜索QoS路由，并尽量增大搜索成功的概率。1．5本文主要研究工作当前，研究AdHoe网络路由协议尤其是研究如何在AdHoe网络中提供QoS保障的路由协议成为不少学者关注的主要问题，不同的学者分别从不同的角度提出了自己的设想，并进行了有益的实践，取得了很好的效果，对已有的无线AdHoe网络的QoS路由协议，可以将其大致分为3类：基于TDMA的、基于TDMA／CDMA的和通用的QoS路由协议，但是对于AdHoc网络的节能问题考虑的还比较少，因此，本文在前人研究成果的基础上，结合AODV路由协议，对AdHoe网络QoS路由进行了积极的探讨。本文主要的研究内容如下：(1)对典型的AdHoe网络单播路由协议进行了较为深入的探讨。(2)对AdHoe网络典型的按需路由协议AODV和主动(表驱动)路由协议DSDV进行了深入的研究分析，并通过NS2网络仿真软件进行了仿真，分析和比较其性能优劣。(3)对AdHoe网络QoS模型、QoS路由算法、QoS路由协议以及QoS研究中的难点等几个方面来阐述如何在AdHoe网络中提供QoS保障。(4)在AODV协议的基础上，提出了一种基于带宽和能量约束的QoS路由协议BERP，并在NS2网络仿真平台下对BERP和AODV进行了仿真，比较了两种协议的性能。6 武汉理工大学硕士学位论文本文所做的尝试主要是：(1)对AODV路由建立过程的改进，在路由发现的过程中，根据节点的当前能量来设置一个权值，然后RREQ请求包会根据权值的不同来进行相应的处理。RREQ请求包在到达下一跳节点时，在满足带宽请求的前提下，把当前节点的权值加到路径权值P；中，到达目的节点后，目的节点比较当前路径的P；和已保存的路径的P，，然后选择保存P，较小的路径。(2)对AODV的路由维护机制进行了优化，根据节点的初始能量和当前能量设定能量级别，当某条路由传送数据包一段时间后，如果某个节点的能量级别减少到一定程度，BERP会启动链路修复，并对断链修复机制进行了优化，通过仿真比较可以看出，改进的协议降低了路由开销，提高了协议的性能。1．6论文的组织结构本文总共分为6章，其主要内容如下：第1章概述了AdHoc网络的发展历史、概念和特征，并介绍了课题研究的来源、意义和背景，最后给出了本文的主要研究工作和组织结构。第2章分析了AdHoe网络的单播路由协议并对AODV和DSDV进行了仿真，其次对AdHoc网络的功率控制问题进行了研究。第3章详细研究了AdHoc网络QoS路由技术，包括QoS模型和三种QoS路由协议。第4章提出了一种新的带宽和能量约束的QoS路由协议BERP，NS2仿真表明，该协议具有QoS路由功能，提高了网络的存活时间。第5章对第4章提出的BERP协议和已有的AODV协议进行了仿真、分析和比较。第6章给出了本文的总结和下一步工作的展望。7 武汉理工大学硕士学位论文第2章AdHoc典型路由协议仿真及功率控制分析路由技术主要是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，从而使得网络用户不必关心网络的拓扑构型和使用的通信介质。在传统的OSI参考模型中，网络层实现路由功能。OSI中的网络层定义操作系统通用的协议，为信息确定地址．把逻辑地址和名字翻译成物理地址，它也确定从源节点沿着网络到目标节点的路由选择，并处理业务流问题，例如交换、路由和对数据分组阻塞的控制。网络层也许是OSI参考模型中最复杂的一层，部分原因在于，现有的各种通信子网事实上并不遵循OSI网络层服务定义。同时，网络互联问题也为网络层的制定增加了很大难度。在实际应用中，一般使用路由器实现网络层的路由转发功能。路由器可以将子网连接在一起，它依赖于网络层将子网之间的流量进行路由。数据链路层协议是相邻两直接连接节点间的通信协议，它不能解决数据经过通信子网多个转接节点的通信问题。而路由是把信息从源穿过网络传递到目的的行为，在传输途中至少遇到一个中间节点。桥接发生在OSI参考协议的第二层(链路层)，而路由发生在第三层(网络层)。这一区别使二者在传递信息的过程中使用不同的信息，从而以不同的方式来完成其任务。2．1自组网路由协议的分类传统的路由协议无法适应AdHoc网络的需要，因此必须选择或设计适用于AdHoe网络环境特点的路由协议。经过多年的研究，许多协议方案相继被提出。除了MANETWG(WorkGroup)发布的DSR，AODV，ZRP(ZoneRoutingProtoc01)等路由协议草案外，研究人员还发表了许多关于自组网路由协议的学术论文，如DSDV(Destination．sequ胁ced．Distance-VectorRouting，目的节点序列距离矢量路由协议)、WRP(WirelessRoutingprotocol，无线路由协议)、CGSR(Cluster．headGatewayswitchRouting，分簇网关交换路由)、轻型移动路由协议LMR和RDMAR(RelativeDistanceMiero．discoveryAdHoeRouting)等。根据发现路由的策略，可以将其分为主动路由和按需路由协议【州2】；根据网络逻辑结构，可以将其分为平面结构和分级结构两种：从网络逻辑角度出发，可分为平面路由和分级(层、 武汉理工大学硕士学位论文簇、群)路由，另外，从是否使用GPS系统作为路由辅助条件的角度出发，还可分为地理定位辅助路由与非地理定位辅助路由。需要注意的是，分级路由中的分簇与网络管理控制中管理分簇不同。管理分簇引入簇首为中间节点，以减少管理消息开销，其目标与路由分簇不同，功能更弱。路由分簇中簇首负责跨簇分组的路由，其分簇基本目标为维护路由；网络管理控制协议为应用层协议，若低层路由协议也是基于分簇的，则可利用低层分簇，否则依赖于路由支持以交换控制消息，路由协议分类如图2．1所示。地理定位辅助路由协议(L讯、DREAM、GeoCast、GPSR)图2．1路由协议分类2．2主动路由协议主动路由协议也被称为表驱动路kb(TableDriven)协议、先应式路由协议，其路由发现策略类似于传统的路由协议。在主动路由协议中，网络的每一个节点都要周期性的向其它节点发送最新的路由信息，并且每一个节点都要保存一个或更多的路由表来存储路由信息。当网络拓扑结构发生变化时，节点就在全网内广播路由更新信息，这样每一个节点就能连续不断地获得网络信息。典型的主动路由协议有DSDV、WRP等。2．2．1DSDV协议及性能分析DSDV[13,14l(DestinationSequencedDistanceVector，目的节点序列距离矢量协9ⅣURP南R；；艮删，岬吼跚趾职文怒搿邮旭黑淼然盎一搋路潞．、面怩时ll恭厂t黼 武汉理工大学硕士学位论文议)是一个基于传统的Bellman．Ford路由选择机制的驱动算法，它被认为是最早的自组网路由协议，通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生。DSDV在传统的Distance-vector算法的基础上，采用了序列号机制，通过给每个路由设定序列号来区分新旧路由，防止Distance-vector算法可能产生的路由环路。DSDV采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路由表，其中包括所有有效目的节点、路由跳数、目的节点路由序列号等信息，目的节点路由序列号用于区别有效和过期的路由信息以避免环路的产生。路由表更新分组在全网内周期性地广播而使路由表保持连贯性。每个节点周期性地将本地路由表传送给邻近节点，或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信息传给邻近节点。当无节点移动时，DSDV使用间隔较长、包含多个数据单元的大数据分组进行路由更新；在节点移动时使用较小的数据分组，并且只对移动的节点更新路由，这样降低了整体的开销。当邻近节点收到包含修改的路由表信息后，先比较源节点、目的节点路由序列号的大小，标有更大序列号的路由信息总是被接收，目的节点路由序列号小的路由被淘汰。如果两个更新分组有相同的序列号，则选择跳数最小的，而使路由最优最短。为了消除最优路由的频繁变化，节点首先根据历史记录，估计产生路由所需的保留时间(settletime)，推迟一个T再发送修改的路由信息。(1)性能分析DSDV是一种主动路由即表驱动路由协议，网络中的每个节点都要维护一张整个网络的路由信息表，因此使得每个节点的负担过重，同时由于移动AdHoe网络的拓扑变化比较频繁，因此每个节点要不断的更新它所维护的路由表，更加重了节点的负担，因此DSDV协议比较适合小规模的AdHoe网络，而对于大规模的AdHoe网络，一般采用分级结构的路由协议。2．2．2WRP协议及性能分析WRP[15](WirelessRoutingProtoc01)也是一种表驱动路由协议，在每一个节点中存在着四个表：距离表(distancetable)、路由表、链路状态表和消息重传列表(messageretransmissionlisttable)。在网络中，每一个节点都通过这些保存着所有邻近节点与该节点的连接状态。节点通过距离和倒数第二跳(second-t0．1asthop)信息来进行寻路。。(1)性能分析10 武汉理工大学硕士学位论文WRP通过在每一个节点中保留四张表即距离表、路由表、链路状态表和消息重传列表的方式来维护路由信息，并且也保留了该节点与邻节点的连接状态信息，因此每个节点维护路由信息所付出的开销也比较重，尤其当网络中节点频繁移动时，节点要更新路由信息，因此WRP协议不适于拓扑变化频繁的网络。2．3按需路由协议按需路由也被称为反应式路由协议、源启动按需路由协议(Source．Initiatedon-DemaadDriven)。与主动路由协议不同的是，按需路由协议仅当源节点需要到目的节点的路由信息发送数据时，源节点才发起创建路由。因此，路由表内容是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。通信过程中维护路由，通信完毕后便不再进行维护，下面介绍几种主要的按需路由协议。典型的按需路由协议有：2．3．1DSR协议及性能分析DSR[№181(动态源路由协议)协议是一个典型的按需路由协议，也是最早采用按需路由思想的协议。DSR是基于源路由概念的按需自适应路由协议。移动节点需保留存储节点所知的源路由的路由缓冲器。当新的路由被发现时，缓冲器内的条目随之更新。它的最大特点是使用了源路由机制，每一个分组的头部都包含整条路由信息。这种机制最初被IEEE802．5协议用在由网桥互连的多个令牌环网中寻找路由。DSR借鉴该机制，并结合了按需路由的思想。采用Cache(缓冲器)存放路由信息，且中间节点不必存储转发分组所需的路由信息，网络开销较少，但存在陈旧路由。DSR的特点在于使用了源路由机制，在分组头部携带要经过的路由，路由器按照该路由序列来转发分组。DSR协议包括两个过程：路由发现和路由维护。(1)路由发现当一个节点欲发送数据到目的节点时，它首先查询路由器看是否有到达目的节点的路由发现程序。如果有，则采用此路由发送数据。如果没有，源节点就开始启动路由发现过程，路由发现过程使用洪泛路由。当节点S需要到节点D的路由时，节点S广播“路由请求”分组(RREQ)，每个请求分组通过序列号和节点S标识惟一确定。收到“路由请求”分组的节点，若满足该节点不是目的节点D； 武汉理工大学硕士学位论文请求分组头部的源路由序列中不包含该节点：该节点没有接收过同样的路由请求分组；节点的路由表中没有到目的节点D的路由信息；节点将自己的地址附加到“路由请求”分组头部的路由序列中，并将分组转发给所有相邻的节点。若请求分组头部的源路由序列中不包含该节点，而该节点接收过同样的路由请求分组，则节点将删除该请求分组，防止循环处理和出现路由环路。若该节点不是目的节点D，节点自己路由表中记录有到目的节点D的路由信息，节点将发送“路由应答”给节点S，应答中包含了从节点S到节点D的路由。节点S获取路由后，使用源路由进行数据通信。(2)路由维护’DSR支持主动应答和被动应答两种链路状态监测方法，路由维护通过路由错误分组和确认分组来实现。一旦节点在发送数据时发现需要使用的邻节点断开，它发送“路由出错”分组给这些断开路由的节点，源节点收到分组后，将失效路由从路由表中删除。沿途转发“路由出错”的节点也从自己的路由表中删除包含该断开链路的所有路由。除路由错误分组外，确认分组可以用来验证路由连接的正确运行。路由维护过程中，源节点监测网络拓扑的变化。若有变化导致源路由中断，源节点就尝试用缓存中的路由信息；如果不成功，就重新启动路由发现过程。为减少路由开销，节点缓存学习或用过的路由信息，并通过随机收听的方式来获取路由信息。(3)性能分析DSR是一种在AdHoc网络中使用比较广泛的典型路由协议，由于它是按需路由协议，每个节点不需要维护整个网络的路由信息，因此相对于表驱动路由协议，每个节点维护路由信息的开销大大减少，DSR采用了源路由机制，采用Cache(缓冲器)存放路由信息，也减轻了路由维护开销，此外DSR协议也支持节点睡眠，当网络中某些节点没有数据包要传送时，就转入睡眠模式，因此节省了电池能量，但是这种协议也有它的局限性，随着节点的移动，Cache中存放的路由信息过了一段时间后可能变成陈旧路由，并且DSR协议是一种平面路由协议，可扩展性不强，因此DSR协议不适于大规模的AdHoc网络。由于DSR协议是AdHoc网络中比较典型的按需路由协议，因此近年来，不少学者对DSR协议从不同的角度对该协议提出了各自的改进建议，并进行了积极有益的探索，取得了很好的效果，主要有以下几个方面：a．采用路由缓存技术，以加快路由发现过程，通过限制路由请求消息传播，12 武汉理工大学硕士学位论文来减少路由请求消息的洪泛，如R．Castaneda于1999年提出的QueryLocalization协议等。b．通过使用位置信息减少路由请求消息的洪泛，如：Young．BaeKo于1998年提出的LAR协议等。c．当链路出错时，出错点的中间节点可以从自己的路由列表中选出另一个可选路由，完成到目的节点的数据传输。2．3．2AODV协议及性能分析AODV[1恻∽dHocOn．DemandDistanceVectorRouting)是另外的一种随选驱动路由协议。当一个节点需要给网络中另外一个节点传送信息时，首先以广播的形式发出RREQ，其中记录着发出的源节点和目的节点的地址，邻近节点收到RREQ，首先判断其中的目的节点是否就是自己，如果不是，再在记录中查找是否有到目的节点的路由。如果满足上边的任何一条就发出RREP给源节点。如果不能满足就转发RREQ继续查找。对于每一条路由都对应着一个序列号，当路由更新时，序列号也随着更新。AODV协议的路由维护是通过定期的广播hello报文来实现的。一旦发现某一个连接断开，节点就发送RRER报文通知那些因连接断开而不可达的节点删除相应的路由记录。(1)性能分析AODV协议也是一种在AdHoc网络中使用相当广泛的按需路由协议，AODV协议采用了序列号机制，对于每一条路由都对应着一个序列号，当路由更新时，序列号也随之更新，这种序列号机制保证了网络中不存在环路路由，而且对于每一条路由都对应着一个序列号，当路由更新时序列号也随之更新，这保证了当有数据包要从源节点发送到目的节点时，总是选择最新的路由来传送数据包，此外AODV协议的路由维护是通过周期性的在全网发送HELLO报文来实现的，一旦发现了链路上某个节点断开，AODV就会重新启动路由发现过程。但是AODV协议也有它的局限性，节点定期发送HELLO报文造成了一定的额外开销，并且一旦发现链路断裂，AODV就会启动路由发现过程，重新找到～条从源节点到目的节点的路由，相对于某些路由协议，当路由出现断裂时只是启动局部路由修复程序，造成的路由开销也不容忽视，同时AODV也是 武汉理工大学硕士学位论文一种平面路由协议，不适于大规模的AdHoc网络。2．4典型按需路由协议和表驱动路由协议性能仿真及分析AODV协议是目前研究最多的按需驱动路由协议，而DSDV又是非常典型的表驱动路由协议，因此通过仿真实验观察这两种协议的性能大致可以看出两类路由协议的优劣。’仿真实验利用比较典型的仿真软件NS2来做仿真，对于NS2，我们将在第六章进行比较详细的介绍，这里我们仅仅描述一下本次仿真时的仿真模型。表2．1列出了仿真的性能参数，同时，为了尽可能的避免实验误差，我们对每一次仿真做了5次实验，然后取平均值得到仿真结果，下图2-2到图2．5中，M．1表示节点的最大速率为为lm／s，M．20表示节点的最大速率为20m／s。表2．1NS2仿真性能参数网络范围670×670节点个数50网络业务CBR业务流报文大小512ByteMAC层模型802．11DCFRadio模型Two-RayPauseTime0、100s,150，250s，300s，450s，600sSpeed1、20m／s从图2．2和图2．3可以看出，两种协议的投递率均是随着节点停留时间的增加而增加，不难理解，停留时间越长，网络拓扑越稳定，发生断链的几率变小，报文转发不成功的可能性就小，因此投递率随停留时间增加而增加。另外还可以看出，两种协议均是速率较小时的投递率高于速率较大时的投递率，这是因为节点的运动速率和停留时间一样，都能影响网络拓扑的稳定性，运动速率越大，拓扑越不稳定，因而速率为1时的投递率要高于速率为20时的投递率。从图2_4和图2．5可以看出，总体上两种协议在相同节点停留时间下，速率为20时的路由负载要高于速率为1时的路由负载，这同样是因为节点运动速率越大，网络拓扑变化越快，导致重新建立路由的概率增大，因此路由负载也就14 武汉理工大学硕士学位论文：L·：!广r．／≯：!●，—，一。。一●：}：{，f／’，／／‘，‘／H-·i——●一H一20——卜_I10l00200300400500600simula七iONtime(s)图2．2速率为1和20时的AODV投递率比较日1日0己日D3日0400S00600simulation七ime(s)图2．3速率为l和20时的DSDV投递率比较相应的增大。另外还可以看出，对于AODV协议，随着节点停留时间的增加，路由负载相应的减少，这是拓扑相对稳定而使得重新建立路由的概率减小的原因，从图24可以看出，速率为20时AODV协议的路由负载随节点的停留时间增加而急剧降低。对于DSDV协议，它是一种典型的表驱动路由协议，路由变化的可能性比较小，因此节点的停留时间和节点的运动速率对其路由负载的影响就比较小，从图2．5可以看出路由负载的变化相对于AODV协议来说比较平稳。15l98765432l90co—po毋L-乃Lo)一一mDpolo巾n18642986429．88．0．0co—po巾L。卫L山)一一山刁p山Io巾包 武汉理工大学硕士学位论文从图2-6和图2．7可以看出，两种协议在相同的速率相同的停留时间下，均是AODV的投递率要高于DSDV的投递率，由于AODV是一种典型的按需路∞22000o山舌20000f3_18000刁Z16000f莹14000西12000C：10000328000【-日l00200300400500600simulatiOR七ime(s>图2_4速率为1和20时AODV的路由负载比较300002500020000150001000001日日2日日300400500b00simulation七ime(s>图2．5速率为1和20时DSDV路由负载比较由协议，当有数据包要发送时，如果源节点有到目的节点的路由，就转发数据包，否则就发起路由请求建立路由，因此自适应性比较好，而DSDV是典型的表驱动路由协议，源节点到目的节点的路由保存在每个节点的路由表项中，但是当网络拓扑频繁变化时，这种方式很难适应数据包的转发，因此投递率指标在同等条件下劣于AODV协议。16∞p山Yo巾QD毋山CL山，、oaC—p)oL 武汉理工大学硕士学位论文simulatioRtime(s)图2石AODV和DSDV在速率为l时投递率比较simula七i01"1time(s)图2．7AODV和DSDV在速率为20时投递率比较2．5节能处理无线通信网络在很多领域都得到了广泛的应用【21捌。按照控制方式的不同，这类网络大致可以分为两类：一类是集中控制式网络，以蜂窝电话系统为代表，在蜂窝网络中，每个基站和在此基站内的手机通过“手机．基站”的控制模式形成一个简单的单跳无线网络，手机．基站模式如下图2-8所示，基站(以及移动中心)对网络运行负有控制职责；另一类则是分布控制式网络，以AdHoc网络为代表。17l59585759897969．9．9．9．0．0．0．0D0co—po田L～乃L山，、一一山Dp山工。田nco—po毋Lq了Lm)一．【m刁p山Io仍Q 武汉理工大学硕士学位论文在AdHoc网络中，节点没有主次之分，共同对网络的运行负责，网络的设计符合计算机网络ct分层设计、层间独立’’的设计原则【23弘】。手机1手机2图2．8“手机一基站一模式无线通信网络中的节点往往能量有限并且共享传播媒体，前者要求在达成通信要求的前提下尽量减少无线节点的能量消耗，后者则需要各个节点使用最合适的发射功率来减轻信号之间的干扰。在计算机网络中，不同的功率分配策略甚至会导致不同的网络拓扑，影响网络的连通。这些都对有效的功率控制策略提出了迫切的要求【23-26】。功率控制的目标是减少无线节点的能量消耗，减轻网络中的信号干扰，更好的利用无线媒体，达成所需的通信要求。功率控制是无线蜂窝网络中的一项关键技术，在CDMA和WCDMA等蜂窝网络中起着不可替代的作用；在AdHoc网络中，其设计跨越网络中物理层、MAC层、网络层、传输层等若干层次，影响到网络连通性、拥塞控制、路由算法等重要问题【27郐1，是AdHoc网络中的一个核心问题。目前，功率控制问题已得到不同学科领域(如通信、网络、计算机等)学者的广泛关注，取得了一系列研究成果。这些研究大多是从网络和通信技术的角度，提出新的功率控制算法和基于功率控制的接入控制与路由算法，对算法进行仿真和性能分析等。本文试图从控制理论的角度，分析功率控制中存在的控制理论问题，提出一些可能有效的解决方法。2．5．1问题描述与分析无线通信网络中的功率控制问题是在网络节点能量有限、信道存在衰减等 武汉理工大学硕士学位论文若干限制条件下，利用网络中有限的反馈信息，调节各无线节点的发射功率，使网络满足连通性、容量最大化、稳定性等若干控制目标的一类控制问题。由于实际网络的固有特性，无线通信网络的功率控制问题有不同于传统控制问题的特点。(1)有限的控制信息在无线通信网络中，由于下面的原因，使得只有有限的信息能够用于指导无线节点的功率调节。(2)有限的带宽无线带宽是网络中的稀缺资源。为使有用数据传输最大化，控制信息的通信量要受到严格的限制。如在CDMA系统的反向闭环功率控制中，仅使用一个比特携带反馈的功率控制信息。(3)AdHoc网络中缺少中心设施以提供反馈控制信息与蜂窝网络中的“手机．基站”模式不同，AdHoc网络中所有节点都处于相同的层次上，没有地位特别重要的节点来控制各节点的功率分配。这使得在AdHoc网络中配置基于反馈的功率控制策略变得尤为困难。(4)反馈控制信息的精确及时与带宽有限的矛盾在实际的通信网络中，反馈的控制信息都是经过离散的时间间隔来传送的。时间间隔越短，反馈信息就越及时，调节也越精确，但因此而耗费的通信带宽资源也越多，反过来也是如此。(5)不可信任的控制结构不可信任的无线媒体：无线电波的传输要经受衰减，并受到周围环境噪声的干扰，一般而言，不经过确认，人们无法确信任何信号的传输是准确有效的，即便是控制信道上的信号也是如此，这造成了功率控制信息的不可信任。功率控制引发单向信道：尤其是在AdHoc网络中，由于信道衰减在方向上的不同，更重要的是因为采取的功率控制策略的影响，并非所有的节点都使用相同的信号发射功率，因而无法保证所有的信道都是双向的。而单向信道使得功率控制过程无法形成闭环。(6)执行机构的局限作为功率调节的执行机构，无线节点往往并不能任意调节自己的发射功率。一般而言，节点的发射功率有严格的上限，同时在这个上限以内，功率也往往不能连续调节，而是只有几个离散的功率可用。以CISCOAironet350系列无线网卡为例，它仅有6个可调的功率水平(1，5，20，30，50和100mW)。19 武汉理工大学硕士学位论文(7)局部性与异步性局部性的含义是指，无线节点在功率调节的过程中，往往并不具有网络中所有节点的功率信息，它们只能使用局部的信息，专注于自己的功率调节，而无法顾及其它节点的功率调节行为。在CDMA网络中，无线节点只跟当前小区中的基站联系，通过二者之间的信息交互，调节各自的功率水平。在AdHoe网络中，节点功率的调节也同样只能依赖它与周围的有限节点的局部信息交流。另外，各个节点的功率调节行为相互之间是独立的(或者只有邻近的几个节点有关联1，没有一个全局的时钟来同步所有节点的调节行为。因而，从整个网络的角度看，这种调节是异步进行的。2．5．2物理层功率控制物理层功率【29】控制主要以无线网络接口卡的功率控制为主，功率控制主要是通过调整发送节点的信号发射功率，在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。在AdHoe网络中采用功率控制机制不但能够降低网络能耗，还可以降低对邻近结点的干扰，提高信道的空间复用度，最终提高整个网络的容量。功率控制作为提高AdHoc网络性能的一种机制，其重要性日渐突出，已经成为AdHoe网络应用中不可缺少的重要手段。节点应该用多大功率来发送信号是一个比较难以回答的问题。减小节点的发送功率可使发送时的能耗减小，也能提高信道的空间复用度，但收发结点间报文的平均转发次数可能会增多，导致业务流端到端的延时增加，端到端吞吐率也不一定能够提高。如果增大发送功率，通信距离随之增加，报文平均转发次数会少，降低业务流端到端的延时，但这样又会使信道的空间复用度减小、降低网络容量，同时也会使结点发射时的能耗增加。发送功率的选取要在节点能耗、报文平均转发次数、信道空间复用度之间进行折衷。移动节点主要以小电池组作为能量来源，使得能源受限成为AdHoc网络的特性之一。因此，对于无线节点来说，电池能量是一种宝贵的资源。如何最有效地利用节点的能量，延长整个网络的生存时间就成为AdHoc网络研究中的一个重要问题。具体来说，研究AdHoe网络中的能量控制问题的主要目标是降低节点的能量消费，延长节点和网络的寿命，以及调整节点的发射功率，减少对邻居节点的干扰，提高网络的吞吐量。通常这两个目标是相辅相成、不可分割的。 武汉理工大学硕士学位论文2．5．3链路层的功率控制在链路层进行功率控制的目的是在给定最大发送功率的条件下，尽量提高信道的空间复用度。因为在最大发射功率一定的情况下，就已经决定了报文从源节点到目的节点的平均跳数。这个最大发送功率值可由网络层的功率控制机制根据网络拓扑情况来动态调整，或固定为一个常数。链路层的功率控制【30L‘般都通过MAC协议来完成。当前进行功率控制的主要方法是通过利用冲突避免类型协议中发送数据报文前交互RTS／CTS控制信息来提供有关链路的参数信息，并由此来进行功率调整。另一种方法是利用一个忙音信道发送忙音信号为功率控制提供必要的参考信息。AdHoe网络中，主要采用冲突避免类型的信道接入协议来解决隐终端问题。当前，已经提出了许多种基于冲突避免类型的信道接入协议。其共同特点是：发送端在发送数据以前，先向接收节点发一个请求发送控制报文RTS，接收端如果可以接收数据，则返回一个允许发送控制报文CTS。发送端收到此CTS报文后，则可以开始发送数据。接收端在正确收到数据报文后，可根据具体协议返回一个确认报文ACK或不返回任何报文。控制报文的交互为我们进行功率控制提供了极大的方便，如我们可以在控制报文中带上发送功率或本节点的信噪比等参数，以便为对方进行功率控制提供参考依据。2．5．4网络层的功率控制通常，在收发机参数及信道条件一定的情况下，节点的发射功率决定了节点的通信距离。当此通信范围内的节点数过多时，由于竞争的加剧导致冲突迅速增加，使整个网络的性能不能达到最优。而AdHoc网络由于其使用环境的特殊性，节点分布的密度有时是无法预料的，这就需要一种机制来自动调节节点的发射功率，使其根据节点的分布情况自动调节发射功率。很显然，为了使网络内的任意一个节点都能与网络中的另一个节点进行通信，这个发射功率值不能太低。对于某一网络拓扑，节点的发射功率应该有一个最小门限，如果低于此门限值，则网络内会出现“孤岛现象’’，即“孤岛”内的节点与外界其他节点不能连通，不能交互信息。目前，对于网络中的节点到底应该用多大功率来发送的问题仍然是比较难以回答的。因为发送功率大，通信距离远，报文平均转发的次数就少，但这样会使信道的空间复用度降低，使每个节点的有效带宽减小。而减小发射功率，2l 武汉理工大学硕士学位论文能提高信道的空间复用度，增大节点的有效带宽，但报文的平均转发次数要增多。要回答这个问题就要在报文平均转发次数与信道空间复用度之间进行折衷。对于节点静止的无线网络，理论分析得出最佳邻居节点个数为6时，网络性能最好。而对于AdHoc网络，当节点移动性增加时，应适当提高发射功率以增大邻居节点数目，因为这样能减少链路中断的次数，同一路由能维持更长的时间，所以能更好地提高网络性能。研究认为不存在一个适用于所有移动速率的最佳邻居数，节点的移动速率越高，邻居节点的个数应该越多。2．6四种典型路由协议的能耗分析根据无线网络接口卡的规范，工作电压5．0V，接收节点电流为230mA，发送节点电流为330mA，带宽2Mbps，射频功率281．8mW，无线电覆盖范围250m。当节点发送或接收一个数据包时，节点能量的消耗与无线网卡的工作特性、数据包大小和带宽有关，可以表示为接收节点能耗如式2-1，发送节点能耗如式2．2㈨3“。占。=(023x5．0×Packetsize)／(z×10o)(2—1)E。=(0．33x5．0xPacketsize)／(2×106)(2-2)MAC子层发送与接收过程的能耗百分比关系，如图2-9所示。很明显，接收过程消耗了绝大部分能量。接收过程包括两类活动：接收现行数据和监听。监听很大程度上依赖无线电覆盖范围；因此，基于动态改变无线电覆盖范围的路由协议可以获得明显的节能效果。DSRAODVDSDVTORA深色部分为接收能耗浅色部分为发送能耗图2-9四种路由协议发送接收能耗比较图2．10描述了数据包与能耗分布的关系。图中我们可以发现，MAC协议数据包所消耗的能量占到了总能量的相当一部分。在能耗方面仅从路由协议数据包的角度分析，DSR协议比DSDV协议和AODV协议具有更优的性能：这要归 武汉理I．人学硕}。学位论文结于DSR协议的混杂峪听和缓存机制减少了路由发现的』r销。IMEP路由发现数据包和TORj-路由保持数据包的集中影响造成了TORA协议的高能耗。L坠I溺L翌AODVDSDVTORA台嚣未笔翟翌譬嚣誉嚣嚣群舟议数据乜以杖数据乜木身所耗能节图2-10数据包与能耗分脚的关系通过改变节点的运动方式，使之从静态连续变化到动态。图2一11所示为节点运动状态对能耗的影响。DSR协议具有最好的性能，而TORA协议的结果最差；典型的按需路由协议表现出能耗随节点运动速率的降低而降低的趋势，表驱动路由协议则在节点速率变化的过程中保待几乎小变的状态。在拔需路由协|义中，TORA协议的性能最差，差要是由于IMEP和TORA数据包的共同影响；当节点运动接近静态时，DSR协议与AODVI办议具有榍近的性能表现；然而，在节点运动持续向高速运动时，它们的性能就出现了显著地变化；造成这种变化的原因是DSR协议的缓存机制和混杂模式节点技术使得在广播路由发现包时比AODV协议具有更低的丌销。图2—12给出的结果表明：节点数量对TORA协议性能的影响是很大的，在节点数量从25变化到50的过程巾，其协议能耗激增518％。这个特性使得TORA协议不适合进行拓扑结构的扩展。DSR协议和AODV协议在节点数量增加的过程中，协议能耗的增加很相似，两者都增加了大约220％：增加的这部分能量主要消耗在路出维护过程。DSDV协议增加的能耗主要被用于节点闯路由表的传递过程。2．7本章小节本章丰要包括两部分内容，首先对无线自组网路}}i协议进行了分类，根据发现路由的策略，i呵以将其分为主动路由和按需路由：根据网络逻辑结构，可以将其分为平面结构和分级结构两种，然后对主动路由协议DSDV、WRP和按需路 武汉理工大学硕士学位论文-1瓣蝴衄节点停瞽时间(s)图2．11节点运动状态的变化对能耗的影响图2．12节点数量的变化对能耗的影响由协议DSR、AODV进行了较为深入的研究并且对典型的主动路由协议DSDV和典型的按需路由协议AODV进行了仿真比较。接下来对AdHoc网络中的节能问题进行了研究，分别从物理层、链路层、网络层分析了功率控制问题，最后给出DSR、AODV、DSDV、TORA四种路由协议的能耗分析．比较了四种路由协议能耗情况。 武汉理工大学硕士学位论文第3章AdHoc网络QoS路由技术分析与研究近年来随着多媒体业务在商业应用中需求的增长，在AdHoe网络中提供QoS支持显得越来越重要。然而，由于AdHoc网络拓扑的经常变化、无线链路传输的不可靠性以及移动终端有限的处理能力，使得网络中QoS的支持和维护非常困难。同时，AdHoe网络的QoS支持是一个综合性的问题，本章将从QoS模型、QoS路由算法、QoS路由协议以及QoS研究中的难点等几个方面来阐述如何在AdHoc网络中提供QoS保障。3．1QoS(服务质量)的含义QoS是QualityofService的简易格式，根据RFC2386的定义，服务质量[33-35】(QoS)指网络在传输数据流时所必须满足的一系列服务要求。典型的QoS度量参数包括可用带宽、分组丢失率、时延、时延抖动和跳数等，对于无线AdHoe网络，还应考虑电池消耗、处理功率和缓冲空间的相关参数。QoS要求可以是一维的，也可以是多维的参数，相应的QoS路由被称为单维或多维QoS路由。QoS尺度可以是加性或凹性。加性和凹性QoS尺度的定义：记m(ij)代表链路(iJ)的一个QoS尺度，对于一个路径P=(s，i，J，⋯，l，t)，如果m(a)=min{m(s，i)，m(ij)，⋯，m(1，t))，则尺度m是凹性的；如果m(P)=m(s，i)+111(iO卜⋯+m(1，t)，则尺度m是加性的。带宽是凹性的，分组丢失率、时延、时延抖动和跳数则是加性的。QoS具有如下功能：(1)分类：分类是指具有QoS的网络能够识别哪种应用产生哪种数据包。没有分类，网络就不能确定对特殊数据包要进行的处理。所有应用都会在数据包上留下可以用来识别源应用的标识。分类就是检查这些标识，识别数据包是由哪个应用产生的。(2)标注：在识别数据包之后，要对它进行标注，这样其他网络设备才能方便地识别这种数据。由于分类可能非常复杂，因此最好只进行一次。识别应用 武汉理工大学硕士学位论文之后就必须对其数据包进行标记处理，以便确保网络上的交换机或路由器可以对该应用进行优先级处理。(3)优先级设置：通过确定设定应用程序优先级，让一些应用程序的优先级比另外一些类型的高，就可以达到分配的目的了，表3．1显示各种应用程序以及它们的QoS需求：QoS需求应用程序丢失率时延抖动带宽电子邮件高低文件传输两低低、中、高打电话低高低视频需求低高视频会议低高QoS定义了一个系统的非功能化特征，通常是指用户对通信系统提供的服务的满意程度。在计算机网络中，QoS的目标是获得更加确定的通信行为，以便能够更加安全可靠的保护网络承载的信息，并更加高效的使用网络资源。具体而言，QoS是指网络为用户提供的一组可以预定义的服务参数，包括时延、时延抖动、带宽和分组丢失率等，也可以看成是用户和网络达成的需要双方遵守的协定。QoS论坛将OoS定义为网络元素(包括应用、主机或路由器等网络设备)对网络数据的传输承诺的服务级别，不同的应用有不同的QoS要求。简单而言，QoS是指网络需要提供给应用实现正常功能所需的性能级别保证。网络所能提供的QoS能力将直接影响到它所支持和满足的业务。随着各类多媒体业务和实时业务的普及和推广，要求网络在带宽、时延等方面提供保证，AdHoc网络的QoS问题已成为当前研究的一个新热点。3．2AdHoc网络的QoS服务模型．FQMM目前，在Internet上支持QoS的体系结构主要有两种：htScrv(集成服务)和DiffServ[36,37】(区分服务)。ImSen，是一种基于流(p昏now)的资源预留机制，它引入了虚电路的概念，由RSVP作为建立和维护虚电路的信令协议，路由器通过相应的 武汉理工大学硕士学位论文包调度策略和丢包策略来保证业务流的QoS要求。IntServ要求网络中的节点保存基于流的状态信息，它对节点的存储能力和处理能力都有很高的要求，存在明显的可扩展问题。在无线AdHoc网络中，由于节点几乎全是便携式移动终端，其存储能力和处理能力均有限。同时，由于无线AdHoc网络拓扑的频繁变化，用于维护虚连接的RSVP协议将带来很大的开销，而无线AdHoc网络的带宽有限，因此，IntServ并不适合无线AdHoc网络，尤其是较大型的无线AdHoc网络。DiffServ是一种基于类(流的集合)的QoS体系结构，它提供定性的QoS支持。接入DiffScrv域的业务流首先在域的边缘被分类和调节(conditioning,包括测量(meter)、整形(shaping)、重标i己(remarking)、丢弃(dropping)等)，而域的核心节点只简单地根据包的DS域对包进行调度，DiffServ不要求域的核心节点保存并在网络拓扑变化时更新基于流的状态信息，从而使核心节点的实现相对简单。从这一方面看，DiftServ更适合无线AdHoe网络。但是，如果采用DiffSc疆'v结构，则在无中心、分布实施、拓扑频繁变化的无线AdHoe网络中，存在如何划分DiftServ域，如何定义并区分边缘节点和核心节点，以及如何进行动态资源分配等问题。在AdHoc网络中要实现QoS保证必须依赖于网络中的所有部分，从网络层到MAC层，再到物理层，图3．1是AdHoc网络中各个QoS协议之间的关系表示。图3．1AdHoe网络中各个QoS协议之间的关系FQMM(FlexibleQoSModelforMANETs)是为小到中型的AdHoc网络设计的QoS模型，节点数少于50，使用平面拓扑结构。FQMM沿用了区分服务中对节点功能的划分定义了三种节点类型：入口节点(ingressnode)、内部节点(intefnode)、出口节点(egressnode)。入口节点指发送数据的源节点，内部节点指为其它节点转发数据的节点，出13节点指数据的目的节点。图3．2给出了一个FQMM 武汉理工大学硕士学位论文示例图。在图3-2(a)[]qa，网络由8个节点组成，建立了一条从M1到M6的链路，其中，M1为入口节点，M3、M4、M5为内部节点，M6为出口节点。随着节点的移动，网络拓扑变为图3-2(b)图，此时存在两条链路：一条从M1到M6，另一条从M8到M2。表3．2列出了各个节点的作用。一≯’、。≯‘．。Oi‘‘玲』一’r‘。·。图3-2FQMM示例图表3-2图3．2(b)图中各节点的作用ConnectionIngressnodeInternodeEgressnode(连接)(入口节点)(内部节点)(出El节点)C1MlM8、M7M6C2M8M7、M5、M4M2集成服务模型的资源供应策略是通过资源预留协议为每个业务流预留足够的资源，而区分服务模型的资源供应策略是基于业务类型的，一般由ISP或通过代理来确定固定的资源预留方案，也可以通过信令或测量来动态改变资源预留方案。3．3AdHoc网络中的OoS路由算法在AdHoc网络中，实施QoS路由的策略涉及以下4个方面的内容：(1)QoS尺度的选择：合理的选择QoS尺度非常重要，它反映了应用所关心的网络特性并定义了提供QoS保障的类型。衡量QoS的指标很多，包括时延、 武汉理工大学硕士学位论文带宽、分组丢失率和网络吞吐量等。(2)QoS路由的计算：节点根据收集的网络状态信息来寻找QoS路由时，应尽量减少路由计算的复杂性。(3)QoS路由的维护：路由更新的频率和消息的大小能自适应的调整，以便在路由开销和准确性上做出合理折衷。(4)对现有的AdHoc路由算法进行改造，使其能够支持特定的QoS要求：每个节点可以在路由表中增加相应的QoS信息，计算最短路径的同时计算各种QoS信息，每个节点根据QoS信息来决定是否接纳新的连接请求。按照如何维护状态信息以及如何执行可执行路径的搜索，现有的AdHoe网络QoS路由算法可以分为：集中式、分布式、洪泛搜索和分级路由算法。集中式路由：节点需要维护全局的网络状态信息，源端根据这些状态信息来集中计算路由并通知该路径上的其他节点如何转发分组。分布式路由：各个节点交换控制消息来查找一条满足该QoS要求的路径，节点只需知道到目的节点的下一跳节点。洪泛搜索路由：源节点通过发送探测分组来获得可行路径。分级路由算法：节点被分成一些逻辑组，每个组的路由信息汇聚在边界节点，每个节点需要知道本组中其他节点的信息以及其他组的汇聚信息，类似于基于簇的路由算法。集中式路由算法简单，不会形成环路，但是开销较大，可靠性和可扩展性差，不适合于AdHoe网络。洪泛搜索路由的健壮性较好，但是开销也较大。分布式路由中，各节点只需维护本地状态，开销相对较少，但是计算得到的路由通常不是最优的，并且可能会存在环路。分级路由的可扩展性好，适用于大型网络，但是路由信息不够准确，从而影响路由算法的性能。对规模较小的AdHoe网络，通常应采用分布式路由，也可以采用基于洪泛搜索的QoS路由：而对于规模较大的网络可以考虑采用基于簇的分级QoS路由。分簇路由中可以较容易的对流量或资源占用情况进行监视，并且许多基于簇的分级QoS路由协议是以链路状态来决定路由的，从而方便了QoS路由的实现，因为链路状态稍加修改就可以反映带宽等QoS参数的变化。此外，可以考虑在簇内和簇间采用不同的QoS路由算法，即使用一种组合QoS路由算法。簇内QoS路由通常应满足：如果存在符合QoS要求的可选路径，路由机制应该可以找到该路径，否则应给以明确指示；优化资源使用效率：尽可能维持尽力而为业务流的最低性能要求。而簇间路由则主要关心可靠性和可扩展性，因此应尽可能简单，信息交换的频29 武汉理工大学硕士学位论文率不应过快。3．4路由算法的设计目标路由算法的设计目榭38】拟包括以下几方面的内容：(1)无环路、快速收敛路由算法必须能够保证不会产生路由环路，并且能快速收敛，收敛是所有路由器对最佳路径达成一致的过程。当某网络事件使路径断掉或不可用时，路由器通过网络分发路由更新信息，促使最佳路径的重新计算，最终使所有路由器达成一致。收敛很慢的路由算法可能会产生路由环或网络中断。(2)健壮、稳定路由算法必须健壮，即在出现不正常或不可预见事件的情况下仍能正常处理，例如硬件故障、高负载和不正确的实现方法。因为路由器位于网络的连节点，当它们失效时会产生重大的问题。最好的路由算法通常是那些经过了时间考验，证实在各种网络条件下都很稳定的算法。(3)简单、高效、低耗路由算法应该设计的尽量简单。即路由协议必须高效的提供其功能，尽量减少软件和应用的开销。当路由协议软件运行在物理资源有限的计算机上时，高效低耗尤其重要。(4)灵活性路由算法还应该是灵活的，即它们应该迅速、准确地适应各种网络环境。例如，假定某网段断掉了，当知道问题后，很多路由算法对通常使用该网段的路径迅速选择次佳的路径。3．5AdHoc网络的QoS路由协议RFC2386是这样定义QoSt”】路由的：一种基于网络可用资源和业务流QoS要求来选择路径的路由机制或一种包含各种QoS参数的动态路由协议。简而言之，QoS路由是用来查找满足QoS要求的路径。OoS要求可以是一维的，也可以是多维的参数，相对应的QoS路由被称为单维或多维QoS路由。现有的多种无线AdHoc网络中的路由协议一般侧重解决最短路由或在拓扑结构快速变化的情况下增加链路的可靠性等问题，只能够提供“尽力而为”型 武汉理工大学硕士学位论文(Best．Effort)数据业务，不能支持话音业务对时延的限制和多媒体业务对带宽的要求。OoS路由在实现QoS保证中具有很重要的作用，在建立连接和预留资源前，必须要在源节点和目的节点间选择一条合适的链路，链路的选择一方面受可用资源的限制，另一方面必须要能满足一定的端到端带宽或时延等QoS需求。图3．3显示的是从A至IJG的一条最短路径和一条满足某种参数的QoS路径。QoS路由具有以下三个目标：(1)在源节点和目的节点间选择一条合适的链路；(2)优化网络资源的使用，提高网络吞吐量；(3)对可能发生的网络拥塞进行自适应处理。随着Intemet网络的发展，人们提出了一系列具有QoS支持功能的路由协议，但是这些协议不能直接用于AdHoc网络。首先，绝大部分有线网络路由协议要求获得精确的网络状态，这在分布式AdHoc网中是非常困难的。其次在无线AdHoc网络中，节点可以随时的加入、离开网络，已建立的链路可能随时发生变化，这就需要解决维护和动态重建链路的新问题。无线AdHoc网络拓扑结构不断变A图3．3最短路径和满足QoS要求的路径化的特性使QoS路由问题进一步复杂化，无线AdHoe网络中可用状态信息的不精确性和拓扑结构变化的不确定性增加YQoS路由协议的开销。当无线AdHoc网络的拓扑结构变化速度过快时，甚至无法提供QoS路由支持。在AdHoc网络中，理想的QoS路由算法具有以下目标：(1)QoS路由算法具有很好的健壮性，节点移动性增加不会导致性能的迅速 武汉理工大学硕士学位论文F降。(2)路由计算时不要求全局信息。(3)路由计算所涉及的节点数目尽量少，减少路由计算过程中状态管理的开销。(4)可扩展性好。当前在AdHoe网络中提供QoS保障主要有以下两种策略：(1)通过在具体的路由协议中增加QoS参数对路由的约束，根据网络的可用资源来决定传送路径，从而提供更好的数据传送性能。这种方法称为QoS路由。(2)另一种策略与具体的路由协议无关，它是在路由协议的基础上研究支持QoS的机制。这种策略的思路是借鉴Interact上支持QoS的方法，然后经过适当的改造用于AdHoe网络中，如在AdHoe网络中引入集成服务和区分服务模型来实现相应的QoS保障。已有人证明，若QoS约束条件超过两个加性参数，QoS路由被认为NP完全【柏】问题，目前的QoS路由协议一般是考虑一个或者两个约束条件。3．5．1CEDAR协议及优缺点分析核心提取的QoS路由协议CEDAR【41](core．extractoddistribuiteAroutingprotoc01)算法是一种分级的路由协议。网络中的节点分成统制节点和从属节点两类，由所有的统制节点组成“核心网"。CEDAR的实现分成3步：核心网络的建立、链路状态信息的传播和QoS路由的计算。(1)核心网的提取和维护核心网络(core)kh核心节点以及连结相邻的核心节点之间的链路组成。核心网络的构建在组网期，需要周期的维护。当一个节点断开了与其统制节点的连接，它或者任命一个核心节点作为它的统制节点，或者推荐一个邻节点加入到核心节点集，或者自己加入到核心节点集。如果一个核心节点发现它与所有的从属节点断开了连接就与邻节点断开虚链路，离开核心节点集，并且在核心节点集中找一个核心节点作为自己的支配节点。(2)链路状态信息的传播核心节点维护自己管辖范围内的拓扑和链路状态信息，还要记录距离自己比较远的可靠链路信息。节点监测与邻居节点的链路带宽，当发现变化幅度超过某个值，就把报告给自己的核心节点。链路状态的变化信息称为“加减波"，32 武汉理工大学硕士学位论文由核心节点通过核心广播在网络中传播。“加减波’’信息的传播根据一定的策略，这个策略保证了链路质量降低的“减波一比链路质量增加的“加波’’信息传得快。而质量高的链路信息传得远。(3)路由的计算QoS路由的计算分成两个步骤：核心路径的建立和QoS路由的建立。首先利用核心广播建立源节点的统制节点到目的节点的统制节点的核心路径。然后．沿核心路径搜索满足业务要求的QoS路由。如果在一次搜索中无法找到，则建立到距离自己最远的核心节点的核心路径以及满足QoS要求的路由，然后以该节点为源，重复以上的工作，经过若干次迭代，最终得NQoS路由。如果中间过程找不到满足要求的路由，路由发现失败。(3)优缺点分析CEDAR协议是一种使用比较广泛的QoS路由协议，而且它是一种分级式的路由协议，因此可扩展性比较好，适于较大规模的网络，并且CEDAR的实现分为三步，一旦核心网建立好后，加减波机制为QoS路由计算提供了稳定的链路状态信息，一定程度上降低了路由开销，同时由于CEDAR协议是一种提供QoS保障的路由协议，只有满足特定要求的业务流才允许被转发，而对于其它的不提供QoS保障的路由协议，只要有数据包转发请求，便会进行转发而不管转发成功与否，因此CEDAR提高了报文的转发成功率，同时CEDAR协议分级式的特点使得当运用于较大规模网络时，相比于其它的路由协议，整个网络的吞吐量得到了很大提高。但是CEDAR协议也有它的局限性，因为它的路由建立过程相对于AODV协议来说比较繁琐，在核心网建立过程中，开销比较大，因此在小规模的AdHoc网络中，其性能反而不如AODV这样的平面路由协议，同时当网络拓扑变化比较剧烈时，核心路径频繁中断，核心网的收敛需要一段时间，而在此之前建立的QoS路由都是无效的。3．5．2Q_AODV协议及优缺点分析AODV(AdHocOn·DemandDistanceVector)协议是经典的自组网路由协议。它按需的建立和维护路由，采用目的节点排序的方式有效避免路由环路。ChenxiZhu等在AODV协议的基础上设计了一种Q6S路由协议，为了描述方便，称之为Q_AODV‘421。 武汉理工大学硕士学位论文该算法为每个路由条目定义五种状态：空闲(NONE)、接收路由请求(REQ)、已经预约(RESV)、上游断路(BRK聊和下游断路(BRKD)，采用软状态方便地保证-]'QoS的有效性，即为每个状态设置计时器，当计时器超时或者收到路由控制消息时．节点转移到另外一个状态。下面描述路由建立和维护的过程。节点按需进行路由发现，路由请求分组RREQ中携带业务需要的最小带宽和分组经过的路径带宽。收到RREQ的节点判断自己当前的链路带宽是否满足业务需要，如果满足，则更新RREQ分组中的路径带宽，同时在路由表中增加一个到源节点的路由，然后把RREQ分组广播出去，节点状态fltNONE变成REQ，此后不再处理该RREQ分组的副本；如果不满足业务的要求，则丢弃RREQ分组，节点保持NONE状态。仍然可以处理该RREQ分组的复本。为了保证整条路由的带宽满足业务的要求，中间节点即使保存了到目的节点的路由，也不能回复路由应答。目的节点收到路由请求，沿RREQ分组经过的路由向源节点发送应答分组RREP，收到Iu冱P分组的节点，在本节点预约资源，状态fljREQ变成RESV，源节点收到RREP，QoS路由建立成功。(1)优缺点分析QAODV协议是在AODV协议的基础上经过改经后得到的，因此也具有AODV协议的许多优点，只有当源节点有数据包要发送时，如果没有到目的节点的路由，才会启动路由建立过程，建立一条从源节点到目的节点的路由，因此消除了节点维护全网路由信息造成的开销，同时采用目的节点排序的方式避免了环路路由，链路状态信息携带在路由请求分组中，只引入了很少的开销，采用“软状态’’的方法保i正QoS路由的有效性，每个状态设置生存时间，如果计时器超时而没有被更新，则认为失效，触发路由维护，这些做法减少了路由控制开销，而另一方面，也增加了路由建立和修复的时间。3．6关于QoS网络中，服务质量(QoS)的研究有三个主要的推动力：(1)对QoS有严格要求业务的出现如交互式实时多媒体业务、BP电话等；(2)通过QoS研究，有助于提高网络效率，降低网络成本；(3)运营商可以通过QoS机制，按照不同用户对服务质量的不同要求，提供多种有区别的服务，提高用户的满意度，同时提高网络运营商的收益。 武汉理工大学硕士学位论文因此，服务质量的研究重点是如何提高网络提供QoS保证的能力，而最终研究的目标是保证用户对QoS的要求。3．6．1QoS实施中的难点(1)NP．Complete问题：同时对两个以上相互独立的参数提出要求，这个问题就是一NP．Complete的问题，实时应用往往会对延时，延时抖动，带宽，丢失率，业务代价等多个参数同时提出性能要求，例如，实时多媒体业务会对延时和延时抖动同时提出要求，这些参数相互独立时，选择满足多个参数限制的路由就成为NP．Complete问题,NP．Complete问题直接关系到路由算法的可实现性。(2)多业务并存：同时承载多种QoS要求不同的业务时，网络性能优化困难，扩展困难，尤其是QoS和尽力而为best-effort业务独立共存时，很难确定最优的操作点。．‘(3)节点状态信息的存储量大：QoS路由中，节点需记录的状态参量将增多，如状态信息的存储量随网络节点个数的增加而指数性增加，将限制网络的扩展。(4)动态多变的网络拓扑使得信息的收集和维护非常困难【431，并且收集的信息不准确。由于节点需要维护和更新大量链路状态信息，路由开销将会消耗过多的带宽和能量。有时即使建立了一条可行的路径也不能确保QoS，因为移动、电源耗尽或干扰引起的路径失效使得己预留的资源得不到保证。这几点中，“信息不准确’’是路由信息不准确中主要解决的问题。3．6．2QoS路由研究存在的问题(1)缺乏路由模型，理论研究困难：由于网络拓扑和业务特性复杂多样，协议数学描述困难，因此，目前多数路由研究主要是针对某个问题设计启发式算法，而不是基于某种模型从理论上推导算法特性和性能，这种情况下，为分折算法性能，需要大量仿真工作，由于缺乏理论支持，在不同的拓扑结构和业务特性下，算法性能可能差异较大，而且仿真得到的结果缺乏说服力。(2)优化目标不同，评估标准不一致：目前主要的优化目标包括代价和延时等加性参数，评估标准主要有：业务接入率、阻塞率、数据丢包率、带宽利用率、节点队列长度、代价、信令开销等，由于各个研究者解决的问题不同，优35 武汉理工大学硕士学位论文化目标往往不相同，评估标准也不一致，不利于比较不同算法的性，因此制定出统一的路由性能评估对路由研究具有重要意义。(3)接入业务的变化对网络状态影响大：现有的QoS路由依据用户业务对服务质量的要求进行寻路，一旦存在满足要求的路径就会将业务接入，在业务接入时，没有考虑该业务的接入对网络状态有多大的改变，因此，可以说目前的QoS路由是基于服务质量要求的尽力而为的路由，在这种情况下，如果业务特性变化过快，网络状态急剧变化，网络效率、阻塞率等特性都会受到很大影响，因此，在今后的研究中网络的性能变化也应该作为业务接入的一个参考。(4)节点控制与路由过程脱离：网络为业务提供QoS服务时，节点控制和路由控制是相辅相成，缺一不可的。以上问题的解决对设计出高性能的路由算法，更好地满足业务对服务质量的要求，提高网络资源利用率，实现用户级QoS至关重要。3．7本章小节本章主要对在AdHoc网络中如何提供QoS保障进行了较为深入的研究，分别从QoS模型、QoS路由算法、QoS路由协议以及QoS研究中的难点等几个方面来阐述如何在AdHoc网络中提供QoS保障。对于QoS模型，探讨了FQMM(FlexibleQoSModelforMANETs)模型，它是一种为中小型AdHoc网络设计的QoS模型，节点数比较少，然后对实施QoS路由的策略进行了研究，接着探讨了两种QoS路由协议，即核心提取的QoS路由协议CEDAR和QAODV协议，最后，讨论了实施QoS时要解决的难点和存在的问题。 武汉理工大学硕士学位论文第4章---1中带宽和能量约束的QoS路由协议唧本章主要提出了一种新的基于带宽和能量约束的QoS路由协议，由于AdHoc网络的能量受限性，因此这种基于带宽的QoS路由协议充分考虑到了能量因素，尽可能的延长网络的存活时间。本章提出的QoS路由协议BERP是在AODV的基础上改进得到的，但是BERP并不受AODV协议框架的限制，只要进行相关的调整便可以应用到AdHoc网络其它的按需路由协议中。在AdHoc网络中，不少学者也考虑到了能量消耗问题，有的学者以节点的能量消耗情况㈣、节点终止情况以及连通性为指标对该问题进行了研究，有的学者对基于能量约束的多播路由问题【45】进行了研究，本章在前人研究成果的基础上，提出了一种新的基于带宽和能量约束的QoS路由协议BERP。QoS(QualityofService，即服务质量)是网络在传输业务流时，业务流对网络服务的需求的集合，其中业务流是指与特定QoS相关的从源到目的地的分组流；也就是说，QoS是应用业务对网络传输服务提出的一组可度量的要求，主要包括带宽、端到端延迟、分组丢失率、抖动、花费等。网络在传输相应的数据业务时，必须满足这组要求。而QoS路由是一种基于数据流OoS请求和网络可用资源进行路由的机制，在AdHoc网络中对实现网络服务质量起到非常关键的作用，是当今网络研究的热点。4．1QoS指标的定义带宽：两个节点间传送比特流的能力，具体的说，就是指网络的两个节点之间特定应用业务流的平均速率，主要衡量用户从网络取得业务数据的能力，所有的实时业务对带宽都有一定的要求，如对于视频业务，当可用带宽低于视频源的编码速率时，图像质量就无法保证。时延：指数据包在网络的两个节点之间传送的平均往返时间，所有实时性业务都对时延有一定要求，如v0疋业务，一般要求网络时延小于200ms，当网络时延大于400ms时，通话就会变得无法忍受。丢包率：指在网络传输过程中丢失报文的百分比，用来衡量网络正确转发37 武汉理工大学硕士学位论文用户数据的能力。不同业务对丢包的敏感性不同，在多媒体业务中，丢包是导致图像质量恶化的最根本原因，少量的丢包就可能使图像出现马赛克现象。时延抖动：指时延的变化，有些业务，如流媒体业务，可以通过适当的缓存来减少时延抖动对业务的影响；而有些业务则对时延抖动非常敏感，如语音业务，稍许的时延抖动就会导致语音质量迅速下降。．误码率：指在网络传输过程中报文出现错误的百分比。误码率对一些加密类的数据业务影响尤其大。此外，QoS还可能包含其他一些指标，如网络可用性等。QoS指标实际上是业务质量的技术化描述，对于不同的业务，QoS缺乏保障时，所呈现出来的业务表象是不同的。4．2带宽的选择合理地选择QoS尺度非常重要，它反映了应用所关心的网络特性并定义了提供QoS保障的类型。寻找一条满足多个约束条件的QoS路径通常是NP完全问题，所以实现多维QoS指标的方法一般是不可取的，而应根据实际情况来选择某一个或两个合适的指标。通常选用链路的可用带宽或分组丢失率作为QoS参数，因为这两个参数最能反映无线信道的质量和链路状态的变化，并且获取这两个指标的代价相对较低。例如利用带宽指标，节点可以通过交换信息来了解邻居节点的可用带宽，从而做出转发决定。而网络吞吐量的计算较为复杂，如果选择时延作为参数，则指标本身的获取就存在时延，不能及时地反映网络拓扑的变化。4．3带宽的计算在基于TDMAt46]的系统中，我们可以将带宽定义成“空闲”时隙的个数，这样可用带宽就转化为空闲时隙了，对于空闲时隙的选取取决于具体的调度算法，因此在计算可用带宽时，不仅要考虑组成路由的各个链路的可用带宽(空闲时隙)，还要时隙合理的调度。基于带宽的按需QoS路由协议假设系统采用TDMA方式，并组帧传输。TDMA把一个射频分成多个时隙，原理如图年l。TDMA的帧结构如图4．2，分为两个阶段，即控制阶段和数据阶段。业务的QoS请求决定每帧中的数据阶段为特定的虚链路分配多少时隙。为了避免隐藏终端问题，基于带宽的QoS路由协议假设系统在TDMA的基38 武汉理工大学硕士学位论文础上使用CDMA(码分多址访问)为不同的业务提供信道，即在控制阶段使用单纯的TDMA方式，节点可以在该阶段按预先确定的次序轮流向邻居节点广播控制信息，以实现分布式的网络控制，当进入数据阶段时，每个节点都获取了该帧中数据阶段的预留状态，也就确定了时隙的位置。图4-1TDMA将射频分成多个时隙Ramp·F-ag图4．2TDMA的帧结构因为天线不可能同时既发送又接收，所以带宽的计算是一个非常重要的问题。在基于带宽的按需QoS路由协议中，两个节点间的路由带宽(端到端的路由带宽)定义为组成这两个节点问路由的多跳链路上的一系列可用时隙。假设free_slot(N)为节点N的可用时隙集合，则从节点N到节点M的单跳链路的带宽计为link_BW(N，M)=free_slot(N)nfreeslot(M)。图4-3简要说明了如何计算路由带宽。A鼍田国国曰固国囫国国图B÷团国国团围固团国回图c二囫囝曰团团囤囡围圜国固囡图围围囝A鼍囡国图团国围图国围囵圈国团国回园B÷团圉囱囱国园团回回园国国囝国囹囵c二囡图国团国国囝国国囵图4．3"FDMA下的带宽计算39囫蓍曰固甲卤囫圉囫蕃团摹；：．幸；：土ABC 武汉理工大学硕士学位论文在图4-3中，白色节点表示可用时隙，灰色节点表示时隙不可用或被预留，在(a)中，A节点的空闲时隙为freeslot(A)={l，2，3，4，5)，B节点的空闲时隙为free_slot(B)={1，2，3，4，5，6，7，8，9，10}，节点C的空闲时隙为freeslot(C)={3，4，5，6}，则节点A和节点B之间的链路带宽等于路由带宽，即linkBW(A，B)--fleeslot(A)nfreeslot(B)={1，2，3，4，5)，节点B和节点C之间的链路带宽为linkBW(B，C)=freeslot(B)nfree，，，6)，．slot(C)={345则我们可以知道节点A和节点C之间的最大可用路由带宽(时隙)为path，)={3，，)，有三个可用时隙，这样我们可以知道，若业务对于．BW(AC45时隙的要求超过3，即要求带宽大于3时，则无法满足。在(B)图中，若我们预留时隙{1，2，3)给A来传输和时隙{4，5，6)给B来传输，则这时AC链路带宽即为最大值3；在(C)图中，若A使用时隙{3，4)，B使用时隙{5，6)，则当前AC链路带宽缩小为2。4．4节点能量计算AdHoc网络中的经典路由协议大多是最短路由，即最小跳数路由，没有考虑能量因素。但是AdHoe网络中的节点大部分是便携式设备，由尺寸受限的电池供电，整个网络是一个能量受限系统，如何节省节点的能量，尽可能延长网络的可操控时间逐渐成为衡量路由协议性能的重要指标。特别是在紧急营救、军事行动、商务会议等情况下显得尤其重要。从能量的角度来看，最短路由并不一定是最佳的路由。相反，用一些短跳来代替相对较长的跳，可能是更好的节能选择。通常定义网络寿命为网络中第一个节点的能量被完全消耗时，总的网络运行时间，为了计算网络中单个节点在某一时刻消耗的能量，我们建立了节点的能量消耗模型。4．4．1模型假设(1)网络中的每个节点的初始能量相等。(2)每个节点本身的硬件结构和器件相同，从而认为所消耗的能量是相同的(设为P)。(3)每个节点在整个网络拓扑结构不变的情况下，处于两种状态：活动状态(active)(iE常工作状态)和睡眠状态(sleep)。(4)当节点处于sleep状态时，继续监听共享的信道，以此来主动地占用信 武汉理工大学硕士学位论文道发送数据包可能会涉及到能量的消耗，从而认为这些能量也是相同的为Q。(5)每个节点在物理层发送数据包的长度packetsize，信道的带宽bandwidth和发送功率P，都是相同的。(6)为了保证节点与节点之间通信传输的效率，相邻两节点之间的距离不得超过D，如果超过D，则认为接收节点获取不到发送节点传送的数据包。4．4．2模型构造在当前Adhoe网络中无线信号传输模型主要分为两类：FreeSpace模型和TwoRayGroundReflection模型。(1)FreeSpace模型这个模型的假设条件是：接收节点和发送节点都在对应的传输范围之内。该模型基本代表了发送节点的传输范围为一个圆形。如果接收节点在这个范围之内，发送节点就接收所有的数据包，否则丢弃所有的数据包。P，：笠掣(4-1)(4万_)匀’L其中P。为发送节点的发送功率，Gt为发送节点的天线增益，G，为接收节点的天线增益，力为无线传输介质的波长，d为发送节点和接收节点之间的距离。(2)TwoRayReflection模型传输模型中也很少使用的情况就是两个节点之间就在对方的传输范围之内。TwoRayReflection模型考虑了直接的传输路径和地面反射的路径两种情况。使用这种模型能够在节点之间很长距离的情况下要比FreeSpace模型能很准确的预测出接收节点的接收功率。P：笠鲤掣．(4-2)1’d’。L公式中的参数意义如(4．1)式。其中h，，h．分别为接收节点和发送节点的天线高度。一假设某一节点为i，该节点的能量消耗为E(i)，通过对AdHoe网络各个层次来分析，每个节点能量的消耗主要集中在三个层次。物理层邻居节点发送信号的接收功率，数据链路层主要涉及节点的两种状态sleep和active。当节点的状态为sleep时，节点要监听共享信道，占用信道来为acitve状态过渡到active(iE常工作)准备，从而消耗了能量；当节点的状态为acitve时，节点转发数据包正常工作也要消耗能量。因此41 武汉理工大学硕士学位论文占(，)=口E砒+(1一口)E。姊(4-3)其中E础=尸，xtime+P，xtime+P(删并且E，I,ep=Q，口为赏罚系数。分三种情况来综合分析各个层次该节点的能量消耗情况：(1)当口=l时表示该节点的能量主要消耗在网络层的路由建立过程，维护过程和物理层无线信号传输模型的接收功率。(2)当口=13时表示该节点的能量主要消耗在数据链路层中，节点处于sleep状态时要监听物理共享信道的繁忙程度。(3)当1>口>0时表示节点的能量消耗在此时该节点现在处于active状态，即将过渡到sleep状态时，也就是物理层，数据链路层和网络层三个层次的总能量的消耗。4．4．3模型求解一般情况下，每个节点的能量公式：Energy=Power×time(4-5)即每一个节点发送或接收一个包所消耗的能量是由该节点发送或接收功率和处理包的时间决定的。根据AdHoe网络物理层信道的特点，得出：time：—8xpac—ketsize‘(4-6)=一bandwidth处理包的时间由发送数据包的大小和该数据包的带宽决定的，得出：E砒--p，×time+P，xtime+P(4_7)对(4．7)整理后得出E∞玎馆=【尸，+尸，)×time+P(4-8)由式(4．6)和式(4．8)可以得出E刎坩=(只+P，)×訾"．(4-9)其中P，和尸，可根据前面无线信号传输模型计算得出。两种传输模型对应两种不同计算的结果。(以下公式推导以twoRayReflection模型为例)．结合AdHoe网络的特点，每个节点只要在邻居节点的传输范围D之内，就能够得到该邻居节点所发送信号的接收功率。设节点i的邻居节点为J，i有k．个邻居节点。从而E硎代公式进一步修改。由式(4．9)和式(4．2)得出：42 武汉理工大学硕士学位论文E一折羹警)×面8×pa丽cketsize+P(4-10)其中o图5-3连接数为20速率为l时的投递率比较c1OpO8·995巾(4L-0．997o．985山)·一0．98山刁0．975p18．97o墨8．965日lD日己日03日0耳00500600pausetime(s)图5．4连接数为lO速率为20时的投递率比较数据包的过程中，转发失败而需要重新转发的可能性较大，造成了路由负载反而比BERP协议要高，这种情况在节点暂停时间较短，即拓扑变化较快时体现的尤其明显，因为此时，利用AODV协议转发数据包失败的概率最大，而BERP协议在转发数据包时则相对稳定。通过对图5．8、图5-9、图5．10的分析可以发现，随着停留时间的增加，两种协议的端到端时延随之降低，这同样是因为网络越稳定，断链的几率也越小，报文延迟转发的概率较小，所以端到端的延迟随着停留时间的增加而降低，对 武汉理工大学硕士学位论文2200020000180001600014000120D01000080000100200300400500600pausetime(s)图5-5连接数为20速率为20时的路由负载比较140001300012000l1000100009000800070000100200300400500600pause七ime(s)图5-6连接数为20速率为1时的路由负载比较于BERP协议，由于其支持QoS路由，报文从源节点到目的节点转发过程中，跳数也会增加，因此相比于总是选择最小跳数路由的AODV协议来说，延迟会增加。另外，我们比较图5．8和图5-9可以发现，速率为l时的时延比速率为20时小，这也是因为速率变大时，网络拓扑变化比较频繁，导致报文转发不成功而重新转发的概率增大，因此速率较大时，时延较大。比较图5．8和图5．10可以发现，连接数为10时的时延要比连接数为20时在相同的节点停留时间下的时延要小一些，这同样是因为连接数增多时，节点的负担加大，而节点的带宽资源是有限的，因此链路断裂的几率增大，需要多次的重新转发造成的。57价p山卫。巾QD巾山C~J山)o口C—pr、oL∞p山Yo巾QD巾山CL山)oaC—pr、oL 武汉理工大学硕士学位论文500004500040000350003000025D002000015000100005000AODV——■—一'·⋯·l‘B[R＼、k～＼——一J人＼、≯一7：’t—_’、／：、⋯‘、、≮＼0100200300400500600pause七ime(S)图5．7连接数为10速率为20时的路由负载比较0．035君0．0：3山刁0．025刁岳0．02ID岳0．015西未0．010．005l-AODV——咱—一!：⋯PERo—+_．＼；＼；＼9＼＼≮kl＼‘一———‘‘■＼、、l-．～0100200300400500600pause七lme(s>图5．8连接数为20速率为20时的端到端时延比较0．070O100200300‘}00500600pausetime(s)图5-9连接数为20速率为l时的端到端时延比较坼p山卫。巾△D田山CL山)Oo亡一pr、o、J6543210卫巾一山DDcm●Dc山西)巾 武汉理工大学硕士学位论文pausetime(s)图5．10连接数为lO速率为20时的端到端时延比较从图5．11可以看出AODV协议和BERP协议在a=o．5时的网络存活时间，可以看出BERP协议的网络存活时间要高于AODV协议，这主要是因为，对于没有改进前的以AODV为基础的QoS协议，一旦选定了路由，符合特定QoS流的数据包传送会一直从这条路由上传送直到链路中断为止，而对于改进后的BERP协议，当特定路由上的节点能量级别低于a时，会重新启动路由修复程序来选择能量级别较高的节点来代替能量级别低于a的节点。一，h～～／≮／’‘＼．／rI弋／＼／＼／、／Anl。＼／BERP——．．一10100208300400500600pause七ime(s)图5．11AODV和当a=0．5时的BERP网络存活时间图5．12和图5．13分别比较了两种协议的死亡节点数和能量消耗情况，可以看出BERP协议的死亡节点数少于AODV，这是因为BERP协议对路由维护机制进行了优化，当路由上某节点的能量级别小到一定程度时即启动路由修复程序，因此整个网络中节点的能量消耗比较均衡，减少了某些节点因过度能量消050505050”拍；G}G抖斟∞ 武汉理工大学硕士学位论文耗导致死亡的情况，另外从图5．13可以看出，相对于网络总能量为500焦耳，两种协议的总能量消耗差别并不大，这是因为BERP协议只是使得节点的能量消耗比较均衡，但是总的能量消耗并没有很大的减少。48464442403836343230289100200300400500600pausetime(s)图5．12AODV和当a=0．5时的BERP死亡节点数500498496|}94492490488486484482480pausetime(s)图5．13AODV和当a=0．5时的BERP能量消耗5．4本章小节本章首先对NS2网络仿真软件进行了简单的介绍，明确了使用NS2进行网络仿真的方法和一般过程，在探讨了NS2仿真的方法后，对上一章提出的QoS路由协议BERP和AODV协议进行了仿真，分别从分组投递率、路由负载、端们L山DEr、CmDoCD巾山口Co—pQE)协亡oo了ⅡLoC山 武汉理工大学硕士学位论文到端的时延、存活时间、死亡节点数以及能量消耗等方面对两种协议进行了详细的比较，比较了在不同速率下两种协议的性能，通过仿真结果的比较和分析，可以得出，BERP协议具有以带宽为指标的QoS路由功能，提高了分组投递率、减少了死亡节点数和延长了存活时间等特性，但是也因此使得BERP协议的端到端时延有所增加，不过总体上提高了网络的性能。6l 武汉理工大学硕士学位论文第6章总结与展望本文主要对AdHoc网络的路由协议和QoS路由协议进行了研究和分析，使用NS2网络仿真软件对协议进行了仿真实现。无线移动自组网作为移动计算的一种特殊形式，具有其它网络所不可替代的地位，具有光明的应用前景。对AdHoc网络的路由协议进行研究是确保该网络的移动节点间进行通信的关键，具有重要作用。而QoS路由协议则是为AdHoc网络中的多媒体和实时业务等应用提供QoS保证的关键。因此，对AdHoe网络的路由协议和QoS路由协议的研究具有重要作用，在网络领域具有重要的研究价值。该课题的研究将为AdHoe网络的进一步广泛应用提供重要依据。6．1总结本文首先概述了AdHoe网络的发展历史、概念以及特征，研究了无线自组网AdHoc的路由技术，对AdHoc网络中比较关键的节能问题进行了深入的研究，分别从物理层、数据链路层、网络层进行了分析，接着比较了DSDV、DSR、TORA、AODV的能耗情况。然后探讨了如何在AdHoe网络中实施QoS路由问题，主要从从QoS模型、QoS路由算法、QoS路由协议以及QoS研究中的难点等几个方面来阐述如何在AdHoe网络中提供QoS保障。、本文提出了一种新的带宽和能量约束的QoS路由协议BERP,该协议是在AODV协议的基础改进得到的，BERP并不受AODV协议框架的限制，只要进行相关的调整便可以应用到AdHoc网络其它的按需路由协议中。该协议具有以带宽为指标的QoS路由功能，同时进行了路由发现和路由维护过程的改进，使得网络中每个节点的能量消耗比较均衡，延长了网络的存活时间，提高了网络的性能。本文的研究工作和创新点主要体现在以下几个方面：(1)对AdHoc网络中典型的路由协议进行了分析并且对典型的按需路由协议AODV和表驱动路由协议DSDV进行了仿真。(2)对AdHoc网络的功率控制问题进行了探讨，比较了DSR、AODV、DSDV 武汉理工大学硕士学位论文和TORA四种典型路由协议的能耗情况。(3)对在AdHoc网络中实施QoS路由的有关问题进行了研究。(4)提出了一种新的带宽和能量约束的QoS路由协议BERP。6．2展望在AdHoc网络中提供QoS保障是近年来AdHoe网络越来越得到广泛应用的一个迫切要求，但是由于这种网络的特点，即无中心、自组织以及网络拓扑的频繁变化，使得在AdHoe网络中满足特定的QoS要求是比较困难的，本文需要进一步做的工作主要有：(1)在路由维护过程中，BERP是根据节点能量级别的大小来判断是否要重新启动路由修复程序的，本文规定了一个具体的能量级别值a，当节点的能量级别值小于a时启动路由修复的，但是这个a具体为多少比较恰当，还需要更进一步的探讨。(2)本文在建立能量模型时，做了一些假设，因此计算出来的节点能量只是一种理想状态，虽然对实际的应用有重要的指导作用，但在实际的应用中还要具体问题具体分析。(3)本文更多的主要是从原理上对协议进行尝试改进的，对协议的改进后进行的仿真是通过网络仿真软件进行仿真的，若是要运用于实践，则还有很多工作要做，比如具体工作环境的配置，在具体的操作系统上的实现等等。 武汉理工大学硕士学位论文【1】【2】【3】【4】[61【刀【8】【9】[10】[11】【12】【13】【14】【15】【16】【17】【18】参考文献李腊元，李春林．计算机网络技术(第二版)．北京：国防工业出版社，2004：1～125孙宝林，李腊元．AdHoc网络QoS多播路由协议．计算机学报，2004，27(10)：1402～1407周敬祥，李腊元．Adhoc网络DSR路由协议的优化．计算机应用研究，2006，23(12)：292-293孙宝林，李腊元．多跳无线移动AdH0c网络路由协议的研究分析-，J、型微型计算机系统．2004．2500)：1737～1741肖小玲，李腊元，张翔．基于Adhoe网络的QoS路由协议研究．计算机应用研究，200653(9)：21弛18王金龙，王呈贵，吴启辉，龚玉萍．AdHoe移动无线网络．北京：国防工业出版社，2004，l～8．王海涛．AdHoe网络体系结构及其设计．中国数据通信。2003，8(13)：70～77陈年生，李腊元，向阳．移动自组网QoS路由协议研究．武汉理工大学学报，2004，28(3)：349-352王海涛，郑少仁．移动Adhoe网络路由协议及其性能比较．重庆邮电学院学报(自然科学版)，2002，14(4)：73一-77ElizabethM．Roycr．AReviewofcurrentroutingprotocolsforAdhoemobilewirelessnetwork．IEEEPersonalCommunicationsApril，l999，6(2)：46"-55王霄峻，余旭涛．Adboer络路由协议．移动通信，2004,28(13)：15"-19王海涛，郑少仁，刘晓明．移动AdHoe网络中的分簇算法．解放军理工大学学报(自然科学版)，2004．5(3)：28～32PerkinsC．E，BhagwatP．HighlyDynamicDestination-sequenceddistance-vectorRouting(DSDV)forMobileComputers．Comp．Comm．Rev。October,1994．23和244金堂，李腊元．移动AdHoe网络中AODV路由协议的改进及仿真．武汉理工大学学报，2007，31(1)：1～34SMurthy,Garcia—Luna—AcevesJJ．Anefficientroutingprotocolforwirelessnetworks．ACMBalzorMobileNetworksandApplications(SpecialIssueOilRoutinginMobileCommunicationNetworks)，1996，1(2)：183～197DavidB．Johnson，DavisA．Maltz．TheDynamicSourceRoutingprotocolforMobileAdHoenetworks．匝TFdran,33．October1999：25～29D．B．JOHNSON．D．AMALTZ．DynamicSourceRoutinginAdhocWirelessNetwork．TImielimki，HKortheds．MobileComputing．1996：30～34刘凯歌，李腊元．基于离散约束的最小能量DSR路由协议．武汉理工大学学报，2007，3i(i)：77—80 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