海上移动Adhoc网络路由协议研究

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分类号UDC密级海上移动Adhoc网络路由协议研究杨莎莎指导教师王旭东职称教授学位授予单位大连海事大学申请学位级别工学硕士学科与专业信息与通信工程论文完成日期2011年5月论文答辩日期2011年6月答辩委员会主席 byYangShasha(InformationandCommunicationEngineering)Dissertation／ThesisSupervisor：ProfessorWangXudongMay2011 ．．．．J 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕士学位论文：连土整动趔hQ堡圈终蹬由协这硒塞==。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：扬翌暨学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》(中国学术期刊(光盘版)电子杂志社)、《中国学位论文全文数据库》(中国科学技术信息研究所)等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。不保密一(请在以上方框内打“√，，)论文作者签名：杨莎岛导师签名：_九生系日期：≯，『年6月；口日 中文摘要摘要近年来，海上交通运输业在国民经济建设中起着重要的支撑作用。在日常航行和遇险报警中海上通信系统是非常重要的。随着船只数量的不断增多，带来的问题也越来越棘手，出现信道拥塞和呼叫不畅通是不可避免的。针对这种情况，提出了将移动Adhoe网络概念应用于海上移动通信的方案，使其同时具有VHF传输稳定、成本低和Adhoc灵活组网的优点。本论文的主要内容是对常用Adhoc路由协议进行分析研究，将经典路由协议应用于海上通信系统并对AODV协议进行了改进。论文首先简单介绍了Adhoc网络技术原理、常用的海上通信系统，并对海上通信发展进行分析，提出了基于VHF频段的海上移动Adhoc网络构建，并详细介绍了该系统原理以及参数设置。路由协议是Adhoc网络研究中必不可少的一部分，它在很大程度上决定了网络的整体性能。传统路由协议虽然可以提供服务质量保证，但是不能够保证能量分布的均衡。所以论文在对常用Adhoc网络路由协议进行研究的基础上，分析比较其优缺点，并对AODV协议进行改进，在协议改进中引入对能量的考虑。本论文采用的路由协议仿真环境是OPNETModler，利用该软件可以通过对网络设备、链路和协议模型的建立来模拟网络流量传输，并获取网络设计或网络优化所需的特定网络性能参数的技术，从而更直观地观察到协议的性能。论文的最后对所做工作进行总结分析。关键词：海上通信；Adhoc网络；路由协议；AODV 英文摘要l一一——_-————————————————————————-—————————_———-——-————--——一ABSTRACTInrecentyears，marinetransportationinthenationaleconomyplaysanimportantsupportingrole．Inthedailymaritimenavigationanddistressalarm，maritimecommunicationsystemsisveryimportant．Withthevesselsincreasing，theissuesbroughtuphasbecomeincreasinglydifficult，andchannelcongestionandcallingimpededareinevitable．AprogramisputforwardthatmobileAdhocnetworkcanbeusedinmaritimemobilecommunication．Andthemobilenetworkhasmanyadvantages：thetransmissionstabilityandlowcostofVHF,theflexiblenetworkingofAdhoc．ThemaincontentsofthispaperistoanalyzethecommonroutingprotocolsofAdhoe，tousetheclassicalroutingprotocolsinmaritimecommunicationsystemsandtoimproveAODVprotoc01．Firstly,WesimplyintroducethebasicprincipleofAdhoenetworktechnology,commonusedmaritimecommunicationsysteminthispaper．Afterabriefanalysisofthemaritimecommunicationdevelopment，weproposethestructureofmaritimemobileadhoenetworkbaseonVHFfrequency．Thedetailandparametersettingaregiveninpaper．Adhoenetworkroutingprotocolisanessentialpartoftheresearch，whichlargelydeterminetheoverallperformanceofthenetwork．Althoughthetraditionalroutingprotocolscanprovidequalityofserviceguarantees，theycannotguaranteethebalanceofenergydistribution，s0baseontheresearchofthecommonAdhoenetworkroutingprotocols，analyzeandcomparetheiradvantagesanddisadvantages，proposeamodifiedAODVprotocolthatconsideringtheenergyastheangleofroutingprotocolimprovement．Routingprotocolssimulationenvironmentis0PNETModlerinthispaper,networkdevices，linksandprotocolmodelarebuildedtosimulatenetworktraffictransmissionbyusingthesoftware，andobtainspecificnetworkperformanceparametersofnetworkdesignornetworkoptimizationrequiredforthetechnology,toobservemoredirectlytheperformanceofprotocols．Atlast，thepapersummarizestheresearch．Keywords：maritimecommunication；Adhocnetwork；routingprotocol；AODV ● 目录目录第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。11．1课题提出的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2课题研究的主要内容及章节安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2第2章海上移动Adhoc网络构建思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．32．1Adhoc网络技术原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。32．1．1Adhoc网络的发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32．1．2Adhoc网络的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42．2海上移动通信技术的概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52．2．1海上移动通信工作频段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯62．2．2典型的海上移动通信系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．3系统构建方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．3．1系统功能要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．92．3．2系统部分设计参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．3．3系统设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．3．4系统的硬件实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。112．3．5系统的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14第3章移动Adhoc网络路由协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．193．1Adhoc网络路由协议分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．1．1Adhoc表驱动路由⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．193．1．2Adhoc按需路由⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．193．1．3Adhoc混合式路由⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。203．2典型路由协议介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3．2．1DSDV协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．213．2．2DSR仂·议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯213．2．3AODV协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．1．4TORA协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23第4章海上Adhoe网络路由协议研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．244．1路由协议建模仿真环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。 目录4．1．1OPNETModeler网络仿真软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。244．1．2OPNETModeler开发环境⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯264．1．3OPM订Modeler编程技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯284．2DSR与AODV应用于海上通信系统性能对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28第5章改进的AODV协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．335．1AODV协议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯335．1．1基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯335．1．2AODV路由协议仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯355．2能量平均思想的引入⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯375．2．1能量意识算法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯375．2．2协议改进的基本思想⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯405．3仿真实现及性能的分析比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．44第6章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯516．1全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯516．2研究展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。57 海上移动Adhoc网络路由协议研究第1章绪论1．1课题提出的背景及意义通信技术的进步使人们提出了“无论何时，无论何地"的迫切要求，各种无线传输网络随之也变得颇为流行，新的应用需求引起了对应急无线网络的研究。Adhoc自70年代诞生以来发展非常迅速，它是一种不依赖于固定基础设施的、不受空间制约的、能快速组网的自组织无线网络。该类型网络因其组网方式的特殊性，经常被应用于应急通信场合，如救援、战场、特殊环境下的目标监控以及蜂窝末端网络的扩展等。随着硬件成本降低和移动通信理论的发展，通信行业对社会发展的影响越来越大，但无论是从资金投入、产品性能还是设备普及程度，海上通信的发展速度远落后于陆上通信，相关研究较少，查找一篇分析海上通信现状的较新的文章都是很困难的事情。事实上，尽管我国已经开通了海洋渔业安全通信网等海上通信系统，但是这些系统存在数据传输速率低、抗干扰能力弱、覆盖范围小等问题【1J，特别是，船舶驶离岸很远的时候，会出现联系不到陆上固定基站的问题，此外，还有和附近海域的多个船舶组网进行通信的需求等等。海上用户的需求使得海上通信系统必须满足新的要求，而现有的海上通信系统实在很难提供一个能灵活适应变化且成本较低的解决办法。相对于目前陆上通信的发展状况，海上通信系统的发展还是较为缓慢的。海上交通运输业在国民经济建设中起着重要的支撑作用，我国海上运输承载80％以上的国际贸易运输量，海上交通运输业的发展对我国的可持续发展有极其重要的影响，是国民经济健康增长的物质前提。海上事故所造成的经济损失巨大，人员伤亡惨重，因此海上交通安全已经成为当今各国要优先解决的问题。要利用现代高科技手段确保船舶航行安全【21。众所周知，船舶进行海上航行时移动范围很广，面临的环境也很复杂，一旦出现事故引发的后果难以想象，危害极为严重。目前严重制约我国海上交通运输发展的问题主要是技术和设备的短缺以及管理落后。根据不完全统计我国每年平均发生800起海上交通事故，所以先进的海上通信技术和设备对于提高事故处理能力和保障海上航行安全至关重要。鉴于上述情况，设想将Adhoc网络引入海上通信，来适应海上多变的通信 第l章绪论条件，实现船舶、岸站、公网的互联。对此提出了海上甚高频移动通信网络路由协议的研究和改进这一研究课题。1．2课题研究的主要内容及章节安排本课题将移动自组织网的思想与海上VHF通信相结合，既发挥了Adhoc网络灵活、无中心、不依赖于固定网络设备的特点，又兼顾了VHF通信的优点弥补了其缺点，如通信稳定、成本低、距离受限，为海上通信提供更好的解决方案。本文的主要内容包括移动自组织网原理；海上通信的现状；海上通信系统的实现；Adhoc路由协议的发展现状以及现有路由协议的不足之处；使用OPNET软件模拟仿真场景，进行路由协议的仿真，通过查看仿真结果中的相关参数信息来分析路由性能。本论文主要研究将移动Adhoc网络技术与海上移动通信相结合方案，以及其路由协议的特点，基于能量平均思想，实现了基于AODV路由协议的改进方案。章节安排如下：第1章是绪论，通过介绍通信技术的发展和海上通信的现有情况，从而引出本课题提出的背景意义及主要内容。第2章首先介绍移动Adhoe网络关键技术、该网络的特点及其发展。第3章对Adhoc路由协议进行分类，通过比较几种典型的路由协议得出各自的优缺点。第4章对路由建模仿真环境OPNETModeler进行了简单介绍，还在此基础上仿真对比了将DSR和AODV路由协议应用于海上通信系统时的性能。第5章引入了能量平均的思想，并对基于AODV的改进路由协议进行了建模仿真。第6章为论文总结。2 海上移动Adhoc网络路由协议研究第2章海上移动Adhoc网络构建思想2．1Adboo网络技术原理移动Adhoe是由多个配备有收发装置的移动终端自组织形成的、无中心的、无需固定基站的、多跳的无线移动通信网络。它可以在多个节点间自动协调分配信道，提供节点间的网络服务。该网络中的每个终端节点都可以在网络拓扑结构不断发生变化的情况下，兼有路由和报文转发两种功能【甜。在Adhoc网络中，移动节点之间可以进行话音、文件等数据的传输；作为路由器则可以按照制定好的协议为其他节点提供路由寻找、路由维护、数据中转等服务。图2．1是典型的Adhoc网络结构图：图2．1典型的移动自组织网络结构Fig。2．1TypicalAdhoenetworkstructure2．1．1Adhoe网络的发展。Adhoe建立的最初目的是军事用途，而后转向民用领域应用。1968年美国国防部将夏威夷大学建立的ALOHA技术用于军事应用，并进行了PRNET的开发，它是第一个高速无线自组网，随之而来的问题是如何解决功率受限问题，并使之能适用于较大规模网络以及具备较强的抗干扰能力等。1983年美国发起的SURAN计划，主要研究适合上万个节点组网的算法以3 第2章海上移动Adhoe网络构建思想及在复杂电子干扰条件下，可生存的满足体积小、成本低、功耗少要求的分组无线技术。最终研制出了一种安全且信道自适应能力很强的数字直序扩频电台。同时期美国海军研究实验室研制出采用ALOHA信道接入方式的短波波段自组织网络系统HF-ITF[31。90年代美国的WAMIS实现Adhoc网络的重大突破，可以在多跳、移动环境下支持实施多媒体业务。Adhoc适用于不便预先铺设网络设施且需快速自动组网的场合。它的应用大体归纳为：军事应用、紧急场合和偏远野外、传感器网络、移动会议、扩大无线网络覆盖范围等。将Adhoc网络引入民用领域的一个重要方向是将其与因特网无缝连接以及在蜂窝移动通信系统中融入，但是该技术的复杂度以及市场需求的不强烈等客观原因决定该应用实现起来具有一定的困难，加之功率和安全问题一直未得到有效的解决，所以大规模商用至今未能实现。从通信角度讲，传感器网络是Adhoc网络的另一个重要发展方向，它是一种特殊的自组织网络【41。传感器节点通过协同工作来对同一对象进行观测，达到探测该对象多种属性的目的，并根据设置好的网络协议将探测结果通过节点间传输从而上报。随着通信技术的进步Adhoc网络的各项技术也在迅速发展，必将在我们的生活中发挥重要作用。2．1．2Adhoo网络的特点Adhot：网络的主要特点有：(1)采用无中心结构，所有节点地位平等，网络中的节点随时可以加入或者离开，任意节点出现故障不会影响整个网络运行，即网络具有抗毁性。(2)一个节点的覆盖范围有限，当它需要与自身覆盖范围之外的节点进行通信时，必须经过中间节点的转发。(3)网络采用无线传输技术，提供的带宽相对于有线信道低很多且质量较差。在冲突和干扰下，移动终端最终获得的实际带宽远小于理论最大带宽。(4)由于受尺寸等等因素的限制，主机由电池供电，能源是有限的，不利用开始复杂的业务。4 海上移动Adhoc网络路由协议研究(5)移动自组织网易被窃听和受到攻击，并且传统网络的安全策略和机制将不再适用。(6)移动Adhoe网络主要用于临时的应急通信，相对于有线网络生存时间较短。其特点可以概括为：无中心、多跳路由、特殊的无线信道特征、移动终端能源的有限性、安全性差、生存周期短。2．2海上移动通信技术的概述随着科学技术的迅猛发展，交通工具也在不断改进，火车、汽车、飞机、船舶作为人们出行的代步工具已经成为日常生活和工作不可或缺的一部分。目前，国际运输主要的手段之一就是海运，中国对外贸易运输量的90％以上是依靠海运来完成的，长远来看，中国海运市场的发展前景依然广阔。中国海运事业发展迅速的同时，海上通信技术的发展给航行安全带来了曙光。船舶作为海上交通工具，进行的主要内容是航行信息的互通和协调，无线电技术应用于海上航行的目的是保证海上航行安全和实现遇险通信。陆上无线通信，通过在陆上架设基站是比较容易实现高速数据传输的。然而，海上的自然地形非常特殊，这制约了与陆上相同的系统是不可能适应海上通信的需求的，因此，能实现远距离传输的低数据传输率船用中高频调制解调技术经常被用于海上通信。1914年制定的国际海事人命安全公约(SOLAS)规定船舶必须配备由电池供电的收发信机及无线电自动报警器，并将500kHz频率作为国际无线电安全通信频率。1957年制定的大西洋城公约补充了SOLAS公约的内容，并规定2182kHz作为国际无线电话安全频率。60年代科学技术的发展，使人们开始考虑将卫星技术应用到海上遇险的搜救过程中，将海难事故中的生命和财产损失减d,N最低程度。70年代初国际海事组织在(IMO)开始着手制定以改善海上搜救工作为目的的计划，称为全球海上遇险与安全系统(GMDSS)，该计划从海上遇险及通信体系、频率、设备等多方面进行了完善【51。国际移动卫星组织(Inmarsat)于1979年成立，按照惯例使用海事卫星来为5 第2章海上移动Adhoe网络构建思想海陆空用户提供低数据传输率服务并获取报酬，如：全球卫星移动通信业务、遇险与安全通信的业务等，虽然随着卫星通信技术的发展，卫星移动通信业务的成本正在不断地降低，但高花费仍然是该技术广泛推广的主要障碍。Inmarsat于2008年实现了全球卫星宽带传输，完成了第四代通信系统的全球覆盖，与之前的系统相比具有了更强的价格优势，已经成为GMDSS的一个主要通信方式。海上通信技术的变化日新月异，相信随着技术的进步，海上通信技术的功能必将更加的完善，成本也会持续下降。2．2．1海上移动通信工作频段目前，海上通信的特点是远距离传播，但是不支持高速数据传输。为了实现高的数据传输，Inmarst使用成本很高的卫星通信系统来通信。一般海上中高频(MF／HF)和海上甚高频频段(VHF)被用于海上通信161。按照工作频率划分为短波、超短波、微波通信。短波是指频率在1．6MHz．30MHz内的信号。海水的电导性使得电波信号可以沿海面传播1000公里左右，所以短波通信凭借在远距离通信方面的优势在海上通信中占据了重要地位。目前广泛研究和应用的短波设备是信道带宽在300．3000Hz内的“窄带"系统。短波的缺点有：1．受带宽和时变衰落的影响，在采用自适应技术的前提下，数据传输速率还是较慢；2．抗干扰能力较差，常通过使设备复杂化的手段结合采用扩频技术来提高系统的稳定性。目前国外的宽带调频技术可以实现1．5MHz以上带宽的高速数据传输，调频速率达2560．5000跳／s，在受到衰落和多径效应影响的信道上也可以通过该系统得到可靠的服务阴。微波频段的优点有：可靠的传输质量、较强的抗干扰性、较强的穿透性(传输路途远)。典型的工作在该频段下的海上通信系统是L和C频段的海事卫星通信系统(1nmarsat)，海事卫星通信系统具有高速、稳定、全天候为海陆空提供网络服务的特点。海事卫星目前已经实现了全球覆盖，随着价格的降低，市场前景广阔，用户数量有所增加，在海上通信中发挥重大作用。我国于2009年4月2日签署了《海事卫星地面站运营者协议》，实现了将我国海事卫星通信业务范围延伸到空中。海事卫星电话价格昂贵，除此之外还要支付流量费，尽管随着技术的进步价格有所下降，但是海事卫星通信的费用仍然比较高，在短时间内实现将6 海上移动Adhoc网络路由协议研究海事卫星广泛应用于大量的中小型船舶日常航行的可能性极小。据统计，截至到2008年7月，全球海事卫星用户有30万，其中中国有5万左右【81。除了以上所述的短波通信和微波卫星通信外，较近距离的船船通信和船岸通信普遍采用视距传播的超短波即VHF甚高频通信，该频段的特点是稳定性较高、结构简单、天线尺寸较小。海上VHF通信系统主要是语音通信，分为模拟和数字两种调制方式，工作频段是156MHz．174MHz。2．2．2典型的海上移动通信系统(1)GMDSS是GlobalmaritimeDistressandsafetysystem的缩写，即全球海上遇险和安全系统，是国际海事组织在旧的海上常规通信基础之上经完改进完善后所建立的一套新的搜救程序综合系统。该系统由三大系统构成：海事卫星通信系统和极轨道卫星搜救系统、地面无线电通信系统、海上安全信息播发系统【91。GMDSS系统根据VHF、MF、微波频段划分了四个子系统来分别对应船舶航行的四个海区：舢海区：指至少由一个具有连续数字选择呼叫(即DSC)报警能力的甚高频(VHF)岸台的无线电话所覆盖的区域。A2海区：指除A1海区以外，至少由一个具有连续DSC报警能力的中频(MF)岸台的无线电话所覆盖的区域。A3海区：指Al和A2海区以外，由具有连续报警能力的国际海事卫星组织(IN心SAr)静止卫星覆盖的区域。A4海区：指A1、A2和A3海区以外的海区。GMDSS系统实现的功能有：报警、搜救协调通信、搜救现场通信、定位、海上安全信息的播发、一般的公众业务通信、驾驶台之间通信。我国于1992年开始建立GMDSS，以满足我国运输业安全航行的需要，经过多年的建设和发展，海上遇险报警和搜救的成功率以及效率都获得了极大的提高，无数人的生命获得挽救。(2)AISAIS是AutomaticIdentificationSystem的缩写，即自动识别系统，它是采用VHF频段的自组织时分多跳的海上通信系统，通信频段是156．025．162．025MHz，7 第2章海上移动Adhoc网络构建思想在频段管理部门的监督下可选择该频段下带宽为12．5kHz或25kHz的任意信道，空中速率9600b／s，功能是在VHF频段下的有效传输范围内，广播船舶信息和航行信息，实现船与船、船与岸之间的信息交换，该有效通信距离由天线高度和发射功率共同决定，一般为20nmile左右。通过使用AIS，船舶能随时了解周围情况，在港口等船舶密集的海域，为安全航行提供支持。IMO规定300吨以上的国际航行船舶、500吨及以上非国际航行船舶以及所有客船都应该配备AIS。我国是SOLAS公约的缔约国，按照IMO的规定，各岸口应配备AIS系统，目前长江口水域、珠江口水域、高港拥有AIS岸台网络系统。GMDSS和AIS配合使用能为海上安全航行提供极大保障，但GMDSS配套设备价格昂贵，AIS不能在船舶之间进行其他业务联络，从这些方面考虑VHF通信更具有优势。所以在VHF频段实现海上多跳自组织网络，就能在降低成本的基础上为海上通信的安全和便捷提供方案。图2．2为海上通信系统网络结构图：图2．2海上通信系统网络结构图Fig．2．2Networkarchitectureformartimecommunicationsystem8 海上移动Adhoc网络路由协议研究2．3系统构建方案就港口通信而言，应用海岸上已有的额外部署的无线通信系统基站是可能的，海里是不可能部署无线基站的。为了克服这个问题，加上船舶移动慢、组网后节点密度小，所以十分适合将移动自组网应用于海上通信这个研究领域。将Adhoc网络引入海上通信系统时应考虑移动性、船舶路由的选择、船舶密集度、海浪波动等具体因素【61。建立海上Adhoc网络时，根据系统构建方案，使用甚高频设备，VHF频段的电波绕射能力弱、不易被电离层反射、辐射能力强，适合视距传输。该系统实现VHF电台的超视距传输，在网络拓扑不断变化的情况下，通过临时组网达到远距离节点之间传输语音和数据的目的，遇险时可向网络中的节点发送求救信号，为海上通信提供了一个性价比较高的解决方案。2．3．1系统功能要求(1)该系统应遵守当地无线电管理部门相关规定，合法使用信道资源，保证现有的通信设备不被干扰并尽最大可能保持兼容；(2)该系统应能提供超视距的数据传输服务，通过自组网可以使配备有终端的一个区域内的船舶之间进行业务通信；(3)给系统能通过先进的语音编码技术将语音数据压缩，从而提供高质量的数字电话通信；(4)该系统应提供遇险报警功能，出现意外可发送遇险信息，如：遇险性质与级别、时间、地理位置等，收到该信息的船舶要及时进行响应；2．3．2系统部分设计参数(1)工作频段：156．235MHz；(2)信道带宽：12．5／25kHz；(3)发射功率：1W-5W；(4)数据延迟：400ms；(5)数据接口：RS．232；(6)通话方式：半双工。电台发射功率在不影响覆盖的前提下应该保证尽量小，由于船上有较多的无线电设备，而且天线摆放的位置会对其性能会产生较大影响，所以天线应放在较9 第2章海上移动Adhoc网络构建思想高处，这样可以使发射功率降低从而使电磁辐射降低，还可以增加信道的复用。虽然VHF频段被广泛应用于航海航空领域，无线电管理部门对频段的使用也有详细的管理处罚规定，但仍然存在违规使用的情况，所以设计系统时需要考虑到意外情况发生时，系统应该可以自动分辨干扰并采取应对措施，保证能正常工作【101。2．3．3系统设计方案系统结构如图2．3所示：圈图2．3系统结构图Fig．2．3Stmctralchartofsystem(1)本方案选择8051单片机作为处理器，该款单片机的优点有便携、低功耗、价格低，因此从诞生起一直很受青睐。单片机之间采用传输速度较快且占用管脚少的系统管理总线SMBUS连接。(2)组建移动自组织网络的信道是两条分别用做数据信道和信令信道的带宽为12．5／25kHz的无线信道。(3)语音编码单元选用AD73311芯片与AMBE2000配合使用，前一款芯片具有数模、模数双向转换功能，并且在芯片内部还集成了信号前置放大和滤波功能，后一款芯片具有音频数据前向校错功能、回音消除以及静音检测等功能，在较高压缩率下仍可提供良好的话音质量。(4)定位信息采集单元采用的是台湾Progin公司的SR．87，该型号产品稳定性、灵敏度均比较高。10 海上移动Adhoc网络路由协议研究将上述模块通过不同接口进行连接，加上外围电路并连接VHF电台，就组成了该系统，即海上Adhoc网络中的一个节点。2．3．4系统的硬件实现该系统除了需要有传输稳定的VHF收发机以及具有较强计算能力的处理器之外，还需要要设计抗干扰能力强的硬件电路。详细框图如下：为甲I，TAGfIFLASHflsRAMfIFLASH忙G甲葛¨接13∽／＼∽口_孓王_刁51单片0LA∞＼／口5l单片机BC刃甲∞甲甚葛¨接接口接口¨N图2．4节点结构图Fig．2．4Structurechartofnode1．处理器的分析：处理器的选择对整个电路和外围电路的处理能力起着特别重要的作用。一般提供的选择有单片机、FPGA、ARM。(1)单片机的优点非常明显，如开发快速简单、成本低，它本身具有许多不可替代的优点，譬如功耗低、便携性、技术成熟、稳定性强等。单片机只做控制和运算，通过点阵图式LCD或字符式向将数据和图形提供给用户，也可以连接其他设备实现特定功能。低端单片机需要通过配置键盘输入模块、A／D板、外接RAM存储器等进行扩展才能提供较完善的功能。缺点是在集成度、资源和运算速度上没有ARM那么丰富。(2)FPGA以其使用灵活且运算速度极快、对信号的延迟很低、并行处理、功能强大、开发周期短、投资少、可重复修改等特点成为高速大量的实时数据运算处理方面，特别是无线通信领域硬件设计的首选方式之～，但FPGA也具有天生的劣势，如功耗较大【11’121。冈⋯同闭⋯田U 第2章海上移动Adhoe网络构建思想(3)基于ARM的嵌入式微处理器近年来得到了非常广泛的应用，特别是一些专业领域，如通信终端、工业控制等。它能够根据客户的不同需求选择合适的软件系统，内核具有可裁剪性。它具有功耗低、重量轻、集成度高、稳定高等优点，的确是其它处理器无法比拟的f13l。考虑到本系统设计中包含数据信道和信令信道两个信道。根据处理器要实现的功能，要求处理器要满足特定的运算速度和资源。在本系统中处理器需要实现的功能包括：控制甚高频电台的发射功率和传送速率；控制语音芯片对数据进行压缩并发送；对路由建立请求和路由回复等进行分组转发、读取来自GPS模块的信息、连接外设、实现串口通信等。本系统设计最终选用了一款可满足需求的、开发周期较短、实现简单的单片机作为处理器。每个节点用两片C8051f020单片机，单片机之间用系统管理总线连接来交换控制指令和数据。2．系统管理总线外围电路和时序：C8051f系列单片机的SMBUS传输速率的最大值是时钟频率的1／8，使单片机间数据传输非常快。图2．5是系统管理总线典型配置电路示意图：SDASCLVDD=5VVDD=3．3V图2．5SMBUS典型配置Fig．2．5TypicalconfigurationofSMBUSSMBUS与12C串行总线兼容，是双线的双向串行总线。通过两个上拉电阻驱动SCL、SDA。电阻阻值产生的影响：电阻与逻辑电平转换时间成正比，与功耗成反比。可以存在多个主器件在总线上，但同一时刻总线只能被一个主器件所掌握。一般，有数据在总线上传输分两种情况：1．从主发送器到所寻址的从接收器进行的写操作；2．从被寻址的从发生器到主接收器进行的读操作。单片机每个管脚的输出方式可以分为漏极开路输出和推挽输出两种：1．漏极 海上移动Adhoc网络路由协议研究开路输出是指不加上拉电阻就无法输出高电平的以MOSFET的漏极为输出的电路。当把几个漏极开路输出的管脚直接连接到一条线上会形成“与逻辑”，即它具有“线与"功能；2．推挽输出是指两个三极管无需上拉电阻即可直接输出高低电平，它们分别由两个互补信号控制达到轮流导通输出电压的目的1141。连接到SMBUS上的每个器件的SDA和SCL都要满足是集电极开路或漏极开路。当总线处于空闲状态时，两条线均被置于高电平，有器件需要使用总线时，为了避免出现多器件抢占总线发生冲突，采用将SDA拉到低电平的方式来告知总线上的其他器件。完整的数据传输需要具备起始条件、地址字节、数据字节以及停止条件。通过SCL在高电平时SDA为低电平的方式来确认接收的字节。姒]压Z矗五臣丑丘二匹n厂爨霸掌肇懈潞图2．6SMBUS时序图Fig．2．6SMBUSsequencediagram主器件启动传送数据，主器件在SCL高电平时让SDA处于低电平从而产生起始条件，总线上的所有器件都能收到主器件发送的地址和方向位，这时被寻址器件发送ACK作为响应，如果进行写操作，发送完数据后需要等待从器件回复ACK进行响应，如果进行读操作，数据由从器件发送，并等待主器件回复ACK。通过由主器件产生停止条件的方式，终止交换数据并对总线进行释放【15’1嗣。3．节点的VHF电台VHF电台是海上移动通信系统的重要组成部分，VHF频段是视距传播，电离层基本不会反射该频段下的电磁波。由于频段是有限的，国家设有专门的相关部门对无线通信频段实行严格管理，以便让信道资源得到合理利用。海上VHF的工作频段是156MHz．174MHz，分为57个可用信道，其中单工信道CH06，CH08．CHl7，CH67．CH74和CH77，其余均为双工信道。 第2章海上移动Adhoc网络构建思想本系统选用了一款工作在VHF频段的FC222．CH型号电台，可依据不同地区的无线电管理规定任意设置频率；可以通过电台配有的专用软件通过串口向电台写控制命令，分别选用5KHz、12．5KHz、18．75KHz、25KHz的带宽和1W06W的功率。FC222．CH电台频道控制软件运行界面如图2．7所示。图2．7FC222．CH软件Fig．2．7SoftwareofFC222一CH2．3．5系统的软件设计高效、完善、可靠的软件程序能使硬件性能发挥到最佳，进而使网络节点性能稳定，提供可靠的网络服务。1-开发环境本系统采用的单片机软件开发环境是SiliconLabs的集成开发环境，它包括项目管理器、源程序编辑器、源程序级调试器以及其它工具，它对第三方开发工具兼容，可提供一个完整的嵌入式软件开发环境。它具有以下特点：(1)集成C51和8051宏汇编(2)工程管理(3)FLASH编程(4)源代码编辑 图2．8信令单片机流程图Fig．2．8SignalingMCUflowchart初始化包括：清空标志位和缓冲区，分配电路管脚接口，设置串1：3、总线、定时器等器件的状态，设置寄存器优先级、初始值等。初始化后，软件处于不断值守按键、SMBUS、UART0和UARTl的状态。 第2章海上移动Adhoc网络构建思想当用户要进行语音呼叫或传输时，需通过按键选择要呼叫的用户。SMBUS是在两块单片机间起数据传输的作用。工作在以下情况：(1)信令单片机需在改变电台参数时告知数据单片机同时对电台进行写控制字，并由数据单片机回复结果确认已进行同步修改。(2)信令单片机收到上位机传来的消息后，要通过总线传给数据单片机。(3)信令单片机在得到新的路由后，通过总线传给数据单片机，达到更新路由存储的目的。(4)数据单片机收到短信息后通过总线传送给信令单片机，信令单片机再发送给上位机，并显示到用户界面上。(5)节点加入到达目的节点的路由并发送数据，若数据发送失败，由信令’单片机重新建立路由，并使用数据信道再次发送数据；若仍发送不成功就由信令单片机发消息告知用户，无法到达目的节点。信令单片机的UARTl与上位机相连，当用户需要发送短消息时，在上位机的专用软件上输入文本，选择被叫节点，然后发送。信令单片机收到上位机软件发来的短消息时，当其提供的可用路由处于空闲状态时，通过中断使用SMBUS将数据发送给数据单片机。再有可用路由的情况下，数据单片机将封装好的数据分组使用数据信道进行发送，否则节点先发起路由寻找过程建立可用路由，然后发送数据分组。信令单片机的UART0与信令信道的VHF电台相连。节点接收和发送分组均通过UART0交给相应的部分进行处理。UART0可以通过信令信道向电台发控制指令，根据不同的节点密度和网络状况设置发射功率和传输速率。3．数据单片机的软件设计数据单片机流程图如2．9所示：16 海上移动Adhoc网络路由协议研究图2．9数据单片机流程图Fig．2．9DataMCUflowchart数据单片机的初始化与信令单片机的初始化相同。数据单片机的UART0与数据信道的VHF电台连接，因为信号的传输速率和发射功率会对误码率和传输距离产生影响，可向电台发控制指令来对发射功率和传输速率进行设置。在等距离传输的前提下，码速率与误码率成正比，与传输距离成反比；发射功率与误码率成反比，与传输距离成正比。但数据信道单片机和信令信道单片机的传输速率和发射功率必须要保持一致，否则可能会导致信令信道建立的路由在数据信道下变得无效。如图2．10，信令信道电台的发射功率大于数据电台时，会使A的信令信道电台的通信半径大于数据信道电台，导致在信令信道建立的可到B的路由在数据信道上却不能到达，频繁的路由重建造成严重的网络资源浪费。17 第2章海上移动Adhoc网络构建思想A节点数据信道电台通信半径A节点信令信道电台通信半径图2．10作用半径示意图Fig．2．10Communicationradiuschart本章首先介绍了移动Adhoc网络的基本概念，并对海上通信技术的发展进行了简单概括，简单介绍了常用海上移动通信系统AIS、GMDSS，详细介绍了将Adhoc网应用于海上通信系统而构建的海上移动Adhoc网络的设计方案(包括硬件设计和软件设计两个部分)18 海上移动Adhoc网络路由协议研究第3章移动Adhoc网络路由协议常规的路由协议有：基于距离矢量算法和基于链路状态算法，但在Adhoc网络中，网络中的节点是移动的，而常规的协议占用大量的路由资源且处于不收敛状态，无法进行信息的传输，这个特殊性使得常规路由协议无法在Adhoc网络中正常工作【171。因此，路由协议是Adhoc网络体系研究中不可或缺的部分。3．1Adhoc网络路由协议分类Adhoc网络有多个移动节点，它们都共享同一个无线信道，在拓扑结构不断变化的条件下解决路由问题一直都是一个重要的研究方向。目前已经提出许多路由协议，如果从根据节点获取路由信息这方面考虑，可以分为表驱动路由和按需路由两类【181。‘3．1．1Adhoc表驱动路由表驱动路由需要节点周期性地进行广播，达到节点间交换路由信息的目的，网络中的每个节点都维护一张或以上路由表，来记录网络内到达全部节点的路由，网络拓扑发生变化时，收到更新消息的节点更新其路由表，以维护路由信息的一致性和及时性。表驱动路由也被称为先验式路由，这类路由协议的优点是节点实时地维护着网络的拓扑信息，当节点有发送数据分组的需求时只需查表就能获得通向目的节点的路由信息，发送分组的时延较小，并且每个分组帧头只包含目的节点和下一节点信息即可：但随着网络规模的扩大和节点移动速度的增加，拓扑变化会加快，实时的维护需要通过发送大量的拓扑更新控制报文来进行频繁的信息交互，这会使信道产生拥塞，从而降低系统的吞吐量，严重影响到数据报文的发送【19】。而且它会浪费资源来建立和重建某些未使用的路由，尤其是在网络中节点个数较多，网络拓扑结构变化频繁的环境中。缺点是开销较大，无论是否存在拓扑变化和转发，都需定期地更新路由表，造成了电池能量和网络带宽的浪费，特别是在通信量大或者拓扑结构频繁变化的情况下，网络性能会受到严重影响f201。典型的表驱动路由协议有：DSDV、WRP、OLSR。3．1．2Adhoc按需路由按需路由是源节点只在需要向目的节点发送报文且当前路由表中没有通向目的节点的路由的情况下才启动路由发现机制，不需要一直更新维护网络中所有19 第3章移动Adhoc网络路由协议节点的路由表，不需实现各节点路由信息的同步性，但这样将会产生一定的时延，不利于实时的传输。按需路由也被称为反应式路由，这类路由协议的优点是节省了网络电源和带宽；缺点是实时性较差、不能保证是最佳路由、路由建立过程花费时间较长且每个分组的帧头全都要包含完整的路由信息12l】。典型的按需路由协议有：DSR、AODV、TORA。表3．1给出了表驱动与按需路由特性的比较情况。表3．1表驱动与按需路由比较Table．3．1compareoftable-drivenandon—demand参数表驱动方式按需方式是否周期更新是否路由获取延迟低高控制负载高低耗电量高低带宽开销高低从以上比较得出，在拓扑频繁变化的网络中，采用按需路由协议比较好，在对实时性要求较高且拓扑结构相对较稳定的情况下，则采用基于表驱动方式的路由协议。3．1．3Adhoc混合式路由除了表驱动路由和按需路由两类路由协议之外，还有将两者结合起来的混合式路由协议。在移动Adhoc网络中，很多时候单纯地采用先验式或者反应式路由协议都不能完全解决问题，如果只采用先验式路由协议产生的控制报文会很多，而且其中会包含数量极多的无用控制报文；仅采用反应式路由协议，发送报文时又需要发起路由发现过程查找路由，当需要连续向同一目的节点发送数据的情况时，开销很大。因此，混合式路由协议是一种折中的方案，结合了先验式和反应式路由协议的优点。在局部小范围内使用需维护路由信息的先验式路由协议，这样可以在拓扑发生变化时，使路由信息控制报文只在小范围内传播，防止信道拥塞，提高网络吞吐量：当目标节点离源节点较远时，可以通过启动路由发现过程来查找路由。混合式路由协议既减少了开销，又改善了时延，但缺点是协20 海上移动Adhoc网络路由协议研究议较复杂。这类协议包括ZRP和FSR等。3．2典型路由协议介绍3．2．1DSDV协议DSDV(destination．sequenceddistance．vector)目的排序距离矢量路由算法是一种表驱动路由协议，每个节点都维护一张包含所有可到达的目的节点、到达目的节点的跳数和目的节点指定的序列号(Sequencenumber)l拘路由表。每个节点都周期性地广播自己的当前路由表，以便邻居节点能获取路由信息。在路由发生显著改变时，也需向邻居节点发送路由表。其中序列号是为了避免环路，用来从新的路由中区分过时路由。接收节点会将收到的路由表与自己路由表进行比较，针对目的节点序列号，如果收到的路由信息中的序列号高于当前自己路由表中的序列号，接收节点就需及时更新自身路由表项；如果收到的路由信息中的序列号和自己的序列号相同，接收节点仅在路由跳数更小的情况下才对路由表的更新。3．2．2DSR协议DSR(DynamieSourceRouting)动态源路由协议包含路由发现和路由维护两个部分，即每个节点都维护一个路由表，用来存储已知的源路由，并在学到新路由时对其进行更别22】。源节点要向目的节点发送数据时，首先检查路由表中是否存在有效的到达目的节点的路由，如果有这样的路由，就使用其发送数据；否则，广播RREQ(路由请求)分组发起路由发现过程。RREQ具有源节点地址和目的节点地址以及一个惟一的标识符。各中间节点也要进行同样的工作，检查是否有路由能到达目的节点，如果没有就在在分组记录中增加节点本身的地址，并向邻居节点进行转发。节点在第一次收到某路由请求分组且在分组记录中不含有该路由请求的地址时，处理该路由请求，为了达到限制路由请求传播的数量的目的，如果分组记录中含有该路由请求分组则丢弃该分组【231。路由应答分组的产生方式分为：(1)应答分组由目的节点产生时，会在路由应答分组中加入路由请求记录中的路由记录。(2)有效的、可到达目的节点的中间节点收到路由请求分组时，会将自己路由缓存中到达目的节点的路由信息以及路由请求分组中记录的路由一起放入路由应答分组中。21 第3章移动Adhoe网络路由协议应答节点可通过三种方式发送路由应答分组：(1)若应答节点有路由到达源节点，就使用该路由直接进行发送。(2)若网络链路是对称链路，可以利用所发现的路由的反向路由逆向发送。(3)若网络链路是不对称链路，那么应答节点需要将已经找到的路由放入到路由发现分组中，并向源节点发起路由请求。该协议是通过两种途径进行来路由维护g路由错误分组(RERR)和确认分组。当节点在数据链路层发生传输错误时，会选择向源节点发送RERR，收到RERR的节点就从自己的路由表中删除该路由。使用确认分组来判断路由能不能正确运行，节点也可以通过向下一跳发送分组来确认。DSR的优点是：(1)能消除路由环路。(2)无需维护到达所有节点的路由信息。(3)支持中间节点应答，使得源节点能快速获得路由。(4)节点不需要周期性地发送路由广播分组。缺点是：(1)每个分组都需要携带完整的路由信息，降低网络带宽的利用率，不适合直径大的网络。(2)路由建立时采用泛洪向全网扩散，容易造成信道资源的浪费，导致网络负荷大。(3)源节点发送RREQ时，可能会收到多个节点缓存的路由信息，其中部分信息可能是过时的。(4)随着跳数的增加，分组头长度线性增加。3．2．3AODV协议AODV(Adhocon-demandDistanceVectorRouting)按需距离矢量路由协议，该协议结合了DSR和DSDV的特点，它的路由发现和维护机制与DSR协议相同，同时引入了DSDV的逐跳路由、序列号、定期广播。源节点通过广播路由请求分组，中间节点依次对该分组进行转发，直到路由请求分组到达具有最新目的节点路由信息的某节点或目的节点。节点通过序列号来确保无环路，使中间节点只应答最新路由。进行RREQ分组转发时，节点在自己的缓存中记录的上游节点应该是最先收到请求时的那个，用于建立反向链路，返回路由应答分组。 海上移动Adhoc网络路由协议研究本协议仅适用于对称链路网络，若由于源节点移动造成了路由失效，则由源节点重新发起路由发现过程，寻找到达目的节点的路径；如果路由失效是由中间节点检测到的，中间节点需向上游节点依次发送通知，告知源节点链路已失效，源节点根据需要决定是否要重新发起路由发现过程。3．1．4TORA协议TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)：是e--种基于链路逆转思想的高度自适应的分布式按需路由算法，为每个节点定义了一个区域，这个区域包含一些节点(它们的的距离在一个限定范围之内，被称为区域半径)，这些节点都是它的邻居节点。每个节点只需要维护它的邻居节点的路由信息，只需知道它路由区域内的拓扑结构，并随着拓扑更新而更新。这样，尽管网络很大，但更新仅在局部进行。该协议能够提供多条路由到达目的节点。该协议遵循的规则：分组由源节点顺着网络管道向下流到目的节点，各节点根据路由协议计算出相对于目的节点的高度，如果节点向外流的管道被阻，导致分组无法流动，需设置该节点的高度高于其每个相邻节点，以便分组能流向周围节点。该协议中节点高度的度量与链路失效的逻辑时间有关，所以保持同步很重要。当节点无法找到任何一个相对于目的节点高度为有限值的邻居节点时，它就会启动新的路由发现过程。出现网络分离时，节点采用泛洪通过广播一个clear消息来重置路由状态并删除无效路由。本章对移动Adhoe网络的路由协议进行分类，并对几种典型路由协议的特点进行简单介绍。 第4章海上Adhoc网络路由协议研究hoe网络路由协议研究海上通信的有效范围是由VHF频段设备发射功率和船舶大小共同决定的，通常认为一跳的通信距离在20nmile左右，需要进行通信的船舶之间的距离如果超出20nmile，就需要通过中间船舶来进行中继，即通过自组织网形成多跳网络。通常一片区域会同时存在有多个节点，这时源节点和目标节点之间的链路就不止一条了，怎么样去选择一条链路，使得占用资源更小，并且在节点移动时通信保持不中断，这就需要对海上Adhoc网络路由协议进行研究。4．1路由协议建模仿真环境4．1．1OPNETModeler网络仿真软件介绍OPNETModler作为一种网络仿真工具，主要面向网络领域专业人士，提供基于软件方面的预测解决方案，为技术人员提供一个网络技术和产品开发平台，帮助其设计、分析网络设备以及通信协议，可以被应用于端到端结构、系统级的仿真、新的协议开发和优化、网络和业务层配合如何达到最好的性锹331。网络仿真技术是一种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络的行为，通过对网络设备、链路和协议模型的建立来模拟网络流量传输，并获取网络设计或网络优化所需的特定网络性能参数的技术。网络仿真具备了以下特点：(1)全新的模拟实验机理，在高度复杂的网络环境下，可以提供可靠的定量依据，使结果达到非常高的可信度。(2)使用范围广，可以对现有网络进行优化和扩容，也可以用来设计新网络，适用于大中型网络的设计和优化。(3)成本低，已经建立好的网络模型仍可延用，可使后期的投资持续下降。(4)数学建模是协议分析的重要方法，网络仿真可以对新协议进行分析，是新协议研究的重要手段。OPNET采用分层建模的机制，从网络层次方面考虑模型分为三个层次，从低到高依次是以状态机描述协议的进程模型，反映设备特性的节点模型，最上层为表现网络拓扑结构的网络模型。分层建模最大限度地贴近实际网络，全面地反映了网络的相关特性，节点模块建模符合OSI标准，从上到下分为：业务层、TCP 海上移动Adhoc网络路由协议研究层、IP层、lP封装层、ARP层、MAC层、物理层。OPNET这三个域分别都对应着相应的编辑器。网络域有项目编辑器和链路编辑器用来对整个网络的框架进行设计一项目编辑器设计网络大小，节点摆放；链路编辑器设计网络拓扑结构，链路的各种参数进行设计。节点域有节点编辑器，用于对各个节点内部进行具体的设计，涉及到各个模块的摆放，各个模块属性的设置；进程域有进程编辑器用来对每个模块里所调用的进程进行编程设计，它是最底层的也是设计中的难点所在，进程的编写实现了每个模块的基本功能。另外还有包格式编辑器用来对系统中所用到的数据包进行设计，探针编辑器用来收集感兴趣的统计量，ICI编辑器则用来创建，查看，编辑接口控制信息134J。一般OPNET仿真的基本流程如图4．1所示下：图4．1仿真流程Fig．4．1Theprocessofsimulation系统级仿真流程如图4．2所示： 第4章海上Adhoc网络路由协议研究图4．2系统级仿真流程Fig．4．2TheprocessofsimulationforsystemOPM疆Modeler采用的是面向对象的方式，即每一类节点可以采用相同的节点模型，之后再针对不同的对象，设置特定参数，从而得到不同的节点。OPNETModeler能提供多种业务模拟方式，具有收集分析统计量等功能。可以收集到常用的网络性能统计参数，所以能非常直观方便地输出仿真报告。4．1．2OPNETModeIer开发环境OPNl玎Modeler对系统有较高的要求，具体如下：1．硬件要求CPU：Intel奔腾系列：2．操作系统SunMicrosystems的Solafis2．6、Solaris7、Solaris8；Microsoft的WindowsNTV4．0、Windows2000或者WindowsXP；3．系统配置最低配置：128M以上的内存(内存越大仿真速度越快)，350M以上的可用磁盘空间：OPNETModeler支持C／C++，但本身并不带有编译器，因此在Windows平台下需要使用Microsoft的VC作为编译器，在安装时应该先装VC，并且安装好VC后要将环境变量设置好，才能对OPNETModeler进行安装。OPNETModeler的系统控制菜单如图4．2所示，包括：(1)File：文件菜单，完成文件管理和打印操作。(2)License：许可证菜单，完成许可证管理。(3)Windows：窗口菜单，隐藏或显示特殊窗口。(4)Help：帮助菜单。 海上移动Adhoc网络路由协议研究这些菜单下又包括多个子菜单，这里不一一例举。器OPNETMoc'eter14,5一EducationalVersion”⋯“⋯一io；嘲’猫|图4．3OPNET的系统控制菜单Fig．4．3SystemcontrolmenuofOPNETOPNETModeler采用“项目一场景"来对网络进行模拟。场景是网络的一个实例，一个场景针对一种网络配置，配置即拓扑结构、协议、应用、流量。一个项目可以包括多个场景，来进行网络扩展或者优化之后的性能对比分析，设置●“项目一场景"的流程如图4．4所示：图4．4项目．场景工作流程Fig．4．4Theprocessofproject-scenario 第4章海上hdhoe网络路由协议研究4．1．30PNETModeIer编程技术OPNET中各种协议的实现是通过最底层的进程模型完成的，Proto．C语言是OPNET特有的用来支持进程模型中各种算法实现的语言。Proto．C包括三方面：有限状态机、OPNET核心函数、标准C和C++。编程包括：进程的建模，书写C代码及软件自身所提供函数的调用等。Proto．C利用状态和转移图形来表示算法，在状态的进入和退出执行、状态变量、临时变量、头文件区、函数区、外部头文件以及源文件中进行代码编写，综合完成协议算法。Proto．C中包含大量核心函数，以缩写KP代表，与C语言或C++语言结合完成各种算法。OPNETModeler中各种协议的代码都是公开的，而且为了使用户对协议的内部运作理解起来更容易，为协议程序代码所加的注释是非常清楚的。它采用结合了基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法的混合建模机制，在得到详细模拟结果的同时，也很大程度上提高了仿真效率。4．2DSR与AODV应用于海上通信系统性能对比从理论上分析，DSR的每个分组必须携带全部的路由信息，应答分组会携带其路由上各节点的地址，而AODV应答分组只携带目的节点地址和序列号，故DSR的应答分组要比AODV的应答分组大的多，开销也会大很多。这两者累计起来，导致DSR协议对存储器容量的要求高于AODV协议对存储器容量的要求【矧。但DSR没有周期性地进行广播路由，这样就会节省信道带宽并且降低能量消耗，DSR还允许保持多条通往目的节点的路由在存储器中，因此，当船舶移动速度慢且通信中的链路发生中断时，源节点就检查其路由存储器，从中找到一条有效的新路由，无需调用路由重建过程，如果没有找到所需路由，才会像AODV协议那样进行路由恢复调用，也就是说路由恢复比AODV快【241。通过使用OPNET软件进行仿真，可实现AODV和DSR的性能对比，为了全面地分析协议的网络性能，从以下几个方面进行作比较：(1)平均端到端时延平均端到端时延是由路由层在数据接收时进行的统计，是数据包从源节点路由层成功到达目的节点路由层经过的平均时间。(2)数据分组到达率数据分组到达率就是到达目的节点应用层的数据量与源节点应用层产生的—————————————————．．．．．．．．。．_-．__·_______-_。___-．．．．．．———————————．．．。——．．．．．．．．．____。．__-。-_________●o_■■■■■■一 海上移动Adhoe网络路由协议研究数据量之间的比率。这个指标用来反映网络吞吐量，以便判断路由协议对网络性协议改进的目的就是要均衡各个节点的能量消耗，在选择路由时考虑网络节点剩余能量，选择路由时避免使用能量不足的节点，从而均衡整个网络的能量花费，延长整个网络的生命周期。同一时刻剩余节点的个数可以作为反映网络生命仿真场景如图4．5，网络中设置具有20个移动节点，采用manet进程中的Mobilenode模型，各无线节点内部结构完全相同，每个节点随机分布在网络中，移动轨迹由OPNET自带的trajectory属性配置为VECTOR，速度分别为i凰{直i直直亘{}直{～直。。虱!亘亘≤g；：；《餮；：亏爹亘。。-亘0童』亘二亘：4：i|曩酋{，画；画{画画‘；参数设置如表4．1- 第4章海上Adhoc网络路由协议研究表4．1参数设置Table．4．1parameters仿真时间600s节点数目20节点移动速度5m／s～20m／s节点运动模型VE(1’oR业务类型exponentialMAC层协议802．11DCF路由协议DSR、AODV信道带宽25kHZ功率1W图4．6给出了AODV和DSR开销对比的仿真结果：I一■掣l●DSR●、／_l～＼～．／，／·，，，．，．一-_，‘7：≥厶、、．＼I-／。。‘●／一／O5101520节点移动速度m／$图4．6AODV与DSR的开销Fig．4．6ThecostofAODVandDSR从图4．6可以看出，在这里开销反映了网络中协议数据分组在所有数据分组中所占的比例，AODV和DSR相比较，DSR的开销在不同的节点移动速度下变化幅度不大，原因是DSR协议是由源节点保持路由信息的，分组的头部包含了完整的路由信息，无需中间节点维护转发路由信息。图4．7、图4．8分别给出了AODV和DSR在不同节点移动速度下分组到达对比 海上移动Adhoc网络路由协议研究和平均时延对比的仿真结果：。—～～、0一：．，—二夸～卜AODV05101520笛节点移动速度m／s图4．7不同移动速度下的分组到达率比较Fig．4．7Deliveryratiocomparewithdifferentofmobilityvelocity∞0．006霸畔，鎏0．006蕊释窭牛0．004二蕊，，，≥7鼻。。?∑一卜AoDfv◆DSR 第4章海上Adhoe网络路由协议研究图4．9不同节点个数下的分组到达率Fi94．9Deliveryratiocomparewithdifferentnumbersofnodes从图4．9可以看出，AODV协议随着节点个数的增多，分组到达率一直呈平缓下降趋势，而DSR协议在节点个数大于50d',于200时，分组到达率的下降趋势十分陡峭，在实际应用中是不可接受的。结合图4．6、4．7和4．8分析得出，DSR和AODV随节点移动速度变化产生的性能变化趋势能被接受，但DSR随节点个数增多，会出现分组到达率急速下降的情况，当网络规模比较小时，DSR的性能还算稳定，但对于相对规模较大的网络，AODV会更适合。在海上，相对于VHF电台的传输半径，船舶的移动非常缓慢，速度大概在10nmile／h(5m／s)左右，可以考虑将AODV作为海上Adhoc网 海上移动Adhoc网络路由协议研究5．1AODV协议第5章改进的AODV协议5．1．1基本原理AODV具有计算量小，存储资源消耗小，带宽小等特点。该协议引入了目的节点序列号，以便避免无穷计数，实现无环路由；协议还引入了黑名单，把到自己是单向链路的邻居节点放入黑名单中，从而避免对单向链路进行错误操作。该协议最基本的帧格式如下面几个表所示，表5．1给出RREQ帧格式：表5．1RREQ帧格式Table．5．1FormatofRREQ类型标志位保留字段跳数RREQ标识目的节点IPAddress目的：宵点SequenceNumber源节点IPAddress源：肖点SequenceNumber标志位：标志是多播、单播还有序列号未知等。跳数：从源节点到对该请求进行处理的节点的跳数RREQID：与源节点IP一起的唯一标识。目的节点IPAddress：目的节点的IP地址。目的节点SequenceNumbe：源节点过去收到的到达目的节点的路由的最大序列号。源节点IPAddress：发起建立路由请求的源节点的IP地址。源节点SequenceNumber：是路由请求源节点自身产生并维护的，指向自己的路由表项。表5．2给出RREP帧格式。 第5章改进的AODV协议表5．2RREP帧格式Table5．2FolmatofRREP类型标志位保留字段前缀长度跳数RREQID目的：宵点IPAddress目的：育点SequenceNumbe源：1了点IPAddress生存时间前缀长度：该字段是为了针对Adhoc分群。设置为零，表示网络不分群；设置不为零时，字段值相同的节点就属于同一个群1351。生存时间：节点收到RREP后，该路由的有效的时间。表5．3给出RERR帧格式。表5．3RERR帧格式Table．5．3Format0fRERR类型标志位保留字段节点个数不可达的目的：常点IPAddress不可达的目的节点SequenceNumber不可达目的节点IPAddress：由于链路断开，导致从该节点到其邻居节点或多个目的节点此时不可达，此处填入不可达目的节点的IP地址。不可达的目的节点SequenceNumber：由于链路断开，导致从该节点到其邻居节点或多个目的节点此时不可达，填入不可达目的节点对应的序列号。路由查找建立过程如图5．1所示，当源节点A到目的节点G之间存在有效路由时，不启用AODV路由发现过程。当源节点到目的节点没有有效路由时，则启动路由发现过程，节点A广播路由请求消息，该帧包括的参数表5．1已经给 海上移动Adhoc网络路由协议研究出。收到RREQ后，中间节点B和C会建立到源节点A的反向路由，若中间节点有有效路由，并且RREQ帧没有设置D标志(只有目的节点才可以响应本RREQ)，则向上它的上一跳节点发送RREP，并经若干中间节点转发至源节点A；否则中间节点继续广播RREQ，直到目的节点G收到RREQ，回复RREP，RREP沿最先到达的路径(A，B，E，G)传回源节点A，确认路由建立【361。路由维护过程中，各节点通过定时向邻居节点发送Hello包的方式来维护网络的连通。若一定时间内，节点未收到下一跳某节点的Hello包，表示这个路由已经断裂。若此节点距离源节点较远，则向它的上游节点发送具有一定，丌L值的RREQ，期间节点将缓冲收到的数据包，并进行本地修复。若此节点距离源节点较近或本地路由修复不成功，则发送RERR，源节点收到该RERR后，重新发起路由发现机制，建立新的路由【371。’图5．1AODV协议的路由发现过程Fig．5．1RoutediscoveringofAODVprotocol5．1．2AODV路由协议仿真在OPNETModeler的AODV进程模型aodv_rte里看到，该进程模型的状态转移图由init和wait两个状态组成。init用来完成AODV协议中一些如状态变量初始化、数据缓存预分配、统计量注册等一系列准备工作。wait会等待包到达后，唤醒相应的进程进行处理。wait状态的转移条件包括PACKET_ARRWAL和aodvrterreq_hello．_message_send0，前者表示路由包到达，后者表示在新周期内调用该函数发送hello进行路由维护幽】。在aodvrte的FunctionBlock中主要函数功能如下： 第5章改进的AODV协议配。aodvrtesvinit()：初始化各状态变量。aodv_rte_localstats_reg()：对本地统计量进行注册并获得各统计量句柄。aodv—rte_attributes—parse_buffers—create()：读入属性并且进行数据缓存分aodv—rte_pkt_arrival_handle()：依据收到包的分类进行相应的操作，包括下列函数：aodvrte数。app_pkt_arrival_handle()：用来处理应用层发来数据包的函数。aodv_rte_rreq__pkt_arrival_handle()：用来处理发来的RREQ包的函数。aodv_rte_rrep_pkt_arrival_handle()：用来处理发来的RREP包的函数。aodvrterrep_hello_pkt_arrival_handle()：路由应答包中hello到来的处理函aodv_rte_rerr_pkt_arrival_handle()：RERR包到来的处理函数。aodvrteroute_table-entry_update()：更新本地路由表的路由表项更新函数。aodv—rte—route-request_send()：RREQ发送函数。aodvrteroute_reply_send()：RREP发送函数。aodv—rte_grat_route-reply_send()：gratuitous路由应答发送函数。aodv—rte_rrep_hello_message_send()：用来实现是否需要通过发送hello包来判断与邻居节点连通性的功能。aodv．_packetqueue-create()：创建节点的缓存队列，在到分组目的节点的路由被建立好之前来缓存分组。aodv．_packet_queue_insert()：向节点的缓存队列队尾插入新的数据分组，如果队列已满，则对头的分组将被删除。aodv__packet_queue_all_pkts__to_destget()：获得缓存队列中目的节点相同的所有分组。 海上移动Adhoc网络路由协议研究aodv_packet_queue．．hum_pkts_get()：获得缓存队列中目的节点为某节点的分组的个数。aodv_packet_queue—all—pkts_to—dest_delete()：删除缓存队列中目的节点为某节点的所有分组。协议通过网络层的lP协议调用子进程manet_mgr，后者再调用它的子进程aodvrte来实现路由协议进程模型，所以RREP、RREQ、RERR都封装在lP分组中进行传输【39】。虽然传统的AODV路由协议具有自己的优点，但是在建立从源节点到目的节点的路由时，它没有考虑到节点当前剩余的能量。当出现有多条路由都经过同一个节点的情况时，该节点会由于转发报文次数多，而出现能量消耗快的问题，如果节点能量迅速耗尽，就会导致该节点从网络中退出。随着退出网络的节点数目的增多，最后将出现网络不能够互连的情况【40’4¨。5．2能量平均思想的引入传统路由协议都是通过跳数和延迟来衡量路径的长度，这样虽然可以提供服务质量保证，但是不能够保证能量分布的平均，而Adhoc网络内的移动节点既充当主机又充当路由器，需要依靠电池提供能量，所以能量问题是值得去关注的问题。移动Adhoc网络要达到节能的目的主要通过两种途径：．1．使发送的每个数据包所耗费的能量达到最小，利用无线通信传输的特点，采用那些距离短、消耗功率小、跳数较多的路由来取代距离长、消耗功率大但跳数较少的路由。这种方法的主要缺点是可能会使某些关键节点频繁参加路由，而导致能量过早耗尽；2．均衡各个节点的能量消耗，在选择路由时考虑网络节点剩余能量，选择路由时避免使用能量不足的节点，从而均衡整个网络的能量花费，延长整个网络的生命周期。5．2．1能量意识算法研究现状基于能量有效的路由协议的目标为最大化网络生命周期。已有的具备能量意识的协议有：最小传输功耗路由MTPR、最小最大电池耗费路由MMBCR、受限 第5章改进的AODV协议的最小最大电池耗费路由CMMBCR等【42删。下面对这三种算法进行介绍：1．最小传输功耗路由(MinimumTransmissionPowerRouting)最小能量路由要求从源节点到目的节点进行数据包转发时节点功耗最小，也就是说要寻找到一条低能耗的转发链路，统计链路上每跳消耗的能量，相加得到的总和，使之小于远距离直接发送所消耗的能量。路径总的传输能量P表示为：(5．1)n。、nD分别表示源节点和目的节点，需要最小的总的传输路径可以如下选择得到：‰ln也P(5·2)在这种路由协议下，将发送节点的功率大小作为每一跳链路的代价。但是这种路由协议没有考虑到各节点的电池能量情况，会造成节点能量使用不均衡的现象，从而导致网络中某些节点电能过早耗尽，网络工作时间变短【45l。2．最小最大电池耗费路由(Min—MaxBatteryCostRouting)该算法思想是从每条路径中选择具有最小剩余电量(代价最大)的节点来作为关键节点，从这些关键节点中再去选择耗能最小的节点，该节点所在路径就是所选路径。这种算法可以保证建立的路径中尽可能少地包含电容量小的节点，但并不能保证所选路径是所有可达目的节点的路径中总耗能最小的。节点i的剩余电量为q，该节点进行一跳的代价为厂(C)，有：1，@)一砉(5．3)oj路径j上的总耗能为尺，，有：关键节点选取：Rj2荟肥)‘5·4’尺_|『ma】【，maxif(Ci)J选择路径将基于以下方程：(5．5)、，“嘞疗／-，P¨V向昌P 海上移动Adhoc网络路由协议研究Ramin杠_『]jEAj(5．6)图5．2最小最大电池耗费不慈图Fig．5．2Sketchofminimumcost以图5．2为例，图中圆圈内的数字代表各节点当前的剩余能量，D在这里代表目标节点，R1．1／10+1／2+1／2+1／2-16／10，R，一16／10，R1-13／10，三条路径的关键节点剩余能量的倒数分别为：RX：max=1／2,RE：max=】，色：max_1，可知其中●耗能最小的关键节点属于墨，所以选择R做路由。最小最大电池耗费路由是在最小电池耗费路由之上进行了改进的，它们都使用剩余电量作为参考量，但是最小电池耗费路由算法只能保证所选链路中剩余的总的能量较高，链路中还是可能会包含有能量很低的节点。最小最大电池耗费路由的RREQ分组除了记录路径上各节点之外，还需额外记录此路径上剩余电量最小的节点的当前电量值，以便目的节点可以从多条可达路径中，经过比较选择一条路径能保证其剩余电量最大，并避免选出路径中包含剩余电量很小的中间节点的情况M。3．受限的最小最大电池耗费路E}t(ConditionalMin．MaxBatteryCostRouting)受限的最小最大电池耗费路由综合考虑到了第一种和第二种的算法思想，试图在几条所有节点都有足够的剩余电量的路由中，挑选出一条总能耗最小的路由，以便能同时达到能量平均和延长各节点寿命的目的。该算法的基本思想是： 第5童整垄塑竺型堡婆————————————一——————————————一翟量耄裹辜茎凳曼翟三艺：篓黜盖喾萎羹萎棠一慧篡裟：譬然器誉然、j罴茹磊如果所有路由中都包含有具有较少电容量的币点，瓢术用取1’取八u怕1¨”～。法‘钰：。给m了=种能量意识路由在相同条件下时生存节点个数对比图。5图．3给出了三种能量意识路由在相同条件卜“习王仔p恩’姒^¨u削。豢牛《靼雉爿504540—日一MTPR——卜MMBCR———_—一CMMBCR25％—。——．—J．．．—一CMMBCR75％扩300仿淼／s500仿真时间／s700800图5．3生存币点／l、双Fig．5．3Thenumberofalivenode从5．3看出，链路中的所有节点都具有足够大的剩余电能’MTPR!cM‘二cR曲线重合；如果路由中都含有{氐电容量节点时，MMBCR和CMMBCR曲线重合。s．2协议改进的基本思想．2通常Adhoc网络中的终端节点都是使用电池供电，电池能量是有限的，所以论文在协议改进过程中引入对能量的考虑，假设每个节点的初始能量为Ei，节点的篓耋萎：-’E二i剩。余能量为E；，该节点具有拧个邻居节点，第七个邻居节点当前节点啦的剩余能量为彰，该节点具有拧／I、邻庙p牖’峁^。”1“～⋯的剩余能量为E：，局部平均剩余能量为可=@；+荟E：)他+1)(5．7) 海上移动Adhoc网络路由协议研究当前节点要获取局部平均剩余能量必须知道所有的它的邻居节点的能量信息。从当前节点万，到源节点的反向路径中的节点个数为f，网络的平均剩余能量为i。荟群／f(5．8)论文对路由协议进行的改进主要是针对AODV的路由发现过程进行，方法如下：1．源节点要向目的节点发送数据时，首先源节点查找自己的路由表，如果存在有效路由，源节点直接沿该路径发送数据给目的节点，否则源节点发送RREQ发起路由发现过程。2．源节点将自己的IP地址和目的节点的IP地址等填入RREQ帧的相应位置，源节点会根据Hello帧来获取其邻居节点的剩余能量信息并根据公式5．4计算出局部剩余平均能量彰。之后源节点在网络中广播RREQ。网络中的每个中间节点咒，在收到RREQ之后，根据该节点的彰来选择不同的路由寻找发现过程。步骤如下：①厅；在收到RREQ消息后先和自己的路由请求表进行比对，查看是否收到过来自源节点且目的节点相同的同一RREO，如果之前已经收到过该请求，就将本次收到RREQ做丢弃处理，否则转到②。②使用公式5．5来估算E，如果满足丘洛《卢，证明该节点能量过低，能量●■Jn状态为E一／ow，调用函数aodv__rte__rreq_pkt_arrival—handle_low()，只有该节点是RREQ中的目的节点时，才回复RREP；否则无需进行RREQ转发，对收到的RREQ只需进行丢弃处理。否则转③。③如果节点剩余能量状态为非能量下限时，先判断节点是不是源节点所要发送的目的节点，如果是目的节点则直接回复RREP，否则先根据RREQ消息更新或者添加反向路由并且在路由表中修改网络的平均剩余能量E，根据公式5．6进行时延的计算，通过调用函数op_intrptschedule_call()来实现延时r，用函数op_siretime()获当前的仿真时间，并用op_sire_time()的返回值an上T得到41 第5章改进的AODV协议了延迟的时刻，在这个时刻申请一个中断去执行一个特定的函数aodv—nc-rreq_pkt_arrival—handle_delay()：丁-。·每(5．9)由该式看出剩余能量较小的节点会以较大时延接入网络。在该延时结束后进行路由转发或应答，调用函数aodyrterreq_pkt_arrival_handle0来实现。3．目的节点收到RREO，首先查看是否已经收到过该RREQ，如果之前已经收到过，进行丢弃处理，否则沿RREQ发送路径的反向路径向源节点发送RREP。当源节点收到RREP后，首先会更新自己的路由表来记录到达目的节点的前向路由，之后便能用该路径来向目的节点发送数据。路由寻找过程，定义每发送一个路由分组消耗O．5单位的能量，并将进程模型的分组发送函数中都加上有关能量消耗的代码；模拟路由维护过程时，定义每发送一个hello分组，消0．075单位的能量，在进程模型的hello分组发送函数中加上有关能量消耗代码。通过上述模型的建模，得知改进协议的基本思想就是使剩余能量相对较大的节点先接入路由，而使剩余能量相对较小的节点以比较大的延迟接入路由，即在路由建立过程中尽量使用剩余能量高的节点分组转发，从而使网络中各节点的能量消耗达到均衡，进而达到延长网络生命的目的。路由改进的基本流程图如图5．4所示。42 海上移动Adhoc网络路由协议研究图5．4路由改进的基本流程Fig．5．4Theprocessofrouteimproving为了更好地保护低能量节点，同时还要降低路由发现带来的延时和花费，协议对路由维护过程也进行了改进：1．f氐能量预警机制为了平衡网络和节点的能量消耗，路由建立之后，协议不仅会测试网络连接，也会测试路径中所有节点的剩余能量。如果某个节点的剩余能量过低，遵照协议将禁止该节点转发分组。每个存活的中间节点通过获取所有邻居节点的实际相关参数来得到它自身的剩余能量状态，当节点发现自己的能量过低时将向它的上游节点发送低能预警信号，以便预先寻找其他到达目的节点的路径。具体方法如下：①活跃路由的中间节点周期性地发送Hello消息来维护链路连接。在获取邻近节点的剩余能量信息的基础之上，中间节点估算出它自身的局部平均剩余能量影，根据公式5．7计算得到K：K。丝(5．10)E43 第5章改进的AODV协议②如果Ks口，表示节点的剩余能量远远低于局部平均剩余能量，在这种情况下，节点需发送低能预警信号给它的上游节点来告知路径中存在已经因过度耗能导致的低能节点。当预警信号传送到源节点时，源节点必须重新发起路由请求从而建立新的路径。口的选择与具体的网络应用和网络规模有关系，如果口选取过大会使下一跳传输失败的可能性变大，选取过小又不利于保护低能量节点，所以口的选择是很重要的。2．链路修复机制：由于在协议中考虑到了节点的剩余能量，在两种情况下会启用路由维护，一是节点发生移动导致链路断裂；二是能量损耗导致的链路断裂。链路修复过程如下：①如果节点发现和邻近节点之间链路断裂的原因是由于源节点移动导致，那么源节点应重新发起路由发现过程，否则转②。②断裂节点的上游节点判断自身位置，假设在它的路由表中，有效反向路由的跳数为h。，到目的节点的跳数为J}l：，如果h，sO。+JIl：)／2，表明从该节点到源节点的距离要比到目的节点的距离小，在这种情况下，源节点重新启用路由发现过程寻找新的最佳路径无疑是更有利的。如果h。>O。+JIl：)／2，转③。⑧断裂节点的上游节点进行本地修复，首先它要对累积下来的分组进行缓存，新建一个RREQ消息，设置跳数为1，与能量有关的变量值沿用之前的值，并且将目的节点序列号加1，然后从该节点发起路由发现过程，发送该RREQ消息给目的节点。中间节点更新反向路由并且向前转发RREQ消息，直到目的节点收到该RREQ消息后，沿反向路由发送RREP，对发起该RREQ的节点进行应答。5．3仿真实现及性能的分析比较(1)建立仿真场景在900"900m的范围内建立50个manet移动节点的模型，节点模型选用manet．station。如图5．5所示，网络参数如表5．4所示。 海上移动Adhoc网络路由协议研究‘trooh细L—盏缱王5o乳～，，；，；，；。，赢，、画画I西群幽毡一rb。0{}_l，．、，2。～ji。，?i。，。i一7．，，|，。。。j。。一：。。。。jjj。j!．。j：?。。庇÷一j⋯一o～～～j?j(琵图5．5AODV仿真模型Fig．5．5ThesimulatedmodelofAODV表5．4参数设置Table．5．4parameters仿真时间600s节点数目50节点运动模型VECI’oR业务类型exponentialMAC层协议802．11DCF路由协议AODVjreprovedAODV信道带宽25kHZ功率1W工作频段156MHZ在网络模型中建立两个分别命名为AODV和AODV_Improve的场景，均采用50个移动节点，命名为AODV的场景，无线路由协议采用AODV，命名为AODV_Improve的场景，无线路由协议采用基于AODV进行能量平均改进后的协议。疽|'画一茴茴一酋一直一宜一 第5章改进的AODV协议在节点属性编辑中AODV参数设置如下图所示：ei戮翟缀鬣戮缀缀震露溺戮獭戮露霸⑦⋯国RouteDiscoreryParameters．⋯⑦～hctireRouteTimeout(seco⋯⑦⋯}HelIoInterval(seconds)⋯～⑦}J16lllowedHeI10Loss}NetD；ameter|一NodeTraversaITime(seconds)1．．RouteErrorRateLimit(pk．．．⑦i-TimeoutBuffer350．04102图5．6AODV参数设置Fig．5．6TheinstallingofAODVparameters(2)节点配置对协议改进时需在AODVParameters中添加节点的能量属性E，节点的移动轨迹通过OPNET自带的trajectory属性配置为VECTOR并为节点配置数据业务，所设参数如图5．7。|Attribute!Value9rna舱mobiIe_node_O⑦i-irajectory⋯⋯⋯VECT响⋯⋯、，⋯。，。，。鳕AD—HOCRoutingParameters9}·AD-HOCRoutingProtocoIAODV⑦i缓缓缫滋戮缆缫燃缓缀缓编溺缀戮黼(⋯)囝瞧RouteDiscoveryParametersDefauIt⋯⋯一⋯⋯⋯。j。o}·ActjveRouteTimeout(seco．．．30}·HeIJ0Interval(seconds)unjform(1，1．”囝}·AII洲edHell0Loss2囝￥·NetDiameter85⋯一⋯一⋯彦}·NodeTraversaITi荫e(seconds)0．040}·RouteErrorRateLimit(pk⋯10⑦}TimeoutBuffar29窝TTLParameters1)efauIt囝≮·PacketgueueSizetpackets)Infinity。～，．彦FLecaIRepairErmbIed0}·Addressin‘№deIPv4LE艏图5．7业务配置Fig．5．7msmllingoftrafficgenerationparameters由上图可看到AODV属性中有E这个属性参数，OPNET现有的AODV进程模型中是没有这个属性参数的，在进行路由协议改进时必须要用到它，用来代表节点能量，所以首先要在进程模型manet_mgr的菜单栏中找到Interfaces，在Interfaces下找到ModelAttributes点击，在AODVParameters中加入初始化为45一■，一¨，一～、，～～●I一～．∥，JIm，m⋯●l一，，～tmIr●)UO-af●，t●●●．en(D3U2 海上移动Adhoc网络路由协议研究的double型能量属性E。在子进程模型aodv．rte中声明一个状态变量energy为double型，目的是通过状态变量energy来修改属性E，实现这个过程需要用到函数op_ima__obj_attr__get(aodv__parms_child_id，“E”，&energy)将E与energy联系起来。在进程模型中要用到的状态变量还有：能量下限状态变量(e—low)、节点初始能量状态变量(Pf)、延时状态变量(D)。在本仿真中，延迟常量D=O．002，卢=0．15，口=0．1。选择的性能衡量指标如下：1．平均端到端时延是数据分组从源节点产生到数据分组到达目的节点的这段时间的平均。不考虑分组丢失的情况，时延取决于路由发现、链路修复、跳数、队列和重传次数等因素。2．网络生存时间在本论文中，通过节点的电池损耗来得到节点的存活时间，从而估算网络的生存时间，选取的是第一个节点的存活时间。3．存活节点个数节点能量耗尽时节点就会退出网络，网络中存活的节点越多，网络的连通性越好，网络生存时间越长，所以存活节点个数也是网络性能的一个衡量指标。4．分组到达率分组到达率是目的节点接收到的数据分组与源节点发送的数据分组之间的平均比率。它可以用来衡量网络的可靠性。分组到达率越高可靠性越好。图5．8所示为网络的平均端到端时延，图5．9为第一个节点的生存时间。47 第5章改进的AODV协议～◆一AODVImp皑帕—-|卜AODV，一乡曩／／r／一一一1．／r，一一“r一一1／1r／二二歹051015202530节点移动速度m／s图5．8平均端到端时延Fig．5．8Averagedelayofend·to-end●AODVImpnhe一卜AODV，●l～．．．～h／．．，。～●‘／_|’’+、～、-＼‘、、．／／7、～、卜————一●L＼＼、／。／’l＼＼、I节点移动速度m／$图5．9第一个节点的存活时间Fig．5．9Livetimeofthefirstnode从图5．8曲线走势可得知，与原协议相比改进后的协议总是具有更大的时延，导致出现这种情况的原因是在路由发现过程中RREQ转发处理的时间有所延迟。而且，处于低能量状态的节点丢弃RREQ分组也会使端到端时延延长。尽管，从上图可以看出在较低的速度下两种协议的端到端时延差别很大并且随着速度的增加差别会随之减小。特别是，当节点移动速度超过20m／s时两中协议下的时延会趋于接近。由于改进后的协议引进了能量平均的思想来避免频繁使用低能 海上移动Adhoc网络路由协议研究量节点，提高了网络的稳定性。由图5．9得知，在节点具有相同速度的条件下，改进后的路由协议(红色曲线)的生存时间大于AODV路由协议(蓝色曲线)。图5．10给出的是网络中存活节点个数随时间发生的变化。＼．：。～～～一▲＼{＼＼、＼、_弋＼、＼●P、IL＼、＼1L、＼||、．＼I一．-AOaV◆一AODVImpm馆仿其时J司描图5．10存活节点个数Fig．5．10Numberoflivenodes由图5．10得知，在300s．350s这一范围，改进后的协议与未改进的协议相比在相同时刻下的生存节点个数是没有差别的，400s时，当改进后的协议下节点全部生存时，原有协议下的节点大概剩余48个；450s时，当改进后协议下的生存节点个数还有49个时，原协议下的节点个数已经下降到了42个左右；500s时，当原协议下只有35个节点生存时，改进后协议下还有45个生存节点。证明改进后的协议可以使相同时刻的存活节点个数增加，从而使网络的生存时间得到了加长。图5．11给出了改进后的协议和原协议在不同节点数下分组到达对比的仿真结果。49 第5章改进的AODV协议‘∑士～～～卜＼：一～一、～．ii’～’～、＼L＼’、＼-—一jL＼’、l●＼、。I＼＼＼＼l一～◆一AODVImⅣO慵～卜AOOVUa101，四历阳速度m，．图5．11不同移动速度下的分组到达率Fig．5．11Deliveryratiocomparewithdifferentofmobilityvelocity可以看出，改进后的协议分组到达率总是高于原协议。在速度较低的情况下，分组到达率的差别并不是很大，但是随着速度的增加，差别会变大，本章首先介绍了AODV路由协议的基本原理和在OPNET仿真软件下该协议的仿真，在此基础上提出了一种基于网络中节点能量平均的AODV路由协议改进方案，改进方案是以网络中节点当前的剩余能量为依据的，节点在收到路由请求后，会根据该节点当前的剩余能量值来判断下一步要进行的相应操作是延时转发还是丢弃；之后详细说明了路由协议的改进流程及软件实现过程，通过仿真得到性能曲线，分析验证了改进后算法的优越性。 海上移动Adhoc网络路由协议研究6．1全文总结第6章总结与展望路由协议是Adhoc网络中不可缺少的一部分，它会在很大程度上决定网络的性能。Adhoc网络特点决定，路由的选择会直接影响网络吞吐量、端到端时延，节点耗费能量等。多数节点采用的电源能量是有限的，如果节点的能量过早耗尽，节点就会停止工作，直接导致的后果是网络由于被分割而寿命缩短、系统吞吐量降低，最终导致整个网络无法正常运行。因此剩余能量是对路由协议进行改进时考虑的一个关键因素。AODV是一种基于距离向量算法的按需路由协议，它的设计结合了DSR和DSDV这两种路由协议的特点。当Adhoc网络选用AODV作为路由协议时，节点只会在有数据发送且没有到达目的节点的路由信息的情况下才发起路由发现过程，该协议无需维护网络的拓扑结构，因而保证了网络的高吞吐量；另外，它不需要周期性广播，能在很大程度上节省信道资源。可以充分利用该路由协议的特性，并在其基础上进行一定的改进，从而将其利用在海上通信系统中。本文对Adhoc路由协议进行研究，并提出一种改进的AODV协议。全文主要研究工作总结如下：(1)海上移动Adhoc网络的构建思想。对课题产生的背景和研究现状进行介绍，提出课题研究内容、意义和系统构建思想。(2)分析了Adhoe发展现状，介绍Adhoc网络路由协议的分类。如可分为表驱动路由协议、按需式路由协议及混合式路由协议；简单介绍了各类别中的典型路由协议。(3)分析各种路由协议的优点以及不足，并将DSR和AODV应用于海上通信系统，并对它们的性能进行比较。介绍了AODV协议的原理、帧格式、路由发现和维护过程等，从而引出基于AODV路由协议的改进路由协议，以弥补AODV协议的不足，并且通过使用OPNET仿真软件完成了仿真建模，对其性能进行了仿真分析。仿真结果表明，该协议性能优于AODV协议。文章最重要的部分便是基于AODV路由协议的改进思路与仿真，在路由协议的设计中引入一个概念：要使网络中各节点的能量得到一个平衡，在选择路由51 第6章总结与展望时考虑网络节点剩余能量，选择路由时尽量避免使用那些剩余能量低的节点，从而达到延长整个网络的生命周期的目的。6．2研究展望由于本人的精力有限，本论文的研究还有许多问题有待改进，论文中重点研究了DSR路由协议、AODV路由协议应用于海上通信系统时的性能对比以及AODV协议与改进后的AODV协议的性能对比，修改和加强的空间还很大。如：在网络节点更多，网络覆盖面积更大的情况下用户会面临信号延迟时间长，互相干扰更大等问题，这时协议应如何改进；在路由协议中，通过GPS定位信息选择最佳路由或者按区域分簇也是一个十分重要的研究方向；由于Adhoc网络的特殊性，网络可能会受到睡眠剥夺攻击、路由黑洞攻击、冒充其他节点攻击等安全问题，所以路由协议的安全性也是对路由协议进行改进的一个方向，在以后的研究中可以通过改进使协议满足可用性、机密性、完整性。 海上移动Adhoc网络路由协议研究参考文献r1]Mahdy，A．M．MarineWirelessSensorNetworks：ChallengesandApplicationsNetworking．SeventhInternationalConferenceonNetworking，Apr2008：530—535．[2]2008年中国海运行业分析及投资咨询报告．中国投资咨询网．[3]于宏毅．无线移动自组织网．北京：人民邮电出版社，2005．[4]白雪峰．基于Adhoc网络的海上移动通信系统的实现：(硕士学位论文)．大连：大连海事大学，2009．[5]杨广治．GMDSS全球海上遇险与安全系统．大连：大连海事大学出版社，1995．[6]YoungBumKim，JongHunKim．ApplicationScenariosofNauticalAdhocNetworkforMaritimeCommunication．OCEANS2009MTS／IEEEBiloxi，Page(s)：1—4．[7]吴斌，吴亮．国外海上无线通信的现状与发展．舰船电子工程，2008，28(4)：18—21．[8]http：／／tech．sina．com．cn／t／2008—07—15／06582326265．shtml[9]张仁平．GMDSS海上无线电通信业务．大连：大连海事大学出版社．1994．[10]郑相全等．无线自组网技术实用教程．北京：清华大学出版社．2004．[11]傅迥嘉，陈佳品，腾依良．基于FPGA和ARM的GPS信号处理平台．微电子学与计算机，2009．4，26(4)：144-147．[12]张静亚．FPGA系统设计中硬件资源分配的分析与研究．信息化研究，2009．3，35(3)：37—39．[13]张健，王晓明，韩礼红．基于ARM的嵌入式实时网关的应用．重庆工学院学报．2009．2，23(2)：142-145．[14]于再兴，陈江．基于CS051f的数据传输系统设计与实现．单片机开发与应用．2008．4，24(2)：99-100．[15]高洪涛，马凯．CS051f单片机低功耗系统设计方法探讨．IT技术．2008．4，4(12)：87—88．[16]许晓瑛，CS051f实验系统的设计与开发：(硕士学位论文)．北京：北京交通大学，2007．[17]c．KToh．AssociativityBasedLong—LivedRouting．SpecialIssueonMobileNetworking＆ComputingSystems，1997，4(1)：120—124．[18]AndrewST．计算机网络(第三版)．熊桂喜，王小虎译．北京：清华大学出版社，1999．[19]王金龙等．Adhoc移动无线网络．北京：国防工业出版社．2004．[20]陈林星，曾曦，曹毅．移动Adhoc网络一自组织分组无线网络技术．北京：电子工业出53 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