（通信与信息系统专业论文）跳频分组无线网络中最小阻力路由的研究.pdf

南京邮电学院硕士研究生学位论文摘要 摘要 在跳频分组无线网络中，通过编码后的数据进行交织、调制、扩频后，每个跳 频间隔有若干个码符号，每个分组通过若干个跳频传输。这种网络的实例包括移动 a dh o c 网络，分组无线网络，蓝牙网络以及s i n c g a r s 网络。 在存在部分频带干扰下的跳频分组无线网络中，最小阻力路由协议( l e a s t r e s i s 诅n c er o u t i n g ，简称为l r r ) 通过对每个节点接收机受到的干扰环境进行量化分 析，干扰包括从其他节点发送来的多址干扰以及部分频带干扰，从节点对分组的正 确接收的概率可以得到节点的阻力值，在一条路由中的每个节点的阻力值组成了整 个路由的阻力值，分组沿着阻力值最小的路由进行转发。最小阻力路由采用自适应 的、分布式、跨层设计的原理，和传统的应用于跳频分组无线网络中的最短路径路 由协议相比，吞吐量提高、时延降低、端到端的成功率提高。 本文首先对跳频分组无线网络中存在不同干扰的情况下的误码率，删码率进行 分析，并且对最小阻力路由的路由算法进行深入研究，通过0 p n e t 仿真工具对采 用不同算法的l r r 进行仿真。在不同的分组产生概率，不同的运动速率，以及不同 的部分频带干扰的口值情况下对l r r 路由协议进行大量的仿真比较。同时，对l r r 与最短路径路由协议之间进行比较，并且对l r r 和d s r 路由协议进行了比较。本 文还总结归纳了目前为止的各种算法的l r r 路由协议，如l p ，e e ，e e a ，e n ，c a 算法，并且进行仿真，对它们在不同分组产生概率情况下进行比较，并且提出了对 算法改进的建议。仿真验证了l r r 在跳频分组无线网络中存在移动的干扰源的情况 下非常有效，通过采用l r r 路由协议，端到端的吞吐量，成功传输概率都得到了提 高。本文最后对针对适用于多媒体流通信的m m l r r 路由协议进行了概述，给出了 仿真的框架，作为今后的仿真方向进行进一步研究。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es y s t e mu n d e rc o n s i d e r a t i o ni nt l l i sm e s i se m p l o y s 行e q u e n c yh o p p i n gw i m s e v e r a ls y m b o l sp e rd 、艟l li n t e r v a la j l ds e r v e m lh o p sp e rp a c k e t w ea i l a l y z em e s t a n d a r dp a c k e tf o r r n a tf o rs f h ( s l o wn 明u e n c yh o p ) s y s t e m si nw h i c he a c hd w e u i n t e l - v a lc o n t a i l l se x a c t l yo n es y m b o lf r o me a c hc o d ew o r di nt h ep a c k e t e x a m p l e s i n c l u d em o b i l ea dh o cn e t w o r k sa n do t h e rp a c k e tr a d i on e t w o r k s ，b l u e t o o t h n e t w o r k ，s i n c g a r s t h i st h e s i sd e s c r i b e sr e s e a r c hi na d 印t i v e ，d e c e n t r a l i z e dr o u t i n gf o r 厅e q u e n c y h o pp a c k e tr a d i on e t w o r k sw i t hm o b i l ep a r t i a l - b a n dj 锄m i n g ，l e a s tr c s i s t a n c em u t i n g ( l i 己r ) h a sb e e nw i d e l yu s e di ns f hs y s t e mr e s e a r c h ，a i l dv a r i o u sv e r s i o n so ft h j s r o u t i n gm e m o dh a sb e e np r o p o s e d l r ru s e s aq u 趾t i t a t i v ea s s e s s m e n t o ft h e i n t 酬毫r e n c ee n v i r o m e n te x p e r i e n c e db yar a d i 0 sr e c e i v e rt od e t e h n i n ear e s i s t a t l c e v a l u ef o rt h a tr a d i o t w oc o m p o n e m sf o rt l l ei n t e r f b r e n c ee n v i r o l l m e n ta r ec o n s i d e r c d ： t r a n s m i s s i o n s 丘o mo t l l e rr a d i o sa 1 1 dp a n i a l _ b a n dj 猢i n g t h er e s i s t a n c ef o re a c ho f t h er a d i o si nap a n i c u l a rp a t l la r ec o m b i n e dt of o 肌t h ep a mr e s i s t a n c e ，a 1 1 dp a c k e t s a r ef b r 、v a r d e do nt h ep a 1w i t ht h es m a j l e s tr e s i s t a n c e i nt h ef o u r t l l c h 印t e ra i l df i 觚c h 印t e r ，s o m ee v a l u a t i o n sa b o u tt h ed i f f e r e n t m e t r i c so fl r r ，s u c ha sl p ，e e ，e e a ，e n ，c am e t r i cb yu s i n go p n e ts i m u l a t i o n t 0 0 1 sa r ed i s c r i b e d t h e nw em a d eac o m p a r i s i o nb e t w e e nl i 己ra n dm es h o n e s tp a t h m u t i n g ，l i 己r 、v i t l ld s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g )p r o t o c o l ，a n dw ea l s om a d ea s u g g e s t i o nt oi m p r o v el r r m e t r i c i ti sf o u n da 1 1 dc o m et ot h ec o n c l u s i o nt 1 1 a tl r ri s a ne f k c t i v ew a yf o rd e a l i n gw i mm o b i l ej a r m i n gi naf r e q u e n c y _ h o pp a c k e tr a d i o n e t w o r k s i g l l m c a l l ti n c r e a s e si nt 1 1 r o u 曲p u ta n de n d t o e n dp r o b a b i l i t yo fs u c c e s sa r e o b t a i n e db yu s eo fl r r i nt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ea u t l l o rm a d eab a s i cr e s e a r c h a b o u tm u l t i m e d i al r r p r o t o c o la n dt h em e r i to fm m l i 己r i si n t r o d u c e d i i 南京邮电学院学位论文独创性声明 7 6 5 2 6 0 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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 含为获得南京邮电学院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：邋塑塑日期：2 竺：兰 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名；煎堑麴导师签名：；迄生垂日期：兰竺 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 第一章概述 1 1a dh o c 网络的发展历史 1 9 7 2 年，美国d a 耻a ( d e f e n s ea d v a n c c dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 启动了 分组无线网p r n e t ( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 项目，研究分组无线网在战场环 境下数据通信中的应用：项目完成之后d a p r a 又在1 9 9 3 年启动了高残存性 自适应网络s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目，研究如何将p r n e t 的 成果加以扩展，以支持更大规模的网络；还要开发能够适应战场快速变化环境下 的自适应网络协议；1 9 9 4 年d a i u ，a 又启动了全球移动信息系统g 1 0 m o ( g l o b j em o b i l ei n f o m a t i o ns y s t e m s ) 项目，在分组无线网已有成果的基础上对 能够满足军事应用需要的可快速铺设，高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的 研究，并一直持续至今。无线自组织网络又称为a dh o c 网络，它是吸取了 p r n e t 、s u r a n 以及g 1 0 m o 等项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络 构架技术。 “a dh o c ”一词来源于拉丁语，英文词典上的解释是“特别的，临时的”；“a d h o c 网络”通常称为“自组织网”。目前a d h o c 网络已经得到学术晃和制造届的广 泛关注，专家预测a dh o c 网络将成为移动通信技术向前发展的一个重要方向。 a dh o c 网络是建立在特定场合的无线网络，网络中的节点既是路由器又是 主机，这些节点可以随机移动位置，因此网络的拓扑结构是随机变化而不可预测 的，它以一种孤立( s t a i l d a l o n e ) 的方式工作或者接入到i m e m e t ，它区别于现有 无线网络的最显著特点是自治、多跳。自治是说在a dh o c 网络中无中心管理 节点( 譬如基站是属于中心管理节点) ，所有节点都处于对等的地位，所有管理 功能如资源分配，路由管理等等由所有节点协调分担：多跳是指a dh o c 网络的 通信距离要远大于相邻两个节点的有效无线连接距离，因此需要转发和路由。 1 2a d h o c 网络的特点 无线a dh o c 网络是由一组自主的无线节点或终端相互合作而形成的，独 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 立于固定的基础设旌，采用分布式管理的多跳网络，是一种自生成，自组织和自 管理的网络。这种特殊的网络结构决定了a dh o c 网络不管是与有线计算机网 还是与传统的蜂窝无线网有着鲜明的区别： 1 ) a d h o c 网络采用无中心结构，具有自组织性，即网络中的每个节点都是 平等的。 2 ) a dh o c 网络的拓扑结构随时都可能变化，因为节点是不断的移动着的。 3 ) a d h o c 网络的路由是多跳路由。多跳的含义是当一个节点要与其功率覆 盖范围外的其他节点通信时，需要经过中间节点的转发，即多跳。每个节点的功 率覆盖范围即通信范围，是由节点的发射功率，发射数据的频率，接收天线的增 益，系统的衰减，无线传输的模型，发送天线的高度，接收天线的高度，接收门 限等因素决定的。 4 ) a dh o c 网络采用无线传输技术。a dh o c 网络中节点的发送功率是有限 的，因此广播信道是多跳共享的。也就是说，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察觉不到。 5 ) a dh o c 终端的便携性。和其他g s m ，3 g 终端一样，a dh o c 终端具有 携带方便，轻便灵活等特点。和其他g s m ，g r p s ，3 g 移动终端不同的是，a d h o c 终端要运行相应的路由协议。 6 ) a dh o c 网络的安全性差。因为该网络采用无线信道、有限电源、分布控 制等技术，网络中不存在命名服务器和目录服务器等网络设施，网络中不存在网 络边界，所以a dh o c 网络的安全问题很复杂。要研究新技术，解决信道加密， 抗干扰，用户认证，密钥管理，访问控制等问题。 1 3a d h o c 网络的应用 a dh o c 网络的应用很广泛，也就是说，a dh o c 网络具有广泛的市场需求。 具体的应用有： 1 ) 军事应用。a d h o c 网络已经成为战术互联网的核心技术。美军研制了大 量无线自组织网络设备。最近的军事应用包括数字电台n t d r 和无线互联网控 制器等通信设备。 2 ) 传感器网络。在a dh o c 网络中，移动终端由传感器构成，传感器节点 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章概述 可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息。 3 ) 紧急和突发场合。在发生地震、火灾、洪水等紧急情况下固定通信设 施遭破坏，可采用应急的a dh o c 网络进行通信。 4 ) 偏远野外山区。这些地区无固定的网络设施，需要a dh o c 网络实现通 信。 5 ) l 晦时场合。比如会议、庆典、展览会等，可以免去布线和部署网络设备 的工作。 6 ) 商业应用。使用a dh o c 网络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。 7 ) 其他应用。如扩展蜂窝移动通信系统g s m 网络，c d m a 网络的覆盖范 围，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖，实现汽车和飞机等交通工具之间的通信， 实现自组织广域网等。 以上7 种应用，已经有一些实现。美国m e s h n e t w o r k s 公司推出了1 0 0 0 个 节点间通信的解决方案，已经获得f c c ( 美国联邦通信委员会) 的批准；美国 u s ci n f o m a t i o ns c i e n c ei n s t i t u t e 组织研究传感器a dh o c 网络也有很大成就口“。 1 4a d h o c 网络的o s i 七层模型 ；w ”：1 因雩搿各 j 穆抛。两业务 w l m i e t c p p o n d 啪鞠d d v e n t a b i e d r i v e nr o u t l r i g 基于 r o u t l n g 位置 z r p 其他 的 路由 i e 巨e 8 0 22变时l l c 其他蛮时m c 蓝牙 川r l a n i e e e 8 0 21 1 系列 ( f h s s ，d s s s ，o f d 实时 ( f h s s )【o f m ) 物理屡 m ) a dh 0 c 技术分层 图1 1 a d h o c 技术分层结构 3 南京邮电学院确上研究生学位论文 第一章概述 1 4 1 物理层 在实际的应用中，a dh o c 物理层的设计要根据实际的需要而定。基于接收 发信主要功能的物理层首先要考虑的是通信信号的传送媒质，一般而言，a dh o c 网络都是基于无线通信，后面提到的a dh o c 网络均指无线移动a dh o c 网络 ( m o b i l ea dh o cn e t w o r k ，简称m a n e t ) 。a dh o c 物理层所面i 临的首要问题 就是无线频段的选择、购买以及分配。目前大家一致采用的都是基于2 4 g h z 的 i s m 频段，因为这个频段是免费的，不需要购买，成本就会得到降低。其次， 物理层必须就各种无线通信机制作出选择，从而完成性能优良的收发信机功能。 到目前为止，a dh o c 物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域 网的各种标准，其中包括i e e e8 0 2 1 l 系列、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h i p e r l a n 等 标准所定义的物理层。 1 ) f 交频分技术( o f d m ) 是以多个副载频并发来传输高速数字信息，每 个副载频留取足够长的时间和码元宽度来“躲避”多径衰落信道带来的码间干扰 的影响。所采用的数字信息调制有时间差分移相键控( t d p s k ) 和频率差分移 相键控( f d p s k ) ，以快速傅里叶变换( f f t ) 算法来实施数字信息调制和解调 功能。 2 ) 在无线局域网设备a d h o c 结构网络中，也采用了红外线辐射传输技术。 红外线辐射技术的特点是：不能穿透物体；通信距离要远远小于通常使用的跳频 技术的通信距离。它的特点决定了红外线技术适用于近距离点对点传输速率较高 的情况。在a dh o c 网络的物理层技术上红外线的应用不是主流技术。 3 ) 带宽扩展频谱技术是一种传输信息的调制制式，其传输信息的信号带宽 远大于信息本身的带宽，故称扩频调制技术。扩频技术对带宽的扩展是通过编码 方式实现的，与所传数据信息无关。在接收端将扩频信号恢复成窄带传输信号， 同时将干扰信号频谱再次进行扩展，结果是提高了信息的解调信噪比，达到扩频 通信的目的。目前的扩频技术包括d s s s ( 直接序列扩频) 和f h s s ( 跳频序列 扩频) 。其中，d s s s 是用伪噪声码( p n 码) 作为扩频码序列，调制方式一般 为b p s k ；f h s s 是在跳频码的控制下，使载波按某种跳频图案跳变，在接收端， 通过相关的解跳过程，恢复出发送信号。这两种扩频通信技术目前应用的非常广 泛，第二章将对跳频技术做重点研究。 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 1 4 2 数据链路层 数据链路层解决的主要问题包括媒质接入控制，以及数据的传送、同步、纠 错以及流量控制等。基于此，a dh o c 数据链路层又分为m a c 和l l c 层。在 一般情况下，我们所关注的主要是m a c 层，因为m a c 决定了数据链路层的绝 大部分功能。 从夏威夷大学的a l o h a 项目组提出单跳的无线网络中进行分组数据的广 播是可行的这一结论以来，针对媒质共享竞争的问题，已经有a l o h a 、跳频间 隔a l o h a 、c s m a ( 载波侦听多路访问) ，以及i e e e8 0 2 1 1 所采用的c s m c d 。 m a c 层主要就是由这些媒质接入方案充当。由于a l o h a 、时隙a l o h a 、 c s m a 都存在媒质冲突、终端暴露以及终端隐藏等严重的问题，所以，后来就有 带冲突检测和冲突避免的c s m a 媒质接入方案的提出，被用在了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网方案中，研究发现，基于无线a dh o c 环境的c s m c a 仍然存在 着一些问题，于是，一些学者就提出了各种相应的改进形式作为m a c 层的解决 方案，包括针对基于c s m c am a c a ( m u l t i p l ea c c e s s 丽t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的改进：m a c a w ( m a c af o rw i r e l e s s ) 、p a m a s ( p o 、v e r a w a r em u l t i a c c e s s p r o t o c o lw i t hs i g n a l i n g ) 、f a m a s ( f l o o ra c q u i s i t i o nm u h i p l ea c c e s s ) 、m a r c h ( m e d i aa c c e s s 诵t hr c d u c e dh a n d s h a k e ) 、c a t a ( c o l l i s i o n a v o i d a n c et i m e a l l o c a t i o n ) 、r t m a c ( r e a lt i m em a c ) ，以及基于p c d m a ，m u d 的m a c 层协议( 具有定位功能基于多用户检测的c d m a 系统的m a c 层协议) 。m a c a 采用的是c s m a 方案，利用r t s 和c t s 进行交换，完成对共享无线媒质 的检测。目前的i e e e8 0 2 1 1 所定义的m a c 层功能就是采用的m a c a 。 m a c a w 是第一个专门针对无线环境而设计的m a c 层协议，该方案摒弃 了原来针对以太网的避退算法，采用了新的避退算法，以便更适合无线信道的环 境。m a c a w 在原来m a c a 的基础上，增加了确认数据包，用r t s c t s d a t a ， 以及r t s c t s - d a t a a c k 实现媒质的冲突检测。仿真证明m a c a w 将获得更 大的吞吐量以及在高负荷下的资源分配更平均。 p a m a s 是基于m a c a 的改进，它把m a c a 中的信令信道单独的分离出 来了，r t s c t s 信令的交换就是在这个信道上完成的。由于节点在能量控制上 、 具有选择性，所以p a m a s 能够做到功率的控制，从而能够实现移动终端的低 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章概述 能量消耗。 f a m a 提出的目的是为了更好地解决m a c a 中仍然存在的终端隐藏问题， f a m a 代表了一类m a c 层协议，这种方案分为两个阶段，首先获取信道( 通 过发出大量的确认数据包) ，然后就是实际的发送数据包。这样就可以比较有效 的避免冲突，因为每次都能保证该信道被分配后能成功传送数据而没有冲突。 m a r c h 是基于p a m a s 的改进。r t m a c 则是专门为无线网络中传送实时业 务而设计的m a c 层协议。 此外，还有b t m a ( b u s y t o n em u h i p l ea c c e s s ) 、s r m a ( s p l i t - c h a n n c l r e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、g a m a ( g r o u pa 1 1 0 c a t i o nm u l t i p l ea c c e s s 埘t h p a c k e ts e n s i n g ) 、d f w m a c ( d i s t r i b u t e df o u n d a t i o nw i r e l e s sm a c ，也就是d c f 和p c f 两种) 、e y - n p m a ( e t s ih i p e r l a n 标准) 。各种方案的比较如图2 3 所示的列表。表中，c s p s 表示是载波检测还是报文检测：m s g 则表示协议中 所用的数据包类型；c h 表示是所用到的信道号；c d 表示是基于分布式的还是 中心控制的：q o s 表示是否有服务质量保证：p a 表示是否具有功率自适应特征。 1 4 3 网络层 传统的距离向量和链路状态路由协议并不适用于拓扑结构高度动态变化的 a dh o c 网络。理想的a dh o c 网络的路由协议应该具有以下性能：分布式运行、 无环路、按需运行、考虑安全性、高效地利用电池能量、支持单向链路、维护多 跳路由。 另外，a dh o c 网络不能采用常规路由协议还主要由于以下几种因素： ( 1 ) a dh o c 网络中主机间的无线信道可能存在单向信道。( 2 ) 无线信道的广播特性 使得常规路由的网络选路过程中产生许多冗余链路。( 3 ) 常规路由的周期性广 播路由更新报文会消耗大量的网络带宽。( 4 ) 常规路由协议周期性的路由更新 报文会消耗大量的主机能源。( 5 ) 某些常规路由协议需要的复杂计算使得c p u 始终处于很高的负载下，这也同样消耗了大量的能源，这将对有限的主机能源带 来更多的压力。 a d h o c 网络中，由于节点的无线通信覆盖范围是有限的，故两个无法直接 通信的移动节点可以借助其他节点进行分组转发来进行数据通信，因此，自组织 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 网络的节点之间是通过多跳数据转发机制来进行数据交换的，即自组织网络需要 路由协议来进行分组转发的决策。 1 9 9 6 年i e t f 成立了自组网工作小组( m a n e tw o r k i n gg r o u p ) 【3 8 】，其核心 任务就是研究自组网环境下基于i p 协议的路由协议规范和接口设计。在这个网 站上不断发布新的研究成果。m a n e t 小组认为a dh o c 网络中路由协议设计面 临的主要问题如下： 1 ) a d h o c 网络动态变化的网络拓扑变化问题。如果在自组网中直接运行常 规的d v a ( d i s t a n c ev e c t o ra l g o r i t h m ) ，l s a ( 1 i f l l ( s t a t u sa l g o r i t h m ) 算法的路由 协议，当网络拓扑结构变化后，常规路由协议需要花费很长时间和较大代价才能 到达收敛状态。 2 ) a dh o c 网络中存在单向信道的问题。常规的路由协议通常认为底层的通 信信道是双向的，但是在采用无线通信的自组网环境下，由于节点发射功率和地 理位黉等因素的影响，可能会存在单向信道，导致常规的路由协议不可用。 3 ) a dh o c 网络中有限的无线传输带宽问题。无线信道提供的网络带宽相对 于有线信道要低的多，并且由于竞争无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪声干扰、 信道问干扰、部分频带干扰等多种因素，节点可以得到的实际带宽远远小于理论 上的最大带宽值。 4 ) a dh o c 网络的资源限制问题。无线移动终端的电源少、内存小、c p u 性 能较低这些有限性，决定了路由协议的算法要求简单有效，并且要考虑算法对节 省能源的影响。 目前m a n e tw g 已经提出许多协议草案，比如d s r ( d y n a m i cs o u r c e r o u t i n g ) 、a o d v ( a dh o co nd e m 孤dd i s t a n c ev e c t o r r o u t i n gp m t o c 0 1 ) 、t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 、z r p ( z o n er o u t i n gp m t o c 0 1 ) 等。此 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d s d v ( d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、w r p ( w i r e l e s sr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 等。这些路由协议根据不同的角度可以进行不同的分类，如分为平面 路由协议分级的路由协议；主动被动混合路由协议：基于拓扑基于位置的路 由协议。具体的讲，主动路由协议主要有w r p 、d s d v 等，主动路由协议也叫做 表驱动路由协议( t a b l e 一艄v e n ) ：被动路由协议主要有a o d v 、d s r 、t o r a 等， 7 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 被动路由协议也叫做按需路由协议。 对一个a dh o c 网络层路由协议定量衡量比较的指标应该包括：端到端的平 均时延；分组的平均递交率：路由协议开销：路由请求时间等。正是由于a dh o c 网络层路由协议基于a dh o c 网络的重要性，它便成为了研究的一个热点。到目 前为止，已经有相当多的标准推出。作为网络标准的主要制定者，i e t f 发布了 相关的草案供讨论，如r f c 3 6 8 4 ( t b r p f ) ，r f c 3 5 6 1 ( a o d v ) ，r f c 3 6 2 6 ( o l s r ) ，d s rd r a f t 等。 从以上的分析可以看出，一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以下 特性要求：分布式运行方式：提供无环路路由；按需进行协议操作；具有可靠的 安全性：提供设备“休眠”操作特性；对单向信道的支持等。 从总体上说，目前所提出的各种路由协议基本上可以归纳为三种思路： 1 ) 按驱动方式对路由协议的分类：一类是基于路由表驱动( t a b l ed r i v e n ) 的路由协议，一种是按需驱动( 0 n d e m a n dd r i v e n ) 的路由协议，还有一种是两 种模式的混合形式。 在主动式路由协议中每个节点试图维护到所有已知目的节点的路由表，节 点之间周期的及在网络拓扑发生变化时交换路由信息，它的优点为减少了获得路 由的延迟，使源节点能够立即判断目的节点的可达性，缺点为消费了较多的网络 资源此外它完全浪费了一些资源来建立和重建那些根本没有被使用的路由。在 反应式路由协议中，节点不需要花费资源来维护无用的路由，但路由发现过程的 费用比较昂贵而且不可预测，路由延迟与主动式路由协议中恒定的查表时间相比 也会更长。 2 ) 平面结构路由和层次结构路由。这是从逻辑结构方面考虑进行的划分。 平面结构中，节点地位平等，维护的信息量相同。层次结构路由中，网络结构按 级分层，分为骨干网和子网，这样，维护的工作就统一由骨干网承担。像c g s r 和h s r 是层次路由，c e d a r 也是。 3 ) 基于约束条件的路由。多媒体业务的传输需要不同的约束条件的q o s 保 障( 包括带宽、时延、时延抖动、吞吐量、丢失率等) 。在a dh o c 网络路由协 议中，对于q o s 的支持还很不成熟，只有少数的如a b r 、s s r 以及清华提出 的l s q o s 有此功能，它们多是以链路的稳定性作为q o s 的衡量标准。目前 8 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 a dh o c 网络中对q o s 的支持一般借鉴i n t e r n e t 上建立区分服务和集成服务 的模型，做适当的修改。 a dh o c 网络路由协议是本论文工作的一个工作重点，从论文第二章开始， 我们研究了一种克服网络中干扰的路由协议并且进行仿真，即最小阻力路由协 议。 1 4 4 传输层 到目前为止，a dh o c 网络的传输层还是借鉴有线网络中传输层的方法，把 t c p d p 基于无线环境进行修改，以适应无线环境，完成传输层的功能。传统 的t c p 会使无线a dh o c 网络分组丢失很严重，这是因为无线差错和节点移动 性而使t c p 将所有的分组丢失都归因于捌塞并启动拥塞控制和避免算法，所以 若在无线a dh o c 网络中直接采用传统的t c p 协议将可能导致端到端的吞吐量 无谓的降低。所以，必须针对传统的t c p 进行改进。到目前为止，已经有多个 t c p 改进方案提出，比如t c ps a c k 和t c pa s a c k 等等。针对u d p 的改进 与t c p 相似。 1 4 5 应用层 a dh o c 网络的应用层指定的是各种各样类型的业务。在实际的实施的时 候，可以采用各种各样的应用层协议和标准，比如w a p ( 无线应用协议) 协议 等。基于a dh o c 技术的网络所承载的业务同其他各种类型网络一样，主要是传 统的业务和人们给予厚望的“无线宽带数据业务”。可前面也提到，a dh o c 网络 自身的特性使得网络在承载同类型业务时，要考虑更多的实际问题，克服更多的 困难。在解决各种困难的时候，应用层也是问题解决的一个很好的层面。 1 5 最小阻力路由协议的研究背景 q o s 问题是a dh o c 网络的关键问题之一。q o s 是指当源端向目的端发送分 组流时，网络向用户保证提供满足预先确定的性能指标( 如端到端的延迟，带宽， 分组丢失率和延迟抖动等) 的服务，提供q o s 保证的首要任务就是在源和目的 南京邮电学院硕i ：研究生学位论立第一章概述 节点之间寻找具有必要资源来满足o o s 要求的路由，其次是为该路由预留必要 的资源( 如带宽，路由器缓存等) ，q o s 路由可以将这些任务结合在一起准确 获取当前网络状态的信息。由于a dh o c 网络本身的特点，在实现可靠路由的 同时，提供q o s 保证，还是一个有待于进一步研究的课题。 本论文所要重点研究的最小阻力路由协议( l e a s tr e s i s t a l l c er o u t i n g ，缩写为 l r r ) 是基于约束条件的路由协议忆它是主应式，分布式的，跨层的( c r o s s l a y e r ) ， 采用距离矢量路由算法的协议。l r r 将物理层和链路层的信息融合到网络协议 中进行路由选择。l r r 协议最早是在跳频分组无线网络( p r n e t ) 中提出的路 由协议，它具有抗部分频带干扰和抗多址干扰的特征，在跳频分组无线网络中得 到很好的使用。 目前研究l r r 协议的组织主要有c l e m s o n 大学的无线通信研究中心【3 5 】，他 们的主要任务是研究跨层的l r r 协议的应用，不断提出新的节约能量的l r r 算 法，和传输多媒体流的m m l r r 协议。该中心创建于1 9 9 3 年，中心的创始人是 m i c h a e lb p u r s l e y 教授，该中心的研究成果受到了美国陆军研究中心( t h ea m y r e s e a r c ho f ! f l c e ) ，i t t 工业( i t ti n d u s t r i e s ) ，空军科学研究( t h ea i rf o r c eo m c e o f s c i e m i 6 cr e s e a r c h ) 的认可。 c l e m s o n 大学的无线通信研究中心主要设计和分析分组无线网络的路由协 议；自适应的路由，转发，重传技术；可生存的无线网络；扩频分组无线网络的 协议：数据传输的自动重传请求，混合自动重传请求机制；分组无线网络的 o p n e t 仿真：对于不同的信令机制和网络协议时确定吞吐量，时延和其他性能 参数：根据网络的流量、干扰、拓扑结构的改变引起的网络性能的评价：在网络 协议中使用边信息。 1 6 论文的安排 本论文首先在第二章就跳频分组无线网络的物理层跳频技术进行研究，并且 指出无线信道中可能存在的干扰种类及噪声种类，并且指出干扰对跳频分组无线 网络误比特率，误帧率，误分组率的影响，通过仿真证明干扰以及r e e d s o l o m o n 编码对链路吞吐量的影响。然后从第三章开始，对采用最小阻力路由的a dh o c 网络的路由思想进行深入阐述与分析，指明了节点所受干扰的数学表达式，定量 o 南京邮电学院硕士研究生学位论文第一章概述 分析节点的阻力。第四章通过o p n e t 仿真工具对l r r 的路由协议进行仿真，对 l r r 与最短路径路由协议比较，对l t 与d s r 路由协议进行比较。收集了吞吐量、 端到端的时延、端到端的成功传输率性能的数据，并且进行分析。第五章对其他 算法的链路阻力表达方式进行描述与仿真，包括仿真e e ，e e a ，c a ，e n 算法的 链路表达公式下的路由协议性能；并且对m m l r r 针对多媒体流的l r r 机制进行 分析，提出仿真思想；在第五章的最后，对算法改进提出了一些建议。第六章是 结束语，对本论文的研究和结果进行了总结，并指出了进一步的研究工作，以后 将对m m l r r 基于多媒体流的路由协议以及具有节能作用的e e - e n 算法的l r r 路 由协议进行进一步研究。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章跳频分组无线叫络以及干扰概述 2 1 引言 第二章跳频分组无线网络以及干扰概述 根据香农信道容量公式 p c = 形1 0 9 2 ( 1 + 古) ( 2 一1 ) v 其中p 代表信号的功率，n 代表高斯白噪声的功率，w 代表信道频带宽度， c 代表信道容量。在高斯信道中当传输系统的信噪比下降时，可用增加系统传输 带宽的方法来保持信道容量。扩频通信技术就是利用这个原理，将信息的频带扩 宽，增加系统的抗干扰能力。 扩频通信按照工作方式可以分为直接序列扩频( d s s s ) 、跳频扩频( f h s s ) 、 跳时扩频( t h s s ) 以及抗干扰能力更强的各种混合扩频体制如：d s f h ，d s t h ， t h f h 。本章介绍军事通信中最常用的扩频通信体制一跳频系统。 2 2 跳频扩频技术介绍 2 2 1 跳频通信的基本概念 跳频扩频通信技术可以在a dh o c 军事、民用网络中得到应用，采用跳频 技术的a dh o c 网络也可以称为跳频分组无线网络。它的优点是抗干扰性强。 f h s s 的基本含义是：跳频扩频通信中载波的频率一直在跳变，通信双方同步地 改变频率来进行通信。频率跳变是有规律的，即通信双方必须采用同一种跳频图 案。同步情况下，双方的跳频频率、频率序列以及跳频起止时间完全一致。由此 可见，跳频电台之间要成功地进行跳频通信，收发双方必须同时满足三个条件： 跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同( 允许存在一定的误差) 。三个条 件缺一不可，否则无法实现跳频通信。 2 2 2 跳频系统的原理方框图 跳频系统的基本通信的原理方框图【1 7 】如下 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章跳频分组无线网络以及干扰概述 垃生嚣 r 一1 - ：混额#_ 无线信道 【r j- 一一j 图2 - 1 跳频系统的 ， j 蛹率台威嚣一 原理方框图 跳频通信系统的主要工作原理是：在发射端，先对输入的信码进行基带调制 ( 通常是f s k 调制) ，然后再与p n 序列控制下的频率合成器产生的本振信号 ( 射频载波) 进行混频，得到伪随机跳变的射频信号。在接收端，用与发端相同 的p n 序列控制本地频率合成器，将接收的信号与本地频率合成器的信号混频， 得到基带调制信号，然后再进行基带解调，恢复出信码。从原理图中可以看出， 跳频通信是瞬时窄带通信，在每一个频率的跳频间隔内，所占的信道的带宽是很 窄的，但由于频率跳变的速率比较高，所以从宏观看，跳频系统还是宽带系统， 即扩展了频谱。 实际跳频系统要解决的一个关键问题就是接收端与发送端的同步以及定时 问题，同步的含义是接收端必须以同样的伪码置定本地频率合成器，使其与发端 的频率作相同的改变，即实现收发跳频的同步。 频率合成器是跳频系统的关键部件，当利用伪码随机置定频率合成器时，发 射机的振荡频率在很宽的频率范围内不断的改变，因此射频载波也在一个很宽的 范围内变化，这样就形成了一个宽带离散谱，如图2 2 所示： - a f 卜 频率) 图2 2 射频载波的频谱图 其中，n 为频道数，f 为频道间隔，为时刻f 时所使用的频道频率，n f 即本此通信所使用的频率带宽。 目前，厂商研究出的频率合成器的种类也很多，如n s 公司的l m x 2 3 2 0 频 率合成器：a d 公司的a d 9 8 5 2 频率合成器。这些频率合成器可以实现跳频通信。 习西 篓 抒 。 南京邮i u 学院硕士研究生学位论文 第二章跳频分组无线刚络以及干扰概述 比如，西安电子科技大学学生提出的一种利用a d 9 8 5 4 与t i 公司 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 处理器实现跳频通信的方案，具有可行性。厂商制造的混频 器型号也很多，如m o t o r o l a 公司的m c l 4 9 6 混频器。 2 2 3a w g n 信道中跳频系统的性能 最常用的跳频系统的调制方法是m f s k 方式( m - a r y 舶q u c n c y s h i f t k e y i n g ) ， 采用非相干接收方式( n o n c o h e r e n tr e c e p t i o n ) m j 。 如果f h s s 系统采用2 f s k 基带调制，系统跳频速率为每比特一跳，采用非 相干解调和检测方式，在高斯信道中，系统的误码率是：