（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）移動ad+hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能路由技術(shù)研究.pdf

摘要 移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)( m a n e t ：m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的無線通信系統(tǒng)， 它的通信不依賴于任何固定設(shè)施，而是依靠節(jié)點(diǎn)之間的相互協(xié)作以多跳方式完成，具有自組織、分 布性、動態(tài)性等特點(diǎn)，因而能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速部署和數(shù)據(jù)通信。移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò) 作為移動通信新崛起的一個重要分支，近幾年發(fā)展迅速，并從最初單一的軍事應(yīng)用逐漸滲透到民用 領(lǐng)域。但由于網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)一般是由具有有限能量的電池供電的，而電池容量很難在短期內(nèi)有 大幅度的提高，因此能量問題是移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)在向?qū)嵱没较蜻~進(jìn)所需要著重研究的問題。論 文對移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)的m a c 層的功率控制機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)層的節(jié)能路由機(jī)制進(jìn)行研究，通過理論上的 深入分析和數(shù)學(xué)建模，提出一系列行之有效的節(jié)能算法以節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量消耗和提高網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工 作時間，主要研究貢獻(xiàn)歸結(jié)如下： 第3 章提出了二種基于信號衰減比的功率控制算法一s a l l p c a ( s i g n a la t t e n u a t i o nr a t e b a s e dp o w e rc o n t r o l a l g o r i t h m ) ，該算法最重要的特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)只要獲得信號衰減比就可以對報(bào)文進(jìn) 行功率控制，而通過對于無線信號在自由空間模型和地面反射模型的衰減模型的分析，信號衰減比 雖然在數(shù)值上是與傳播模型與節(jié)點(diǎn)間距相關(guān)的，但在計(jì)算時只需要獲得報(bào)文的發(fā)送信號功率和接收 信號功率即可，因此無線節(jié)點(diǎn)并不需要額外的g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 設(shè)備或定位算法的支 持，具有簡單性和經(jīng)濟(jì)性，此外，s a r - p c a 通過與網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議的有機(jī)結(jié)合，可以很容易與節(jié) 能路由算法協(xié)同工作。模擬實(shí)驗(yàn)表明，s a r p c a 可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文投遞數(shù)，在一定程度 上提高節(jié)點(diǎn)的生存期，從而提高移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)的效益。 第4 章分析了移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)中的d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 協(xié)議基于“最小 跳數(shù)”的路由選取標(biāo)準(zhǔn)在節(jié)能能量消耗方面的不足，然后聯(lián)合m a c 層的功率控制算法s a r p c a ， 提出了一種基于d s r 協(xié)議的最小能耗路由協(xié)議m e c p - d s r ( m i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o n r o u t i n gp r o t o c o lb a s e do nd s r ) ，該協(xié)議通過理論分析得出可以以信號衰減比的倒數(shù)作為節(jié)點(diǎn)的發(fā) 射功率的指標(biāo)，從而可以高效地結(jié)合到d s r 協(xié)議中：針對m e c p d s r 協(xié)議在平衡節(jié)點(diǎn)間能量消耗 方面的不足，提出了一種基于d s r 協(xié)議的功率感知的路由協(xié)議蛋a r d s r ( p o w e r a w a r e r o u t i n g p r o t o c o lb a s e do nd s r ) ，該協(xié)議通過將節(jié)點(diǎn)的剩余電池能量作為節(jié)點(diǎn)的發(fā)射代價(jià)函數(shù)的組成部分， 使那些剩余電池能量較小的節(jié)點(diǎn)由于發(fā)射代價(jià)較高而避免被選入路由當(dāng)中。模擬實(shí)驗(yàn)表明， m e c p - d s r 協(xié)議和p a r - d s r 協(xié)議都可以有效地提高移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)的生存期，m e c p d s r 協(xié)議 在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的全局能量消耗方面要優(yōu)于p a r d s r 協(xié)議，但是在平衡所有節(jié)點(diǎn)的生存期差異方面 p a r - d s r 協(xié)議要優(yōu)于m e c p d s r 協(xié)議。 第5 章對于在實(shí)際無線通信系統(tǒng)中報(bào)文并非總能投遞成功而需要引入重傳的特點(diǎn)，從理論上分 析了在端到端( e e r ) 重傳模型和逐跳重傳( h h r ) 模型下“基于最小化能量消耗”的節(jié)能路由協(xié) 議所選取的路徑并非總是最優(yōu)的，指出現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是以一種更一般化的模型( g r 模型) 進(jìn)行重傳的， 即鏈路層是進(jìn)行有限次數(shù)的重傳，如果這些重傳失敗由上層來保證端到端的可靠性。該章從概率論 角度分析并提出了在g r 模型下的節(jié)能路由協(xié)議所應(yīng)采取的數(shù)學(xué)模型，指出e e r 和h h r 模型是 g r 模型的兩個特例，因此g r 模型是更廣泛和一般化的模型，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義?；趃 r 模 主曼型耋墊婁奎蘭堡圭耋奎 型，提出了一種適用于差錯鏈路的節(jié)能路由協(xié)議e r r c ( e n e r g y - e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o lf o r r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ) 。模擬實(shí)驗(yàn)表明，e r r c 算法相比于沒有考慮報(bào)文錯誤概率的基于同樣的 能量優(yōu)化目標(biāo)的節(jié)能路由算法，表現(xiàn)出了更好的節(jié)能性能，是一種更精確的節(jié)能路由協(xié)議。 第6 章針對泛洪式廣播對于節(jié)能路由協(xié)議缺乏指導(dǎo)作用的缺點(diǎn)，提出了一種基于多點(diǎn)中繼的高 效能的廣播協(xié)議蛐嘿e b ( m u l t i p o i n t - r e l a y i n g - b a s e de n e r g ye f f i c i e n tb r o a d c a s t i n gp r o t o c 0 1 ) 。 m p r e b 協(xié)議提供了3 種不同的m p r 選擇策略，每個節(jié)點(diǎn)選取部分鄰居節(jié)點(diǎn)作為它的m p r 集，不 在m p r 集中的鄰居節(jié)點(diǎn)不處理和轉(zhuǎn)發(fā)來自該節(jié)點(diǎn)的廣播包，從而達(dá)到減小廣播開銷的目的。模擬 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，m p r e b 協(xié)議可以有效降低節(jié)能路由協(xié)議在路由尋找過程中所需要的廣播報(bào)文，同 時也表現(xiàn)出了良好的節(jié)能性能。 關(guān)鍵字：a dh o c ，功率控制，信號衰減比( s a r ) ，節(jié)能路由，最小能耗，功率感知，差錯鏈路，廣 播協(xié)議 l i a b s t r a c t a b s t r a c t am o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) i saw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t hs p e c i a ls t m c t u r e i t i sc o m p o s e do fag r o u po fm o b i l e ，w i r e l e s sn o d e sw h i c hc o o p e r a t ei nf o r w a r d i n gp a c k e t si nam u l t i h o p f a s h i o n i tc a nb ed i s t r i b u t e d l ya n dd y n a m i c l ys e l f - o r g n i z e dw i t h o u ta n yc e n t r a l i z e da d m i n i s t r a t i o na n dc a n b ed e p l o y e di nm a n yc o m p l i c a t e de n v i r o n m e n t st os u p p o r td a t ac o m m u n i c a t i o n a san e wb r a n c ho ft h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，m a n e th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya n dw i d e l yu s e di nb o t hm i l i t a r ya n dc i v i la p p l i c a t i o n s h o w e v e r , t h ew i r e l e s sn o d e si nm a n e ta r eu s u a l l yp o w e r e db yb a t t e r i e sw i t h l i m i t e de n e r g y , w h i l et h ec a p a b i l i t yo ft h eb a t t e r i e sc a n n o tb eg r e a t l yi m p r o v e di nas h o r tt e r m t h u s ，e n - e r g ye f f i c i e n c yh a sb e e nt h ek e y p r o b l e mi nm a n e t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h e e n e r g ye f f i c i e n ta l g o r i t h m si nb o t hm a cl a y e ra n dn e t w o r kl a y e ri nm a n e t t h r o u g hd e e pa n a l y s i n gi n t h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，as e r i e so fe n e r g ye f f i c i e n ta l l o r i t h m sa r ep r o p o s e di nt h i st h e s i st or e - d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n di m p r o v et h ec o o p e r a t i n gt i m eo fa l lt h en o d e si nt h en e t w o r k t h em a i n c o n t r i b u t i o n so f t l l i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e r3 ，as i g n a la t t e n u a t i o nr a t eb a s e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ( s a r - p c a ) i sp r o p o s e d s a r - p c au l t i l i z e st h es i g n a la t t e n u a t i o nr a t e ( s a r ) t op e r f o r mp o w e rc o n t r o li nm a cl a y e r t h r o u g h i n - d e p t ha n a l y s i so nt h et w oc o m m o n - u s e dw i r e l e s ss i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e l s ( t h ef r e e - s p a c em o d e la n d t h eg r o u n dr e f l e c t i o nm o d e l ) ，t h ea u t h o rc o n c l u d e dt h a ta l t h o u g ht h es i g n a la t t e n u a t i o nr a t es t i l ln u m e r i - c a l l yd e p e n d so nt h ep r o p a g a t i o nm o d e la n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt w oc o m m u n i c a t i n gn o d e s ，i tc a nb e c a l c u l a t e do n l yb yt h es i g n a lt r a n s m i s s i o np o w e ra tt h es e n d e rs i d ea n dt h er e c e i v e ds i g n a lp o w e ra tt h e r e c e i v e rs i d e t h u ss a r - p c ad o e sn o tn e e dt h es u p p o r to fg p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) e q u i p m e n t sa n d t h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s s i n c es a r p c aw o r k si nac r o s s - l a y e rf a s h i o n ，i tc a nb ee a s i l yc o o p e r a t ew i t h e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts a r p c ac a ne f f i c i e n t l yi m p r o v et h e p a c k e td e l i v e r yn u m b e ra n dp r o l o n gt h el i f e t i m eo ft h en o d e s ，t h u si m p r o v et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo f m a n e t c h a p t e r4a n a l y s e st h ee n e r g yd e f i c i e n c yo fr o u t es e l e c t i o nc r i t e r i ai nt h ed y n a m i cs o u r c er o u t i n g ( d s r ) p r o t o c o lo ft h em a n e t b yc o o p e r a t i n gw i t hs a r - p c a ，am i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o nr o u t i n g p r o t o c o lb a s e do nd s r ( m e c p - d s r ) i sp r o p o s e d t h r o u g hi n d e p t ha n a l y s i si nt h e o r y , m e c p d s rc o n - e l u d e st h a tt h er e c i p r o c a ls a ri se q u i v a l e n tt ot h es i g n a lt r a n s m i s s i o np o w e r , t h u sc a nb eu s e di nt h er o u t e d i s c o v e r yp r o c e d u r et of i n dap a t hw i t hm i n i m u mp o w e r i nd s r h o w e v e r , m e c p - d s rs t i l ll a c k st h e m e c h a n i s m so f b a l a n c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nb e t w e e nn o d e s ，ap o w e r a w a r er o u t i n gp r o t o c o lb a s e d d s r ( p a r d s r ) i sa l s op r o p o s e di nt h i sc h a p t e r b yd e f i n i n gan e wc o s tf u n c t i o n ，t h en o d e st h a th a v el i t t i eb a t t e r ye n e r g yp o s s e s sl a r g ec o s ta n dc o n s e q u e n t l ya v o i db e i n gs e l e c t e da st h ef o r w a r d i n gn o d e si nt h e r o u t e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t hm e c p - d s ra n dp a r - d s rc a ns i g n i f i c a n t l yp r o l o n gt h el i f e t i m eo fm a n e t m e c p - d s ro u t p e r f o r m sp a r - d s ri nd e c r e a s i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ew h o l e n e t w o r k ，w h i l ep a r - d s ro u r p e r f o r m sm e c p d s ri nr e d u c i n gt h ed i f f e r e n c e so ft h en o d e s l i f e t i m e s i i i 耋基型耋堡耋奎耋堡圭簍蘭 c h a p t e r5a d d r e s s e st h ep r o b l e m t l l a tt h ee x i s t e n c eo f r e t r a n s m i s s i o ni nm a n e i d o e sh a r mt ot h ee l l e r g ye f f i c i e n c yo f t h et r a d i t i o n a le n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l sw h i c hd on o tc o n s i d e rt h ep a c k e te r r o r r a t e ，t h ei n - d e p t ht h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tt h er o u t e sf o u n db yt r a d i t i o n a lm i n i m u mc o n s u m p t i o n r o u t i n gp r o t o c o l st e n dn o tt ob eo p t i m a li nb o t he n d - t o - e n dr e t r a n s m i s s i o n ( e e r ) m o d e la n dh o p - b y - h o p r e s t r a n s m i s s i o n ( h h r ) - m o d e l am o r eg e n e r a lr e t r a n s m i s s i o n ( g r ) m o d e li ss t u d i e di nt h i sc h a p t e r i n t h i sm o d e l ，an o d ei m p l e m e n t sal i m i t e dn u m b e ro f r e t r a n s m i s s i o u si f t h ep a c k e td e l i v e r yf a l l s i f a l lt h e s e r e t r a n s m i s s i o n sf a i l ，t h ee n d t o e n dr e l i a b i l i t yi sg u a r a n t e e db yt h eu p p e rl a y e r s t h i sc h a p t e ra n a l y s e sg r m o d e li np r o b a b i l i t yt h e o r ya n d p r o p o s e sam a t h e m a t i c a lm o d e lt oc a l c u l a t et h ea c c u m u l a t e dp a t hc o s tu n d e rt h i sm o d e l a l s o t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i ss h o w st h a tb o t he e rm o d e la n dh h rm o d e la r eb r v os p e - c i a lc a s o f g rm o d e l t h u st h eg rm o d e li so f e x c e l l e n tp r a c t i c a b i l i t y t os a t i s f yt h ee n e r g ye f f i c i e n c yi n t h ep r e s e n c eo fg rm o d e l ，a ne n e r g y - e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o lf o rr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ni c e r r c ) i s p r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a te r r co u t p e r f o r m sa n di sm o r ea c c u r a t et h a nt h ee n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l sw h i c hd on o tc o n s i d e r a t et h ep a c k e te r r o rr a t e c h a p t e r6p r o p o s e sam u l t i p o i n t r e l a y i n g - b a s e de n e r g ye f f i c i e n tb r o a d c a s t i n gp r o t o c o l ( m p r e b ) t o o v e r c o m et h ed r a w b a c ko ft h ef l o o d i n gb r o a d c a s tm e c h a n i s mt h a ti tc a n n o tp r o v i d ei n s t r u c t i o n sf o r 哪咧 e f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l s m p r e b p r o v i d e s3m p rs e l e c t i o ns t r a t e g i e s i nm p r e b ，e a c hn o d eu s e ss o m e m p rs e l e c t i o ns t r a t e g yt os e l e c tap a r to fi t sn e i g h b o r st oe s t a b l i s ham p rs e t w h e nan o d er e c e i v e sa b r o a d c a s t i n gp a c k e tf r o mo n en e i g h b o r , i ts i m p l yd r o p st h ep a c k e tt or e d u c et h eb r o a d c a s to v e r h e a di fi t d e t e r m i n e st h a ti ti sn o ta m o n gt h em p rs e to ft h es e n d e r , s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tm p r e b i se n e r g y e f f i c i e n ta n ds i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h ea m o u n to f n e c e s s a r yr o u t i n gp a c k e t sf o re n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n gp r o - t o c o b k e yw o r d s ：a dh o e ，p o w e rc o n t r o l ，s i g n a la t t e n u a t i o nr a t e ( s a r ) ，e n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n g , m i n i m u m e n e r g yc o n s u m p t i o n ，p o w e ra w a r e ，1 b s s yl i n k ，b r o a d c a s tp r o t o c o l i v 圖表索引 圖1 1 一種典型的移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)示意圖3 圖1 2 移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖。8 圖1 3 移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)的分級結(jié)構(gòu)示意圖9 圖2 1 移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議按驅(qū)動方式的分類及其代表協(xié)議1 4 圖2 2 d s r 協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程示意圖1 6 圖2 3 d s r 協(xié)議的路由維護(hù)機(jī)制示意圖1 8 圖2 4 d s r 協(xié)議的路由緩存機(jī)制示意圖1 8 圖2 5 a o d v 協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)過程示意圖2 0 圖3 1 功率控制示意圖2 7 圖3 2 傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分層模型一2 8 圖3 3 跨層設(shè)計(jì)理論模型2 9 圖3 4 s a r p c a 與路由協(xié)議依賴關(guān)系示意圖3 0 圖3 5s a r p c a 對發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)的發(fā)送功率管理3 3 圖3 6 信號衰減比( s a r ) 的不對稱性示意圖3 4 圈3 7 擴(kuò)展后的既l l o 報(bào)文3 5 匿3 8s a r p c 奄a o d v 協(xié)議廣播h e l l o 報(bào)文的漉程示意圖3 7 圖3 9 s a r p c a a o d v 協(xié)議對h e l l o 報(bào)文的處理流程示意圖3 8 圖3 1 0 三種速度下的報(bào)文投遞數(shù)4 0 圖3 1 1s 撼p c a 在三種速度下對報(bào)文投遞數(shù)的增加率4 l 圖3 1 2 三種速度下的報(bào)文投遞率4 l 圖3 1 3 首個死亡節(jié)點(diǎn)的生存期4 2 圖3 1 4 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時間關(guān)系示意圖( 節(jié)點(diǎn)靜止) 4 3 圖3 1 5 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時聞關(guān)系示意圖( 節(jié)點(diǎn)速度= s m s ) 4 3 圖3 1 6 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時間關(guān)系示意圖( 節(jié)點(diǎn)速度；1 0 m s ) 4 4 圖3 1 7 第1 5 個死亡節(jié)點(diǎn)的生存期4 4 圖3 1 8 前1 5 個死亡節(jié)點(diǎn)的平均生存期4 5 圖4 1d s r 協(xié)議的路由選取示意圖4 7 圖4 2 即l r o 通過中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的4 9 圖4 3 m e c p - d s r 協(xié)議擴(kuò)展后的r r e q 報(bào)文5 3 圖4 4m e c p d s r 協(xié)議擴(kuò)展后的融邐p 報(bào)文。5 4 圖4 5m e c p - d s r 數(shù)據(jù)報(bào)文攜帶的“路由記錄”列表5 5 圖4 6m e c p d s r 協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)示意圖5 5 圖4 7 中間節(jié)點(diǎn)吩+ 對r r e q 報(bào)文的處理流程5 6 圖4 8 m e c p _ d s r 協(xié)議的路由維護(hù)示意圖5 9 圖4 9 節(jié)點(diǎn)移動性和功率控制機(jī)制對鏈路穩(wěn)定性的影響5 9 圖4 1 0 鄰居修復(fù)請求( t v r r q ) 報(bào)文格式，6 0 圖4 1 l 鄰居修復(fù)應(yīng)答( n 砌沖) 報(bào)文格式6 0 圖4 1 2 基于最小能耗的路由算法的缺點(diǎn)示意圖6 l 圖4 1 3p a r - d s r 協(xié)議的r r e q 報(bào)文格式6 3 圖4 1 4 不同速度速度下苜個死亡節(jié)點(diǎn)的生存期。6 5 圖4 1 5 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時間關(guān)系示意圖( 節(jié)點(diǎn)靜止) 6 5 1 x 圖4 1 6 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時間關(guān)系示意圖( 節(jié)點(diǎn)速度= 5 m s ) 6 6 圖4 1 7 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時間關(guān)系示意圖( 節(jié)點(diǎn)速度= i o m s ) 6 6 圖4 1 8 第1 5 個死亡節(jié)點(diǎn)的生存期6 7 圖4 1 9 前1 5 個死亡節(jié)點(diǎn)的平均生存期6 8 圖4 2 0 四種協(xié)議的報(bào)文時延對比6 8 圖5 1 平均最小傳輸能量e 刪曲與路徑鏈路數(shù)目的關(guān)系示意圖7 4 圖5 2e 鼬汜算法的重傳模型示意圖7 7 圖5 3e r r c - a o d v 的r r e q 報(bào)文格式示意圖7 9 圖5 4e r r c 協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)示意圖8 0 圖5 5 最大重傳次數(shù)m = i ( e e r ) 時每千個報(bào)文所消耗的能量8 4 圖5 6 最大重傳次數(shù)m - - 2 時每千個報(bào)文所消耗的能量8 4 圖5 7 不同最大重傳次數(shù)下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。8 5 圖5 8 不同速度下首個死亡節(jié)點(diǎn)的生存期8 6 圖5 9 死亡節(jié)點(diǎn)的個數(shù)與經(jīng)歷時間關(guān)系示意圖( 速度 5 m ，s ) 8 6 圖5 1 0 不同移動速度下的前l(fā) o 個節(jié)點(diǎn)的平均生存期8 7 圖6 1 泛洪式廣播對節(jié)能路由請求缺乏指導(dǎo)作用示意圖9 0 圖6 2 m p r e b 與節(jié)能算法的關(guān)系示意圖9 3 圖6 3m p r e b 協(xié)議的局部拓?fù)湫畔⑹占纠? 4 圖6 4 m p r 的維護(hù)與選擇示意圖9 5 圖6 5m p r e b 協(xié)議的路由開銷降低率9 8 圖6 6 不同移動速度下的前2 0 個節(jié)點(diǎn)的平均生存期9 9 表1 1 移動a d h o t 3 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別。5 表2 1 移動a t ) h o c 網(wǎng)絡(luò)中各種路由協(xié)議的性能對比2 5 表2 2 三類移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的性能對比2 6 表3 1 擴(kuò)展后的h e l l o 報(bào)文各域的設(shè)置值3 5 表3 2 無線節(jié)點(diǎn)的基本參數(shù)3 9 表4 1 所示網(wǎng)絡(luò)中各備選路徑的最小發(fā)射信號功率總和。4 8 表4 2 第1 5 個死亡節(jié)點(diǎn)與首個死亡節(jié)點(diǎn)的生存期之差( 單位：秒) 6 6 表5 1 中間節(jié)點(diǎn)啊+ 。對r r e q 報(bào)文的處理子程序8 1 表6 1 三種m p r 選擇策略的對比9 6 x 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位學(xué)位論文相關(guān)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究 工作所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中 不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的 同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。 本人授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)， 即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù) 印件和電子版，允許論文被查閱或借閱，可以將學(xué)位論文編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索廠可以采用影e 艮縮印或掃描等復(fù)制手段保存、 匯編學(xué)位論文。 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 作者簽名：塑孟望 年占月占日 第1 章緒論 1 1 移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)概述 1 1 1 移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景 隨著人們對隨時隨地可以進(jìn)行自由通信的需求，近幾年來，無線通信網(wǎng)絡(luò)無論在技術(shù)上， 還是在商業(yè)上都獲得了飛速的發(fā)展，并且已經(jīng)在世界范匿內(nèi)被廣泛地應(yīng)用。無線通信網(wǎng)絡(luò)由于 能快速、靈活、方便地支持用戶的移動性而便它成為個人通信和i n t e r n e t 發(fā)展的方向，而且也 只有通過無線通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)“任何入在任何時問、任何地點(diǎn)與任何人進(jìn)行任何種類的信息 交換”的理想的通信目標(biāo)。 目前主要的無線通信網(wǎng)絡(luò)可分為兩大類，一類是由目前的第2 代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng) ( 2 g ，包括o s m ( 4 、c d m a c 5 1 等) 發(fā)展面來的第2 5 代( 2 5 g 。包括g p r s 、c d m a l x 等) 和 第3 代( 3 g 包括w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d - s c d m a 等) 移動通信系統(tǒng)另一類是應(yīng)用了 國際電氣和電子工程師協(xié)會( i e e e ：i n s t i t u t eo f e l e c m c a la n d 口e c t r o n i ce n g i n e e r s ) 開發(fā)的8 0 2 系列無線協(xié)議的無線通信系統(tǒng)，根據(jù)覆蓋范圍不同，這些系統(tǒng)可歸納為無線個人網(wǎng)( w p a n ： w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，包括i e e e8 0 2 1 5 1 藍(lán)牙，i e e e8 0 2 1 5 3 超寬帶按入) ，無線 局域網(wǎng) w l a n ：w w e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，包括i e e e $ 0 2 1 i t 6 a b g ，h i p c r l a n ) 和無線城 域網(wǎng)( w m a n ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ，包括i e 旺8 0 2 16 1 9 l 、i e e e8 0 2 2 0 【1 0 1 4 “1 ) 這些技術(shù)的出現(xiàn)，極大方便了人民的生活，同時也推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展。 我們經(jīng)常提及的無線通信技術(shù)一般都是有中心的，要依賴于預(yù)先部署的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施才能 運(yùn)行。典型的例子有；蜂窩移動通信系統(tǒng)要有基站和移動交換中心等基礎(chǔ)設(shè)施的支持；而無線 局域網(wǎng)中移動終端則主要通過按入點(diǎn)( a p ：a c c e s sp o i n t ) 接入有線骨干網(wǎng)。這兩種網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu) 都是基于中心控制的，實(shí)際上其無線鏈路都只有一跳( 無線單跳) 但對于有些特殊場合來說， 這種有中心的移動網(wǎng)絡(luò)并不能勝任，因?yàn)椴豢赡苡羞@種預(yù)先部署的固定設(shè)施可以使用。比如， 在戰(zhàn)場上指揮快速展開的部隊(duì)，發(fā)生地震或水災(zāi)等大型災(zāi)害后的營救，太空環(huán)境中科學(xué)考察， 偏遠(yuǎn)地區(qū)作業(yè)以及臨時性的大型會議等。在這些應(yīng)用場景中，不能依賴于任何預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施， 或者預(yù)先架設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)置已經(jīng)因?yàn)?zāi)害或戰(zhàn)爭而損毀不能發(fā)揮作用在此情況下，一種能夠 臨時快速自動組網(wǎng)的移動網(wǎng)絡(luò)移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，并且迅速成為了移動通信技術(shù)的 一個重要分支，將在未來的通信技術(shù)中占據(jù)重要地位 1 1 2 移動a dh o e 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)的起源可以追溯到1 9 6 8 年，當(dāng)時為了能夠和夏威夷群島的教育機(jī)構(gòu)交換 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文 數(shù)據(jù)，美國建立了一種使用無線電廣播技術(shù)的報(bào)文交換計(jì)算機(jī)網(wǎng)( a l o h a 網(wǎng)絡(luò)) ，雖然只是一 種單跳的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但是a l o h a 網(wǎng)絡(luò)為日后移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。移動a d h o c 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要由軍事需求所推動，它的前身是報(bào)文無線網(wǎng)( p r n e t ：p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 。 早在1 9 7 2 年，美國國防部高級研究規(guī)劃署( d a r p a ：d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t a g e n c y ) 就啟動了報(bào)文無線網(wǎng)項(xiàng)目( p r n e t ：p a c k e t r a d i o n e t 、 r o r k ) ，研究在戰(zhàn)場環(huán)境下利用報(bào)文無線 網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年啟動了高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目( s u r a n ： s u r v i v a b l e a d a p t i v e n e t w o r k ) ，研究如何將p r n e t 的研究成果加以擴(kuò)展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng) 絡(luò)。此外，還要開發(fā)能夠適應(yīng)戰(zhàn)場快速變化環(huán)境需要的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。繼續(xù)s u r a n 的研究 成果，1 9 8 7 年出現(xiàn)了低開銷報(bào)文無線技術(shù)( l p r ：l o w - c o s tp a c k e tr a d i o ) ，它基于i n t c l8 0 8 6 微 處理器，是采用直序擴(kuò)頻通信的報(bào)文交換系統(tǒng)。為了進(jìn)行持續(xù)的研究，1 9 9 4 年，d a r p a 又啟 動了全球移動信息系統(tǒng)g i o m o ( g l o b l em o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 項(xiàng)目，旨在對能夠滿足軍事 應(yīng)用需要的，可快速展開、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的研究。 近年來。移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)在軍事領(lǐng)域逐漸走向?qū)嵱?。美國軍方? 9 9 7 年實(shí)施的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián) 網(wǎng)( t i ；t a c t i c a l i n t e r a c t ) 是目前最大規(guī)模的多跳報(bào)文無線網(wǎng)，e l b a c t d ( e x t e n d i n g t h e l i t l o r a l b a t t l e - s p a c e a d v a n c e dc o n c e p t t e c h n o l o g yd e m o n s w 融i o n ) 是美國軍方1 9 9 9 年建立的另一個移動 a dh o c 網(wǎng)絡(luò)2 0 0 0 年，d a p r a 資助了一項(xiàng)研究一“自愈式雷場系統(tǒng)一采用智能化的移動 反坦克地雷陣來挫敗敵人對地雷防線的突破。這些地雷都配備由無線通信與自組織聯(lián)網(wǎng)單元。 通過飛機(jī)、地對地導(dǎo)彈或火箭彈等方式撒播之后，迅速構(gòu)成移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)，在遭到敵方坦克 突破之后，這些地雷通過對拓?fù)涞淖赃m應(yīng)判斷和自身具備的自動彈跳功能迅速“自愈”，即通過 網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)恢復(fù)連通，再次對敵方坦克進(jìn)行攔阻，從而達(dá)到限制敵軍機(jī)動能力，延緩敵軍進(jìn)攻或 撤退的速度，在一段時間內(nèi)封鎖特定區(qū)域。 不僅限于軍事領(lǐng)域移動a dh o c 網(wǎng)絡(luò)，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用至今也已得到長足發(fā)展。到2 0 世 紀(jì)9 0 年代基于射頻和紅外的各種無線通信設(shè)備的出現(xiàn)以及