AdHoc网络令牌控制方式的模型研究论文

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1、本科学生学年论文论文题目：Ad Hoc网络令牌控制方式的模型研究学 院：电子工程学院年 级：2010级专 业：电子信息工程姓 名：孙柏学 号：20103069指导教师：王英丽 2013年 6月 20日摘要Ad Hoc网络是近年来发展起来的一种无线移动分组网络，它具有动态变化的拓扑结构，网络中的节点可以任意移动，也可以动态的加入或退出网络。Ad Hoc网络无任何中心和固定基础设施，网络中各个节点的地位平等，每个节点都具有主机与路由器的双重功能，形成了一个以中间主机节点为中继的多跳的分布式网络结构。路由技术是Ad Hoc网络的关键技术，也是影响网络整体性能最重要的因素之一。与单跳的无线网络不同，移

2、动Ad Hoc网络中节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要路由协议进行分组转发决策。无线信道变化的不规则性，节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。路由协议的作用就是在这种环境中，监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。它是移动节点互相通信的基础，因此成为当前自组织网络中的研究热点。本文重点针对Ad Hoc网络的MAC层协议进行研究，分析了无线令牌环协议(WTRP) 的服务规则和控制过程，在对WTRP进行改进的基础上提出一种新的具有QoS保障的无竞争的分布式并行无线令牌环访问协议，即DPW

3、TRP协议。仿真结果表明，该协议的排队等待延迟和等待队列长度均比WTRP有很大降低，稳定性大大增强，更加适用于对时延要求较高的业务。关键词Ad Hoc网络；路由协议；无线令牌环协议；媒体接入控制层AbstractAd hoc network is a kind of wireless and mobile network develops in recent years. It has a dynamic and variable topology, each node not only can move but can join or exit the network freely. It

4、has an acentric and infructureless distributed multi-hop structure，all nodes have an equal status and act as two roles-router and node itself.Routing technique is the key technique of Ad hoc network and one of the most important factors affect the performance of the network. It is different from sin

5、gle hop wireless network，mobile Ad hoc network nodes intercommunicate according to multi-hops data store-forward，which need the support of routing protocols. The regular change of bandwidth and node motivation，pass in and out will result in change topology. The routing protocols will monitor the cha

6、nging topology，exchange routing information，locate the nodes，position，select and maintain routing. Then they store-forward data for network nodes according to routing. Routing protocol is the hot problem because of it is the base in self-organized network.An ad hoc network is a collection of wireles

7、s mobile hosts, which can form a temporary network without the aid of any infrastructure or centralized administration. After the MAC protocol of ad hoc network is studied and the protocol of WTRP is improved and modified, a new uncontested Distributed Parallel Wireless Token Ring Protocol (DPWTRP),

8、 which can ensure MAC(Media Access Control) layer QoS for ad hoc network, is presented. The simulation results show that the average delay and queue length in DPWTRP system are much lower than in WTRP system, and the stability is more enhanced. As a result, it could be more fit for the services whic

9、h require the lower delay.Key wordsAd hoc network; Routing protocols; Wireless token ring protocol; Media access controlII目录摘要IAbstractII前言1第一章 移动Ad Hoc网络综述21.1 Ad Hoc网络起源和发展21.2 研究的背景和意义21.3 移动Ad hoc网络的概念31.4 移动Ad Hoc网络的特点51.5 移动Ad Hoc网络的应用7第二章 Ad Hoc网络路由技术分析102.1 移动Ad Hoc网络的关键技术102.2 网络的拓扑结构112.2.

10、1 全分布式拓扑结构112.2.2 分层分布式结构122.3 路由协议13第三章 分布式并行无线令牌环接入控制协议153.1 DPWTRP 接入控制153.1.1协议描述153.1.2 DPWTRP 的MAC帧格式163.2 DPWTRP 与WTRP性能仿真17结论19参考文献20致谢21Ad Hoc网络令牌控制方式的模型研究前言Ad Hoc网络没有固定的基础设施并使用多跳中继的方式进行通信。其组网方式灵活，通信终端便携性强，并由此成为未来宽带接入的重要方式，无线自组织网络广阔的应用前景也使得越来越多的人投入到对Ad Hoc网络技术的研究。既然Ad Hoc网络技术是一种无线网络技术，那么它在组

11、网和数据传输过程中必然离不开相应的路由协议支持。由于Ad Hoc网络技术自身的特点，传统的移动网络的路由协议已经不再适应，因此为了更好的应用无线自组网，研究适应Ad Hoc网络的路由协议，路径选择算法与数据传输技术也已成为当今人们研究的热点话题。由于Ad Hoc网络在军事、商业和教育环境中的应用，尤其在战争、野外活动中有着其他各种固定网络无法比拟的优势，使得多跳、无线自组网络成为了近来研究的热点。由于它具有自组性、临时性、无基础设施要求及易于架设等特点，被广泛地应用于战场信息系统建设、紧急救援救灾指挥、会议交流、野生动物追踪、海底及空间探索等领域。国内外有很多研究人员对Ad Hoc 网络的媒体

12、接入控制层 (Media Access Control, MAC) 协议进行了大量有意义的研究。无论传统的载波侦听多重访问(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)还是改进的载波侦听多重访问/避免冲撞(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA/CA) 都是基于争用的MAC接入控制协议，由于争用和冲突的存在而无法为时延要求较高的业务提供服务质量(Quality of Service, QoS) 保障，同时也大大降低了系统的吞吐量；虽然基于轮询机制的中心协调方式(Point Coordinat

13、ion Function, PCF)接入控制可以提供时延保障，但它适用于一种结构化的网络，即要求网络结构要相对稳定，而Ad Hoc 网络的节点的移动性较大，是一种无基础设施要求，具有很强的临时性、自组性的网络技术，PCF 显然是不适用的。本文提出了一种分布式并行无线令牌环控制协议(Distributed Parallel Wireless Token Ring Protocol, DPWTRP)，仿真结果表明，系统的性能得到了很大改善。第一章 移动Ad Hoc网络综述1.1 Ad Hoc网络起源和发展移动Ad Hoc网络的起源可以追溯到1968年，当时为了能够和夏威夷群岛的教育机构交换数据，美

14、国建立了一种使用无线电广播技术的报文交换计算机网(ALOHA网络)，虽然只是一种单跳的网络协议，但是ALOHA网络为日后移动 Ad Hoc网络的发展奠定了基础。移动 Ad Hoc网络的发展主要由军事需求所推动，它的前身是报文无线网 (PRNet：Packet Radio Network)。早在1972年，美国国防部高级研究规划署（DAPRA：Defense Advanced Project Research Agency）就启动了报文无线网项目 (PRNET：Packet Radio NETwork)，研究在战场环境下利用报文无线网进行数据通信。在此之后，DARPA于 1983年启动了高残存性

15、自适应网络项目 (SURAN：Survivable Adaptive Network)，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。此外，还要开发能够适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议。继续SURAN的研究成果，1987年出现了低开销报文无线技术 (LPR：Low-Cost Packet Radio)，它基于Intel 8086微处理器，是采用直序扩频通信的报文交换系统。为了进行持续的研究，1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo(Globle Mobile Information Systems)项目，旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性

16、的移动信息系统进行全面深入的研究。到20世纪90年代基于射频和红外的各种无线通信设备的出现以及笔记本电脑的流行，使得移动 Ad Hoc网络在民用通信领域产生了巨大的应用空间。成立于1991年5月的IEEE802.ll标准委员会采用了“Ad Hoc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，移动Ad Hoc网络就此诞生。互联网工程任务组 (IETF：The Internet Engineering Task Force)为此还专门成立了一个MANET(Mobile Ad hoc Network)工作组研究这种网络的路由协议，并制订了一系列协议与草案。除此之外，国内外众多高校与研究

17、机构也纷纷展开了对移动 Ad Hoc网络的广泛研究，无线自组网已经成为学术界的热点。1.2 研究的背景和意义随着人们对随时随地可以进行自由通信的需求，近几年来，无线通信网络无论在技术上还是在商业上都获得了飞速的发展，比如蜂窝数字式分组数据交换网(CDPD)、蓝牙(Bluetooth)、无线局域网（IEEE802.11和HiperLAN）、家庭无线网(Home RF)等移动通信新技术纷纷涌现，并且已经在世界范围内被广泛地应用。无线通信网络由于能快速、灵活、方便地支持用户的移动性而使它成为个人通信和Internet发展的方向，而且也只有通过无线通信网络才能实现“任何人在任何时间、任何地点与任何人进

18、行任何种类的信息交换”的理想的通信目标。传统的移动通信技术一般是集中式控制的，通常它们要基于预先架设的网络基础设施才能运行。如蜂窝移动通信系统要有基站和移动交换中心等功能设施的支持，无线局域网一般也工作在有接入点(Access Point)和有线骨干网的模式下。但对于某些特殊的应用场合，有中心的移动通信技术并不能胜任。比如，战场上部队的快速展开和推进，发生地震、水灾、火灾等重大灾难后预先架设的网络基础设施已经因为灾害损毁而失去作用这些场合的通信不能依赖于任何预先架设的网络设施，这时就需要一种能够临时快速自动组网的移动通信技术。作为移动通信的一个重要分支，Ad Hoc网络技术是满足这些特殊场合需

19、要的唯一或最佳的选择。Ad Hoc网络没有固定的基础设施并使用多跳中继的方式进行通信。其组网方式灵活，通信终端便携性强，并由此成为未来宽带接入的重要方式，无线自组织网络广阔的应用前景也使得越来越多的人投入到对Ad Hoc网络技术的研究。1.3 移动Ad hoc网络的概念移动Ad Hoc网络中“Ad Hoc”来源于拉丁语，其含义是“For this”，引申义为“For this purpose only”，字面上的意思是“为特定目的或场合的”或“仅为这种情况的”。有的网站对移动 Ad Hoc网络是这样定义的:移动 Ad Hoc网络是一个局域网或小型网络，它采用无线通信技术，网络中的节点互相作为其

20、邻居节点的路由器，通过节点转发，实现移动 Ad Hoc网络内部主机之间和内部主机与外部主机之间的通信。移动 Ad Hoc 网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，移动 Ad Hoc 网络通常是以末端子网(树桩网络)的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，移动Ad Hoc网络一般不适于作为中间传输网络，它只允许产生于或者目的地是网络内部节点的信息进出，而不让其它信息穿越本网络，从而大大减少了与现存的Internet相互操作的路由开销。 图1-1描述了一个由三个节点组成的简单的Ad Hoc网络。图1-1 一个简单的Ad Hoc网络主机C不在主机A的无线覆盖

21、范围之内(用环绕主机A的圆环表示)，同时主机A也不在主机C的无线覆盖范围之内。如果主机A和C之间需要交换信息，就需要主机B为它们转发分组，因为主机B在主机A和C的无线覆盖范围之内，此时B就在为A和C的通信中担当路由器功能。图1-2为一个典型的单跳无线网络(GSM网络)的示意图。如图1-2所示，源端和目的端用户(手机)分别与距离其最近的基站通过无线方式连接，这两个基站通过自身的交换子系统接入公共电话网并取得联系从而建立起两个终端用户之间的业务信道，由此两个终端用户可以实现通话。在这个系统中，因为每个终端仅和距离自己最近的基站进行一跳的无线连接，所以被称作单跳无线网络。 图1-2 单跳无线网络示意

22、图无基础设施移动无线网则没有固定的网关和路由器，节点自身具有路由寻找和维护功能，所有的移动终端可动态地加入和离开网络。无基础设施移动无线网中，由于无线传输范围有限，两个无法直接通信的节点需要利用多个中间节点进行中继通信，因此该类型的网络被称为多跳无线网也即移动Ad Hoc网络。图1-3 多跳移动Ad Hoc网络示意图图1-3给出了一种典型的移动Ad Hoc网络的结构图，由图可见，网络中的节点可以是带有无线接口的笔记本电脑、PDA、智能手机等移动终端，从图中可以看出每个节点的地位平等，没有中心控制节点，节点之间通过无线信道连接，网络的拓扑结构随着节点的移动而动态变化，网络中的节点同时具有主机和路

23、由器的功能：作为主机，完成人机交互任务；而作为路由器，运行路由协议，进行路由发现和路由维护。由于节点的无线传输范围有限，两个无法直接通信的无线节点可以通过多个中间节点的转发来实现通信，如图1-3中的源端A和目的端F之间的通信就是依靠多跳机制。1.4 移动Ad Hoc网络的特点与其他传统的无线网络和固定网络相比，Ad Hoc网络具有以下特点：(1)无中心与自动配置Ad Hoc网络采用无中心结构，网络中没有绝对的控制中心。自组网中的用户终端都兼备独立路由和主机功能。而在蜂窝移动通信统中有很多集中式实体，如基站、移动交换中心等等。而在移动Ad Hoc网络中，没有预先存在的网络基础设施，所有节点的地位

24、平等，是一个对等式网络。自动配置是Ad Hoc网络的基本特征，节点必须检测其它节点以及它们可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正常工作，这涉及到连接因特网的网关节点的更换。在网络形成阶段，节点可以就网络拓扑进行协商，这依赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。各节点通过分层的网络协议和分布式算法协调彼此的行为，节点可以随时加入和离开网络，在任何时刻任何地方都能够快速展开并组成一个移动通信网络，完全实现网络的自主创建，自主组织，自主管理。它可以满足随时随地信息、交互的需求，从而真正实现人类在任何时间、在任何地点与任何人进行通信的梦想。任意节点的故障不会影响整个网络的

25、运行，与有中心的网络相比，移动Ad Hoc网络的分布式特征等特点，使其具有很强的健壮性和抗毁性。(2)动态变化的网络拓扑网络的拓扑结构是指从网络层角度来看，物理网络的逻辑视图。在移动Ad Hoc网络中，移动用户终端可以随机地在网络中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是难以预测的，具体的体现就是拓扑结构中代表移动终端顶点的增加或消失，代表无线信道的有向边的增加和消失，网络拓扑结构的分割和合并等等。而对于传统的有线网络而言，网络拓扑结构则表现较为稳定。(3)无线传输特

26、性移动Ad Hoc网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所能提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。传统的共享信道是一跳共享的，而移动Ad Hoc网络中节点的发送功率受限，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，而此范围之外的其它节点察觉不到。这一特征一方面提高了信道的空间重用度，另一方面使得报文的冲突与节点所处的地理位置相关。此外，地形或发射功率等因素使得移动Ad Hoc网络中可能存在单向无线信道。即可能使得两个节点之间存在单向链路，就是说节点A可以成功地向节点B发送报文，但是由于两节点的信号覆盖范围不一样，节点B发送的报文，节点A可能会

27、收不到。(4)多跳路由由于移动终端发射功率都不太大，单个节点的覆盖范围是有限的。当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，即要经过多跳。与普通网络不同，移动Ad Hoc 网络中的转发是由普通节点完成的，而不是由专用的路由设备(如路由器)完成的。也就是说，在移动Ad Hoc网络中，每个节点都兼具主机和路由器两种功能，需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由信息参与分组转发和路由维护工作。反过来，如果可以使用多跳路由，节点的发射功率可以很低，从而达到节省电能的目的。(5)移动终端的局限性在移动Ad Hoc网络中，无线终端通常以PDA、笔记本电脑为主要形式。相对于台式机而言，在带来

28、移动性、灵巧、轻便等好处的同时，其固有的特性，例如依靠电池这样的可耗尽能源提供电源、内存较小、CPU性能较低等，给应用程序设计开发和推广带来一定的难度。同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。而且，考虑到成本和易携带性，移动节点不能配备太多的无线收发器并且一般依靠具有有限能量的电池供电。(6)安全性差移动Ad Hoc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、拒绝服务等网络攻击。即无线链路使Ad Hoc网络容易受到链路层的攻击，包括被动窃听和主动假冒、信息重放和信息破坏；节点在敌意环境(如战场)漫游时缺乏物理保护，使网络

29、容易受到己经泄密的内部节点以及外部节点的攻击；网络的拓扑和成员经常改变，节点间的信任关系经常变化。(7)受限的无线传输带宽移动Ad Hoc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。此外，无线信道竞争共享产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，使得移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态地发生变化。(8)生存时间短Ad Hoc网络通常是由于某个特定原因而临时性创建的，使用结束后，网络环境将会自动消失。Ad Hoc网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。1.5 移动Ad Hoc网络的应用由于Ad

30、 Hoc网络的特点，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。Ad Hoc网络适用于无法或不便于预先铺设网络基础设施或需要网络快速展开的场合。Ad Hoc 网络的自组织性提供了这种在特殊环境下部署网络并立即进行通信的可能；多跳和中间节点的转发特性可以即保持网络覆盖范围不发生变化，还可以减少每个终端的发射功率，从而可以使移动终端越来越小型化，可以很大程度上节能。从短期来看，军事通信仍将是移动Ad Hoc网络技术应用的重点领域。要使得移动Ad Hoc网络能够在民用领域得到比较广泛的应用，必须要找到合适发挥它特点的场合。结合当前的应用领域和未来的发展趋势，移动Ad Hoc网络的应用场合可以概括为以

31、下几个方面：(1)军事通信应用军事通信应用仍是移动Ad Hoc网络的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，无线自组网是数字化战场通信的首选技术，并己经成为战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了移动Ad Hoc网络技术。美军研制的大量可应用于单兵、车载、指挥所等不同场合的无线自组织网络设备，在近几年的阿富汗反恐战争、第二次海湾战争中得到了广泛应用。装备了移动通信装置的军事人员、军事车辆以及各种军事设备之间可以借助 Ad Hoc网络进行信息交换、保持密切联系，以协作完成作战任务。需要通信的舰队战斗群之间也可以通过Ad Hoc

32、 网络建立通信而不必依赖陆地或卫星通信系统。在此可以预见的将来的信息化军事斗争中移动Ad Hoc 网络将发挥着更为重要的作用。(2)无线传感器网络传感器网络是移动Ad Hoc网络技术的另一个应用领域。无线传感器网络是由一组集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微型传感器以自组织方式构成的无线网络，广泛应用于工业监控、军事等领域中。对于很多应用场合来说，传感器网络只能使用无线通信技术，而且考虑到体积和节能等因素，传感器网络的发射功率不可能很大，而移动 Ad Hoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方案。分散在各处的传感器组成移动 Ad Hoc网络，可以实现数据采集，节点的信息共享，以及与控制中心之

33、间的通信，可以用来监测目标区域的环境变化，收集和处理相关的敏感信息，这方面具有非常广阔的应用前景。(3)个人通信方面个域网PAN(Personal Area Network)是移动Ad Hoc网络的又一个重要应用领域，我们知道现在的传统无线网络需要有大量的基站，交换机的设备进行支持。而Ad Hoc却可以免去这些基础设施建设，在大大降低成本的情况下还可以满足随时随地服务的要求，这在当今的个人通信领域很有价值。另外，考虑到电磁波辐射对人的健康影响问题时，移动Ad Hoc网络的多跳特点将再次展现出它的优势。(4)紧急和临时场合在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施可能

34、因被摧毁而无法正常工作时，救援人员可以通过Ad Hoc无线自组网来保障通信指挥的顺利进行；另外处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的网络设施进行通信，移动Ad Hoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，都是这些场合通信的最佳选择。类似地，对于临时场合的通信，例如在大型会议、庆典、展览等场合，移动Ad Hoc网络网络技术的采用可以免去布线和部署网络设备的繁琐工作。(5)商业应用组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统和无线设备网络，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖，构建无线城域网和自组织广域网，开展移动和可携带计算以及无所不在的通信业务等。(6)作为接入手段或与其它通信系统的结

35、合移动Ad Hoc网络还可以作为末端子网通过接入点接入到现有的网络基础设施上，如Internet或者蜂窝移动通信网络。在蜂窝移动通信系统中应用 Ad Hoc网络技术，利用移动台的多跳中继能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围，均衡相邻小区的业务，提高小区边缘的数据传输速率等。第二章 Ad Hoc网络路由技术分析随着无线通信技术的发展和便携设备的不断普及,人们对新的移动通信网络的期待与日俱增。移动Ad Hoc网络以其优越的自组织性能成为理想的候选网络之一。作为一种动态、无中心、多跳网络, 它可以不依赖于任何固定的网络设施, 也可以不依赖于网络中的特定节点, 网络中的节点既是通信的主体也是路由器。2.

36、1 移动Ad Hoc网络的关键技术通过上述对移动Ad Hoc网络特点的分析可以看出,无论是在网络结构还是在应用背景上移动Ad Hoc网络都区别于传统的网络。因此,我们应该借鉴传统网络中比较成熟的协议模型和技术框架, 为移动Ad Hoc网络设计专门的网络协议和技术。根据移动Ad Hoc网络的特点, 参照OSI参考模型, 移动Ad Hoc网络的体系结构如图2-1所示:图2-1 移动Ad Hoc网络的体系结构在这个体系结构中, 物理层主要使用各种先进的调制解调技术、信号处理技术、功率控制技术和天线技术来完成无线信号的发送和接收。数据链路层主要完成控制无线信道的共享访问、流量控制等功能, 同时要考虑到

37、物理层使用各种先进的信号处理技术、功率控制技术和天线技术后对本层协议设计带来的影响, 留下相应的控制接口。网络层中, IPV4协议、IPV6协议或其它网络层协议提供网络层数据服务。网络层的单目标路由协议维护路由表, 使其与当前的移动Ad Hoc网络拓扑结构保持一致。多目标路由协议提供对群组通信的支持，网间互联支持移动Ad Hoc网络与其它现有网络的互联互通， QoS支持提供可保证的QoS服务，路由安全提供对路由协议的安全保障。传输层仍然主要使用UDP和TCP协议, 但是针对移动Ad Hoc网络的无线运行环境, 这两种协议要进行相应的修改。上层应用指的是面向用户的各种服务。目前, 移动Ad Ho

38、c网络技术的研究热点有网络拓扑结构、路由协议、MAC协议、节能设计、安全问题和网络管理等等。2.2 网络的拓扑结构由于在实际应用中, 对移动Ad Hoc网络的规模、用途和运行环境要求会有所不同, 所以单一的拓扑结构往往不能满足实际的需要。移动Ad Hoc网络常见的拓扑结构有两类, 以进一步提高网络的抗毁能力和对移动性的适应能力。2.2.1 全分布式拓扑结构图2-2全分布式拓扑结构示意图：图2-2 全分布拓扑结构如图2-2所示, 这种全分布式网络结构可以看成是一种平面结构。在这种结构中, 不设中心控制站, 所有节点在网络控制、路由选择、流量管理、接收发送信息的能力上都是平等的,也就是说所有的节点

39、在网络的运行过程中都发挥相同的作用。所有节点都在预定的区域内随机分布,可以随意加入网络,并可动态移动,独立收集维护网络的所需的信息,美国DARPA的新一代无线分组网和英国的CNR网络就采用这种结构。全分布式结构的优点是组网灵活、迅速, 网络健全,安全性较高。由于节点是随机分布的, 在源节点和目的节点间一般有多条路径存在, 这样可以通过多条路径进行通信,减少阻塞, 防止网络中出现传输瓶颈, 可以为不同的业务类型选择适当的路径, 即选择与信息流的特殊要求相适应的路由。例如, 可以对话音通信采用低时延和低容量的路由，对文件传输采用高容量和长时延的路由, 也就是说,QoS路由成为可能。网络中的所有节点

40、是平等的, 原则上不存在瓶颈, 比较健壮。由于这样的网络覆盖范围较小且节点都是自主管理的, 不存在一个节点受到攻击导致全网瘫痪的现象, 所以安全相对较高, 抗击毁能力较强。全分布式结构的缺点是控制开销大, 处理能力弱, 网络规模受限。网中每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由, 在网络拓扑结构变化较频繁的场合, 路由计算的开销大, 要占用较多的网络资源, 使得用于数据传输的有效容量减少, 甚至严重时会导致路由的经常中断、通信质量无法保证。此外, 由于路由表的刷新可能跟不上网络拓扑结构的变化而容易造成网络中部分节点中路由信息的不一致和内部循环, 使网络的稳定性降低, 网络规模越大, 路由维护

41、的开销就越大, 当网络规模增加到某个程度时, 所有的带宽资源都可能被路由协议消耗掉。鉴于这种可扩充性较差的特点, 全分布式网络结构一般用于用户节点不太多的小型网络。2.2.2 分层分布式结构分层分布式控制结构又称为分级结构, 借鉴了Infra-structure模式中的中心控制和全分布式结构的优点, 将网络化分为多个簇, 每个簇由一个簇头和若干个簇成员组成, 底层的簇头形成高一层的网络, 高层网络中仍然可以划分簇,再次形成更高一层网络,以此类推, 从而形成分层的拓扑结构。在分层分布式拓扑中,网络中所有的节点本身都具有相同的功能, 也是在预定的区域内的随机分布。但组网时, 根据网络本身的需求节点

42、被划分成若干个簇,每个簇内部是全分布式拓扑结构, 多个簇互相连接以覆盖整个通信区。分层式结构可以分为单频分层式拓扑结构和多频分层式拓扑结构。单频分层式拓扑结构的示意图如图2-3所示。单频分级网络顾名思义, 所有节点使用同一频率通信。该结构中的节点分为三种: 簇头、网关和普通节点。簇头控制整个簇, 与外簇通信的路由信息由簇头计算和保存, 分属不同簇的节点间的通信必须通过簇头来进行; 网关同时属于两个簇, 为相邻簇的簇头间提供链路; 普通节点只计算和保存本群内相关节点的路由。簇头和网关形成了高一层的网络, 称为虚拟骨干网。任何节点本身并无差别, 都可以充当这三种节点中的任意一个, 具体的作用和身份

43、需要在动态组网过程中根据需要变更。分层建立的过程也就是确定哪些节点属于同一个簇、哪些节点作为簇头、哪些节点作为网关, 并把它们连接在一起的过程。 图2-3 单频分层式拓扑结构2.3 路由协议在移动Ad Hoc网络中, 每个移动节点兼备路由器和主机两种功能。作为主机, 移动节点需要运行面向用户的应用程序。作为路由器, 它需要运行相应的路由协议, 根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作和路由维护工作。由移动Ad Hoc网络的特点所决定, 传统的网络路由协议已经不再适用。一方面由于移动Ad Hoc网络中节点是移动的, 拓扑结构是动态变化的, 所以路由协议需要及时有效的进行路由维护和路由更新的。另一

44、方面由于移动Ad Hoc网络中节点计算能力和存储性能较低而且能源受限, 路由协议又不适合做得太复杂。这大大加重了移动Ad Hoc网络路由协议设计的困难。鉴于上述特点, 有很多针对不同要求设计的路由协议。目前国际上比较通用的是根据发现策略的角度对它们进行分类, 分为表驱动路由选择协议和源启动按需路由选择协议两大类。表驱动路由选择协议包含DSDV、CGSR、WRP等协议。其中网络每个节点都保持一个到其他节点的相对稳定的最新路由表, 通过广播更新信息来改变网络的拓扑。为了防止因为使用过时路由信息而产生无效路径, DSDV协议使用目的端顺序号, 避免出现路由环。同时通过使用触发性路由更新, 在网络链路

45、状态改变时收敛较快, 但周期的广播报文使网络开销增大。CGSR利用DSDV协议作为下层路由选择机制, 使用分级路由结构和启发式路由选择机制, 易于扩展, 便于构建大规模的网络, 但顽存性较差。WRP协议本质上是一个距离向量路由协议, 每个节点向其邻近节点传送距离和第2跳到最后一跳的路由信息,通过检测收到的信息, 消除路由环问题。但此协议中的每个节点都保持4张表,占用资源较多。从这几种协议的特点可以看出：表驱动路由选择协议的优点是当节点需要发送数据分组时,只要去往目的节点的路由存在, 所需的延时很小。缺点是表驱动路由需花费较大的开销, 尽可能使得路由更新能紧随当前拓扑结构的变化。第三章 分布式并

46、行无线令牌环接入控制协议3.1 DPWTRP 接入控制3.1.1协议描述系统按照某种分群算法将网络初始化为若干环型拓扑结构的子网络( 令牌环) ，子网内按照DPWTRP协议进行数据传输，子网间数据传输使用网关转发。该协议最大的特点是将令牌夹在数据中传送，有数据要发送的节点在转发数据包时将令牌位置置位，当令牌回到源节点时，下一个令牌获得节点也就找到了。DPWTRP分为令牌初始化、令牌+数据传送、令牌维护等几个部分。图3-1 无线令牌环示意图(1) 令牌初始化：令牌初始化过程其实就是令牌环网络的形成过程。通过某种分群算法竞争出一个类似群首的节点g ，由g 负责生成一个初始化令牌消息，随机发送给它的

47、一个邻S 居节点i ，告知g 为首站点，同时标记i 为其后继节点，当i 收到消息后，采用相同的方式进行标记。当g 收到其邻居节点k 发送的g 为k 的后继节点消息后，令牌环网络形成。该令牌环的网络地址既是g 的MAC地址。(2) 令牌+ 数据传送：节点 i在发送数据时首先将数据帧packeti 的令牌位置零，将数据帧发送出去。如果节点j 有数据要发送，则在其转发packeti 时，将packeti 的令牌位置为j ，当packeti 回到i 节点时，节点i 知道j 有数据发送，则将发送权转交给j；如果令牌为空，则说明此时没有其他节点要发送数据，i可以继续进行数据发送。(3) 令牌维护：由于Ad

48、 hoc 网络的移动性和网络失效，可能导致令牌的丢失或多个令牌出现，令牌维护就是为了解决这个问题。首先确定，等待确认的时间必须大于一个数据帧在环上行走一周的时间T send ，如果令牌没有丢失，该节点必然会第二次收到，从而避免产生新的令牌。如果超期没有收到，则竞争产生新令牌。新令牌在环上运行时，其他节点可以根据令牌的生成号判断继续竞争还是退出。如果某一节点有一个比当前令牌更新的生成号，则声明为它的令牌号，丢弃原令牌，当令牌转回该节点时，发现令牌号变化，便知道有一个更新的令牌，从而退出竞争。这样，令牌绕环一周后，新的令牌产生。产生新令牌的节点首先获得信息发送权。3.1.2 DPWTRP 的MAC

49、帧格式在IEEE802.5中定义了令牌环的控制方式，但由于无线信道与有线信道的区别，容易导致暴露站点和隐蔽站点的问题，使得传统的令牌环无法在无线网络中得以应用。因此，必须根据无线网络的特点，设计一种特殊的令牌环接入控制协议。为了适应新的要求，IEEE802.11 Task Group 在1999 年后推出了一系列的新标准，对IEEE802.11 进行补充和完善。本文根据IEEE802.11 的帧结构，设计了一种适于 DPWTRP的无线令牌、数据帧格式，如图3-2所示。图3-2 DPWTRP 中的无线令牌、数据帧格式FC：帧控制字段(Frame Control) 它定义了帧的类型，如代表一般令牌

50、，特殊令牌，数据帧，设置前导，设置后继等； RA：环地址(Ring Address)表明令牌是属于哪个令牌环网络，以区别不同无线令牌环上的令牌； DA：目的地址(Destination Address)如果为令牌帧，则 DA代表该节点地址，如果帧为数据帧，则DA代表发送数据的目的地址； SA：源地址(Source Address) ； Seq：序列号(Sequence Number) 初始值为0 ，当令牌每经过一个节点，序列号就加1 ，当返回到令牌环的发起站时，Seq就清0 ； GenSeq：生成序列号(Generation Sequence) 初始值为0 ，令牌循环一周，生成序列号就加1 ；

51、 NRA：下一个获得令牌的节点地址(Next Ring Address)； Data ：发送的数据，在数据帧中有效； ACK：接收数据响应位，在数据帧中有效； CRC ：循环冗余纠错码，在数据帧中有效。3.2 DPWTRP 与WTRP性能仿真(1) 仿真假设：假定无线信道为无错状态，每个节点在任一单位时隙内送入其存贮器中的分组数服从Poisson分布，到达率为，分组长度为2 500 bit，信道速率为10 Mbps，系统时隙宽取25 s，系统的服务机制为限定K=1服务，WTRP的查询转换时间为 。评价参数为：分组的平均排队等待延迟，节点的平均排队队长。图3-3信息分组平均等待时间随N的变化 图

52、3-4信息分组平均等待时间随的变化 图3-5信息分组平均排队队长随N的变化 图3-6信息分组平均排队队长随的变化 (2) 仿真结果：在相同环境下，对WTRP系统和DPWTRP分别进行了仿真实验，归一化处理后系统的平均队长及信息分组的平均等待时间的比较结果如图3-3至3-6所示。从仿真结果可以看出，DPWTRP的平均分组时延、平均排队队长比WTRP有明显减少，从而使系统在稳定性上比WTRP有很大提高。图3-3和3-4表示的是站点数、转换时间对平均等待时间的影响，从图中可以看出，在0.003 时，具有30个节点的DPWTRP系统比只有20个节点的WTRP系统的平均等待时间还要短。通过比较，可以看出

53、，DPWTRP系统的平均等待时间和平均排队队长两个关键的性能指标都比WTRP系统有很大提高。图3-5和3-6表示的是站点数、转换时间对平均排队队长的影响。其中当转换时间 为3个单位时隙长度的时候，对于WTRP周期查询来说相当于各个终端站点距离较远或无线信道质量差的时候，其系统的队长在负载较轻的时候就已经开始急剧增加。而DPWTRP在0.0045 即 N0.9 时队长变化基本是趋于平稳的。由此可以看出，转换时间对WTRP系统性能的影响，而在DPWTRP系统中，由于采用了并行处理的方式，省去了对站点的查询时间，从而不影响系统性能。结论随着无线终端处理能力的提高与无线互联技术的发展，移动Ad Hoc

54、网络越来越受到人们的关注。移动Ad Hoc网络可以应用于个域网、局域网、家庭网络、战场通信、传感器网络、应急通信网络(如地震、火灾)等场景。移动Ad Hoc网络不需要任何基础设施提供集中控制的联网思想必将在下一代移动网络中得到应用。而且，由于在移动Ad Hoc网络中，路由问题是关系到整个网络能否正确、高效运行的关键，因此对路由相关问题的研究自然成为移动Ad Hoc网络研究领域中的热点之一，己经受到了国内外研究人员的广泛关注，而路由协议与算法的设计更是Ad Hoc路由技术的关键。同时，本文提出了一种适用于Ad Hoc网络的分布式并行令牌环协议DPWTRP，分析和仿真实验说明DPWTRP具有良好的

55、稳定性和较短的时延特性，能够满足较高的QoS 需求。今后可以进一步研究DPWTRP在Ad Hoc网络中的应用，例如可靠性、组播和优先数据传送等。参考文献1 曹达仲，侯春萍.移动通信原理系统及技术M.北京：清华大学出版社，125137.2 何莉，许林英，孟昭鹏，姚鹏海.计算机网络概论M.北京：高等教育出版社，109112.3 吴诗其，朱立东.通信系统概论M.北京：清华大学出版社，297301.4 叶永涛，益晓新，王庭昌.802.11协议族及最新进展J.2002：19.5 刘凯, 李建东, 翁继伟.移动分布式无线网络中具有QoS 保证的UPMA 协议J.电子与信息学报, 2003: 370376.

56、6 石晶林.移动自组织通信网络技术概况及未来前景J.710.7 胡文江，陈 宇.改善无线自组织网络TCP性能的研究J.中国数据通信,2002.8 王海涛，宋丽华.Ad Hoc网络中MAC协议的研究J.中国数据通信，2002：23. 9 郑少仁，宋丽华.Ad Hoc网络的体系结构和分簇算法 J.解放军理工大学学报，2003：711.10 肖永康，山秀明，任勇.无线Ad Hoc网络及其研究难点J.电信科学,2002年第6期.11 孙荷琨，郑家玲，张云峰.Ad Hoc网路由协议设计及性能评估问题J.新技术与新业务,2002.12 舒炎泰，高德云，王雷.无线Ad Hoc网络中的多径源路由J.电子学报,

57、 2004年第2期.13 李洪刚，周洲.Ad Hoc网络中的路由机制J.信息技术，2002年第7期.14 陈林星，曾曦，曹毅.移动Ad Hoc网络自组织分组无线网络技术M.电子工业出版社.15 王金龙，王呈贵，无启晖，龚玉萍.Ad Hoc移动无线网络M.国防工业出版社，2004.16 IEEE 802.11b, Wireless lan medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: high-speed physical layer extension in the 2.4 GHz BandS, 199

58、9.17 IEEE 802.11a, Wireless lan medium access control (MA C) and physical layer (PHY) specifications: high-speed physical layer extension in the 5 GHz BandS, 1999.18ANSI/IEEE 802.11, Wireless lan medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specificationsS, 1999.致谢在论文的写作过程中，得到了很多人的帮助，在此我真诚地向

59、他们表示诚挚的谢意！首先感谢我的导师王英丽老师对我的悉心指导和深切关怀。王老师严谨的治学态度，谦虚随和的处事原则给我留下了深刻的印象。在课题选择和论文写作的过程中，王老师提出了许多宝贵意见和建议，使论文得以顺利完成，从论文选题到最后定稿，无一不浸透着孔老师的心血和汗水。在此，特别向王老师致以最诚挚的敬意和衷心的感谢!感谢给予我关心与帮助朋友们！感谢我的舍友，和他们朝夕相处，使我充满了学习的信心和生活的热情。感谢我的父母！他们含辛茹苦的把我养育成人，一直以来都给我学习上和生活上支持和帮助，他们是我永远的坚实后盾，这些年来的取得的所有进步都离不开他们，愿与他们一起分享快乐，也祝愿他们永远健康快乐。21