移动Ad Hoc网络中路由自愈技术的实现

论文摘要

移动Ad Hoc网络是一种复杂的分布式网络系统,它不依赖于任何基础设施,网络中的移动节点通过无线信道自组,建立动态的、多跳的网络结构,从而允许人们和装置在没有预先存在的通信基础设施（如灾后重建）的环境中进行无缝的互连互通。移动Ad Hoc网络中的每个节点具有足够的智能连续侦听和寻找其它临近节点,动态的确定数据分组的最佳传输路径而把分组逐跳逐跳的转发到网络中的任何其它节点。然而节点的移动、信道的干扰和能源消耗等因素,使得移动Ad Hoc网路的拓扑结构具有动态变化的特性,这给高性能路由协议的设计带来很大的挑战。本文正是针对这种路由不稳定导致通信质量变差的不足建立了一种高效的移动Ad Hoc网络路由自愈模型,从而避免了网络节点的移动、RF传播条件变化、节点被毁等原因造成的网络结构上的损伤,减少频繁发起路由寻找耗费的能量以实现移动Ad Hoc网络的抗毁性以及路由的可用性。本文对移动Ad Hoc网络的路由协议进行了深入的研究,特别是就路由的设计思想以及路由维护的方式进行了对比和分析。为了能够在链路失效时尽快建立新的路由,而不影响通信的进行,本文建立了一种基于线性规划的最优搜索模型,这种模型是基于目标的运动状态和搜索过程的数学模型。自愈节点周围的空间被等分为若干个子空间,最优的搜索方案通过最小化代价泛函来实现。考虑到移动Ad Hoc网络的实际应用,并结合静态目标、确定性运动目标以及随机运动目标这三种实际组网中节点的可能状态,建立了最优搜索方程,分析可知静态目标的搜索方程只是把运动目标搜索方程的参数常数化了。解确定性目标的搜索方程可以用经典的“射线法”来求解,即用射线法求解了一个抛物型偏微分方程;而对于随机运动目标搜索方程求解,本文通过定义Hamiltonain函数,将原方程化简为Eikonal方程和传输方程的形式,通过“射线法”得到了这个一阶非线性偏微分方程的解。为了能够在实际通信中实现这种最优搜索,本文设计了一种把搜索范围约束于指向目的节点的扇形区域的自愈模型。当通信路由发生中断时,自愈节点在并不通知源节点当前路由失效的情况下自行启动局部路由修复,向周围节点广播一个含有指向目的节点矢量夹角的RREP信息。接到该包的节点将迅速计算自己是否属于该扇形转发区域,若属于该区域则继续转发该包,否则将其丢弃。为了使路由切换的代价最小,本文为此设计了一种链路监测方式以预告当前链路的质量,根据监测结果来决定何时需要发起自愈路由的寻找。定向泛洪的扇形区域并不能保证能得到唯一的最优解,很有可能会出现两条或多条路由同时存在的情况。在这样的情况下,自愈节点必须采取某种判断准则使得从中选出最优解;另外路由重构后可能使路径变长,路径总跳数的增加反过来会降低路径的稳定性并导致端到端的时延的增加。因而,本文在适当时机对重建后的路径进行优化,以保证在稳定的前提下路径最短。为了不增加自愈节点的负担,将路由优化工作交予源节点,也就是说,路由重构完成之后,当前的自愈路由并非正式路由。此时,仍将其看成是临时路由,只有当源节点完成优化验证以后,该自愈临时路由才成为当前正式路由。在优化过程当中,信息的传输并不中断。本文基于NS-2网络模拟仿真器对路由自愈AODV算法的一般性能和自愈性能进行了网络通信性能的模拟仿真。首先在随机网络模式下,分别在移动性和源节点数量可变以及网络承载载荷可变的条件下对网络的分组交付率、数据分组的平均端到端时延、路由载荷和MAC载荷进行仿真分析。结果表明尽管当网络采用路由自愈AODV协议,即AODV-SH时,节点在传送信息的同时还要传送矢量角,实时监测通信链路的通信状态,并在链路中断时进行转发域计算,但是在随机网络环境中的性能与传统AODV差别不大。由此可见,本文基于AODV所设计的AODV-SH并未对网络通信造成过多额外负担。在自愈性能仿真中,对当前链路进行人为中断,缺省时为1条/s,通过与采用传统AODV路由协议时的网络分组交付率、通信总开销以及平均时延等的对比发现,在节点高速运动、源节点数量增多、高密度网络节点分布、数据发包率上升以及链路失效率变大的情况下,成功分组交付率、总开销以及传输时延等指标有明显的改善。这意味着,采用AODV-SH的网络性能较传统AODV在高动态、大数据量、高密度节点以及多中断的恶劣环境下表现出了明显的优势,得到了令人满意的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及来源
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 目前已有的研究成果
• 1.3 本文主要研究内容及意义
• 1.4 本文结构
• 第2章 移动Ad Hoc 网络路由协议的研究
• 2.1 移动Ad Hoc 网络的路由技术
• 2.1.1 路由技术的概述
• 2.1.2 移动Ad Hoc 网络路由协议的分类
• 2.2 几种典型的路由协议
• 2.2.1 先应式路由协议
• 2.2.2 按需路由协议
• 2.2.3 其它路由协议
• 2.3 本章小结
• 第3章 移动Ad Hoc 网络路由自愈技术的数学模型
• 3.1 最优搜索理论的引入
• 3.2 搜索问题的状态方程
• 3.2.1 静态目标节点的搜索方程
• 3.2.2 确定性运动目标节点的搜索方程
• 3.2.3 随机运动目标节点的搜索方程
• 3.3 搜索方程的解
• 3.3.1 确定性运动目标节点的搜索方程的解
• 3.3.2 搜索方程的近似解法
• 3.3.3 随机运动目标节点搜索方程的渐近分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 移动Ad Hoc 网络路由自愈技术的实现
• 4.1 路由状态的监测和预警
• 4.1.1 监测模型的路由维护算法
• 4.1.2 监测预警的产生
• 4.2 路由自愈技术的实现
• 4.2.1 路由重构模型
• 4.2.2 转发域的确定
• 4.2.3 数据结构及算法描述
• 4.3 路由重构后的优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真结果及性能分析
• 5.1 协议一般性能的仿真分析
• 5.1.1 仿真模型
• 5.1.2 性能指标参数
• 5.1.3 性能结果
• 5.2 自愈性能的仿真分析
• 5.2.1 仿真模型
• 5.2.2 仿真结果
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢