1、本 科 学 生 学 年 论 文2013 年 6 月 20 日论文题目： 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I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
2、性能最重要的因素之一。与单跳的无线网络不同，移动 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
3、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 DPWTRP 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IIAbstractAd 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 c
4、an join or exit the network freely. It 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 o
5、f the network. It is different from single 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
6、 routing protocols will monitor the changing 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 a
7、d hoc network is a collection of wireless 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 Paralle
8、l Wireless Token Ring Protocol (DPWTRP), 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
9、 could be more fit for the services which require the lower delay.Key wordsAd hoc network; Routing protocols; Wireless token ring protocol; Media access control目录摘要 .IAbstract .II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
10、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 .112.2.1 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1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
11、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
12、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
13、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 Coordination 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
14、 Protocol, DPWTRP)，仿真结果表明，系统的性能得到了很大改善。Ad Hoc 网络令牌控制方式的模型研究2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 Networ
15、k)。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
16、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“
17、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。Ad Hoc 网络令牌控制方式的模型研究31.2 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
18、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
19、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
20、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
21、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Ad Hoc 网络令牌控制方式的模型研究4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。A B C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。
22、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。Ad Hoc 网络令牌控制方式的模型研究5源 断接 收 端公 共 电 话 网图 1-2 单跳无线
23、网络示意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。ABCEFD源 端目 的 端图 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
24、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Ad Hoc 网络令牌控制方式的模型研究6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
25、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
26、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
