无线网络技术大作业1

无线网络技术
题目：无线移动自组织网络
学院：信息工程与自动化学院专业：通信工程
班级：092
姓名：
学号：
摘要
无线移动自组织网络(Adhoc)是～种无线的多跳网络，具有自组织、多跳路由和动态拓扑等特点，可应用于抗洪抢险的地区，地形勘测、移动办公、大型户外活动和机场大厅等不适合建立基站活接入点的场所。

它可以与现有的网络结合形成多多跳网络满足不同的特殊需要，同时支持各种多媒体业务，具有极大的灵活性和扩展性。

主要研究这种无线移动自组织网络中的组网技术和用于支持多媒体业务的QoS技术。

本文所作的研究主要内容：组网技术。

研究组网技术的目的在予使得移动节点能够更快速、更有效地在无中心的控制节点的情况下通过自组织的方式构成一个网络。

关键词：无线移动自组织网络组网协议路由算法
一、无线自组织网的发展背景
移动计算与通信装置的迅速增长正在推动信息社会的变革。

人们正在从个人计算机的时代过渡到随遇计算时代。

在随遇的计算时代，一个用户能够随时随地的根据需要同时使用多个电子平台访问需要的全部信息。

随着装置不仅体积越来越小、价格越来越便宜、使用越来越方便、功能越来越强大，而而且运行的应用和网络服务越来越多，从而推动移动及孙设备市场的把爆炸性增长。

互联网和便携式计算机的用户的暴涨又进一步推动了移动装置的增长。

在移动装置的所有应用和服务中，网络连接和相应的数据服务毫无疑问是移动用户最迫切需要的服务。

当前，这些无线装置之间的多数连接通过固定基础设备服提供或者专用网络来实现。

但是现实中有许多情况下是没有了服务方的提供或者专用网络的提供、还有各种环境因素的影响迫使我们不能进行服务方的提供，在这些问题中第一涉及到了移动问题；第二涉及到不需要基础设施支持的问题；第三涉及带动态自组织网络的问题；第四涉及到网络必须能够快速的展开德尔问题，为此，研究人员提出了不需要基础设施支持的移动Ad Hoc网络。

即通过自动配置使移动装置相互连接，建立既灵活功能又强的移动Ad Hoc网络。

这样，移动节点不急能够相互通信，而且还能够通过internet 网关节点接受Interet服务，有效地将Inernet服务延伸到没有基础设施的区域。

移动Ad Hoc网络是复杂的分布式网络系统，是自组织、自愈网络，有无线
移动节点组成；无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性Ad Hoc网络拓扑，从而允许人们和装置在么有预先存在的通信设备基础设施的环境中进行无缝的互连互通。

移动Ad Hoc网络汇总的每个节点具有足够的智能连续侦听和寻找其他临近节点，动态地确定数据分组的最佳传输路径而把分组逐条地转发到网络中的任何其他节点，避免自动愈合网络节点的移动、RF传播条件变化、节点被毁等原因造成的网络结构上的任何损伤。

二、无线移动自组织网特点
无线移动自组织网（WirelessMobileAdHocNetwork:WMANET)是有一组带有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络的移动节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现通信。

中间节点帮助其他节点中继时，先接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳网。

典型的移动自组织网网络构成如图1-1所示。

自组网具有如下特征：
多跳性（由于无线通信距离受限）；
分布式自组管理与控制；
物理通信链路是带宽受约束的无线链路；
物理拓扑动态变化；
对等性（节点与节点之间可以直接互通）；
临时性；
功耗是重要的约束条件（由于无线移动）；
物理安全性有限（无线信道的开放性造成）。

三、与蜂窝无线移动网比较
作为移动通信的一种基本组网模式，移动自组织网络与传统的蜂窝技术的根本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施(例如基站或路由器)支持的条件下进行的。

系统支持动态配置和动态流控，所有网络协议也都是分布式的。

由于这类网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点，所以它们允许节点发生故障、离开网络或加入网络。

也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动，而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接。

因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求。

也正是由于这些原因，自组织网络的设计实现十分困难。

现在用于固网的很多通信机制都无法用于移动自组织网络中。

四、无线移动自组织网的关键技术
1．移动自组织网网络的协议栈结构
无线通信的协议栈尽管包括IrDA和WAP，但是我们这里只讨论经典的OSI参考模型。

移动自组织网网络节点的参考模型如图所示。

应用与服务层位于顶部，物理层位于底部，中间层包括（从高到低）操作系统与中间件、传输层、网络层、数据链路层（含LLC子层和MAC子层）。

物理层：物理层包括射频（RF）电路、调制、信道编码系统。

数据链路层：数据链路层负责在不可靠的无线链路上建立可靠和安全的逻辑链路。

数据链路层的功能因此包括无线链路差错控制、安全（加密/解密）、将网络层的分组组帧以及分组重发等。

数据链路层的子层MAC协议层负责在一个区域的共享无线信道的移动节点之间分配时间－频率或者编码空间。

网络层：网络层负责分组的路由，建立网络服务类型（无连接和面向连接）以及在传输与链路层之间传输分组。

在移动环境中，此层还额外负责分组的重新路由和移动管理。

传输层：传输层负责在网络终结点（endpoints）之间提供有效可靠的数据传输服务，而独立于所使用的物理网络。

操作系统/中间件层：操作系统与中间件层处理连接断开（disconnection）、适配支持以及无线设备中的功耗和服务质量（QoS）管理。

这些都是在传统的进程调度和文件系统管理等任务基础上增加的部分。

应用层：应用和服务层处理固定和移动主机的任务分割、源编码、数字信号处理和移动环境下的场景适应（contextadaptation）。

此层上提供的服务是多变的并且与应用相关。

2．自组网的MAC协议
（1）自组网的MAC协议须解决的问题
如何解决多个用户高效、合理地共享有限的无线信道资源这一问题，既媒体接入控制（MAC）协议的设计是移动自组网中的关键技术之一。

MAC协议的好坏直接影响到网络吞吐量、延时等性能指标的优劣。

由于自组网自身的一些特性，使得MAC协议的设计面临许多富有挑战性的技术问题，难点主要有以下几点造成的：
有类似于基站或是接入点（AP）中心控制设备，所以无法使用集中控制方式；
由于节点的移动而导致信道的相互改变；
是一中多跳网络，必须解决如隐藏终端和暴露终端、资源的空间重用等问题。

（a)隐藏终端（b）暴露终端
（2）从ALOHA到CSMA/CA
纯ALOHA的信道利用率比较低，一个重要原因是由于各个节点不管其他节点是否在发送，只要自己有数据要传输，就开始发送。

显然，让无线自组织网中的节点首先侦听其他节点是否正在发送，然后再确定自己是否在发送，这样可以有效地提高信道利用率，这就是载波侦听多址接入（CSMA）协议。

由于非坚持的CSMA和坚持的CSMA协议都不能彻底解决冲突问题，因此在无线通信中常常引入一种冲突避免机制来提高信道利用率，这就是所谓的CSMA/CA信道接入机制。

CSMA/CA协议是指节点在发送数据时先采用教短的控制分组进行信道的探测，如果短控制分组能够成功发送，在发送后续的分组，这样即使冲突也不会造成信道资源的浪费。

短控制分组的另一个功能是要告诉其他节点，信道上很快要有业务发送。

这样，其他节点可以先进行退让，等待当前发送结束后在发送自己的业务。

CSMA/CA协议在IEEE802.11中得到的成功的应用。

（3）FAMA协议
FAMA(FloorAcquisitionMultipleAccess)协议的宗旨是要保证节点在发送之前首先获得信道的使用权，从而实现无冲突的数据分组传输过程。

也可以看作一种动态预约机制，但FAMA中的预约不要求独立的控制信道，既控制分组与数据分组复用同一个信道。

尽管控制分组会发生冲突，但协议可以保证数据的无冲突发送。

在目前的MAC协议中，有各种各样的机制可以让节点获得信道的使用权。

其中基于
RTS-CTS交互的握手机制在自组网中具有强烈的吸引力，因为它能解决隐藏终端问题。

在使用握手机制的前提下，对于控制分组的发送还有多种方式，在FAMA中主要使用两种：采用RTS-CTS交互而不采用载波侦听；
采用RTS-CTS交互及非坚持的载波侦听。

产生了FAMA协议簇中的不同协议：FAMA-NCS是指采用非坚持的载波侦听机制发起业务，既节点在发送RTS之前首先进行载波侦听，如果信道上无信号，则发送；否则进入退避状态。

但在协议中，要求CTS帧长度要远大于RTS帧，利用这种方式解决隐藏终端的冲突问题。

FAMA-NPS是指采用非坚持的分组侦听机制发起业务，既节点只有在侦听并解析到了完整的RTS或是CTS分组后才进行退避，否则将按照非坚持的方式接入信道。

FAMA-NTR指的是采用非坚持的载波侦听机制与MACA中提出的RTS-CTS分组结合的方式发送请求分组。

FAMA-PJ 是较为特殊的一个协议，该协议只针对全连通网络，它不采用握手信号，由发送节点发送RTS后暂停一段时间再进行载波侦听和冲突检测。

（4) 双忙音检测协议（DBTMA）
为克服隐藏终端的影响而提出忙音多址（BTMA）和闲音多址（ITMA）协议只适用于集中控制式网络。

其中，忙音多址的基本方法是把系统所占用的总频带分出一小部分，用于发送忙音消息，其余的大部分频带仍用于业务信息。

当中心控制节点检测到业务信道上出现信号载波时，它就在忙音信道上向其所属节点广播忙音消息，使这些节点在此时间内不在争用数据信道。

忙音多址的性能在很大程度上取决于各个节点对忙音进行检测的可靠程度，如果忙音消息受到噪声、干扰和衰落的影响而未被检测的话，仍然导致不应有的发送冲突。

为此，可以在忙音信道上该发闲音消息，这就是所谓的闲音多址方式。

当中心控制节点检测到业务信道上没有信号载波时，就在闲音信道上发送闲音消息，并规定各个节点只有在检测到闲音消息时才允许争用数据信道。

这样，即使在某段时间内有节点没有收到闲音消息，也不会因此引起冲突。

（5）五步预留协议（FPRP）
FPRP（Five-PhaseReservationProtocol）采用竞争分配方式，是一种应用于同步物理信道、基于竞争接入机制的同步MAC协议。

该协议实现了全分布式的无线媒介接入控制，具有对网络结构的变化不敏感、灵活性和适应性高等优点，适合于自组网的应用。

FPRP在同步网中实现了全分布式的信道接入控制，可应用于各种规模的移动自组织网络中。

通过节点间的竞争，实现了自组网中两跳范围内无冲突的广播时隙的可靠分配和调度。

该协议是针对广播业务设计的，没有考虑传送点对点时协议的具体运行情况。

利用该协议传送点对点业务时，会造成资源的浪费。

3.路由技术
可以根据网络节点获取路由信息的方法来对移动Ad Hoc 网络的路由算法进行分类，也可以根据网络节点的使用的、用于计算优先路由的信息类型来对右路算法进行分类。

根据后者，以后Ad Hoc网络的路由算法大枝可以分为链路状态算法和距离矢量算法两大类。

根据前者，以后Ad Hoc 网络的路由算法大致分成两类：一类表格驱动类路由协议，一类成为原节点初始化按需驱动类路由协议。

分别介绍两类协议。

1.表格驱动类路由协议
在表驱动路由协议中，由于每个节点在本地都必须保留反映这个网络最新变化的路由表，因此当网络拓扑变化时，必须将包含路由变化的报文传播给各节点，以便获得一致的最新网络路由。

这类的路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应AdHoc无线网的要求。

如通过修改路由信息协议（RIP）得到的目的节点序列距离矢量（DSDV）协议，利用引入序列号机制解决了距离矢量路由协议固有的路由环路和收敛时间过长的问题。

在这类协议中不同的路由协议所需的路由表的种类、数量及更新路由信息使用的方法也不相同。

(a)目的节点序列距离矢量协议（DSDV）
DSDV是基于经典的Bellman-Ford路由算法，通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生。

采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路由表，其中包括所有有效信宿点、路由跳数、信宿路由序列号等信息，信宿路由序列号用于区别新旧路由以避免环路的产生。

每个节点周期性地将本地路由表传送给邻近节点；或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信息传给邻近点。

当无节点移动时使用间隔较长的大数据包（包括多个数据单元）进行路由更新，在节点移动时使用较小的数据包，且只对移动的节点进行路由更新，这样降低了整体的开销。

当邻近节点收到包含修改的路由表信息后，先比较信源-信宿路由序列号的大小，信宿路由序列号大的路由将被采用，而信宿路由序列号小的路由则被淘汰，若相同，则采用最佳制式的路由（如最短路径）。

为了消除最佳路由的频繁变化，节点首先根据历史记录，估计产生路由所需的保留时间T（Settlingtime），推迟一个T再发送修改的路由信息。

(b)全局状态路由协议（GSR）
其工作原理与DSDV类似，采用链路状态路由算法，但避免了路由报文的泛洪。

它包括一个邻近节点表、网络拓扑表、下一跳路由表和距离表。

当链路的状态发生变化时，通过比
较报文与本地路由表中的信宿路由序列号大小，决定网络拓扑表的修改，若路由表发生变化则广播给其它节点。

(2)按需路由协议
按需路由协议采用按需发起路由请求的机制而不用周期性地广播路由信息分组，只有节点需要路由时才建立路由，通信过程中维持路由，通信完毕就不再维持路由，从而有效地节约了网络资源，是更适合移动无线网络的一类路由协议。

(a)动态源路由协议（DSR）DSR
是一种源路由协议，每个分组的分组头中包含了源-目的整条路由信息。

它采用路由缓存技术，用于存储源路由信息，当学习到新的路由时则修改路由缓存内容。

在此协议运行过程中，包括非常重要的两个方面：路由发现和路由维护。

当有数据包要发送时。

源节点先检查经存中是否有到达信宿的路由信息，若有一个非过期的路由，则可直接采用，否则就广播一个路由请求分组进行路由初始化；路由请求分组中含有源／目的地址和一个唯一的标识符，中间节点收到后，判断其是否有到目的节点的路由，若没有，则将其地址附加到分组的路由记录中，再转发给邻近点。

为了限制路由请求分组的传播数目，只有当收到的分组信息是最新的且路由记录中没有节点地址时，节点才处理之。

在收到的路由请求分组的路由记录中已包含源节点到此节点的节点序列，当目的节点进行应答时，它将路由记录信息从路由请求分组中复制到应答分组中，若是中间节点的应答，则将缓存中到目的节点的路由附加到路由请求分组后，再放入应答分组中。

在返回应答过程中，先检查路由缓存中是否有到源节点的路由，若网络链路是对称的，则可采用反向解析获得，否则，节点必须发起新的路由发现过程去获得到信源的路由。

在路由维护机制中，DSR采用两种分组：路由差错分组和路由的确认。

当数据链路出现致命的传播问题时，会产生一个路由差错分组，节点收到此分组后，从其路由缓存中删除出错的路由跳数，所有包括此出错跳数的路由都将被截去此段。

确认分组用于识别路由链路的正确运行。

(b)Adhoc按需距离矢量法（AODV）
AODV是DSDV的改进，但它并不维持一个路由表，而是根据需要创建路由，以减少广播数。

当有数据包需要传送时，为了寻找路径，源节点广播路由请求分组，邻近节点收到广播后再向其它邻近点广播（但丢弃收到的重复路由请求分组），直到到达目的地或者到达已有最新路由的中间节点。

路由请求分组采用序列号编码以避免环路，并保证中间节点只回应最新的信息。

当节点转发一个路由请求分组到其邻近节点时，在本地只对第一次出现的请求分组进行复制，以便为后续的路由回应分组构造反向路径，但它只是适合对称链路的网络。

若源节点移动时，路由表必须重新初始化；若中间节点移动，其邻近点会发现链路的失效，并将链路失效的信息通告其上行邻近点，直到源节点收到该信息，然后根据需要重新构造路由。

事实上它是DSR和DSDV的结合，它借用了DSR的路由发现和路由维护机制，利用了DSDV 的逐跳（hop－by-hop）路由、序列编号和周期更新的机制。

五、总结
随着现代人对网络的渴求是越来越大，同时在各种环境的的需求下对我们网络的建设有了新的要求，在这种大背景下我们的无线移动自组织网络的需求是越来越大，同时无线移动自组织网络在军事上有重要的应用，同时在我们抢险救灾中也有重要的应用。

但是无线移动自组网络还不够成熟，在实际生活中还没有普及开。

但是无线移动自组网络肯定是以后发展的重点。