車輛Adhoc網(wǎng)絡路由協(xié)議研究

1、車輛 Ad hoc 網(wǎng)絡路由協(xié)議研究作為沒有基礎設施的網(wǎng)絡，因其組網(wǎng)靈活、生命力強、自組織等特點， 在軍事和民用方面具有廣闊的應用前景， 是目前網(wǎng)絡研究中的熱點問題。近年來車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡( Vehicular Ad hoc Networks )因其突出的特點和日益廣泛的應用而成為其中一個研究方向 1 。隨著電子技術的快速發(fā)展以及汽車制造行業(yè)的競爭日益激烈，汽車將變成“輪子上的計算機( Computer workson wheels )”，或者“輪子上的計算機網(wǎng)絡( Computer workson wheels )”2 。目前，汽車制造商已經(jīng)在汽車信息技術方面取得重大進步一輛汽車可以包

2、含數(shù)十個相互連接的處理器， 它通常包含一個中央處理計算機以及一個事件記錄器( Event DataRecorder )，類似飛機上使用的黑盒子。它也可以包含GP眼收儀、導航系統(tǒng)、一個或者多個雷達。有了這些技術和設備，車輛對其周圍環(huán)境的反應能力大幅增加，并進而增加交通系統(tǒng)的效率和安全性。考慮到車輛通信所可能帶來的巨大利益以及巨大的車輛數(shù)目，車輛Ad Hoc網(wǎng)絡很有可能成為未來最大的 Ad Hoc網(wǎng)絡。車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡的研究得到了研究者的日益重視。美國政府FCCB門也為車輛Ad Hoc網(wǎng)絡的通信劃分出75MH希寬,與傳統(tǒng)移動Ad Hoc網(wǎng)絡相比，車輛Ad Hoc網(wǎng)絡獨有的特性為其研究帶來了

3、新的挑戰(zhàn) 3,4 一是高速的拓撲變化。車輛行駛的速度通常遠遠高于傳統(tǒng)移動 Ad Hoc網(wǎng)絡中節(jié)點移動的速度，這導致網(wǎng)絡拓撲的變化更加頻繁和復雜。二是頻繁的網(wǎng)絡分隔。由于車輛Ad Hoc網(wǎng)絡及其節(jié)點的高速移動性，網(wǎng)絡會被頻繁地分割（或重新組合）成很多部分。一個車輛很有可能無法與離它不是很遠的另一輛車通信，因為它們中間缺少中繼者。這使得傳統(tǒng)移動Ad Hoc網(wǎng)絡中的很多協(xié)議（特別是路由協(xié)議）不再有效。三是網(wǎng)絡有效路徑的時效短。四是有限的冗余性。1 .2 國內外研究動態(tài)車輛 Ad Hoc網(wǎng)絡作為無線移動Ad Hoc網(wǎng)絡領域近幾年新出現(xiàn)的一個研究熱點， 吸引了研究機構和大學眾多研究者的關注。相關的重要國

4、際會議也開始組織專門的討論組對車輛 Ad Hoc網(wǎng)絡 問題進行討論，比如Infor從xx年起開始設置VANETb會，對車輛 移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡面臨的問題和熱點進行討論。主要有下面幾個研究的熱點。2 ）數(shù)據(jù)發(fā)布和路由 2 車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡路由協(xié)議研究消息分發(fā)機制的目的在于把緊急消息可靠地傳遞給目標節(jié)點， 比如事故和道路警告系統(tǒng) 5,6 。這種安全相關的緊急數(shù)據(jù)發(fā)布不同于傳統(tǒng)的路由問題，其數(shù)據(jù)的傳輸是突發(fā)的、少量的，不需要建立長期的固定路由，而且要求非常短的反應時間和高度的可靠性，相關的研究在VANET卻獨成一個分支，稱為數(shù)據(jù)發(fā)布( data dissemination )。車輛Ad

5、 Hoc網(wǎng)絡的應用，至關重要的一點就是設計成功的路由機制，也可以說成功的路由協(xié)議也是車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡能否被大規(guī)模推廣的前提。根據(jù)應用的不同，車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信可以分為兩類，一類是跟安全緊急應用相關的消息分發(fā)機制 ( messagedissemination ) ，另一類是用于非緊急應用(如Inter 連接和文件傳輸)的路由協(xié)議。車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡具有拓撲變化頻繁、節(jié)點高速移動、路徑多跳、連接壽命短等特點，這使得傳統(tǒng)Ad Hoc 網(wǎng)絡中一些典型的路由協(xié)議不能簡單移植應用在車輛Ad Hoc網(wǎng)絡中，因為協(xié)議性能會急劇下降。3 )定位問題盡管針對Ad Hoc 網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)絡

6、的定位技術已經(jīng)出現(xiàn)了很多，如GPS APIT、DV-Hop等。但這些定位技術或者是需要多個基站的支持，或者僅能夠提供精度有限的定位。車輛Ad Hoc網(wǎng)絡中新的應用，對定位技術提出了新的需求，例如對高精度的需求， 車輛之間的定位誤差應該能夠達到厘米級別而不是米級別；對不依賴基礎設施定位的需求，在車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡推廣的初期， 將僅有少量的路段能夠部署基礎設施， 這就要求定位技術必須 能夠在不完全依賴基礎設施的前提下保證其定位能力。一些新的無線電技術將能夠幫助實現(xiàn)車輛AdHoc 網(wǎng)絡的定位，例如 UW(B Ultra WideBand )超寬帶寬技術，這種技術能夠實現(xiàn)較高精 度的檢測，但仍然要

7、做很多工作，來使其適應車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡的應用需求。4 ) 安全問題在應用的推動下， 車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡的研究發(fā)展迅速，但是，目前有些學者已經(jīng)指出未來的車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡可能面對著一系列的安全威脅75,76 ，這些安全威脅會影響到車輛 AdHoc 網(wǎng)絡的運行效率、甚至可能會影響到人們的生命安全。Sybil 攻擊 7,8,9 就是一個典型的例子。5 ) 其它重要的熱點問題除了上面提到的問題以外， 還有許多關鍵問題也引起了研究者廣泛的興趣，包括管理問題、時間同步等。1.3 主要研究工作本文的主要工作成果包括第一，提出在車輛AdHoc網(wǎng)中整合服務發(fā)現(xiàn)過程和路由建立過程的方法并對其進行了

8、詳細設計。該方法有效減少了系統(tǒng)的開銷、加快了路由建立過程；第二，根據(jù)車輛Ad Hoc網(wǎng)絡拓撲結構變化規(guī)律，提出并詳3第1章緒論細分析和設計了分布式路由維護方案。該方案能在拓撲快速變化的車輛 Ad Hoc網(wǎng)中以較小的代價維持節(jié)點間的路由、增加路徑的有效吞吐量；第三，詳細分析了車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡中頻繁出現(xiàn)的網(wǎng)絡分隔問題，并提出解決途徑。該途徑能夠在網(wǎng)絡分隔發(fā)生的情況下，實現(xiàn)車輛Ad Hoc 網(wǎng)中端到端的通信。最后， 指出了目前仍然存在的問題， 討論了未來可能的研究方向。1.4 本文內容安排論文的主要內容共分為六章，具體的內容安排如下第一章講述了本文研究的背景以及國內外研究動態(tài)， 提出了本文的

9、主要研究目標和研究工作并介紹了本文的組織結構。第二章研究了 Ad Hoc網(wǎng)絡的發(fā)展歷史、概念、特點、系統(tǒng)結構以 及理論和技術上研究的熱點問題。第三章詳細研究了 Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議的分類，并對常用路由協(xié) 議自身具備的特性做了研究和分析。第四章首先介紹了車輛Ad Hoc 網(wǎng)絡模型，在此基礎上設計出一種針對車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡的新型路由機制，并詳細介紹了機制中的路由發(fā)現(xiàn)、路由維護、數(shù)據(jù)分布過程和網(wǎng)絡分隔管理問題。第五章簡單介紹NS2網(wǎng)絡仿真軟件的產(chǎn)生歷史、設計目標和使用NS2a行路由協(xié)議仿真的一般步驟。然后，利用NS2軟件，對四種協(xié)議（本文提出的協(xié)議 SDRP兩種 常用的傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)

10、絡路由協(xié)議AOD而DSR車輛Ad Hoc網(wǎng)專用 協(xié)議DPP在模擬環(huán)境下進行仿真，并對仿真結果進行研究和分析。通過比較幾種路由協(xié)議在幾種特殊場景下的性能，得出本文協(xié)議的優(yōu)越性和有效性。第六章總結全文并指出下一步研究工作。最后，列出了論文的主要參考文獻。4 車輛Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議研究5第2章AD HOCJ絡基本理論 第第2章AD HOCJ絡基本理論2.1Ad hoc網(wǎng)絡概述211Ad hoc網(wǎng)絡的產(chǎn)生隨著人們對隨時隨地可以進行自由通信的需求，近幾年來，無線通信網(wǎng)絡無論在技術上、 還是在商業(yè)上都獲得了飛速的發(fā)展， 并 且已經(jīng)在世界范圍內被廣泛地應用。由于能靈活、快速、方便地支持用戶的移動性，使

11、得無線通信網(wǎng)絡成為個人通信和 Inter 發(fā)展的方向， 而且也只有通過無線通信網(wǎng)絡才能實現(xiàn) “任何人在任何時間、 任何地點與任何人進行任何種類的信息交換”的理想的通信目標。目前主要的無線通信網(wǎng)絡可分為兩大類，一類是由目前的第 2 代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)(ZG,包括GSM10 CDMA11跨)發(fā)展而來的 第2.5代(2.5G ,包括GPRS CDMA1籌)和第3代(3G,包括 WCDMACDMA2000、TD-SCDMA)移動通信系統(tǒng)。另一類是應用了國際電氣和電子工程師協(xié)會(IEEEInstituteofElectrical andElectronic Engineers) 開發(fā)的 802 系列

12、無線協(xié)議 的無線通信系統(tǒng)。根據(jù)覆蓋范圍，這些系統(tǒng)可分為無線個人網(wǎng) (WPANWirelessPersonalArea Network， 包括 IEEE802.15.1 藍牙 12 、 IEEE802.15.3超寬帶接入) 、無線局域網(wǎng) (WLANWireless LocalArea Network ，包括IEEE802.1113/a/b/g, HiperLAN)和無線城域網(wǎng)(WMANWirelessMetropolitanArea Network, 包括 IEEE802.1614 、IEEE802.2015,16) 。這些技術大大方便了人民的生活，同時也促進了無線通信技術的 發(fā)展。我們通常提到

13、的無線通信技術一般都是中心式的，它的運行離不開預先部署的網(wǎng)絡基礎設施。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設施的支持；而無線局域網(wǎng)中移動終端則主要通過接入點 (APAessPoint) 接入有線骨干網(wǎng)。這兩種網(wǎng)絡的架構都是基于中心控制的，實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)絡并不能勝任，因為不可能有這種預先部署的固定設施可以使用。比如，在戰(zhàn)場上指揮快速展開的部隊，發(fā)生地震或水災等大型災害后的營救， 太空環(huán)境中科學考察、 偏遠地區(qū)作業(yè)以及臨時性的大型會議等。在這些應用場景中，不能依賴于任何預設的基礎設施，或者預先架設的網(wǎng)絡基礎

14、設置己經(jīng)因災害或戰(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)絡無線移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡應運而生，并且迅速成為了移動通信技術的一個重要分支，在未來的通信技術中占據(jù)重要地位。6 車輛Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議研究212Ad hoc網(wǎng)絡的發(fā)展移動Adhoc 網(wǎng)絡的起源可以值得追溯到 1968年。當時為了能夠和夏威夷群島的教育機構交換數(shù)據(jù)，美國建立了一種使用無線電廣播技術的報文交換計算機網(wǎng)(ALOHAJ絡)，雖然只是一種單跳的網(wǎng)絡協(xié)議，但是 ALOHA9絡為日后移動Ad Hoc網(wǎng)絡的 發(fā)展奠定了基礎。移動 Ad hoc 網(wǎng)絡的發(fā)展主要由軍事需求所推動，它的前身是報文無線網(wǎng)(

15、PRNetPacket RadioNetwork )。早在 1972 年，美國國防部高級研究規(guī)劃署( DARPA:DefenseAdvancedResearch ProjectAgency )就啟動了報文無線網(wǎng)項目( PRNetPacket RadioNetwork )，研究在戰(zhàn)場環(huán)境下利用報文無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。此后，DARPAF 1983年啟動了高殘存性自適應網(wǎng)絡項目(SURANSurvivable AdaptiveNetwork),研究如何將 PRNET勺研究成 果加以擴展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡。此外，還要研發(fā)能夠適應戰(zhàn)場快速變化環(huán)境需要的自適應網(wǎng)絡協(xié)議。繼續(xù)SURAN)研究成果，198

16、7年出現(xiàn)了低開銷報文無線技術( LPRLow-cost PacketRadio )，它基于 Intel8086 微處理器，是采用直序擴頻通信的報文交換系統(tǒng)。為了進行持續(xù)的研究，1994年，DARPA1啟動了全球移動信息系統(tǒng) GloMo( Globle MobileInformation Systems )項目，旨在對能夠滿足軍事應用需要的、 可快速展開、 高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進行全面深入的研究。近年來，移動Ad Hoc 網(wǎng)絡逐漸從軍事領域走向民用。美國軍方于1997 年實施的戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)(TITactical Inter )是目前最大規(guī)模的多跳報文無線網(wǎng)，ELBACT(D Extending

17、theLittoralBattle-space AdvancedConcept TechnologyDemonstration )是美國軍方 1999年建立的另一個移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡。2000年，DAPR能助了的研究“自愈式雷場系統(tǒng)”(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) 就是一個典型的移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡應用實例。不僅限于軍事領域，移動 Ad Hoc網(wǎng)絡目前在民用領域的應用也已 得到長足發(fā)展。到 20 世紀 90 年代，基于射頻和紅外技術的各種無線通信設備的出現(xiàn)以及筆記本電腦的流行，使得移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡在民用通信領域產(chǎn)生了巨大的應用空間。成立于 1991

18、 年 5 月的 IEEE802.ll 標準委員會采用了“ Ad hoc 網(wǎng) 絡”一詞來描述這種特殊的、自組織、對等式多跳移動通信網(wǎng)絡，移動 Ad hoc 網(wǎng)絡就此誕生?；ヂ?lián)網(wǎng)工程任務組( The InterEngineering TaskForce ， IETF)為此還專門成立了一個MANE(T Mobile Ad Hoc Network )工作組來研究這種網(wǎng)絡的路由協(xié)議，并制訂了一系列協(xié)議與草案。除此之外，國內外眾多高校與研究機構也紛紛展開了對移動 AdHoc網(wǎng)絡的廣泛研究，短短幾年間，移動 Ad Hoc網(wǎng)絡已經(jīng)成為學術 界研究的熱點。7第2章ADHOO絡基本理論213Ad hoc網(wǎng)絡的概念

19、移動Ad Hoc網(wǎng)絡中“Ad Hoc” 一詞拉丁語，其含義是“ For this ”，引申為“Forthispurpose only ”，即“專為某種目的，特別的”意思，意即移動Ad Hoc 網(wǎng)絡是一種有特殊用途的網(wǎng)絡。Whatis.對移動Ad Hoc網(wǎng)絡是這樣定義的移動 Ad Hoc網(wǎng)絡是一個局域網(wǎng)或小型網(wǎng)絡， 它采用無線通信技術， 網(wǎng)絡中的節(jié)點互相作為其鄰居節(jié)點的路由器，通過節(jié)點轉發(fā)，實現(xiàn)移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡內部主機之間和內部主機與外部主機之間的通信。移動Ad Hoc網(wǎng)絡可以獨立工作，也可以與Inter或蜂窩無線網(wǎng)絡連接。在后一種情況中， 移動 Ad hoc 網(wǎng)絡通常是以末端子網(wǎng) (樹

20、樁網(wǎng)絡)的形式接入現(xiàn)有網(wǎng)絡。圖 2.1 一種典型的移動 Ad hoc 網(wǎng)絡示意圖圖 2.1 給出了一種典型的移動AD HOCJ絡示意圖，其中圖2.1 (a)是其物理結構圖，而圖2.1 (b)給出了其邏輯結構圖。由圖可見，網(wǎng)絡中的節(jié)點可以是帶有無線接口的筆記本電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、掌上電腦、智能手機等移動終端，每個節(jié)點的地位平等， 無需設置任何中心控制節(jié)點， 節(jié)點都可以通過無線信道的連接形成一個靈活的拓撲結構， 網(wǎng)絡的拓撲結構隨著節(jié)點的移動而動態(tài)變化， 網(wǎng)絡中的節(jié)點同時具有主機和路由器的功能作為主機， 節(jié)點提供面向用戶的服務；作為路由器，節(jié)點運行相應的路由協(xié)議，并根據(jù)路由策略參與報文轉發(fā)

21、和路由維護。由于每個節(jié)點的覆蓋范圍有限，兩個無法直接通信的無線節(jié)點可 以通過多個中間節(jié)點的轉發(fā)來實現(xiàn)通信。如圖2.1 (b)中的節(jié)點A和節(jié)點G無法直接通信，但節(jié)點A和節(jié) 點G可以通過路徑 AB F-G或者路徑 A B C ErF-G進彳丁 通信，即節(jié)點間以多跳(Multi-Hop) 方式進行相互之間的數(shù)據(jù)傳輸。這樣，節(jié)點通過相互的協(xié)作自組織成一個連通的無線多跳網(wǎng)絡，因此，移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡又稱為多跳無線網(wǎng)( Multi-HopWirelessNetwork )、自組織網(wǎng)絡( Self-Organized Network )或無基礎設施的網(wǎng)絡( Infrastructure lessNet

22、work )。8車輛Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議研究214Ad hoc網(wǎng)絡的特點與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡和固定網(wǎng)絡相比，移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡具有以下特點17-19l) 無中心移動 Ad hoc 網(wǎng)絡中沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點的地位平等，組成一個對等式網(wǎng)絡。其中的節(jié)點可以隨時加入和離開網(wǎng)絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，與有中心的網(wǎng)絡相比，移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡具有分布式特征、節(jié)點的冗余性等特點，具有很強的健壯性和抗毀性。2) 自組織移動 Ad hoc 網(wǎng)絡相對常規(guī)通信網(wǎng)絡而言，最大的區(qū)別就是可以不需要現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施(包括有線和無線網(wǎng)絡)的支持，通過分布式算法來協(xié)調彼此的行為， 在

23、任何時刻任何地方快速展開并構建起一個移動通信網(wǎng)絡。3) 動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲網(wǎng)絡的拓撲結構是指從網(wǎng)絡層角度來看，物理網(wǎng)絡的邏輯視圖。在移動 Ad hoc 網(wǎng)絡中，移動用戶終端可以隨機地在網(wǎng)絡中移動， 加上無線發(fā)送裝置發(fā)送功率的變化、 無線信道間的互相干擾因素、 地形等綜合因素的影響， 移動終端間通過無線信道形成的網(wǎng)絡拓撲結構隨時可能發(fā)生變化， 而且變化的方式和速度都是難以預測的， 具體的體現(xiàn)就是拓撲結構中代表移動終端頂點的增加或消失， 代表無線信道的有向邊的增加和消失，網(wǎng)絡拓撲結構的分割和合并等等。而對于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲結構則表現(xiàn)較為穩(wěn)定。這是移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡和傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡

24、的最大區(qū)別之一。4) 多跳路由由于節(jié)點發(fā)射功率的限制，節(jié)點的覆蓋范圍有限。當節(jié)點要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信時，需要中間節(jié)點的多跳轉發(fā)。與固定網(wǎng)絡的多跳不同，移動Ad Hoc網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡節(jié)點在無線鏈路上接力完成的， 而不是由專用的路由設備 （如路由器）完成。移動Ad Hoc網(wǎng)絡中的每一個網(wǎng)絡節(jié)點扮演著多個角色，它們可以是服務器、終端，也可以是路由器。5）受限的無線傳輸帶寬移動Ad Hoc網(wǎng)絡采用無線傳輸技術作為底層通信手段， 由于無線信道本身的物理特性， 它所能提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。此外，無線信道競爭共享產(chǎn)生的沖突、信號衰減、噪音和信道之間干擾等多種因素，

25、使得移動終端得到的實際帶寬遠遠小于理論上的最大帶寬，并且會隨時間動態(tài)地發(fā)生變化。我們在實際環(huán)境中的測試表明，在鏈路層采用 802.llb 的移動 AdHoc網(wǎng)絡中，理論上一跳帶寬是11Mb/s,而采用不同的無線網(wǎng)卡所測得的結果是3Mb/s 到 6Mb/s 之間。6）存在單向的無線信道9第2章ADHOCW絡基本理論移動Ad Hoc網(wǎng)絡采用無線信道通信， 由于天線的發(fā)射功率和接收門限、 傳播模式以及地形環(huán)境等因素， 可能使得兩個節(jié)點之間存在單向鏈路， 即一個節(jié)點可以成功地向另一個節(jié)點發(fā)送報文，而反向則無法通信。這些單向信道可能為路由協(xié)議帶來三個嚴重的影響認知的單向性、路由單向性和匯聚點不可達20

26、。7）移動終端的局限性在移動 Ad Hoc網(wǎng)絡中，無線終端通常以PDA掌上型電腦或手持式電腦為主要形式。相對于臺式機而言，在帶來移動性、靈巧、輕便等好處的同時，其固有的特性，例如依靠電池這樣的可耗盡能源提供電源（ 車輛終端的電源相對而言較有保障）、內存較小、CPU性能較低等，給應用程序設計開發(fā)和推廣帶來一定的難度。同時屏幕等外設較小，不利于開展功能較復雜的業(yè)務。而且，考慮到成本和易攜帶性，移動節(jié)點不能配備太多的無線收發(fā)器并且一般依靠具有有限能量的電池供電。因此如何有效利用電池能量和系統(tǒng)資源，是移動實用化所面臨的一個非常突出的問題。8） 低安全性相對固定網(wǎng)絡而言，移動無線網(wǎng)絡一般更易遭遇物理安全

27、威脅。由于無線網(wǎng)絡的廣播式信道，外部攻擊者更易于在物理層上進行 竊聽、欺騙、拒絕服務等攻擊。此外，由于移動Ad Hoc 網(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡的巨大差異，傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的許多安全策略和機制不再適用。因此，傳統(tǒng)的安全措施如信道加密、抗干擾、用戶認證、密鑰管理、訪問控制等機制在移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡都必須重新考慮和設計。上述特點使得移動Ad Hoc網(wǎng)絡在體系結構、網(wǎng)絡組織、協(xié)議設計 等方面都與普通的蜂窩移動通信網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)有著顯著的區(qū)別。無線局域網(wǎng)的研究內容集中在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而移動 AdHoc網(wǎng)絡的研究內容覆蓋了協(xié)議的所有層。215Ad hoc 網(wǎng)絡的應用移動Ad Hoc網(wǎng)絡的許多優(yōu)良特性為它在

28、 民用和軍用通信領域占據(jù)了一席之地提供了有利的依據(jù)。首先，移動AdHoc 網(wǎng)絡的自組織性提供了廉價并且快速部署網(wǎng)絡的可能； 其次， 多跳和中間節(jié)點的轉發(fā)特性可以減少每個終端的發(fā)射功率而不降低網(wǎng)絡的覆蓋范圍，從而天線和相關發(fā)射/ 接收單元的設計難度和成本得以降低， 并使得無線終端的小型化、 低功耗成為可能。從共享無線信道的角度來看，移動Ad Hoc網(wǎng)絡降低了信號沖突的幾率，提高了信道利用率； 從用戶的角度看，低功率的無線電波產(chǎn)生的電磁輻射較少，對用戶身體健康的影響較小。另外，網(wǎng)絡的魯棒性、抗毀性，使得移動Ad Hoc 網(wǎng)絡在某些特殊的場景中，更是不可替代的方案。結合當前的應用領域和未來的發(fā)展趨勢

29、，移動Ad Hoc 網(wǎng)絡的應用場合包括以下方面1）軍事應用10車輛Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議研究針對移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的研究是因軍事應用而發(fā)起的，因此，軍事應用仍是移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的主要應用領域。因其特有的無需架設網(wǎng)絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，無線 Ad Hoc 網(wǎng)絡是數(shù)字化戰(zhàn)場通信的首選技術，并已經(jīng)成為戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)的核心技術。美軍研制的大量可應用于單兵、車輛、指揮所等不同場合的無線自組織網(wǎng)絡設備， 在阿富汗反恐戰(zhàn)爭、 第二次海灣戰(zhàn)爭中得到了廣泛應用。在可以預見的將來信息化軍事斗爭中，移動Ad Hoc 網(wǎng)絡將發(fā)揮著更為重要的作用。2) 無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡（ Wire

30、1ess SensorNetwork ）是一種特殊的移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡，它由大量的無線傳感器節(jié)點組成，每個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A/D轉換器）、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲器）、通信模塊（無線收發(fā)器）和供電模塊（電池、DC/DClg量轉換器）等組成15,節(jié)點的發(fā)射功率很小，地理位置較為分散，因此移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡特有的無線多跳通信方式是其非常實用的解決方案。無線傳感器網(wǎng)絡不僅在軍事應用，而且在環(huán)境監(jiān)測等民用領域具有非常廣闊的應用前景。3) 緊急事故和臨時突發(fā)場合在發(fā)生了地震、水災、強熱帶風暴或遭受其他災難打擊后，固定的通信網(wǎng)絡設施(如有線通信網(wǎng)絡、蜂窩移動通信網(wǎng)絡

31、的基站等網(wǎng)絡設施、 衛(wèi)星通信地球站以及微波接力站等)可能因被摧毀而無法正常工作； 在比較苛刻環(huán)境條件下 (如處于邊遠或偏僻野外地區(qū)時) ， 同樣無法依賴預設或固定的網(wǎng)絡設施進行通信，移動 Ad hoc 網(wǎng)絡技術因其獨立組網(wǎng)能力和自組織特點而成為這些場合通信的最佳選擇。類似地，對于臨時場合的通信，例如在大型會議、慶典、展覽等場合，移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡技術的采用可以免去布線和部署網(wǎng)絡設備的繁瑣工作。4) 個人通信無線個域網(wǎng)WPA(NWireless PersonalArea Network )是移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的又一個重要應用領域，它可以用作實現(xiàn)PDA、手機、 筆記本電腦等多種個人通信

32、設備之間的通信， 并可以構造虛擬教室和討論組等嶄新的移動對等應用(MP2P)?？紤]到電磁波輻射的問題，個人網(wǎng)絡通信設備的無線發(fā)射功率應盡量小，這種情況下移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的多跳通信特點將再次展現(xiàn)其優(yōu)勢。藍牙技術中的散射網(wǎng) 21 ( Scatter )就是一個典型的例子。5) 商業(yè)應用移動Ad Hoc 網(wǎng)絡的商業(yè)應用包括組建家庭無線網(wǎng)絡、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、移動醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)、車輛無線自組網(wǎng)等，開展移動和可攜帶計算等。6）與其他通信系統(tǒng)的融合22移動Ad Hoc網(wǎng)絡還可以作為末端子網(wǎng)通過接入點接入到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施上， 如 Inter 或者蜂窩移動通信網(wǎng)絡， 在解決寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入的 “最后一英里

33、” 11 第 2 章 ADHOC網(wǎng)絡基本理論問題中被認為是非常有前景的解決方案之一 23 。移動Ad Hoc網(wǎng)絡與蜂窩移動通信系統(tǒng)相結合，利用移動臺的多跳轉發(fā)能力擴大蜂窩移動通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務、提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率等。7）其它應用移動Ad Hoc網(wǎng)絡具有許多優(yōu)良特性，應用領域還有很多，需要我們進一步去挖掘。2.2Ad hoc 網(wǎng)絡的體系結構 2.2.1 節(jié)點結構移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的節(jié)點同時具有普通移動終端和路由器的功能， 就完成的功能而言可以將節(jié)點分為主機、路由器和無線接口三部分，其中主機部分（外置計算機或嵌入式計算機）完成普通移動終端的功能，包括人機接口、數(shù)據(jù)處理

34、等應用軟件； 路由器部分主要負責維護網(wǎng)絡的拓撲結構和路由信息，負責網(wǎng)絡拓撲的維護、 對報文的轉發(fā)等功能；無線接口部分提供物理上的無線傳輸功能。從物理結構上分，節(jié)點可以分為以下幾類，如圖 2.2 所示單主機單無線接口、 單主機多無線接口、 多主機單無線接口和多主機多無線接口。手持機一般采用圖2.2 （a）的單主機單無線接口的簡單結構，而一個復雜的車輛節(jié)點可能包括通信車內的多個主機， 因此可以采用圖2.2 (b)或圖2.2 (d)的結構，以實現(xiàn)多個主機共享一個或多個無線接口。多無線接口具有更大的靈活性和自適應能力，可以用來構建重疊(Overlay )網(wǎng)絡，也可用作網(wǎng)關節(jié)點來互聯(lián)多個移動 Ad Ho

35、c 網(wǎng)絡。2.2.2 網(wǎng)絡結構移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡一般有兩種結構平面結構和分簇結構。平面結構又稱對等式結構。這種結構采用全分布式控制，所有節(jié)點的地位平等。圖2.1 (b)所示的移動Ad Hoc網(wǎng)絡就是采用的平面結構。而在分簇結構 (如圖 2.3 ) 中， 網(wǎng)絡節(jié)點被劃分成簇(cluster ) ，每一個簇產(chǎn)生一個簇首( cluster header )負責本簇中節(jié)點的管理，這些簇首形成了高一層次的網(wǎng)絡。在高一層次網(wǎng)絡中，又可以分簇，再次形成更高一層次的網(wǎng)絡，直至最高層次。在不同的簇中可使用不同的工作頻率，在簇內可采用高效的多址協(xié)議，如 UPMA24( user-dependent Perf

36、ect-schedulingMultipleAess )、TDMA FDMA CDM第。在分簇結構中，需要采用自組織算法(如 CBRP25ClusterBasedRouting Protocol )來產(chǎn)生簇和簇首、計算最佳路由和進行動態(tài)資源分配，簇首節(jié)點負責簇間數(shù)據(jù)的轉發(fā)。在圖 2.3 所示的例子中，當節(jié)點 20要與節(jié)點 18通信時，節(jié)點 20先把數(shù)據(jù)發(fā)送給本簇的簇首，即節(jié)點 21，節(jié)點 21 發(fā)現(xiàn)節(jié)點 18 在不在本簇中，就把數(shù)據(jù)轉發(fā)給節(jié)點 18 的簇首即節(jié)點 11（可能要經(jīng)過其它簇首的轉發(fā)），節(jié)點 11 收 12 車輛 Ad Hoc 網(wǎng)絡路由協(xié)議研究到數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)節(jié)點 18 是自己簇的成員

37、，把數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點 18 。圖 2.2 移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的節(jié)點結構示意圖圖 2.3 移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡的分簇結構示意圖平面結構的網(wǎng)絡比較簡單， 網(wǎng)絡中所有節(jié)點是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯，但其缺點是網(wǎng)絡規(guī)模受限， 當網(wǎng)絡的規(guī)模增加到某個程度時， 所有的帶寬都可能被路由協(xié)議消耗掉 27 ， 網(wǎng)絡的可擴展性較差， 因此在這種情況下應優(yōu)先考慮分簇結構。然而，分簇結構也有其缺點需要復雜的簇首選擇算法和簇維護算法；簇首節(jié)點的任務相對較重，可能成為網(wǎng)絡的瓶頸；簇間路由不一定是最優(yōu)路由?？傊?，當網(wǎng)絡規(guī)模較小時，應當采用簡單的平面結構，而當網(wǎng)絡規(guī)模較大時應當采用分簇結構。13第2

38、章AD HOCJ絡基本理論2.3Adhoc網(wǎng)絡的關鍵技術雖然目前傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡和蜂窩網(wǎng)絡中的各種協(xié)議比較成熟，但由于 Ad Hoc網(wǎng)絡動態(tài)變化的特性， 且其體系結構、服務質量等技術相對較為復雜，因此這些協(xié)議無法直接應用于 Ad Hoc 網(wǎng)絡。近些年，隨著移動Ad Hoc 網(wǎng)絡的商用價值逐步被人們所認知，其已成為世界范圍內研究熱點， 并逐漸發(fā)展成為相對較獨立的研究領域。總結目前國內外的研究現(xiàn)狀， Ad Hoc 網(wǎng)絡技術的研究重點主要集1） 信道接入技術信道接入技術是決定了節(jié)點如何 接入無線信道，該技術屬于 Ad Hoc 網(wǎng)絡的物理層技術，對網(wǎng)絡的性能有著重要的影響。Ad Hoc 網(wǎng)絡的無線信道是一

39、種多跳共享的多點信道，該網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡和一些基于基礎設施的無線網(wǎng)絡有著本質的區(qū)別。目前已經(jīng)提出的Ad Hoc網(wǎng)絡的信道接入?yún)f(xié)議有很多種，例如單信 道接入?yún)f(xié)議MACAWMACA802.11DCF等27-29協(xié)議；雙信道接入?yún)f(xié) 議DBTMABAPU30-32等；多信道接入?yún)f(xié)議 HRMA33等；發(fā)送方主 動的信道接入?yún)f(xié)議MAC A MACAWS接收方主動的信道接入?yún)f(xié)議 MACA-BI RIMA等。2 ）網(wǎng)絡的結構 Ad Hoc 網(wǎng)絡結構對網(wǎng)絡的性能、規(guī)模和擴充性起著重要的作用。Ad Hoc 網(wǎng)絡一般采用的是分布式的結構，即完全分布式結構和分層分布式結構，這兩種結構又被稱作為平面結構和分簇結構。

40、平面結構的網(wǎng)絡比較簡單， 但是當網(wǎng)絡的規(guī)模增大到一定程度時，網(wǎng)絡的性能會受到很大的影響， 因此平面結構的擴充性比較差， 主要 適合小型網(wǎng)絡。分簇結構的網(wǎng)絡是把整個網(wǎng)絡按區(qū)域分成若干個簇，分簇結構的具有較好的網(wǎng)絡擴充性， 并且網(wǎng)絡管理更加方便， 目前在網(wǎng)絡結構中主要是針對分簇結構進行研究， 其中最關鍵的是分簇算法， 典型的分簇算法有最高節(jié)點度算法、基于節(jié)點 ID 的算法、節(jié)點權重啟發(fā)式算 法。3 ）路由協(xié)議性能良好的路由協(xié)議是建立 Ad Hoc網(wǎng)絡的關鍵問題，因此路由協(xié)議的研究成為 Ad Hoc 網(wǎng)絡中研究的熱點和難點。Ad Hoc 網(wǎng)絡路由的主要問題是保存在節(jié)點中的分布式路由數(shù)據(jù)庫的信息采用什

41、么方式能夠適用于網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。傳統(tǒng)網(wǎng)絡中路由算法并不適用于拓撲結構動態(tài)變化的Ad Hoc網(wǎng)絡,根據(jù) Ad Hoc 網(wǎng)絡的特性，其路由算法應該具有以下特點采用分布式路由算法、無環(huán)路、具有自適應能力、具有可擴展性、路由計算與維護開銷少及考慮安全性等。目前提出的路由協(xié)議主要分為主動式路由協(xié)議，如 DSDV34;按 需路由協(xié)議，如AODV35;以及混合式路由協(xié)議，如ZRP還有基于 分簇的路由協(xié)議，如CBRP36。4 ）能量節(jié)省機制14車輛Ad Hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議研究在 Ad Hoc網(wǎng)絡中能量不足的問題是非常關鍵的問題， 其決定著網(wǎng)絡是否能大規(guī)模的應用。在 Ad Hoc 網(wǎng)絡中，通常采用自動功率控

42、制、合適的路由算法、智能休眠機制等方式進行節(jié)能。目前， Ad Hoc 網(wǎng)絡已經(jīng)提出的節(jié)能機制包括功率控制機制（主要是包括鏈路層的功率控制和網(wǎng)絡層的功率控制） ，如 PCM， PCMA37-38； 無線網(wǎng)卡動態(tài)關閉機制（又分為MACg節(jié)能機制與2.5層節(jié)能機制）， 如802.11PSM PAMA等；節(jié)能路由算法有 MBCRMTP等39-40。5 ） 安全問題安全性較差始終是制約Ad Hoc 網(wǎng)絡應用的重要問題。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡相比，Ad Hoc網(wǎng)絡更容易遭受各種安全威脅和攻擊。網(wǎng)絡通常會面臨包括網(wǎng)絡的外部和內部叛變節(jié)點的雙重攻擊，攻擊者不僅能通過無線鏈路竊聽信息， 還可以發(fā)送偽造信息或篡改所傳輸?shù)男?/p>

43、息； 網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)目和拓撲結構并非處于穩(wěn)定的狀態(tài)，節(jié)點之間的信任關系容易受到影響。目前對 AdHoc 網(wǎng)絡安全性的研究包括安全路由協(xié)議和無線節(jié)點的身份認證技術。已經(jīng)提出的安全路由協(xié)議包括SRP， Aridane ， SAOD，VARAN， SEAD等41-45 。身份認證技術包括單鑰體制的認證方案，如復活鴨子認證模型；雙鑰體制的認證方案， 如分布式 CA46-47 ， 單/ 雙鑰體制認證方案，如基于 hash 鏈認證 48-49 。6 ）服務質量（QoS保證QoS是指當發(fā)送方向接收方發(fā)送分組數(shù)據(jù)時， 網(wǎng)絡需要給用戶提供好的傳輸環(huán)境， 用以滿足預先規(guī)定的服務性能約束，如帶寬、端到端的延遲及分組丟失率等。隨著業(yè)務拓展，需要在Ad Hoc 網(wǎng)絡中傳輸語音、圖像等多媒體業(yè)務，而多媒體業(yè)務對帶寬、 時延及時延抖動等都有很高的要求，這就需要提供一定程度的服務質量保證。為了提供完善QoS保證，通常采用的方式包括為發(fā)送方和接收方尋找有充足資源的路由、為流數(shù)據(jù)預留必要的資源等。提供Qo潴由需要將這些任務結合在一起，主