第6章 无线自组织网络要点

自组织网络及其路由技术一、背景及概念1.发展历史无线通信网一般都是有中心的，要基于预设的网络基础架构才能运行。

例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有接入点（AP）和有线骨干网的模式下。

但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。

比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。

这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。

无线自组织网络即可以满足这样的应用。

自组织网络技术的研究始于20 世纪70 年代。

美国DARPA 出于军事需要，开始研究分组无线网（PRNET）在战场环境下数据通信中的应用。

项目完成之后，DAPRA 又在1993 年启动了高残存性自适应网络项目。

研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。

1994 年，DARPA 又启动了全球移动信息系统项目。

在分组无线网已有成果的基础上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，并一直持续至今。

1991 年成立的IEEE 802.11 标准委员会采用了“无线自组织网络”一词描述这种特殊的对等式无线移动网络。

美国《福布斯》杂志报道了加州大学洛杉矶分校的无线传感器网络的研究项目，指出通过无线传感器网络，我们将实实在在地掌握这个物理世界。

2003年美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪改变世界的10大技术之一。

美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络排名第一。

另外，像IEEE((ComPuter》等众多杂志也都发表了一些关于无限传感器网络的论文。

我国也非常重视无线传感器网络的研究，中国国家自然科学基金委员会在2003年已经开始对无线传感器网络的研究进行了资助，并于2004年将其列为重点项目。

2005年我国开始传感网络标准化研究工作。

2006年，国家973计划，国家863高技术计划等国家和省部级科技发展“十一五”规划也设专项资助该领域的理论、方法和关键技术研究。

无线自组网络无线自组织网络由不需要任何基础设施的一组具有动态组网能力的节点组成，这种网络适应了军事和商用中对网络和设备移动性的要求，而引起了人们的关注，并在20世纪90年代以后获得了广泛的研究和发展。

与其他通信网络相比，无线自组织网络具有带宽有限、链路容易改变、节点的移动性以及由此带来的网络拓扑的动态性、物理安全有限、受设备限制等特点。

正是由于这些区别，无线自组织网络协议栈也产生了比传统网络协议栈更高的要求：适应移动分布节点随机收发行为的媒体接入控制(MAC)协议，基于动态拓扑结果的高效、稳健的路由算法，便利的异构网络互联技术，有效的功率控制，合理的跨层信息交互、多层协同设计，可靠的安全机制等等。

1 MAC协议MAC协议是无线自组织网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。

目前，在无线自组织网络中MAC协议面临着隐藏终端、暴露终端，信道分配，单向链路，广播扩散等问题。

1.1 隐藏终端、暴露终端问题如图1所示，节点A、B、C都工作在同一个信道上，当节点A向节点B发送分组时，载波侦听机制无法阻止节点C发送数据，造成信号在节点B处冲突。

节点C是隐藏在节点A的覆盖范围之外的、却又能对节点A的发送形成冲突的节点，这种在发送节点覆盖范围以外的、存在着潜在冲突的节点问题就是信道访问中的隐藏终端问题。

隐藏终端问题会大大降低信道的通信能力。

另外还有一种情况也会降低信道的通信能力，即所谓的暴露终端问题。

如图2所示，当节点B向节点A发送分组时，节点C侦听到节点B在发送分组，所以推迟发送分组。

这种推迟是毫无必要的，因为节点C向节点D发送分组和节点B向节点A发送分组并不冲突，此时节点C是节点B的暴露终端。

这种因发送节点在其覆盖范围内，感知到有其他节点在传输，而进行不必要的发送延迟就是暴露终端问题。

IEEE 802.11中提出的请求发送/准备接受/确认(RTS/CTS/ACK)握手机制，以及目前在很多研究中提出的控制信道-数据信道协作的方式，可以在一定程度上解决隐藏终端问题，但对于暴露终端问题，目前还没有充分有效的解决方式。

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。

本文首先介绍移动Ad Hoc网络的概念、产生、定义，详细总结了移动Ad Hoc 网络的特点、应用场合和研究热点。

然后对Ad Hoc网络体系结构和信道接入协议进行了介绍。

第三章对Ad Hoc网络的路由协议进行了研究分析，并对DSDV、DSR和AODV协议进行了详细的分析研究。

最后，介绍了Ad Hoc网络的分簇算法，详细说明了AOW算法。

关键词：Ad Hoc，自组织网络，AODV，分簇算法ABSTRACTAd hoc network is a kind of wireless and mobile network developed 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 has no center and fix e d infrastructure 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 the Ad Hoc network, but also one of the most important factors affect the performance of the whole 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 protocol packet forwarding decisions. The regular change of bandwidth and node motivation，pass in and out will lead to the dynamic changes of network topology. The routing protocols will monitor the changing topology，exchange routing information，locate the position of destination nodes，product, select and maintain routing, According to the selected routing and forwarding data to provide network connectivity.In this paper, first of all, introduces the concept, produce, definition of the MANET, summarizes the characteristics, applications, and research focus of the MANET. And then the Ad Hoc network architecture and the channel access protocol is introduced. In chapter 3, we researches and analysis routing protocol of the Ad Hoc network, and carried out a detailed analysis of the DSDV, DSR and AODV protocol. At last, introduces clustering algorithm of the Ad Hoc network, and detailed description of the AOW algorithm.KEY WORDS：Ad Hoc network, self-organizing network, AODV, clustering algorithm目录第一章绪论 (4)1.1A D H OC网络概述 (4)1.1.1 Ad Hoc网络的产生 (5)1.1.2 Ad Hoc网络的定义 (5)1.1.3 Ad Hoc网络的特点 (6)1.1.4 Ad Hoc网络的应用场合 (8)1.2A D H OC网络研究的主要问题 (9)1.3论文的主要研究内容 (10)第二章体系结构与信道接入 (10)2.1节点结构 (10)2.2网络结构 (11)2.3A D H OC协议栈 (13)2.4A D H OC网络体系结构的跨层设计 (13)2.4.1 设计策略 (13)2.4.2 设计方法 (14)2.4.3 跨层设计的优势与挑战 (15)2.5信道接入协议 (15)2.5.1简介 (15)2.5.2面临的问题 (15)2.5.3协议的分类 (18)第三章路由协议的设计 (19)3.1A D H OC网络路由协议的分类 (20)3.1.1平面式路由协议和分级式路由协议 (20)3.1.2表驱动路由协议和按需路由协议 (20)3.1.3 评价路由协议的标准 (21)3.1.4 各类路由协议之间的性能比较 (21)3.2几种典型的A D H OC网络路由协议 (23)3.2.1 DSDV路由协议 (23)3.2.2 DSR路由协议 (24)3.2.3 AODV路由协议 (27)第四章AD HOC网络的分簇算法 (30)4.1概述 (30)4.2基本概念和目标 (31)4.3A D H OC网络中分簇算法的分类和比较 (32)4.3.1 基于节点ID的分簇算法 (32)4.3.2 最高节点度分簇算法 (33)4.3.3 最低节点移动性分簇算法 (33)4.4自适应按需加权分簇算法（AOW） (33)4.4.1一般介绍 (33)4.4.2 AOW算法的特点和目标 (34)4.4.3算法描述 (35)4.4.4网络初始化和簇维护策略 (36)4.5基于分簇结构的A D H OC网络路由协议 (36)4.5.1 CBRP (37)4.5.2 CEDAR (37)4.5.3 ZHLS (37)总结 (38)致谢 (39)参考文献 (40)第一章绪论1.1 Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。

无线自组织网络路由与低功耗节点关键技术探讨无线自组织网络（Wireless Ad Hoc Networks）是指由一组通过无线链路互联的节点组成的网络，节点之间可以直接进行通信，而不需要依赖固定的基础设施。

自组织网络具有自主性、灵活性和弹性等优势，被广泛应用于军事、应急、环境监测等领域。

由于节点数量大、网络拓扑变化快等特点，自组织网络面临着许多挑战，其中最重要的挑战之一是路由和低功耗节点的关键技术问题。

路由是一个自组织网络中的核心问题，它涉及到节点之间的通信路径选择问题。

由于网络拓扑的动态性，传统的静态路由算法无法满足需求。

无线自组织网络需要设计新的动态路由算法，以适应网络拓扑的变化。

最常用的动态路由算法是基于距离向量（Distance Vector）和链路状态（Link State）的路由协议。

距离向量路由协议通过选择最短路径来决定下一跳节点，但是在节点数量较多时，距离向量路由的计算和维护开销会比较大。

链路状态路由协议则通过收集全局的网络信息，并计算最优路径，但是该算法的计算量也是非常大的。

无线自组织网络还可以采用基于地理信息的路由算法。

该算法通过节点之间的位置信息来决定下一跳节点，以减少路由计算和维护开销。

Greedy Perimeter Stateless Routing （GPSR）算法即是一种基于地理位置的路由算法，它根据节点之间的相对位置来选择下一跳节点。

在无线自组织网络中，低功耗节点的设计也是一个非常重要的问题。

由于节点的能量有限，如何降低节点的功耗，延长网络的生命周期，是一个非常关键的技术问题。

低功耗节点设计的关键技术包括能量管理、功耗控制和休眠机制。

能量管理技术主要通过优化节点的工作模式和算法，以减少节点的能量消耗。

功耗控制技术主要通过降低节点的传输功率和接收功率，以减少节点的能量消耗。

休眠机制是指让节点在空闲时进入休眠状态，以减少能量消耗。

还可以采用能量收集和能量传输技术来解决能量不足的问题。

⽆线⾃组织⽹络⽆线路由协议1、⽆线路由协议的常⽤场景：多数都使⽤在⽆线⾃组织⽹络2、⽆线路由协议的分类按照请求⽅式：主动路由协议（OLSR）按需路由协议(AODV)按照层次性划分：⼆层路由（bable、HWMP/batman-aodv：⼆层转发协议）三层路由协议（batman）按照路由来源：动态源路由协议DSR:优化⽹络的通信量链路状态路由协议（OLSR）:也可以实现⽹络的优化功能3、 AODV：按需平⾯距离⽮量路由协议，主要应⽤于⽆线⽹状⽹络（⽆线ad-hoc）中进⾏路由选择的路由协议，在数据传输中可以实现单播和多播传输的路由协议，该协议是ad-hoc⽹络中按需⽣成路由⽅式的典型协议；aodv协议还是反应式路由协议4、按照⽆线⽹络的覆盖范围划分：thread zigbee ble meshBle mesh（蓝⽛）⽹络：适合于中⼩规模——⼩数据处理的⽹络Thread zigbee⽹络：适⽤于⼤型⽆线⽹络和⼤数据处理5、距离向量路由协议：每个节点保持⼀张含有距离或者耗费的表来进⾏操作，通过相邻节点的宣告的路由信息确定到达⽬的节点的路由，相邻节点相当于下⼀跳节点，这张表中包含⽬的节点路由信息（包含了最佳路由），到达⽬的节点的完整的信道表信息，⽤于计算最佳路由的算法就是向量的算法：dv路由算法DSDV路由协议：是典型的距离向量的路由协议（⽬的序列距离向量路由协议），在dsdv中，每⼀个移动节点都需要维护⼀个路由表，路由表包含：⽬的节点、跳数、⽬的地序号6、临时按序路由算法（TORA）7、 ZRP（区域路由）：基于区域概念，将整个⽹络划分成若⼲个以节点为中⼼，以⼀定跳数为半径的虚拟区域，每个节点区域是以跳数作为区域半径根据区域划分：区内路由协议(IARP）区间路由协议（IERP）AD-HOC⽹络：临时性、多跳的、⽆中⼼的、⾃组织⽆线⽹络，⼜称为多跳⽹、⽆基础设施的⾃组织⽹1、 ad-hoc的特点1）⽆固定的基础设备2）每个节点具有移动性，可随时保持动态⽅式与其他节点相连3） Ad-hoc中的节点既可⾔是终端（运⾏应⽤程序）；⼜可⾔充当路由器（路由发现、路由转发功能）4）⽹络的独⽴性：⽆需⽹络设备⽀持，只需可⾔接收⽆线信号的设备就可快速建⽴起ad-hoc⽹络，应⽤于突发性的灾难救助、偏远地区通信等5）动态变化的⽹络拓扑结构6）有限的⽆线带宽（通信传输速度低于有限⽹络很多）7）⽹络的分布式特点：⽹络中的部分节点出现问题后，其他节点会⾃动形成新的⽹络进⾏数据传输，不影响原⽹络的正常通信2、 ad-hoc缺点1）⽆线终端的取值范围的有限性2）有限的主机能源3）⽣存周期短4）有限的物理安全：易受窃听、欺骗、数据窃取等⽹络安全因素MANET简介：定义为移动⾃组织⽹络的⼯作组，特指节点具有移动性的ad-hoc⽹络Ad-hoc的应⽤1、么有有限通信设施的地⽅，例如偏远⼭村2、需要突发性的事件中的⽹络传输的地⽅3、适⽤于军事的情报收集（来源于军事部门）4、主要应⽤于各⼤临时性场所的⽹络需求5、传感器⽹络的应⽤6、个⼈通信简述什么是ad-hoc⽹络和MANET⽹络？具有哪些特点？答：1. Ad Hoc⽹络是⼀种没有有线基础设施⽀持的移动⽹络，⽹络中的节点均由移动主机构成。

自组织网络及其路由技术一、背景及概念1.发展历史无线通信网一般都是有中心的，要基于预设的网络基础架构才能运行。

例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有接入点（AP）和有线骨干网的模式下。

但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。

比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。

这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。

无线自组织网络即可以满足这样的应用。

自组织网络技术的研究始于 20 世纪 70 年代。

美国 DARPA 出于军事需要，开始研究分组无线网（PRNET）在战场环境下数据通信中的应用。

项目完成之后，DAPRA 又在 1993 年启动了高残存性自适应网络项目。

研究如何将 PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。

1994 年， DARPA 又启动了全球移动信息系统项目。

在分组无线网已有成果的基础上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，并一直持续至今。

1991 年成立的 IEEE 802.11 标准委员会采用了“无线自组织网络”一词描述这种特殊的对等式无线移动网络。

美国《福布斯》杂志报道了加州大学洛杉矶分校的无线传感器网络的研究项目，指出通过无线传感器网络，我们将实实在在地掌握这个物理世界。

2003年美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪改变世界的10大技术之一。

美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络排名第一。

另外，像 IEEE((ComPuter》等众多杂志也都发表了一些关于无限传感器网络的论文。

我国也非常重视无线传感器网络的研究，中国国家自然科学基金委员会在2003年已经开始对无线传感器网络的研究进行了资助，并于2004年将其列为重点项目。

2005年我国开始传感网络标准化研究工作。

第6章无线网络和移动网络利用无线电信号进行通信的系统。

网络构成、采用的协议都与常规网络不同。

6.1概述无线网络元素。

如图6-1。

·无线主机：可以是固定的或移动的。

·无线链路：连接主机和基站、主机和主机。

·基站：关键部分。

负责协调与之相关联的多个无线主机的传输（向主机发送数据或从主机接收数据）。

多个无线主机通过基站连接、通信，并与更大网络相连。

起着链路层中继的作用。

·网络基础设施：无线主机与之通信的更大网络。

6.2无线链路和网络特征无线网络特点：·递减的信号强度：距离越远，信号越弱。

·信号源干扰：同频段发送信号互相干扰。

·多路径传播：·碰撞检测：发送方可能侦听不到发生的冲突。

受隐藏终端问题和信号衰减影响。

如图6-3。

码分多址CDMA (code division multiple access)基本思想：·给每个节点分配一个专用的信号编码（CDMA代码，码片序列）；·每个节点用其CDMA代码对要发送的数据进行编码；·不同节点可以同时发送，并正确到达接收方（不会互相干扰）。

·CDMA代码组成：一个有M个值的序列，即c1 ,c2,…, c m , … ,c M(每个值取+1或-1)；如图6-4。

分配一个8个值的CDMA代码，为（1，1，1，-1，1，-1，-1，-1）发送方编码：设：要发送的初始数据比特流d n…d i…d1d0·d i为第i个比特值；·每一个数据比特占一个时隙；·数据比特“0”用-1表示；如图6-4，发送比特流01。

0 1CDMA码(-8)/8=-1 (8)/8=1CDMA码编码方法：将要发送的每一个比特依次乘以其CDMA 代码的一个信号比特。

即对第i个数据比特d i，其第m个微时隙，CDMA编码器的输出为：Z i,m = d i×c m·数据比特“1”：直接发送CDMA代码；·数据比特“0”：发送CDMA代码的反码；接收方解码：若无干扰，会收到编码的比特Z i,m，并且恢复初始的数据比特d i：d i = (Z i,1×c1＋Z i,2×c2＋……＋Z i,M×c M) / M将收到的每一个编码比特乘以一个相应的CDMA代码的比特值，累加求和，除以M 。

优化无线自组织网络节点部署的实践经验优化无线自组织网络节点部署的实践经验无线自组织网络（Wireless Self-Organizing Network，简称WSN）是一种无需人工干预即可自主配置和管理的网络。

在部署WSN节点时，我们需要根据一些实践经验来进行优化，以确保网络的稳定性和性能。

以下是一种分步思考的方法，可帮助我们优化WSN节点的部署。

第一步：确定网络需求在部署WSN节点之前，我们需要明确网络的需求和目标。

例如，我们需要知道网络应覆盖的范围、节点的数量以及网络的传输速率等。

这将有助于我们选择适当的节点和部署位置。

第二步：选择合适的节点选择合适的节点是确保网络性能的关键。

我们应该考虑节点的传输范围、功耗、处理能力和可靠性等因素。

根据网络需求，我们可能需要选择具有较大传输范围和较低功耗的节点。

第三步：确定节点的部署位置节点的部署位置对于网络的性能至关重要。

我们应该选择具有良好信号传输的位置，以最大程度地减少信号干扰和衰减。

例如，我们可以选择避免节点之间的障碍物，并确保节点之间的距离适当。

第四步：考虑节点的通信范围和拓扑结构在部署节点时，我们需要考虑节点之间的通信范围和拓扑结构。

我们可以使用无线信号传输模型来估算节点之间的通信范围，并选择合适的拓扑结构来实现网络的连接。

例如，我们可以选择星形、网状或环形等拓扑结构。

第五步：进行节点的测试和优化在部署节点之后，我们应该对网络进行测试和优化。

我们可以使用传感器来收集节点之间的信号强度和传输延迟等数据，并分析这些数据以优化节点的布置。

通过不断调整节点的位置和参数，我们可以改善网络的性能。

第六步：监测和管理网络一旦部署和优化节点，我们还应该定期监测和管理网络。

我们可以使用网络管理工具来监测节点的状态、性能和连接质量，并采取相应的措施来解决问题。

例如，我们可以检测到信号干扰并采取措施来减少干扰。

通过以上步骤，我们可以优化WSN节点的部署，提高网络的稳定性和性能。

无线自组织网的路由协议性能分析1.什么是自组织混沌系统在随机识别时形成耗散结构（什么是耗散结构？系统在远离平衡态条件下, 通过与外界进行交换及组分间非线性关系所形成的一种新型有序组织结构。

）的过程被定义为自组织。

如果一个系统靠外部指令而形成组织，就是他组织；如果不存在外部指令，系统按照相互默契的某种规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构，就是自组织。

2.什么是无线自组织网无线自组织网络即MANET(Mobile Ad Hoc Network)，是一种不同于传统无线通信网络的技术。

传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。

而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。

这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。

但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。

目前，国内外有大量研究人员进行此项目研究。

无线自组织网络(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。

其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。

通常节点具有持续的能量供给。

3.自组织网的无线路由协议路由器提供了异构网互联的机制，实现将一个网络的数据包发送到另一个网络。

而路由就是指导IP数据包发送的路径信息。

路由协议就是在路由指导IP数据包发送过程中事先约定好的规定和标准。

路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。

路由信息在相邻路由器之间传递，确保所有路由器知道到其它路由器的路径。

总之，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。

3.1主动路由主动路由的路由发现策略与传统路由协议相似主动路由的路由发现策略与传统路由协议类似，节点通过周期性地广播路由信息分组，交换路由信息，主动发现路由。