无线移动自组网中路由度量和路由策略的研究

摘要

无线移动自组网是一个由移动节点的集合临时和动态形成的多跳无线网络，它不需要使用任何现有的网络基础设施或中心化管理，广泛应用于救灾、分布式协作计算和战场自动化等场合。自组织、快速部署和无需任何固定基础设施的特点，使自组网作为一个重要的和有前途的研究领域受到极大关注。然而由于节点移动、信号干扰和功率损耗等因素的影响，在自组网中本质上难以得到准确的链路状态信息和网络拓扑信息。另一方面，繁重的业务流量、频繁的链路中断和网络分离将引发传输中断，造成数据包的延迟和丢失。网络拓扑的动态变化和网络资源的缺乏使自适应分布式路由协议的设计极具挑战性。在自组网路由协议的研究中，路由度量的选取和路由策略的采用必须适应网络拓扑和网络资源的动态变化，从而达到提高包分发率、降低端到端延迟和减少控制开销的目的。自组网所具有的无中心、多跳、分布式特性使其路由协议的设计主要面临以下难题：1）如何适应快速、频繁和动态的网络拓扑变化；2）如何有效地处理链路中断，提高包分发率；3）如何减少控制开销、降低端到端延迟并提高吞吐量；4）如何利用不精确信息，实现网络资源的全局最优利用。为解决上述难题，本文的研究围绕以下四个方面展开：1）自组网路由协议综述。在对自组网体系结构进行分析的基础上，从不同的角度对自组网路由协议的研究进行了归纳和总结，分别就单播路由协议、多播路由协议、QoS路由协议展开讨论，指出了各种路由策略所具有的特点和存在的不足，并从路由度量的选取和路由策略的采用两个方面提出了解决思路。2）自组网动态拓扑的性能分析。提出一种基于快照的统计分析方法，对两种不同路由度量（最短路径和基于最短路径的最稳定路径）所对应的网络拓扑的变化规律进行研究。选用平均路径稳定时间和平均路径长度作为性能度量，考查节点密度、运动速度、暂停时间等因素对网络拓扑性能的影响，对不同长度路径的平均路径稳定时间和平均新增中间节点数进行统计分析，获得不同路径长度的分布规律，并对出现概率最大的路径长度所对应的路径稳定时间的分布概率进行研究。结果表明依据不同的路由度量所选择的路径具有不同的变化规律，但新旧最优路径的组成节点差异较小。平均路径稳定时间随路径长度和移动速度的增加而降低，平均路径长度随节点密度的增大而下降。3）基于周期路由更新的主动源路由协议。提出一种按需主动源路由协议ASR，它使用周期性的路由更新机制和主动的无偿路由响应获取最新的网络拓扑信息。每个节点在路由发现阶段和路由维护阶段分别利用接收到的路由应答包和路由响应包获取或者更新到目的节点的多条路径，每条路径与一个过期时间相关联。如果在规定时间内该路由未被使用或者更新的话，将被自动删除，以防止陈旧路由的出现。仿真结果表明，低负载情况下，ASR协议的吞吐量接近理想值，且能提供相对稳定的平均延迟时间。协议整体性能不受节点暂停时间的影响，受节点移动速度的影响也较小，随节点密度的增加性能相反略有提高，仅在高负载情况下性能有所恶化。ASR协议首次在反应型路由协议中使用周期路由更新机制，消除了基于事件触发的路由维护机制在当前路由有效期间无法动态选取最优路由的固有弊端。4）软带宽约束的QoS路由协议。提出一种使用多条不相交路径支持软带宽约束QoS需求的主动多径QoS路由协议AMQR。它使用一种分布式路由发现算法发现多条不相交路径，每条路径指定相关的路径稳定性和网络资源信息。此外，基于周期状态更新的主动动态路由维护算法结合无偿QoS响应来更新网络拓扑和资源信息，帮助源节点在所选中的路由上动态调整业务负载以实现数据分流。同时它利用所获取的路径稳定性和资源使用情况及时发现拥塞节点和不稳定链路，利用备份路径或者预先重路由机制极大限度预防了QoS中断的出现。与ASR协议相比较的仿真结果表明AMQR协议能提供优异的端到端QoS。简而言之，本文认为：理想的路由度量应增强所选路径的存在时间，避免业务流量在中间节点出现瓶颈和造成冲突；路由度量不仅应在路由发现过程中使用，还应贯穿于路由维护的全过程。与此同时，路由协议应该充分利用网络拓扑的变化规律，主动适应网络拓扑和网络资源的动态变化，在路由维护过程中依据路由度量动态发现和维护最优路径。