Ad Hoc网络分簇路由协议的研究与改进

论文摘要

移动Ad Hoc网络是由一组带有无线收发信息装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络,不依赖于预设的基础设施而临时组建,通信节点若不在彼此通信范围之内,可借助其他中间节点中继来实现多跳通信。其具有节点对等、分布式控制和自组织性等特点,使之在紧急救援和军事等特殊环境下的应用前景非常广泛。然而,网络拓扑结构动态变化、节点能量有限、链路带宽受限、存在单向信道和有限的安全性,使得传统网络中的路由协议不能运用于Ad Hoc网络,给其路由协议的研究带来了巨大的挑战。平面结构中各节点在路由方面负有完全平等的责任。随着网络规模的扩大和节点移动性的增强,维护路由的信息交换也越来越频繁,导致网络延时增大和网络拥塞。分级是克服以上缺点的常用方式。分级式路由协议网络可扩充性好、路由和控制开销小,易实现网络管理。到目前为止,对于基于分簇的路由协议已有大量研究,并取得了许多成果。本文介绍了Ad Hoc网络的特点和拓扑结构,研究了现有分簇协议的分簇算法和路由机制,详细分析了CBRP协议。其采用的最小ID分簇算法易导致簇头分布不均,且未考虑负载均衡易致使低ID节点消耗更多能量,当低ID节点移动性较强时,网络分簇结构变化频繁,路由开销大大增加,总结目前对CBRP协议的分簇算法的主要改进方案,并介绍了一个改进协议—MCBRP。其采用自适应按需加权的分簇算法AOW替代最小ID分簇算法,在选择簇头节点时考虑节点的能量、邻接簇数、连通性和移动性等因素,在节点低速移动的Ad Hoc网络环境中网络结构变化较慢时,该协议能提高网络的稳定性,减小节点能耗和丢包率。然而在移动性较强、网络结构变化频繁的网络中AOW缺乏鲁棒性,由于节点移动的随机性,反而会加剧拓扑结构变化的频繁性,增加了丢包率和路由控制开销,从而使节点消耗更多的能量。本文在CBRP协议基础上,提出了一种基于蚁群优化分簇算法的分簇路由协议ACRP,旨在提高节点移动性较强、网络结构变化频繁的Ad Hoc网络的性能。ACRP采用一种基于蚁群算法的启发式分簇算法,该算法具有鲁棒性,平衡考虑了节点的剩余能量、邻接簇数和移动性等因素,通过簇头轮换机制缓解了簇头节点的负担、实现了簇头的负载均衡,有效缓解了节点能量消耗过快的问题,使网络中簇的数量相对稳定,增加了网络的稳定性,减小了分组丢失率。同时,在路由算法中,洪泛路由请求分组RREQ时,采用按照斐波那契数列的逐步扩散方式,从而减小了路由请求时的洪泛开销。在NS2仿真平台上建立了仿真模型,通过仿真实验将ACRP与CBRP、MCBRP进行比较分析,证明了其可行性和有效性。最后对论文的研究进行了总结,指出了ACRP协议尚存在的不足,同时提出了有待进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题来源
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本人主要工作
• 1.5 论文组织结构
• 第2章 Ad Hoc网络及其分簇结构
• 2.1 Ad Hoc网路概述
• 2.1.1 移动Ad Hoc网络的定义
• 2.1.2 移动Ad Hoc网络的特点
• 2.2 Ad Hoc网络的分簇结构
• 2.3 Ad Hoc网络的分簇路由协议
• 2.3.1 分簇算法的概念
• 2.3.2 典型的分簇算法
• 2.3.3 分簇路由协议
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于分簇的路由协议CBRP
• 3.1 工作机制
• 3.2 协议操作
• 3.2.1 链路连接状态检测机制
• 3.2.2 簇的形成
• 3.2.3 邻簇发现
• 3.2.4 路由机制
• 3.3 CBRP协议分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 蚁群优化算法概述
• 4.1 蚁群算法的基本原理
• 4.2 基本蚁群算法模型
• 4.3 蚁群算法在Ad Hoc网络通信中的应用
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于蚁群优化分簇算法的分簇路由协议ACRP
• 5.1 问题的提出
• 5.2 相关的研究
• 5.3 基于蚁群优化的分簇算法
• 5.3.1 基本思想
• 5.3.2 数据结构的描述
• 5.3.3 算法描述
• 5.4 路由算法的改进
• 5.5 ACRP协议分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 仿真实验与性能分析
• 6.1 仿真实验设计
• 6.1.1 NS2网络仿真器简介
• 6.1.2 NS2的仿真过程
• 6.2 性能评价指标
• 6.3 仿真结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果