基于多径路由的实时业务的无线多跳接入技术研究与实现

论文摘要

随着信息技术的不断发展,人们对移动通信的需求越来越强。移动Ad hoc网络具有无中心基础设施和允许节点任意移动等特性,尤其适用于缺乏有线网络、需要进行网络快速部署或动态重配置的应用情形,因此对于应急通信及军用网有着特殊意义,例如可以在消防现场,通过布置一个临时的Ad hoc网络,通过消防员身上的背负式终端,将现场视频实时的通过无线网络多跳传输到指挥中心,便于及时、准确掌握现场火灾态势,提高快速反应能力,最大限度地减少损失。本文在介绍Ad Hoc网络的基础上,对Ad Hoc网络的多径路由技术进行分析,并按利用多径路由进行传输的方式,将多径路由分为两类:一种是同时在备份路径上传输相同的数据包,或者采用一条作为主路径,主路径失效,再选用一条备份路径取代,称之为备份(冗余)式多径传输,另外一种是同时使用多条路径来发送不同的数据,称之为并发式多径传输。经研究表明:同时在备份路径上传输相同数据包的备份(冗余)式多径传输在链路质量好的的情况会产生过多的冗余分组导致效率太低,而并发式多径传输在链路质量差的情况需要通过发送大量的冗余分组来提高端到端的可靠传输。因此,以上两种多径传输方式在实现“实时业务无线多跳接入”需求时都存在一定的性能缺陷。为此,本文提出一种新的多路径传输方案:协作式多径传输。通过多条路径上的中间节点的协作来提高端到端的成功投递率,减少冗余和中间节点所需转发的分组数,减少队列长度,从而减少端到端的延时。并针对4个节点的简单网络拓扑,对备份式多径传输、并发式多径传输、协作式多径传输性能进行理论分析和推导,对不同中间节点间链路质量情况下端到端成功投递率和端到端平均发送分组数进行比较,研究表明:在协作节点间链路质量较好,可以进行正确协作的情况下,协作式多径传输拥有比并发式多径传输更好的端到端成功投递率,并且可以比其他两种多径传输发送(转发)更少的冗余分组。最后,本文将协作式多径传输应用于实际网络中。在802.11无线路由器上,搭建了一个基于动态源路由协议(DSR)的网络平台,通过链路状态广播的形式实现了链路质量估计,并在这基础上实现了并发式多径传输,通过引入多播机制和在数据分组中指定协作节点的方式实现了协作式多径传输,进行了室内实际测试,并与并发式多径传输进行实测对比,发现在链路质量较好时,可以进行较好的协作,并降低了端到端丢包率。最后根据测试结果提出了下一步的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究目标及意义
• 1.2 Ad Hoc网络简介
• 1.3 Ad Hoc网络协议栈
• 1.4 Ad Hoc网络关键技术
• 1.5 论文结构及创新点
• 第二章 Ad Hoc多径路由协议及其相关研究
• 2.1 Ad Hoc网络路由协议面临的问题
• 2.2 Ad Hoc网络路由技术的研究现状
• 2.3 对路由协议评价标准
• 2.4 Ad Hoc多路径路由研究现状
• 2.4.1 多径路由的基本概念
• 2.4.2 经典的多径路由协议
• 2.4.3 多径路由的优势
• 2.4.4 多径路由存在的主要问题
• 2.4.5 多径路由的研究方向
• 2.5 本章小结
• 第三章 协作式多径传输
• 3.1 关于协作通信
• 3.2 协议简介
• 3.2.1 源节点的处理
• 3.2.2 中间节点的处理
• 3.2.3 接收节点的处理
• 3.3 理论分析与推导
• 3.3.1 并发式多径传输
• 3.3.2 协作式多径传输
• 3.3.3 备份（冗余）式多径传输
• 3.4 仿真与分析
• 3.4.1 端到端的成功投递率对比
• 3.4.2 为达到一定的端到端的成功投递率所需加冗余对比
• 3.4.3 中间节点间链路对性能的影响
• 3.4.4 仿真结论
• 3.5 对任意拓扑下的协作式多径传输性能的探讨
• 3.5.1 三跳拓扑的端到端成功投递率
• 3.5.2 任意拓扑下协作节点的选择
• 3.6 本章小结
• 第四章 协议实现与测试分析
• 4.1 具体实现的步骤介绍
• 4.2 搭建基于动态源路由协议的无线网络平台
• 4.2.1 在网络层中截获数据包
• 4.2.2 动态源路由协议（DSR）简介
• 4.2.3 DSR分组结构
• 4.3 基本多径路由协议的实现
• 4.3.1 节点独立的多径路由的获取
• 4.3.2 利用多重dijkstra算法搜索节点独立的次短路径
• 4.3.3 解决接收端多径路由引起的乱序问题
• 4.3.4 取消网络层的ACK确认机制
• 4.3.5 链路质量估计
• 4.3.6 实现并发式多径传输
• 4.4 协作式多径传输的实现
• 4.4.1 在 MAC层还是在网络层进行协作
• 4.4.2 多播机制的实现
• 4.4.3 实现协作式多径传输
• 4.5 实现中需维护的数据结构
• 4.5.1 路由缓存
• 4.5.2 发送缓冲区
• 4.5.3 路由请求表
• 4.5.4 重传缓冲区
• 4.5.5 邻居节点表
• 4.5.6 协作缓冲区
• 4.5.7 接收缓冲区
• 4.6 实际测试结果与分析
• 4.6.1 链路质量好的情况
• 4.6.2 链路质量差的情况
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与未来工作
• 硕士期间发表论文和参与项目
• 致谢
• 参考文献