战场通信环境中移动自组织网络路由协议研究

论文摘要

战场通信环境是移动Ad hoc网络的一种很重要的应用背景,在此环境中,要求网络具有更高的整体顽存性、更低的开销和时延、更强的抗干扰能力以及更可靠的安全性能。围绕此背景,论文研究了战场环境下Ad hoc网络路由的能量均衡、拥塞控制、抗干扰性能以及路由安全等问题,提出了相应的改进算法和策略,并通过详细的仿真评测,分析与验证了这些算法的有效性。战场环境下移动自组网的上述背景需求在网络性能上主要体现在分组递交率、路由开销、传输时延以及吞吐量等方面,影响这些性能的因素涉及到网络中从应用层到物理层的多方面内容,其中路由是非常关键的影响因素之一。因此论文首先在典型的战术网络场景下,对移动自组织网络通用的路由协议进行了研究与评估,提出了战场环境下移动Ad hoc网络较优的系统设计方案。此外,考虑到战场环境中存在的通信干扰和网络攻击会对系统性能产生进一步的恶化,因此有效提升网络性能的根本解决方法应该是采用更优的路由协议以及完善与改进协议自身的相关机制,指出了论文研究的方向和侧重点。区域路由协议(ZRP)综合了先验式与反应式两种路由的优点,扩展性很强,是移动Ad hoc网络在战场环境中的一种非常具有应用潜力的路由机制。论文在该协议基础上,分别从拥塞控制和能量均衡的角度,提出了两种新的改进路由算法:基于节点位置与网络密度修正的区域路由(MZRP)以及基于功耗考虑的多径区域路由(EAZRP)。前者利用GPS等定位设备提供的节点位置信息,调整了邻节点发现机制中相关中断的产生频度,并且根据网络密度合理的缩短路由表查询长度,有效的降低了网络的路由开销和平均传输时延。EAZRP算法则是在路由选择过程中引入了多径方式,将数据流随机的分配于可用的多条最优路径上,在业务总量不变的情况下,使得更多的节点分担了数据转发任务。该算法可以有效的降低网络节点能量消耗值的差别(即功耗方差),同时其它的性能指标并没有受到任何损伤。功耗方差的减小使得节点的工作寿命趋于平均,Ad hoc网络的整体生存能力得到了很大的改善。另一方面,通用的移动Adhoc网络很多采用全向天线进行传输,由于符号间串扰以及多址接入等干扰,造成网络性能非常低劣。如果采用波束宽度有限的定向天线,可以有效减少传播信号间的相互干扰,提高系统的空间复用度,而且在相同的发射功率条件下,可以获得更远的传输距离,因此定向天线可以有效的提升网络容量和抗干扰性能。区别于传统的波达方向(DOA)计算方法,论文中利用节点的位置信息对定向天线的波束方向进行调整,有效的减少了计算复杂度。在此基础上,提出了一种抗干扰自组网定向波束调度策略(SDBA),该算法以中间件的形式,对单播的数据报文或选定的控制报文进行定向传输,可以有效提升移动Ad hoc网络在战场环境下的路由性能以及链路稳定性,很大程度上改善了系统的抗干扰能力。对于路由安全性的考虑,已有的算法大多是基于信息加密的方式,实现较为复杂和困难。论文对移动Ad hoc网络中四种典型路由协议的安全攻击进行了分析和仿真评测,得出先验式和反应式路由分别对虚假路由表和Rushing攻击非常敏感的结论,并且针对前者,提出了一种基于位置信息的先验式安全路由策略。该策略利用节点的位置信息判断所接收路由表的可信度,避免了虚假路由信息在网络中的扩散,从而有效的降低了攻击节点对网络性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 研究现状
• 1.1.2 MANET主要研究方向
• 1.2 军事需求背景
• 1.2.1 WIN-T和WNW波形
• 1.2.2 战术互联网
• 1.2.3 SUO-SAS作战系统
• 1.3 本课题所涉及的关键技术
• 1.4 论文的研究内容、创新点及组织结构
• 1.4.1 论文的主要研究内容及创新点
• 1.4.2 论文的组织结构
• 第二章 战场环境中自组网路由协议的分析与评估
• 2.1 Ad hoc网络的体系结构
• 2.2 Ad hoc网络路由技术
• 2.2.1 平面结构的路由协议
• 2.2.2 分簇结构的路由协议
• 2.2.3 地理信息辅助的路由协议
• 2.3 Ad hoc网络在战场环境中的特点分析与研究
• 2.3.1 战场环境下Ad hoc网络的通信特点
• 2.3.2 战场环境下的网络性能分析
• 2.3.3 战术通信网络的服务数据及业务实现
• 2.4 仿真与评测
• 2.4.1 仿真场景说明
• 2.4.2 性能量测
• 2.4.3 带宽64Kbps的情况
• 2.4.4 带宽128Kbps的情况
• 2.4.5 带宽256Kbps的情况
• 2.5 相关结论
• 2.5.1 节点传输距离的要求
• 2.5.2 信道资源对网络性能的影响
• 2.5.3 路由协议的选择
• 2.5.4 优化的网络配置
• 第三章 基于性能改进的自组网区域路由算法
• 3.1 MANET网络中的区域路由协议（ZRP）
• 3.2 基于节点位置与网络密度修正的区域路由算法
• 3.2.1 网络模型和问题表述
• 3.2.2 基于节点位置和密度修正的区域路由算法（MZRP）
• 3.2.3 MZRP算法仿真及分析
• 3.2.4 结论
• 3.3 基于功耗考虑的多径区域路由算法
• 3.3.1 问题表述和建模
• 3.3.2 基于功耗考虑的多径区域路由算法（EAZRP）
• 3.3.3 算法仿真及分析
• 3.3.4 结论
• 第四章 抗干扰无线Ad hoc网络
• 4.1 Ad hoc网络在战场通信环境中的干扰分析
• 4.2 定向天线在Ad hoc网络中的研究与应用
• 4.2.1 天线模型及分类
• 4.2.2 定向通信的特点
• 4.2.3 定向天线应用于Ad hoc网络
• 4.3 基于定向波束的抗干扰Ad hoc调度算法
• 4.3.1 天线增益与波束宽度
• 4.3.2 定向天线的波束方向调整
• 4.3.3 定向天线的有效调度
• 4.4 调度算法的仿真与评估
• 4.4.1 仿真场景说明
• 4.4.2 评估与分析
• 4.4.3 群组移动模式下的性能评估
• 第五章 移动自组织网络的路由安全研究
• 5.1 Ad hoc网络在战场通信环境中的路由安全分析
• 5.1.1 Ad hoc网络路由协议的安全性
• 5.1.2 战场环境下Ad hoc网络的安全需求分析
• 5.1.3 典型的安全路由协议
• 5.2 Ad hoc网络基本路由协议的攻击仿真
• 5.2.1 仿真场景配置
• 5.2.2 FSR协议攻击方法分析和仿真
• 5.2.3 AODV协议攻击方法分析和仿真
• 5.2.4 DSR协议攻击方法分析和仿真
• 5.2.5 ZRP协议攻击方法分析和仿真
• 5.3 先验式与反应式路由的安全性能分析
• 5.3.1 两种类型协议的安全性比较
• 5.3.2 攻击的通信损耗
• 5.3.3 错误路由的传播
• 5.3.4 虚假路由的取消
• 5.3.5 虚假路由的检测
• 5.4 战场环境中Ad hoc网络的安全路由策略
• 5.4.1 基于位置信息的先验式安全路由策略
• 5.4.2 算法描述与仿真评估
• 第六章 结束语
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续工作的完善及展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在学期间参与的科研情况
• 附录 缩略语表