无线自组织网络能量及热点感知的路由协议研究

论文摘要

移动自组织网络（MANET）是由多个移动节点通过无线链路连接在一起的临时网络,不需要任何基建网络设施或者进行集中的管理。无线自组织网络的环境特点是:链路的任意改变,无线介质的不可靠,节点的资源受限,并且网络拓扑结构动态改变.这些特点会导致MANET出现很多故障,包括:传输故障,节点故障,链路故障,路由中断,以及节点或链路拥塞.在这种条件下,设计一个高效的有强鲁棒性的动态路由协议,并且弄懂它们在不同运动情况和负载环境下的性能是非常重要的,也是一项很具挑战性的工作.据据目前文献所知,很多为自组织网络设计的路由协议,没有一个可以在网络状态大幅度变化的环境下高效的运作。这是因为它们缺乏效率,可靠性和鲁棒性。例如:按需路由协议非常适合用于移动自组织网络环境中,因为他们有很低的路由开销.然而,他们采用了洪泛方式来寻找路由,并采用最短路径法发送数据.盲目的洪泛和最短路径法会导致自组织网络的效率和鲁棒性降低。本文设计了能量和热点感知的路由机制,用来确保无线自组织网络的效率和鲁棒性。我们提出了三种技术:1,定向广播协议,用来高效的寻找按需路由。2,网络状态感知路由协议,基于当前的网络状态来调整路由。3,检测和消除网络中可能存在的热点。结合这3个技术我们就可以得到一个高效,稳定的协议。我们通过NS-2网络仿真环境对这三个技术进行了评估。定向广播协议旨在解决由洪泛导致的冗余重发,争用和冲突等网络风暴问题。我们使用的最主要的解决方法是整合定向天线和智能定位的算法。定向天线用来限制广播的范围,即限制重传节点的数目和无线信道的竞争。另一解决方法是边缘感知广播。这样边缘节点被赋予了更高的优先级,可以比邻近的节点更早地去重新广播消息,使邻近的节点在收到多次相同的广播包后,拥有更多的机会去检测消息包是否冗余,并取消重新广播的操作。由于给边缘节点相对邻近节点更高的优先级,使得重新广播的节点分时访问信道,从而解决了竞争的问题。试验结果表明此协议相比其它方法而言有很高的可到达性,并降低了重传次数,优化了网络资源-带宽和功率的使用.此协议非常适合于按需路由协议,用来限制路由发现中的广播范围。网络状态感知路由协议是基于网络的当前状况来调整路由。一个自组织网络在它的生命期里可以经历多个状态,取决于节点的移动,负载流量和资源利用的情况。每个状态都要求一个路由方案,但是目前存在的自组织网络路由协议仅仅针对某一个状态。这就表明当网络进入另外一个状态的时候,这些协议就进入了一个次优化的模式,降低了整个网络的性能。为了满足自组织网络不同状态的需求,我们提出了两个版本的网络状态感知的路由协议,可以基于网络的当前状态来采纳合适的路由选择度量衡。1,针对非理想网络状态的“联合负载与能量均衡协议LEB”。2,同时满足理想和非理想的网络状态的一个扩展的版本“条件负载与能量均衡协议CLEB”。这个机制力求高效率,高可靠性和鲁棒性,可以最好地适用于任何一个动态可变的自组织网络环境中。最后是消除热点的方法,可以检测并去除任何可能出现的热点。由于无线自组织网络动态可变且缺乏中心控制,通常会导致网络负载的分配不均衡。尤其在使用最短路径作为路由选择的度量衡时问题更加突出,会倾向于把负载集中到某些节点上。在热点情况下,一个节点将会出现大量冲突,拥塞以及资源耗尽,产生网络瓶颈使对网络资源的需求超过实际能够提供的。若不解决此问题,将会直接导致进一步的丢包,时延,传输错误和更快的能量消耗。这个现象会降低整个网络的性能。在节点上,热点的检测可以依据高缓冲占用率,丢包率和MAC的过量冲突时延。单独依据其中任何一个是不能精确检测到热点的。但是独立观测这些参数并综合考虑它们将会导致一个复杂的方案。为简化此问题,我们提出了一个简单而高效的热点消除方案,称为HUNT,利用单个节点的吞吐量作为度量衡来准确地判断热点,并维护它和其它邻居节点的关系以确保连通性。HUNT提高了网络效率,可靠性和鲁棒性,可以非常有效地进行多媒体的传输,以及实时和非实时数据的传输。本研究工作来自互联网工程与技术研究中心国家自然科学基金的一个部分,最终的目标是为了确保移动无线自组织网络的效率,可靠性和鲁棒性,并且解决自组织网络广泛使用受限的问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. INTRODUCTION
• 1.1 OVERVIEW OF AD HOC NETWORKS
• 1.2 MOTIVATIONS
• 1.3 RESEARCH CONTRIBUTIONS
• 1.4 THESIS OUTLINE
• 2. AD HOC ROUTING CHALLENGES
• 2.1 AD HOC BROADCAST ROUTING SCHEMES
• 2.2 AD HOC UNICAST ROUTING SCHEMES
• 2.3 AD HOC HOTSPOT MITIGATION TECHNIQUES
• 2.4 SUMMARY
• 3. GRADIENT BROADCASTING PROTOCOL FRAMEWORK FOR MOBILE
• 3.1 GRADIENT SCHEME-MODEL AND METHODOLOGY
• 3.2 GRADIENT SCHEME-PERFORMANCE EVALUATION
• 3.3 SUMMARY
• 4. NETWORK STATE AWARE ROUTING PROTOCOL FRAMEWORK FOR
• 4.1 JOINT LOAD -ENERGY BALANCING LEB SCHEME
• 4.2 CONDITIONAL LOAD-ENERGY BALANCING CLEB SCHEME
• 4.3 SOFTWARE ARCHITECTURE
• 4.4 PERFORMANCE EVALUATION
• 4.5 SUMMARY
• 5. HOTSPOT MITIGATION WITH MEASURED NODE THROUGHPUT IN MOBILE AD HOC WIRELESS NETWORK
• 5.1 HUNT-PROTOCOL FRAMEWORK DESCRIPTION
• 5.2 JOINT LOAD-ENERGY BALANCING + HUNT
• 5.3 PERFORMANCE EVALUATION
• 5.4 SUMMARY
• 6. DISCUSSIONS AND CONCLUSIONS
• ACKNOWLEDGEMENT
• REFERENCES
• APPENDIX 1. PAPER LIST
• APPENDIX 2. PERFORMANCE METRICS ANALYSIS
• APPENDIX 3. MODIFICATIONS TO DSR PACKET AND TABLE STRUCTURE
• APPENDIX 4. SIMULATION OUTPUT DATA FILE