摘 要
舰船编队自组织网络是Ad Hoc网络技术的典型应用之一，具有拓扑规律性变化、业务流量分布不均衡、特殊的物理信道等不同于一般Ad Hoc网络的特点，这些特点使一般的路由协议很难适应舰船编队网络的应用需要。本论文在现有研究的基础上，以舰船编队网络应用为背景，设计了一个混合式的路由协议，并针对舰船编队网络的突出的负载均衡问题进行深入的研究，提出了一种负载均衡算法。论文的研究工作主要体现在以下几点：
1、设计了一种适用于舰船编队自组织网络的路由协议。协议采取了拓扑变化感知和路由缓存保持策略提高路由质量；引入了多点中继机制限制路由控制分组的广播；融合跨层设计思想减小路由开销。从而降低了协议对网络资源的占用，提高网络的性能。
2、设计了一种简单高效的负载感知方法。在这种方法中，节点用物理信道的忙闲比例来表征网络的负载状态，不仅对网络的负载状态描述准确，而且不需要增加网络开销，具有很好的适用性。
3、设计了一种基于历史信息和概率路由准入的负载调度算法。节点根据历史负载信息和概率算法进行路由准入的判断，完成对负载的均衡调度。算法具有自学习、自适应的特点，在没有增加任何网络开销的基础上，能够对网络中的负载进行动态准确的调度，且算法对各种反应式路由协议都具有很好的适应性。
4、在Qualnet仿真平台上实现了适用于舰船编队网络的路由协议和负载均衡算法，并对协议和算法进行了详细的仿真分析，验证了协议和算法的有效性与适用性。
在Qualnet仿真平台上对协议和算法的仿真表明，论文所设计的路由协议能够很好的适应舰船编队网络的特点，较好的满足应用需要，相比于主流的DSR和ZRP协议，舰船编队网络的路由协议在丢包率、时延和路由开销等方面均具有明显的优势；论文所设计的负载均衡算法能够很好的解决舰船编队网络的负载均衡问题，在网络吞吐量和时延等方面提升网络的性能，性能提升最大分别达到10%和20%。本论文的研究成果对Ad Hoc网络路由协议的研究具有较高的参考价值。
关键词：Ad Hoc网络；路由协议；拓扑；负载均衡；丢包率；时延；吞吐量；
第一章 绪论
1.1课题来源及背景
随着人们对移动通信需求的增大，Ad Hoc网络[1]技术得到了迅速的发展。Ad Hoc网络是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。Ad Hoc网络具有铺设简单、鲁棒性强、不需要基础设施等优点，被广泛应用在抢险救灾、临时会议、MESH网络以及军事应用等诸多方面。舰船编队自组织网络就是Ad Hoc网络的典型应用之一。舰船编队网络中，舰船之间的通信大部分在水面上进行，离陆地较远而无法应用地面上已有的通信基础设施，所以在每次完成任务时，需要在舰船之间建立一个临时的分布式网络，以满足编队舰船之间的通信需要。而Ad Hoc网络的特点特别适合舰船编队网络的应用，能够为舰船编队提供有力的通信支撑。
在Ad Hoc网络中，由于物理信道带宽窄和拓扑变化频繁等因素的影响，路由协议相比有线网络中有很大的不同，Ad Hoc网络中的路由协议的设计面临很大的挑战。而舰船编队网络中的路由协议作为通信网络的重要组成部分，其设计除了考虑一般无线信道的环境特点之外，还要考虑对舰船编队应用所特有的因素带来的影响。
本课题的研究建立在舰船编队网络应用基础之上，论文针对应用的场景特点设计了一种适用于舰船编队网络的混合式路由协议，以满足舰船编队通信的需要；同时，论文分析研究了影响舰船编队网络通信效率的重要问题----负载均衡问题，该问题也广泛存在于其它Ad Hoc网络应用中，并提出一种负载均衡算法来解决网络拥塞导致的网络性能降低问题，同时该算法也具有广泛的适用性。
1.2本课题研究的目的和意义
作为Ad Hoc网络的典型应用之一，舰船编队网络在物理信道、移动模型、流量模型等方面有自己的特征，这些特征使其有别于一般的Ad Hoc网络场景，同时也对路由协议的设计提出了新的要求。所以，尽管国内外学者已经对Ad Hoc网络的路由协议进行了大量的研究，提出了很多适用的、有价值的协议和算法，但是这些协议和算法难以满足舰船编队网络的通信需求、或者说不能很好的适应舰船编队网络。因此，有必要在现有路由协议研究的基础上，针对舰船编队网络的特点设计一个适用于舰船编队网络的路由协议。
研究舰船编队网络的应用特点可以发现，舰船编队网络通信中存在着较为突出的负载均衡问题。通常舰船编队中会有一艘舰船作为编队的指挥，我们称之为旗舰，其它舰船可称之为僚舰。由于旗舰要指挥协调整个舰队的运行与工作，而各僚舰也经常需要把各种信息汇报给旗舰，所以旗舰相对于僚舰具有更大的通信业务量。通信业务上的这一特点使网络中存在明显的负载不均衡现象，旗舰附近网络的负载较重，而其他节点业务量相对较轻。事实上不仅是舰船编队的Ad Hoc网络中存在负载分布不均衡问题，其它Ad Hoc网络应用中也都普遍存在负载分布不均衡问题，而且这些问题绝大多数都与路由协议有关，在路由协议中设计负载均衡算法也成为路由协议的一个重要功能。所以对路由协议中的负载均衡技术进行广泛深入的研究，解决由负载分布不均导致的网络拥塞，具有非常重大的意义。
虽然本课题的研究建立在舰船编队网络应用的背景下，但是论文提出的路由协议同样可以应用在其它类似的具有编队特点的Ad Hoc网络中；同样，论文提出的负载均衡算法也具有普遍适用性，可以用在其它反应式的路由协议中。
1.3相关技术及研究现状
Ad Hoc网络的无中心、自组织、分布式、多跳转发等特点，使它具有无需网络基础设施、可快速临时组网、系统抗毁性强等突出优点，应用前景广阔。移动自组网（MANET，Mobile Ad hoc Network）和无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）是Ad Hoc网络的两个重要分支，面向不同应用。
移动自组网主要面向“人与人”之间的移动通信，最早源自军事移动通信。移动自组网技术的起源可追溯到1968 年的ALOHA项目和1972年的PRNET 网络。1968 年，美国夏威夷大学为了将分布在四个岛屿的七处校园内的计算机之间互连，构建了第一个无线自组网――ALOHA [2]系统。在该网络中，计算机不能移动，相互之间一跳可达。该项目首先研究了共享无线媒介的多站点接入信道问题，提出了著名的ALOHA 协议。1972 年，夏威夷大学在美国国防部预先研究计划局(DARPA，Defence Advanced Research Projects Agency)的支持下，开发了支持节点移动的分组无线电网络PRNET(Packet Radio Networks)[3]。PRNET 允许在一个更广的地理范围内，采用分组多跳存储转发方式进行通讯。PRNET 设计时希望网络的形成无需人工干预，系统能自动初始化和自动运行。这意味着网络节点能够发现邻居节点，并根据这些邻居节点形成路由。
1983 年，DARPA资助进行了具有抗毁性和自适应的无线网络SURAN项目(Survivable Adaptive Radio Networks)[4]。该项目重点解决以下三个关键技术问题：当时的无线通信装置体积大，功率大，成本高；组网算法虽然在小规模网络上得到验证，但是无法支持大规模网络；网络抗电子干扰能力差。该项目研制出低成本的分组无线电电台——LPR。基于 LPR 平台，研究人员提出一种基于分层链路状态路由协议，以支持大规模网络。美国海军研究实验室于 20 世纪 70 年代末研制完成了短波自组织网络 HF-ITF[5] 系统，该系统能够保障海军舰队在 500 公里范围的舰只、飞机、潜艇相互之间进行联网。系统工作在短波频段，是采用跳频方式组网的低速自组织网络。
二十世纪九十年代初期，随着移动通信和移动终端技术的高速发展，Ad Hoc网络技术不但在军事通信领域得到充分发展，而且在民用通信领域也得到应用。因特网的成功推动了将全球信息基础设施扩展到移动无线环境的进程。1993 年，美国国防部启动近期数字无线电台（NTDR， Near-term Digital Radio）[6]计划，目标是研制支持 IP 数据业务的战术无线电台。基于该电台可自组织成两层的Ad Hoc 网络。网络分为若干簇，每个簇由一个簇首和若干簇成员组成，各簇首构成一个骨干网。NTDR 配置到美军旅及旅以下部队战术作战中心，是目前少数的“实际”使用的 Ad Hoc 网络之一。
1994 年，美国DARPA启动全球移动信息系统（GloMo）计划，目标是为移动用户提供信息服务，使移动无线环境成为国防信息基础设施的重要组成。WINGs(Wireless Internet Gateways)[7]是 GloMo 计划中的一个项目，主要目标是在 IP 层完成路由功能，实现Ad Hoc网络与多媒体因特网的无缝结合。各种基于无线和红外技术通信设备的广泛出现和便携计算机的流行，产生了移动终端互连的需求，为Ad Hoc网络的应用提供了广阔空间。1994 年，C.E.Perkins 和D.B.Johnson提出了对个人便携设备进行无需基础设施支持的组网思想，并对相应的路由算法进行了探索。这标志着移动自组网技术开始从军事通信领域转向民用通信领域。
进入二十一世纪后，Ad Hoc网络的一个重要发展方向是无线传感器网络（Wireless Sensor Network）[8]。无线传感器网络主要面向“物与物、人与物”之间的信息交互，是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信息获取者。由于大量微小传感器节点随机分布，每个节点传输功率非常有限，因此只能采用Ad Hoc网络技术进行组网通信。
2001 年，美国国防部预先研究计划局启动 SensIT(Sensor Information Technology)计划[9]，该计划研究的关键技术包括：如何以战场为背景，让传感器节点通过自组织方式完成网络的快速部署；如何从部署的传感器网络收集有用的、可靠的、实时战场态势信息。该计划要求 SensIT 网络具有交互和编程能力，适应动态任务部署和查询；具有多任务能力，允许多用户同时使用；具有精确的感知和跟踪能力。同年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划。目标是在战场上部署大量传感器以收集信息，对相关原始数据初步融合后，再把重要信息传送到各数据融合中心，将大量信息集成战场全景图，提高美军战场态势的感知能力。
2002 年，美国 Sandia 国家试验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。同年，INTEL公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，宣称将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火，乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。目前，无线传感器网络作为信息领域的一个全新方向，引起了学术界的广泛关注。
近年来各国学者在移动自组网和无线传感器网络方面的研究有力促进了Ad Hoc网络的发展，而各种应用系统又对Ad Hoc网络的进一步研究提供了有价值的参考。但纵观现存的Ad Hoc网络系统，其与具体应用的关系都很紧密。每个Ad Hoc系统都有自己相对独特应用背景与特点，这使得Ad Hoc网络系统一般很难直接进行移植使用。针对一个新的应用场景，往往都要根据具体情况来进行网络的规划与设计。而舰船编队网络作为Ad Hoc网络的一个典型应用，其相关研究还处于起步阶段。一方面水面上的舰船通信研究相对较少，另一方面由于组织模式以及物理设备之间的差异，其它Ad Hoc网络系统对于舰船编队网络研究的借鉴意义有限。本课题研究的路由协议为舰船编队网络的建设提供有价值的参考。
1.4论文的主要工作
论文首先总结了舰船编队网络的应用特点，说明为舰船编队网络设计一个路由协议的价值和意义。在对现有研究成果进行总结和分析之后，论文以舰船编队网络应用为背景，提出并设计了一种混合式路由协议；然后针对舰船编队网络中突出的负载均衡问题进行了研究，提出了基于信道负荷的负载感知和基于历史信息概率准入的负载调度算法。最后在Qualnet仿真平台上分别对路由协议和负载均衡算法进行了仿真验证。仿真结果表明论文设计的路由协议能够较好的适应舰船编队网络的特点，在丢包率、时延、协议开销等诸多方面优于DSR和ZRP等现有的协议；论文设计的负载均衡算法能够有效的解决舰船编队网络中负载分布不均带来网络拥塞，显著的提高了网络在吞吐量和时延等方面的性能。
本论文设计的路由协议和负载均衡算法，具有以下创新点：
1、结合舰船编队网络的拓扑变化特点，提出了拓扑变化感知和路由缓存机制，减少路由开销和数据的路由时延。
2、设计了一种基于信道负荷的负载感知方法，能够在不占用网络资源的基础上对网络的负载状态进行准确的映射。
3、设计了一种基于历史信息和概率路由准入的负载调度算法，算法不需要增加任何的开销、不需要改变数据的格式，完全分布式的完成负载的调度，很大程度上避免和减少网络拥塞。第五章 结束语
5.1论文工作总结
本文针对舰船编队网络应用的特点，借鉴现有路由协议的思想，设计了一种适用于舰船编队网络的混合式路由协议(HSRP)，并对其进行了仿真验证，之后又对舰船编队网络中的突出问题----负载均衡进行了研究，提出基于信道负荷的负载感知方法和基于历史信息概率路由准入负载调度算法。仿真结果证明，HSRP协议能够较好的适应舰船编队网络的特点并满足应用的需要，文中提出的负载均衡算法能够对网络中的负载进行有效的均衡。论文的主要工作如下：
1、对Ad hoc路由协议进行了详细、深入的分析，然后从舰船编队网络应用的特点出发，设计了HSRP路由协议。该路由协议的特点包括针对舰船编队网络的移动特点设计的拓扑变化感知功能，针对网络拓扑的变化特点设计的路由缓存保持策略，针对控制分组洪泛采取的MPR洪泛限制等。通过这些针对性设计有效适应舰船编队应用的需要。
2、在Qualnet 仿真平台上实现了HSRP协议，完成了协议的仿真验证。结果证明，该路由协议在舰船编队自组网环境中，性能优于ZRP，DSR等协议。
3、针对舰船编队网络中突出的负载均衡问题做了深入的研究，提出基于信道负荷的负载感知方法和基于历史信息概率路由准入的负载调度算法，并在HSRP协议中实现了该负载均衡算法。在Qualnet仿真平台下证明了该算法的有效性。
论文的研究工作中以下几点对Ad Hoc网络的进一步研究具有一定的参考价值：
设计了一种适用于编队网络的混合式路由协议。协议中采取的拓扑变化感知、路由缓存保持以及路由分组控制策略对具有编队特点的网络具有普适性，在诸多方面提高网络的性能。
提出了一种基于信道负荷的负载感知方法。该方法能够在不增加任何网络开销的情况下对网络的负载状态进行准确的感知，同时不改变分组的数据格式，具有很好的适应性。
提出了一种基于历史信息进行路由准入的概率路由准入算法。该算法不需要增加任何的网络资源占用，能够完成对网络负载的均衡分布，减小网络拥塞带来的网络性能下降。
论文的研究工作虽然以舰船编队网络应用为背景，但是论文中提出的路由协议对具有编队特点的网络具有普适性，同时论文中提出的负载感知方法和负载调度算法对其它反应式路由协议也有非常好的适应性。
5.2下一步工作
由于时间关系和本人能力有限，课题中仍有一些工作有待下一步去完成。笔者认为下一步的工作应包括以下几个方面：
1、在协议中添加Qos保证机制。舰船编队网络中存在多种优先级的服务，所以下一步在HSRP协议中添加Qos保证策略，使协议更适合舰船编队网络的应用。
2、对目标函数中参数的调整加入自适应技术。目前对目标函数中的参数调整是通过手工预设的，下一步希望在其中加入自适应调整技术，使参数的设置能够适应网络状态的变化。
3、期望通过建立一个完整准确的数学模型来研究节点之间的路由准入策略，为协议的研究提供有力的理论支撑。
在学期间的研究成果
[1] 第一作者，一种适用于Ad Hoc网络的基于状态感知的负载均衡路由协议[J]．解放军理工大学学报．已录用。
[2] 第一作者，MANET中基于局部拓扑的暴露终端并发传输算法[J]．北京邮电大学学报．已录用。
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