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1、-无人机通信链路组网方案设计-第 48 页本 科 毕 业 论 文题目：中小型固定翼无人机组网通信链路方案设计学员姓名：易骁迪学号：仿真工程培养类型：合训类专业：200909012035所属学院：指挥军官基础教育学院年级：2008级指导教员：张代兵职称：副研究员所属单位：机电工程与自动化学院自动化研究所国防科学技术大学训练部制目录目录I摘要iABSTRACTii第一章绪论11.1课题研究背景11.2国内外研究进展2国外无人机系统通信组网发展情况2无人机组网通信技术现状41.3研究内容与组织结构6第二章无人机通信组网关键技术82.1 无人机通信系统简介82.2无人机MANET无线自组网技术9无人机
2、MANET网的特点9无人机MANET网络的典型应用112.3基于MANET自组网的路由协议简介和分析11无线自组网路由协议11无线自组网路由协议的分类13几种自组网路由协议的简介15 性能比较192.4 本章小结22第三章无人机通信组网方案设计233.1各种条件下的无人机组网需求分析23战场无人机网络模型23各种条件下对无人机组网的要求243.2 IP920电台简介253.1.1IP920电台的性能指标25IP920电台工作模式和网络拓扑简介273.3无人机网络模式分析与评估27两种常见的无人机网络模式27各组网模式的优缺点评估293.4 无人机组网方案设计303.4.1 基于几种组网模式和路
3、由协议的无人机组网方案设计30无人机在不同情况下的网络变换准则313.4 本章小结33第四章仿真实验与综合分析344.1实验环境344.2实验内容344.3实验过程及结果分析35不同拓扑结构下的电台数据传输性能分析35不同距离下的电台数据传输性能分析44不同运动情况下的电台数据传输性能45不同节点数量下的电台数据传输性能49不同通视程度下的电台数据传输性能504.4 本章小结51第五章结 论525.1总结525.2未来工作展望53致谢55参考文献57摘要无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器，可以执行多种作战任务。随着作战理
4、念和科学技术的发展，各国军队要求无人机具有更高的作战性能和执行更加多样化作战任务的能力，这对无人机通信组网技术提出了更高的要求，研制新的通信设备、设计新的通信组网方案，实现无人机群的编队自主化和通信网络化是十分有必要的。本文针对MANET无线自组网通信技术进行了研究，提出了战场无人机网络模型，并以此为依据进行了无人机组网通信链路方案的设计，具体工作包括：（1） 需求分析。本文分析了无人机通信网络的特点和要求进行了分析，介绍研究了MANET自组网技术和网络路由协议，对其通信性能进行了比较分析，并建立了无人机战场网络模型。（2） 方案设计。本文针对任务需求，基于组网技术和可能的组网模式，设计了无人
5、机通信组网方案，并对组网方案内部的各组网模式使用条件、模式之间的变换准则进行了设计。（3） 仿真实验。本文结合现有硬件Nano IP920电台进行了网络通信实验，完成了电台各拓扑结构在不同环境下的通信性能测试，并进行了简单的性能分析。实验测试了拓扑结构、传输距离、运动情况、网络节点数量和环境通视程度对数据传输性能的影响。结果验证了组网方案设计的正确性。关键词：通信组网方案；MANET无线自组网；Nano IP920电台 ABSTRACTOn account of the number of Unmanned Air Vehicles (UAVs) in the using field incr
6、ease substantially, the probability of air collision becomes larger. Since UAVs have a remand of expand to a wider space, Federal Aviation Administration(FAA) provide that UAVs should discover the threats and avoid collision like human beings. Perception and avoidance system are the important ensure
7、 of UAVs real-time planning and this technology is the hot spot of the route planning research. Be aimed at avoiding the non-cooperating threat , this paper studies the real-time route planning to plan the feasible route . The main contributions are as follows:(1) Problem analysis . After analysing
8、the UAVs real-time route planning , I build the project model . Then we studies several algorithms and provide a contrast .(2) Algorithm design . After studying Rapidly-exploring Random Trees theory , a modified RRT-based UAV route planning algorithm is proposed . The key point is decreasing the pla
9、nning randomness and keeping the real-time at the same time . Then I realize the algorithm using Matlab .(3) Simulation experiment . Compare the modified RRT with the former RRT . On condition of the simulation of the air collision , I build the model of threat and flight route . The result comes th
10、at the modified RRT can satisfy the problems requirement.KEY WORDS: real-time planning, 3-D route planning, Rapidly-exploring Random Tree第一章绪论1.1课题研究背景无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种无人驾驶、动力驱动、可重复使用的飞行器 Fahlstrom P G, Gleason T J. 著, 吴汉平等译. 无人机系统导论M. 北京:电子工业出版社. 20032 K.Mills.A Brief Survey of Se
11、lf-Organization in Wireless Sensor NetworksJ.Wireless Communications and Mobile Computing.2007,7(7).3 103周逊IPv6-下一代互联网的核心电子工业出版社ISBN：7505389264 Corson S，Macker JMobile Ad Hoc Networking(MANET)IETF,RFC 2501，January 19995 Charles EPerkins，Ad hoe networking，2001，Addison-Wesley,London；ISBN：0-201-309769，
12、823。目前，无人机可执行对空、对地（海）作战任务，广泛使用于情报侦察、通信中继、目标搜索与跟踪和对地攻击等各种作战任务中，并发挥了重大作用。随着无人机系统技术的不断发展，众多功能各异的无人机被广泛应用于各种军事和非军事行动中。无人机先后在美国越战、以色列中东战争、伊拉克战争、阿富汗战争以及当前利比亚“奥德赛黎明”行动等局部战争中大显神威，进一步检验和验证了无人机系统的实战效能。然而随着现代战争对无人机在自主性、智能化、多任务等方面的要求越来越高，原有的无人机的通信组网方式已不能满足现实需要，无人机的作战效能和智能水平已逐渐无法满足军事行动的要求。在这种情况下，对无人机组网方案和组网技术的研究
13、已迫在眉睫，以美国为首的世界各军事强国加快了对无人机通信理论和技术的研究，并取得了一系列成果。然而，由于无人机机身尺寸和载重量的限制，许多大型设备无法搭载到无人机上，致使无人机在智能化的集群行动方面一直进展不大。而设备的小型化暂时难以实现，因此中小型无人机尚无法实现自主编队等要求。所以，基于现有设备，设计新的通信组网方案，实现无人机的自主编队是十分有必要的。对无人机组网方案进行研究需要对两个链路进行设计，即机间链路和空地链路。所谓机间链路的设计，指的是空中各无人机之间的通信链路设计；而空地链路的设计，指的是各无人机与地面指挥控制站之间的通信链路设计。由于机间链路与空地链路各有特点，对数据传输的
14、方法、格式、速率等的要求不同，故其采取的组网方案也有所区别。为应对未来战争的要求，智能化、自组织、抗干扰能力强的组网方案成为了研究的热点和难点。本文研究的具体内容就是基于现有硬件条件，使无人机编队能够快速进行自主的通信组网、拓扑变换及编队协调。现有的遥控与组网技术已不能完全满足无人机实现高等级自主控制的需求，迫切需要研究面向无人机的自主实时行动的一套通信组网方案。无人机网络一般由无人机群和基站组成，采用MANET（移动自组网络）多跳无线网络通信技术，组成无人机通信MANET网络，实时控制无人机群和传输侦察信号，增强无人机的通信能力和抗毁伤能力，将极大增强无人机对战场信息的感知获取能力，提高无人
15、机协同执行任务的能力，以适应未来战争的需求。单无人机作为侦察和监视的有效手段在军事领域的应用已经有较长的历史，但是对多无人机通信组网的研究刚开始不久。组建具有较强信息感知与获取能力、通信能力和健壮性的无人机MANET网络已经成为多无人机通信研究的热点。1.2国内外研究进展对于无人机群的组网方案，目前国内外的研究思路主要是构建无人机群组成的宽带互联网。在宽带互联网中，各个节点兼有主机和路由器两种功能。节点之间通过多跳无线链路来相互进行通信，每个节点在必要的时候都要充当路由器的角色来为其他节点转发数据包。而且，网络中的数据传输方式可以兼容多种数据链，如宽带高速数字多波束中继数据链、卫星中继数据链、
16、通用战术数据链，以及无人机群的无线局域网等。对于超视距无人机群间、或超视距无人机群与地面测控站之间的测控通信方式，可以采用无人机群各子网间的多跳、无人机空中中继或卫星中继方式。卫星中继方式在无人机上的运用已相当成熟，并具有覆盖区域广、传输码速率高、系统简单可靠的优势，但其传输时延大、造价高，最致命的弱点是易受干扰，在和美国、俄国等强国对抗时卫星中继链路的可用度非常低。以中空、高空长航时无人机为空中中继平台的空中中继方式具有成本低、传输时延小的特点，而且可以根据不同的需要采用不同的数据链，因此具有操作灵活、通信快捷的优势，并在目前得到越来越广泛的重视。无人机群各子网之间的多跳传输主要用于传输少量
17、的数据信息，而对于话音、图像等多媒体信息，由于其对带宽、时延、时延抖动的要求较高，QoS的设计将非常复杂，需要基于特定的网络和应用环境进行系统的跨层设计研究。目前以美国为代表的无人机作战模式与无人机战术网络具有以下特点：1、 无人机作战模式仍以单机作战为主。迄今为止，包括美国在内，世界各国的军用无人飞机的活动方式大都保留着单机执行任务方式，其通信方式还处在从通信线路网络向计算机网络发展的过渡过程之中，后方地面控制站直接对单架或多架无人机进行控制，即采用以后方指挥中心为核心的星形控制拓扑结构。换言之，各个无人机之间缺少直接通信、协调、合作的能力，而所有的行动只能通过指挥中心来完成。在这一模式下，
18、后方地面控制站可能：（1） 直接遥控一架或多架无人机：这一模式目前使用的较为普遍，相对成本也较低，但因为地球表面曲率问题，使其遥控距离受限；（2） 间接通过一架无人机作中继对多架无人机实现控制与信息交换：这一控制模式较容易克服距离受限问题，但当中继机被毁时可能影响全局，因此单点抗毁性不强。上述两种控制模式依赖与后方基地的通信联系，对单机自处理能力和应变能力要求较低。但是其缺点是：单机系统一旦受创，或与后方指挥中心通信受干扰或中断将直接影响全系统的工作。随着无人机微小型化使单机被击落后造成的经济损失较小，以及单机处理与应变能力的提高，以机群为基础的作战单元内单机间如果具有可替补性，从而使作战单元
19、的可靠性可以大大提高。如果机群内与后方指挥中心的通信也具有多条途径，则以机群为基础作为执行任务的基本单元的工作模式将会越来越受到重视。显然，这一工作模式将使与后方指挥中心(或中继系统)的信息交换能力可靠性增加，也要可以提高机群执行任务的可靠性。2、 无人驾驶飞机通信系统主体上还停留在解决单机与基地的通信问题的通信网络的阶段。目前美国服现役的Link-16仅属于物理层网络技术，且传输速率较低(最高238Kbps)；。LINK-16数据链提供了一种抗干扰、安全的数字数据传输，采用标准的波形和数据格式，允许进行机动空中通信。但是Link-16的传输速率较低(最高238Khps)，不适应数据传输率要求
20、较高的场合。例如2005年，美国主管FA-22的机构认为：由于LINK-16的带宽有限，无法满足FA-22向外传输大量数据的需求，因此准备转向为“猛禽”战斗机装备的基于“战术目标瞄准网络技术”。近年出现的TTNT网络采用Internet体系结构，并开始使用MANET技术组网，尽管技术尚未成熟，但应当引起我军重视，作为我国发展相关网络时的借鉴。根据美国无人驾驶飞机20052030年发展道路蓝图(USA UAV Roadmap20052030)，美国现役的主要无人驾驶飞机所使用的通信技术如表1-1所示。从表1-1我们可以看出：迄今为止，美国现役UAV的通信技术仍然以单机间、单机与地面指挥中心间的数
21、据链通信技术为主，集群式的组网通信技术尚未得到广泛的应用。无人机型号数据链工作频率RQ一l PredatorBLOS,LOSKu band，CbandRQ一2B PioneerLOS C2C-band， UHFRQ一4 Global HawkLOS(4A),LOS(4B),LOS,BLOS(SATCOM)UHFX-bandKu-band INMARSATRQ一5AMQ一5B HunterLOSC-bandRo-7AB Shadow 200LOS C2LOS VideoS-band UHFCbandRQ一8AB Fire ScoutLOS C2LOS VideoKu-bandUHFKu-band
22、MQ一9 Pzedator BBLOS,LOSKu-bandC-bandI-Gnat-ERLOSC-bandMaverickTBDTBDXPV一1 TernLOS C2，LOS VideoLSband， UHFXPV-2 MakoC2,VideoVHFUHFL-band Video downlinkCQ一10 SnowGooseLOSBLOS C2 LOS VideoL-band表1-1 美国现役无人驾驶飞机使用的通信技术统计表图1-1 用于执行作战任务的部分无人机图1- 1 本课题所使用的中小型无人机“开拓者” 指标参数机身尺寸机长2.2m，翼展2.9m最大起飞重量15kg有效载荷5kg遥控
23、半径3500m有效控制半径30km续航时间120min飞行速度平飞时速80150km/h，巡航速度110km/h飞行高度504000m起降方式滑跑/弹射，滑降/伞降发动机3W 56iB2，97#无铅汽油传感器GPS、加速计、陀螺仪、磁力计、气压计表1- 1 “开拓者”无人机参数1.3研究内容与组织结构图1-2 论文的组织结构论文主要研究的内容包括以下4点：（1）明确无人机通信组网的研究背景和意义，深入学习已有组网方案和组网技术，了解各种技术的适用环境和优缺点，并对这些技术进行总结比较和优劣分析。（2）分析了通信路由协议的选择对组网方案性能的影响,研究了不同路由协议间进行变换时的变换准则。（3）
24、以IP920数传电台为载体进行无人机通信组网实验，分析各组网方案的数据传输性能。（4）将得到的实验结果进行分析，对组网方案的选择和变换准则进行优化。论文组织结构安排如下：第一章 绪论：本章明确论文选题的背景、意义，介绍国内外无人机无人机组网通信的发展现状。第二章 无人机通信组网关键技术：本章介绍了无线自组网及其适用协议，并对本课题所使用的数传电台IP920的工作性能和工作方式进行了介绍。第三章 无人机通信组网方案设计：本章针对IP920电台的技术指标和工作模式设计了几种组网方案，对这几种组网方案的优缺点进行分析评估，得到不同情况下的最优组网方案，并研究了不同组网方案之间进行相互变换的变换准则。
25、第四章 仿真实验与综合分析：本章利用3台IP920数传电台进行无人机组网的仿真实验，并对仿真结果进行分析。第五章 结论：本章是对全文工作的总结以及对未来工作的展望。第二章无人机通信组网关键技术2.1 无人机通信系统简介无人机主要通过数据链进行通信。这种数据链被称为“模块化集成导航通信系统”(MICNS),是一种具有抗干扰(AJ)能力的复杂的数字式数据链。它提供了双路数据的通信方式,具有指挥飞行器(AV)的位置测量功能,可向地面传输传感器数据,能向飞行器发送精确的相对于地面站位置的坐标偏移量,并为之提供导航。无人机的通信数据链主要由下列两部分组成：1、数据链的机载部分,包括机载数据终端(ADT)
26、和天线；2、数据链的地面部分，也称地面数据终端(GDT)，包括地面天线子系统、地面控制站、以及连接地面天线和地面控制站的接口单元。其结构图如图2-1所示图2-1 无人机通信系统结构示意图2.2无人机MANET无线自组网技术移动自组网简称MANET网络(Mobile Ad Hoc Networks) , 又称为移动MANET网络，是由具有无线通信能力的移动节点组成、具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统2。其中每个节点既可作为主机也可作为路由器使用。移动终端具有路由功能,可以通过无线连接构成任意的网络拓扑,这种网络可以独立工作,也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中,M
27、ANET网络通常是以末端子网的形式接入现有网络。MANET网络中,每个移动终端兼备路由器和主机两种功能:作为主机,终端需要运行面向用户的应用程序;作为路由器,终端需要运行相应的路由协议,根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在MANET网络中,节点间的路由通常由多个网段(跳)组成,由于终端的无线传输范围有限,两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信。所以,它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。MANET网络同时具备移动通信和计算机网络的特点,可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。基站和无人机组成MANET网络应当具有以下特点：1、
28、 无中心、自组织无人机网络中所有无人机的地位平等，没有统一的控制中心，是一个分布式的网络构架。无人机可以接收地面基站的控制指令，也可以依据分布式的算法来协调彼此的行为。无人机网络不需要任何的预设的网络设施，可快速展开并且自动形成网络。2、 智能化无人机可以利用人工智能算法对数据和信息进行处理，作出决策。比如当网络中某些无人机失效后，智能化的无人机通过感知网络拓扑状态，从而移动自身的位置，保证网络的持续连通。3、 动态变化的网络拓扑结构在复杂的战场环境下，无人机簇按照预定航迹或者实时控制高速飞行，有时需要一定时间的无线电静默期；或者无人机因为被击毁、能源耗尽、失控等原因而失效；或者由于战场环境的
29、地形影响、天气、敌方干扰等因素的影响；导致无人机网络的拓扑结构随时可能发生变化。并且变化的模式和时间难以预测，因此网络需要高效的路由协议来适应这种动态的拓扑变化，保证数据链路的连通。4、 较高的安全性和服务质量由于无人机MANET网络在军事战场环境下容易遭受干扰、窃听和攻击，并且要求稳定可靠的通信服务质量，以保证对无人机的控制和无人机侦察信号的回传。无人机采用无线信号传输技术，网络带宽较小，再加上竞争无线信道的冲突、信号衰减、噪声等多种因素，使得网络的实际带宽远小于理论计算的最大值。在此，我们比较一下蜂窝移动网络、移动IP和MANET网络之间的差别，以便可以更加深入地了解MANET网络的特点。
30、MANET网络与蜂窝移动网络有一些相似之处：终端用户可以自由移动，用户接入采用无线传输方式，接入速率低等；它和移动IP也有一些相似之处：接入点可变，需要位置管理。但是它们之间更多的是不同点，如表2-1所示：蜂窝网络移动IPMANET网络网络基站及小区位置确定不变，用户可自由移动接入点可变，但用户无法在移动中工作无固定设施，部署方便，所有节点可自由移动静态拓扑的主干网络静态拓扑的基础网络高动态的多跳网络拓扑相对温和的环境和比较稳定的连接稳定的连接强干扰环境和不稳定的连接预先规划，安装后基本固定预先规划，安装后固定不变自组织，随环境变化表2-1 各网络的性能和特点总之，从移动IP到蜂窝移动网络再到
31、MANET网络，用户的自由度越来越大，但是对网络中的用户管理和路由协议的复杂度要求也越来越高。 MANET网络可以在独立的环境下运行，也可以是以通过网关连接到现有的网络基础设施上，如Internet或者蜂窝核心网。在无人机网络中，这个现有的网络基础设施就是地面控制站。 在MANET网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的协同应用程序;另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自己的分组需要进行分组转发。无人机MANET网络典型应用模式主要有3种：战场覆盖、战场延伸和扩展应用。1、 战场覆盖目前侦察无人机
32、还处于应用基站控制单无人机对战场进行侦察、监视的阶段。单无人机通信距离和侦察范围有限，不能对远距离大范围的战场域进行有效侦察。因此，为拓展无人机的侦察能力，可以采用多无人机组成MANET网络实现对整个战场空间的覆盖。图2-2所示的是多无人机组成MANET网络对战场覆盖的示意图。基站节点 无人机节点图2-2 无人机战场覆盖示意图2、 战场延伸战场延伸主要是针对远距离目标进行侦察时，基站到目标的距离超出了单无人机的通信距离，因此需要使用多架无人机中继来传输目标的侦察信号。多架无人机采用链式的网络拓扑结构，应用多跳MANET路由技术将侦察数据转发至基站，大大延伸了无人机能够侦察的距离。图22所示的是
33、无人机MANET网络战场延伸示意图。基站节点 无人机节点图2-3 无人机战场延伸示意图3、 扩展应用无人机网络通过中继卫星或者无人机地面控制基站连入全球信息栅格网络，可作为网络中心战的重要信息获取方式和信息传输通道，传输侦察信号以及转发对地面作战网络的控制命令。图2-3所示的是无人机MANET网络的扩展应用示意图。2.3基于MANET自组网的路由协议简介和分析与单跳的无线网络不同，自组网节点之间需要通过多跳数据转发机制进行数据交换，每个节点都可能充当其他节点的路由器。无线信道质量的不规则变化，节点的移动、加入和退出等均会引起网络拓扑结构的动态变化。自组网路由协议的作用就是在这种环境中监控网络拓
34、扑结构的变更，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，提供网络的连通性。路由协议hi移动节点互相通信的基础。常规的路由协议，如路由信息协议（RIP）和开放式最短路径互连（OSPF）是为有线网络设计，它们的拓扑结构相对固定，不会出现大的网络拓扑结构变化，自组网结构则是动态变化的。若仍使用常规路由协议，则将会在路由发现和路由维护上付出很大代价，而全网路由也可能始终处于不收敛状态。除此之外，自组网不能采用常规路由协议还包含如下几种方面的原因：1、 自组网中主机间的无线信道可能是单向的：2、 使用常规路由，无线信道的广播特性将产生许多冗余链路；3、 常规路由协议路由信息的周期性广播更新宝
35、文会消耗大量的网络带宽。由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰、信道间干扰等多种因素，节点可能得到的实际带宽是远远小于理论上的带宽最大值；4、 无线移动终端的局限性。移动终端在带来移动性、灵巧、轻便等好处的同时，其固有的特性，例如采用电池一类的可耗尽能源提供电源、内存较小、CPU性能较低等要求路由算法简单有效，实现的程序代码短小精悍，需要考虑如何节省能源等。而常规的路由协议通常基于高性能的路由器作为硬件平台，没有上述限制。比较适合移动组网的路由协议有DSR、AODV、DSDV和TORA等。在宽带互联网络中
36、，由于节点不定时的随机移动、加入和离开，会引起网络拓扑结构的动态变化，因此需要设计高效、灵活的动态路由协议，从而达到快速发现路由的目的。根据发现路由的驱动模式的不同，可以将路由协议分为表驱动路由协议(Table Driven Protocols)和按需路由协议(SourceInitiated On-DemandProtocols)；根据网络拓扑结构的差异，又可以将它们分为平面结构的路由协议(Flat Protocols)和分簇路由协议(Clustered Protocols)。目前，适合该网络的比较典型的MANET网网络路由算法有：目的序列距离矢量路由协议(DSDV)、动态源路由协议(DSR)
37、、基于位置信息的路由协议(GEAR)、MANET网络的距离矢量路由协议(AODV)等。这几种协议各具优缺点，适应于不同的工作条件。选择合适的路由协议是设计组网方案的重点，由于无人机的工作环境复杂多变，对不同类型的数据传送的要求也各有不同。在实用中，由于各个子网中的节点数量少、相对位置变化不大，可以采用表驱动方式的路由协议，使各个节点能够实时掌握子网内所有其它节点的路由信息；而在各个子网间采用按需路由协议，通过动态网关或簇头完成源节点到目的节点的路由发现过程。这种分簇的网络结构不仅具有较短的路由发现时间、较少的路由和控制开销，而且还有很好的扩充性。此外，为了保证QoS服务质量，可以采用多径跨层路
38、由协议算法，即以某个或多个度量的路由标准(如延时和带宽)为依据，根据MAC层反馈的信息，如缓存队列长度等，在存在的多条路由中选择出一条满足QoS的最佳路径。由于自组网路由协议对自组网的重要性，它成了研究的一个热点。到目前为止，已经有相当多的标准和草案推出。当前提出的自组网路由协议可依两种标准进行分类，一种是以触发时机进行分类，一种是以网络拓扑结构进行分类。一、 依据触发时机进行分类根据路由出发原理，目前的路由协议可分为三类：1、 基于路由表驱动（Table Driven）的路由协议表驱动路由（又称先验路由、主动路由）继承了传统的路由算法，但在消除路由环路和已过时路由等方面进行了适应于自组网特性
39、的改进。传统有线网络的经典路由算法包括链路状态协议和距离矢量两种。链路状态协议中每个节点都要保存整个网络的拓扑信息以及每条链路的开销，为了使所有节点中保存的路由保持一致，每个节点必须周期性地广播其与周围邻居节点的路由信息，其它节点在收到这些信息时更新网络拓扑，以最短路径算法来计算到达目的节点的下一跳节点。然而，某些节点保存的路由可能因为传播的延迟等原因与实际网络中的状态不一致，这时就可能会在网络中生成路由环路。距离矢量算法也会导致路由环路的生成。路由环路问题在无线环境下表现地更为明显，所以继承传统路由协议的表驱动路由协议需在此方面进行了改进。 表驱动路由协议中无论路由是否被用到，每个节点都要进
40、行周期性地路由信息交换以维护路由表。表驱动路由协议的优点是在有信息传送时不需要等待建立路由，源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。而其在无需通信节点之间的路由维护则浪费了大量的网络带宽。常见的表驱动路由协议有DSDV，HSR，GSR，WRP，FSR等。 2、 按需驱动（On-Demand Driven）的路由协议与表驱动路由相反，源始发的按需驱动路由（又称反应路由）认为在动态变化的自组网环境中，没有必要维护去往其它所有节点的路由。按需驱动路由因其更适合自组网特性，近些年来更被关注。按需路由一般分为路由建立和路由维护两个过程。它仅在需要给目的节点发送报文而又没有去往目的节点路由的
41、时候才按需进行路由发现。因此，路由表是按需建立的，它可能仅仅是整个拓扑结构信息的一部分。它的优点是不需要周期性的路由信息广播，节省了一定的网络资源。缺点是发送数据分组时，如果没有去往目的节点的路由，数据分组需要等待因路由发现引起的延时，不适合于实时性要求高的应用。 常用的按需驱动路由协议有DSR，AODV，TORA，LAR等。 3、 表驱动和按需驱动混合MANET无线网络中单纯采用表驱动或按需驱动路由协议都不能完全解决路由问题，因此，许多学者提出了结合表驱动和按需驱动路由协议优点的混合式路由协议，如ZRP协议。 混合式路由协议在小范围局部区域内使用表驱动路由协议，局部区域间则采用按需路由协议。
42、这样可将表驱动路由协议的周期性广播限定在一个局部区域内，从而减轻由全网广播带来的路由负荷。混合路由协议实现了按需路由协议和表驱动路由协议强弱互补，具有相对低的带宽消耗和路由发现延迟。 二、 依据网络拓朴分类按网络的拓朴结构分，MANET网络路由协议可分为： 1、 平面结构路由 在平面结构中，网络中的所有节点都在同一水平位置并且节点的地位是平等的,彼此之间没有层次概念，不存在特殊节点，路由协议的鲁棒性好，通信流量平均地分散在网络中，此类协议主要用在小型网络中。DSR、AODV、ZRP、TORA、GSR、DSDV等都是基于平面结构的路由。平面结构路由的缺点是当网络规模很大时，可能会导致整个网络都充
43、斥着路由信息报文,网络的可扩展性差。 2、 分层结构路由 当网络变得很大时，如果仅使用平面结构路由，则每个节点要维护的路由信息量很大，路由信息到达边缘节点也将花费很长的时间。对于规模较大的网络，层次结构（基于簇）路由可以被用来解决上面的问题。在层次结构的路由中，网络由多个簇组成，节点分为三种类型：普通节点、簇首节点和网关，处于同一簇的簇首节点和普通节点共同维护所在簇内的路由信息，簇首节点负责所管簇的拓扑信息处理，簇间通过网关通信。分簇结构可以提高网络规模和减少路由开销，可扩展性好，符合人类管理大型系统的习惯，适合管理超大型网络。 分层协议主要包括成簇协议，簇维护协议，簇内路由算法和簇间路由协议
44、。成簇协议解决如何在动态分布式网络环境下使移动节点高效地聚集成簇，它是分层路由协议的关键。簇维护协议要解决在节点移动过程中的簇结构维护，其中包括移动节点退出簇和加入新簇，而簇本身又会随着节点的加入和退出而产生和消亡。典型的分层结构协议有CGSR(Cluster head Gateway Switch Routing) 、CBRP（cluster based routing protocol）等，前者为按需驱动，否则为表驱动。一、DSDV路由协议DSDV（Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）协议通过修改RIP协议而得到，它基于Bellman
45、-Ford算法。DSDV在每条路由信息中加人由目的节点产生的序列号，以避免路由环。 在DSDV协议中，每个节点周期性地广播它当前的路由表（路由信息包括对应于每个目的节点的距离及最大序列号，还包含发送者自身的序列号，每广播一次就自动加1）。每个收到该广播报文的节点将报文中的对应各目的节点的序列号与自身路由表中相应表项比较，如果报文中的序列号较高，则更新自己的路由表，将发送者指定为下一跳，并将距离增加一跳。在序列号相等但是报文中路由距离更小的情况下，节点也要更新自己的路由表。 当一个节点发现链路失效时，它将所有通过该节点转发的路由的距离设为无穷并将其序列号加1。由于更新了序列号，因此这一消息会传播
46、到整个网络。这样所有这些目的路由指向的目的节点都有效地与此节点断开，直到有新的序列号产生并包含新的路由信息。二、HSR路由协议HSR(Hierarchical State Routing)是一种用于分级网络的路由协议，高级节点保存它所有子孙节点的位置信息，沿从最高级的根节点到最低级的叶节点的路径为节点分配逻辑序列地址，可以用序列地址进行节点寻址。三、GSR协议GSR(Global State Routing)协议的工作原理与DSDV协议类似，在该算法中，每个节点维护邻居列表、拓扑表、下一跳节点表和距离表。邻居列表记录所有能侦听到该节点信息的节点列表。对于每个目标节点，拓扑表记录链路状态信息和该
47、信息的时间戳（timestamp），下一跳节点表记录分组转发的下一跳节点，而距离表则记录到达目的节点的最短路径。当链路的状态发生变化时，通过比较报文与本地拓扑表中的目的节点路由序列号大小，决定网络拓扑表的修改，若拓扑表发生变化则广播给其它节点。四、FSR路由协议 GSR协议中，较长的路由修改报文会浪费相当大的网络带宽，针对这一缺陷，FSR(Fisheye State Routing)对GSR进行了修改，FSR的路由信息报文中并不包含所有节点的信息，因此可大大缩短报文的大小。与中心节点的距离越近，信息交换越频繁，每个节点都可获得其邻近节点准确详尽的信息；而随着与中心节点距离的加大，交换频率开始减小，超过节点的鱼眼范围时，信息的准确性降低，但并不影响路由的正确选择。通过这种算法，可大大降低路由修改信息对网络的负荷。这种算法的拓扑组织结构像鱼的眼睛,所以称之为