Ad Hoc网络是一种自组织的无线网络,由不依赖于基础设施支持和控制的自由通信节点组成。因其可以实现快速组网并具有强鲁棒性的特点,Ad Hoc网络已逐渐应用到许多关键场景中,例如战场通信,抢险救灾,增大现有蜂窝网络的覆盖率,等等。因此,Ad Hoc网络被认为是下一代无线通信网络体系的重要组成部分之一。网络性能评估是研究Ad Hoc网络的核心课题,对实际的组网和网络优化具有重要的指导意义,是推动Ad Hoc网络发展、实用化以及商业化的决定性因素。路由协议设计是Ad Hoc网络的关键技术,直接影响Ad Hoc网络的数据传输。良好的路由协议设计可以提高Ad Hoc网络的整体性能。在国家科技重大专项“广域覆盖低成本宽带接入组网技术与应用示范网络开发国”(2012ZX03004002-003),863项目“大规模无线自组织网络的新型路由协议”(2007AA012217),国家自然科学基金项目“基于网络最大流量统计容量的无线自组织网络性能优化技术”(61172079),国家自然科学基金项目,“基于MIMO和协同通信技术的大规模移动自组织网络路由技术”(60972048)的支持下,本文首先对Ad Hoc网络的时延、吞吐量以及开销等主要性能指标进行理论分析,然后基于理论分析结果,提出了几种适用于Ad Hoc网络的路由协议。本文的主要内容和贡献包括以下几个方面：第一部分分析了跳数受限(L≤2)移动Ad Hoc网络的时延性能。在此Ad Hoc网络中,源节点发送多个数据包副本到不同中继节点,利用这些节点的移动性,当其移动到目的节点附近时再将数据包传递给目的节点。首先,将数据包的传递过程建模为一个离散随机过程,计算其状态之间的平均转移步数,得到了数据包从源节点队首传递到目的节点所需时延(即传递时延)上界的闭合表达式,并给出了在传递时延最优条件下的发送副本数f与网络节点数N的关系f=O((?)N)。进一步,基于平均剩余服务时间,对数据包在源节点的排队时延进行了理论分析,从而得到了端到端时延性能。最后,给出数值仿真结果直观地展现时延性能随网络规模和业务负载的变化趋势。第二部分分析了节点缓存受限Ad Hoc网络的容量性能。当网络节点缓存大小为K时,在充分考虑节点间无线干扰和信道竞争的前提下,利用排队理论将节点缓存队列建模为G/G/1/K排队模型。在此基础上,构造了一个完备的理论框架分析了达到网络吞吐量上界的必要条件,以及在此条件下节点缓存队列的平均到达率和服务速率,并推导出单节点吞吐量C随网络节点数目的渐进变化趋势C=O(1-1/K)。进一步,针对对称网络拓扑和非对称网络拓扑,给出了可以实现网络吞吐量上界的调度策略。第三部分针对节点缓存受限Ad Hoc网络,提出了丢包开销的概念,即定义由于接收节点的缓存溢出导致数据包丢失时,之前用于发送此数据包所消耗的带宽为丢包开销。通过分析实现节点缓存受限Ad Hoc网络最优路径的条件,建立了评估其在任意路由策略下丢包开销的理论框架。仿真结果显示现有路由协议仍然具有很大的改善空间以减小丢包开销,提高网络吞吐量。第四部分提出了一组适用于Ad Hoc网络的高效路由协议。首先提出了一种具有业务感知能力的路由协议TACR,它能够利用基于维纳过程的预测方法感知网络业务变化,及时调整路由策略,并通过引入分布式Q学习算法动态调整路由生存期,提高了路由的自适应性。其次,提出了具有端到端拥塞控制功能的路由协议ECCR, ECCR将路径的长度和拥塞状况相结合作为最优路径的选择标准,提高了网络性能。进一步,在ECCR的基础上提出了M-ECCR, M-ECCR结合了单路径路由和多路径路由在网络拥塞控制中各自的优势,是一种混合路径的新型路由协议。最后,在TACR和ECCR的基础上,结合两者的优点,提出一种新的业务均衡认知路由协议NLBCR。NLBCR在利用基于维纳过程的预测方法感知业务的同时,通过对局部现有路径的调整,在尽可能不增加原有路径长度的情况下减少了网络拥塞,并通过重新确认现有路由的有效期来避免不必要的路由发现,降低了控制开销。仿真结果显示NLBCR能够有效的提高网络吞吐量,降低网络时延,并减小网络开销。