（交通信息工程及控制专业论文）分组无线网的介质访问控制分析及220B的MAC协议仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着无线通信技术的迅猛发展，无线网络作为有线网络的扩展和补充， 正迅速成为现代军事通信基础设施的重要组成部分。分组无线网以其自组织、 | ：j 恢复能力在军事上得到极大的关注，作为战场上的主要通信手段之一，分 纠无线网正发挥着其他通信方式无法媲美的优势。研究制定出适合我国的军 _ l | 1 分组无线网络标准规范并最终建立适合我军海陆空三军协同作战的战术互 联网络对提高我军作战能力具有重要的实际意义。基于此，本文对分组无线 网络的介质访问控制技术进行了的分析和探讨。 本文首先介绍了分组无线网络的概况，包括：分组无线网络的拓扑结构、 特点、关键技术问题。并对基于分组无线网络的战术互联网络进行了概述。 然后，研究了分组无线网中的介质访问控制( m a c ， m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 的技术问题。分析了在分组无线网中影响接入性能的各种因素，详 细论述了基于美国军标m i l s t d 1 8 8 2 2 0 b ( 以下简称为2 2 0 b ) 的m a c 协 议的工作原理并对r - n a d 、p - n a d 、1 t - n a d 、d a p n a d 、r e n a d 五种算法进行了 比较。为了避免隐藏终端，暴露终端的问题，我们把r t s c t s 握手机制引入 到了2 2 0 b 的m a c 协议中，最后给出了2 2 0 b 的m a c 协议一个实现方法。 此外，通过o p n e t 网络仿真工具建立了仿真模型，模拟了无线环境中， 纯a l o h a 、1 坚持c s m a 、以及2 2 b 的r n a d 和d a p - n a d 四种介质访问控 制方式的工作过程。通过对仿真结果的分析，评估了该协议的网络性能，并 讨论了不同的定时模型参数和仿真参数对网络性能的影响。为掌握2 2 0 b 的 m a c 工作原理，以及分组无线网在军事通信和应急通信场合的应用提供了的 参考。 关键字：m c ：i d i l - s t d 一1 8 8 2 2 0 b 协议；分组无线网络：网络仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s s n e t w o r ka st h ee x p a n s i o na n ds u p p l e m e n t a t i o no ft h ec u r r e n tw i r e dn e t w o r ki s t u r n i n g i n t oa n i m p o r t a n tp a r t o ft h em o d e r n m i l i t a r y c o m m u n i c a t i o n i n f r a s t r u c t u r e p a c k e tr a d i on e t w o r k ( p r n e t ) a t t r a c t sag r e a ta t t e n t i o ni nm i l i t a r y d o m a i nb e c a u s eo fi t ss e l f - o r g a n i z i n ga n ds e l f - r e c o v e r i n gc a p a b i l i t y a sa m a j o r m e a n so f m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n ，p r n e tp o s s e s s e ss o m ea d v a n t a g e st h a to t h e r c o m m u n i c a t i o nm e a n sd o s e sn o th a v e t h ee s t a b l i s h m e n to fo u rm i l i t a r yp r n e t s t a n d a r da n dt h ee s t a b l i s h m e n to ft h et a c t i c a li n t e r n e tt h a tm e e t st h er e q u i r e m e n t s o ft h ec o o r d i n a t i o na m o n gt h en a v y , a r m ya n da i rf o r c e s t h i si so f g r e a tp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v eo u rm i l i t a r yc o m b a tc a p a b i l i t y a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r , t h ea u t h o ri n t r o d u c e dg e n e r a ls i t u a t i o no ft h e p r n e t i n c l u d i n g t h e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e m a i n c h a r a c t e r i s t i c sa n d k e y t e c h n o l o g i e s t h e n t h ea u t h o rc o n d u c t e dar e s e a r c ho nt h em a c p r o t o c o lo f p r n e ta n d a na n a l y s i so fs o m ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fm a c t h e w o r k i n g p r i n c i p l eo fm a cf o rm i l - s t d - 1 8 8 - 2 2 0 b ( a m e r i c a nm i l i t a r ys t a n d a r d ) w a s p a r t i c u l a r l yp r e s e n t e d a n di t sf i v e a l g o r i t h m s ( r n a d ，p n a d ，h n a d ， d a p n a d ，r e n a d ) w a sa n a l y z e da n dc o m p a r e d a tl a s t ，a ni m p l e m e n t a t i o n m e t h o do fm a cw a s g i v e n f u r t h e r m o r e t h ea u t h o re s t a b l i s h e das i m u l a t i o nm o d e lw i t ho p n e ta n d s i m u l a t e df o u rm a c p r o c e s s e s ，n a m e l yt h ea l o h a ，1 - p e r i s tc s m a ，r j n a d a n d d a p n a df o r2 2 0 b p r o t o c 0 1 b ya n a l y z i n g t h es t a t i s t i c a l r e s u l t s ，t h e p e r f o r m a n c eo f m i l s t d - l8 8 - 2 2 0 bw a sv a l i d a t e d t h en e t w o r kp e r f o r m a n c eo f t h em a c p r o t o c o l w a se v a l u a t e da n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tn e t w o r kt i m i n g m o d e lp a r a m e t e r sa n ds i m u l a t i o n p a r a m e t e r s o nn e t w o r k p e r f o r m a n c e w e r e d i s c u s s e d t h ep a p e rp r o v i d e da nr e f e r e n c ef o rg r a s p i n gt h ep r i n c i p l eo fm a cf o r 2 2 0 bp r o t o c o lt o l dt h ea p p l i c a t i o no fp r n e ti n m i l i t a r yc o m m u n i c a t i o na n d e m e r g e n c y c o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ： m a c ，m i l s t d 一18 8 2 2 0 b ，p r n e t n e t w o r ks i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着信息技术的蓬勃发展，人类社会正由工业时代向信息时代推进，由 此引发了军事领域的一场革命一一信息化战争的出现，信息化战争的一个主 要特点就是以信息技术为基础，以战场数字通信为支撑，实现网络的一体化 和信息的收集、处理的自动化。部队将利用信息取得超过敌人的优势，在所 有梯队中，随着指挥官、参谋、分队和士兵，武器平台更加及时、准确、完整 地获得信息，部队将更精悍、更具战斗力。 信息化战争要求通信设施必须为所有梯队提供各种级别的指挥控制和态 势感知数据交换能力，以达到对部队进行支援目的。这些通信设施的集成， 使部队从相对固定的指挥所转向具有高度机动能力的以指挥官为中心的指 挥，为部队提供压倒敌人优势的信息优势，增强并协调其作战能力，实现最 大限度的杀伤力和持续作战能力。为适应现代信息社会三军联合作战指挥的 要求，军用通信网装备必须在不同层次上实现互联互通，为此，美军最早提 出了战术互联网的概念( 战术互联网是以战术电台为传输基础的，通过多网网 关和互联网控制器进行网络互联，为师级部队作战区域提供无缝隙的通信能 力。) 。其设计目标就是实现战场最末端用户之间的无缝连接，它是部队迈向 数字化的第一步。 军事战术通信环境具有一定的特殊性：l 固定的网络节点易被敌方侦听 和攻击，因此，多是移动网络节点；2 战术移动环境下的作战军队需要整体 同步移动的通信网络，以适应作战部队的移动和快速展开：3 战术前沿需要 具有高抗干扰与抗毁性、并具有自愈( s e l f - h e a l i n g ) 能力的移动网络；分组无 线网是在无线信道上采用分组交换技术的新型数据通信网络，实现了移动条 件下的多址访问、自动选择路由、多跳自动中继转发、自动组网开通，由于 具有占用信道时间短、信道利用率高、机动性强、组网灵活迅速、抗毁性能 好、易于动态扩充以及价格较低廉等特点而受到外军的普遍重视。分组无线 网主要应用于战术通信领域，可以作为野战地域网的补充和延伸，直接用于 区域机动通信。在各军兵种内可以组建不同层次的分组无线网并与战术互连 网互连，从而可以方便地解决各军兵种协同通信中指挥自动化信息之间的互 连互通，实现战术用户之间的无缝连接。自七十年代初世界上第一个分组无 线网a l o h a 系统问世以来，经历二十多年的发展，已推出多种窄带的和宽 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 带的分组无线网络，广泛应用于军事数据通信领域。 1 2 分组无线网发展概况 最早研究、开发和采用分组无线网的，是夏威夷大学的a l o h a 系统研 究计划。a l o h a 系统是从1 9 6 8 年9 月开发的无线分时系统开始的，当时在 分时系统中之所以要使用无线信道，是由于夏威夷的岛间通信质量太差且价 格很高。和以前采用电话线路的分组网不同，a l o h a 系统采用了无线信道， 是一种终端访问计算机资源的网络，其中央设备包含中央局和中继器，中央 局负责分组的路由选择控制和同其它网络的结合，中继器用于扩大通信范围。 它的出现开创了一个崭新的通信领域，针对提高分组无线网络性能的各种技 术如网络结构、多址接入以及分组无线网的应用被广泛地研究。 1 9 7 3 年，美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 开始进行把a l o h a 技 术移植到军用战术环境的研究工作，丌发了第一个高速分组无线网d a r p a p r n e t ( p a c k e tr a d i 0n e t w o r k s ) 。这是一种多跳网络，“多跳”是指网络 中的各个节点不需要直接相连，节点之问能够利用接力的方式在两个相距很 远的节点之阳j 传递信息。这样就突破了网络节点之间的距离瓶颈。d a p r a 又在1 9 9 3 年启动了高残存性自适应网络( s u r a n ，s u r v i v a b l ea d a p t i v e n e t w o r k ) 项目。研究如何将p r n e t 的成果加以扩展，以支持更大规模的网 络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1 9 9 4 年， d a r p a 启动了全球移动信息系统( g i o m o ) 工程，研究范围几乎覆盖了无 线通信的所有相关领域，其中，无线自适应移动信息系统( w a s ) 在p r n e t 成功经验的基础上，采用大量新技术，是一种在多跳、移动环境下支持实时 多媒体业务的高速分组无线网。网络采用全分布式控制，节点可以自适应组 网、分群，组成一个两层结构的分层分稚式网络；群内节点使用t d m a 方式 接入网络，不同群的节点使用s s c d m a 技术加以区分；不相邻群使用的 扩展码可以复用，这样整个系统只需要9 个征交码就可实现c d m a - - t d m a 结合的组网方式：网络层提供数掘报和虚电路两种服务来支持多业务传输。 g i o m o 系统下的另一个研究计划w i n g s ，是为了解决无线i n t e r n e t 网关之 间的分布式组网问题，也是一种全分柿式控制的多跳高速分组无线网形式。 美国d a r p a 的p r n e t 是最早的分组无线网，对分组无线网的发展起到奠基 性作用，p r n e t 发展经历了从e p r 到l p r 、u p r 、s p r 的发展经历。它所 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 积累的经验对世界各国发展分组无线网产生了深远的影响。 除了美国陆军，美国空军、海军也开发了自己使用的分组无线网，如空 军研制了一种采用慢跳频抗干扰的、用于飞机间传输数据的分组无线网，其 传输速率为1 0 0 一2 5 0 k b p s ，其目的是在飞机之问共享导航和目标信息，并支 持分组语音通信。美国海军研究实验室( n r l ) 干7 0 年代末研制并完成著名 的短波自组织网络h f i t f 系统。是采用跳频方式组网的低速分组无线网。 h f i t f 是根据海军特遣舰队的实际要求而设计研制的，工作在短波频段， 采用a l o h a 信道接入方式，用于把5 0 0 公里范围内的舰艇、飞机、潜艇联 成一体。 英国、澳大利亚、挪威和法国等电都积极研究适合军事应用的分组无线 网。如英国的战斗无线网( c n r ) 和澳大利亚国防部1 9 9 3 年研制的短波战 术无线网( t p r n ) ，可支持语音、图像、传真、x 4 0 0 报文和文件传输等综合 业务传无线网( t p r n ) ，可支持语音、图像、传真、x 4 0 0 报文和文件传输等 综合业务传输，并可以和b i s d n 互连；挪威陆军干1 9 9 0 年研制的t a d k o m 战术通信系统采用新型窄带扩频体制。近几年来，外军在分组无线网的发展 策略上出现了重视高速分组无线网的发展同时也不忽视低速分组无线网完善 和发展的状况。 此外，在民用领域，美国南加州大学i i j 业余无线电小组研制的分组 无线网，其传输速率达到l m b s ，工作频段为4 0 0 5 0 0 m h z ，系统带宽为 6 m h z ：瑞典的s o f t n e t 多跳分组无线网，工作频段4 3 0 m h z ，数据传输速 率为1 0 0 k b s ，信道带宽为2 0 0 k h z 。 1 9 9 8 年1 月，美国国防部提出m i l s t d 1 8 8 2 2 0 b ( 论文的以下部分简 称为2 2 0 b ) 低速分组无线网标准，体现了美军未来军事通信发展的战略意图， 对低速分组无线网络的发展具有重要的指导意义。该标准对所需的进程、协 议、参数以及d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t ) 和d c e ( d a t ac i r c u l a t e t e r m i n a t i n ge q u i p m e n t ) 之间的接口进行了详细的觌定和说明，满足该标准 要求的d m t d ( d i g i t a lm e s s a g et r a n s f e rd e v i c e ) 设备可以通过普通军用无线 电台快速组成一个分布式控制的分组无线网络，性能十分优异。美国正在研 究的s l n c g a r ss i pi p 网络就是按照这个标准设计的分组无线网。2 2 0 b 协 议是军队数字化的重要指导性文件，以2 2 0 b 协议为基础，自主丌发战术互 联网络关键技术与设备将是军队数字化部队和数字化战场建设迫切需要解决 的问题。研究2 2 0 b 协议中的介质访问控制，对在野战无线条件下提高数据 传输速率和信道利用率具有非常重要的军事意义和现实意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 国内自1 9 8 9 年正式列项丌展分组无线网的研究，国内一些高校也开展了 有关的专题技术研究( 如路出选择，自组织算法等) 。电子部三十所，电子科 大、西安电子科大以及电子部七所参加的课题组经过两年的努力，于1 9 9 2 年初进行了分组无线网技术鉴定，基本掌握了分组无线网的关键技术，达到 了国外同期先进水平，“八五”以后在丌展高速分组无线网技术研究的同时在 提高网络的实用化方面驳得了很大进展。 1 3 本文研究的主要内容和所做的工作 本研究课题是某科研所的战术互联网络研究课题中的一部分。该课题的 重点是分析分组无线网络各层协议技术难题，参照国外的m i l s t d 18 8 2 2 0 b 等相关标准结合我国军事环境的特殊性，制定出适合我国的军用分组无线网 络统一标准，并最终给出一套实现方案应用于实际。 本文针对分组无线网络中底层协议所涉及的关键技术多址接入协议进行 了分析。并且利用网络仿真工具仿真了2 2 0 b 的多址接入过程，仿真结果验 证了该协议。 本论文的内容安排如下： 第二章介绍了分组无线网络的概念及拓扑结构。分析了军用分组无线网 络的特点及关键技术。 第三章分析了分无线网络中影响网络接入性能的因素。对比了几种改进 型c s m a 协议。 第四章重点研究了2 2 0 b 的m a c ( 介质访问控制) 协议工作原理并比较了 五种n a d 算法，最后给出了一个实现办法。 第五章阐述使用网络仿真工具o p n e t 建立了仿真模型，分析仿真数据， 最终验证2 2 0 b 的m a c 协议。比较了四种协议的网络性能，分析了定时模型 参数对网络性能的影响。 最后总结论文的研究成果，并指出了有待进一步探讨的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章分组无线网络及在战术网中的应用 2 1 分组无线网概念 分组无线网络( p r n ) 广义的晚是将分组交换技术应用到移动无线环境 下的一种网络技术， 分组无线网的分类方法很多，有按频段区分的，有按传输速率区分的， 也有按网络结构区分，还有按用途分是军用还是民用区分的。按带宽可分为 低速无线网络和高速无线网络( 该网络工作于u h f 频段，采用扩频抗干扰通 信方式) ，支持高速数据通信( 数据速率可高达2 m b p s ) 。分组无线网按网络拓 扑结构方式可以分为三种：集中式、金分布式和分层分布式。传统的无线网 络又称中心结构网络，一般都采用基站支持才能完成遗信，移动台并不具备 组网和控制的能力，如商用蜂窝移动通信系统。集中式的网络结构在早期的 d a r p a 分组无线网中采用( 使用集中式的路由选择服务器和集中式网络管 理) ，但由于其抗毁能力和对移动性的适应性能较差。目前在军用分组无线 网中已很少采用，而全分布式和分层分布式网络结构比较适合于军用分组无 线网。a dh o c 网络是典型的分布式网络，i e e e 在开发i e e e s 0 2 1 l 标准时把 孤立使用的分组无线电网络称为自组织无线网络( a dh o cn e t w o r k ) ，而把 互连使用的无线网络称为多区无线网络( i n f r a s t r u c t u r e n e t w o r k ) 。所谓的， a dh o c 一词来源于拉丁语，是“特别地，专门地为某一即将发生的特定目标、 事件或局势而不为其他的”的意思。这甩提出的“a dh o c 技术”所标称的就 是一种无线特定的网络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念，所以 国内一般把基于a dh o c 技术的网络泽为“自组网”，或者“多跳网络”等 等。 2 2 分组无线网络拓扑结构 2 2 1 基础结构集中式或中心辐射式网络 在基础结构拓扑中，固定( 有线) 基础结构用来支持移动终端与固定终 端之间的通信。图2 1 给出了在单个b s a p 情况下的基础结构网络的基本工 作情况。b s a p 用作网络中心，移动终端位于辐射的末端。任何无线用户与 另一个无线用户台之间的通信，即同等人之问的通信，都要通过b s a p 中心 站。通常传统应用的无线网络是一跳无线网络结构，典型的代表是蜂窝系统 和无线局域网( w l a n ) 。而在许多方面，如抗灾、救援、探险和军事行动等 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 需要建立快速部署、灵活多变的通信系统时，就不得不使用无线节点无线节 点类型的通信网络，即山无线节点作为中继节点传输一跳发送所不能完成的 通信。 ，$ ，。 一? 移， 。 ， ，。、汐 、 w l m 。l h w ， 、 ，t ， 鬈 i d ： j “j l - ； j。， 汐 f “譬 圆 图2 - i 具有基础设施的无线网络的体系结构 2 2 2 全分布式网络 这种网络中的分组无线电设备具有相同的功能，无中心控制站，每个节 点具有足够的处理和存储能力，可以随意加入网络和动态移动，独立收集和 维护有关网络的信息，例如与相邻节点通过信息交换确立链路的连通性。建 立路由表，并依此进行分组的交付和转发。网络的信道访问、路由计算和网 络管理控制均由各节点协同实现。 k 强、 ，= “”锣一锣 、b 强、一“ 通罗囊矽 。：圆 ； 、 ” u 、 ， 冒。，强? 融 t 、，、_ 。 图2 - 2 分布式分组无线网络的体系结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 全分布式网络结构的优点是：组网灵活、迅速：各节点功能相同，便于 设计、生产、替换和维修；能适应网络拓扑的动态变化，有较好的网络坚固 性和抗毁性：有利于实现自动网络管理等。但是分布式网络结构中由于每个 节点需要保存和处理与全网有关的信息，当网络节点数增加时，每个节点用 于存储和处理增加的信息能力将会受到限制，因此在节点数很多的大网中采 用这种分布式结构便不可能。 2 2 3 分层分布式网络 分层分布式网络结构是一种集中和分布式相结合的网络结构。在分层网 络结构中，节点分成三种类型：普通节点、群首节点以及中继节点。网络是 由多层组成的，第一层由若干普通节点组成，称为群，在群中有一个群首节 点：第二层由许多群的群首组成，称为超群，在超群中有一个超群首；第三 层由这些超群首组成，依此类推，可以构成任意多层的网络( 如图2 3 所示) 。 在节点数很大的网络中采用这种结构的优点是使每个节点需要交换和存储的 信息量可以少得多。为了实现不同群中两个节点之间的双向通信，每个节点 只需知道它们所属群中的各节点，它们的超群中的其它群和它们的超超群中 的其它超群的有关信息。 图2 - 3 分层分布式网络体系结构 分层结构在以下几方面改进了网络的性1 1 ：减少了网络中控制分组的长 度和数量；由节点计算的路由路径短，不会超出相邻群的范围；群问路由相 对较稳定，很少出现路出循环和失效故障。另外为提高网络的抗毁能力，每 个节点都可以属于多个群，每个群可以属于多个超群，每个超群可以属于多 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 个超超群。由于具有以上特点，因此分层结构适应于建立较大规模的分组无 线网。 分层结构便于分层管理和控制，并且与部队建制和上下级归属关系一致， 符合战斗环境下自上而下下达指挥命令和自下而上收集情报的信息流特征， 因此适合部队数据通信对网络结构的要求但上述完全的分组无线解决方案 中群的划分困难，群首节点的实现复杂丽且与其他数据网络的互连不方便。 随着战术互连网的发展。也可以结合i p 技术柬实现大规模的数据通信网络， 这样可以方便地实现舰艇间无线数据网络与舰艇内有线数据网络的互连互 通，能充分利用现有成熟技术，提高系统的可靠性和适用性。 2 3 军用分组无线网络特点及关键技术 由于军事环境的特殊性，军用分组无线网主要采用分东式网络结构或者是 混合式的分层分钷式网络拓扑结构，以下讨论此种网络的特点和关键技术。 2 3 1 军用分组无线网络的特点 军用分组无线网( 指a d h o c 网络) 与普通的移动网络和固定网络相比， 它具有以下特点： 无中心：网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对 等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整 个网络的运行，具有很强的抗毁性。 自组织：两络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过 分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动 地组成一个独立的网络。 多跳路由：当结点要与其覆盏范围之外的结点进行通信时。需要中间结 点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，该网络中的多跳路由是由普通 的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备( 如路由器) 完成的。 动态拓扑：分布式网络是一个动念的网络。网络结点可以以任意的速度 和任意方式在网中移动也可以随时丌机和关机，加上无线发送装霹发 送功率的变化、无线信道问的相互干扰因素、地形因素等的影响节点 间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会发生变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 3 2 军用分组无线网络的关键技术 军用分组无线网络在体系结构、网络组织、协议设讲等方面都与普通钓 蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。然而，传统网络中对连 接性和业务传输的基本需求，在军用分组无线网络中也同样需要得到满足。 目前关于军用分组无线弼络研究中钓主要难点商韪为路由协议、驻务质量、 m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议、能量消费、节点移动性管理、安全性问题。 2 ，3 2 1 介质访河控制( 辅a c ) 通信网络中的信道共享方式一般有三种：点对点、点对多点和多点共享。 点对点是最简单的共享方式，两个结点可以共享一个信道( 有线或无线) 。点 对多点共享一般用于有中心站控翩的无线信道，侧如蜂窝移动通信系统的无 线信道。在这种方式中，终端( 如移动电话) 在中心站( 如基站) 的控制下 共享一个或多个无线信道，所有终端均处在中心站的覆盖范围内。多点共享 指多个终端共享一个广播信道，以太网就是最典型的多点共享方式，在多点 共享方式中，一个终端发送报文，所有的终端都可以听到，即相当于一个全 互联的网络我们称这种共享方式下的信道为一跳共享广播信道。 军用分组无线网络的信道共享方式与它们不同。虽然军用分组无线网络 的无线信道也是一个共享的广播信道，但它不是一跳共享的。因为当一个结 点发送报文时。只有在它覆盖范围内的结点( 称为邻居) 才能够收到而覆 盖范围外的结点则感知不到任何通信的存在。这恰恰也是军用分组无线网络 的优势所在，发送结点覆盖范围外的结点不受发送结点的影响，它们也可以 同时发送报文。我们称军用分组无线网络的共享信道为多跳共享广播信道。 多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与结点所处的位置相 关。在一跳共享的广播信道中，报文冲突是个全局事件。所有结点要么都收 到正确的报文。要么都会感知到报文冲突。丽在分组无线鼹络中，报文冲突 只是局部事件，并非所有结点都可以感知到。一个结点正确收到了一个报文， 该报文可能会在另一个结点处发生冲突。也可能报文在接收结点处发生了冲 突，丽发送结点丝毫觉察不到。也就是说发送结点和接收结点感钰戮鹊信道 状况不一定相同，由此将会带来隐减终端、暴露终端等一系列的特殊问题。 由于军用分组无线网络特定的信道菸享方式，基于点对多点共享信道和 一跳共享广播信道接入铷议无法被嘲络直接使用，需要为它设谒一专用的信道 接入协议。信道接入协议是报文在信道上发送和接收的直接控制者，它的行 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 为对网络的性能起着决定性的作用。因此，信道接入咖议一直是军用分组无 线网络技术的研究重点之一。在第3 章我们将详细的探讨m a c 协议的技术 问题。 2 ，3 2 2 动态拓扑 军用分组无线网络巾龅结点不仅可以自由移动还碍以髓甜歼梳私关杌。 这将造成网络拓扑的动态变化。考虑到军用分组无线网络的多跳特性，结点 要有报文转发功能，这要求结点实现相应的路由协议。传统的基于因特网的 路出协议是为稆对稳定鸽网络拓羚而设计韵，它们无法满足快速变化拓扑网 络的需要。因此，路由协议也成了军用分组无线网络的研究特点。 现有的军用分组无线网络路由协议可以分为先应式( p r o a c t i v e ) 、反应式 ( r e a c t i v e ) 和混合式三种。先应式路由协议又被称为表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由协议，它通过连续地检测链路质量，时刻维护准确的网络拓扑和路由信 息。其优点是发送报文时可以立即得到正确的路由缺点是丌销太大。反应 式路由协议( 又称为按需路由) ，并不时刻维护准确的路由信息，仅当需要时 才查找路出。其优点是降低了路由维护的丌销，缺点是查找路由会引入较大 的时延。结点先应式和反应式特点的路山协议称为混合式路由协议。它在局 部范围内使用先应式路由协议，以缩小路出控制消息传播的范围。当目标结 点较远时，通过查找发现路山。这样既可以减少路山协议的开销，时延特性 也撮到了改善。 目前研究的最为深入的表驱动路由协议为d s d v r d e s l i n a t i o ns e q u e n c e d i s t a n c ev e c t o r ) ，按需路由协议为d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 。其中d s r 路由协议已经在装有l e e e 8 0 2 ，j lw a v el a n 笔记本电齄组成的a dh o e 网络 中实现。虽然已经取得了一定的成果，但仍有很多问题没有解决。 z ，3 2 3 其他问题 安全问题：军用分组无线网络面i 临的安全性威胁来自无线信道和网络。 无线信道容易被窃听和干扰。此外，无中心和自组织的网络组织形式不仅容 易遭受冒充、欺骗等形式的攻击。还对网络匏安全体系结毒每提出了薪的要求。 需要研究适用于军用分组无线网络的安全体系结构和用户认证、加密等安全 技术。目前，针对军用分组无线网络安全的问题已丌展了一些研究，但还没 有较完善的解决方案。 电源问题：作为移动终端的军用分纽无线网络结点一般采用电池供电， 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 1 页 这与普通的网络设备使用电源线供电有着显著的差异。为了延长电池的使用 时间，在设计网络协议时，要尽量节约电池的电能。这可以通过功率控制和 在适当的时候关闭发射机来实现。 协议设计：军用分组无线网络使用无线通信技术。与有线信道相比，带 宽窄，信道质量差。这对协议的设计提出了新的要求。为了节约有限的带宽， 军用分组无线网络协议设计的原则要尽量减少结点闻交互的信息量，此外， 由于无线信道的衰落、结点移动等因素会造成报文冲突和丢失，这将严重影 响t c p 的性能。因此，在军用分组无线网络中要对t c p 的传输层服务进行 改进，以满足数据传输韵需要。 网络管理：军用分组无线网络的自组织网方式也给网络管理提出了新的 要求。不仅要对网络设备和用户进行管理，还要有相应的机制解决移动性管 理、服务管理、结点定位、地址配置等待殊问题。 2 4 基于分组无线网韵战术互联溺 战术无线电互联网是备战术无线电台网络通过商用的t c p i p 协议互联 构成的无线数据网络，为陆军师作战地域内的各应用系统提供可靠的公共数 据通信平台。通过网络互联，可为集团军和师之间提供通信保障。该网络是 部队机动作战指挥和协同作战的基本通信保障手段。 从上面的比较分析，战术电台互联网的网络结构采用分层分布式能够满 足战术使用对网络移动性、抗毁性、用户数量大、组织运用灵活、覆盖范围 广、维护升级容易、快速部署的要求。如图2 4 所示的战术电台互联网采用 两层分布式网络结构： ( 1 ) 子网层：主要提供面向用户的数据服务，由多个子网构成能够接入 大量用户； ( 2 ) 骨干网层：主要提供网络互联功能。 这两层中每一层都是分布式自组织网络，各节点功能相同、地位平等，其有 多跳动态路由功能。 战术电台子网主要由通用战术无线电台、互联网控制器、战术互联网终 端组成，与战术互联网网关、陆军位置报告系统、网络管理系统等设备组成 战术无线电互联网的装备体系。 带有互联网控制器的战术电台和通用战术电台采用分布式高效无线多址 接入协议和抗摧毁的路由算法，为各专业系统提供无线电数据通信网络。互 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 联网控制器和通用战术电台装备到团、营、连级单位，根据作战需要可以装 备到更低级的作战单位。 图2 - 4 基于分组无线网的战术互联网拓扑结构 互联网网关用于陆军位置报告系统构成的高速干线无线电台数据通信网 与各专业无线电通信网联接构成一体化韵战术无线电互联网以及战术无线电 互联网与野战综合业务数字网等其他网络的连接。互联网网关装备到师、团 和营级单位或嵌入到各电子信息系统之中，为其提供无线电数据网络服务。 陆军位置报告系统构成从师后方到营连级作战前沿的栅格状抗干扰高速 干线无线电台数据通信网，为各专业子网互联提供基础网络。在通过自组织 路由算法传输数据的同时，具有多边形定位功能，为各种应用提供精确的定 位信息。陆军位黉报告系统的主控设备装备到师级单位，定位终端装备到团、 营等需要定位信息的作战单位以及嵌入到电子信息系统或大型武器平台中 ( 如坦克、飞机等) 。 战术无线电互联网为机动作战部队、战斗勤务支援和指挥控制平台之间 提供无缝隙的战场态势感知和指挥控制数据交换，是实现数字化战场的基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l3 页 可在师( 旅) 级作战地域内横向和纵向传送数据，并通过野战综合业务数字网 ( 或地域通信网) 连接到上一级和有协同关系的指挥所或部队达成纵向和横 向的通信联络关系，将增强了指挥员、参谋、部队、士兵和武器平台对指挥 控制数据的共享，其结果增强了近实时的态势感知能力和作战能力。 2 5 本章小节 本章主要介绍了军用分组无线网络的基本概念、拓扑结构、特点、以及 研究军用分组无线网络的技术难点问题。这些问题涵盖了网络组织、协议设 计、网络运行维护的方方丽面。需要进行专门的研究才能解决。针对军用分 组网已经开展了大量的研究。目前的研究方向主要集中在信道接入协议和路 由协议等方面。现有的研究成果都有它特定的使用环境，对很多问题而言， 寻找一个通用的解决方法是非常困难的。目前，针对网络安全、广播和多播 的支持、服务质量保证、网络管理、网络互联等问题都开展了一些初步的研 究，但还未有完善的解决方案。这为分组无线网络技术的深入研究留下了非 常广阔的空间。在后面的章节将详细分析分组无线网络的m a c 协议的技术 目题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章分组无线网的介质访问控制 3 1 分组无线网络中影响m a c 性能的因素 由于分组无线髓络传输信道鹋特殊链，造成信号强度的动态范围菲常大 这就使发送站无法使用冲突检测的办法来确定是否发生冲突。出现了诸如隐 藏终端、暴露终端等问题。使得在无线网络下使用c s m a 的效率下降。但是 应该看到，在不发，主干扰钓情况下，可以允许溺时有多个站点进行通信，也 会产生信道空分复用的情况，这将提高信道的利用率。另外，与接收节点距 离不相同的若干个发送节点同时发送时由于到达接收节点的信号强度不同， 强度最强酌信号有可能被捕获，并不象在传统分祈中那样若超过两个节点同 时向一个节点发送就一定会失败。这也有利于信道利用率的提高。下面将详 细描述这些因素。 3 。1 1 隐藏终端 隐藏终端的描述实际情况中造成隐藏终端的原因主要有两种，一是源站 点发出的信息由于无线信道中的噪声干扰和衰落等因素造成目标站随机性地 无法侦听到源站点的发送，我们将其称为非永久性隐藏；另一是由于障碍物 使目标站点无法收到源站点发出的信息，称之为永久性隐藏。( 如图3 l 所 示) 。它所带来的问题就是：a 向b 发送报文。c 听不到a 的发送。c 也发送 报文时在b 发生碰撞。它又分为隐发送终端和隐接收终瑞两种。 i ：。陋困 ， ，x 、 l 隐终端【 ，、 、。l 缸茹一 、 ，j ， - j ：一二：一：_ 二：一一 圉3 - - i 隐终端 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 1 隐发送终端问题：a 向b 发送数据时，c 听不到，如果c 向b 发送会 造成冲突。所以当a 向b 发送数据时，c 应该被延迟发送，这被称为隐发送 终端问题。 解决方法：b 要通知c 此时不能发送。在每次通信之前，双方必须使用 控制报文进行握手( r t s c t s ) ，听到回应握手信号( 由接收者b 发送的) 的 站点c 知道自己是隐终端，必须延迟发送。如图3 2 所示。 2 隐接收终端问题：当c 延迟发送时，如果d 向c 发送控制报文请求发 送时，因为c 要延迟发送，所以d 收不到来自c 的确认，也不知道为什么( 关 机、碰撞还是隐终端) 就超时重发，浪费了带宽。这被称为隐接收终端问题。 解决方法：c 接收数据并不影响a 到b 的发送。所以c 要设法给d 回送 c t s 。或通过一定的手段告诉d 它是隐终端，现在不能发送报文。在使用单信 道的情况下，显然无法解决。如图3 3 所示。 袋翳 ：7 矽义0 一 、 3 1 2 暴露终端 79、； 卜+ ，7 杏。 i 、，一一，7 、 ：里、j ；：_ ：f t s 、j i i 、鱼，+ ； 在无线网络中，在不发生干扰的情况下，可允许同时多个站点进行通信， 这点与总线式局域两有裉大的差剐。暴蹰终端就是在发送者的通信范围之 内而在接收者的通信范围之外的终端如图3 4 所示癌所带来的问题就是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 b 向a 发送。c 听到b 的发送，不能向d 发送，造成不必要的延迟，因为c 向d 发送并不会影响b 与a 的通信。 。1 x ： ? 一、，i 。 ? 7i i o 归j t!j ，j 、 、 ：? 图3 4 暴露终端 它又分为两种：暴露发送终端问题和暴露接收终端问题。 1 暴露发送终端问题：b 向a 发送数据时，如果采用握手机制。c 知道 自己是暴露终端。c 想向d 发送数据时，它可以发送。向d 发送一个握手信 号( 解决隐终端问题) ，但来自d 的握手回应信号会与b 的数据信号在c 处产 生碰撞。c 听不到d 的回应重复发送r t s ，不能发送数据。这是暴露发送终 端问题。 解决方法：c 与d 要设法完成r t s 和c t s 的交互。但是在使用单信道的 f 毒况下，显然无法解决。如图3 5 所示。 2 暴露接收终端问题：同样当b 向a 发送数据时，如果d 想向c 发送数 据，向c 发送一个握手信号，握手信号与b 的数据信号在c 处发生冲突，c 听不到来自d 的握手报文，d 收不到响应，重发控制信号。这是暴鼹接收终 端问题。 解决方法：显然。b 和d 是不能同时发送报文的。所以c 要通知d 它是 暴露终端，现在不能接收报文。在使用单信道的情况下是不可能实现的。如 图3 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 9、? 孽：擘q ： 滢p , t s v 由上面分析可以看到，采用在使用单信道时，r t s - c t s 握手机制能够在 一定程度上避免隐藏终端问题和暴露终端问题，但是由于c t s r t s 本身也可 能会发生碰撞冲突，所以无法彻底消除。 为此必须采用双信道的方法。即利用数据信道收发数据。控制信道收发 控制信号。如图3 3 所示，当a 在数据信道上向b 发送数据时，c 可以从控 制信道上收到来自d