（信号与信息处理专业论文）蜂窝与ad+hoc融合网络及在internet应用中的研究.pdf

南京邮电夫学硕j 二研究生学位论文 摘要 蜂窝与a dh o e 融合网络及在i n t e r n e t 应用中的研究 摘要 移动a dh o c 网络是一种新型网络，和传统的网络相比，它具有自组织、 多跳路由和动态拓扑等特点，网络中的节点具有移动终端和路由器的双重功能。 a dh o c 网络由于其自身灵活的特性成为研究的热点，但想要大范围地应用a d h o e 网络仍有很多困难。目前的研究热点是将a dh o c 网络与其它现有网络融合， 如蜂窝网络、i n t e m e t 等。 随着无线移动数据业务的发展，许多智能便携式终端，l v , 女h 笔记本电脑、 p d a 、掌上型电脑、车载台等，希望随时随地与其他终端通信或接入i n t e r n e t 。 这些设备通常配置有一个或多个无线接口，它们之问可以组成a dh o e 网络， 利用分布广泛的蜂窝网络，就能够解决它们的i n t e r n e t 接入问题。 本文着力于a dh o e 网络与蜂窝网络融合接入i n t e r n e t 的问题。首先介绍 了移动a d h o c 网络和蜂窝网络各自的特点，以及国内外对于融合网络的相关研 究。接着探讨蜂窝a dh o c 融合网络接入i n t e r n e t 的方案，即通过双模终端( 同 时拥有8 0 2 1 1 w l a n 和蜂窝两个无线接口) 作为临时网关，转发a dh o e 网络 数据包至蜂窝基站，获得i n t e r n e t 连接。我们讨论了融合网络的体系结构和协议 栈；为了实现了移动节点的无缝漫游，本文提出改进的移动性管理机制，即利用 n a t 和m o b i l ei p 的n a t t r a v e r s a l 扩展。我们在n s 仿真器中模拟实现了融合网 络，并进而通过在不同网络环境下对两种典型的a dh o c 路由d s d v 和a o d v 进行仿真分析，得出了不同路由协议适用的网络环境。 关键字：a d h o c ，蜂窝网络，移动i p ，移动性管理，a o d v 路由协议，d s d v 路由协议，移动因特网 南京1 1 1 1 9 包大学顾i v r ) f 究生学位论义 a b s f f a c t i n t e g r a t i o no fc e l l u l a ra n d a dh o cn e t w o r kf o r i n t e r n e tc o n n e c t i v i t y a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r ki san e wk i n do fn e t w o r ka sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l n e t w o r k s ，a dh o cn e t w o r kh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sa u t o n o m o u s ，m u l t i h o p r o u t e sa n dd y n a m i ct o p o l o g y , a n di nw h i c ham o b i l en o d ei sn o to n l yam o b i l e t e r m i n a lb u ta l s oar o u t e ea dh o cn e t w o r kb e c a m eah o tr e s e a r c hs u b j e c tb e c a u s eo f i t sf l e x i b i l i t y , b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m si na p p l y i n gi tw i d e l y s om a n yr e s e a r c h e r s s t u d yo nt h ei n t e g r a t i o no fm o b i l ea dh o cn e t w o r ka n do t h e rn e t w o r k sa sc e l l u l a r n e t w o r k sa n di n t e m e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s m o b i l ed a t as e r v i c e s ，m a n yp o r t a b l et e r m i n a l s s u c ha sl a p t o p s ，p d a ，c e l l u l a rp h o n e sw a n tt oc o m m u n i c a t ee a c ho t h e ro ra c c e s st o i n t e m e tw h e n e v e ra n dw h e r e v e r t h e yh a v eo n eo rn l o r ew i r e l e s si n t e r f a c e sa n dc a r l m a k ea dh o cn e t w o r k u s i n gw i d e l yd i s t r i b u t e dc e l l u l a rn e t w o r k s ，w ec a ns o l v et h e i n t e m e ta c c e s sp r o b l e m w ee m p h a s i z eo nt h ei n t e m e ta c c e s so ft h ei n t e g r a t e dn e t w o r k so fm o b i l ea d h o cn e t w o r ka n dc e l l u l a rn e t w o r k a tf i r s t ，w ed e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c s6 fm o b i l e a dh o cn e t w o r k ，c e l l u l a rn e t w o r k a n dt h er e l a t e dw o r k so fi n t e g r a t e dn e t w o r k s t h e n w ed i s c u s st h es c h e m eo fi n t e m e ta c c e s so fi n t e g r a t e dn e t w o r k s ：u s ed u a l - m o d e m o b i l en o d e sa sg a t e w a y st or e l a yp a c k e t st oc e l l u l a rb a s es t a t i o n sf o ra dh o c n e t w o r k i no r d e rt os u p p o r ts e a m l e s sr o a m i n go fm o b i l en o d e s ，w ep u tf o r w a r da l l i m p r o v e dm o b i l i t ym a n a g e m e n tm e t h o db ya d o p t i n gn a ta n dm o b i l ei pe x t e n s i o n f o rn a tt r a v e r s a lw ea l s os i m u l a t et h eh y b r i dn e t w o r k sw i t hn s 2 ，a n d a n a l y z e d s d va n da o d vv sd i f f e r e n tn e t w o r kc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：a dh o c ，c e l l u l a rn e t w o r k m i p ( m o b i l ei p ) ，m o b i l i t ym a n a g e m e n t ， a o d vr o u t i n gp r o t o c 0 1 d s d vr o u t i n gp r o t o c o l ，m o b i l ei n t e m e t 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：现代通信中的信号与信息处理 作者：j 塑级研究生钱华 指导教师昱苤 题目：蜂窝与a dh o c 融合网络及在i n t e r n e t 应用中的研究 英文题目：i n t e g r a t i o no fc e l l u l a ra n da dh o en e t w o r kf o ri n t e r n e t c o n n e c t i v i t y 主题词： k e g w o r d s a dh o c 蜂窝网络移动i p 移动性管理 a o d v 路由协议d s d v 路由协议移动因特网 a dh o cc e l l u l a rn e t w o r k m i p ( m o b i l ei p ) m o b i l i t ym a n a g e m e n t a o d vr o u t i n gp r o t o c o l d s d vr o u t i n gp r o t o c o lm o b i l ei n t e r n e t 南京邮电大学学位论文独创性声明 y 8 5 0 3 6 0 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 越丝日期：塑生! 垒j 。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 、2 二 导师签名： 曼圣竺日期：三! ：! ：竺：f 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 l _ l 研究背景 第一章绪论 2 1 世纪，移动通信技术和市场飞速发展。在新技术、市场需求的共同作用 下，未来移动通信技术将向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展， 移动数据、移动因特网将成为未来移动网络的主流业务。 在全球范围内，移动设备用户增加迅速，而且将移动设备用于数据业务的 用户呈几何级数增长，远远超过话音市场的增长速度。移动和因特网的融合形 成了最有发展前景的移动业务。移动代表了通信向个人化方向发展的趋势，因 特网代表了信息化的趋势，移动和因特网的融合将使用户能随时随地获得话音、 文本、图像信息的服务。 从移动通信系统的数据传输速率来看，第一代模拟式仅提供语音服务；第 二代数字式移动通信系统传输速率也只有9 6 k b p s ，最高可达3 2 k b p s ；之后各种 2 g + 新技术的涌现不断提高网络的数据承载功能，提供高比特数据速率满足移 动多媒体和m o b i l ei p 业务的要求。1 9 9 9 年底，通用无线分组业务g p r s 进入 了g s m 网络。同时由于采用技术，数据业务的开发成本进一步降低。而随 着g p r s 、第二代移动通信系统的逐步商用，移动数据业务和移动因特网业务 的速率也得到提高。但无论从价格上还是速率上，移动数据和移动因特网业务 都没有能力与有线业务相抗衡。第三代移动通信系统的数据传输速率为室内 3 8 4 k b p s ，室外2 m b p s ；而且每个小区只能支持有限数量的用户。虽然第三代移 动通信的传输速率更快，但仍无法满足多媒体的通信需求。总之3 g 移动系统 所能提供的数据速率远远低于主流的有线i n t e r n e t ，因此提高无线移动数掘速 率成为近年来的研究热点，b 3 g 、4 g 等概念层m 不穷。b 3 g 、4 g 移动通信系 统都是为未来无线通信服务的，将语音、数据、影像等火量信息通过宽频的信 道传送出去，我们称它们为“多媒体移动通信”。 为使第四代移动通信系统投入实际应用，就需要对现有的移动通信基础设 施进行更新改造，首先需要解决无线系统中i i g 移动性管理和核心刚的移动ip 技术等问题，当然还有牝的标准问题。网络层移动性是i ( ，移动生管理的关键， 鬻京辩邀火警硕圭辫究生学位论文 第一常臻诠 移交性邋鬻涉及列在不恳耀段阍漫游麴移渤用户，数据链鼹层灼移动牲支持逢 常限制在同类网络之间。移动i p 代表了种简单而且可以升级的全球移动性 方案。 4 g 的目标是构建宽带无线i p 通信系统，为无线用户提供高达近2 m b p s 的 蒜速无线互联蕊照务，弱瓣提供蕊速率豹文字、鬻像、幸冤额、话音等不霹癸望 数据业务。可实现手机、p b a 、p c 之间的自由通信和组播、多点通信等扩展业 务。 l 。2 移动a dl t o c 网络与蜂窝网络孵融合 由予用户对手无线鹱多动鼗撂照务戆嚣袋越来越丈，4 g 静爨曩特挺是融合 异种无线和有线网络，以提高无线移动网络数据速率。在诸多研究中，穆动 a dh o c 潮络与蜂窝移动遴信系绕静结合g l 超了学术器翻产韭赛越采越多豹关 注，并被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一。 按照移动透信系统怒否具有蘩确设施，可良把移动无线瓣络分成两类。第 种类型是具有麟础设施的网络。移动节点借助予通信范圈内最近的基站实现 i 澄信。在这样的网络中，移动节点仅相当于移动终端，不艇有路由功能，丽移 动交换机负责路幽和交换功能。这种类型网络的典型例子有蜂窝无线网终、办 公室无线局域网簿。移动无线网络的第二种类型是一种无基础设施的移动网 络，也就是下葱我们将夯绍的无线a dh o e 网终。它是手申自治麴无线多跳 网络，熬个网络没有固定的基础设施，也没有固寇的路由器，所有节点都魑移 秘幻，：莠：盟可以以任意方式动态她操持与其毽节点瓣通售。在这秘繇凌中，由 于终端的无线覆靛范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助于其他节 赢进季亍分组转发，这载要求移动苇点币仪其骞穆动终端鑫毫功姥而且还要麓完残 发现和维持到其他节点路出的功能以便能转发数据。典型的应用场景有可以共 攀信息斡藩务会议，箴场二豹信患中继，懿及紧急遴信需饕等。a dh o c 黼络 技术早在2 0 多年自口就已丌始研究，且研究的重点主要放在幽防项目l ，诸如 抗毁酶、啻适应的瓣络研究计划( s u r a n ) ，低，| ：锖的分组无线瞬络研究诗划 ( l c r ) 。 改造现有移动通信系统，使其支持移动a dh o c 方式的根本动力在于：利 南京邮电大学颂1 1 研究生学位论文第章绪论 用移动a d h o c 网的特点可以有效地解决现有蜂窝网络系统中的一些难点问题。 首先，现有的蜂窝网络中总存在一些信号覆盖不到的地区( 如地下停车场、地 下商场、地铁、隧道等场所) ，被称为“盲区”；在蜂窝网络中引入移动a d h o e 网络，可以弥补这些覆盖缺陷。其次，流量转移也是蜂窝系统中引入移动a dh o c 网络的一个重要原因。流量转移可以缓解热点区域( 如繁华的商业街、机场、 体育场等场所) 因为容量饱和而造成的呼叫阻塞和切换断链，自组网的动态中 继转发功能可以有效调整热点区域的流量，实现流量的动态分配，提高热点小 区的服务能力和服务质量。第三，支持移动a dh o c 方式后，在蜂窝系统中引 入一种新的通信方式：“局域网”方式，该方式至少可以带来两个好处：一是对 近在咫尺的局部业务可以直达或经数跳可达；二是当没有基础设施支持或基础 设施毁坏时依然可以支持一定程度的通信。 近年来许多智能便携式设备如笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 、智能手 机等希望通过无线方式接入因特网或与其他设备通信。这些设备一般具有一个 或多个无线接口，如装备8 0 2 1 1 w l a n 卡，和或g p r s ( u m t s ) 卡，和或p h s 卡。它们之间可以组成移动a dh o e 网络。随着w l a n 的发展，仅有8 0 2 1 1 w l a n 接口的移动终端数量增多，它们出了w l a n a p ( a c c e s s p o i n t ) 覆盖的 热点地区后，就无法与其他移动终端通信或接入因特网。在融合网络中，这种 只有8 0 2 1 1w l a n 接口的移动终端就可以采用多跳方式借助其他双模终端接 入蜂窝网络的基站，从而实现与其他移动终端通信或因特网接入。利用分布广 泛的蜂窝移动通信系统来实现移动a dh o c 网络与因特网的连接是最新的研究 热点。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本文重点研究a dh o c 网络与蜂窝网络融合接入i n t e m e t 的问题。探讨 了融合网络的体系结构及实施方案，进行了n s 的仿真利分析。并改进了移动 性管理方案以支持移动节点无缝接入因特网。另外还列扩展的异种无线网络融 合进行了一些探讨和研究。 本文第一章介绍了无线移动数抛业务的发展；第二章较为洋细地介绍移动 a d h o c 网络和蜂窝网络各自的特点，以及困内外刈于融合网络的相关研究；第 南京邮电大学硕1 1 研究生学位论文 第一章绪论 用移动a dh o e 网的特点可以有效地解决现有蜂窝网络系统中的一些难点n 题。 首先，现有的蜂窝网络中总存在一些信号覆盖不到的地区( 如地下停车场、地 下商场、地铣、隧道等场所) ，被称为“盲区”；在蜂窝网络中引入移动a d h o c 网络，可以弥补这些覆盖缺陷。其次，流量转移也是蜂窝系统巾引入移动a dh o e 网络的一个重要原因。流量转移可以缓解热点区域( 如繁华的商业街、机场、 体育场等场所) 因为容量饱和而造成的呼叫阻塞和切换断链，白组网的动态中 继转发功能可以有效调整热点区域的流量，实现流量的动念分配，提高热点小 区的服务能力和服务质量。第= ，支持移动a dh o c 方式后，在蜂窝系统中引 入一种新的通信方式：“局域网”方式，该方式至少可以带来两个好处：一是对 近在咫尺的局部业务町以直达或经数跳可达；二是当没有基础设施支持或基础 设施毁坏时依然可以吏持一定程度的通信。 近年来许多智能便携式设备如笔记本电恼、个人数字助理( p d a ) 、智能手 机等希望通过无线方式接八因特嘲或与其他设备通信。这些设备一般具有一个 或多个无线接口，如装备8 0 2 1 1 w l a n 卡，和或g p r s ( u m t s ) 卡，# u 或p h s 卡。它们之间可以组成移动a dh o c 网络。随着w l a n 的发展，仅有8 0 2 1 1 w l a n 接口的移动终端数量增多，它们出了w l a n a p ( a c c e s sp o i n t ) 覆盖的 热点地区后，就无法j 其他移动终端通信或接入因特网。在融合网络。p ，这种 只有8 0 2 1 1w l a n 接口的移动终端就可以采用多跳方式借助其他双模终端接 入蜂窝网络的基站，从而史现与其他移动终端通信或因特嘲接入。利用分布广 泛的蜂窝移动通信系统束实现移动a dh o e 网络与冈特网的连接是最新的研究 热点。 1 3 本文的主要工作及章节安排 本文重点研究a dh o c 网络与蜂窝网络融合接入i n t e r n o t 的问题。探讨 了融台网络的体系结构及实施方案，进行了n s 的仿真和分析。并改进了移动 性管理方案以支持移动节点无缝接入因特脑。另外还对扩展的异种无线网络融 合进行了一曲探讨和研究。 本文第章介绍了无线移动数扼业务的发罹：第二章较为f r 细地介绍移动 a c lhc ，c 网络和蜂窝网络各l 1 的特t _ 以及国内外对丁融合网络的柑l 足研究；第 a d h o c 删络和蜂窝m 络各自的特点，以及固内外对寸融合州络的栩火研究；第 南京饵珏电人学颁： ：稚究童学位论冀端一辩绪论 三泰疆究了融合网络接八t n t e m e t 鹃阚怒，著改滋了餮动髅篱瑾方案，露澍溺 n a t 和m o b i l e 豫的n a tt r a v e r s a l 扩展；第四章通过在n s 下的仿真，模拟实现 了融合网络系统；第五章对扩展麓嚣种无线丽络融合进行了避一步搽讨：第六 窜作总缨并摄惑泰柬王俘的熏点。 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章a dh o c 和蜂窝网的特点及融合网络相关研究 第二章a dh o c 和蜂窝网的特点及融合网络相关研究 2 1a dh o c 网络 无线a dh o c 网络是一种具有高度动态拓扑结构、节点任意移动的分布式控 制自组织网络，它的构建不需要网络基础设施的支持；各个节点具备报文转发能 力，即具有主机和路由器的双重功能，不存在类似基站的集中网络中心控制点， 它的无中心管理方式使得它能够确保网络不会因为个别节点的移入移出而崩溃， 具有很强的抗毁性；其快速、灵活的组网方式，使其有着十分广阔的应用前景。 下面我们对a dh o c 网络进行介绍2 】 3 。 2 1 1a dh o c 网络的起源和定义 a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 。早在1 9 7 2 年， 美国国防高级研究计划局d a r p a 就启动了分组无线网项目p r n e t ，研究在战 场环境下利用分组无线网进行数据通信。在此之后，d a r p a 于1 9 8 3 年启动了高 残存性自适应网络项目s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) ，研究如何将 p r n e t 的研究成果加以扩展以支持更大规模的网络。1 9 9 4 年，d a r p a 又启 动了全球移动信息系统g i o m o ( g l o b l em o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目，旨在 对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深 入的研究。成立于1 9 9 1 年5 月的i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会采用了“a dh o c 网络” 一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，a d h o c 网络就此诞生。 i e t f 也将a dh o c 网络称为m a n e t ( 移动a dh o c 网络) 。 a d h o c 的意思是“f o r t h i s ”引申为“f o r t h i sp u r p o s eo n l y ”，即“为某种目的设置 的，特别的”意思，即a dh o c 网络是j 干十有特殊用途的网络。常见的移动网络通 常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络中，移动终端之问的通 信必须借助于基站和移动交换机的转接完成：在无线局域网中，移动终端通过无 线接入点连接到现有的固定网络。但在某些特殊环境或紧急情况下，有中心的移 动通信技术并不能胜任。比如，战场上部队快速展丌和推进、发生地震等自然灾 南京邮也大学硕士研究生学位论文第二章a dh o c 和蜂窝网的特点及融台刚络相关研究 害后的搜索和营救、野外科考等。因此在以上场合中迫切需要一种不依赖基础设 施能够快速和灵活配置的移动通信网络技术，a dh o c 网络就是为满足这种特殊 应用需求而产生的。 a dh o c 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性 自治系统，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i n t e m e t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中， a dh o c 网络通常是以末端子网( 树桩网络) 的形式接入现有网络。考虑到带宽 和功率的限制，a d h o e 网一般不适合作为中间传输网络。a d h o e 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。在a d h o c 网络中，节点问 的路由通常由多跳组成，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。a dh o e 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。 2 1 2a dh o e 网络的特点 与其它传统通信网络相比，a dh o c 网络具有以下显著特点： 1 ) 动态变化的网络拓扑：a dh o e 网络中，移动终端能够以任意速度和任意 方式在网中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、 发送功率的变化、无线信道问的互相干扰、地形和天气等综合因素的影_ 呵句，移动 终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度 都难以预测。 2 ) 无中心和自组织性：a dh o c 网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地 位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何 其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络 的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性 很好。 3 ) 自动配精：自动配置是a dh o c 网络的基本特征，节点必须检测其它节点 以及它们可以提供的服务。山于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够 零裳黼电火掌鼷尘磁究生学经 宅支 第二摹a dh o e 鞠蜂糍黼特点及凇愈掰络擒燕科究 羹三豢工作，这涉及翻连接i n t e m e t 静网关节点的受捺，簇头躲燹赣簿。在瓣终形 成阶段，节点可以就网络事爵扑避行协商( 羼形、环形、点到点、点副多点、平藤 鞠努缀) ，这依赖予阏络的炎篓、疯矮懿无线蔽术和应羯的需求。 4 ) 受限的无线传输带宽：a dh o c 网络采用无线传输技术作为底艨通信手段， 由于无线蘩道本舞瓣鞠瑷特性，它所握供静网络蘩宽穗对有线信遴要羝褥多。 此外，考虑烈竞争爨享无线信遐产生的冲突、信譬焱减、啜嵌葺【l 信邀之问干搋等 多稚因索，移动终湍霉到麴实际礴 宽远涎小于理论上靛最大带宽。 5 ) 安全性较麓：a dh o c 网络跫一静姆拣蛉无线穆动网络，由于采罔无线信 避、有限嚷源、分布式控蒂等技术，它更加窬易受到被动窃听、主动入侵、掘绝 暇务、剥夺“睡眠”餐网络攻遗。傣遂趣密、抗于貔、用户认诞秘篡它安全攒旅都 需要特别考虑。 6 ，喇终豹可扩展链不强：动态变化的凝羚绥梅馕褥基骞不同予网媲蟪敕移 渤终端可熊同时处于一个a dh o e 网络中，困丽予网技术所带来的可扩展性无法 瘦强在a dh o c 网络环壤中。 7 ) 移动终端的局限性：a dh o e 网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵巧 等好处，餐是也存在因煮钦酸，佣鲡2 源受限、巍存较小、c p u 挂鼹较诋簿， 从而给斑粥程序设计开发带来一定媳难度，同时屏幕等外设较小，不利于开鼹功 怒较复杂鹣业务。 8 ) 存在单向无线信邀。由予地理位蘸崴节点发射功率磐因素，在采用无线 獯信的囊缎网环壤中，可畿存在革囱倍遒。弼个移动终端a 帮b ，a 由予发瓣 功率较大所以熊够到达b ，而反之不行，即存在一条a b 的单趣信邋。 9 ) 生存时闻短。a d h o c 缀黼邋常是由予菜个特定鞭因丽睡l ：| 寸创建的，憷用 缝柬后，网络环壤将会鸯动消失。其网络生存时闯楣慰予固定网络丽毒是短磐的。 我们认为a dh o c 嘲络是移动计算枫遴信嘲络的一种类型，怒移动通信稠 计算专晁鄹终的交叉。这一点搓a dh o c 嘲络中麴体现是：一方蠢，网络的傣息 采用了计算机网络中国分继交换机制，丽一：是电话交换网中的电路交换* j t i t ；! h 另 一方蟊，粥户终瓣楚镬攒式翰， = l ：翔笔记奉电膝、p d a 、攀上塑惫躺、车载台等， 并配鬻有相应的无线收发设备，并且用户可以随意移动或处予静止状态。 南京邮电大学颂 _ 研究生学位论文第二章a dh o c 和蜂窝网的特点及融合刚络相关研究 2 1 3a dh o c 网络的关键技术 a dh o c 网络的关键技术包括m a c 技术、路由技术、功率节省技术、安全 相关技术等。 2 1 3 1 移动a dh o e 网络中的w a c 技术 移动a dh o c 网络是共享媒质系统，因此如何有效地控制媒质接入是一个 非常重要的问题。现有的m a c 协议主要有两种，一种是基于c s m a c a ( 载 波监昕多址冲突避免) 接入机制的8 0 2 1 1m a c 协议，c s m a 是指节点在发送 之前监听媒质，如空闲则立即发送，否则延迟发送。它采用冲突避免( c a ) 和 确认( a c k ) 相结合的方式克服多个节点同时发送时造成的冲突，并引入了 一种虚拟载波监听( c s ) 机制( 握手机制) 以克服“隐藏节点问题”，但对 “暴露节点问题”仍然没有合适的解决方案。另一种是基于主从节点分配的 m a c 协议( 蓝牙) ，它与上述协议的不同之处主要在于，它不是让同一范围内 的所有节点共用同一信道，而是采用跳频技术使多个信道共存，一个跳频信道对 应一个标识，它由主节点( 规定跳频序列) 和时钟( 规定跳频相位) 定义，同一 个标识中的节点共用此信道。主节点负责中心控制，采用轮询技术决定每个从节 点的接入时隙以避免竞争；从节点可以动态调整跳频序列和相位，以接入不同的 跳频信道。从上述两种a dh o c 的m a c 阱议可见，m a c 协议的设计要根 据信道划分的实际情况和通信范围的大小等进行充分的研究，能否设计一种更为 合理的、适用于无线a dh o c 网络的媒质接入控制协议将直接影响到整个无线 a dh o c 网络的性能。 2 1 3 2 移动a dh o c 网络的路由技术 常规的路由协议( 如r i p 和o s p f ) 是为有线固定网络而设计的，它们的 拓扑结构是固定的，不会出现火的网络结构变化。a dh o c 网络结构则是动态变 化的，那么常规路由在拓扑结构变化时，就会需要很大的代价重新建立路由，而 且协议状态将可能始终处于不收敛状态。另外，a dh o c 例络不能采用常规路 山协议还主要由于以下几种因素：1 ) a dh o c 网络中主机问的无线信道可能存 在单向信道。2 ) 无线信道的广播特性使得常规路由的网络选路过程中产生订多 冗余链路。3 ) 常规路i 圳习期性的广播路由更新报文会消耗大量的网络带宽。4 ) 南京钟屯大学顽 研究生学位论文 第一二蕈a d i o c 和蜂窝踟的特点瘦融台剜络相关甜f 究 鬻麓海由协议蹋裁瞧熬路交雯薪掇文会演耗大量酶主梗髭添。魏努，繁些常栽路 由协议需要的复杂计算使得c p u 始终处于很高的负载下，这也同样消耗了大慧 静靛源。这将对有袋的主瓤熊源带来更多的至| 三力。 从以上分析可以看出，一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以下 特饿要求：能感知湖络拓卦缩构的变化：维护网络拓扑的连搂；高度的自适应； 分布式运行方式；提供无环路路由；按需进行协议操作；具有可靠的安全性；提 供设备“休眠”操作特性；对单向信道的支持等。对一个a dh o e 网络层路 由蜘议性能评价斡指标应该包括：鼹患协议开销、路出重建时延、端到端的平均 时延以及网络的报文投递率等。正是由于a dh o e 网络层路由协议基于a d h o e 网络的霆要性，它馒成为了磅究黪一个热点。到囊蘸为庶，已经骞翅当多 的标准推出。i e t f 的m a n e t 工作组也发布了相关的草案供讨论。从总体上 说，鏊蔫_ 莠提出豹务秘路塞镑议基本上可以归缡为三耱思路： 1 ) 按驱动方式分类：主臻可分为按需驱动( 也可称为反应式或被动式) 帮表驱葫( 髓 虿称为先应式残至动式) 两静，还有一耱是上述两者静溺合形式。 协议分类汇总如图2 - 1 所示。 国2 - 1a dh o c 网络路由协议分类i 1 3 按需驱动的含义是只有在源节点业务发起的时刻才启动路出建立功能，砸 表驱动协议中路由的建立则与业务无关，当嗣铬拓扑发生变化时，相应各节点的 路出售息都会被更毅。a dh o e 网终中典型孵表驱动路由协议为星的节点序列 距离矢量协议( d s d v , d e s t i n a t i o n - s e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o rr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 和 南意邮电大学醐士研究生学位论文 第二= - 带a dh o c 和蜂窝删的特点及融台刚络相关研究 最佳链路状态路由协议( o l s r ，o p t i m a l l i n ks t a t e r o u t i n g p r o t o c 0 1 ) ，典型的按 嚣驱动踌出协议力a dh o c 按震距痿矢量黪由捺议( a o d v , a dh o eo n - d e r n a n d d i s t a n c e v e c t o rr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 和动态源路由( d s r ，d y n a m i cs o u r c e r o u t e ) ， 以及妪时联定蹙盘舞法捺议( t o r a ，t e m p o r a l l y - o r d e r e d r o u t i n g a l g o r i t h m ) 簿。 遄有一种怒综合了按需驱动路由和农驱动路由的特点而形成的混合式路由协议， 葜型篷是区域貉崮漭议( z r p ，z o n er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。由予簏程及与课题豹相 关情况，我们介绍在本文仿真中采用的两种典型路由协议：d s d v 和a o d v 。 d s d v 路由协议( d e s t i n a t i o n 。s e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o rr o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 是 基于经典的b e l l m a n f o r d 路由算法，通过给每个目的节点的路由设定序列号避 免了路由环路的产生。采磺时间驱动和事件驱动技术控翎路幽表的传送，即每个 移动节点在本地都维护一张路由表，其中包插所有鸯效目的节点、路由跳数、目 的序剜号筹信息，目的序列号用于区别新 礴路由以避免环路的产生。每个节点周 期性地将本地路由袭传送绘邻近节点；或者当其路由衷发生变化时，墩会将冀路 由信息传给邻近点。当无节点移动时使用间隔较长的大数据包( 包括多个数据单 元) 进行路由更瑟，在节点掺动时锼嗣较小的数握龟，且只对移动懿萤点进抒鼹 由照新，这样降低了整体的开销。当邻近节点收到包含修改的路由液信息后， 先l 较 l 应黎由表瑷款嚣静序列号数丈小，嚣匏序列号大黪游悫将救采臻，纛叠 的序列号小的路由则被淘汰；若相同，则选择最短路径( 跳数最小) 的路由。为 了清躲最谴鼹壹豹频繁交纯，节点首先裰攥历变过录，估计产生路崮所需戆璨饔 时间t ( s e t t l i n g t i m , ) ，推迟个t 辩发送修改的路出信息。依搌d s d v ，a d h o e 丽络中各节点传送数据的路亩遥择的摄嚣怒存储在每个节点的路国表( r o u t i n g t a b l e ) 。每个节点的路由表包括了a dh o c 网络中所有其它节点的地址和数据包为 达捌强的节点两采掰的下一跳的地址。每次网络辆扑结构的改变，每个节点 的路由表都需更新。为了便于维护路由表，路由表中包含如下信息：目的地址、 下一跳地址、路由跳数( r o u t em e t r i c ) 、路由的序列号( r o u t es e q u e n c en u m b e r ) 。 当网络结蝓发生变化时，番节点立即或嗣期性的广搔跑由袭更耨分缀( r o u t i n g t a n eu p d a t e p a c k e t ) ，其路由跳数项为1 ；接到该分组的节点，将其路由跳数加1 厝霉发送，该过程一壹持续，直到每个节点郄收到该分缀的个c o p yf 路由躞 数项不尽相同) ；若节点再次收到一个相同的分组，则它只关心路出跳数最小的 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章a dh o e 和蜂窝网的特点及融台呵络相关研究 分组。 a o d v 路由协议( a dh o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 是 d s d v 算法的改进，但它与d s d v 的区别在于它是反应式路由协议。a o d v 是 基于距离矢量算法的一种路由协议，它只在必要时请求路由，而且不要求节点维 持当前通信中不使用的路由，也就是说，只要通信连接的节点之间有可用路由， a o d v 不起任何作用。为了找到通往目的节点的路由，源端将广播一个路由请 求分组，邻居节点依次向周围节点广播此分组直到该分组被送到一个知道目的节 点路由信息的中间节点或目的节点本身。一个节点将丢弃重复收到的请求分组， 路由请求分组中的序列号用来防止路由环路，并能判断中间节点是否响应了相应 的路由请求。当节点转发路由请求分组时，它会将其上游节点的标志录入路 由表，从而能够构建一条从目的节点到源节点的反向路由。当源端移动时，它会 重新发起路由发现算法；如果中间节点移动，那么与其相邻的节点会发现链路失 效并向其上游节点发送链路失效消息并一直传到源节点，而后源节点根据情况重 新发起路由发现过程。n s 中，a o d v 的实现组合了d s r 和d s d v 协议，它既 具有d s r 协议的路由发现和路由维护功能，同时又使用了d s d v 采用的逐跳路 由、序列号和b e a c o n 消息。 图2 - 2 是一个a o d v 路由建立的简单例子。无线媒质上，源节点1 每隔一 段时间就广播一个h e l l o 消息，以知道节点1 周围都有哪些相邻节点。当源节 点1 需要与远端目的节点4 ( 不是参考节点的相邻节点) 通信时，就需要借助中 间节点的转发。此时，要利用a o d v 路由协议来建立这条通信链路。 如图2 - 2 所示，a o d v 首先广+ 播路由请求消息( r r e q ) ，该消息中包含几 个关键字段，它们是源地址、目的地址、生命周期和序号。 节点l 的相邻节点2 和5 收到该r r e q 硝息后，可以有两种选择。如果该 相邻节点知道通往目的地址的路由，那么直接向参考节点回送一条路由应答消息 ( r r e p ) 。否则，该相邻节点转发陔r r e q 消息。节点2 的路由表中没有到达 节点4 的路由信息，所以继续转发r r e q 消息。节点3 收到r r e q 消息后，山 于路由表中有相关信息，所以立即沿着原路以单播的方式叫送一个路由应答消息 ( r r e p ) 给源节点1 ，并且更新该路由上所有节点的路由表。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章a dh o c 和蜂窝嘲的特点及融合嘲络相关研究 图2 - 2a o d v 协议路由建立过程 在规定的时间内，参考节点如果收到r r e p 消息，说明路由已经成功建立； 否则，参考节点就得重新发送r r e q 消息。这里r r e q 消息的序号就像一个时 间标签，能够时刻保证路由表里的路由是最新的。 2 ) 按逻辑结构分类：可划分为平面结构路由和层次结构路由。平面结构中， 节点地位平等，维护的信息量相同；层次结构路由中，网络结构按级分层，分为 骨干网和子网，这样，维护的工作就统一由骨干网承担。 3 ) 基于q o s 的路由：多媒体业务的传输需要不同q o s 保障( 包括带宽、 时延、时延抖动、吞吐量、丢失率等) 。在a dh o c 网络路由协议中，对于q o s 的支持还不够成熟，只有少数的如a b r 、s s r 等有此功能，它们多是以链路的 稳定性作为q o s 的衡量标准。目前a dh o c 网络中对q o s 的支持一般借鉴 i n t e m e t1 - 建立区分服务和综合服务的模型，做适当的修改。 2 1 3 3 移动a dh o e 网络的功率节省技术 移动a dh o c 网络的功率节省问题可以在阻下的三个协议层一卜进行解决： 1 ) 无线设备及物理层：网络的功耗包括处理功耗、通信功耗和设备显示功 耗等，当前已有很多研究致力于没备硬件和电路级的助率优化，例如采用低功率 显示器、低功率c p u 和低功耗的算法等。物理层则可通过功率控制改善功率效 旃豪静电大学填 唏 究生学位论文第二= 章a dh o c 和蛙窝瓣曲转点及融台潮络档差研究 率，物理艨功率控毒8 应使数据转输以最小功率维持链路著能够适应传埝环境豹变 化。 2 ) 数据链鼹层：数撬链路层霹最弱窝效重镄方案霸甄功耗模式操俸节省功 率。移动a dh o c 网络由于节点移动性和共享信道等，错误率很高，需要频繁 蹙传。焉麓费不仅会演费枝发苇点苇霹转发节点酶熬鳖，两最会对箕镌l 萤点遥成千 扰，因而采用高效的重传方案是必须的。 3 ) 掰络层：为了节省功耗，嘲络屡需爱选择要求传输功率较小酾路由 办议， 或如q o s 路出一样，将功耗作为选择路由的一个参数。另外，网络负载平衡对 功率效率也很重娶，它可避免少数节点被过分应丽，能量被很快耗光而造成网络 分割，从而影响网络的连通性和性能。 2 1 3 4 移动a dh