（通信与信息系统专业论文）基于ieee80211协议的ad+hoc网络的接入性能研究.pdf

南京邮电学院学位论文独创性声明 y 6 3 8 8 5 6 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n ；d h 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 含为获得南京邮电学院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：穷专日期：2 禾4 - 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：涩塑导师签名：j 益左鬟日期：鲨! ：兰! ! 南京邮【b 学院硕士毕业论文摘要 摘要 a dh o c 技术已经成为了当今无线通信领域研究的一个热点，研究成果也是 相当丰富的。然而，这些成果多集中在传输层和路由层，很少涉及到对于接入层 的理论分析。 论文首先以i e e e 8 0 2 1 1 协议作为a d h o c 网络的接入平台，参考网络接入性 能模型u 4 的研究思路，通过计算节点的平均接入时间、冲突时间和冲突次数， 建立了一个节点吞吐量性能分析的数学模型，并且得到吞吐量性能与分组大小、 链路数目以及初始退避窗口大小的关系曲线。论文指出了i e e e 8 0 2 1 1 协议在多 跳环境下存在的问题，通过仿真深入分析了暴露节点问题和接入不公平问题，找 出产生这类问题的原因。针对接入不公平性问题，文章中使用两种不同的多跳网 络拓扑来加以研究，在此基础上提出了一种新的退避方案改进思路。论文中所有 的结论都通过 i s 仿真加以验证。 南京邮电学院硕士毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，a dh o ct e c h n o l o g yh a sb e e nah o tr e s e a r c hp r o j e c ti nt h ea r e ao f w i r e l e s s sc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h er e s e a r c hr e s u l ti sa b u n d a n t b u tp e o p l ep u tm o r e a t t e n t i o nt ot h et r a n s p o r tl a y e ra n dr o u t i n gl a y e r , a n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f a c c e s sl a y e ri sr a r e i nt h i st h e s i s ，i e e e 8 0 2 11 p r o t o c o li s u s e da st h ea c c e s sp l a t f o r mo fa dh o c n e t w o r k s b a s e do nt h er e s e a r c hi d e ao fn e t w o r ka c c e s s i n gp e r f o r m a n c em o d e l 1 4 1 t h en o d ea c c e s s i n g p e r f o r m a n c em o d e li s e s t a b l i s h e db yc a l c u l a t i n gt h e a v e r a g e a c c e s s i n gi n t e r v a l ，a v e r a g e c o l l i s i o ni n t e r v a la n da v e r a g et i m e so fc o l l i s i o n t h e r e l a t i o nb e t w e e n t h r o u g h p u ta n dp a c k e ts i z e ，n u m b e ro fl i n k s ，i n i t i a lb a c k - o f f w i n d o w s i z ec a nb ei n d u c e df r o mt h i sm a t h e m a t i c sm o d e l t h e r ea r em a n yp r o b l e m sw h e n i e e e 8 0 2 11i su s e di nt h em u l t i h o pe n v i r o n m e n t t h i st h e s i s d e e p l ya n a l y s e st h e e x p o s e dn o d ea n da c c e s su n f a i r n e s sp r o b l e m s ，a n df i n di t sc a u s eb yn ss i m u l a t i o n t w on e w m u l t i h o pn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d t os t u d yt h ea c c e s su n f a i r n e s s p r o b l e m i n t h i st h e s i s ，a n dan e wi d e af o ri m p r o v i n gb a c k o f fs c h e m ei s p r o p o s e d a l lr e s u l t s a p p e a r e di nt h i st h e s i sa r ev a l i d a t e db y n ss i m u l a t i o n 2 订京州i b 学院f 硬l 。毕业论文第一章绪论 第一章绪论 1 1无线自组织网络简介及其技术特征 2 0 世纪7 0 年代，美国国防高级研究计划局( d a r p a ) 资助研究“战场环境 中的无线分组数据网( p r n e t ) ”项目。d a r p a 当时所提出的网络是一种服务 于军方的无线分组网络，实现基于该种网络的数据通信。后来，d a r p a 又于1 9 8 3 年和1 9 9 4 年分别资助进行了抗毁自适应性网络( 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 ) 和全球移动信息系统( g i o m o ：g l o b a li n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 两个项目 的研究，以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。无线自组织 网络又称为a dh o c 网络，它是吸取了p r n e t 、s u p , a n 以及g l o m o 等项目的组 网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。 a d h 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。目前所提到a dh o c 网络继承和发扬了d a r p a 所资助无线分组数据网的思想，特别是p r n e t 。在原有的网络构架技术中，移 动无线通信网络通常包括蜂窝移动通信网络和无线局域网。蜂窝移动通信网络移 动终端接入固定网络是基于基站的中心接入方式；而无线局域网则要通过a p ( 接 入t 气) 完成终端接入固定网络。可以看出这两种网络都是单跳、中心控制网络。 这种网络一旦中心控制器遭到破坏，整个网络将会陷入瘫痪，不利于军方的应用。 a d h o c 网络有别于中心接入和单跳的网络架构，它强调多跳和无中心接入。 网络中各个移动终端之间相互对等，它们作为网络节点不仅具有主机的功能，还 只有2 器的功能。它强调的是在一个广阔的区域实现多跳的无线通信，基于这 种多跳的无线信道特点，因此面临着诸如媒质接入、寻址、路由、网络初始化和 控制等难题。但是系统自组织( s e l f - o r g a n i z i n g ) 特性使得a dh o c 网络系统组建 灵活，网络的抗破坏性强。在任一时刻，a dh o e 网络中的移动节点间都可以通 过无线信道连接形成一个任意网状的拓扑结构。节点可以任意移动，可能导致网 络拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围的有 限性，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通 信。它可以没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环 6 南京邮r u 学院7 i ! ：! ：1 毕业论文第一章绪论 境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。 a dh o e 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i n t e r n e t 或者蜂窝核心网。在后面这种情况中，a dh o c 网络通 常是以一个末端网络的方式连接进入现有网络，它只允许产生于或目的地是自治 系统内部节点的信息进出，而不会让其他信息穿越自治系统。 在a dh o c 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，对接收到的信息不是自己的分 组需要进行分组转发。 由此可以看出，与其他通信网络相比，基于a dh o c 技术的a dh o c 网络具有 以下特征： ( 1 ) 网络的白组性。a dh o c 网络可以在任何时刻任何地方构建，而不需要现 有的信息基础网络设施的支持，形成一个自由移动的通信网络。 ( 2 ) 动态网络的拓扑结构。从网络层来看，a dh o e 网络中，移动用户可以以 任意的速度和任意方式在网中移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信 道叫的相互干扰因素、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。 ( 3 ) 有限的无线传输带宽。无线信道本身的物理特性使a dh o e 网络的网络带 宽相对有线方式要小的多，另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰 撞、阻塞、噪声干扰等因素，这使得实际有效带宽要小得多。 ( 4 ) 移动终端的有限性。a dh o c 网络中的移动用户终端内存小、c p u 处理能 力低、所带电源有限使得a dh o c 网络的设计更加困难。 ( i ) 安伞性荠。a dh o c 网络是一种无线方式的分布式结构，所以更加容易被 窃听、入侵、网络攻击和拒绝服务等。 ( 6 ) 网络的分前j 式。a dh o c 网络中的移动节点都兼有路由和主机功能，不存 在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式，增强了 网络健壮性。 ( 7 ) 网络的可扩展性不强。由于采用t c p i p 协议中的子网技术使得 i n t e r n e t 具有网络的可扩展性，而a dh o c 网络动态变化的拓扑结构使得子网 南京邮r u 学院倾1 毕业论文 第一章绪论 技术所带来的网络可扩展性不能得到应用。 ( 8 ) 存在单向无线信道【2 9 】。由于地理位置或节点发射功率等因素，在采用无 线通信的自组网环境中，可能存在单向信道。两个移动终端a 和b ，a 由于发 射功率较大所以能够到达b ，而反之不行，即存在一条a b 的单向信道。 ( 9 ) 生存时间短。a dh o e 组网通常是由于某个特定原因而临时创建的，使用 结束后，网络环境将会自动消失。其网络生存时间相对于固定网络而言是短暂的。 a dh o c 网络是一种支持移动计算的无线网络。在a dh o e 网络中，一方面， 网络的信息传递采用了计算机网络中的分组交换机制，而不是电话交换网中的电 路交换机制；另一方面，用户终端是便携式的，比如笔记本电脑、p d a 、掌上型 电脑、车载台等，它们都配置有相应的无线收发设备，并且用户可以随意移动或 处于静止状态。 1 2a dh o e 网络的分层结构 与o s i 的七层模型对应，a dh o c 网络在不同的层次使用不同的技术，具体情 况山图1 1 给出。 语音、数据、图像等高层应用上三层 无线t c p u d p 协议 传输层 表驱动路由按需驱动路由 网络层 d s d v w r p o g s r ls t a ra o d vd s rt o r as s rp a r 并种随机接八协议，包括m a c a 、m a c a w 、p a m a s 等链路层 可使用蓝牙、h i p e r l a n 2 、i e e e 8 0 2 1 1 系列协议 物理层 a dh o e 网络的分层结构 图1 1a dh o c 网络的分层结构模型 对应于o s i 的层次 由图1 1 可以看出，构筑网络时如果采用a dh o c 方式，所选用各层次的构 建方式足可选的。物理层完成无线信号编码译码、调制解调、发送和接收等工作。 数据链路层完成共享无线信道的访问控制以及逻辑链路的控制，所以数据链路层 又分为m a c ( 媒质接入控制) 层和l l c ( 逻辑链路控制) 层：在a d h o e 网络中， 8 南京邮电学院硕士毕业论文 第一章绪论 m a c 层技术是研究的重点。网络层中，路由技术是研究的重点，也是a d h o c 网 络与其他现有网络的主要区别所在：i p v 4 协议、i p v 6 协议或其他网络层协议提 供网络层数据服务；网络层的单目标路由协议维护路由表，使其与当前的a d h o e 网络拓扑结构一致；多目标路由协议提供群组通信的底层支持；网际互联支持 a dh o c 网络中与其他现有网络互联，q o s 支持提供可保证的q o s 服务，路由安 全提供对路由协议的安全保障。传输层主要完成端到端通信的建立，目前一般的 思路是对有线网中的t c p u d p 进行改造，使之适应无线环境。a dh o c 的高层主 要包括的是建立在a dh o c 之上的无线应用以及接入移动通信核心网的各种业 务。 1 2 1a dh o c 物理层 图1 1 所给出的a d h o e 分层结构模型中，介绍了a d h o e 网络物理层的一些 协议标准。其实在实际的应用中，a d h o e 物理层的设计要根据实际的需要而定。 般而言，a dh o c 网络都是基于无线通信，物理层所面临的首要问题就是 无线频段的选择、购买以及分配。目前比较普遍采用的是基于2 4 g h z 的i s m ( 工 业、科研和医疗) 免费频段。 到目前为止，a dh o c 物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域 网的各种标准，其中包括i e e e8 0 2 1 1 系列 1 1 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h i p e r l a n 等 标准所定义的物理层。具体说来，a dh o c 物理层所采用的传输技术基本上有三 种：正交频分复用技术( o f d m ) 、红外线辐射传输技术、宽带扩展频谱技术。 正交频分复用技术是以多个子载波并行来传输高速数字信息，每个子信道的 数据速率较低，可以大大降低多径衰落信道带来的码间干扰的影响。所采用的数 字信息调制有时f f i 差分移相健控( t d p s k ) 和频率差分移相键控( f d p s k ) ，以 快速傅里叶变换( f f t ) 算法实施数字信息调制和解调功能。 红外线辐射传输技术应用在一些无线局域网设备中，其特点是：不能穿透物 体；通信距离远远小于通常使用的射频技术的通信距离。由于空间衰减很大，信 号不易被探测，比较适用于近距离点对点传输速率较高的环境。 宽带扩展频谱技术是一种传输信息的调制制式，其发送信号带宽远大于基带 本身的带宽。基带带宽的扩展是通过扩频编码方法实现的。在接收端通过解扩将 9 南京邮电学院硕士毕业论文第一章绪论 宽带的扩频信号恢复成窄带的基带信号，同时将干扰信号频谱进行扩展，从而提 高信息解调信噪比。扩频通信技术包括d s s s ( 直接序列扩频) 和f h s s ( 跳频 扩频) 。d s s s 是用伪噪声码( p n ) 作为扩频码序列，调制方式多为四相相移键 控( q p s k ) 。f h s s 就是载波在跳频码的控制下按照某种跳频图案跳变，在接收 端通过相关解调，恢复出发送信号。频率是按跳频图案跳变的，具有抗干扰和 频带共享能力。 1 2 2a d h o c 数据链路层 数据链路层解决的主要问题包括媒质接入控制，以及数据的传送、同步、纠 错以及流量控制等。基于此，a dh o c 数据链路层又分为m a c 和l l c 层。在一 般情况下，我们所关注的主要是m a c 层，因为m a c 决定了数据链路层的绝大 部分功能。 无线信道是多个终端共享的媒质，接入层主要功能就是有效地处理媒质共享 竞争的问题。针对这一问题，已经有a l o h a 、时隙a l o h a 、c s m a ( 载波侦 听多路访问) ，以及i e e e8 0 23 所采用的c s m a c d 等多种m a c 层媒质接入方 案。由于a l o h a 、时隙a l o h a 、c s m a 都存在媒质冲突、终端暴露以及终端 隐藏等，“重的问题，所以，后来就有带c d ( 冲突检测) 和c a ( 冲突避免) 的 c s m a 媒质接入方案的提出，被用在了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网方案中。随后， 又出现了许多其他的接入方案，如：m a c a w ( m a c a f o r w i r e l e s s ) 1 3 、p a m a s ( p o w e r - a w a r e m u l t i a c c e s s p r o t o c o l w i t hs i g n a l i n g ) 【4 j 、f a m a s ( f l o o r a c q u i s i t i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 1 5 j 、m a r c h ( m e d i a a c c e s s w i t h r e d u c e d h a n d s h a k e ) 等，它们 刹是c s m a c a 协议的变型和改进。 基于1 e e e 8 0 21 1 b 协议的a dh o c 网络是本文研究的重点，i e e e s 0 211 b 协议 将在下一章有详细的介绍。 1 2 3a dh o e 网络层 常规的路由协议有r i p ( 路由信息协议，r o u t i n g i n f o r m a t i o n p r o t o c 0 1 ) 和o s p f ( 开放最短路径有效，o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) ，它们是为固定网络而设计的， 网络的拓扑结构不会出现大的变化。a dh o c 网络结构则是动态变化的，那么常 l o 南京邮电学院硕士毕业论文第一章绪论 规路由协议在拓扑结构变化时，就会花很大的代价重新建立路由。 - 另外，a dh o c 网络不能采用常规路由协议还主要有以下几个原因：( 1 ) a dh o c 网络中主机间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许多冗余链路。( 3 ) 常规路由的周期性广播路由更新 消息会消耗大量的网络带宽。( 4 ) 常规路由协议周期性的路由更新消息会消耗大 量的主机能源。此外，某些常规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，这也同样消耗了大量的能源。这将对有限的主机能源带来更多的压 ) j ， 从以上的分析可以看出，一个好的a dh o c 网络层的路由协议应当满足以下 特性要求：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 c 网络层路由协议性能评价的指标应该包括：路由协议开销， 路由建立时间，端到端的平均时延，网络吞吐量等。 _ i _ f 是由于a dh o c 网络层对路由协议的特殊要求，它便成为了研究的一个热 点。到目前为止，已经有相当多的标准推出，i e t f 也发布了相关的草案供讨论。 主要分为表驱动路由和按需驱动路由两大类。其中，表驱动路由协议包括d s d v ( d e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c e v e c t o r ) 、w r p ( w i r e l e s s r o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 、f s r ( f i s h e y es t a t er o u t i n g ) 和s t a r ( s o u r c et r e e a d a p t i v er o u t i n g ) 等。按需驱动 路由协议包括a o d v ( a dh o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 、d s r ( d y n a m i c s o u r c er o u t i n g ) 、t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) 、s s r ( s i g n a l s t a b i l i t yr o u t i n g ) 和l a r ( l o c a t i o n a i d e dr o u t i n g ) 等。本文中涉及到的所有仿 真使用的路由协议都是a o d v 协议【6 ，下面就简要介绍一下该协议的内容。 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。 a o d v 中的两个重要协议规程是路由发现和路由维护。当网络节点要发送 数据时，如果没有到达目的节点的路由，就要采用路由发现规程来寻找路由。当 一个节点检测到到其邻节点的路由不再有效时，触发路由修复规程。路由修复规 程删除路由表中的无效路由项，发送个链路失败消息，通知正在使用该路由的 南京邮u 学院硕+ 毕业论文 第一章绪论 邻节点该路由也不可用。为了达到这个目的，a o d v 使用一个活动邻节点列表 来跟踪使用某一条路由的邻节点。图1 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1 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1 的相邻节点2 和5 收到该r r e q 消息后，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，该相邻节点转发该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，由 于路由表中有相关信息，所以立即沿着原路以单播的方式回送一个路由应答消息 ( 江p ) 给源节点1 ，并且更新该路由上所有节点的路由表。 图12 a 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 1 2 南京邮电学院硕士毕业论文第一章绪论 问标签，能够时刻保证路由表里的路由是最新的。 1 2 4a dh o e 传输层 到f _ 1 前为止，a dh o c 网络的传输层还是借鉴因特网中传输层的方法。基于无 线环境，修改t c p u d p 协议，以适应无线环境，完成传输层的功能。其中对于 t c p 的研究比较活跃。 t c p 在无线链路上存在的主要问题是不能鉴别数据包丢失的真实原因，而将 链路传输错误、越区切换等引起的数据包丢失误认为网络拥塞。传统的t c p 协 议对于拥塞的处理是启动拥塞控制和避免算法，所以若在无线a dh o c 网络中直 接采用传统的t c p 协议将可能导致端到端的吞吐量无谓的降低。另外，由于现 有t c p 协议通过使用重传定时器来恢复链路层错误，为了适应于各种网络，定 时器定时精度一般都在秒数量级，这将导致无线信道上错误恢复时间的增加。针 对无线链路上t c p 存在的性能问题提出了各种不同的改进方案，主要有选择性 重传、t c p h a c k l 9 】和a i r m a i l 1 0 】等方案。 无线链路高误比特率特性会引起数据包随机比特错误和突发错误。随机比特 错误可能导致拥塞窗口内单个或者多个数据包丢失。t c p 只提供了累积确认的重 传方式，它不能够对一个传输窗口中发生的多个错误进行快速重传指示。而选择 性重传方案针对这类问题提出了改进方法，使用了b i t m a p ( 位图) 【7 】和l i s t ( 列表) 【8 j 技术。位图技术指的是接收端将分组的接收图案返回给发送端，图案 。p “l ”表示正确接收，“0 ”表示错误接收。列表技术使用列表头和列表尾表示 一段成功接收的数据，一次最多可以确认3 段连续接收的块，两块之间的数据就 是没有成功收到的数据。显然，在差错分布比较散的情况下，使用位图技术比较 方便。当差错分布比较集中时，使用列表技术效率比较高。这几种技术在w c d m a 系统q ，得到“泛使用3 】。 一般情况下，t c p 数据包的数据部分要比数据头大得多，所以在无线链路上， 数据包被破坏时，很可能发生错误的是数据包中的数据而不是t c p 头。t c p 数 据头包含了这个数据包的主要的控制信息，因而通过让t c p 恢复这些被破坏的 数据包的数据头，可以判定网络上是否发生了拥塞。这就是t c p h a c k 方案的 出发点。传统的t c p 携带的校验和是对整个数据包进行校验，如果数据包在无 南京邮l 电学院硕= 匕毕业论义 第一章绪论 线链路上发生了错误，校验和就会失效。而在t c p h a c k 方案中增加了对于t c p 头的校验和，从而有利于接收端恢复t c p 头。 1 2 5a dh o e 应用层 a dh o c 网络的应用层指定的是各种各样类型的业务。在实际的实施的时候， 可以采用各种各样的应用层协议和标准，比如w a p ( 无线应用协议) 协议等。 基于a dh o c 技术的网络所承载的业务同其他各种类型网络一样，主要是传 统的业务和人们给予厚望的“无线宽带数据业务”。可前面也提到，a dh o c 网络 自身的特性使得网络在承载同类型业务时，要考虑更多的实际问题，克服更多的 困难。在解决各种困难的时候，应用层也是解决问题的一个很好的切入点。 1 3a dh o e 技术的应用 在军事上的应用是a dh o c 技术产生的起源。在战场恶劣的环境下，通信设 备不可能依赖已经铺设的通信基础设施。一方面，这些设施根本不可能存在，另 一方面，这些设施都是首先遭到重点打击的对象。而在现代化战场上，各种军事 车辆和士兵之i 司都需要保持密切的联系，以完成集中统一指挥，协同作战。这样 的通信网络是一种典型的a dh o e 技术的应用。 随着研究的不断深入，a dh o e 技术越来越显现着其独特的魅力，它已经开 始被当作下一代移动通信网络的一种应用方案。 由于a dh o c 网络自身的特点，它不能组建成像目前移动网络规模的大网， 但在现有的移动网络中，移动数据接入功能强调的是一个宏观概念，真正集中到 小范围的热点地区，却仍然远远不能满足现有用户对移动数据业务的需求。作为 现有移动通信网络在这些热点地区的补充，a dh o c 网络可以提供高速宽带的语 音、数据和图像业务。参照诺基亚公司提出的无线局域网接入g p r s 网络的 o w l a n ( 运营商无线局域网) 方案【1 “，可以提出类似的a d h o c 网络接入g p r s 网络的方案。图l f 3 是该方案的基本结构图。 南京邮【乜学院硕士毕业论文 第一章绪论 图13 a dh o c 网络接入g p r s 网络的方案 由图1 3 的方案可知，a d h o c 网络是通过i p 核心网按入到移动核心网的，其 中有三个重要的网络实体：基于s i m 卡的移动终端、在无线接入网和固定i p 核 心网间提供网关服务的接入控制器a c 以及作为用户管理主要节点的认证服务 器a s 。移动终端使用s i m 卡是为了能够接入移动运营商的网络，提供接入所需 的a a a ( 认证、鉴权和计费) 信息。接入控制器从由接入点传来的数据中分离 出用户控制信息( 主要是a a a 方面的) ，并将这些数据转入移动核心网；如果 认证通过，则可以建立链路，将用户数据通过i p 核心网发送给目的用户。认证 服务器为核一t l , 网络提供了一个网关，它使用7 号信令网将认证信令传给h l r 。 浚方案使用s i m 卡中的i m s i ( 国际移动用户标识码) 号码来识别用户。 该方案的核心思想是将控制和业务分离，只把控制信令数据以及认证和计费 数据传输到移动核心网中，而用户数据则直接通过i p 骨干网传到目的端。这样 既可以避免在移动核心网内的复杂漫游，又可以减少核心网络的负荷。而其设计 难点在于如何用i p 协议构架将标准的移动用户认证信令从终端传到蜂窝网。另 外，通信的安全性也是研究的热点。 南京邮电学院硕士毕业论文 第一章绪论 除了以上的两种应用，a dh o c 技术还有许多潜在应用 1 2 】，主要有以下几类： 移动会议：在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过a dh o c 方式 组成一个临时网络来协同完成一项大的任务，或协同完成某个计算任务。在室内 办公环境中，办公人员携带的装有a dh o e 收发器的p d a 可以通过无线方式从台 式机上下载电子邮件，更新工作f 1 程表等。 家庭联网：通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭，必要时在 家庭办公。或者利用我们随身携带的个人无线a dh o e 设备与装备了a dh o e 收发 器的家庭电器通信，自动完成开锁、丌灯、打开娱乐设备等操作。 紧急服务：由于停电或其他灾害出现，网络基础设备遭到破坏时，组建一个 a dh o c 网络帮助紧急救援人员完成任务。 传感器网络：最近，人们开始关注大量分布的传感器协调工作的问题。传感 器可以工作在危险的环境，也可以工作在其他人类无法到达的地方。通过在传感 器上装备a dh o c 收发器，将传感器所在的现场信息传送到危险现场以外。 个人域网络：通过a dh o c 网络把个人通信、娱乐、办公等设备联网，这些 设备可以或者不需要同因特网相连，但在执行用户的某些活动时肯定需要彼此通 信。在这种情况下，移动性不是主要问题。 1 4 论文研究的背景及主要工作 a d h o c 技术已经成为了当今无线通信领域的一个研究热点，研究成果也是相 当丰富的。然而，这些成果多集中在传输层和路由层，很少涉及到对于接入层的 理论分析。无线多跳的a dh o c 网络对于接入层的要求比较高，接入层机制的好 坏直接影响到整个网络的性能。正如第1 22 节所述，已经有许多m a c 层媒质 接八方案被提出，然而应用最广的是i e e e 8 0 2 1 l 的接入层方案，因此本论文将 主要研究基于i e e e 8 0 2 11 协议的a dh o c 网络的接入性能。 日前，a dh o c 网络主要采用的接入平台是i e e e 8 0 2 1 l 协议，因此论文的第 二章将详细讨论i e e e 8 0 2 1 i 协议及其d c f 机制，以便于了解具体的接入过程。 为了进行接入性能分析，论文的第三章建立了i e e e 8 0 2 1 1 协议的数学分析模型， 着重讨硷分组大小、链路数和初始窗口大小对于节点吞吐量性能的影响，并用 n s 仿真加以验证。在无线多跳环境下，i e e e 8 0 2 1 1 协议作为接入平台存在一些 南京邮电学院硕士毕业论文第一章绪论 严重问题，主要包括隐藏节点问题和暴露节点问题两类。所以论文的第四章将使 用仿真的方法研究这两类问题，并找出产生的原因。i e e e 8 0 2 1 1 协议二进制指 数退避算法存在接入不公平性问题，这一问题对于多跳网络的影响更加严重。论 文的第五章使用两种网络拓扑来展示一种改进的退避算法对于网络不公平性的 改进，并在此基础上针对实际网络的环境，提出了一种新的改进思路。 南京邮电学院硕士毕业论文 第= 章i e e e 8 0 21 1 协议 第二章i e e e 8 0 2 1 1 协议 2 1i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网概述 为了组建和实现无线局域网，不同的公司或组织机构提出了各自的技术解决方 案，其中比较流行的有i e e e8 0 2 1 1 系列、b l u e t o o t h 、h i p e r l a n 2 和h o m e r f 等，表 2 1 列它们进行了简要的比较。 表2 1 几种无线局域网技术的比较 8 0 2 1 1 a8 0 2 1 1 bh i p e r l a n ，2b l u e t o o t hh o l n e r f 频段5g h z2 4 g h z5g h z2 4 g h z2 4 g h z 调制方式 0 f d md s s so f d mf h s sf h s s 数据速率 5 4m b i f f s1 l m b i t s5 4m b i f f s lm b i t s1 6m b i f f s 传输范围 1 0 0 m1 0 0 m1 5 0 m1 0 m5 0 m 功率向【 i高 很低中 成本 由 低中 应用领域数据数据数据数据、话音数据、话音 2 1 1i e e e8 0 2 1 1 技术与标准 i e e e8 0 2 1 l 【2 j 属于i e e e8 0 2 标准的一部分，是局域网在无线环境下的扩展。 与有线局域网相比，无线局域网具有开发运营成本低、投资回报快、组网方式灵活 等优点，有效的弥补了传统有线局域网的不足。 i e e e8 0 2 11 的工作频段一般选择为i s m 频段，即工业、科研和医疗频段。不同 的国家和地区的无线电管理机构都设置了相应的i s m 频段，例如美国的i s m 频段由 9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，2 4 g h z 2 4 8 3 5 g h z ，5 7 2 5 g h z 5 8 5 0 g h z = 个频段组成。如 果发射功率满足美国联邦通信委员会( f c c ) 的要求，则无须向f c c 提出专门的申 请即可自由使用这些i s m 频率。i e e e8 0 2 1 l 及其扩展i e e e8 0 2 1l b i 作在2 4 g h z 的 i s m 频段，i e e e8 0 2 il a i 作在5 g h z 的i s m 频段。 南京邮电学院硕士毕业论文第二章i e e e s 0 2 1 1 协议 i e e e 8 0 2 1 1 标准提供m a c 年h p h y 功能，在局域范围内为固定的、便携式和 以步行或行车速度移动的移动节点提供无线连接。i e e e 8 0 2 1 1 包括以下一些具体特 征： 1 ) 提供异步和实时发送业务； 2 ) 通过分布式系统，如以太网，在扩展域内连续服务； 3 ) 调节适应1 m b i t s 牙 1 2 m b i t s 的传输速率： 4 ) 支持大部分的市场应用： 5 ) 多点发送( 包括广播发送) 服务： 6 ) 网络管理服务； 7 ) 注册和认证服务。 1 e e e 8 0 2 11 标准中考虑了无线l a n 和有线l a n 之间的区别，主要有： 1 ) 电源管理：因为大部分的无线网卡应用于便携式设备，必须依赖电池供电。 在i e e e 8 0 2 11 考虑了节能因素，引入了“休眠”概念。当没有数据要发时，节点处 于“休眠”状态，只需要定期被唤醒来接收有用的信息。 2 ) 带宽：1 s m 频段不能提供大量的带宽。i e e e 8 0 2 1 1 改进了数据压缩方式， 充分利用可用的带宽。 3 ) 安全性：无线l a n 的信号覆盖范围很广，更要考虑安全问题。i e e e 8 0 2 11 工作组与i e e e 8 0 21 0 相协调，由i e e e 8 0 2 1 0 负责开发安全机制。 4 ) 寻址：网络拓扑是动态的，因此目的地址不能一直与目的地相一致。当主机 移动时就会出现问题。可以考虑在上层应用e s 3 h , k 寻址机制，如移动i p 等，来解决 这一问题。 i e e e 8 0 2 11 标准的制定有一个过程。1 9 9 0 年7 月，i e e e 8 0 2 委员会接受了 n c r 公司“c s m a c d 无线媒质标准扩充”的提案，成立了i e e e 8 0 2 11 工作委员 会，该工作委员会负责制定无线局域网物理层及媒质接入控制( m a c ) 协议的标准。 仉到1 9 9 7 年，i e e e 8 0 2 委员会才发布了i e e e 8 0 2 1 l 标准正式版( 第一版) ，随 后在19 9 9 年，i e e e 8 0 2 委员会发布了修订版，f i j i e e e 8 0 2 1 1 标准( 第二版) 。 为了解决当前发布的标准不够完善的问题，i e e e 8 0 2 1 1 工作组正积极开展一些 相关课题的研究计划，促进无线局域网标准的进步完善： 1 9 南京邮电学院硕士毕业论文第二章i e e e 8 0 21 1 协议 i e e e 8 0 2 1l a ：e x t e n s i o no f t h ei e e es t a n d a r d8 0 2 1 1 1 9 9 7w i t hah i g h e rd a t ar a t e p h yi nt h e5 g h zb a n d ( 1 9 9 7 年版i e e e8 0 2 11 标准的扩展，在5 g h z 频带中拥有一 个更高数据传输速率的p h y ) ：发起该计划的目的是为使用固定的、可移动的和便 携式设备的无线局域网发展一个适于数据、声音和图像信息服务的高速( 约 5 4 m b i d s ) 无线p h y 。该计划致力于提高频谱效率，并对现有的8 0 2 1i m a c 进行评 审，以保证其具有更高速度的操作能力。 i e e e 8 0 2 1l b ：e x t e n s i o no f t h ei e e es t a n d a r d8 0 2 11 - 1 9 9 7w i t hah i g h e rd a t ar a t e p h yi nt h e2 4 g h zb a n d ( 1 9 9 7 年版i e e e 8 0 2 1 1 标准的扩展，在2 4 g h z 频带中拥 有一个更高数据传输速率的p h y ) ：该计划的目的是扩展目前的8 0 2 1 1 标准的性能 与范围。当前i e e e 8 0 2 1 l b 能提供的直接序y d p h y 最大速率是l l m b i t s 。这是目前 应用最广的协议。 i e e e 8 0 2 1 l e ：该计划用来增强当前的i e e e 8 0 2 11 m a c 来支持q o s 的需求，提 高安全性能以及增强协议的效率。这些增强与前面的i e e e 8 0 2 1l a 和i e e e 8 0 2 il b 的p h y 扩展相配合，用以提高全系统的性能，并扩展i e e e 8 0 2 1 1 的应用领域。 i e e e 8 0 2 11 9 ：该计划对i e e e 8 0 2 1 1 b 进行新的扩展，工作在2 4 g h z 频段，其 最高速率可达2 2 m b i t 。i e e e 8 0 2 1 1 9 后向兼容1 e e e 8 0 2 ，1l b 协议。 2 1 2i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的组成 我们把无线局域网可覆盖的区域称为服务区域( s e r v i c ea r e a ) ，服务区域又可 分为b s a ( 基本服务区域，b a s i cs e r v i c ea r e a ) 和e s a ( 扩展服务区域，e x t e n d e d s e r v i c ea r e a ) 两种。b s a 指由无线局域网中节点的无线收发机及地理环境所确定的 通信覆盖区域。b s a 包括一个基站和多个移动节点，所有的移动节点运行同样的 m a c 协议并以随机争用的方式共享无线传输媒质。b s a 类似无线移动通信的蜂窝小 区。在i e e e8 0 2 11 标准中，基本服务区域中的基站称为a p ( 接入点，a c c e s sp o i n t ) 。 划网络用户来说，希望b s a 越大越好。然而，考虑到无线资源的有效利用和无线通 信技术的限制，b s a 不能太大。 一个基本服务区域可以是孤立的，也可以通过a p 连接到一个主干分配系统 南京邮电学院硕士毕业论文 第二章i e e