（通信与信息系统专业论文）无线多址接入技术和多播路由技术研究.pdf

摘要 多址接入技术和a d h o 。 网络技术是无线通信发展的两个重要方向。它们仍然 面临许多挑战。多址接入技术为多个用户提供有效共享信道资源的机制， 对提高 信道资源的利用率起着至关重要的作用。 a d h o c 网络是一种完全由 无线连接的移 动节点所构成的不依赖于任何基础设施的网络，它支持的许多应用都需要多个用 户的互相协作才能完成， 所以 多播路由 技术发挥着重要的作用。 本文对具有中心接入点的无线多址接入技术和a d h o c 网 络中的多播路由 技术 进行了研究。同时，考虑到网络业务具有自 相似性，而且大量具有 “ 重尾” 特性 的信源产生的业务叠加后可以生成自 相似业务，本文对这类信源的排队系统进行 了探讨。本文的主要内容和创新性结果如下: 1提出了两个排队系统的分析算法: 第一个算法基于相位法， 对o n期和o f f 期都服从 “ 重尾” 分布的o n / o f f 信源的排队系统进行了分析; 第二个算 法用来确定网络中处在o n状态的节点的个数，以及每个处在o n状态的 节点能够分配到的信道资源。 基于这两种算法， 可以 估计mu p m a协议对 应的平均分组等待时延和信道利用率。 2 . 提出 了 一 种改 进的u p m a 协 议 ( m u p m a 协议 ) 。 m u p m a协 议 采 用 一 种高 效的接入算法:它在每一帧的最后保留适当数量的微时隙， 供节点竞争接 入，并且微时隙的个数随着参加竞争的节点的多少而动态地调整。以 m u p m a协议为基础， 我们还提出了一种支持q o s 的u p m a协议( q u p m a 协议 ) ， 它 采 用一 种 独 特的 帧 结 构 和 基于 优先 级的 接 入竞 争 算 法， 保 证实 时 业务能够优先接入和优先传输。另外，我们还研究了不同的业务类型对 mu p ma协议性能的影响。 3 . 提出 了一 种a d h o c 网 络中 基于分区的多 播路由 协议( r m r p ) , r m r p 采用 一种网络分区算法，把网络的攫盖区域划分为一系列分区，而且相邻的分 区 之间 彼 此 重叠. r m r .p 包 括 两 个 算法: 分区 内 部 采 用p r o a c t iv e 型的r m r p 局部多播路由 算法， 分区之间采用r e a c t i v e 型的r n w 全局多播路由 算法。 r m r p协议以p r o a c t i v e / r e a c t i v e 混合的 方式工作， 既能 缩短发 现多 播组成 员及建立相应路由的时间，又能从一定程度上降低由于网络规模或者多播 组规模的 增加所带来的 控制开销的增加，即支持网络的可扩展性。 关 键% - l : a d h o c 网 络 多 播路由 协 议 多址接入协议 服务质量( q 0 s ) 自相似业务重尾分布 a bs t r ac t mu l t i p l e a c c e s s c o n t r o l ( ma c ) a n d w ir e l e s s a d h o c n e t w o r k s a r e t w o h o t s p o t s o f r e s e a r c h i n t h e f i e l d o f w ir e le s s c o m m u n i c a t i o n s . d e s p i t e o f t h e i r p r o m i s i n g p r o s p e c t s , b o t h o f t h e m e n c o u n t e r a l o t o f c h a l l e n g e s . m u l t i p l e a c c e s s c o n t r o l ( ma c ) , w h i c h p r o v i d e s a m e c h a n i s m o f s h a r i n g t h e c h a n n e l re s o u r c e e f f i c i e n t l y , i s o n e o f t h e k e y t e c h n i q u e s t o e n h a n c e t h e u t i l i z a t i o n o f c h a n n e l re s o u r c e . a n a d h o c n e t w o r k , w h i c h i s a s e lf - o r g a n i z i n g w ir e le s s n e t w o r k c o m p o s e d o f m o b i l e t e r m i n a ls , d o e s n o t r e l y o n a n y p re e x i s t i n g i n fr as t r u c t u re . s i n c e m a n y a p p l i c a t i o n s 玩a n a d h o c n e t w o r k re q u i r e t h e c o o p e r a t i o n a m o n g m u l t i p l e u s e r s , m u lt i c a s t rou t i n g p l a y s a n i m p o r t a n t ro l e t h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e m a c t e c h n i q u e s in w i r e l e s s a c c e s s n e t w o r k s w i t h a c e n t r a l a c c e s s p o i n t ( c a p ) , a n d m u lt i c a s t r o u t i n g i n a d h o c n e t w o r k s . me a n w h i l e , in c o n s i d e r a t i o n o f t h e s e l f - s i m i l a r n a t u r e o f t r a f fi c in c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s , t h e q u e u e i n g s y s t e m o f a n o n / o f f t r a f fi c s o u r c e w i t h h e a v y - t a i l e d d i s t ri b u t i o n i s d is c u s s e d , b e c a u s e t h e a g g r e g a t in g tr a f f i c o f a m as s o f s u c h t r a f f i c s o u r c e s e x h i b i t s s e l f - s i m i l a r i t y . t h e ma i n r e s e a r c h w o r k s a n d r e s u l t s a r e l i s t e d as f o l l o w s 1 . t w o a l g o ri t h m s f o r q u e u e i n g a n a l y s i s a r e p r o p o s e d . t h e f i r s t o n e , w h i c h i s b as e d o n t h e m e t h o d o f p h a s e s , a i m s t o a n a l y z e t h e q u e u e i n g s y s t e m o f a n o n / o f f t r a ff i c s o u r c e , w h o s e o n a n d o f f t i m e - f e n 沙 d i s t r i b u t i o n s a re h e a v y - t a i l e d . t h e s e c o n d o n e c a n e s t i ma t e n u mb e r o f u s e r s i n o n s t a t e as we l l a s t h e i r re s p e c t i v e b a n d w i d t h a v a i l a b l e . t h u s , w it h t h e c o m b i n a t i o n o f t h e s e t w o a l g o ri t h m s , p e r f o r m a n c e o f t h e mu p ma p r o t o c o l i n t e r m s o f t h e t h r o u g h p u t a n d a v e r a g e p a c k e t q u e u e i n g t im e c a n b e e v a l u a t e d . 2 . a m o d i fi e d u s e r - d e p e n d e n t p e r f e c t - s c h e d u l i n g m u l t i p l e a c c e s s p r o t o c o l ( m u p m a ) i s p r o p o s e d . m u p m a p r o t o c o l c h a r a c t e r i z e s i t s a c c e s s a l g o ri t h m , w h i c h s p e c i f ie s a c e r ta i n n u m b e r o f m i n i s l o t s a t t h e e n d o f e a c h fr a m e t o a c c o m m o d a t e a c c e s s r e q u e s t s fr o m a c t iv a t e d， a n d t h e n u m b e r c a n b e a d j u s t e d d y n a m i c a l l y a c c o r d i n g t o t h e d e g r e e o f c o l l i s i o n s . b as e d “m u p m a p r o t o c o l , a q o s - s u p p o r t i n g u p m a p r o t o c o l , q u p m a p r o t o c o l , i s p r e s e n t . q u p m a h a s a u n i q u e fr a m e s t r u c t u r e a n d a 州o ri t y - b as e d a c c e s s a l g o r i t h m , w h i c h g u a r a n t e e b o t h t h e a c c e s s a n d t h e t r a n s m i s s i o n o f r e a l - t i m e t r a f f i c p r i o r t o t h o s e o f n o n - r e a l - t i m e t r a f f i c . i n a d d i t i o n , a s t u d y o n t h e i n fl u e n c e o f d i f f e r e n t t r a f f i c t y p e s o n t h e p r o p e r t i e s o f m u p m a p r o t o c o l i s c o n d u c t e d . 3 . a r e g i o n - b a s e d m u l t i c a s t r o u t i n g p r o t o c o l ( r mr p ) f o r a d h o c n e t w o r k s i s p r o p o s e d . r mr p a d o p t s a p o s i t i o n - b a s e d p a r t it i o n a l g o r i t h m , w h i c h d i v i d e s t h e c o v e r a g e a r e a o f a n a d h o c n e t w o r k i n t o a s e t o f o v e r l a p p e d r e g i o n s . r m r p p r o t o c o l c o n s i s t s o f t w o p a r ts : t h e l o c a l m u lt i c a s t a l g o r it h m f o r m u l t i c a s t i n g w i t h i n r e g i o n s , a n d t h e g l o b a l m u lt i c a s t a l g o r it h m f o r m u l t i c a s t i n g a m o n g r e g i o n s . t h e s e t w o a l g o r it h m s a r e p r o a c t i v e a n d r e a c t i v e , re s p e c t iv e l y . t h u s , r mr p o p e r a t e s i n a h y b r i d p r o a c t i v e / r e a c t i v e m a n n e r , b y m e a n s o f w h i c h i t c a n n o t o n 卜r e d u c e t h e l a t e n c y t o s e a r c h m u lt ic a s t g r o u p m e m b e r s a n d e s t a b l i s h c o rr e s p o n d i n g p a th s , b u t a l s o r e s t r a i n t h e o v e r h e a d d u e t o t h e i n c re m e n t o f n e t w o r k s c a l e o r m u l t i c a s t g r o u p s i z e fr o m i n c re a s i n g v e r y f a s t . k e y w o r d s : wi r e l e s s a d h o c n e t w o r k s , mu l t i c a s t r o u t i n g p r o t o c o l s , ma l 如l e a c c e s s c o n t r o l ( ma op r o t o c o l s , q u a li ty o f s e r v i c e ( q o s ) , s e l f - s i m i l a r t r a 仿 ， h e a v y - t a i l e d d i s t r i b u t i o n y 创新性声明 本人声明 所呈交的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，除了文中加以 标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学 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做了明确的说明并表示了谢意. 本 人 签 名 : i1 王 乏日 期7ud3 午 八 今 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了 解西安电 子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即:学 校有权保留 送交论文的复印 件， 允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全 部或部分内 容， 可以允 许采用影印、 缩印 或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本 人 签 名 : !只王 乏 导 师 签 名 : 李 遗 布 少 日期 日期 ， ， ， 午 q- 闷 知; 子 iq r n 第一章 绪论 第一章绪论 本章主要介绍了 无线多址接入 技术和a d h o c 网络中多 播路由 技术的应用背景、 技术现状 和今后巫待解决的关 健问 题.同 时 也简 单介绍了 移动终端的几 种常用的 运动 模型， 这个问 题 与网经 闷 支 术紧密相关，目 前受到越来越多的关注. 1 . 1无线接入网及其多址接入技术 无线接入网是业务节点接口 和相关用户网络接口 之间采用无线方式作为传送 实体的接入网络，相应的技术就是无线接入技术。无线接入使人们真正摆脱了电 缆的束缚， 可以自由自 在的移动，并在移动过程中随时随地接受电 信服务。无线 接入技术可以满足那些不便于铺设通信线路的地区和边远、农村地区的分散用户 的通信需求，因而无线接入技术在接入领域占 有非常重要的 地位。 无线接入技术的发展方向是支持移动多媒体业务的宽带无线接入技术。 移动 多媒体业务是把文本、图形、语音和视频等信息以 任意组合的方式向移动用户提 供的服务。宽带无线接入包括以 下几个主要的技术环节: 频谱效率高、纠错能力 强的 调制解调 技术; 高效的多 址 接入技术;传送效率高、 纠错能 力强的 信 源编码 和信道编码技术;信息安全技术等。从具体的实现来说，一方面充分利用过去未 被开发、或者应用不是很广泛的频率资源( 如2 .4 g , 3 . 5 g , 5 .7 g , 2 6 g , 3 0 g , 3 8 g 甚至6 0 g的工作频段) ;另一方面融合微波和有线通信领域成功应用的先进技术， 如高 阶q a m ( 如 6 4 q a m , 1 2 8 q a m ) 调 制、 o f d m , c d m a , a t m , i p等，以 实 现更大的频谱利用率、更丰富的业务接入能力和更灵活的带宽分配方法。 对于宽带无线接入技术，国际上己经有三种标准:i e e e标准、a t m 论坛标 准和欧洲e t s i 的标准。欧洲e t s i 宽带无线接入网络小组在研究、考察了 无线接 入网的用途之后， 得出结论的结论是。 用途不同，需要的数据传输速率也不同。 比如，视频点播需要 1 . s mb i t i s - 6 m b i t t s ，网上浏览需要 2 mb i t l s ，接入企业网需要 1 0 m b it/ s ， 局域网互联需要2 5 m b it/ s 。因此，宽带接入技术目 前大致有五类。 第一类是提供 2 m b i t ( s 速率的设备，如爱立信的 a i r l i n e系统， 微波一点多 址系统也可以 提供2 m b i t ( s 的速率。 第二 类是本地多点 分配 系 统( l m d s ) 和多点多 信道分布式系统 ( m m t ? s ) a 第三类是无线局域网( wl a n ) 和 无线a t m. 第四 类是用欧洲电 信标准 协会e t s i 制订的 标准. 1 9 9 2 年e t s i 提出h ip e r l a n 标准第一项，当前， e t s i 根据a c t s 计划宣布新标准，新标准提供的接入速率超 过 2 5 mb i tj s ，包括多个宽带无线接入项目，接入速率随工作频率不同而相异，在 6 0 g h z 时提供的速率可达 1 5 5 mb i t l s a 第一章缝论 第一章绻论 拳章主要舟绍了无践多址接八技术和a dh o c 鼢略中多播路由技书姆应罔背景、技术现状 和夸后亟待解决的美靛问题。简时也简单介绍7 移动终端的凡种常用的运动模型，这个鞠题 与网络技术紧密相关，目前受到越来越多的关注。 1 1 无线接入网及其多址接入技术 无线谈入网是娩务节点接口和稠关霜户黼络接瑟乏闻采堵无线方式作为传送 实体的接入网络，相应的技术就是光线接入技术。光线接入使人们真正摆脱了电 缆静束缚，冒淤鸯囊叁在熬移动，势在移动避程串瓣对随遮接受电臻鼹务。笼线 接入技术可以满足那些不便于铺设通信线路的地区和边远、农村地区的分散用户 载遴信毳求，嚣露光线接入技零蚕壤入领域鑫毒菲霉重要鹣蟪经。 无线接入技术的发展方向是支持移动多媒体业务的宽带无线接入技术。移动 多娠俸整务是恕文零、基搿、语啻秘视频等信息以撩意组合瓣方式嶷移动用声提 供的服务。宽带无线接入包括以下几个主要的技术环节：频谱效率商、纠错能力 强约调剑瓣调技术；意效盼多垃接入技术；传送效攀寓、纠错能力强妁信源编码 和倍道编码技术；信息安全技术等。从具体的实现来说，一方面充分利用过去未 被汗发、或者应用不是很广泛的频率资源( 如2 a g 、3 5 g 、5 7 ( 3 、2 6 g 、3 0 g 、3 8 g 甚麓6 0 g 的工作频段) ；另方面融台微波和有线通信领域成功应用的先进投术， 如籀阶q a m ( 如6 4 q a m 、1 2 8 q a m ) 调制、o f d m 、c d m a 、a t m 、坤等，以实 现受大静颓谱稠焉攀、更丰富静韭务接入能力帮更灵活静带宽分配方法。 对于宽带无线接入技术，国际上已经有点种标准：i e e e 标准、a t m 论坛标 准耨殴溯e t s i 静橱潍。敢渊e t s i 宽带无线接入曛黢，l 、缀农赞究、考察了无线接 入网的用谂之后，得出结论的结论是：用途不同，需要的数据传输速率也不间。 魄黧，援簇杰撵嚣簧l 。5 m b i t s - 6 m b i t s ，瓣上测菱爨要2 m b i t s ，接入佥_ 翌掰嚣要 1 0 m b i t s ，局域网甄联需要2 5 m b i t s 。因此，宽带撩入技术目前大致肖五类。 第一炎是提拱2 m b i t s 速率鹃设备，熟爱立镕熬a i r l i n e 系统。徽波一点多 址系统也可以提供2 m b i t s 的速率。 第二类是本地多点分配系统( l m d s ) 期多点多楼道分布式系统( m m d s ) 。 第三类是无线局域网( w l a 啪无线a t m 。 第四类是用欧洲电信橼准协会e t s i 制订的标准。1 9 9 2 年e t s i 提出h i p o r l a n 标准第一磷，当前，e t s i 穰据a c t s 许戴赢布薪标准，薪禄准提供的接入速率超 过2 5 m b i t s ，包括多个宽带无线接入项目，接入速率随工作频率不同而相异，在 6 0 g h z 时掇供的速率可达1 5 5 m b i f f s 。 2 嚣安墩子科技大学蹲士学靛论文：茏线多蛙接入蕴寒秘多援路瞧技术婿究 第赢类是利用光无线通信技术。光觅线通信是新概念。红外光信号程有线( 光 纤) 孛w 戳传撵，在无线( 大气) 中也可| 蠢传搔，在大气审传播就成为光凭线通僚 ( o p t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ) 。光无线系统可以用于点对点通信，也i 玎构成光 无线禺竣圈( o w l a 秘。鏊黔j l 奎竞无线系统避嚣了多矮试验，其中毒传输距离达 到4 0 m 、数据传输速率为1 g b i t s 的试验。 另矮，在宽带无线接入方蘸还有足令技寒袭鑫瘟孳l 怒注意： ( 1 ) 作为一种多跳无中心的分布式控制网络，a dh o c 网的研究方兴未艾，它组 嬲灵活、生奏力强，哥以迅速痰建到某些特臻黪凌窝紧急情况，是无线 网络发展的一个新方向。 ( 2 ) 第三代移动通镶系统( 3 国的快速发展可缝是无线接入技沭另夕 一个重要 的发展方向。 虽然无线接入有很多无可替代的技术优越性和光明媳应用煎景，但宅毕竟悬 是采用茏线信遂来传输信息，无线信遒褶对有缄倍道有徽大的局限性 l l ： ( 1 ) 无线频谱是一种非常宝贵的资源，不像在有线传输中可以通过使用新的 波长( 滚分复焉) ，或安装新静电缓来增加频带豹宽度。髓分配给冤线接入 使用的频谱更是非常有限。 ( 2 ) j 邑线落遴是一耪衰落蘩暹，这傻褥无线僚遵懿镣撵条箨鼙为复杂、瑟劣。 要在这样的传撩条件下保持可以接受的倦输质擞，就必须采用备种技术 接旌来糕瀵衰落豹不羲彩漓。 由此可见，无线通信网中最宝贵的资源就是信遭( 相应于一定带宽的频带) 。 每个囊户或终蠛郡想捷翅蓿遘，如果多个月户感辩争罔浆一痿逡，藏必然发生磁 撞。如粜都不用信道，那么该信道就会空闲，造成信道资源浪费。因此，共享傣 道的准煲i l 多址接入协议是宽带无线按入懿关键技术之一。 多址接入协议是多个用户懿享一个避信信邋的方式，多址撩入协议怒否设计 得当或者选择会理直接影响到无线资源的利用率和通信质量。多址方式也可以被 认为是一个滤波问题，许多餍产褥时使糟同一频谱，然借采用不闭的滤波器和处 理技术使不同用户的信号互不予挽并分别被接收。目前，多址接入协议盘要应用 在两释环装下：一是有中心接入点f 或毳基站) 静攀统圈络 二蘧淤a dh o c 为代 表的多跳网络。下面先介绍单跳网络中的多址接入协议。 l 。毫串，玉接入熹或者萋菇) 鹣蕈露网络孛的多犍接入协议 根据对无线信道共睾方式的不同，应用在j 蓦种网络环境下的多址接入协议可 潋分舞疆苓三大类： ( 1 】固定分配型多址接入协议 固定分配羹多址揍入褥议为每个连矮或每次遴痿基定遗分瑟确定靛搂道，对 于用户较少而麒通信业舞量较稳定的网络，这种方式可以提供可靠的服务质量， 第一章绪论 所以在以话音为主要业务的系统中得到了很好的应用。然而当用户的业务是突发 性较强的数据业务时，这种方式效率很低。造成信道资源的浪费。因此，对于突 发性业务来说，固定分配多址并不是一种理想的方式。 固定分配型多址接入协议的典型例子包括f d m a 、t d m a 等。前者广泛用于 第一代模拟移动通信系统中，后者被广泛用于第二代数字移动通信系统中。 f 2 1 随机竞争型多址接入协议 随机竞争型多址接入协议允许移动终端( 以下简称节点) 随机发送信息，如果 不同节点发送的信息发生了碰撞，碰撞的信息则按一定规则延迟一段时间后重新 发送直至成功。这种方式适用于网络由大量用户组成、而这些用户又只是间歇性 工作的情况。 随机竞争型多址接入协议的典型例子包括a l o h a 2 ”、c s m a m 等，它们都 存在这样一个问题：每一个分组的传输都要建立在竞争的基础上，当网络的业务 负载越来越重时，碰撞会变得越来越频繁，造成信道的利用率降低；同时，它们 很难支持对于时延敏感的业务。 f 3 1 按需分配型多址接入协议 按需分配型多址接入协议根据节点提出的带宽要求及时地调整信道资源的分 配。与固定分配多址相比，这类多址对突发性业务有很好的适应性，当某个节点 进入空闲状态时，它所占的资源将分配给其他用户或连接。与随机访问多址相比， 按需分配多址避免了信息多次碰撞所带来的时延不定或时延太大等问题。故这种 方式适用于通信业务量随机变化而这种变化又难以预测的情况，但它需要一个专 用信道供所有用户以固定分配或随机接入的方式提出呼叫申请。 根据使用的双工方式，典型的按需分配型多址接入协议可分为基于t d d 和 基于f d d 两大类。基于f d d 的有d q r u m a 、m p r m a 、d s a + + 、d t d m a p r 等，基于t d d 的有m a s c a r a 、p r m a a t d d 、d t d m a r r d d 等o 】。 m p r m a 协议闸是由p r m a 协议【7 扩展得来的，它支持数据和话音业务的并 传。它采用固定长度的帧，每一帧包含的时隙数目相同，而且时隙的长度都相同。 话音节点一旦进入突发期，它以概率风在一个空闲时隙中发送其第一个分组，竞 争可用的时隙。若竞争成功，该节点就预定了后续帧中相同的时隙。当一个话音 突发传输结束后，该节点释放它预约的时隙，供其他节点使用。当数据节点有分 组到达时，它在一个空闲时隙中以概率p 。发送其第一个分组，和其他节点竞争接 入。如果接入成功，基站以穷尽轮询协议i s 安排数据节点的分组传输。由于该协 议采用时隙而非微时隙进行竞争接入，可能会造成信道资源的浪费。 d s a + + ( 动态时隙分配) 协议【9 】的基本思想是把几个节点和一个基站组成的小 区当作分布的排队系统来处理。上、下行链路都采用可变长度的帧结构，并且由 基站发送d s b ( d o w n l i n ks i g n a lb u r s t ) 来宣告一帧的开始。在每一帧上行链路的时 4 西安电子科技大学博士学位论文：无线多址接入技术和多播路由技术研究 隙中，节点发送一个分组，通知基站它当时的容量要求和其他一些参数，如最坏 情况下等待分组的剩余生命值、等待分组的平均剩余生命值和队列的长度等。这 些参数被用来预约上行时隙。在呼叫建立时采用随机接入，节点需要快速更新它 的动态参数。随机接入采用子时隙( 共4 个) 来降低发生冲突的可能性。d s a + + 存 在的问题是一旦某个d s b 丢失，整个帧都会丢失。 d q r u m a ( 分布排队请求更新多址接入) 0 1 协议没有帧结构。节点随机地发送 传输请求分组，如果被正确接收，基站返回一个应答。然后，节点等待基站的允 许信号。接到允许信号之后再发送分组，而且这个分组包含着申请下一个时隙的 请求信息。通过这种方式可以降低随机接入的开销。由于信令采用捎带方式，同 时采用微时隙进行竞争接入，信道利用率较高。由于d q r u m a 没有采用帧结构， 它可以立即对接收到的接入请求进行响应。但此协议没有区分v b r 业务和a b r 业务认为它们都属于“突发”业务，即协议中没有提供优先级处理机制。这样 一来，c b r 业务的时延及时延抖动相对大一些。 d t d m a p r ( 捎带预约的动态t d m a ) t “1 采用固定帧结构，每一帧的时隙数也 是固定的，但分为预约微时隙、长期可预约时隙、短期可预约时隙三个子帧，而 且后两个子帧之间的边界是可移动的。每个要求接入的节点随机选择一个微时隙 以时隙a l o h a 的方式发送其竞争分组，并在此分组中说明其业务类型和所需带 宽等信息。基站在预约期的最后发布一个广播信息，通知哪些节点竞争成功、为 每个接入的节点分配的时隙数及时隙的位置等信息。d t d m a p r 的主要贡献在于 它采用了长期和短期两种可预约子帧，分别为c b r 、v b r 业务和为a b r 业务提 供连接。其优点是接入竞争采用微时隙，信道利用率高，而不足之处在于没有考 虑传输的业务可能有不同的q o s 要求，一旦两个q o s 要求不同的节点在竞争接 入时发生碰撞，在下一帧中它们将以相同的概率重发，也就是说在竞争接入时没 有引入业务优先级的概念。 p r m a a t d d ( 自适应时分双工p r m a ) 【1 2 1 协议采用固定帧长。每一帧包含6 4 个时隙，依此分为下行和上行两个子帧。但子帧的长度是可变的。每一帧的第一 个时隙被用来进行同步，第二个时隙用于发送广播信息，广播信息包括下行子帧 的时隙数、时隙被分配给哪些节点以及和呼叫建立、终止相关的信令等。其余的 6 2 个时隙用于传输上行或者下行业务分组。在上行子帧，节点按照p r m a 的机 制进行竞争接入。p r m a a t d d 的主要贡献在于它采用两个列表，一个静态列表， 一个动态列表。前者保存呼叫的持续时间等长期参数，而后者主要保存缓冲器中 的分组信息，比如分组的剩余生命时间等，根据这些信息可以决定哪些节点可以 在下一帧中发送分组。也就是说，静态列表的信息可以用来为排队等待发送的分 组分配不同的优先级。由于采用固定帧长，便于安排c b r 业务的传输，同时上、 下行子帧的长度可以根据业务负载的变化而动态变化，提高了信道的利用率。但 第一章绪论5 是它也继承了p r m a 协议懿不足，即节点使用对隙黼不是微时隙进行竞争接入， 造成信遭爨源的浪费。 m a s c a r a ( a t m 中基于竞争靼预约方式的移动接入方案) m ，q 上下时段可 交，节点通过竞争预约接入信道，接入点程帧头戳广播方式遥知各节点预约的结 果和带宽的分配情况，通过优先权安排算法和可变帧长来撮供多种业务，同时竞 争期是移长鞋保持令合褒静成功接入速率。m a s c a r a 静爨献在予窀；l 久了c e l l t r a i n 的概念，从而能为不同业务的节点提供不同的带宽。其缺点是用来竞争接入 黪分组太大，当堑务囊载缀霪对，霹驻会显馨建降低系统熬邋过量。 d t d m a t d d ( 时分双正的动态t d m a ) t ”】采用网定长度的帧结构，每帧依 次势秀下褥移上孬嚣个子竣，嚣虽嚣令子鞍之闼的边界可以移动。囊某个繁点有 分组要发遴时，它在上行予帧开始的一组微时隙中随机选择个微时隙，按照时 黢a l o h a 豹方式竞争接入，基站将在下一峻艇下露子姣孛遇知竞争接入豹续果。 d t d m a i t d d 的主要贡献在于采用报短的时隙，这样可以用一个时隙发送一个控 制分组，褥用多个时隙来传输业务分组。其不足之处在于没有考虑各种业务在竞 争接入时的优先级。 2 a dh o c 网络中的多址接入技术 在a dh o c 霹络中，鸯予每一个带点煞琵线覆盖菠 ( r a d i ot r a n s m i s s i o nr a n g e ) 裔限，不可避免地带来了隐藏终端【”和暴嚣终端的问题m ，1 8 , 蠲，对成用于这类网 络串静多致接入协议提交了更高鹣要求。a dh o c 瘫络豹褶关簸识将在下一繁串详 细介绍。圈1 1 图1 2 说明了隐藏终端和黎露终端问题是如何产生的。图中，小 弱黼帮冀黧嚣豹字母a 、b 、e 戴袭兰令节杰。大黧馁表萤蠡a 或纛楚轰c 戆无 线覆盖范嗣。 圈1 1 隐藏终端问题豳1 2 暴嚣终端问藤 在图1 1 中，警节点a 惫节杰器发送分组辩，节点c 氇企鹜囱节点b 发送 分组，从而发生碰撞。因为节点c 处在a 的无线覆盖范围之外，它不能侦听到a 夜发送分缀n 这耱鞠并嚣掰有的节患都能谈辑到其德节点鹣发送磊| 起酌磁撞就 燕隐藏终端问题n d d d t e r m i n a lp r o b l e m ) 。 在图1 2 中，澄苓点转鑫节患a 发送分组霹，肇点c 羧辑至g 节点b 在发送， 6 瑶寮电子辩鼓大学薄士学泣论文：无线多缝接入技术和多播鼹峦技术辩究 所以接迟向节点d 发送分组。这种撩迟是毫兹必要的，因为节点b 渤带点a 发 送分组和节点c 向节点d 发送分组并不冲突。这种园发送节点侦听到其无线覆盖 范围内某个节点的馋输而进行不必耍的发送推迟就是暴鼹终端阔题( e x p o s e d t c l t n i l 船lp r o b l e 越) 。 l e e e8 0 2 n i 1 是a dh o c 网络使用的标准协议，广泛地应用予a dh o c 网络的测 试霸仿真实耱孛。尽管i e e e8 0 2 1 1 椽准嗣蘑r t s c t s ( r e q u e s t - t o - s e n d c l c a r - t o s e n d ) 对话可以从一定程度上减轻隐藏终端的影响，但艇文献指出该协议没有提 供强嚣一秘掰寒解决爨露终臻游题的撬程，莠诞疆疆嚣嚣8 0 2 ，l lm a c 蛰议对a d h o c 网来说并不是一个有效的协议；针对逮点。近年来出现了一些协议如m a c a 2 ”， m a c a w t 2 i ，f a m a t 2 ”1 等，嶷公共接道上采震r t s c t s 对话粳制随壤竞争预终 而在业务信道上传输业务，这样可以潸滁在业务信道上发生碰撞的可能性。但是， 实器网络很藤保证默驰稻分组总怒戆被正确接收，霹莛且r t s c t s 瓣对话又萼l 发了黎露终端问题，阊时在较大范围内预约信道资源的结果燕犬大降低了信邋的 利用摩。 a dh o c 黼络真歪需要的多址接入协议是这样的：方面，依靠接收带点侦听 信道状态( 忙或闲) 来避免碰撞：另一方面，僚道状态脆够让全朗的节点都知道， 当一个节熹滋入舅一个节点静无绞覆盏范围蠢时，该节点匏发送不会鼍：扰当莆蔗 在进行的分缎传输。h a a s 等入提出的双忙音多址接入协议( d b t m a ) 采用在控 镶予傣遘上袋送按彀靛啻或毒发送往裔豹方法，葳狠犬程菠上瓣决了a dh o c 秘终 中的隐藏终端问题和暴露终端闻题。 3 。多垃接入携谈豹发展趋势窝霹藏韶在瓣潺蘧 多址接入协议发膜的趋势是必须支持高速光线接入网络中的各种业务并保证 各鑫熬q o s 攒标。选择多蛙按入协议豹关键黢素是在遗当保持笼线痿邀敬褒效率 基础上以合理的q o s 等级支持网络中的业务。多址接入协议对通信质鬣、网络容 噩以及无线终端鲍复杂度都有重要的影响。它嚣要支掩现代无线通信网中的备神 业务在任何附络负载下都要保持必要的q o s 水平，并为无线终端提供公平的共 享网络资源的机会，在保证一定q o s 的条件下，多址攘入协议应尽可能地提高无 线傣道静和用率。面对不同的业务流蕊负载，协议除了保证必簧的可靠悭之外， 还应该表现出极大的灵活性，以完成肖效的绕计复用，尽量减少带宽浪费。为了 减多毙线终臻在体积、功耗、成本和簸杂度等方面鹃受抠，网络帮接入点应完成 多址接入协议的主要功能。 零交是霹宠单懿潮络串懿多袭按入技寒。铁蠡瑟辩攀蔬露络孛各稽类鍪夔多 址接入协议的讨论中不难看出。基于时分的接耩分配裂多址接入协议符合无线接 入瓣辫发震趋势，是一个蕴怒疆究黢搜寒发震方疑。瑷存照按瓣分配黧多垃接入 协议备有其侧重点，燕要表现为以下几个方面： 第一章绪论7 ( 1 ) 按帧还是按时隙来组织传输：按帧组织的好处是便于安排c b r 业务的 传输，但是竞争接入的结果只能在一帧的最后才能知道，这样会带来一 定的时延；按时隙组织则正好相反，节点马上就能知道是否接入成功， 但这样的方式却不便于组织c b r 业务的传输。 ( 2 ) 使用时隙还是微时隙进行竞争接入：毫无疑义，采用微时隙进行竞争接 入可以节约宝贵的信道资源。 ( 3 ) t d d 还是f d d ：t d d 方式适用于频谱资源较为紧缺的地方，可以节约 部分收发器硬件，同时可采用不对称的上下链路带宽，缺点是附加延时 较大。t d d 方式则善于灵活地安排数据业务( 特别是不对称数据业务) 的 传输，以及进行灵活的频率规划，而f d d 方式则对话音及包括宽带多 媒体在内的综合业务发展与蜂窝网络结构易于对称处理及有利于控制收 发干扰及实施高速移动运行等方面有其优越性。 同时，这些协议还存在一些很普遍的问题：一是它们没有考虑不同业务类型 的节点在竞争接入时的优先级问题；二是它们采用了时隙结构，需要全网的所有 节点必须实现严格的时间同步，从而很大程度地妨碍了移动终端复杂度的降低。 这些问题将是本文的第三章要着重解决的问题。 1 2a d h o c 网络及其路由技术 1 a d h o c 网络的提出及其特点 m o b i l ea dh o c ( m a n e t ) 是一种完全由无线连接的移动节点所构成的网络， 通常具有动态形成以及有限带宽等特性，网络的成员可以是单一类型的，也可能 是混合类型的，包括笔记本电脑、p d a ( p a r s o n a l d i g i t a l a s s i s t a n t ) 、移动电话等乜7 】。 图1 3 给出了一个a d h o e 网的例子。 图1 3 一个a d h o e 网的例子 a d h o e 网有以下几个显著的特征 2 8 , 2 9 】： !堕室皇量抖技大学博士学位论文：无线多址接入技术和多播路由技术研究 ( 1 ) 运动的网络节点：网络中的节点并非静止不动，每一个节点都可以独立 地做随机运动。 ( 2 ) 动态的网络拓扑结构：由于网络中每一个节点都可以自由地、相对独立 地运动，使得a dh o c 网络没有固定的拓扑。更糟糕的是，网络拓扑的改 变可能是随机的、频繁的，而且是不可预测的。 ( 3 ) 传输带宽受限，链路的容量是时变的：一般，无线链路的容量比相应的 有线链路的容量低很多，如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声和干扰 等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要 低许多。 ( 4 ) 节点能量受限：一般来说，a dh o c 网络中的节点都是一些便携式的移动终 端，它们都要靠随身携带的电池或者其他消耗性的手段提供能源，为了 能够延长节点的运行时间，个最重要的系统设计准则就是要尽量的节 约能量，采用较小的发射功率。这样一来，每一个节点的无线覆盖范围 ( m i d i ot a a n s m i s s i o nr a n g e ) 就变得极其有限。 这些特点决定了a dh o c 网络独特的运行机制：由于每一个节点的无线覆盖范 围相对于整个网络的覆盖区域来说较小，那么网络中从一个节点到另一个节点的 路由可能要经过多个其他节点的转发，也就是说是多跳的( m u l f i h o p ) 。网络中不存 在固定的路由器，每一个节点在完成自身的功能之外还必须充当一个路由器，转 发其他节点的分组。网络的运行是完全分布式的，和网络的组织和控