（通信与信息系统专业论文）ad+hoc与蜂窝网融合关键性技术的研究.pdf

南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文 摘要 a dh o c 与蜂窝网融合关键性技术的研究 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。随着研究的不断深入，a dh o c 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。a dh o c 网络由于其自 身灵活的特性成为研究的热点，但是它不能组建成像目前移动网络规模的大网， 想要大范围的应用a dh o c 网络仍然有很多困难。目前的解决方法和研究热点是 将a dh o c 网络与其它现有网络融合，本文重点研究a dh o c 网络与蜂窝移动系 统融合的关键性技术。 a dh o c 网络与蜂窝移动系统相结合，能够利用移动终端的多跳转发能力扩 大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速 率等。本文第一章介绍了a dh o c 网络和传统蜂窝网络的基本原理；第二章较为 详细的介绍了国际上的相关研究，主要包括了六种混合体系结构 ( i c a r ( i n t e g r a t i o no fc e l l u l a ra n dm o d e r na dh o cr e l a y i n gt e c h n o l o g i e s ) ， m c n ( m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r k ) ，p a r c e l s ( p e r v a s i v ea d h o cr e l a y i n gf o rc e l l u l a r s y s t e m s ) ，m a c a ( m o b i l e a s s i s t e dc o n n e c t i o n a d m i s s i o n ) ，c a m a ( c e l l u l a ra i d e d m o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，u c a n ( au n i f i e dc e l l u l a ra n da dh o cn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ) ) ；第三章针对其中一种混合体系结构( m c n ) ，提出对a dh o c 路 由协议a o d v 进行修改使其能够应用于这种特殊的混合体系结构；第四章通过 在n s 下的仿真，比较了改进后的a o d v 协议与d s d v 协议在不同通信模型下 的性能优劣；第五章提出了网间节点合作激励方案：第六章进行了总结并提出了 未来的工作重点。 关键字：a dh o c ，蜂窝网，混合网络，a o d v 路由协议。d s d v 路由协议，路由 请求信息，路由应答信息 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文 a b s t r a c t t h e k e y r e s e a r c ha b o u ti n t e g r a t i o no fa dh o ca n d c e l l u l a rn e t w o r k 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 w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fr e s e a r c h ，a dh o et e c t m o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e sa n di sa p p l i e di nt h en e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sm o b i l en e t w o r k a dh o cn e t w o r kb e c a m eah o tr e s e a r c hs p o tf o r f l e x i b i l i t y , b u tt h e r ea r e s om a n yp r o b l e m si na p p l y i n gt h a tn e t w o r kw i d e l y t h e s o l u t i o ni si n t e g r a t i o no fa dh o cn e t w o r kw i t ho t h e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h i s p a p e rf o c u s e so n t h ei n t e g r a t i o no f a dh o cn e t w o r ka n dt r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k t h en e wh y b r i da r c h i t e c t u r e ，t h ei n t e g r a t i o no fa dh o cn e t w o r ka n dt r a d i t i o n a l c e l l u l a rn e t w o r k ，c a ns p r e a dt h et r a n s m i s s i o nr a n g e ，b a l a n c et h et r a f f i cl o a da n d i m p r o v et h ed a t ar a t ea tt h ee d g eo fc e l l s t h ec h a p t e r1i n t r o d u c e st h ep r i m ep r i n c i p l e so fa dh o cn e t w o r ka n dc e l l u l a r n e t w o r k i nc h a p t e r2d e s c r i b e st h er e l a t e dw o r k s ，w h i c hi n c l u d es i xh y b r i d a r c h i t e c t u r e sm a i n l y ( i c a r ( i n t e g r a t i o no fc e l l u l a ra n dm o d e ma dh o cr e l a y i n g t e c h n o l o g i e s ) ，m c n ( m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r k ) ，p a r c e l s ( p e r v a s i v ea d h o c r e l a y i n gf o rc e l l u l a rs y s t e m s ) ，m a c a ( m o b i l e a s s i s t e dc o n n e c t i o n a d m i s s i o n ) ， c a m a ( c e l l u l a rai d e dm o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，u c a n ( au n i f i e dc e l l u l a ra n d a dh o cn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) ) ，i nc h a p t e r3 ，w em o d i f i e dt h ea o d vp r o t o c o lt o a d a p tf o rt h ee n v i r o n m e n to fh y b r i da r c h i t e c t u r e i nc h a p t e r4 ，i n t r o d u c e st h en e t w o r k s i m u l a t i o nt o o ln s 一2a n da n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t e da o d va n dd s d vi n s a m et r a f f i cm o d e l i nc h a p t e r5p r e s e n t st h es e c u r i t ys c h e m ea b o u tt h eh y b r i d n e t w o r k t h ec h a p t e r6p r e s e n t st h ec o n c l u s i o na n df u t u r ej o b k e yw o r d s ：a dh o e ，c e l l u l a rn e t w o r k ，h y b r i dn e t w o r k ，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 l ，r o u t er e q u e s tm e s s a g e ，r o u t er e p l ym e s s a g e ；i 南京邮电学院学位论文独创性声明 本人声瞬所譬交的学使论文是我个入在导耍器攒等下进行昭磺究 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 趣方外，论文中不包含其毪入邑经发表线撰写过的 舞究成采，氇不寇 含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或诚书而使用过的材 料。与我一慝王作的阉恚对本袋究所徽的任何贡献均已在论文中终了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：查然 日期：憋= ! ! ! 南京邮电学院学位论文使是授权声明 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 本人辨送交学位论文的复印掌警鞠电子文档，可以暴耀影印、缡印或其 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。除在保密期内的捩密论文辨，允许论文被套阕稷借阗，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊邀) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生然名： 查避 导簿签名： 呈童圣目羯：逖：g = 筮 1 2 。 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文 第一章结论 1 1 a d h o e 网络简介 第一章绪论 1 1 1a dh o e 网络起源和定义 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 l o m o ( g l o b l e m o b i l e i 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 l 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 dh 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 dh o c 的意思是“f o rt h i s ”引申为“f o rt 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 网络是一种有特殊用途的网络。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 间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，战场上部队快速展开和推进、发生 地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科考等。因此在以上场台中迫切需要一 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 r a c t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况 中，a d h o e 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 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 带宽和功率的限制，m a n e t 一般不适于作为中间传输网络，它只允许产生于 或目的地是网络内部节点的信息进出，而不让其它信息穿越本网络，从而大大 减少了与现存i n t e m e t 互操作的路由开销。a dh 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 dh o c 网络中，节点间的路由通 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 d h o e 网络同时具备移动通信和 计算机网络的特点，可以看作是种特殊类型的移动计算机通信网络。 1 1 2a dh o e 网络的特点 与其它传统通信网络相比，a dh o e 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、无线信道间的互相于扰、地形和天气等综合因素的影 响，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 e 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 ) 自动配置：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。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络 能够正常工作，这涉及到连接i n t e m e t 的网关节点的更换，簇头的更新等。在网 络形成阶段，节点可以就网络拓扑进行协商( 星形、环形、点到点、点到多点、 平面和分级) ，这依赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。 4 ) 受限的无线传输带宽：a dh o e 网络采用无线传输技术作为底层通信手 段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之 间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。 5 ) 安全性较差：a dh o c 网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线 信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、 拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全 措施都需要特别考虑。 6 ) 网络的可扩展性不强：动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移 动终端可能同时处于一个a dh o e 网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无 法应用在a dh o e 网络环境中 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，但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、c p u 性能较低等， 从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展 功能较复杂的业务。 8 ) 存在单向无线信道【29 1 。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 c 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。 1 1 3a dh o e 的路由协议1 a dh o c 网络设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质 量高效率通信的路由协议。网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传 统的基于因特网的路由协议无法适应这些特性，需要有专门的应用于a dh o c 网络的路由协议，根据前文对a dh o c 网络结构和特点的阐述，设计的路由协 议必须满足以下的条件： 1 ) 必须对网络拓扑结构动态变化具有快速应变的能力，并且尽量避免路由 环路的发生，提供方便简单的网络节点定位法。 2 ) 必须高效地利用有限的带宽资源，尽可能压缩不必要的开销。 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 3 ) 实施多斟e 通信的中闻转接次数也是有限鲍，一般不要超过3 次。 必须尽可能减少发射对丽秘发射的数据鬣，节约有隈的工作熊源。 5 ) 在可能的条件下，使设计的路由协议具有安全性，降低遭受攻击的可能 性。 穰摇a d h o e 无线溺络路由协议静特殊性，避年来提出了多种a d h o e 网络 路由协议。i e t f 的m a n e t 工作小组目前正专波于a dh o e 网络路由协议的研 究，提出了许多决议擎寨，如d s r ，a o d v ，z r p 等路由协议：另外，专她磷 究人员也发表了大量关于a dh o c 网络路由镪议的相关文章，提出了许多荧于 a dh o e 的网络路由协议，如d s d v ，w r p 等。根据路由触发原理，目前的路 由协议大致可以分为先验式路由资议、反应式路囱镑议和混合式鼹由协议3 葶申。 j ) 巍验式路由秘议 先验式路由协议又称表驱动路由协议，每个节点维护一张包含到达节点的 路由信息豹路由表，并擐据瞬络拓扑的变化随时更薪路圭表，所以路由表可以 准确遗爱欢网络熬拓扑结构；源节点一旦要发送撤文，可戳立即获得至n 达嗣的 节点的路由，这类路由协议通常是通过修改现有的有线路由协议来适应a dh o c 无线网络要求，如通过修改路由信息游议( r i p ) 褥副的嚣的节点廖列距离矢爨资 议( d s d v ) 。因j 逄这种路由协议的时延较小，傻是协议需要大盈的路出控制报 文信息，协议的开销较大。常用的先验式路由协议有d s d v ，h s r ，g s r ，w r p 等。 2 ) 反应式路由协议 反成式路由协议又称随选路由戚者按需路由，是一种当需夏时才查找路由 的路由选择方式。节点不需要维护及睡准确的爨幽售息，当霰要发送数据漪方 发起路囱奁找过程。与先验式路出协议相比，葳应式路由协议的开销小，但是 数据报传送的时延鞍大，不适合于实时性的应用。常用的威应式路由协议有 a o d v ，d s r ，t o r a 答。 3 ) 濑台式路由协议 a dh o e 无线网络中单纯采用先验式或反成式路由协议都不能完全解决路 由阚题，圆此，许多学者提出了结会先验式和反应式路由掺议优点的混合式路 由协议，如z r p 协议。z r p 协议怒一个先验式和反应式路由游议的组合，网络 4 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 内的所有节点都有个以自己为中心的虚拟区，区内的节点数与设定的区半径 有关，因此区是重叠的，这是与分群路由的区别；在区内使用先验式路由算法， 中一心节点使用区内路由协议i a r p 维持一个到区内其他成员的路由表，对区外 节点的路由使用按需路由，利用区间路由协议i e r p 建立临时的路由。但是， 实施混合式路由也面临着很多困难，如簇的选择和维护、先验式和反应式路由 协议的合理选择以及网络工作的大流量等问题。 本文中涉及到的所有仿真使用的路由协议是d s d v 2 1 年ha o d v 协议【3 1 ，下 面就简要介绍一下这两种协议的内容。 1 ) d s d v ( 目的序列距离矢量路由协议) 路由协议 d s d v 对b e l l m a n - - f o r d 路由算法进行了改进。在d s d v 中，每个移动节 点都需要维护一个路由表。路由表表项包括目的节点、跳数和目的地序号，其 中目的地序号由目的节点分配，主要用于判别路由是否过时，并可防止路由环 路的产生。每个节点周期性必须与邻节点交换路由信息，当然也可以根据路由 表的改变来触发路由更新。路由表更新有两种方式：一种是全部更新 ( f u l l d u m p ) ，即拓扑更新消息中将包括整个路由表，主要应用于网络变化较快 的情况；另种方式是部分更新( i n c r e m e n t a l u p d a t e ) ，更新消息中仪包含变化 的路由部分，通常适用于网络变化较慢的情况。 d s d v 协议通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产牛，采用时间 驱动和事件驱动技术控制路由表的传送，即每个移动节点在本地都保留一张路 由表，其中包括所有有效信宿点、路由跳数、信宿路由序列号等信息，信宿路 由序列号用于区别新旧路由以避免环路的产生。每个节点周期性地将本地路由 表传送给邻近节点，或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信息传给邻近 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 更新；邻近节点收到包含修改的路由表信息后，先比较信宿路由序列号的大小， 信宿路由序列号大的路由将被采用，而信宿路由序列号小的路由则被淘汰，若 相同则采用最佳制式的路由( 如最短路径) 。在d s d v 中只使用序列号最高 的路由，如果两个路由具有相同的序列号，那么将选择最优的路由( 如跳数最 短) 。 n s 实现d s d v 路由协议的具体策略如下：一个没有找到路由的分组到达 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 节点后首先被缓存，同时节点发送路由查询消息，直到接收到来自接收端的路 由响应消息。当缓存溢出时，新来的分组将被丢弃。分组到达目的节点后将直 接由地址解复用器送到相应的端口，而后由端口将分组送到目的代理。 2 ) a o d v ( a d h o e 按需距离矢量路由协议) 路由协议 a o d v 5 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i d 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1 1 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 - 1 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i u 冱q 消息后， 6 塑塞塑皇堂堕! ! 坚堡堡主竺塞兰兰焦丝壅 苎：至! i ! l 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( 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。 5 相邻节点 r r e p 沁、 d e s t ：4 s r c ：l l i f e s p a n ：3 i d ：2 1 6 2 r r e p 路由表中没 有相应信息， 转发r r e q 4 ( 3 节点3 的路由表 w 孺e 路由表中有【4 到达节点4 的、 路由信息，回j 送r r e p 消息 图1 1a 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。 1 2 蜂窝网简介 1 2 1 蜂窝网特点 在平面区域内划分小区，通常组成蜂窝式的网络。在带状网中，小区呈线 状排列，区群的组成和同频道小区距离的计算都比较方便，而在平面分布的蜂 窝网中，这是一个比较复杂的问题。 1 1 小区的形状 全向天线辐射的覆盖区是个圆形。为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区， 一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。在考虑了交叠之后，实际上每个 辐射区的有效覆盖区是一个多边形滞l 据交叠情况不同，若在每个小区相间1 2 0 。 设置三个邻区，则有效覆益区为正三角形；若每个小区相问9 0 。设置四个邻区， 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 则有效覆盖区为正方形：若每个小区相间6 0 。设置六个邻区，则有效覆盖区为 正六边形。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面的区域， 可取的形状只有这三种。那么这三种形状中哪一种最好呢? 在辐射半径r 相同 的条件下，计算出三种形状小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区 面积就可以知道，在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理 想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站数最少，也就最经济。正六边形构 成的网络形同蜂窝，因此把小区形状为六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。 但实际的小区形状与正六边形小区有很大的不同，它取决于地形、建筑物的分 布、天线的方向性和辐射功率等因素影响。 2 ) 区群的组成 相邻小区显然不能用相同的信道。为了保证同信道小区之间有足够的距离， 附近的若干小区都不能用相同的信道。这些不同信道的小区组成一个区群，只 有不同区群的小区才能进行信道再用。 区群的组成应满足两个条件：一是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地 进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。 满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。可以证明，区群内的 小区数应满足下式n = j 2 + 玎+ ，2 式中l ，j 为正整数。 3 1 蜂窝网通信的主要特征 采用正六边形的蜂窝状小区来实现区域覆盖的主要目的是实现所渭频率 ( 或信道) 再用，即在不同的小区内使用相同的频率，提高频率利用率，蛆便 扩大服务范围，增加系统的通信容量。 然而事情并非如此简单，由于无线信道的开放特点，在相邻小区工作于同 一频道的电台之间会产生相互t 扰，这种下扰称为同频道干扰。为了保证通信 质量，信号与r 扰的功率比必须大于某个门限值。在频分多址( f d m a ) 情 况下，同一频率不可能应用于相邻小区，必须间隔一定空间距离，或者说跳过 若干小区后，同一频率才能再用。为了实现这一点，将若干相邻的小区组成一 个区群。区群内的各个小区使用不同的频率组，而每个区群能够使用所提供的 全部无线频道。用相同频率配置的区群来覆盖整个服务区，就实现了频率再用。 图l - 2 示出了频率再用的含义。由7 个小区( a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ) 构 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 成1 个区群。小区8 与小区1 均使用a 频道( 或频道组) ，再用距离为 d = 扫丽：西r 图1 2 频率复用示意图 频率再用是蜂窝系统的重要概念，也是蜂窝系统的显著特征。为了实现频 率再用，除了正确的频率配置外，在小区内应限制基站发射功率。为此，蜂窝 系统普遍使用功率控制技术，避免过大的发射功率对同频道小区造成干扰。在 蜂窝通信系统设计中，一般均规定信号与同频道干扰比的门限值。 蜂窝移动系统的另一个重要特征是所谓过境切换( 或越区切换) 。将服务区 域划分成小区所带来的一个很自然的问题是并非所有的移动中通话都能在单个 小区内完成，例如，一辆快速行驶的汽车在一次通话中可能通过若干小区。移 动节点在小区范围内用所分配的频率与基站建立了无线链路，通过基站连接到 移动交换中心，然后再连接到公用网或其它小区的基站。当移动节点从一个小 区进入相邻的小区时，其频道( 或信道) 是不同的，这就需要在一次通话过程 中将移动节点的工作频率和接续控制从其离开的小区交换给正在进入的小区， 这个过程就称为过境切换或越区切换。过境切换是在系统控制下完成的，用户 往往是感觉不出来的。当移动节点到达小区边界附近时，该小区基站能测试出 移动节点信号变弱，而相邻小区基站能测试到这个移动节点信号逐步变强。移 动交换中心收集到有关基站传送来的信息，便可作出判决。当需要进行过境切 换时，系统就发出相应的指令，正在越过边界的移动节点就将工作频率和无线 链路从一个小区切换到另一个小区，整个切换都是自动完成的，也不会影响正 在进行的通话。 蜂窝系统的第三个特征是小区分裂。用小区分裂的方式可增加系统的容量。 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第一章绪论 当用户数增加并达到每个小区所能提供服务的最大数量时，在一定服务质量前 提下，可以采取把小区分割成更小的蜂窝状区域，并使用频率再用模式。同时 在新小区基站必须降低发射功率以减小共道干扰。理论上讲，一旦新的小区所 能支持的用户数又达到饱和，还可将这些小区进一步分裂。但实际上，小区半 径过小时，基站位置受限，往往会偏离理想位置。另外，小区半径过小，过境 切换频繁，系统的复杂性和服务质量将受影响。一般说来，小区半径越小，基 站数量越多，系统的容量也就越大。目前，在用户密集的市区，蜂窝系统正向 微蜂窝发展，其半径仅达数百米。 1 2 2 拥塞率计算方法【8 1 2 2 1 话务量 话务量反映了电话负荷的大小，与呼叫强度和呼叫保持时间有关，呼叫强 度是时间单位内发生的呼叫次数，呼叫保持时间也就是占用时间。使用相同时 间单位的呼叫强度与呼叫保持时间相乘，就得到单位时间内的话务量，通常以 爱尔兰表示。例如，呼叫强度为1 8 0 0 次，j 、时，呼叫保持时间为( 1 6 0 ) ( 小时 每次) ，则话务量y = 1 8 0 0 次，j 、时x ( 1 6 0 ) 小时次= 3 0 e r l 在实际计算时应注意以下问题： 1 ) 要区分流入话务量与完成话务量。流入话务量等于完成完成话务量加上 损失话务量，损失话务量等于流入话务量乘以呼损率。如果呼损率很低，也可 以近似地完成话务量等于流入话务量。 2 ) 话务量总是针对一段时间而言，例如一天或者一个小时，呼损率或拥塞 率总是针对忙时而言，因此通常使用忙时话务量。 3 ) 呼叫强度和呼叫保持时间都是平均值。 1 2 2 2 占用概率分布 在一群线束中同时占用的线路数是一个随机变量，研究其概率分布是为了 解决拥塞率计算问题。按照话源数和线束容量的大小关系，可以有四种占用概 率分布，即爱尔兰分布、普阿松分布、恩克谢特分布和贝努里分布。前两个分 布适用于话源数趋近于无限大，爱尔兰分布用于线束容量有限，普阿松分布则 0 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 用于线束容量也趋近于无限大；后2 个分布适用于话源数有限，恩克谢特分布 用于线束容量小于话源数，贝努里分布则用于线束容量等于或大于话源数。下 面简单介绍爱尔兰分布和贝努里分布。 ( 1 ) 爱尔兰分布 彳 爱尔兰分布的计删m 烈功2 是 智f ! 该式表示了在线束容量为m 、流入话务量为a 时，线束中任意x 条线路同 时占用的概率p ( x ) 。 当x = m 时，表示线束全忙，就会引起呼损。将i i l 带入上式，有 e = p ( 朋) = e m ( a ) 该式称为爱尔兰呼损公式，邑( 爿) 是简化表示方法，表示线束容量为1 1 1 、 流入话务量为a 的爱尔兰分布的线束发生全忙的概率。实际应用中，可以查爱 尔兰呼损表，只要已知i n ，a ，e 三个量中的任意两个，便可以查得第三个。 ( 2 ) 贝努里分布 贝努里分布的计算式如下： p ( x ) = ( ，n ) a 。( 1 _ a ) 肛1 该式表示了话源数为n 、每个话源平均发生的话务量为a 时，线束中有任意x 条线路同时占用的概率。 在贝努里分布情况下，当话源数n 小于线束容量m 时，不会发生线束全忙 和呼叫呼损。当n = m 时，则有：e = 尸( 肌) = 口“ 要注意的是，当n = m 时，贝努里分布的线束会发生全忙，上式即为线束 全忙的概率，可称为时间呼损，由于线束全忙后，已无空闲话源可以再发起呼 叫，因此不存在呼叫呼损。 鲁一豁 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3 本文主要工作及章节安排 本文重点研究了a dh o c 网络与蜂窝移动系统融合的关键性技术，论文从 混合网络体系结构的提出，相关路由的改进，n s 的仿真，性能分析以及安全合 作激励方案的提出等方面进行了深入的探讨研究和新的尝试。 第一章介绍了a dh o c 网络和传统蜂窝网络的基本原理；第二章较为详细 的介绍了国际上的相关研究，主要包括了六种混合体系结构( i c a r ( i n t e g r a t i o n o f c e l l u l a ra n dm o d e ma dh o cr e l a y i n gt e c h n o l o g i e s ) ，m c n ( m u l t i h o pc e l l u l a r n e t w o r k ) ，p a r c e l s ( p e r v a s i v ea d h o cr e l a y i n gf o rc e l l u l a rs y s t e m s ) ，m a c a ( m o b i l e a s s i s t e dc o n n e c t i o n a d m i s s i o n ) ，c a m a ( c e l l u l a ra i d e dm o b i l ea dh o c n e t w o r k ) ，u c a n ( au n i f i e dc e l l u l a ra n da dh o cn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) ) ；第 三章针对其中一种混合体系结构( m c n ) ，提出对a dh o e 路由协议a o d v 进 行修改使其能够应用于这种特殊的混合体系结构；第四章通过在n s 下的仿真， 比较了改进后的a o d v 协议与d s d v 协议在不同通信模型下的性能优劣；第五 章提出了网间节点合作激励方案；第六章进行了总结并提出了未来的工作重点。 南京邮电学院2 0 0 2 级硕士研究生学位论文第二章a dh o e 与蜂窝网的融合方案 第二章 a dh o e 与蜂窝网的融合方案 随着研究的不断深入，a dh o c 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。a dh o c 网络由于其自身灵活的 特性成为研究的热点，但是它不能组建成像目前移动网络规模的大网，想要大范 围的应用a dh o c 网络仍然有很多困难。目前的解决方法和研究热点是将a dh o c 网络与其他现有网络融合，例如蜂窝网，i n t e m e t 网，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。 a dh o c 网络与蜂窝移动系统相结合，利用移动终端的多跳转发能力扩大蜂 窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。 蜂窝网络a d h o c 网络 数据传输速率 2 0 0 0 k b s 费用每个3 0 基站需要3 0 0 0 美金每个无线接入点需要 5 0 0 0 美金 频谱利用率设计需满足系统最忙时的要求3 g 的5 倍一1 0 倍 支持的应用l f 舅p i m o d e 第一章i p 结构固定中央控制结构自组织结构 路由固定 基于q o s 的动态路由 表2 1蜂窝网络和a dh o c 网络的比较 本文重点研究a d h o c 网络与蜂窝网的融合。国际上相关研究小组非常多， 纷纷提出了自己的融合方案，其中有i c a r ( i n t e g r a t i o n o f c e l l u l a r a n d m o d e m a d h o er e l a y i n gt e c h n o l o g i e s ) ，m c n ( m u l t i h o pc e l l u l a rn e t w o r k ) ，p a r c e l s ( p e r v a s i v e a d - h o cr e l a y i n gf o rc e l l u l a rs y s t e m s ) ，m a c a ( m o b i l e a s s i s t e dc o n n e c t i o n - a d m i s s i o n ) ，c a m a ( c e l i u l a ra i d e dm o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，u c a n ( au n i f i e d c e l l u l a ra n da dh o en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 等等，下面简要介绍这几种方案。 南京邮电学院2 0 0 2 级硕上研究生学位论文第二章a d h o c 与蜂窝网的融合力案 2 1i c a r - i n t e g r a t i o no fc e l l u l a ra n dm o d e r na dh o cr e l a y i n g t e c h n o l o g i e s 它最早提出将传统蜂窝网和a dh o c 转发技术相结合，重点针对解决蜂窝系 统中信息流量不均衡时的拥塞问题。i c a r l 9 m 】【“】系统通过在小区间使用a dh o c 转发台( a r s ) 将数据流从一个小区动态转移到其他小区从而有效的平衡小区间 的流量负载。这不仅增加了系统的容量还可以减少移动节点的发送功率并且扩展 了系统的覆盖面积。 基站和a r s 的主要不同在于：一旦基站建立，通过有线接口连接m s c 后它 的位置就固定了，而a r s 是一个无线通信设备。a r s 的控制器要比基站的简单 得多，另外a r s 可以小范围地移动，并且能通过无线接口与移动用户、基站、 其他的a r s 直接通信。 转发例子如图2 1 所示，拥塞小区b 中的移动用户x 通过两个a r s 与小区 a 中的基站通信。每个a r s 有两个空中接口，c ( c e l l u l a r ) 接口是与基站之间通 信的接口，r ( r e l a y ) 接口是与移动节点或其他a r s 通信的接口。假定c 接口 工作在1 9 0 0 m h z 左右，r 接口使用频带在2 4 g h z 处，( 使用别的频带也可以例 如在2 g 系统中使用的是8 5 0 m h z ，3 g 系统使用的是2 g h z ) 。r 接口使用的媒体 接入控制协议( m a c ) 协议与无线局域网或a dh o c 网络中的使用的协议相似。 由于a r s 的主要作用是转发，因此每个a r s 的r 接口传输范围都远小于基站， 这意味着a r s 的花费要远远小于基站。a r s 之间可以相互通信，同时一定的移 动性以及工作频段的不同使之能够与基站以较高的速率通信。 口 m o b i l eh 0 虬q m h ) z d _ h 。cr c l a ys f m j o n “、r s 一一r e l a yi r ll n l c r l h c e j = 一c c l l u l 盯f c ii n t e r r a c e 图2 - 1 基础转发 直接与移动节点通信的a r s 称为代理，直接与基站通信的a r s