（计算机应用技术专业论文）wmn应急通信及aodv协议改进研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 无线m e s h 网络( w h l e s sm e s hn 咖o r l 岱，w m n ) 也称为无线多跳网络，它是一 种与传统网络完全不同的新型无线网络技术，是目前前沿的网络技术，具有容量大、速 率高、易配置等优点，成为宽带无线接入的一种有效手段，可以灵活地应用于多种无线 环境，是解决“最后一公里 问题的关键技术之一。 无线m e s h 网络的可扩展、易部署及覆盖范围广等特性决定了它可以应用于如地震， 雪灾等应急情况下的通信。本文在分析了紧急情况下的传统通信环境特点之后，提出在 恶劣环境下，如果基站等基础通信设施遭到破坏，在救灾初期采用删进行应急通信， 提供网络接入。 本文给出了两种可应用于紧急环境下的典型的网络拓扑结构图，并利用n s 2 仿真 分析了不同拓扑的具体性能，包括业务端到端的平均吞吐量，端到端的平均时延，分组 传递率等。根据仿真结果详细讨论了不同业务配置及拓扑结构等对性能的影响，最后根 据仿真结果给出了不同拓扑结构的具体的适用范围。 路由协议是无线m e s h 网络的研究热点，本文在分析了常用的路由协议特点后，以 目前经典的按需距离矢量路由协议( a d - h o co n d e m a n dd i s t a i l c e v e c t o r ，a o d v l 为基础， 针对在节点移动的情况下，路由容易频繁中断的特点，提出了一种基于回复消息的最 大生存期改进的a o d v 路由协议( l a o d v ) ，主要修改了路由发现阶段相关协议。 l a o d v 在路由发现阶段，发送路由广播请求的节点会把自己的移动信息发送给 邻居节点，而邻居节点收到移动信息后会结合本节点的移动信息进行计算，即可获得发 送节点到该节点的路由生存期，然后利用回复消息把计算结果发送给广播请求节点，从 而由广播请求节点选择路由生存期相对较长的路径，避免节点频繁移动导致路由中断而 导致的性能下降。采用n s 2 仿真分析表明该路由协议能够在一定程度上建立一条路 由性能较传统a o d v 协议更加优化的路由。 最后对已有的研究工作进行了总结，并对未来工作的进行了展望。 关键词：无线m e s h 网络；应急通信；a o d v ；回复消息；最大生存期 w 仆i 应急通信及a o d v 协议改进研究 i 沁s e a r c ho nu r g e n tc o m m u n i c a t i o nb a s e do nw i r e l e s sm e s hn e t w o r ka n d i m p r o v e m e n t o fa o d v a b s t r a c t 。i w l e s sm e s hn 酏啪i r k s ( w m n ) ，a j s ol ( 1 1 0 啪豁m i l l t i - h o p 、) l ，i r e l e s sn 咖o r k s i ti sa c 皑i l l g e d g en 咖o r kt e c h r l o l o g yd i 像船n t 埘1n l e 也l d i t i 础n e m o r kc 伽叩l e t e l y w m nh a s m u c hg o o dc h a l 翟c t e r i s t i c s ，s u ma s1 a r g ec a p a c i 够，l l i 曲s p e e d ，e 嬲i l yt oc o 划；i 婴l r e ，e t c w r i 叼ni s b e c o m i n ga 1 1e f - f e c t i v et o o lt 0c o m p l e m e n tb r o a d b 锄dw 洫l e s sa c c e s s ，a i 】i dc o l l l da p p l yt o 心n d s o f 谢r e l e s se n v 的i u n e n tn e x i b i l i 够w m ni so n eo f 血ek e yt e c h n o l o g i e st os o l v e l e1 a s tm i l e ” p r o b l e m t h ej c l e x i b i l 时，e a s i l yt oc o i l f i g u r e ，、航d e l yc o v e r a g e 锄d 甜l e rc l i a r a c t 酣s t i c so fw m n d e t e m l i r l et h a ti tc 趾b ea p p l i e dt os u c ha se a m l q u a k e s ，s n o w s t 0 肌s 砒l do t l l e rs i m i l a r c o m m u i l i c a t i o n sc i r c u m s t a n c e su n d e re m e r g e n c y 1 1 1t h i sp 印e r ，甜k r 锄a l y z e 也ef e a ：t u r e so f c 咄n u n i c a t i o ne n v i r o 姗e n tu n d e r 仃a d i t i o n 猷e m e r g e n c ys i t u a t i o n s ，p r o p o s e sn l a ta d o p tw m n i n 也ei i l i t i 出d i s a s t e re m e r g e n c yc o m m u m c a t i o n sc i r c u n l s t a n c e s ，p r o v i d i n gn e 伯，o r ka c c e s sf o r u s e r si fb 嬲es t a t i o n s 锄do 吐1 e rc o m m 砌c a t i o ni h 趵m c t u r e sa r ed e s 臼0 y e d i i l 廿l i sp a p e r ，t 、) l ，0 帅i c a ln 酗o r kt o p o l o 西e ss t r t l c n 职a r ed e s i 舻e dw 1 1 i c hc o u l db ea p p l i e dt ot l l ee m e r g e n c y c o n d i t i o n s ，a i l dl l s i 芏l gn s 2s i m u l a t et h es p e c i f i cp r o p e r t i e so fd i f f e r e n tn e t 、v o r kt o p o l o g i e s ， i 1 1 c l u d i n ge n dt oe n d 制e b u s i i l e s st l l r o u g h p 她c n dt oe n d a v e r a g ed e l a y ，p a c k e td e l i v e r y r a l t i o 1 1 l ei l n p a c to fd i 恐r e n to p e r a t i o n ss u c h2 l sb u s i l l e s sc o n f i g u r a t i o na n dd i 蜀融r e n tt o p o l o g i e s o nn e t 、 r o r kp e r f o 如= l a n c ei sd i s c u s s e di nd e t a i la c c o r d i n gt 0 也es i m m a t i o nr e s u l t s r e s p e c t i v e a p p l i c a t i o na r e 韶o fd i f r e r e n tt o p o l o 西e sa r ep o 证t e do u ta c c o r d i n gt ot l l es i m u l a t i o nr e s u l t s 五n a l l y i b 讹g p r o t o c o li so n eo f 血em o s th o t r e s e a r c h2 u r e a si i l 聊心1 1 1 ec o 姗o n r o u t i n g p r o t o c o l sa r e 锄m y z e d ，a n ds e l e c tt h ec l a s s i ca o d v ( a dh o co nd e m a n dd i s t a l l c ev e c t o r ) a s m eb a s i st o 沛p r 0 v ei nt l l i sp a p e r t h i sp a p e rp r o p o s e sam a ) 【i i n u ml i f e t i m ei m p r o v e d a o d v r o u t i n gp r o t o c o lb a s e do nr e p l ym e s s a g e s ( l a o d v ) ，t oc o p ew i t ht h er o u t i n g 缸e r i u p l t e d 丘e q u e n t l ya c c o m p a n y 谢mn o d e sm o v e 证咖r k i n 越t i 2 l lp h a s eo ft h er o u t i n gf o u n di i ll a o d v ，a r o u t i n gb r o a d c a s tn o d ew i b r o a d c a s t i t so w nm o b i i em e s s a g e st o 廿1 en e i 曲b o rn o d e s ，a i l d 虹l en e i g h b o rn o d e sw i uc o m p u t e 珏l e r o u t i l l gl i 传t i m ec o m b i l l ew i n ln l e i ro w r 坞a 盘e rm o b i l ei 1 1 f 1 0 m a t i o nf r o mm er o u t i r 培b r o a d c a s t n o d ea r er e c e i v e d a n e rt l l el i f e t i l l l ea r ec a l c u l a t e d ，也en o d e st h e ns e n db a u c kt ot ：h e r o u t i n g b r o a d c a s tn o d e s o ，也em a ) 【i m 啪l i f e t i m er o m i n ga r es e l e c t e d ，a v o i d i n gt h er o u t i n g i i p e r f o r m a n c ed e c r e a s ea l o n gw i t ht h er o u t i n gi n t e r r u p t i o nc a u s e db yt h em o b 订en o d e s m o v ef r e q u e n t l y s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a tl a o d v c o u l de s t a b l i s hab e t t e r r o u t i n gt h a nt h et r a d i t i o n a la o d vr o u t i n gp r o t o c o lt oac e r t a i ne x t e n t f i n a l l y ， m ec o m p l e t e dr e s e a r c h 、o r ki sc o n c l h d e da n d 吐l en l t u r er e s c 砌w o r k i s p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；u r g e n tc o m m u n i c a t i o n ；a o d v ；r e p i ym e s s a g e j ma i m u ml i f e t i m e 1 1 1 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：) 世幽世虐星通! 童垦垒2 里! 士受! 垫盗鍪歪翌壹 作者签名：隐垫日期：翌22 年j 三月j 生日 大连理工人学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： w m 恕急通传艮a d 叫十两、) 淡汰进石开尧 日期：兰! 旦年j 月j l 日 魄鼍年埘日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1研究背景 无线网络分为有中心网络和无中心网络，前者通常需要固定基础设施的支持，移动 主机之间的通信通常借助基站来完成，例如蜂窝移动通信网络；后者以移动a dh o c 网 络为代表，它不需要固定的基础设施，能够快速地自动组网。 在无线网络无处不在的今天，人们生活的很多方面都因为无线通信而发生了极大的 改变。由于人们对通信的需求越来越高，希望提供一“无处不在( u b i q u 洒u s ) 的通信以及 更高的速率，极大的推动了无线网络的发展。现在的无线网络大多采用的是点到多点的 通信方式，这样的拓扑结构设计简单可靠，但覆盖范围和网络扩展的灵活性比较有限， 因而无线通信领域兴起了新的研究热点一无线m e s h 网络( w m 。 w m n 来源于a dh o c 网络，而a dh o c 网络的起源可以追溯到1 9 6 8 年美国夏威 夷大学建立的a l o h a 网络【1 1 。后经美国国防部高级研究计划局( d 灿心a ) 分别资助， 进行了抗毁自适应网络s i 瓜a n 和全球移动信息系统等项目的研究，以便能够建立某些 特殊环境或紧急情况下得无线通信网络。 a dh o c 技术就是吸取了p i 心m t ，s i 瓜a n 等项目的组网思想，而产生的一种新型 网络结构技术。后经民用领域的强劲发展，无线m e s h 网络( 删) 逐渐从a dh o c 网 络脱胎而出。 无线m e s h 网络( w m n ) 也称为无线多跳( m u l t i h o p ) 网络，它是一种与传统无线 网络完全不同的新型无线网络技术，是对a dh o c 网络的扩展，具有容量大、速率高、 易部署等优点，成为宽带无线接入的一种有效手段，可以灵活地应用于多种无线环境， 是解决“最后一公里 问题的关键技术之一【2 】。 在传统的无线局域网( m ，a n ) 中，每个客户端均通过一条与接入点a p 相连的无线 链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点 ( a p ) ，这种网络结构被称为单跳网络。 而在w m n 中，任何无线设备节点都可以同时作为a p 和路由器，网络中的每个节 点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。 相比于传统的单跳网络，删可以在一定范围内增加跳数的情况下，为用户提供 需要的服务，同时可以增加通信的距离，提供更广泛的热点接入。w m n 通过骨干节点 的互连能够覆盖广阔的区域。由于有冗余a p 和冗余路径存在，w m n 中数据的传输比较 可靠。当某段网络出现拥塞时，w m n 可以自适应地选择邻居负载较轻的路径来减轻网 络拥塞。 w h 俐应急通信及a o d v 协议改进研究 w m n 可动态的自组织、自配置、自修复，网络中的节点能够互相动态的建立以及 维护无线连接。这些特点决定了w i 、烈有着诸多优点：低代价、易维护、健壮性以及可 靠的信号覆盖范围。 w m n 易于与其它网络融合，且融合方式灵活多变。比如传感器网络，蜂窝网络，因 特网，i e e e 8 0 2 1 l ，i e e e 8 0 2 1 5 ，i e e e 8 0 2 1 6 等。所以w m n 拥有良好的发展前景，美国的杂 志t e l e c o i n m u n j c 撕o n s 曾把它评为十大热门通信技术之一。所以，可预见w m n 在民用、 军事、救灾等领域将有良好的发展前景。 1 2 国内外研究现状 自从提出w m n 的概念之后，对于它各方面的研究层出不穷。作为解决“最后一公 里”的关键技术，人们期待w m n 能够在因特网接入、多媒体、紧急场景应用等许多方面 都有良好的表现。 1 9 9 7 年砸1 1 f 成立了移动a dh o c 网络( m a n e t ) 工作组，专门负责研究和开发 具有数百个节点的移动a dh o c 网络的路由算法，制定相应的标准。2 0 0 4 年1 月和3 月， i e e e 8 0 2 11 、) i 的r k m gg 两u p 分别成立了网状研究组( m e s hs t i l d yc 衲u p ) 和网状任务组 ( m e s ht a s kg 胁u p ) ，这标志着w l 、压n 技术正式迈上了标准化道路。8 0 2 1 5 ，8 0 2 1 6 等也 在尽力促进与删的融合。不久的将来就会有成熟的一些标准与协议进入商业化阶 段。 2 0 0 0 年初，拥有a dh o c 网络核心自主知识产权的i t t 公司将技术转让给美国的 m e s hn 咖o r l ( s ，m e s hn 醵0 r l ( s 等公司随后开始开发相关的产品。2 0 0 2 年，i n t e l 开始 关注并认可a dh o c 网络技术，m e s hn 咖o r k 等公司相继开发出适用于商业应用的产品。 这些产品和方案主要定位于移动性较小或静止的a i dh o c 网络一无线网状网络( w 抽1 e s s m e s hn 印帕r k ) 。美国的无线m e s h 解决方案提供商s k y p i l o t 公司将智能天线技术应用于 w m n ，使频谱得到再利用，极大的提高了频谱的利用率。 目前大多数的专利都掌握在欧美研究机构与公司手中，特别是m e s hn e t w o 虹公司， 该公司于2 0 0 4 年被摩托罗拉收购。据分析，摩托罗拉收购m e s h n 印r k s 公司后可向 客户提供更多的解决方案以建设可伸缩性的宽带无线网络，该网络可提供包括数据、视 频、定位信息和p 语音o p ) 等业务在内的新一代服务内容。 目前删在校园网、公众场合包括城域网等都有着很多的应用。美国的旧金山、 费城等城市已采用帆心t 覆盖整个城市，为他们提供无处不在的无线网络接入服务以及 大量新兴的公众服务。 大连理工大学硕士学位论文 在中国，w m n 市场还处于初级引入阶段，由于核心技术、芯片生产都掌握在欧美 公司手中，大部分w m n 设备是进口产品。天津开发区也采用w m n 进行部署，覆盖大 约3 0 平方公里的无线监控。随着删的发展及相关技术的日益成熟，w m n 的应用 领域也会越来越广。 1 3 本文研究目的及主要工作 删未来的发展具有广阔的前景，目前在民用领域已取得一定成果，而在救灾， 军事等领域研究的还不是很多。目前在这方面的研究主要还是集中于宏观的一些概念 上，诸如整体系统的设计等。所以在本文中着重讨论了将删应用于如地震，雪灾等 自然灾害环境下的可能性，并且从细节上如网络拓扑结构设计，业务配置等作一些初步 的探讨，为将来的进一步研究做铺垫。 网络路由协议是删的研究热点，其中按需路由协议a o d v ( a d h o co n d e m 趾d d i s t 抽c e v e c t o r ) 是目前常用的经典路由协议。本文考虑在网络中节点移动的情况下，修 改a o d v 协议，减少链路断路的可能性，以适应网络中节点移动的状况，提高网络性 能。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 系统的分析并总结了w m n 的组网架构，关键技术，经典的a o d v 协议详细工 作原理等。 ( 2 ) 分析了如地震，雪灾等紧急情况下传统通信困难的特点，提出在救援的初期采 用w a 压n ，结合现有的基础设施( i n 如s m l c n ) 和移动基站进行协同通信，提供网络接入 功能，为应急通信提供帮助。在本文中设计了两种典型的网络拓扑图，并用n s 2 进行仿 真，针对端到端的时延、端到端的业务吞吐量、分组传递率等几个关键的指标，分析了 具体的业务配置、拓扑设计对网络性能的影响，并根据仿真结果给出了不同结构具体的 适用范围。 ( 3 ) 在本文中，针对传统的a o d v 路由协议对路由生存期无法有效预测的问题，提 出了一种基于回复消息的最大生存期改进的a o d v 路由协议( l a o d v ) ，在路由发现 阶段，当节点移动时考虑以回复消息所计算得到的路由生存期作为路由选择的判据，从 而选择路由存活期相对较长的路径，避免节点频繁移动导致路由中断而导致的性能下 降。n s 2 仿真分析表明该路由协议在一定程度上能够建立一条路由性能较传统a o d v 协议更加优化的路由。 1 4 论文章节安排 本文共分五章，具体安排如下： w l 、仆i 应急通信及a o d v 协议改进研究 第一章为引言，主要介绍研究背景及主要工作，主要介绍了w m n 的简要特点、现 状及发展前景等。 第二章对w m n 进行详细介绍，包括网络的特性、组网结构、关键技术如路由协议， m a c 协议等。 第三章将对w m n 路由协议做详细介绍，并介绍几种常用的路由协议。 第四章分析w m n 应用于地震等紧急情况下的可能性，提出了基本的应用场景框 架，设计了两种典型拓扑结构，n s 2 仿真分析具体的性能，并给出不同拓扑的具体适用 范围。 第五章分析a o d v 协议的特点，并提出一种基于回复消息的最大生存期改进的 a o d v 路由协议( l a o d v ) ，在节点移动的情况下进行性能的优化，并用n s 2 仿 真分析证明了协议的有效性。 最后对本论文进行总结，提出下一步的研究方向。 大连理工大学硕士学位论文 2w m n 概述 2 1删n 特性 删是一种与传统无线网络不同的无线网络技术，是对a dh o c 网络的扩展，在 w m n 中，任何无线设备节点都可以同时作为a p ( 接入点) 和路由器，网络中的每个节点 都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行通信。 这种结构的好处在于：如果最近的a p 由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可 以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根 据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止， 即多跳访问。相比于传统的单跳网络，肌仪可以在增加网络跳数的情况下，为用户提 供需要的服务，同时可以增加通信的距离，提供更广泛的热点接入【3 】【4 】。 删具有如下几个显著的特性【5 j ： ( 1 ) 传输速率高 由于采用多跳传输，适当减小传输距离，使得路径损耗大大降低，从而获得较高的 传输速率。此外，w m n 还可以融合其它的空中接口技术( 如o f d m 、m i m o 等) 迸一 步提高传输速率，采用正交信道传输等也可以提高传输速率。 ( 2 ) 覆盖范围大 帆斛支持多跳中继，终端用户可以通过路由器或其他节点中转连接至网络。接入 点的覆盖范围大大增加，并且可支持非视距范围的覆盖。而且可以根据需求快速的布置 接入点，实现广域范围覆盖。 ( 3 ) 可靠性高 w m n 配备多条冗余路由。一旦其中一条链路中断，数据包可自动重新寻路继续传 输，不会影响整个网络的运行。从而可避免出现单跳网络中一个节点出现故障，造成大 范围服务中断的问题。 ( 4 ) 组网灵活，易配置 w m n 组网很灵活，只要根据需要插入m e s h 路由器即可，而且所需设备小巧轻便， 易于配置。并且由于其路由选择特性使得链路中断，局部扩容和升级而不影响整个网络 的运行，网络配置和维护简单易行。 ( 5 ) 易于融合 删易于与其它网络融合，且融合方式灵活多变。比如可以与传感器网络，蜂窝 网络，因特网，i e e e 8 0 2 1 l ，i e e e 8 0 2 1 5 ，i e e e 8 0 2 1 6 等融合，提高传输效率。 ( 6 ) 投资成本低，风险低 w l 、州应急通信及a o d v 协议改进研究 w m n 初始的建设成本低，在以后可随用户量增大逐步扩容。而且w m n 中的基站 比一般的如蜂窝网基站便宜很多。在删一般都可以使用免费频段通信，有助于降低 成本与风险。 2 j2 w 洲组网架构 w m n 易于与其他网络融合，组网架构也是多种多样。按照网络的大小和终端设备 的不同，w m n 结构大致分为3 类：客户端m e s h 结构、骨干网m e s h 结构、混合m e s h 结构【1 】【6 】。 客户端m e s h 结构典型的配置如图2 1 所示： 图2 1 客户端m e s h 结构 f i g 2 1 s 仃u 曲鹏0 f c l i e mm e s h 客户端m e s h 结构指不提供中继或转发功能，由各个对等的终端设备提供对等的服 务，主要用于支持终端的应用，此种结构不需要m e s h 路由器，不提供接入h n e m e t 的 服务，终端对等节点之间进行通信即可。 骨干网m e s h 结构主要是指无线m e s h 路由端为普通客户端提供网络接入功能，如 无线传感器网络，w l a n ，w i m a x 网络等均可以通过无线m e s h 路由器接入i n t e m e t 网络。骨干网m e s h 结构主要是为无线m e s h 客户端提供接入网关的服务，而不提供普 通m e s h 端的点对点服务。 骨干网典型的配置图如图2 2 所示： 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 骨干网m e s h 结构 f i g 2 2 鼬n j c t u r eo fb k b l o n em e s h 混合m e s h 结构顾名思义即是结合了以上两种结构而构成，既可以为普通的终端提 供接入i n t e m e t 的服务，又可以利用无线m e s h 路由器为其它网络如传感器网络，w l 埘 提供中继等服务功能。混合m e s h 结构典型的配置如图2 3 所示： 图2 3 混合m e s h 结构 f i g 2 3 s 仃u c t u r eo fh y b r i dm e s h w m n 应急通信及a o d v 协议改进研究 2 38 0 2 标准族对w m n 的支持 由于删的迅速发展，国际标准化组织为其制定了相关技术标准。其中主要有 i e e e8 0 2 1 1 s ，8 0 2 1 5 ，8 0 2 1 6 ，8 0 2 2 0 。 2 3 18 0 2 ”s 对w 洲的支持 i e e e8 0 2 1 1 是1 9 9 7 年由眦e 制定的技术标准，主要目的是用于支持w l a n ，最 初是为了解决办公室局域网和校园网中的无线接入问题。 最初正e e8 0 2 1 1 业务限于简单的数据传输等，速率最高只能到2 m b i 以，随后的 i e e e8 0 2 11b 和i e e e8 0 2 1a 儋峰值速度分别可以到1 1 m b i 珧和5 4 m b 彬s ，而期望的 8 0 2 11n 的速度可以达到1 0 0 m b i 魄。d s l 和电缆等限制了家庭和办公网络的速度及终 端设备的移动性，假若跳过这类有线部分，则可以克服类似问题，同时减少建设和维护 电缆等的成本开销。所以，w m n 的思想被引入进来。 8 0 2 1 1 s 是对匝e e8 0 2 1 1 的支持，由于传统的8 0 2 11 对删的支持比较差，所 以i e e e 工作组成立了8 0 2 1 1 s ，以便制定标准化的扩展服务集( e s s ) p j ，对w 压n 进行扩 展，更好的支持w f 、椭通信，包括使接入点可以像路由器一样转发信息。 i e e e8 0 2 1 1m e s h 网络可以是骨干网和客户端结构。m e e8 0 2 1 1 s 工作组为支持这 两种结构均制定了新的规范。 2 3 28 0 2 15 对删n 的支持 i e e e8 0 2 1 5 提供了简单、短距离、低耗能等无线连接的标准，是匝e e 工作组为 无线个域网( w p a n ) 开发的，正逐渐发展成为包括便携式和移动计算设备的个域网( p a n ) 或短距离无线网络的标准。 i e e e8 0 2 1 5 工作组包含8 0 2 1 5 1 、8 0 2 1 5 1 a 、8 0 2 1 5 2 、8 0 2 1 5 3 、8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 4 、 8 0 2 1 5 5 。分别对应着b l u e t o o t h ( 蓝牙) 1 1 版，b l u e t o o t h l 2 版，w 【，a n 与w p a n 共存， 高数据数率，u w b ( 超宽带无线) ，低速率及z i 曲e e ，w l 厦n 。其中8 0 2 1 5 3 a 工作组己解 散。 i e e e8 0 2 1 5 1 到8 0 2 1 5 5 子协议对w 心i 都有一些支持。由于蓝牙组网方式的灵活 多变，且支持多跳，有力的支持了w m n 结构。8 0 2 1 5 1 标准为w m n 为采用低成本的 通信设备提供技术规范与因特网连接，是i e e e 提出的第一个w p a n 技术标准。8 0 2 1 5 2 主要为多种技术融入帆删提供了支持。8 0 2 1 5 3 标准为w m n 消费类电子与通信设备 提供短距离无线的高速w p a n 制定标准。8 0 2 1 5 4 标准为w 烈制定了p h y 和m a c 大连理工大学硕十学位论文 层的标准。8 0 2 1 5 5 主要确定物理和m a c 层的必要机制，确保w m n 在w p a n 中正常 运作。 2 3 38 0 2 1 6 对删n 的支持 i e e e8 0 2 1 6 工作组是一个无线城域网( w m a n ) 标准，主要目标是开发2 6 g l z 的 无线接入空中接口物理层和m a c 的规范。8 0 2 1 6 为了增强数据吞吐量及扩大终端覆盖 范围，设计了相关协议将w m n 包含进8 0 2 1 6 中。基于w m n 的特点，m e e8 0 2 1 6 标 准在2 11 g i z 频段范围内规定在m a c 层采用w m n 拓扑结构进行大范围距离的扩展。 由于在2 1 1 g h z 范围内信号的波长较长，多径不可以忽略，所以e e8 0 2 1 6 采 用了o f d m 技术改进性能。w m n 通过基于分组数据的多跳技术绕过障碍和拥塞，很好 的支持非视距传输，使得传统的正e e8 0 2 1 6 标准m a c 协议得到增强。由于w i m a x 可以在大范围回程无线网络应用，因此删可以应用于基于回程的w i 燃。这样极 大的增加了终端的数据传输性能。w i 心与删的融合，有利于显著提高非视距通 信的性能，可提供更强的远距离穿透阻挡物的能力。当然这些技术还有待于进一步的成 熟。 2 3 48 0 2 2 0 对洲n 的支持 8 0 2 2 0 指移动宽带无线接入 m w a ，m o b i l eb m a d b a n dw h l e s sa c c e s s ) 工作组，成 立于2 0 0 2 年。该组织致力于为移动用户开发支持在3 g 频段可靠的进行高数据传输。 8 0 2 2 0 对删在室内外均支持。 8 0 2 2 0 在p h y 层引入了f l a s h o f d m 技术，该技术将无线频谱分成一系列空间 上相等、频率上正交的频率块，同时使用了快速调频技术。8 0 2 2 0 m a c 层在支持低数据 速率的专用控制信道的同时，也能为大量现时用户和业务流提供服务，并且可以快速的 调度现时用户。另外，它也支持移动性，提供网络间的漫游和切换。 不过由于该标准还不是很成熟，所以为了实现设定的目标还有很长的路要走。 2 4 1 l ! i f m n 关键技术 2 4 1m a c 协议 删是由w l a n 和a dh o c 融合而来，在姗删中，m a c 协议继承了i e e e8 0 2 11 中的很多技术，因而8 0 2 1 1m a c 协议也能够为删的凇c 提供服务。但w m n 有 着较独特的拓扑结构，比如骨干节点具有较小的移动性。因此设计m a c 协议与现有的 网络应有所区别。由于w m n 的技术特点，它的m a c 协议需要根据特性作相应的改动。 i e e e8 0 2 1 lm a c 可实现对子层接入的公平控制。分别通过分布式协调功能( d c f ) w o i 应急通信及a o d v 协议改进研究 以及集中协调功能( p c f ) 实现。其中d c f 是w m n 常用的m a c 协议，是一种单信道 m a c 协议，采用带冲突避免的载波侦听多址访问( c s m c a ) 。对于单信道方式，每个 节点只有一个收发器，单一时刻只能有一条业务流。因此如何保证传输，避免信道冲突， 提高网络容量，是单信道m a c 协议必须面对的问题。所以，在w 删中，单信道m a c 协议除了解决传统上的隐藏终端和暴露终端问题，还要解决多优先级业务公平接入问 题，以及对于要求较高的业务端到端q o s 保障等问题。 单信道的m a c 协议会限制信号的传输，限制网络信道利用率，所以多信道的撇c 协议将会是具有前景的研究方向。而w m n 的网络易变以及多跳等特性决定了多信道 m a c 协议的研究充满着挑战。 典型的多信道m a c 协议有动态信道( d c a ) 多信道m a c 协议，多信道单收发器m a c 协议，基于主信道分配的( p c 蝴) 多信道m a c 协议，多射频统一协议( m u p ) 等。 设计多信道的m a c 协议面临的问题主要有以下几点捧以l j ： ( 1 ) 多信道的隐藏终端和暴露终端问题 在8 0 2 标准中，物理层可支持多信道，但m a c 层上只有一个信道，在单信道中存 在的隐藏终端和暴露终端问题在多信道中并没有消失，信息传输碰撞导致的干扰问题依 然存在。因此还需要进一步的研究去解决这个问题。 ( 2 ) 接收端忙问题 在删中，系统是分布式协同工作的，因此m a c 协议必须能够保证节点之间是 协同工作的，否则当发送者将信道切换到接受者的信道时，接受者有可能已经将信道切 换到别的信道，这时候必然会导致不能够正确接收信号，所以保证节点之间协同工作是 很重要的，在设计协议的时候需要着重考虑。 ( 3 ) 广播消息问题 由于删网络的无线信道不可预测性，因此用于路由请求，路由回复等发送的广 播消息将有可能丢失，导致一系列如断路，重启路由等问题。因此设计m a c 协议时需 将广播消息考虑在内。 ( 4 ) 信道分配问题 在多信道中，需要为不同的节点分配不同的信道以便通信的进行，合理的分配信道 有利用消除报文在信道中产生冲突，消除干扰的影响，有利用通信的有效进行。 w m n 的m a c 协议还有很大的研究空间，未来的方向可以考虑与其它层进行融合 研究，有利于构建更优的m a c 协议。除此之外还可以考虑与目前流行的多媒体业务结 合研究，研究m a c 协议对多种业务的研究、发布进行支持，研究提高q o s 的机制，提 大连理工大学硕士学位论文 高网络质量。还可以结合目前的如多入多出( m i m o ) ，正交频分复用( o f d m ) 等先 进的物理层技术提高空间复用度，此外结合物理层功率控制进行研究也是一个可行的研 究方向。 2 4 2 路由协议 目前许多a dh o c 的路由协议可直接应用或稍加修改后可用于w m n ，但由于w m n 的特殊性，所以w m n 的路由具有很多不同于a dh o c 网络的特点( 1 ，1 2 】：如m e s hc l i e n t 通常具有的能量是有限的，所以不能应用消耗大量能量的路由协议；m e s h 网络的主要 业务来往于n e m e t 网关与m e s hc l i e m 之间，所以在设计协议的时候需要考虑在内；在 多信道多射频的m e s h 网络中，不仅需要为路由选择一个最佳的路径，还需要为路径选 择最佳的信道或射频；删之间会以短距离的方式增加传输率，但导致的信道干扰可 能会比较大，所以需要很好的考虑。 所以，设计w m n 的路由协议应该能够使w m n 系统作为一个自治系统管理自身， 有利于电源管理，有利于动态拓扑控制及临时链路失效保持健壮性等。 删的网络拓扑动态变化会导致路由频繁失效。在网络动态变化剧烈时，路由协 议采取泛洪方式实现，通常断路后会议广播消息的方式由各个路由、路由失效节点通知 源节点重新发送路由请求或在失效节点处进行局部路由修复以维护路由。 在w 的路由协议中，采取了很多技术来克服w m n 路由环路，减小路由开销和 保证网络有效性等f 1 3 】。在源路由协议中，m 饿可以使用信息标识技术来解决路由环路。 在删适用的路由协议中，每一个分组可用二元组，即源节点、序列号来唯一标识每 条路由。分组标识可以较好的解决分组到达时发生的顺序和重复，保证过滤分组和有序 处理分组。 常用的路由协议有：目的序号距离矢量路由协议( d s d v ) 、动态源路由协议( d s r ) 、 按需距离矢量路由协议( a o d v ) 、多径源路由协议( m s r ) 、多射频链路质量源路由协议 ( m r l q s r ) 等。 大致上目前已有的路由协议类型有以下几种类型【1 禾1 9 】： ( 1 ) 多信道路由； ( 2 ) 多判据路由； ( 3 ) 多径路由： ( 4 ) 跨层路由： ( 5 ) 分级路由； ( 6 ) 基于地理位置信息的路由； w 、仆j 应急通信及a o d v 协议改进研究 由于目前多数的w m n 路由协议考虑的是以最小跳数、最短路径为度量标准，但实 际上在有些时候这样做并不能够使性能达到最优。比如某一条链路上的节点移动较为频 繁，即使它所在链路的跳数较小，选择它也是不合适的，因为链路容易中断，影响网络 的性能。因而在设计、孙心t 路由时，应根据网络状况选择合适的判据，尽可能的较全面 的看待网络，使网络信道利用率，q o s 等达到最优化。 在删中，可能会出现局部链路网络流量突然增加，导致链路拥塞的状况，因而 针对这个问题进行研究，解决负载平衡问题也可以作为一个研究方向。 在下一章中将会对路由协议进行详细介绍。 2 4 3 安全性 w m n 的多跳及自组织特性，是其在安全性方面的不可回避的弱点。在w m n 中， 节点之间是对等连接，所以要保护的节点范围较广，而且无线网络不像有线网络那样有 防火墙和网关的几道防线。通常截获了链路中的某一个节点之后就有可能在整个网络散 发恶意的路由信息，使网络陷入瘫痪【2 0 】。 删链路对于恶意攻击比较脆弱，首先无线链路的应用使得w m n 易受从被动偷 听到主动破坏的影响；其次，移动单元如果没有充分的物理保护易被捕获、劫持和泄密； 第三，由于w m n 的分布式系统结构，在w a 俏中，决策经常是分散的，没有可靠的中 心授权在m 仪中分发公共密钥。 在w m n 中，攻击手段主要包括：窃取、截取或监听，欺骗与非授权访问，网络接 管与篡改，拒绝服务与泛红攻击等。 目前来讲，从加密算法到密钥分配模式、入侵检测及安全m a c 协议、路由协议等 均需要改进，可以从以下几种方法来改善w l 、删网络的安全： ( 1 ) 保证身份验证 由于w m n 链路的特殊性，a p 与a p 之间，对等终端之间的接入认证非常的重要， 目前来看m ，a n 的身份验证比较脆弱，不能直接应用到w 删中。只有通过一些可信 和安全的身份验证方法，才能够提供可信和安全的通信活动。 ( 2 ) 保证授权的安全 m ，a n 是直接在接入点之上或通过网关的远程鉴权拨入用户服务来处理的，由于 w m n 的分布式网络结构，类似坝。a n 这样集中化的体制不适合直接应用于俭饿中， 因此有必要为删提出一种具有安全密钥的分布式授权机制。为进一步保证w m n 的 安全性，需要考虑另外两种类别：将安全机制嵌入到协议中，例如者开发安全监控和反 大连理工大学硕士学位论文 馈系统以检测攻击，监控服务中断，以及对攻击快速反应。n a s a 的研究人员己提出了 一些安全模型【2 。 ( 3 ) 数字签名和不可依赖性 数字签名在许多方面都有应用，通常黑客会选择攻击私钥来获得所要的信息，所以 核心的问题是如何保护私钥。目前这一类的研究很多，也有不少成熟的产品。在删 中，应用签名将对系统的安全性有很大的提高。 w l 、仆i 应急通信及a o d