（计算机软件与理论专业论文）无线mesh网络移动管理问题的研究.pdf

摘要 摘要 无线m e s h 网( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 是种新型的宽带无线网络架构，由移 动a dh o c 网络发展而来，具有自组织和自愈等特性。由于w m n 在灵活组网、提高网 络覆盖率、增加网络容量、减少前期投资等诸多方面都显现出很大的优势，作为一种解 决“最后一公里”问题的可选方案，w m n 已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注。 w m n 中包括两种不同类型的节点：m e s h 路由器和m e s h 客户端。其中m e s h - 路由 器移动性很小，相互连接组成无线m e s h 网的骨干网络。m e s h 客户端可以通过多种接入 协议接入骨干网络，通过骨干网获取网络服务。这使得无线m e s h 网可以融合多种网络， 很容易进行扩展。 无线m e s h 网是一种复杂的混合异构网络，要使m e s h 客户端良好互连必须进行有效 的网络管理。由于移动终端的漫游特性，移动性管理是无线网络管理协议的重要内容之 一，特别是在大多数基于i p 寻址的网络中，如何实现移动终端的快速定位和透明的移 动管理，一直是无线网络管理中的关键问题。 本文着重研究w m n 中的移动性管理协议。首先介绍了w m n 的特点、体系结构并 与a dh o c 等无线网络进行比较，然后分析了现有无线网络中的移动性管理策略的特点， 在此基础上提出了一种基于p 2 p 机制的移动性管理协议。该协议采用一种改进的 k a d e m l i a 算法，把m e s h 路由器骨干网组织成一个p 2 p 网络，实现了w m n 中m e s h 客 户端移动信息的自动注册、更新和快速查询，而且网络中的移动注册信息具有一定的冗 余备份，可以有效解决单点失效问题。此外，m e s h 客户端通过所注册的m e s h 路由器接 入骨干网络获得网络服务，在骨干网中直接发布其注册绑定信息，不需要家乡代理，可 以避免三角路由问题。最后使用n s 2 模拟工具建立仿真环境，对本文的协议进行了实验 测试和数据分析，仿真结果表明，在不显著影响移动切换时延的情况下，本文的移动管 理协议可以实现较优的路由转发和具有较好的拓扑适应性。 关键词：无线m e s h 网，w m n ，无线宽带网络，移动性管理，漫游，网络协议，p 2 p a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n li san e wk i n d o fb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k i n g t e c h n o l o g y w m ni se v o l v e df r o mm o b i l ea dh o en e t w o r k ，a n dh a ss o m ep r o p e r t i e ss u c ha s s e l fo r g a n i z a t i o na n ds e l f - h e a l i n g ，i ts h o wg r e a ta d v a n t a g e si nf l e x i b l en e t w o r k i n g ，i m p r o v i n g n e t w o r kc o v e r a g e ，i n c r e a s i n gn e t w o r kc a p a c i t y , c u t t i n gd o w no np r o p h a s ei n v e s t m e n ta n ds o o n t ob eao p t i o n a ls o l u t i o no f ”l a s tk i l o m e t e r , w m nh a sa t t r a c t e dw o r l d - w i d ea t t e n t i o no f a c a d e m i aa n di n d u s t r y w m nc o n s i s to ft w ok i n d so fn o d e s ：m e s hr o u t e r sw h i c hf o r mt h eb a c k b o n e so fw m n a n dm e s hc l i e n t sw h i c ha s s o c i a t ew i t hm e s hr o u t e r st oa c c e s sn e t w o r k s m e s hr o u t e r sh a v e m i n i m a lm o b i l i t ya n dm o r ec o m p l e t ef u n c t i o n s ，s ow m nc a ni n t e g r a t ev a r i o u sn e t w o r k s ，a n d i se a s yt oe x p a n d a sac o m p l e xh y b r i dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，a ne f f e c t i v en e t w o r km a n a g e m e n ts h o u l d b ei n nt ok e e pg o o di n t e r c o n n e c tb e t w e e nm o b i l ec l i e n ti nw m n m o b i l ec l i e n tc a nf r e er o a m i nw i r e l e s sn e t w o r k ，s om o b i l i t ym a n a g e m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t si nw i r e l e s s n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 e s p e c i a l l yi nm o s ti p - b a s e dn e t w o r k ，t os u p p o r tf a s ta d d r e s s q u e r ya n dt r a n s p a r e n tm o b i l i t ym a n a g e m e n ti sa l w a y st h ek e yp r o b l e mo fw i r e l e s sn e t w o r k m a n a g e m e n t r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tm o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o li nw m n f i r s t ，t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da r c h i t e c t u r eo fw m nw e r ei n t r o d u c e da n dac o m p a r eb e t w e e nw m na n d a dh o cw a sg i v e d s e c o n d ，b a s eo nt h ea n a l y s e so fe x i s t i n gm o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o l si n w i r e l e s sn e t w o r k ，ap r o t o c o lw o r kw i t hp 2 pm e c h a n i s mw a sp r o p o s e d w i t ham o d i f i e d k a d e m l i aa l g o r i t h m ，t h eb a c k b o n eo fw m nc o u l db ef o r m e di n t oap 2 pn e t w o r k ，t h e nt h e m o b i l i t yi n f o r m a t i o no fm e s hc l i e n t sc o u l db ea u t or e g i s t r a t e d ，u p d a t e da n df a s tq u e r i e d t h e r e w o u l db es e v e r a lb a c k u pf o r t h em o b i l i t yi n f o r m a t i o no fo n em e s hc l i e n ti np 2 pn e t w o r k ，s o t h ep r o b l e mo fs i n g l ep o i n tf a i l u r ec o u l db ee l i m i n a t e d t h eb i n d i n gm e s s a g e so fm e s hc l i e n t s w e r ep u b l i s h e dd i r e c t l yi n t op 2 pn e t w o r k ，a n dt h e nt h et r i a n g l er o u t i n gp r o b l e mb r o u g h tw i t h h o m ea g e n tc o u l db ea v o i d e d l a s t ，t h ep 2 pm o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o lw a st e s t e di nn s 2 s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h ed a t aa n a l y s i ss h o wt h a tt h ep r o t o c o lc a np r o v i d eb e t t e rr o u t i n g p e r f o r m a n c e ，w i t h o u ts i g n i f i c a n t l yi n f l u e n c i n gm o b i l i t ys w i t c ht i m ed e l a y , a n ds h o wb e t t e r n e t w o r kt o p o l o g yf l e x i b i l i t y k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w i r e l e s sb r o a d b a n dn e t w o r k ，w m n ，m o b i l i t y m a n a g e m e n t ，r o a m ，p r o t o c o l ，p 2 p 独创性：声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 本人为获得江南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 确的说明并表示谢意。 签名： 期：f 占6 r 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 邃主塾 施 日期：乞庐扩6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 当今无线网络技术的发展日新月异，通讯设备越米越趋于便捷化、即时化和无线化， 手机、笔记本电脑的普及更把网络的无线化进程推向一个前所未有的高峰，如今人们对 通信的需求也越来越高，希望网络能提供“无处不在”的通信以及更高的速率，迫切要 求无线网络支持各种宽带业务的接入，特别是高速凶特网业务的接入。这种日益增强的 社会需求极大地推动着无线网络技术的进一步发展。其中，一种新型宽带无线网络架构 无线m e s h 网( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) j 正在成为无线网络研究中的一个热 点。 目前无线通信系统主要有蜂窝通信系统【2 j 、移动a dh o c 网络p 】以及无线局域网 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 1 4 1 。传统的蜂窝通信系统是基于基站方案的无线通 信系统，可以在广阔的范围内为用户提供话音和数据通信业务。但它只适用于用户数较 多、有长期用户业务需求的地区。它对移动状态下的用户仅提供有限的带宽支持，不能 满足用户对视频等高带宽应用的需求，而且网络基础设施建设成本较高。移动a dh o c 网络具有自组织，多跳路由，配置成本低等优点，但是a dh o c 网络中移动终端往往在 性能、电源等方面受到制约，网络覆盖范围较小，不利于扩展。近年来，无线局域网 w l a n 的发展已进入技术成熟期，它有效延伸了因特网的覆盖范围，赋予了用户一定的 移动性。但w l a n 中移动终端主要通过接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 接入固定网络，其无线 链路是无线单跳的，受无线链路传输距离的限制，w l a n 无法实现像蜂窝网络一样无处 不在的信号覆盖。 无线m e s h 网结合了a dh o c 和w l a n 网络的优点，通过骨干节点的网状互连能够 覆盖较为广阔的区域。由于有冗余的a p 和冗余的路径存在，无线m e s h 网中报文的传 输比无线局域网要可靠，故障恢复能力显著增强。无线m e s h 网的网状结构可以均衡网 络流量，从而可以较大程度地减少网络中的瓶颈。在出现拥塞时，无线m e s h 网可以自 适应地选择附近负荷较轻的路径来减轻拥塞。另外在无线网状网中以多跳式较短的无线 连接代替较长距离的连接，通过多个节点的转发，逐跳传到目的节点，从而保证了报文 以高速率、低误码率在节点间快速传递。 无线m e s h 网是一种复杂的混合网络，大部分传统的网络协议不能在这一网络上直 接适用。为了实现骨干网之间以及与移动终端之间的无缝连接，除了网络的体系结构和 各种网络的互联互通协议以外，其中最重要且充满挑战的问题之一就是移动性管理的策 略和协议。移动性管理的功能主要是对无线网络中的移动主机进行位置跟踪和切换管 理，实现在用户、主机或终端自由移动的状态下，能准确定位并跟踪其当前所在位置， 将语音呼叫或媒体分组递交给目的用户，而且任何时候无线移动用户的网络接入点的变 化都要做到对用户透明。要在无线网络中实现任何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 使 江南大学硕士学位论文 用任何终端( w h a t e v e r ) 都可以向任何对象( w h o m e v e r ) 进行包括实时语音、实时图像在内 的多媒体的高速高质量的数据传输，移动性管理技术将是关键之一。 1 2 国内外研究现状 移动性管理的主要功能是在整个服务网络内有效支持用户，设备和服务的无缝漫游 和切换。移动性管理由位置管理和切换管理1 5 】两个主要过程组成，其中和移动主机网络 地址关系较大的是位置管理。当前无线网络中应用最广泛的移动管理方案主要有蜂窝系 统1 2 】和移动i p 协议【6 1 。蜂窝系统主要利用基站的数据库对移动终端进行管理，是目前使 用最广泛和最成熟的移动管理系统，通过建立基站可以实现大范围的网络覆盖和随时随 地的接入。这种依赖基站和中央数据库的移动策略的缺点是基础设施投入和维护成本太 高，用户容量和所能提供的带宽也有限，而且中央数据库的抗毁性能较弱。 移动i p 通过家乡代理转发实现用户透明的移动漫游，是一种在全球因特网上提供 宏移动管理功能的方案，它具有可扩展性、可靠性和安全性，并使节点在切换链路时仍 可保持正在进行的通信。移动i p 提供了一种i p 路由机制，使移动主机能以一个永久的 i p 地址连接到任何链路上。移动i p 主要是一种宏移动管理策略，在移动主机小范围频 繁移动时不能提供很好的性能，由于漫游数据转发采用隧道方式，不利于有q o s 需求的 服务的实现，家乡代理的引入也产生了三角路由等问题。 在移动i p 的基础上也发展了一些微移动管理协议，比如蜂窝i p l 7j 协议( c e l l u l a ri p ) 、 h a w a i i l 8 l 协议和h m i p l 9 l 协议。蜂窝i p 微移动管理协议是由哥伦比亚大学和瑞典爱立信 公司共同研发并于1 9 9 9 年提出的。蜂窝i p 网由有线互连的蜂窝i p 节点组成，提供局部 微移动，它能与移动l p 协议进行互操作，以支持广域宏移动；h a w a i i 协议是由美国朗 讯公司的贝尔实验室于1 9 9 9 年提出的微移动协议，它对使用移动i p 协议及其路由优化 的移动主机完全透明，h a w a l l 支持寻呼、快速切换及基于域的微移动局部化，采用专 门的路径建立方案在特定的路由器上安装基于主机的软状态转发表来支持域内微移动， 域间缺省使用移动l p 协议，通过局部化的资源预留保证服务质量，使用基于主机的转 发路由表能达到很高的效率，比基于网络前缀路由的效率高得多，但存在扩展性问题， 所以h a w a i i 域间采用移动i p 协议；h m i p 即分层移动i p ，其核一t l , 思想是注册本地区 域化，即移动主机在同一外地访问域内从一个外地代理切换到另一个外地代理时，注册 限制在访问域内，不向家乡代理发送注册更新报文。从而减少了到家乡网络的大量信令 开销和信令延迟。这几种微移动管理协议都是基于集中路由控制的移动管理协议，不适 用于无线m e s h 网这种分布性的自组织的网络环境。 传统的a dh o c 网络是平面结构，直接利用路由协议进行移动管理，一些大型的a d h o c 网络也使用了分层结构，提出了一些分层结构的移动管理协议，比如h s r i i o i 协议， 在网络中维护一个分级的拓扑结构，无线用户作为最低级，对无线路由器再根据实际情 况进行一次或多次分级。在这种网络结构中，低级的簇头形成上一级的成员节点，而这 些成员节点又重新形成簇，这个过程重复进行直到最高级的簇。每个簇内都有一个节点 充当位置管理器，每个簇的位置管理器用于跟踪簇内的节点，并且能够用于辅助定位簇 第一章绪论 外的节点，该协议需要复杂的分群算法，而且节点运动速度较快时网络变化所需开销较 大。文献【1 1 】、【1 2 和【1 3 】提出了几种种对平面a dh o c 网络进行移动性管理的方法，其 主要思想是在网络中选择一些节点来对其他用户进行位置管理，但它们需要复杂的虚拟 骨干网络产生和维护过程，而且a dh o c 网络所有节点移动能力一样，没有考虑无线m e s h 网中m e s h 路由器移动性较小的特点。 1 3 本文主要工作 本文首先分析了无线m e s h 网的结构特点，并对现有无线网络移动性管理机制进行 了讨论，在此基础上，提出一种适用于无线m e s h 网的移动性管理协议。最后通过计算 机仿真对论文提出的算法和协议性能进行了测试和评估，这些算法和协议对无线m e s h 网协议的研发具有一定的参考价值。 1 4 论文的组织结构 本论文共分为六章，各章内容安排和论文的组织结构如下： 第一章，介绍论文的研究背景、研究内容和文章安排； 第二章，介绍无线m e s h 网及其特点、应用，分析无线m e s h 网的结构，并与a dh o c 进行比较，为后面的研究作指引； 第三章，介绍现有的无线网络移动性管理协议，特别是几种典型的移动管理方案， 如移动i p 、蜂窝系统等，并对其做研究分析，寻找无线m e s h 网可以借鉴的技术； 第四章，在前面的研究基础上，提出并实现了一种基于p 2 p 的无线m e s h 网移动管 理协议，并对算法性能进行分析； 第五章，用n s 2 网络模拟器建立仿真实验对新协议的性能进行评估测试，并对实验 结果进行讨论，分析所提出的移动管理协议在时延和开销上的表现； 第六章，对整个文章的内容进行总结，并提出有待进一步工作的目标。 江南大学硕f 学位论文 第二章无线m e s h 网络 2 1 无线m e s h 网结构 无线m e s h 网主要由无线m e s h 路由器、接入点( a p , a c c e s s p o i n t ) 和移动终端组成，如 图2 1 所示，在典型的无线m e s h 网络中，m e s h 路由器组成一个可以自配置的链路来充 当骨干网，以多跳转发的方式转发数据包，并通过m e s h 路由器的网关功能与因特网相 琏，为客户端提供接入服务。普通客户端和已有的无线网络可以通过m e s h 路由器的网 关或中继功能接入w m n 。与普通的客户端相比m e s h 路由器具有较小的移动性，拥有 多个信道，有更大的通信范围和更高的传输速率，网络拓扑结构相对稳定，而且不用考 虑电源供应问题，t 叮以应用比较复杂的蹄由协议。 ri 砖 i 年、i i 、摇 胛 、j 一，7 m e s h 窖户端 图2 - 1 无线m e s h 网络结构 f i g2 一i t h es n c t m o f w i r e l e s s m e s hn e w , y o r k m e s h 路由器骨干网构成了无线m e s h 的有网络基础设施，如图2 1 所示的网络中， 终端设备( 如8 0 2l l h g 设备) 通过a p 或无线路由器( w r ) 的路由选择和中继功能，与 无线网关( w g ) 形成无线链路。a p w r 通过路由选择及管理控制等功能为终端设备选 择与甘标终端设备通信的最佳路径，从而形成无线回路。通过w g 连接其他刚络，印可 实现无线宽带接八。 在w m n 中，节点由m e s h 路由器( m e s hr o u t e r s ) 与m e s h 客户端( m e s hc l i e n t s ) 组成。 m e s h 路山器没有能量上的限制，大部分是不j 4 移动的可以通过桥接来访问i n t e m e t a 个无线m e s h 路器小仅包含普通无线路由器所具有的用于m 关中继器功能，它还包 含额外的跚由功能以支持m e s h 互联。为了进一步提高m e s h 瓦联的灵活性，m e s h 路山 器般配有多个无线接u 这些接以基于相同的无线技术也可以基于不同的无线技 术。m e s h 蹄m 措一i ，的叫关桥接功能允许将w m n1 各种现存的无线网络，如蜂寓网、 九线f 感器川1 、w i f i 川”】、w i m a x 川，w i m e d i a 17 等集成起来。w 此，通过 第二章无线m e s h 网络 集成的w m n 可以使得现有网络的用户访问其他网络所提供的服务。相较于传统的无线 路由器，无线m e s h 路由器可以通过多跳通信以更低的传输功率达到相同的服务覆盖区 域。 m e s h 客户端也可以具有一些用于m e s h 互联的必要功能，因此也可以作为一个路由 器，当其作为路由器的时候，它可以为那些其目的节点不在自己的传输范围内的节点转 发包，然而这些节点不具有网关或桥接功能。另外，m e s h 客户端一般仅有一个无线接 口。因此，m e s h 客户端的硬件平台和软件平台比起m e s h 路由器来说就简单一些。m e s h 客户端则在能量上有一些限制，并具有一定的移动性。常规节点，如台式机、便携式电 脑、p d a 电话等配备了无线网卡，可以与m e s h 路由器直接通信。而没有无线网卡的用 户可以通过以太网连接m e s h 路由器，进而访问w m n 。因此，w m n 将使得用户可以在 任何时候任何地点都一直在线。 基于节点的功能，w m n 的架构可以分为三类：基础设施骨干w m n ，客户端w m n ， 混合式w m n 。 l 、基础设施骨干w m n 在这种架构的w m n 中，m e s h 路由器组成一个基础设施供m e s h 客户端连接。除了 使用i e e e8 0 2 1 l 【1 8 】技术外，我们还可以使用其它技术来构建基础设施骨干w m n ，在 m e s h 路由器之间形成一个自配置、自愈的网状结构。通过网关功能，m e s h 路由器可以 连接到i n t e r n e t 上。这种方法为普通用户提供了骨干网接入，而通过m e s h 路由器的网关 桥接功能，可以将w m n 与现有的无线网络集成起来。传统的具有以太网接口的客户端 可以通过以太网链路连接到m e s h 路由器上。如果m e s h 客户端与m e s h 路由器使用了相 同的无线电技术，那么他们可以直接与m e s h 路由器通信，如果使用了不同的无线电技 术，客户端必须和基站通信，而该基站具有到m e s h 路由器的以太网连接。 基础设施骨干w m n 是最常使用的类型。一般来说，在m e s h 路由器中使用两种类 型的无线电，一种是用于骨干通信，一种是用于用户通信。m e s h 骨干之间的通信可以 通过使用远程通信技术建立起来。 2 、客户端w m n 客户端网状结构为客户端设备之问提供了对等网络。在这种类型的架构中，客户端 节点构成了实际的执行路由和配置功能的网络，并且为客户提供端用户应用。因此，这 个网络不需要m e s h 路由器。在客户端w m n 中，发往网络内节点的包通过多跳到达目 的地。客户端w m n 中的设备一般使用同一种无线电。而且，与基础设施结构比起来， 对端用户的设备要求更高。因此，在w m n 中，端用户必须执行额外的一些功能，如路 由和自配置功能。 3 、混合式w m n 这种架构结合了基础设施架构和客户端网状架构。m e s h 客户端可以通过m e s h 路由 器访问网络，也可以直接和其它的m e s h 客户端构成一个网状结构。这种架构中，其基 础设施可以提供对诸如i n t e r n e t ，w i f i ，w i m a x ，蜂窝网和传感器网络的连接，其客户 江南大学硕士学位论文 端的路由能力也为w m n 提供了改善的连接性和覆盖范围。长远来看，混合网状网结构 最具有应用前景，也是最适用的架构。 2 2 无线m e s h 网的特点与应用 2 2 1 无线m e s h 网的优势与不足 与传统的w l a n 相比，无线m e s h 网络具有几个无可比拟的优势： 1 、快速部署和易于安装。 安装m e s h 节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。用户可以 很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。m e s h 的设计目标就是将 有线设备和有线a p 的数量降至最低，因此大人降低了成本和安装时间，仅这一点带来 的节省就是非常可观的。无线m e s h 网络的配置和其他网管功能与传统的w l a n 相同， 用户使用w l a n 的经验可以很容易应用到m e s h 网络上。 2 、非视距传输( n l o s ) 利用无线m e s h 技术可以很容易实现n l o s 配置，因此在室外和公共场所有着广泛 的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发 给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转 到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上 为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线m e s h 网络能够非视距传输 的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。 3 、健壮性 实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发生故 障，信息由其他路由器通过备用路径传送。m e s h 网络比单跳网络更加健壮，因为它不 依赖于某单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随 之瘫痪。而在m e s h 网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果 最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个 网络的运行不会受到影响。 4 、结构灵活 在单跳网络中，设备必须共享a p 。如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通 信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连 接到网络，因此不会导致系统性能的降低。m e s h 网络还提供了更大的冗余机制和通信 负载平衡功能。 5 、高带宽 无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无 线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短 跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是m e s h 网络的优势所在。 在m e s h 网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发 信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。 6 第二章无线m e s h 网络 尽管无线m e s h 联网技术有着广泛的应用前景，但也存在一些影响它广泛部署的问 题： l 、互操作性 目前影响无线m e s h 技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性，无线m e s h 网络现 在还没有一个统一的技术标准，用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线m e s h 产品， 要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题。 2 、通信延迟 既然在m e s h 网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延 迟，随着无线m e s h 网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。一些对通信 延迟要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临延迟过长而无法接受的问题。目 前解决这一问题主要是通过增加m e s h 节点以及合适的网络协议。 3 、安全问题 与w l a n 的单跳机制相比，无线m e s h 网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多 的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。i n t e r n e t 本身即是 使用m e s h 方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周知的。尽管有线网络中使用的 各种端到端安全技术，如虚拟专用网( v p n ) 1 9 】同样可以用来解决无线m e s h 的安全问 题。但正如i n t e m e t 一样，无线m e s h 网络的安全是一个不容忽视的问题。 4 、分散管理问题 由于w m n 的分散性，很难实现象有线网络那样的集中管理，即使对于低移动性的 w m n ，网络配置与管理仍然是一个不易解决的问题。 5 、共存干扰问题 对于非许可证频段的w m n 必然存在与其他共存网络的无线干扰问题。 2 2 2 无线m e s h 网的应用 m e s h 网络将可以为政府与市政应用，为城内( 公园等公共场所) 市民提供宽带无线接 入。可成为本地的商业企业和传媒等潜在伙伴，为旅游观光客等提供旅游信息的宽带接 入。为无线服务提供商( w i s p ) 提供热点地区的服务覆盖的延伸，向移动用户提供高性能 的i n t e m e t 接入服务。在教育上，将大学校园网覆盖延伸到校外，向身处校外的学生和 教职员工提供无处不在的宽带接入。另外在应急通信临时网络( 临时集群通信系统) ，还 能为警察、消防等提供应急通信服务，特别是在通信基础没施遭受破坏的突发事件现场 更加重要。它还能为城市地铁、轻轨等通勤车辆提供移动w i f i 接入，通过站台无线a p ， 为车内旅客建立移动w i f i 环境，站问信号可以通过安装多个无线a p 来延伸站内信号。 在无线数字化家庭，m e s h 能轻松构成多媒体家庭无线网络，实现家庭安全系统联网、 家庭i n t e r n e t 接入、家庭通信设备互联等。 2 3 无线m e s h 网与a dh o c 网络的异同 w m n 与a dh o c 网络均是多点对多点网络，a dh o c 网络中的移动节点都兼有独立 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 7 江南大学硕士学位论文 制方式。w m n 也可以被当作一种特殊a dh o c 网络，因为通过部署基站和接入点，w m n 不需要有线的基础设施，而在蜂窝网或w i f i 网络中就必须有这种有线基础设施。w m n 需要a dh o c 网络互联技术，而其额外的特性也使得我们需要更复杂的算法和设计原则 来实现w m n 。事实上，a dh o c 网络可以被当作w m n 的一个子集。但w m n 与移动 a dh o c 网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务， 而对于后者，节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。a dh o e 网络和w m n 之问 的区别主要在下列方面： 1 、无线基础设施骨干 m e s h 路由器组成的无线骨干构成了w m n 。在无线域中，无线骨干提供了较大的覆 盖范围、连接性和健壮性。而在a dh o c 网络中，其连接性依赖于并不可靠的端用户。 2 、集成方面 w m n 支持和m e s h 路由器使用相同无线电技术的传统客户端，这可以通过m e s h 路 由器的主机路f i t ( h o s t r o u t i n g ) 功能来完成。而通过m e s h 路由器中的网关桥接功能，w m n 可以集成现有的如w i f i ，i n t e m e t 、蜂窝网络和感应器网络。因此通过使用无线基础设 施，一个网络中的用户可以使用另一个网络中的服务。通过q v l n 集成的无线网络可以 像i n t e r n e t 骨干网一样工作，这是因为这时网络节点的物理位置不再像容量和网络拓扑 那么重要了。 3 、专门的路由和配置 在a dh o e 网络中，端用户设备也为其它的节点实施路由和配置功能。而w m n 一 般通过m e s h 路由器用来完成这些功能。因此，w m n 中的端用户设备的负载就显著降 低，这意味着只需要消耗较少的能量，而且可以为那些能量有限的移动端用户提供高端 的应用的能力，对端用户要求的降低也减少了在设备的上费用。 4 、可以使用多种无线电 m e s h 路由器可以配备多路无线电来执行路由和访问功能。这就可以把在无线域中 的两种主要类型的流量区分开来。m e s h 路由器之间在执行路由和配置功能的时候，端 用户可以使用另一种无线电来访问网络，这极大的提高了网络的容量。而在a dh o c 网 络中，上面所说的这些功能因为使用了相同的信道，会造成性能的下降。 5 、移动性 因为a dh o c 网络使用端用户设备提供路由，网络拓扑和连结性就依赖于用户的移 动。这就为路由协议和网络配置、部署带来了额外的挑战。 第三章移动性管理技术 第三章移动性管理技术 固定用户的终端与其位置有固定的联系，即与用户终端相连的路由器是不变的，网 络就可以根据用户的网络地址来选择路由，从而将数据包递交给用户。然而在移动通信 网络中，情况就大不一样了。移动主机终端是随时可能会自由移动的，终端的网络接入 点也会随之不断变化。用户的网络地址就不能再代表用户的位置信息，对用户的数据转 发的处理就变得复杂起来。要想实现为无线漫游用户选择路由，网络就必须先要知道移 动用户目前处在哪一个路由器的服务区之内，即要实现移动台的定位。为了实现这一要 求，移动用户需要告诉系统其当前位置，也就是向网络进行注册，同时网络要对移动用 户实施位置跟踪。 所谓移动性管理就是在移动主机终端节点的标识和访问地址之间提供及时的映射 和关联，是一种支持漫游用户到达一个新的服务区去接受服务的基本技术，这些无线移 动网络可以是i n t e m e t 、i n t r a n e t 、个人通信系统或是混合互联的其它形式，其主要功能 是在整个服务网络内有效支持用户，设备和服务的无缝漫游。 移动主机终端在空闲模式( 非通话或其它业务状态) 下的移动所形成的服务小区、 信道以及网络接入点的变化，被称作为漫游。相对的，移动台在通话、分组传送或其它 通信过程期间由于移动性、信号强度变化或是网络负荷均衡策略所致而进行的小区或信 道的变化，就是切换。正是由于移动性所产生的这些后果，为了保证通信的质量和可靠 。性，系统必须要对移动性加以管理。移动性管理由以下两个主要过程组成：位置管理 ( l o c m i o nm a n a g e m e n t ) 和切换管t 里( h a n d o f fm a n a g e m e n t ) 。 3 1 位置管理 。 位置管理的目的是使系统具备定位和跟踪随时可能漫游或移动的主机终端位置，然 后将呼叫或分组准确地递交至目的移动主机终端地的能力。移动性协议中位置管理所涉 及的概念有位置更新和呼叫递交两个子过程，如图3 1 所示。网络必须要跟踪记录移动 台的位置信息，这样才能按要求把传来的分组转发到正确的用户。 按各个子过程发生的顺序，首先是位置注册，移动主机终端要定期地通告当前其所 在访问接入点，系统会对用户进行鉴权认证，确认身份有效后会根据其当前位置更新数 据库中相应的位置信息数据。然后，当有呼叫到达或是有分组需要转发时，查询被叫方 当前的位置和网络接入点，通过寻呼机制，将呼叫或分组转发需求通知给用户，用户应 答后才可能完成到目的移动主机用户的通信。 由上述分析可知这一过程的主要参考指标应该包括：安全机制、动态的数据库更新、 数据查询延迟和主机终端寻呼方法和延迟等。位置管理的概念主要只涉及到数据库的操 作和信令消息的传递，因此其概念对于不同的网络和协议来说具有通用性，适用于 g s m g p r s 刖m t s l 2 0 j 、w l a n 等大部分的移动网络中的m o b i l ei p 和s i p 引j 移动性协议。 现有的位置管理技术包括数据库结构的设计，不同网络元素之问的信令交互( 协议) 等。其中，位置管理协议处理用户在数据库的查询、存储以及寻呼信号的发送。协议的 9 江南大学硕十学位论文 独立性很大，可以用在很多无线网络。例如g s m 和u m t s 空闲模式下的位置管理程序 是很类似的，由核心网完成空闲模式的位置管理，并分别限制在位置区和路由区层次上。 在呼叫到来时，由网络向整个位置区或路由区发送寻呼请求。 图3 - 1 位置管理 f i g 3 1 l o c a t i o nm a n a g e m e n t 3 2 切换管理 当移动主机终端移动或是由于网络状态变化，导致在某个服务小区或是某个传输信 道上的信号强度下降到低于预先设定的门槛值水平时，就会引起切换的发生，从而选择 新的无线资源获得合适的连接。切换管理就是在移动主机终端在通信或会话过程中，其 网络接入点发生了变化，切换时维持通信和会话的连续性，对于分组传输来说，就是要 尽量避免分组的丢失和减少这一过程所致的时延。切换过程是在当前网络和目标网络的 重叠覆盖区域内完成的。 根据切换发生处理的过程的任务与功能，可以将切换划分为以下阶段，如图3 2 所 示： 1 、发起阶段 此阶段的主要任务和功能就是识别切换的需要，并在随后启动切换。切换需求可以 由移动主机节点或是网络来提出，当前移动主机节点和其网络接入点之间的无线链路的 信号质量恶化时，它就可能会启动切换。当然也有可能是网络修理或维护的需要启动切 换，例如由于均衡网络负荷的设计，使得某些移动主机的网络接入点会从一个位置转移 至另一个位置。 2 、建立新连接阶段 这个阶段中，会对临近无线信道进行测量和收集网络运作所设定的信息。在分析和 考虑到上述的测量信息报告后，接着会确定最合适的目标接入网络和接入点。下一阶段 就是触发系统进行相应的切换动作。 1 0 第三章移动性管理技术 图3 - 2 切换管理 f i g 3 2 h a n d o f f m a n a g e m e n t 3 、执行阶段 在此阶段，会对语音或数据分组流进行控制，语音或数据业务从旧的连接点过渡到 新的连接点。不同的协议机制中，上述旧连接的中断与新连接建立事件发生的次序并不 固定，基于其先后发生次序，可以将切换分为硬切换和软切换。两者的主要区别可归纳 为“先断后通”和“先通后断”。硬切换中，移动台在一个时刻只连接一个基站，而且 在切换过渡时会先释放旧的资源，即中断当前的通话或业务，然后再连接到新的网络接 入点，使用新的资源进行通话或业务。此类切换中，移动主机没有同时和两个网络接入 点的连接。而软切换是指移动主机先连接上新选定的网络接入点，然后再切断与原先网 络接入点的连接，也就是说移动主机终端具有可以同时与两个网络接入点保持通信连接 的能力。移动台从不同的基站同时接收或向它们发送同样的信号，网络要以某种策略来 组合来自多个基站的信号，即在软切换的过程中，新旧连接链路的资源都在使用。 移动主机的切换会引起与接入网络连接重新选路的过程、地址协商和分配的过程和 重新注册的过程等等。在移动主机节点正式连接到新的网络接入点之前，一些协议机制 会在主机节点和新接入点之间传送一些信令消息，目的是为了在新旧网络接入点之间建 立临时的通道( 或是隧道) 来增强协议的性能，如传送缓存数据以避免切换过程带来的数 据丢失。 在切换过程的不同阶段，会执行不同的子过程来维持所需的通信服务质量水平。例 如，前面提到的原网络接入点进行的数据缓存机制或是提前注册机制等。根据这些机制 提供的切换协议的性能的差异，可实现较少分组丢失的平滑切换，而具有较短延迟特点 的则成为快速切换；而随着技术的不断发展和网络互联的深入，无缝切换的需求也越来 越高，所谓无缝切换就是指具备平滑并且