（信号与信息处理专业论文）下一代移动通信系统中的多跳通信技术研究.pdf

! ! 塞堂皇查兰苎主兰垡笙壅! 堕 摘要 多跳蜂窝系统使用多跳中继通信来扩展基站的覆盖范围，减小无线信号传输的 功率，提高了传统单跳蜂窝系统的灵活性和性能，已成为下一代移动通信中的一个 研究热点。 本文主要研究了具有固定f m r n ( 固定多跳中继节点) 的多跳蜂窝小区的扩展 覆盖结构，以及分析了f m r n 对c d m a 系统下的反向链路容量的影响；提出了多跳 蜂窝小区中的m m r n ( 移动多跳中继节点) 的一种有效的拓扑控制算法；研究了为 激励多跳蜂窝小区的移动节点主动为其它节点提供中继服务的多跳节点间的协作激 励机制。 在第二章中，首先分析了两种多跳通信模式对数据传输所需功率的影响，从中 可以看出，通过将一条长无线路径分成多个( 太于等于2 ) 连续的短路径，利用中间 节点的中继传输，对减小无线数据传输所需的功率有很明显的作用，例如在两跳模 式下，最大可以将功率消耗降低6 0 2 d b ( 路径衰减指数为3 ) ；然后讨论了多跳小 区结构及其特性；之后以覆盖率和重叠率为目标，分析了具有均匀分布f m r n 的多 跳小区的覆盖特性，从中可知选取覆盖范围与基站覆盖范围相近的f m r n 来扩展小 区面积是比较有效的。最后提出了三种不同的多跳小区结构，并分析了它们的反向 链路容量，从中可以看出，多跳通信模式对功率消耗的降低，增加了c d m a 系统的 反向链路容量。 在第三章中，主要针对具有移动台中继节点的多跳小区结构的特点，进行了具 有m m i 的多跳小区的拓扑控制分析。多跳小区中的多跳路径的目的都是基站，这 样，多跳小区中的多跳路径的终点是唯一，多跳的目的不仅仅是完成数据通信，而 是在节省总功率的前提下，实现移动台与基站的有效通信。因为在多跳小区中有一 个各节点都可以与之进行通信控制中心一基站，保证了与基站的多跳路径也就保证 的拓扑的连通性，本章中所提出的多跳小区中的b o t c 拓扑控制算法的目的是提供 一种可以节省移动台与基站通信所需的总发射功率的有效算法。这种算法假设每个 移动台天线都具有两个1 8 0 0 的辐射方向，邻居节点的确认是通过判断两个节点与基 站直接通信所需的单跳发射功率，及节点制中继信号所需的发射功率之间的关系来 北京邮电大学博士学位论文 完成的。通过对b o t c 算法的邻居需求关系( c o n d i t i o n ) 的三种条件进行仿真，在 网络拓扑的仿真中可以得出，b o t c 算法实现了多跳小区中节省总发射功率的有效 的拓扑结构；在系统性能的仿真中可以得出，b o t c 算法实现的拓扑可以大大节省 每个节点的发射功率及总发射功率。 在第四章中，主要分析了一种用于多跳小区系统的协作激励机制，它以金钱作 为酬报来鼓励中间节点的中继行为，并且通过在协议流程使用加密和认证技术，保 证了数据包的完整性和可靠性，并实现了对各种理性攻击和恶意攻击的防御。文中 对所改进的协议集对抗各种理性攻击( 如数据包丢弃) 的性能进行分析，结果显示， 对于理性节点来说，最好的选择就是转发数据至下一跳的节点。本章还分析了该协 议集对恶意攻击( 如重发攻击、滤波攻击等) 的防卫，结果显示该协议集可以有效 地检测到这些攻击，并根据情况重新建立会话，而对于攻击节点的识别，则只能通 过统计的方式，对一定时间内攻击节点的异常行为做出判断。 关键词：多跳蜂窝结构链路容量拓扑控制协作激励安全分析 北京邮电大学博士学位论文 a b s 订a c t a b s t r a c t b yu s i i l gm l l l t i _ h o pc o m m u i l i c a t i o ns c h e m ei nm u n i - h o pc e i l u l a rs y s t c m st 0e x t c n d 也ea r e ac o v e r a g eo fab a s es t a t i o 如a 1 1 dt or e d u c e 协ep o w e rn e e d e dt o 仃a n s m i t 也es i 跖a l s 、v i r e l e s s l y ，m o r en e x i b i l 时a i l dp e r f b m a l l c ei sp r o v i d e dt o 仃a d i t i o n a ls 崦l “0 pc e l l l l l 盯 s y s 把m s t h u s ，m l l l t i - h o pc o m m u n i c 砒i o ni nc e l l 山a rs y s t e m sh a sb e e nan e w r e a c hf o c u s i nt h en e mg e n 咖i o nm o b i l ec o m m u l l i c a t i o ns y s t e m s i nm i s 也e m e ，t h ee x t e n d e dc o v e r a g eo fm u l t i h o pc e i l u l a rn e t w o r k 、v i t hf m r n s ( f i x e dm u t i - h 叩r e i a yn o d e s ) w a ss t u d i e d ；t l l er e v e r s ei i n kc 印a c 时i n c r e a s ed u et o f m i 矾sw a ss t u d i e d ；a i le f ! f i c i e mt o p o l o g yc o n n _ o lm g o r i t 1 i nf o rm m r n s ( m o b i l es 协t i o n m m t i h o pr e l a yn o ( 1 e s ) i n 删1 t i - h o pc e l “a rn e t w o r k sw a sp r o p o s e d ；ac 0 0 p e r 撕o n s t 证m l a t i v es c h e m e 血a tc a ne n c o u r a g et h em o b i i er l o d e si nt h em u l t i h o pc e l l u l a r n e t ，0 r k st os u p p l yr e l a ys e r v i c et oo 也e r sw a ss t u d i e d i nc h 印t e r2 ，f l r s t l y 也ee 恐c t s0 ft w 0h n d so fm u l t i m o pc o m m u n j c 砒i o ns c h e m e s0 n d a 土at r 雏堋妯s s i o np o w e rw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e d 也a tt h e 呱m i s s i o np o w e r w a sg r c a t l yr e d u c e d b yt h em u l t i - h o pr e l a y so f i n t e n n e d i a t en o d e s ，衄o u g l lw 1 1 i c hal o n g e r 谢r e i e s spa _ t 1 1 啪sd i v i d e di n t os e v e r a l ( m o r et m2 ) c o 娟肌o u ss h o r t e rp 甜1 s f o r e x 锄p i e ，t h em a ) 【i m 啦p o w e rc o n s u m p t i o nw a sr e d u c e db y6 0 2 d b ( m ep a i hl o s s e x p o n e n tw a s3 ) i nt w o - h o ps c h e m e s e c o n d ly ，t l l ea r c h i t e c n l r ea n db a s i cc h a r a c t e r i s t i c s o ft h em u m h o pc e l l u l a rn e t w o r k 、v e r ed i s c u s s e d t h i r d l y ，a i m i n ga tt 1 1 ec o v e r a g er a t i o a 1 1 dt 1 1 eo v e r l 印m t i o ，t h e c o v e m g ec h a r a c t e r i s t i c s o fm l l i t i - h o p c e l l s 、i 也e v e i l i y d i s t d b u t e df m r n sw e r ea n a l y z e d ，舶mw 1 1 i c hi t 、a sk n o w nt l l a tt l l ef m r n sw h i c hh 船 s i m i l a rc o v e r a g ea r e aa s 也eb a s es t a t i o n sw e r ep r e f e r r c dt oe x t e n dm ec e l l sc o v e r a g ea r e a f i n a l i y ，血r e ed i 行b r e mm u l t i - h o pc e l l u l a ra r c h i t e 咖r e sw e r ep r e s e m e d ，0 fw h i c ht l l e r e v e r s e1 i n k c a p a c i t i e sw e r ea i l a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e d u c t i o no f t r a n s m i s s i o np o w e rn e e d e dt oc o n v e yd a t a 丘o mam o b i l es t a t i o nt oi t sb a s es t a _ t i o n i n c r e a s e dt l er e v e r s el i n kc a p a c i t yi nc d m as y s t e m s i nc h a p t c r3 ，b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so f 也em u l t i h 叩c e l “a ra r c h n e c t l 】r ew i t h - i i 卜 北京邮电大学博士学位论文 a b s t 糖c t m a i l ym m r n s ，t 1 1 et o p o i o g yc o n 仕o lo fm l l l t i _ h o pc e l i u l a rn e t w o r k sw i t l lm m r n sw 舔 锄l y z e d t h et a r g e t so fm l l l t i - h o pp a m si nt l l e m l t i - h o pc e l l s 、v e r eb a s es t a t i o n s t h u s ， m ee r l d so ft h em u l t i h o pp a t l l s 、v e r eu n i q u ei ne a c hm u m _ h o pc e l i 加l d 廿l ea i mo f m u l t i _ h o pc o m m u n i c a t i o nw a sn o to m yt oa c c o m p l i s ht h ed a t ae x c h a n g e ，b u ta l s 0t o 岫p l e r n c n te m c i e n tc o m m u l l i c a t i o nb e t 、v nm o b i l es t a t i o n sa n dt h e i rb a s es t a t i o n so nt l l e p r e m i s e0 fs a v i r 培t r a n s m i s s i o np o w e r b e c a u s et h e r e 、懈ac o m n m n j c a t i o nc o n t r o lc 蜘【t e r t h eb a s es t a t i o ni no n em u 城- h o pc e i l ，t h e 眦i t i h o pp “h sb e t w e e nt h em o b i l es t a t i o n s a n d 妣b a s es t a t i o ne n s u r e d 也ec o 蚍e c t i v i t yo fm et o p o l o g y t h ca i mo f 妇b o t c t o p o l o g yc o n 伽la l g o r 曲mp r o p o s e di nt h i sc h a p t e rw a s t op r o v i d ea ne m c i e n ta l g o d 衄 t h a tc a ns a v e 也et o t a l 协m s m i s s i o np a w e ru s e dt oc o m m u n i c a t eb 咖e nt 圯m o b i k s 僦o n sa n d 廿峙i rb a s es t a t i o n s i tw a 3a s s l 班、e dm a t 也ea n t 就m a so fe a c hi n d b i l es 忸埴o n h a dt 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l a t i v es c h e m eu s e di nm u l t i 也o pc e i l l l l a rn e 咖r k si s a n a l y z e d t h es c h e m er e w a f d e dm ei n t e 册e d i a t en o d e sw i t hm o n e yf o rt l l e i rr e i a y i n g b e h a v i o r s e n c r y p t i o na n da u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o 酉e s w e r eu 8 e di nt h ep r o p o s e d p r o t o c o l s ，w h i c he n s u r e dt h ei n t c 铲i t y 眦dr e l i a b i i i t yo f 也ep a c k e t s 姐dc a nd e f e n d 恤 v a r i o u sk 恤d so fr a t i o n a la i l dm “i c i o u sa 牡a c k s t h ed e f c i 玲i v ep e r f o 吼a n c ea g a i n s t r a t i o n a la n a c k ( s u c ha sp a c k e t 出o p p i n 曲w a sa n a l y z e d ；m er e s u l t ss h o w e d 也a tt h eb e s t c h o i c ef o rr a t i o n a ln o d e sw a st or e l a ym ep a c k e t st ot h en o d ei nt h en e x th o p a l s o ，也e d e f e n s i v ep e r f o r m a i l c ea g a i n s tm a l i c i o u sa t t a c k s ( s u c ha s r e p l a ya f t a c k i n g ，f i l t er i i ：唔 a t t a c k i n g ) w a sa i l a l y z e d ；t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h e s eh n d so fa t t a c k sc a l lb ee 腧c t i v e l y d e t e c t e d ，a n d l es e s s i o n 、u i db er e e s t a b l i s h e db 雒e do nt l l ec o n d i t i o n s h o w e v e r m e 1 v 北京邮电大学博士学位论文 a b s t r a c t i d e n t i f l c a t i o no fa t t a c l ( i n gn o d e sc a l lo n i yb ep e r f o m l e dv i as t a f i s t i c a lm “h o d s ，a 1 1 dt h e j u d g m e m sw e r em a d ea c c o r d i n gt ot 1 1 em i s b e h a v i o r so f 也ea t t a c k i n gn o d e sd u r i n ga c e r t a i np e r i o d k e y w o r d s ：m u l t i h o p c e l l u l a ra r c h i t e c t u r el i l l kc 印a c 时 t o p o l o g i c a l c o n t r o l c o o p e r a t i o ns t i m u l a t i o ns e c l l r i t ya 1 1 a l y s i s v 独创性说明 - 本人声明所里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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或 论文而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：掏煎 日期：m 僻萝月jj 日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北 京邮电大学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论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 期：加f 年g 月57 日 ! ! 室堂皇奎兰堕主堂堡鎏塞 塑= 兰篓堕 第一章绪论 近几年来随着3 g 技术的不断发展、推广以及成熟，通信领域的研究熟点已经 进入了后3 0 ( b 3 g ) 的研究阶段。在移动通信技术的发展过程中，其开始大规模商 业化运作是以贝尔实验室提出的小区频分复用概念为起点的。小区概念的提出使得 将有限的频率资源使用于无限大的地理范围成为可能。但是随着用户数量飞速增加 的移动通信市场的发展，以及h l t e n l e t 和其它网络技术的不断发展，更高速率的数字 业务的需求不断增加，移动通信技术已从最初的以模拟通信为基础的使用f d m a 技 术的1 g 标准，发展到现在仍在广泛使用的以数字通信为基础的使用t d m a f d m a 技术的2 g 标准，以及即将到来的使用c d m a f d m a 的3 g 标准，数据速率从g 8 m 的9 脚i t ，s 、1 4 4 k 埘如已经发展到3 g 的2 m b i 以以上，而b 3 0 的预期数据速率将 大于2 0 m b i t ，s 。 应当怎样，才能以最有效的方式向无线终端发送信号，以及从无线终端接收信 号? 这个基本问题的答案对整个无线通信领域来说具有最高的重要性。在这个方向 上的研究与开发将获得增强的覆盖范围、系统吞吐量、q o s ，以及高效率和简洁的无 线终端。通过简单的计算，可知在未来的无线通信系统中在较大区域内提供非常高 速的数据传输速率是不实际的，除非获得了非常重要的新频谱，或者显著地增加数 据通信接入点的密度。当前，没有证据表明在不久的将来可以获得非常重要的新频 谱；并且急剧增加接入点的数量在经济上也不舍理。 最近几年，在信号处理技术领域( 如干扰消除算法) ，以及在智能天线技术领 域( 如m i m o 和自适应天线) 都有了非常重大的发展。尽管将这些技术集成在未来 的无线通信系统中是至关紧要的，但出于实际的原因，在实现几乎任何地方的超高 数据速率覆盖方面，仅这些技术是不够的。例如，在无线终端上设置复杂的天线系 统是不可行的；并且，在深度阴影存在的情况下，智能天线将起不到太大的作用。 因此，对于未来无线通信所要求的雄心勃勃的容量、吞吐量和覆盖范围来说， 需要在基础上进行更大的增强。朝着这个目标，除了高级信号处理技术外，人们正 在探寻无线网络结构本身的一些大的修改，因为无线网络结构的改进可以增加向无 线终端用户发送信号以及从无线终端用户接收信号的效率。而本文所要重点研究的 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 内容也就是对传统蜂窝网络结构的改进，即在无线蜂窝网络中增加多跳通信自力， 这也是网络结构更新方面的一个很有远景的发展方向。 在蜂窝小区中，发射功率一定的情况下，为了在接收节点达到一定的信号干扰 噪声比( s i n r ) ，随着数据速率的增加，小区的覆盖范围会减小。比如，如果比特 速率由l o o k b i “s 的量级增加到1 0 m b i 以的量级，也就是扩大1 0 0 倍，则在市区内路 径损耗为3 5 的情况下，小区的实际覆盖面积将减小到原来7 。这样就需要将小区 的覆盖范围不断减小，以满足大容量和高数据速率系统的需要。但是如果小区的覆 盖范围过小则需要设鼍大量的基站，这会大大增加整个系统的成本，并且固定基站 的设置要受到地理条件的影响，因为每一个基站都需要同上一级的控制节点有固定 的有线连接，所以基站的放置位置要适应于有线网络的分布。这样就需要建立一种 合理成本上的高速率高容量的且灵活性高的系统结构。 传统蜂窝网络结构是一种单跳的小区结构。所谓的一跳就是指无线通信系统中 信号从信源到达信宿所经历的一次无线传输，单跳就是指信号从移动台经单次无线 传输直接到达基站天线。多跳通信的概念主要体现在a d h o c 网络中，在a d h o c 网络 中，没有固定的基础设施和骨干网，距离超过了天线覆盖范围的节点之间的通信由 这两个节点之间的其它节点进行中继来完成，通过多跳来完成一次通信过程。a dh o c 网络的特点就是不需要建立固定的基础设施，网络中的节点是对等的。但是也正是 由于通信需要多跳来完成，以及中继节点不固定且可以随机运动，使得网络拓扑不 固定，导致系统的性能不能保证一直良好。这样，a d h o c 主要应用于一些特定场合， 如战场、灾难急救等。当减小多跳的数目时，a dh o c 网络的性能将大大提高，因此 可以考虑将跳数较少的a d h o c 引入移动通信系统中。在基站的覆盖范围内设置一定 的多跳中继节点，一方面可以扩大基站天线的覆盖范围，使得小区的覆盖更加零活 合理；另一方面，通过多跳中继节点也可以改善基站天线覆盖范围内信号质量较差 的链路，减小移动台的发射功率而增加系统容量。 下面首先介绍与多跳通信密不可分的a dh o c 网络。 1 1a dh o c 网络概述 随着信息技术的不断发展，人们对移动通信的需求越来越强。近年来，移动通 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 信技术得到了飞速发展和普及。蜂窝移动通信系统、无线局域网( i e e e 8 0 2 】1 和 h i d e r l a n ) 、蓝牙技术、家庭无线网( h ( ) m e r f ) 等移动通信新技术也纷纷涌现。 这些技术的出现，极大方便了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展。 无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类：一类是集中式控制的，即有 中心的。这一类无线网络的运行要依赖于预先部署的网络基础设旅。典型的例子有： 蜂窝移动通信系统，其依靠基站和移动交换中心等基础设施的支持；基于接入点和 有线骨干网模式工作的无线局域网。但对于某些特殊场合，不可能有这些预先部署 的固定设施可以利用。比如，站场上部队快速展开和推进、发生地震或水灾后的营 救、野外科学考察、偏远山区、f 临时会议等。在这种情况下，就需要一种能够临时 快速自动组网的移动通信技术。这也形成了另一类无线通信网技术，即a dh o c 网络 通信技术。 1 1 1a dh o c 网络的发展 a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr 丑d i on e t w o r k ) ，对分组无线网的研 究源于军事通信的需要。早在1 9 7 2 年，美国的d a ) a 就启动了分组无线网项目 p r n e t ，研究在站场环境下利用分组无线网进行数据通信。在此之后，d a j 璩a 于 1 9 8 3 年启动了高残存性自适应网络s u i 认n ( s l l r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k ) 项目， 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 1 0 m o ( g 1 0 b a lm o b i l ei n 触m a t i o ns y s t g m ) 项目，旨在 对能够满足军事应用需要的、高抗毁性的移动通信系统进行全面深入的研究。成立 于1 9 9 1 年的i e e e8 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 将a dh o c 网络称为 m a n e t ( m o b i l ea dh o cn e t w d r k ) 。 1 1 2a dh o c 网络的定义 a dh o c 网络是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组织 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 m e t 或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，a dh o c 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 网络通常是以末端子网( s t l l bn 出r k ) 的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率的 限制，m a n e t 一般不适于作为中间承载网络，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，从而大大减小了与现存i n t e m e t 互操 作的路由开销。a dh o c 网络中，每个移动终端兼具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，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。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 端节点往往通过多跳中间节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网络、 自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。a dh o c 网络同时具备移动通信和计算 机网络的特点，可以看作是一种特殊的移动计算机通信网络。 1 1 3a d h o c 网络的特点 与其它传统通信网络相比，a dh o c 网络具有以下显著特点。 1 无中心和自组织 a dh o c 网络采用无中心结构，网络中没有绝对的控制中心。所有节点的地位平 等，即是一个对等网络，各节点通过分层的网络协议和分布式算法协调彼此的行为。 节点可以随时加入和离开网络。任意节点的故障不会影响整个网络的运行，与有中 心网络相比，具有很强的抗毁性。 2 动态变化的网络拓扑 a dh o c 网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移动模式移动，并且可以随 时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样，发射功率的变化，无线信道 间的干扰，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是难以预料的。在网络拓扑图中， 这些变化主要体现在节点和链路的数量及分布的变化。而对于传统的有线网络，网 络的拓扑结构较为稳定。 3 多跳路由 由于节点发射功率的限制，节点的通信范围是有限的。当要与其通信范围之外 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 的节点进行通信时，需要中间节点的转发，即要经过多跳。与普通网络中的多跳不 同，a dh o c 网络中的多跳路由是由普通节点共同完成的，而不是由专用的路由设备 ( 如路由器) 完成的。相反，如果可以使用多跳路由，节点的发射功率可以很低， 从而达到节省电能延长电池工作时间的目的。 4 无线传输 a dh o c 网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所能提供的网络 带宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。考虑到竞争共享无线信 道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰等因素，移动终端获得的实际带宽 远远小于理论上的最大带宽，并且会随时间动态变化。传统的共享广播式信道是一 跳共享的，而a dh o c 网络中节点的发射功率受限，广播信道是多跳共享的：一个节 点的数据发送，只有其一跳相邻节点可以检测到，而此范围之外的其它节点是察觉 不到的。这一特征一方面提供了信道的空间重用度，另一方面使得数据分组的冲突 与节点所处的地理位置相关。此外，地形或发射功率等因素使得a dh o c 网络中可能 存在单向无线信道。 5 移动终端的便携性 移动终端具有便携方便、轻便灵巧等优点，但也存在固有缺陷，如能量受限、 内存较小、处理器能力较低和成本较高等，从而给应用的设计开发和推广带来一定 难度，同时显示屏等外设的功能和尺寸受限，不利于开展功能较复杂的业务。因此， 如何高效地使用节点的电能和延长节点的工作时间是一个十分突出的问题。 6 安全性差 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“休眠”等 网络攻击。另外，a dh o c 网络由于节点自身充当路由器，不存在命名服务器和目录 服务器等网络设施，也不存在网络边界的概念。这就使得a dh o c 网络中的安全问题 非常复杂，传统网络中的许多安全策略和机制将不再适用。因此，信道加密、抗干 扰、用户认证、密钥管理、访问控制和其它安全措施都需要特别考虑。 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 4a dh o c 网络的拓扑 由于节点的能力通常相同并可以移动，特别是在战场环境中，中心控制节点容 易被发现和易受攻击，使得a dh o c 网络不适合采用集中式控制结构，因此，a dh o c 网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。 平面拓扑如图1 1 所示，其中所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。 在分级结构中，网络被化分成簇( c l u s t e r ) 。每个簇由一个簇头( c l u g c e rh 髓d ) 和多个簇成员( c l u s t e r m 锄b e r ) 组成。这些簇头形成高一级的网络。在高一级网络 中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头节 点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节点使用算法选举产生。 根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可以被分为单频率分级和多频率分级 两种。这里的频率应该被广义的理解为通信信道。信道的区分可采用各种多址技术， 如f d m a 、t d m a 和c d m a 等。 单频分级网络如图1 2 所示，其中所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头 之间的通信，要有网络节点( 同时属于两个簇的节点) 的支持。簇头和网络形成了 高一级的网络，称为虚拟骨干网。 j ! 塞塑皇查主堡主兰焦丝塞 苎二妻! 丝 i 一) m 。t e r 。嚣口。觜。批t e w a ， 图1 2a dh o c 网络的单频分级拓扑 多频分级网络如图1 3 所示，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围 较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中，有多个频率， 用不同的频率实现不同级的通信。在图1 3 所示的两级网络中，簇头节点有两个频率。 频率l 用于簇头与簇成员的通信，而频率2 用于簇头之间的通信。分级网络的每个 节点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据网络拓扑的变 化重新分簇。 高级 f r e q u e n c yl ，一一、 0jc l u s t e r 、_ 一f r e q u e n c y 2 o 篱口。苗。 图1 3 多频分级结构 平面结构的网络比较简单，网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶颈， 所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每个节点都需要知道到达其它所有节点的 路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。当平面结构网络的规模 增加到某个程度时，所有的带宽都可能会被路由协议消耗掉 1 2 】。 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 多跳蜂窝网络分析 多跳通信就是当信源节点与信宿节点无法直接完成无线通信时，即源宿节点之 间的距离超出了它们的通信范围时，通过它们之间的中间节点来中继信号，将整个 距离分成几个小段来传递信号。或者即使信源节点和信宿节点间可以直接通信，也 可以使用多跳通信减小传输信号所需的发送功率。由于无线信道的路径损耗是与距 离的n 次幂成正比的，所以在多条短无线路径上传输数据所需的总发射功率要远远 小于一条长的无线路径上所需的发射功率。 在已有文献 1 4 】中已经提出的蜂窝小区和多跳通信的结合系统主要可以分为以 下两类：混合无线网络结构和多跳蜂窝网络结构。 1 2 1混合无线网络结构 系统中同时包括蜂窝系统和无线局域网系统，基站辅助w l a n 接入点( a p ) 的 多跳通信，如图1 4 所示。 多跳节点覆 基站 盖范 图1 。4w i a n 的a p 节点与基站的混合多跳结构 在此系统中，由基站进行小区大范围的覆盖，而对于数据量要求比较大的热点 区域使用w l a n 的a p 节点来提供无线局域网的接入服务。其中多跳通信主要应用 于扩展a p 的覆盖范围。这是一种混合使用蜂窝通信和无线局域网通信技术来实现多 跳的结构。扩展a p 覆盖范围的多跳通信需要基站的参与，因为基站可以根据定位技 术知道其覆盖范围内的移动节点的位置，这样，可以基于位置信息，对多跳路径的 路由选择做出合理的指导。因此，多跳通信中的数据通信由a p 负责，而路径的选择 兰兰室堂皇查主竖主兰焦笙塞 蔓= 塞堑竺 由基站来负责。此结构中，移动节点需要同时具有移动蜂窝网络及w n 的空中接 口。此类结构主要是在文献 3 ，4 】中提出的分级多跳蜂窝网络( 酬c n ，h i e r 盯c l l i c a l m u n i - h o pc e l l m a r n e t w o r k ) - 1 2 2多跳蜂窝网络结构 基站的覆盖由多跳来扩展，如图1 5 所示。 多跳覆盖范围 基 盖 的基 站覆盖范围 图1 5 蜂窝小区多跳结构 在此系统中，各移动节点直接参与对基站覆盖范围的扩展和改善。处于基站覆盖 范围边缘的节点，负责基站直接覆盖范围以外的节点的多跳中继，阴影区域中的移 动节点也可以通过多跳通信模式接入基站。由于各个中继节点本身性能以及所处地 理位置的不同，它们所提供的多跳覆盖范围也有所不同。这样，边缘中继节点将基 站原来的覆盖范围( 图中六边形所示) 扩大到了图1 5 中椭圆所示的范围。 对于此类结构，不同文献提出了多种不同应用模式，如多跳蜂窝网络( m c n ， m u l t i - h o pc e l l u l a r n e 狮o r k i n g ) 系统【1 ，它使用网络中的移动节点来扩展小区的覆盖 范围，邻近移动节点可以直接通信或通过它们之间的中继节点来通信，不需要基站 来转发数据，但是需要基站参与路由选择，并提出了基站中心路由协议( b c r ， b a s e c e n m cr o m i n g ) 2 】；用于协调不同小区间的业务量的蜂窝与a dh o c 结合的中 继( i n t e 簪a t e d c e l l u l a r a n d a dh o c r e l a y i n g ，i c a r ) 系统【5 ，在热点小区内当信道资 源被完全占用后，在通常蜂窝小区的情况下，请求接入的新节点会被所属基站拒绝， 而在i c a r 系统中，该节点通过网络中的a dh o c 中继站接入至相邻的有空闲信道的 小区中，从而避免了呼叫失败，提高了系统效率。为了进一步减小各条中继链路问 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 的相互干扰，文献 6 j 中提出了采用阵列天线来实现多跳通信的思想，每个移动台配 置有一个阵列天线，其中的每个天线具有不同的辐射角度，共同构成3 6 0 0 的辐射范 围，且相互间没有重叠区域，这样，通过天线的选择性分集，可以获得最大s i n r ， 并由于辐射角度的减小而降低了对其它中继台的干扰。 本文研究的对象是主要是多跳蜂窝网络中的多跳通信。下面首先对中继节点进行 分类及说明。 1 2 3多跳中继节点的分类与特性 通过上面的分析可知，通过多跳通信这一方式，可以大幅提高网络的性能。在 这里给出多跳中继节点的明确概念，多跳中继节点( m r n ，m u l t i h o pr e l a yn o d e ) 就是对移动台与基站之间传输的信号进行中继的节点，它不是设频信号的目的地， 只相当于一个数据中继器，它的上一级和下一级还可以是一个多跳节点。这样可以 在移动台和基站之间存在几个多跳节点。 对于多跳节点，还可以分成两类，一类是专用多跳节点( f m r n ，f i x e dm r n ) ， 它是与基站类似的节点，只不过它是通过无线的方式与基站的固定天线相连的中继 点，不需要与上一级的控制节点相连。当然其本身需要一个简单的控制模块，以控 制信号的收发，但是因为它只负责信号的转发，所以控制模块的功能与基站的控制 模块相比要简单的多，也就是其成本要远远低于基站的成本。 另一类是非专用或移动台多跳节点( m m r n ，m o b i l em r n ) ，它实际上就是网 络中的一个移动台，只不过临时为基站覆盖范围内受阴影效应等衰减作用影响较大 的移动台充当多跳中继的角色，任何处于固定天线的有效覆盖范围内，且无线链路 质量好的移动台都可以充当移动台多跳节点。一般情况下专用多跳节点可以同时为 多个用户服务，而考虑到移动台的处理能力以及电池的供电因素，移动台多跳节点 一般同时只为少量几个用户服务。这样，专用多跳节点主要用于扩展小区覆盖范围， 改变小区的拓扑结构，而移动台多跳节点主要用于基站覆盖范围内的阴影衰落或无 线链路质量较差的区域的用户，它改善局部的信号质量。 这两种多跳中继节点由于自身的物理结构不同，而具有不同的特点。 f m r n 的特点为： 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 其天线尺寸可以很大。可以将一般的基站天线进行一定的软件升级而产生专 用于f m