（电路与系统专业论文）无线接入覆盖区域最优化分析的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

无线接入覆盖区域最优化分析的研究 摘要 i 、当今移动通信技术发展非常迅速，随着各种接入方式的提出， 移动通信网络的覆盖区域也在不断地扩大，提供的服务业务也越来 越多样化。 有两种方式可以扩大无线接入环境的覆盖区域：一种是覆盖区 域的直接延伸，增加接入的数目；另一种是覆盖区域的间接延伸， 改善接入网络的结构，扩大接入范围，优化覆盖区域。本论文从后 ， 一种角度来对无线接入覆盖区域进行优化，因此研究了将移动a d h o c 引入当前移动通信系统中的相关问题。 本论文主要通过解析节点运动、信道衰落、分组发送模型及对 动态源路由协议d s r 进行改进等策略，建立了一种移动a d h o c 网 络m a n e t 仿真模型一m a n s 。将节点相对速度变化与信道时隙变 化相联系，m a n s 可以在网络层直接仿真m a n e t 的动态、时变特 性，并对相关路由协议进行评价。同时提出了基于移动a d h o c 网 络的网络层路由调整与资源管理的方法。对提出的数学模型和网络 层协议在m a n s 平台上进行了仿真试验。 本论文从分析和构建移动a d h o c 网络层的相关协议和模型的 角度，提出了研究移动a d h o c 网络层特性的新思路，为移动a d h o c 网络接入当前的无线环境提供了可能，从而达到优化无线接入 覆盖区域的目的。 关键字：移动a d h o c 网络，动态源路由，节点移动模型，信道 衰落模型，路由调整，资源管理 r e s e a r c ho no p t i m i z i n g c o v e r a g e r e g i o no fw i r e l e s sa c c e s s a b s t r a c t n o w a d a y st e c h n o l o g yo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni s d e v e l o p i n gv e r y q u i c k l y ，a l o n gw i t he m e r g i n go f v a r i o u sa c c e s sm e t h o d s ，c o v e r a g e r e g i o n o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si s e n l a r g i n gc o n t i n u o u s l y ，a n ds o r t s o f p r o v i d e ds e r v i c ea r em o r ea n dm o r ed i v e r s e t w om e t h o d sc a nb eu s e dt oe x t e n dc o v e r a g er e g i o no fw i r e l e s s a c c e s s ，o n ei s t oe x t e n dc o v e r a g er e g i o n d i r e c t l y ，t h a ti s ，i n c r e a s e t h e n u m b e ro fa c c e s sp o r t s ，t h eo t h e ro n ei st oe x t e n d i n d i r e c t l y ，w h i c hi st o i m p r o v e t h es t r u c t u r eo fa c c e s s n e t w o r k s ，e n l a r g e a c c e s s a r e a ，a n d o p t i m i z ec o v e r a g er e g i o n ，t h el a t t e r o n ei sc h o s e nt o o p t i m i z e t h e c o v e r a g er e g i o no f w i r e l e s sa c c e s s ，a n dt h er e l a t e di s s u e sa r er e s e a r c h e d ， t h a tm o b i l ea d h o cn e t w o r k s ( m a n e t ) a r ei n d u c t e di n t oc u r r e n tm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m an e ws i m u l a t i o nm o d e lf o rm o b i l ea d h o c n e t w o r k s ( m a n s ) h a s b e e n e s t a b l i s h e d ，b yr e s o l v i n g m o d e l so fc h a n n e l f a d i n g ，p a c k e t g e n e r a t i o n ，s i n g l e n o d em o b i l i 够，a n di m p r o v i n go nd y n a m i cs o u r c e r o u t i n g ( d s r ) d e n o t i n gv a r i e t y o fr e l a t i v e v e l o c i t y w i t hf l u c t u a n t c h a n n e ls l o t s ，m a n sc a ns i m u l a t et i m e r e l a t e dc h a r a c t e r so fm a n e t a t n e t w o r k l a y e r ，a n d e v a l u a t e c o r r e s p o n d i n gr o u t i n g s m e a n w h i l e ， a p p r o a c h so fr o u t i n ga d j u s t m e n ta n dr e s o u r c em a n a g e m e n ta tn e t w o r k l a y e rh a sb e e nd i s c u s s e d ，w h i c hi sb a s e do nm o b i l ea d h o cn e t w o r k s m a s ss i m u l a t i o no fm a t h e m a t i cm o d e l sa n dp r o t o c o l sa tn e t w o r kl a y e r h a v eb e e nc o n d u c t e do nm a n s an e w t h o u g h th a s b e e n b r o u g h to u to nr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r so f m o b i l ea d h o cn e t w o r k s ，t h r o u g ha n a l y s i n ga n d c o n s t r u c t i n go f r e l a t e d p r o t o c o l so nn e t w o r kl a y e r ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l et h a tm o b i l ea d h o c n e t w o r ki sak i n do fc u r r e n tw i r e l e s sa c c e s sw a y s ，a n dr e a l i z et h ea i mo f o p t i m i z i n gc o v e r a g er e g i o no f w i r e l e s sa c c e s s k e yw o r d s ：m o b i l ea d h o c n e t w o r k s ，d y n a m i c s o u r c e r o u t i n g ， m o d e lo fn o d em o b i l i t y ，m o d e lo fc h a n n e lf a d i n g ，r o u t i n g a d j u s t m e n t ， r e s o u r c em a n a g e m e n t 】1 引言 第一章绪论 随着有线和无线带宽的不断提升以及业务种类的不断增加，未来的无线接 入( w i r e l e s sa c c e s s ) 网络结构将会有较大的改进。来自欧n ( e u r o p e a nu n i o n ) 的 2 0 0 多位专家就如何提高通信技术和服务设施进行了广泛的探讨【”。其中有个 研究组对未来接入网的接入环境进行了探讨，认为未来的接入网主要会由以下 三种结构组成： 1 ) 接入网( m o b i l ea c c e s sn e t w o r k s ) ； 2 ) 固定接入网( f i x e da c c e s sn e t w o r k s ) ： 3 ) 无线商业网( w i r e l e s sb u s i n e s sn e t w o r k s ) 。 移动接入网的变化是有目共睹的。随着第三代( 3 州g e n e r a t i o n ) 、第四代 ( 4 “g e n e r a t i o n ) 移动通信系统的提出和不断具体化，移动接入网结构不断改 进是必然的趋势。未来的几年时间内，移动接入系统不但要承担高速宽带的移 动连接服务，还要具有同时接入固定和移动设备的能力，而且服务质量 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 不但不能因此而下降，反而有了更高的要求。在不断提高 通信信道和交换设备的软件、硬件效能的同时，无线接入的要求也必须提高。 为此各公司和研究机构都在试图找到基于第三代、第四代移动通信系统的接入 策略。不过，目前尚没有一种比较合适的方案。 与移动无线接入类似，作为将来个人通信系统【2 3 】( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 组成部分的固定无线接入，也面临着许多问题，例如 怎样融合窄带、宽带和交互式服务；如何在此基础上提供更高的传输速率；如 何做到固定和移动之间的无缝连接等等。现在已就前两个问题提出了解决方 案：a t m 无线接入( a w a ) 系统。 至于无线商业网，则是近期才提出来的。无线商业网可以提供专用于商业 的宽带服务，预计将会在今后得到广泛应用。各大公司和研究机构也陆续提出 了许多技术解决方案，但离实际应用还有一段距离。 为了达到无缝接入，在各种条件下进行通话，当前的移动通信系统还是有 很多问题有待解决，大致可以分作两类： 一类是针对传输过程和交换过程出现的问题，比如传输丢失、多径效应、 盲区等。这些问题有些需要对终端的硬件进行改进，有些已经解决，有些则要 求用更好的编码和传输方式来解决。这些都不是本次研究课题的内容，事实上 也不可能在现有资会和人员条件下把这些问题解决好。 另一类是接入网中已存在的或将要存在的问题，比如说如何在已有资源的 基础上，使通信总量增大，也就是用户数增多：可否用某些新的接入思想来解 决盲区问题等等。 本论文的主要任务就是研究一种新的无线接入结构一a d h o c 网络在当前移 动通信系统中的可用性。为此，研究了移动a d h o c 网络的网络特性和数学模 型，改进了网络层路由协议，以便在移动、时变的网络环境下提供可靠的传输 性能，并在以上研究基础之上初步建立了一个a d h o c 网络仿真模型。 1 2 无线覆盖区域存在的问题及解决途径 随着通信技术的不断发展，移动通信网络的覆盖范围得到扩大。一方面无 线覆盖区域的无线联络更加畅通，另一方面，现有的移动通信网络所采用的单 跳【4 】( 这里的“跳”指基站和终端移动设备之间存在的链路数，当前的移动通 信网的基站与移动设备之间就是一跳，也就是单跳) 的接入结构特性，也存在 着一些自身难以克服的问题： 1 在市区新建建筑群或大型地下商场等建筑物中，存在着难以克服的盲区 问题，即使在覆盖区域内，通信的质量往往也是很不尽人意的： 2 在移动节点( 如手机等) 密集的闹市区，基站很可能无法同时满足许多 用户的通话需要。例如当某些国家法定节假日，一些传统的活动场所常 常人满为患，这些地区的通信通过增加基站密度或增加信道容量的方法 解决剧烈时变的通信需求，并不理想； 3 当基站与移动通信设备之间的通信信道突然变得极端恶劣的时候，例 如，由于不是正常的小区切换，没有其他的路径可供选择，只能中断通 信； 4 如果发生大的灾害性的事件，基站网络受到严重损坏时，地面的有线和 无线的通信设备往往会完全瘫痪，对救灾工作造成困难； 5 在移动通信业务过于集中的闹市区，在距离基站比较远的情况下，两个 或若干个邻近的移动节点完全没必要通过基站中继来通信。 基于上述情况的考虑，本文提出了利用a d - h o c 的“多跳”特性来较好地解 决上述情况。所谓a d h o c 网络就是利用多个移动节点作为中继点( i n t e r m e d i a n o d e s ) 这样一个“多跳”环境来实现传输的对等无线网络。比如，“多跳” a d h o c 网络可看作现有移动通信网络的延伸部分，在一些基站覆盖区域的盲区 利用a d h o c 网络仍能正常地通信，而在闹市区应用a d h o c 网络则可以合理地 减轻基站分配信道的负荷，当基站系统遭到破坏时，a d h o c 网络机动灵活的组 网能力可以很快地组建一个临时通信网。几个节点之间直接进行通信则是a d h o c 网络最基本的方式，完全不必要通过固定接入点( 如基站) 建立链路。 1 3 移动a d h o c 网络接入存在的问题及解决途径 近年来，国际上对a d h o c 网络的研究逐渐兴起，i e e e 8 0 2 1 1 5 1 等协议提出 了多移动节点在m a c 层实现的标准，使对移动a d h o c 网络m a n e t ( m o b i l e a d h o cn e t w o r k s ) 的研究更趋标准化。然而，把移动a d h o c 网络当作当前移 动通信系统的个接入部分还存在着很多问题： 1 移动节点的中继服务问题。移动节点需要经常保持待机状态，并且随时 得负责为其他附近的节点作中继，这种中继方式是被迫进行还是自愿进行，将 会直接影响多跳方式的接入效果。如果移动a d 。h o c 网络接入当前移动通信 网，那么这种网络中的手机就应该随时准备作为其他移动节点的一个中继介 点。这种概念的建立并不是那么容易，不过根据调查研究发现，只要多跳方式 能够为使用这一服务的用户提供实际上的业务改善，被迫的或者说强制进行中 继这种策略应该会被人们所接受。所以在今后的理论分析都是建立在这样一个 假设前提下，只要该节点能够正常工作，就随时可以为附近的移动节点提供中 继服务。 2 手机的功耗问题。由于可能在某一地区、某一时段经常需要作中继，那 么手机的耗电量无意会增大。而且即使不参与路由，作为移动a d h o c 网络的 一个节点，这种节点设备必须一直处于待机状态。这些都使得能耗成为一个无 法忽视的问题。解决这个问题，最主要的是从改善蓄电池的电力方面入手，此 问题不在本文研究范围内。不过本文依然会从减小数据分组的报文开销上，对 功耗问题提出一定的解决方案。 3 服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 问题。鉴于第三代、第四代移动通信的研究 中考虑的服务类型不断增多，服务质量要求不断提高，多跳方式也应该跟上这 种要求。然而即使现有的单跳方式在服务质量方面还有很多不尽人意的地方， 何况再引入具有移动、时变特性的移动a d h o c 网络，服务质量的情况可想而 知。如何解决，或者说改善这个问题将是多跳方式能够应用的关键。 移动a d h o c 网络面临的一个重要问题就是服务质量问题。由于移动a d h o c 多点移动的特性使得它比当前的“单跳”的移动通信网存在更严重的通信 质量问题。这也是为什么本文仅仅把移动a d h o e 网络作为当前移动通信网络 系统的接入方式之一的原因。服务质量保证牵涉到两个问题：一，如何从量上 柬界定不同业务的服务质量；二，如何在有限的资源情况下保障服务质量。本 _ 3 一 文则考虑从网络层路由的角度来解决服务质量的问题。当前比较成熟的用于移 动通信网的路由协议都是针对移动用户和基站等固定服务端之间的单跳的接入 问题，具有“多跳”特征的a d h o c 网络的路由状况还处于理论研究阶段，因 此在考察了众多路由协议之后，本文提出了改进的源路由调整策略。 然而以何种平台来评判服务质量的提高则是另一个需要解决的关键问题。由 于还处在理论研究阶段，建立在m a n e t 上的理论体系不可能在实际环境中去 验证，为此国外许多研发机构都建立了各自的仿真系统。例如由加利福尼亚大 学洛杉矶分校( u c l a ) 开发的p a r s e c 系统、o p n e t 技术公司开发的 o p n e t 系统、劳伦斯伯克利国家实验室( l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a l l a b o r a t o r y ) 的网络研究组( n e t w o r kr e s e a r c hg r o u p ) 开发的n s 2 系统等等， 都是著名的可应用于无线网络的仿真系统。在这方面国内起步较晚，尚没有发 现有类似的软件系统推出，而上述这些国外的软件由于他们的大而全，使得一 个使用者必须同时熟悉操作系统的编译环境、所使用软件各层( 类似o s i 七层系 统模型) 仿真模型等。对于许多只是针对某一层的运行情况进行研究的人员来 说，了解这么多知识是十分繁重的工作，往往也是不必要的。而且更重要的是 对于分布式多移动节点网络的仿真模型对于节点移动性的考虑不是十分的理 想。对于象手机这样的设备作为移动节点组成的网络中，移动节点速度的变化 可能是比较剧烈的，较快的速度不但会带来节点位置的改变，由于小尺度衰落 的存在还直接影响了通信的信道变化。考虑这一点对于研究m a n e t 接入当前 移动通信系统非常重要。 基于上述原因，本论文提出了一套在m a c 层符合i e e e 8 0 2 1 1 协议规范的 m a n e t 的仿真模型一移动a d h o c 网络层仿真模型m a n s ( s i m u l a t i o n m o d e lf o r m o b i l ea d h o cn e t w o r k s ) 。m a n s 的设计思想是：一方面通过解析节点运动、 信道衰落、分组发送等模型，使仿真环境更加逼近真实的m a n e t 动态、时变 环境；另一方面通过结构化流程设计使网络层各仿真模块间的相互关系更趋合 理、直接和灵活，以利于系统扩展。 第二章移动a d h o c 网络 - 2 1a h h o c 网络结构 a dh o c 网络是一种有特殊用途的对等式网络，网络中的节点互相作为其邻 近节点( 在其直接通信范围内的节点) 的路由转发器，通过节点转发实现节点间 的通信。移动a d h o c 网络m a n e t 是由多个移动节点( 如智能终端) 通过无 线链路相连接，具有时变拓扑结构的一个多跳、临时性自治系统。简言之，就 是由多移动节点组成的a d h o c 网络。 i e e e8 0 2 11 标准定义了介质访问控制( m a c ) 协议和物理层的实现。在 m a c 层，i e e e8 0 2 1 1 支持两种网络：i n f r a s t r u c t u r e 和a d h o e 。它又被称为多 跳网络( m u l t i h o pn e t w o r k ) 、无固定网络设施的网络( i n f r a s t r u c t u r e l e s sn e t w o r k ) 或 自组织网络( s e l f - o r g a n i z e dn e t w o r k ) 。a d h o c 原来主要用于军方的一种通信接入 手段。它的主要用途是，使各分离的野外作战单元之间实现临时的不间断的通 信，通信接入路径是根据当时各单元的分布情况和地理环境因素决定的。在 a d h o c 中，两个相对独立的移动通信单元之间，可以经过多个中间移动单元作 为中转，这种接入结构就属于多跳方式。 a d h o c 网络一般有两种结构：平面结构( 见图2 - 1 ) 和分级结构( 见图2 2 和图 2 3 1 。平面结构中，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。而分 级结构中，网络被划分为簇( c l u s t e r ) ，每个簇由一个簇头( c l u s t e r h e a d e r ) 和多个 簇成员f c l u s t e rm e m b e r ) 组成，这些簇头形成了高一级的网络，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。分级结构中，簇头 节点负责簇间数据的转发。例如图2 2 ，当簇1 中的节点a 要与簇2 中的节点b 通信时，节点a 先把数据发送给簇l 的簇头：簇l 的簇头分析发现b 在簇2 图2 - 1 平面结构 一5 一 中，把数据转发给簇2 的簇头( 可能要经过其它簇头的转发) ；簇2 的簇头收到 数据后，发现b 是自己簇的成员，把数据发送给b 。 图2 2 单频分级结构 ，_ _ 、 、，l 簇一簇头一簇成员一网关 f i g u r e 2 - 2 s i n g l e - f r e q u e n c yh i e r a c h i c a ls t r u c t u r e ，、 、，1 _ c i u s t e r 一一c l u s t e rh e a d 一c 】u s t e rm e m b e r 一g a t e w a y 图2 - 3 多频分级结构 ：r 簇一簇头一簇成员 f i g u r e2 - 3m u l t i f r e q u e n c yh i e r a c h i c a ls t r u c t u r e 7 一、r c i u s t e r 一c l u s t e rh e a d0 - - c l u s t e rm e m b e r 、- ， 由于分级结构的a d h o c 网络结构会明显带来系统复杂度方面的开销和 链路变化的进一步恶化，因此本文从使用价值角度出发，以平面结构的a d h o c 网络结构作为研究对象，以便移动通信系统的接入端显得不会过于复 杂。 2 2a h h o c 网络特性 a d h o c 网络的特点主要可分为以下两个方面： 2 2 1 独立运行 在战时指挥、临时会议及其它临时性场合，a d h o c 网络可以随时、自动 地建立起个独立的无线局域网，既不需要任何固定设备，也不需要事先设 置。由于每个移动节点都具备主机和路由的两种功能，所以即使网络拓扑随时 变化，每个节点都可以直接或通过若干个其他节点中继到达任何一个目标节 点。图4 所示为一个由7 个移动节点组成的a d h o c 网络，从拓扑结构可以看 出，节点0 可以通过节点2 和节点3 与节点6 进行通讯，形成“多跳”，节点 2 和节点3 在这里起到了固定网中路由器或交换机的作用。网络的路由不仅仅 出地理位置所决定，还和每个节点的接收灵敏度、发送功率以及资源状况有 关。 2 2 2 固有主干网络的无线延伸 在有固定基站的场所，由于基站的覆盖范围较小，或者存在盲区，可能致 使移动设备无法接入，造成通信障碍，a d h o c 网络可以弥补这样的不足。基站 覆盖范围外( 或者处于盲区) 的移动节点可以通过那些能与基站通信的节点 “多跳”到达。如图2 4 a 所示。 ( a ) ( b ) 图2 - 4 主干网络 a 主干网络的无线延伸b 主干网络的无线延伸( 基站断开) f i g u r e2 - 4b a c k b o n en e t w o r k a w i r e l e s se x t e n s i o no f b a c k b o n en e t w o r kb w i r e l e s se x t e n s i o no f b a c k b o n e n e t w o r k ( o n eb a s es t a t i o nb e i n ga p a n ) 图中的小区有三个固定基站与外界网络相连，但是很多移动节点并不在基 站覆盖范围之内，如2 ，3 ，7 ，9 ，】0 。但是它们可以通过“多跳”实现与外界 的通信，如2 通过1 ( 两跳) 到达基站b ，而3 又通过2 和l ( 三跳) 到达。这 样在没有增设固定设施的情况下，扩大了无线覆盖范围。另外，当部分固定设 施无法运行的时候，a d h o c 还能保证供通讯的连续性，如图2 4 b 所示，基站 c 停机后，其他节点理论上还能通过多跳继续与外界通信。 本文所要研究的就是如何可靠地将a d h o c 接入到当前的移动通信网络的 主干中去的问题。a d h o c 网络接入移动通信网络的情况如下图2 - 5 所示。 图2 5m a n e t 接入移动通信系统 f i g u r e2 - 5m a n e tb e i n gap a r to f c u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 图中m n 表示移动节点( m o b i l en o d e ) ，b s 表示基站( b a s es t a t i o n ) 。如果该a d h o c 网络能够正常运作的话，m n l 、m n 3 、m n 6 即使处于盲区仍然可以正常通 信，而且m 1 一m 2 、m 2 一m 3 、m 3 m 4 、m 5 m 6 之间可以直接进行通信，m n l - m n 3 、m n l m n 4 之间也可以通过中间移动节点建立通信链路，不需要通过基 站中继( 当然这种情况视通信情况而定，基站信道占用率比较低、或通过移动节 点建立的链路可用性太差的情况下，仍可通过基站中继) 。 3 1m a n s 的系统结构 第三章数学模型 m a n s 由高层、网络层、底层等模块构成，其结构框图如图3 1 所示。 m a n s 在物理层实现对拓扑结构的模拟，在m a c 层实现i e e e 8 0 2 1 1 访问控制 协议，并通过访问控制中间件从底层模块提取节点、信道和路由的初始状态信 息。 网络层模块是m a i n s 的设计重点。整个网络层模块有三个核心组件：分组 产生组件、信道衰落组件和节点运动组件。其中，分组产生组件按应用服务的 种类不同产生不同的多媒体数据分组和普通报文分组：信道衰落组件用来仿真 信道受环境和节点运动的影响情况，亦信道的时变特性；节点运动组件则仿真 实际环境中的移动节点的运动特性。m a n s 通过路由调整和资源管理机制对整 个系统的路由进行调配。访问控制中间件负责从m a c 层提取各项参数，为信 息源、路由表提供初始数据及更新数据，同时协调与节点位置对照表的对应关 系，为节点位置对照表提供初始位置信息、及通过节点位置对照表实时更新原 始拓扑结构，将来若要建立可视化的界面，从物理层提取的拓扑图形可以实时 地更新。信道环境生成库用以提供外界环境影响的仿真数据，该生成库的建立 原理将在本章介绍。路由表部分其实是由两部分组成，一部分是移动节点上存 在的路由信息，一部分是发送数据报头内包括的路由信息，具体格式将在下一 章作详细的介绍。节点运动情况、信道变化状况以及路由监控的结果，经过数 据统计表汇总后由上层模块进行参数提取，以或得相应的数据。路由监控则负 责整个路由状况的监测与反馈控制，以便使得所用路由策略具有一定的自适应 的特点。 m a n s 的高层模块主要用于和用户进行交互，解释输入信息，输出网络状 念。参数提取、参数设定为网络层提供和上层通信的接口，传输服务器则负责 各种上层输入与系统实际操作的相互对应、协调。网络结构分析与统计参量解 释为不同的用户的网络和参数输入方式提供统一的解释平台。应用程序接h 、 图形描述和语言描述为用户提供仿真模型软件的操作接口，根据需要提供图形 和文字的描述方式。 图3 - 1m a n s 仿真系统的结构框架 f i g u r e 3 1s t r u c t u r eo f s i m u l a t i o ns y s t e mf o rm a n s 1 0 - - 3 2 各核心组件的数学模型 按上节所述节点运动、信道衰落、分组产生组件构成m a n s 的核心内容。 合理的数学模型和解析有利于m a n s 的具体实现，本文在建立和心组件的数学 模型时，充分依循如下两个基本原则：( 1 ) m a n s 必须仿真完全意义上的移动 a d h o c 网络，亦网络中每个节点都能移动，运动的速度和方向随时可变；( 2 ) 使m a n s 的物理层和m a c 层协议满足i e e e 8 0 2 1 1 协议规范要求。 在进行数学描述之前，需要预先确立几个概念。 时隙本论文所叙述的时隙直接对应于无线传输时每一段最基本时间片，根 据传输系统的基本传输单元而定。比如若系统确定每一个基本时隙8 比特。 带宽根据时隙的定义，当前信息流所需带宽可量化为时隙数，即本论文在 论及带宽。 32 1 节点运动模型 现实生活中尽管人或机动工具的运动轨迹是随机变化的，但这种变化不是 无规则的变化。一般地，运动轨迹在某个随机的时间段内总是近似地符合匀速 直线运动规律6 1 。为了建立与实际环境的统计特征相似的仿真模型，需要对日 常生活中人们和车辆的运动轨迹作统计分析，下面就从单一节点a 在某一时间 段内( 0 ，t ) 的运动轨迹来分析，设起始点为n ，终止点为n 。 n n 0 a 际运动轨迹 b 离散化的结果 图3 2 节点从位置n 移动到n 的运动轨迹分解 f i g u r e3 - 2a n a l y t i ct r a c ko f n o d em o v i n gf r o mp o s i t i o nnt on 图3 - 2 描述了对移动节点实际轨迹的分解过程，图b 所示为图a 的运动轨 迹按有向线段分解后所得到的结果，从中可以看出，每条有向线段e 并非完全 按实际运行轨迹进行划分，而是按节点作近似匀速直线运动的轨迹来划分成多 个有向线段，每一有向线段内运动方向和速度都近似不变。有向线段的特性可 由下述几点来描述： a ) 线段的长度服从均值为1 九。的指数分布；分布函数如( 3 1 ) 式： 一生 f ( e ) = 1 一e ( e 0 )( 3 - 1 ) b ) 线段的方向在( o ，2 ) 内按均匀分布变化，线段内节点运动方向保持 不变；分布函数如( 3 2 1 式 1 f ( 只) = 只( 0 p 2 f )( 3 2 ) 7 5 c ) 节点运动速度的变化符合均值为pn 、方差为on 2 的正态分布，线段内 速度为常量；分布函数如( 3 3 ) 式 1一! 丛二些 f ( v ) = 1 = 每p 2 一 ( 叼0 )( 3 3 ) 2 刀玎： d ) 线段间各相应参量互不相关，线段内各参量之间也互不相关。 需要指出的是，本文讨论的节点速度和方向是相对于特定相邻节点而言 的，如图3 3 所示节点a 在时间段( 0 ，t ) 内从位置m 移动到n ，形成的线段 l ( t ) 的方向角0 和相邻节点b 有关。因此，线段l ( t ) 的方向角0 也可以认为是运 行轨迹相对于信道的夹角。此外，节点a 的速度也是相对于节点b 的相对速 度。 一，b ，- ， a 图3 - 3 节点运动轨迹中的参量 f i g u r e3 - 3 p a r a m e t e r so f m o v e m e n tt r a c ko f n o d e 设节点a 在( 0 ，t ) 时间内经历了k 段线段己，o i o 时，吒( 胪p ( l f ) - 尸 厢n = 珐e 一可x 2 + y 2 蛐 ( 3 - 1 4 ) 其中d 为半径为l “的圆面积，n c g n 以用极坐标来计算式( 3 1 4 ) 的二重积 分，可以得到 剐) 2 壶胎f 两胁 = 专k 面咖 ( 3 _ ，s ) f ： 1 一e 2 口： 于是得到幅度三：l l a ( 圳：= 霹百再了：丽的密度函数： ， 0 ，0 r 3 1 6 ) 可见l 的分布密度函数是服从瑞幂1 ( r a l e i 【g h ) 分布的密度函数。 至此，移动节点的移动数学模型的极坐标表达式就可以表示出来了。设总方 向角e 为t 时刻运动方向与a 节点信道的夹角：对应参数为 。u 。o 。，可 以得到e 。和( t ) l 的概率分布函数： f ( ) = 尸( 目。s 妒) = = = 一声0 妒2 石 二，r f c i l , p g 。粗略的讲，一个分组在传送过程中的成功是依赖于信道当时 停留在g ，即“好”的状态上。假定信道停留在g 或b 状态的时间是按不同的 平均值成指数分布的，为简化模型起见，对每一信道初始概率分别以指数分布 产生，之后每信道状态不再作变化。注意，这样做是因为实际环境在大部分 情况下变化总是缓慢的，而且仿真的目的不是要提供一个精确的信道的模拟， 而是提供对传送过程中的突发丢失现象的模拟。一个近似的无线信道模型就足 以来说明他们的影响。 在i e e e 8 0 2 1 1 中，用时隙( s l o t ) 的概念来解释协议的工作原理，我们的仿真 模型( e m u l a t i o nm o d e l ) 也是基于时隙的概念建立起来的，不同的通信链路( 1 i n k ) 占用不同的时隙块( s l o tf i e l d ) ，每条通信链路占用若干个时隙数。在本章开始对 时隙的概念作了界定。 如上所述，两状态突发错误模型( t w o s t a t e b u r s t ye r r o r m o d e l ) 可以用来仿真 无线通信中差错链路的情况。两状态就是差错链路的变化存在两种基本的状 态：“好”或者“坏”状态。“好”状态下，通信信道仍然可以很好地按照原 来通信状态进行通信，“坏”状态则可能出现通信信道突发性堵塞而使某些通 信链路中断。对于本论文所谈及的仿真系统m a n s 也采用类似的信道模型，图 3 1 的系统结构框架描述了该模型与其他模块的关系。信道突发性变坏的情况对 应于可用时隙数的突发性减少。各移动节点之间( 也就是每一跳h o p ) 的通信信道 的变化符合上述两状态变化模型，并且每一跳之间的变化相对独立。 时隙分配情况和两状态的相互转化关系见图3 。1 0 图3 1 0 时隙占用情况和信道两状态的转化关系 f i g u r e3 - 1 0 s k e t c hm a po f t i m es l o t so c c u p a t i o na n d t r a n s f o r m i n gr e l a t i o nb e t w e e nt w os t a t e s 其中b a 是其他通信流( s t r e a m ) 用的时隙数； b b 是当前流需分配的时隙数； b c 是为当前流分配时隙前信道空闲时隙总数； p 。d 是信道处于“好”状态时的概率； p b 。d 是信道处于“坏”状态时的概率； p 。b 是信道由“好”状态变“坏”的概率； p b 。是信道由“坏”状态变“好”的概率。 在这罩需要将速度因素引入信道状态的转化中来，引入速度的原因是考虑到 速度对信道状态转化的影响。快速运动节点之间的信道会更容易转入“坏”状 态，或保持“坏”状态。 设 v 帆n 普通节点： 簇间路由方式为：普通节点 簇头 网关一 簇头 普通节点。 1 3 无线路由协议【l 无线路由协议w r p ( t h ew i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 网络内的每个节点都维持 四个表：距离表、路由表、链路费用表和信息重传列表，通过其邻节点的最短路径 生成树s s t ( s h o r t e s tp a t hs p a n n i n gt r e e ) ，生成自己的s s t ，之后再向邻节点传 递更新信息。本质上，w r p 是一个距离向量路由协议，每个节点向其邻节点传 送的是距离和第二跳到最后一跳的路由信息，但是通过对其接收的信息的检 测，消除了“计数到无穷”的路由环问题。 4 1 1 2 源触发按需驱动式路由选择协议 按需驱动式路由协议指的是当源节点有寻路需求时才进行路由计算的路由 协议方式。当一个源节点需要一条到某一目的节点的路由时，触发一个路由寻 找进程；路径寻找完成或路由变更完成后，这一进程就终止。路由一直维持到 目的节点无法访问或不再要求继续保留该路由时为止。 2 1 动态源路由协议1 1 8 1 d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 使用了源路由，每一个分组的分组头中包含 整条路由的信息。中间节点不需要维持当前的路由信息，分组自己带有完整的 路由信息。加之按需路由的特性，就避免了周期性的路由广播和邻节点的检 测。d s r 协议包括两个过程：路由寻找和路由保持。在路由寻找阶段使用泛洪 式路n ( f l o o d i n gr o u t i n g ) 。为了减少路由发现过程的开销，每一个节点都包括一 个缓存器，存放已经记录下来的和用过的路由信息。路由维持过程是源节点用来 检测网络拓扑是否发生变化的机制。当拓扑发生变化，例如其中一个中间节点 超出该m a n e t 体系，源路由发生中断，源节点会收到一个r o u t ee r r o r 信息， 源节点就试着用缓存中的路由信息，如果不通就重新启动路由发现过程。本章 后面还将对动态源路由协议作迸一步的分析，针对某些问题做出修改，从而得 到新的改进的动态源路由协议。 22 专用按需距离向量路由协议 a o d v ( a d h o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 是建立在d s d v 算法之 上的，但是它并不维持一个路由表，而是在需要的时候才启动路由选择过程，因此 大大地降低了路由维持的开销。事实上它是d s r 和d s d v 的组合，它借用了d sr 的路由发现和路由维持机制，利用了d s d v 的按跳( h o p b y h o p ) 路由、顺序编 号和周期更新( 只在路由维持阶段) 的机制。 2 3 临时排序路由选择算法 t o r a ( t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m ) l l 叫是一种基于反向链路概念 的高自适应无环路分布式路由算法，主要应用于高度动态的移动网络环境。它 的机理可以用水从高山上流下的过程来比喻，水道代表节点之间的链路，水道 的转接处代表节点，水流代表分组，每一个节点有个相对于目的节点的高 度，用做计算路由的度量。如果节点m 到节点n 的链路中断，就给m 一个比其 邻节点都高的高度值，这样水流( 分组) 就从m 回流( 这一过程称为反转) ，通过其 它节点流向目的节点。 2 4 基于关联的路由协议 a b r ( a s s o c i a t i v i t yb a s e dr o u t i n g ) 【l7 】使用一个新的路由选择度量：关联稳定 度，即为节点及其链路在时间和空间上的稳定程度。每个节点周期地广播一个 标志，表明其存在，邻节点收到该标志，根据路由稳定的时间和路由信号的强 度作为路由选择的测度，每收到一次，相应的节点稳定度就增加一点。稳定度 值高代表该路由移动较少，稳定度低代表其移动性大。当节点移动引起链路中 断时，关联稳定度就会重置。 4 1 2 改进的动态源路由 对于如何在移动a d h o