（信号与信息处理专业论文）ad+hoc与蜂窝网融合关键技术的研究.pdf

南京邮电人学坝i ：究生学位沦文摘要 摘要 a dh o c 网络自其诞生以来，就以其无需剧定基础设施支持即可实现便捷有 效通信的优异特性，迅速成为业界的一个研究热点。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。目| j 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。然而，由于a d h o c 本身固有的动态拓扑和介质开放特性， 其安全形势也较一般网络要严峻的多。a dh o c 的安全方案已成为保障融合网络 有效工作的不可或缺的考虑。本论文旨在针对a dh o c 和蜂窝融合网络提出一种 可行的安全解决方案。 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。本文首先从介绍a dh o c 网络和传统蜂窝网络的基本原理入手，接着较为 详细的介绍了国际上的相关研究，主要包括了六科，混合体系结构( c a m a ( c e l l u l a r a i d e d m o b i l e a d h o cn e t w o r k ) ，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 d m o d e r n a dh o cr e l a y i n gt e c h n o l o g i e s l ，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 ) ，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 ) ) 。 随后本文基于c a m a 系统提出了a d h o c 与蜂窝网融合的模型，并就选路、安全 等细节问题进行了讨论，并在n s 2 环境下对原a o d v + 程序进行了优化并给出 了优化前后a o d v + 的性能比较。在进一步讨论的融合网络安全之后对全文进行 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：安全；管理节点参与的路由选择 南京| j l ；电人学硕【| 升究生学位论业 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y sa dh o cn e t w o r kh a sb e e n a r e a s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c h ， a p p l i e dw i d e l yi nm i l i t a r ya n dd o m e s t i c a dh o ct e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s a n di s a p p l i e di n t h en e x tg 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 k b e c a m eah o tr e s e a r c hs p o tf o rf l e x i b i l i t y , b u tt h e r ea r es om a n yp r o b l e m si n a p p l y i n gt h a tn e t w o r kw i d e l y t h es 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 h o t h e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k h o w e v e r ，h i 曲l yd y n a n f i ct o p o l o g ya n do p e n i n g sm a k et h en e t w o r km u c hm o r e v u l n e r a b l et h a nt h en o r m a lo n e s n o ws e c u r i t yo fa dh o cn e t w o r kh a sb e c o m ea b o t t l e n e c ko fi t sa p p l i c a t i o n t h et a r g e to ft h i st h e s i si st oi m p l e m e n taf e a s i b l e s e c u r i t ys y s t e mf o ri n t e g r a t i o nn e t w o r k f i r s to fa l lw ei n t r o d u c et 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 ，t h e nd e s c r i b et 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 da r c h i t e c t u r e s m a i n l y ( c a m a ( c e l l u l a ra i d e dm o b i l ea d h o cn e t w o r k ) ，i c a r ( i m e g r a t i o no f c 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 ) ，u c a n ( au n i f i e dc e l l u l a r a n da dh o cn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) ，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 rs y s t e m s ) ，m a c a ( m o b i l e a s s i s t e d c o n n e c t i o n - a d m i s s i o n ) ) w ef o l l o w i n gp r o p o s ea ni n t e g r a t i o nn e t w o r kb a s e do n c a m as y s t e m ，a n dd i s c u s ss o m ed e t a i l so ft h ei n t e g r a t i o nn e t w o r k ，i n t r o d u c et h e n e t w o r ks i m u l a t i o nt o o ln s 一2 ，a n dp r o p o s eh o wt om o d i f yt h eo r i g i n a la o d v + i n o r d e rt oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c ea n da n a l y z et l l ep e r f o r m a n c e so fb o t hp r o g r a m s a f t e ra n a l y z i n gt h es e c u r i t yp r o b l e ma n df e a s i b l es o l u t i o n s ，w ep r e s e n t t h e c o n c l u s i o no ft h ee n t i r ep a p e ra n df u t u r ej o b k e yw o r d s ：a dh o c ；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 ；s e c u r i t y ；r o u t ec h o o s i n g a s s i s t e db ya d m i n i s t r a t i v en o d e t i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业： 工学信号与信息处理 研究方向： 现代通信中的信号与信息处理 作 者：三旦堕级研究生冯恚指导教师昱苤 题目：a dh o c 与蜂窝网融合关键技术的研究 英文题目： r e s e a r c ho i lk e yt e c h n o l o g yo fa dh o ca n dc e l l u l a r i n t e g r a t i o ns y s t e m 主题词：a dh o c 蜂窝网混合网络安全 管理节点参与的路由选择 k e y w o r d s ： a dh o cc e l l u l a rn e t w o r k h y b r i dn e t w o r ks e c u r i t y r o u t ec h o o s i n ga s s i s t e db ya d m i n i s t r a t i v en o d e 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：銎 日期：蔓亟坠呈 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 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。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：与枣导师签名： 1 _ _ 南京邮电大学删 _ _ l 研究生学位论文 第一章绪论 1 1a dh o e 网络简介 第一章绪论弟一早殖影曾 移动a dh o c 网络( m a n e t ) 是指一组带有无线收发装置的移动节点组成 的多跳臼组织系统【i ) 。整个网络没有固定的基础设施，也没有特定的路由器。 网络内的所有节点地位平等，它们既是终端又是路由器。网络的拓扑结构是动 态变化的，其内部节点可以以任何方式动态地保持与其他节点的联系。这种无 中心又不依赖固有的基础设施的结构使得它的组网十分方便快捷。因此特别适 用于某些特殊紧急场合，如：战时出现重要线路故障需要临时进行无线联络， 灾难现场营救及医院急诊等。无线移动a dh o c 网络的典型结构如图1 1 所示。 磅暮黛 禽。 。一 盛 童r 嗽欺蕃便捣乱 车载台 ( a ) 物理网络结构轴) 逻辑网络结构 图1 1 无线移动a d h o c 网络 1 1 1a dh o c 网络起源和定义 a d h o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e t r a d i o n e t w o r k ) 。早在1 9 7 2 年， 美国国防部高级研究规划署( d a r p a ) 为了满足战场生存的军事需求【2 】启动了 分组无线网络( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) 的研究，即让报文交换技术在不受固定或 有线的基础设施限制的环境下运行。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 南京邮电大学坝卜驯究生学位论文第一章绪论 动了全球移动信息系统g l o m o ( g l o b a lm o b i l ei 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1 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口l ，a dh o e 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 d h o c 网络) 。 a dh o e 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。由于该网络的 动态拓扑特性，网络本身可以独立工作，也可以与i n t e r n e t 或蜂窝无线网络连 接。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。 目前，a dh o c 网络的自组织特性对于战场通信指挥与控制、警察与医疗部门的 抢险救灾、传感器网络、课堂教育等众多领域的应用，都具有很重要的战略意 义。因此，该网络已逐渐成为现代通信领域的一个异常活跃的研究热点。但由 于其与传统网络的本质性不同，包括迅速变化的网络拓扑和节点信息等等，使 得设计者必须从全新角度来进行网络路由和实施安全保障。 正如前文中所提到的，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 m e t 或蜂窝无线 网络连接。在后一种情况中，a dh o c 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 r n e t 互操作的路由开销。a dh o c 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 c 网 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 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类型的移动计 算机通信网络。 1 1 2a dh o c 网络的特点 作为一种无线移动网络，a dh o c 网络和传统的移动网络有着许多不同，其 中一个主要的区别就是a dh o c 网络中没有基站，也没有移动交换中心。如果两 个移动节点位于无线沟通范围内，那么它们就可以通过无线信道直接建立连接， 否则需利用节点间的邻近节点转发报文来实现通信。由此来看，a dh o c 网络与 移动i p 网络也是不同的。移动i p 网络中的移动节点最终还是要依赖于固定网 络，其中的“本地代理”和“访问代理”都是在原有的网关上加上了一些移动软件 模块【4 】。而a dh o c 网络中的节点不依赖于任何固定的网络结构，而是依靠节点 间的相互连通性来维持整个网络的互联。a dh o c 网络中的所有节点都同时具备 主机和路由器两种功能，节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实 现了网络的自动组织和运行。与有中心网络相比，a dh o c 网络灵活、健壮、投 资少，特别适合于作战指挥、抢险救灾以及应付突发事件和执行临时任务的场 合。 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 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难以预测。 2 ，无中心和自组织性。a dh o c 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独 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 南京邮电大学i i 甄十研究生学位论文 免一露绪论 绍同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作足一种特殊类型的移动计 算机通信网络。 1 1 2a dh o c 网络的特点 作为一种无线移动网络，a dh o c 刚络和传统的移动网络有着许多不同，其 中一个主要的区别就是a d h o e 州络中、搜有基站，也没有移动交换中心。如果两 个移动节点位于无线沟通范围内，那么它们就可以通过无线信道直接建立连接， 否则需利用节点间的邻近节点转发报文来实现通信。由此来看，a dh o c 网络与 移动i p 网络也是不同的。移动i p 网络中的移动节点晟终还是要依赖于同定网 络，其中的“本地代理”和“访问代理”都是在原有的网关e 加_ 了一些移动软件 模块1 4 j 。而a dh o c 网络中的节点不依赖于仟何固定的网络结构，而是依靠节点 问的相互连通性来维持整个网络的互联。a dh o c 网络中的所确节点都同时具备 主机和路由器两种功能，节点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实 现了网络的自动组织和运行。与有中心网络相比，a dh o e 网络灵活、健j i 士、投 资少，特别适合于作战指挥、抢险救灾以及应付突发事件和执行临时任务的场 合。 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、无线信道问的互相干扰、地形和天 气等综合因素的影响，移动终端闻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 无中心和自组织生。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独 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 点以及它们可咀提供的服务。由于网络动态变化，自动配簧过程需要 点以及它们可咀提供的服务。由于网络动态变化，自动配= 爵! 过程需要 南京l 衅电大学硕j 研究生学位论文 第一章绪论 确保网络能够正常工作，这涉及到连接i n t e r n 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、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 c 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 e 网络是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 c 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【5 o 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 e 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。 4 南京邮电大学碗l j _ ；l 】f 究生学位论文 笫、一章结论 1 1 3a dh o c 的路由协议【6 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。 3 实施多跳通信的中间转接次数也是有限的，一般不要超过3 次。 4 必须尽可能减少发射时间和发射的数据量，节约有限的工作能源。 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。 根据a dh o c 无线网络路由协议的特殊性，近年来提出了多种a d h o c 网络路 由协议。i e t f 的m a n e t 工作小组目前正专注于a d h o c 网络路由协议的研究， 提出了许多协议草案，如d s r ，a o d v ，z r p 等路由协议；另外，专业研究人 员也发表了大量关于a dh o c 网络路由协议的相关文章，提出了许多关于a d h o c 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协议、反应式路由协议和混合式路由协议3 种。 1 先验式路由协议 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 路由信息的路由表，并根据网络拓扑的变化随时更新路由表，所以路由表可以 准确地反映网络的拓扑结构；源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的 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协议( r i p ) 得到的目的节点序列距离矢量协 议( d s d v ) 。因此这种路由协议的时延较小，但是协议需要大量的路由控制报 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 5 南京邮也大学坝j j 州宄生学位论文 反应式路由协议又称随选路由或者按需路由，是一种当需要时才查找路由 的路由选择方式。节点不需要维护及时准确的路由信息，当需要发送数掘时才 发起路由查找过程。与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销小，但是 数据报传送的时延较大，不适合于实时性的应用。常用的反应式路由协议有 a o d v ，d s r ，t o r a 等。 3 混合式路由协议 a dh o c 无线网络中单纯采用先验式或反应式路由协议都不能完全解决路 由问题，因此，许多学者提出了结合先验式和反应式路由协议优点的混合式路 由协议，如z r p 协议。z r p 协议是一个先验式和反应式路由协议的组合，网络 内的所有节点都有一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。 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 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问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。根据交叠情况不同，若在每个小区相间 1 2 0 。设置三个邻区，则有效覆盖区为正三角形：若每个小区相间9 0 。设置四个 邻区，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 南京邮电火学f ! ! ；! i j 研究生学位论文 矩一章绪论 区域，可取的形状只有这三种。在辐劓半径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 = i 2 + 扩+ ，2 式中i ，j 为正整数。 3 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谓频率 ( 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，以便 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干扰，这种干扰称为同频道干扰。为了保证通信 质量，信号与干扰的功率比必须大于某一个门限值。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1 2 示出了频率再用的含义。由7 个小区( a 、b 、c 、d 、e 、f 、g ) 构 成1 个区群。小区8 与小区l 均使用a 频道( 或频道组) ，再用距离为 d ：同r ：扭r 南京邮j 靼大学硕士珂f 究生学位论文 第一章绪论 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越区切换。将服务区域划分成小区所带 来的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，这个过程就称为越区切 换。越区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，便可做出判决。当需要进行越区切换时，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。 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 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一审绪论 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。男外，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7 】 一、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 次孙时，呼叫保持时间为( 1 6 0 ) f 小时 每次) ，则话务量y = 1 8 0 0 次j 、时( 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。 二、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 解决拥塞率的计算问题。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 则用于线柬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 南京邮电大学硎i 研究生学位论文 第一章绪论 爱尔兰黼晰黜n 下：p 哆卷 智i ! 该式表示了在线束容量为r r l 、流八话务量为a 时，线束中任意x 条线路 同时占用的概率p ( x ) 。 肚烈嘲5 趋咆似) 智i ! 该式称为爱尔兰呼损公式，e ( 爿) 是简化表示方法，表示线束容量为m 、 p ( x ) = ( ，n ) 1 7 x ( 1 一a ) 一x 和呼叫呼损。当n = m 时，则有：e = p ( m ) = a ” 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及其安全的关键性技术。 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 o 南京邮电大学硕士研究生学位论义第章绪论 及确保网络内部安全性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( c a m a ( c e l l u l a r a i d e dm o b i l ea dh o cn e t w o r k ) ，i c a r ( i n t e g r a t i o no f c e l l u l a ra n dm o d e m a dh o c r e l a y i n gt e c h n o l o g i e s ) ，u c a n ( au n i f i e d c e l l u l a rm i da dh o cn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ) ，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 g f 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 d c o n n e c t i o n 。a d m i s s i o n ) ) ；第三章基于c a m a 系统提出了a dh o c 与蜂窝网融合 的模型，并就选路等细节进行了讨论；第四章在n s 下对原a o d v + * 呈序进行了 优化并给出了优化前后a o d v + 的性能比较；第五章讨论了融合网络安全问题， 并在此基础上提出了相应的安全方案；第六章对全文进行了总结并指出了未来 的工作重点。 南京邮电大学碘士研究生学位论文 第二章a dp l o c 与蜂窝网的融合方椠 第二章a dh o c 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 d h o c 网络与 其他现有网络融台，例如蜂窝网、i n t e r n e t ；作为现有移动通信网络在一些热点地 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 g 基站需3 0 0 0 美金每个无线接入点需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1 0 倍 1 支持的应用 体名p i m o d e 移动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 本文主要研究a dh o c k 络与蜂窝网的融合。国际上相关研究小组非常多，也 提出了很多系统模型，其中有c a m a ( c e l l u l a r a i d e d m o b i l e a d h o c n e t w o r k ) ， i c a r ( i n t e g r a t i o no f c e l l u l a ra n dm o d e r n a dh o cr e l a y i n gt e c h n o l o g i e s ) ，u c a n f a u 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 ) ， 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 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 t 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 ) 等等。本文将这些网络按照其原理 上的差别分为三类：蜂窝网辅助式系统，a dh o c 辅助式系统和融合式系统。下面 就按照这三种类型简要介绍这几种方案。 南京邮电大学坝= 卜研究生学位论文 第二章a d 】i o c1 j 蜂窝删的融台方案 2 1 蜂窝网辅助式系统的基本概念及工作原理 这种类型的网络主要以a dh o c 方式实现网络功能，蜂窝网只是对a dh o c 网 络进行管理和控制，并不参与a dh o c 网络自身的路由、数据转发等工作，从而 提高a dh o c 网络的性能。这种类型的网络以c a m a 为代表。 2 1 1c a m a ：c e l l u l a ra i d e dm o b i l ea dh o cn e t w o r k c a m a 峭j 体系结构是借用了蜂窝网的“带外信号”，用蜂窝网的中央管理机 制来提高a dh o c 的网络管理和控制，从而提高a d h o c 的性能。 典型的c a m a 体系结构如图2 i 所示，它将移动a dh o c 网络与蜂窝网相结 合。c a m a 的管理服务器称为c a m a 代理，它是在蜂窝网的基础上发展而来。 每个c a m a 代理管理几个小区并且知道哪个移动a dh o c 用户是c a m a 的注册 用户。为了得到用户的更多信息，代理应该和一个归属位置登记器h l r 相结合。 这些信息用来帮助代理完成认证，路由选择以及保证安全。移动终端通过蜂窝网 的无线信道与c a m a 代理交换信息。c a m a 可以提供位置信息服务，因此这种 结构使用了定位路由。 县：m m “ib i l ”e c、l羔_“篓l嫩攀：黑“：麓t“m”licl i u l a ic h aj i u “卜m m m m s 一【l - i ll ，io “l 月1 “ m m h h h 、n c l 魁 图2 1c a m a 的体系结构 集中式的c a m a 比较容易解决纯a d h o c 网络中的认证、鉴权和收费( a a a ) 南京姆电大学硕士研究生学位论文第二章a di 与蜂寓尉的融台方案 问题，而a a a 一直是a dh o c 网络商业化过程中的最大的难题。另外，低费用， 高速率的a dh o c 信道比较适合无线媒体服务。这些基于a dh o c 信道的服务可以 看作是常规蜂窝网服务的补充。 c a m a 不同于无线局域网。在无线局域网中，所有的数据和控制数据包必 须通过固定接入点。在c a m a 中，只有控制数据通过基站，其他数据通过a dh o c 数据包进行传送。c a m a 通过高效的带外信号和集中控制可以大大提高a dh o c 路由及安全性能。 c a m a 的特点主要为以下五点： 1 同步。同一网络中所有a dh o c 用户的时钟都与蜂窝网保持一致。 2 认证。在c a m a 中，移动终端不仅能够使用与蜂窝网相同的认证程序， 移动终端还可以被其他特殊的移动终端认证，这些特殊的移动终端可以 很容易的通过无线蜂窝信道连接外区移动终端。 3 节省能量。当任意移动终端间的距离知道时就可以估计其传输功率。另 外，在发现新路由时，中间节点不需要接收或转发路由信息包。 4 无线资源定位。c a m a 的中央代理能够引导移动终端在多个a dh o c 信 道中选择正确的a dh o c 信道。 5 。c a m a 是非常灵活的，因为它的传输距离较短，与一般蜂窝网的小区相 比c a m a 的小区较小。有可能一个蜂窝小区覆盖了整个a dh o c 网络， 这种情况下操作非常简单，因为移动终端都连接到一个基站。一个蜂窝 小区还可能覆盖了多个a dh o c 网络，对于大的a d h o c 网络也可能与多个 蜂窝小区重叠，c a m a 代理将从所有基站获得信息。 2 。2a dh o e 辅助式系统的基本概念及工作原理 这种类型的