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基于动态频谱分配的Ad+Hoc路由协议的分析.pdf

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南京邮lU人学硕f研究生学位论文 Abstractobviously,and have a good throughput at the same time.Key WordsDynamic Spectrum Allocation,Ad Hoc network,route selection,channel handoff南京邮电大学学位论文原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。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名二遁舡同期坚弘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、缩印或其它复制手段保存论文。本文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 塑1丑 导师签名研究生签名 均1趟 导师签名 日期趔i垒篁南京㈣U人学坝Hdf咒生学位论业 第一市鳍论1.1认知无线电技术简介第一章绪论由于无线通信业务需求的快速增长,可用频潜资源变得越来越稀缺,如何共同有效地利用那些空闲频谱成为众多学者研究的热点。FCCthe Federal CommunicationsCommission在2003年底发布了关于认知无线电技术及其应用的政策制订提案公告∽公告中指出目前分配的频段的利用率足从15%-85%;Y等.某蝗频带如移动手机网络的频带是超负荷的.但诸如业余无线电等一些信号传播特性比较好的低频段频谱的利用率却极低。并且频谱利用率在不同的空问和时间段也是不同的,如图I-I所示。Mdxmlt曲Arapllud“业j韭 Il{、rF枷∽峰l r,IIh}幽I.1 0-6GHz频谱利用辜测量【I即使靠爿有频谱使用批准的授权用户很少使用分配给它们的频段,法规也强制了那些潜在的、但不具备使用许可的用户准八。有限的可利用频谱及频普的低利用率等问题使得一种全新的、优越使用频谱的无线通信模式变得十分必要。因此,研究者一致认为基于认知无线电技术的动态频谱接八Dynamic SpectrumAccess是解决目前频谱低效利用的有效技术。认知无线电Cognitive Radio这个术语屉初是由Joseph Mitola博士在软件无线电概念的基础上提出的[Mpl。1999年Mitola在他的博士论文中描述了一个认知无线电系统.通过无线知识描述语言来加强个人无线服务的灵活性,对认知无线电进行扩展,并给出了令南京邮I【i人学顾。卜研究生学位论文 第一章绪论人感兴趣的跨学科的认知无线电的概念总结。其核心思想是CR具有学习能力,能与周围环境交互信息,以感知和利用在该空间的可用频谱,并限制和降低冲突的发生。这种学习能力也是使CR从概念走向实际应用的真正原因。认知无线电作为一种更智能的频谱共享技术,能够依靠人工智能的支持,感知无线通信环境,根据一定的学习和决策算法,实时自适应地改变系统工作参数,动态地检测和有效地利用空闲频谱,理论上允许在时间、频率以及空间上进行多维的频谱复用,这将大大降低频谱和带宽限制对无线技术发展的束缚‘5】【6】。因此,CR也称为频谱捷变无线电、机会频谱接入无线电等,这一技术也被预言为未来最热门的无线技术。1.1.1认知无线电的主要特征认知无线电的两大主要特征是认知能力Cognitive Capability和重配置能力Reconfigurability【2】【51。认知无线电的最终目的是通过认知和重配置获得最好的可用频谱。1、认知能力认知能力使认知无线电能够从其工作的无线环境中捕获或者感知信息,从而可以标识特定时间和空间的未使用频谱资源也称频谱空洞,并选择最适当的频谱和工作参数。这一任务通常采用图12所示的认知环进行表示,包括三个主要的步骤频谱感知,监测可用频段以及检测频谱空洞;频谱分析,估计频谱感知获取的频谱空洞的特性;频谱判决,根据频谱空洞的特性和用户需求选择合适的频段传输数据。图1-2认知周期图2南京邮IU人学顾.L研究生学位论文 第一素绪论2、重配置能力重配置能力使认知无线电设备可以根据无线环境动态编程,从而允许认知无线电设备采用不同的无线传输技术收发数据。重配置的核心思想是在不对频谱授权用户,也就是主用户Primary User产生有害干扰的前提下,利用授权系统的空闲频谱提供可靠的通信服务。一旦该频段被使用,认知无线电有两种应对方式一是切换到其它空闲频段通信;二是继续使用该频段,但改变发射频率或者调制方案避免对授权用户的有害干扰。可以重配置的参数包括工作频率、调制方式、发射功率和通信协议。1.1.2认知网络中的路由问题认知无线电技术在许多领域都可以得到利用,如无线区域网、超宽带系统、蓝牙和无线局域网等,尤其是在分布式Ad Hoc网络中将会得到广泛应用。对于认知无线电网络,因为其开放式频谱和动态频谱接入的特性【6】【71,传统的路由协议己无法满足此类网络对动态路由的需求,因此需要设计新的路由选择算法【8】【91。尤其对于分布式多跳网络,由于各节点之间地位平等,无中心协调节点可用,路由的选择只能依靠各节点之间的相互协调进行。动态频谱接入网络中主要面临的路由问题【2】有1公共控制信道在分布式多跳网络中,缺少一个众所共知的公共控制信道CCC是一个很突出的问题。传统的路由协议为了特定的功能,如邻居发现、路由发现和路由建立等,要么需要局部地广播消息,要么需要全局地广播消息。然而对于分布式多跳网络来说,由于CCC的缺乏,即使广播信息也是一个很大的难题。2间断的连通性一个节点可达的邻居节点可能会变化的非常快,主要有两个原因首先,可用的频谱可能会变化,当主用户出现的时候一些可用频谱又会变得不可用;其次,一旦一个节点选择了某一信道进行通信,通过其他信道就无法再连接到它。因此,基于信道的路由选择方法也要考虑到时效性问题。3重路由由于连通的间断性,一条路由建立后,该路由会随着可用频谱的变化以及频谱的迁移而发生改变。因此,考虑动态频谱的重路由算法变得十分必要。4队列管理一个终端可能会配置多个接口,分别连接到专门的信道上跟不同的节点进行通信。由于可用频谱随着时间而变化,这些接口可能会变得不可用,这时需要通过该接口进行传输的分组就要转移到其他接口上进行传输。另外,对服务质量要求的不同也需要对于不同的业务类型有相应的优先级。南京邮l【1人学顾ttOF究生学位论义 第一章绪论由于动态频谱在时间和空间上的不连续性,路由选择的同时考虑频谱分配变得十分必要。路由选择和频谱分配分别独立进行,以及交互完成是动态频谱接入网络常用的两种解决路由问题的方法。前者是频谱分配和路由选择分别由MAC层和路由层独立完成源节点通过调用路由发现策略选择路由,并收集路由上的节点信息,路由上的节点再通过MAC协调机制相互协商通信频段。但是这种方法无法进行端到端之间的优化,路由一旦选定,相邻节点之间无可用信道通信时就要一直等待,造成不必要的传输时延。频谱分配同路由选择的交互进行在进行路由选择的同时就为每一跳分配相应的频谱,如果链路上无频谱可以分配,放弃该条链路,再选择其他的可用链路;路由选择完成后,节点之间的通信就在前~阶段为每一跳分配好的频段上进行。许多研究成果【10】【11]【12】也都表明在每一跳上建立路由的同时考虑工作频段的选择,要比路由选择和频谱分配相互独立进行的性能好很多。1.2 Ad Hoe网络简介20世纪70年代,美国国防部高级研究计划局Defense Advanced Research ProjectAgency,DARPA启动了“战场环境中的无线分组数据网”项目,研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。1983年和1994年,DARPA又分别启动了抗干扰自适应网络Survivable Adaptive Network,SURAN项目和全球移动信息系统Global MobileInation Systems,GloMo项目,对能够满足军事应用需要的移动通信系统进行更深入的研究。后来,IEEE 802.11标准委员会采用了“Ad Hoc”一词来描述这种特殊的自组织无中心多跳无线网络结构,Ad Hoc网络由此诞生。Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络,它是由无线移动节点组成的、具有任意和临时性网络拓扑的动态自组织网络系统。其主要特剧13 J有独立组网,无需依赖于任何预先假设的网络设施,网络节点可以快速、自动地组成一个独立的网络;无中心自组织,所有的节点地位平等,任何节点的意外情况不会影响整个网络的存在与运行,各节点根据约定的准则调节自己的行为;多跳路由,当节点需要同覆盖范围之外的节点进行通信时,就需要借助其他节点的转接来完成;动态拓扑,这是由网络中的节点可以随时移动,以及可以随时加入或离开网络所决定的;安全性差,由于每个节点可以作为终端或转接节点,因此更加容易收到入侵或窃听等恶意破坏行为。在有线网络无法使用时,使用Ad Hoc技术快速组建起的自组织网络能提供通信和信息的接入,从而保证了该环境下的通信。Ad Hoc网络的主要应用场合有军事通信,这也是目前Ad Hoc技术应用的主要领域;紧急场合,遭受了自然灾害的场合,由于固定的通信设施可能无法正常工作,这种情况下4南京邮IU人学坝I研究生学位论义 第一章绪论可以依靠Ad Hoc网络的自组织特性快速组网;个人通信,如蓝牙的超网Scatternet技术;一些临时场合,以及偏远野外等,这些地方都可以发挥Ad Hoc网络快速、简单、独立组网的特性。目前Ad Hoc网络研究所面临的主要挑战包括MAC协议,路由协议,QoS,安全问题,功率控制以及网络互联等。为了在动态环境下实现可靠的通信,动态分布式路由协议成为Ad Hoc网络研究的一个关键问题。而MAC协议也是Ad Hoe网络协议的重要组成部分,因为分组在无线信道上的发送和接收主要由MAC层控制。一般来说,认知网络中用户之间的通信需采用全局公共控制信道来完成信令信息的传输,因此对于MAC协议的设计需要考虑控制信道的要求。有效地使用多信道,允许多个传输同时发生,不仅可以提高网络的吞吐量,还可以减少传输数据过程中为竞争信道而增加的等待时延,降低网络拥塞和冲突碰撞。由于Ad Hoc网络中现有的路由协议基本都是选择最短距离路由,比如DSR、AODV等,在单信道网络中可以有效的选择路由,但是由于没有考虑网络中可用信道的多样性,因此这类协议在多信道无线网络中的性能就无法得到保障【l训。在使用了多信道的无线多跳网络中,可以结合认知无线电中的学习和决策算法,让每个网络节点都具有学习能力,都可以根据网络的当前状况,动态地选择合适的信道和路由,进一步提高网络性能。在Ad Hoc网络中引入CR技术对路由协议也带来了一些影响,传统的路由指标如跳数、拥塞等作为路由选择的依据己不够充分,所以需要引入新的路由指标,如信道切换次数、信道切换频率等。另外,一般的多跳Ad Hoc网络在发送分组时需要预先确定通信路由,采用CR技术后,因来自周围无线系统的干扰波动较大,需要不断地更改路由,因此用于Ad Hoc网络中的路由技术要能够动态地改变路由。1.3论文的框架结构与内容概要本论文主要研究了Ad Hoc网络中如何将路由选择同频谱分配相结合,实现频谱的动态分配。主要内容安排如下第一章是绪论部分,简要介绍了认知无线电技术和Ad Hoc网络,分析了在Ad Hoc网络中实现动态路由所面临的挑战。第二章研究了目前Ad Hoc网络中常用的信道接入技术,分析了需要解决的问题,重点研究了IEEE 802.11的DCF和PSM机制。第三章研究了Ad Hoc网络的路由协议,重点研究了DSDV、DSR、AODV三种路由雨京m“fU人学坝I形}≯£生学位论义 笫~币绪论协议,并运用NS2仿真比较了三种协议在不同网络环境中的性能。第四章在前两章的基础上研究了两种支持多信道的Ad Hoe网络技术,一种是基于IEEE 802.11的信道接入机制,信道分配和路由选择分别由MAC层和路由层独立完成;另外一种是通过对Ad Hoc的路由协议进行改进,在路由选择的同时考虑信道的分配。第五章基于减少路由中的信道切换,提出了两种改进路由算法,OLCH.AODV和OLCHDSDV。前者通过扩展可以适用于按需路由协议,后者可以扩展应用于先应式路由协议。最后对两种路由算法的性能进行了仿真,并同其他的路由算法进行了比较。第六章对本文进行了总结,并提出了今后进一步研究的内容。6南京邮I【1人学硕.I研究生学位论义 第二章Ad Hoc网络竹道接入技术第二章Ad Hoe网络信道接入技术信道接入技术是Ad Hoc网络协议的基础,它控制着节点如何接入无线信道,对Ad Hoe网络的性能起着决定性的作用。普通网络的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道都是一跳共享信道,Ad Hoc网络的无线信道与它们不同,它是多跳共享的多点信道。由于一个节点发送分组时,只有在它覆盖范围内的节点才能收到,因此当节点要同其覆盖范围之外的节点进行通信时,必须要借助于其他节点的转接。这种信道共享导致了Ad Hoe网络存在隐藏终端、暴露终端和入侵终端等问题,而这些问题的解决都依赖于专门的MAC层接入技术。2.1隐藏终端和暴露终端问题Ad Hoe网络中的链路层可以划分为链路控制和信道接入两个子层,其中链路控制层完成连接控制、分簇等与信道无关的链路层控制功能;信道接入层控制节点接入无线信道,为上层提供快速、可靠的分组传送支持。Ad Hoc无线自组织网络中的信道接入协议面临的主要问题是信道共享、隐藏终端和暴露终端。由于无线自组织网络中没有公共控制节点如基站的协调控制,因此网络节点之间的通信需要各节点相互协调进行,通过相互交换信息来实现网络资源共享。Ad Hoc网络的另一个优势就是当一个节点发送分组时,只有在它覆盖范围内的节点称为邻居节点才能够收到,覆盖范围之外的节点却无法感知到该通信的存在。因此,由于发送节点覆盖范围外的节点不受该次通信的影响,它们可以同时发送分组,从而提高了频率的空间复用度。也就是在使用一个通信频率的情况下,Ad Hoc网络中可以有多对节点同时进行通信。我们称Ad Hoe网络的这种信道共享方式为多跳共享广播信道。由于这种特殊的信道共享方式,目前一些被广泛使用的信道接入协议都不适用于Ad Hoc网络,因此我们需要设计专门的信道接入协议。2.1.1隐藏终端问题隐藏终端是指在接收节点的通信范围之内而在发送节点的通信范围之外的节点‘1 31,因其无法感知到发送节点发送给接收节点的通信分组,而可能会在对方通信的同时向同一节点发送分组,从而造成了分组在接收节点出的冲突。隐藏终端有隐藏发送终端和隐藏接收7南京|}||jlb人学倾.I研究生学位论文 第、二素Ad Hoc网络信道接入技术终端两种。A B j j C D图2.I隐藏终端问题如图21所示,当节点A向节点B发送分组时,由于节点C处于A的覆盖范围以外,B的覆盖范围以内,因此它有可能在A和B进行通信的同时,发送分组给节点B或者D。这时节点C所发送的分组就会在节点B处产生冲突。此时,节点C成为了隐藏终端,而它作为发送者又称为隐藏发送终端。要消除隐藏发送端C,就要让节点C能够获知节点A与节点B之间通信的存在。由于C处在A的覆盖范围外,B的覆盖范围内,因此必须由B在接收分组之前通知C,在A向B发送分组的时间内,不能发送任何信息。RTS/CTS的双向握手机制解决了这一问题。即当节点A有数据要发送给节点B时,先发送一个RTS控制分组给B;B接收到该RTS后,如果可以接收数据就回复一个CTS控制分组给A;节点A接收到该CTS之后才开始向B发送分组若A没有收到该CTS分组,则认为在节点B处产生了冲突,那么就重发RTS分组。由于隐藏终端C能够收到节点B回复给A的CTS分组,获得了A要向B发送分组的信息,因此在A与B建立了通信连接后,就会延迟向B发送分组。从而解决了隐藏发送终端的问题。采取上述的双向握手机制可以解决隐藏发送终端的问题,但当节点C侦听到B发送的CTS分组而延迟发送时,如果此时节点D向C发送RTS分组请求发送数据,由于C此时不能发送任何信息,因此D无法收到C需要回复的CTS。此时D无法判断C是没有收到该RTS分组,还是因为发生了冲突,因此只能重新向C发送RTS分组,从而造成了不必要的重发。这时隐藏终端C作为接收者又被称为隐藏接收终端。当系统中只有~个信道时,由于A与B之间建立的通信连接已经占用了该信道,因此C不能发送任何数据,也就是无法通知D现在它是一个隐藏终端。所以隐藏接收终端的问题在单信道的网络中是无法解决的。
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