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异构网关的设计之调研报告
CENTRALSOUTHUNIVERSITY
本科生毕业论文(设计)调研报告
题目
基于Mesh技术的异构无线网络融合
设计及其半实物仿真实现
学生姓名
黄华
指导教师
彭军
学院
信息科学与工程学院
专业班级
电子信息工程0703班
完成时间
2011年3月
教务处制
摘要
无线通信技术飞速发展,各种采用不同组网技术的无线网络不断涌现,给人们的生活和工作方式带来了深刻的变化,提供了许多的变化。
但是由于各种无线技术如:
WLAN、WiMAX等,存在着不同特性,因此无法用一种技术来代替这些技术。
所以将这些不同技术的无线网络系统融合成一种新型的网络体系就成为当下无线通信研究的重点。
无线Mesh网络采用多跳连接的方式,具有自组织、自管理、自动修复等特点,成本低,最大直线通信半径能到达5公里以上。
如果不同的无线接入网络间采用Mesh结构连接起来,形成异构的无线Mesh网络,这样终端用户就能在适当的时候接入最好的或自己喜爱的网络。
本文是在对无线Mesh网络、WSN网络、异构无线网络融合的相关知识进行一定的了解后,建立无线Mesh网络和WSN网络基本架构,对WSN和WLAN进行的融合,并通过OPNET建立的半实物仿真对系统进行网络参数获取,然后分析网络性能。
关键词无线Mesh网络,异构无线网络融合,半实物仿真,OPNET
目录
前言1
第一章绪论2
1.1异构无线网络融合的研究背景2
1.2异构无线网络融合的研究现状2
1.3本章小结3
第二章异构无线网络融合相关技术研究4
2.1无线接入技术4
2.1.1WLAN4
2.1.2WSN4
2.2异构网融合方式5
2.3融合接入方案研究6
2.3.1通用接入方案6
2.3.2通用链路层接入方案6
2.4本章小结7
第三章基于无线Mesh网络的异构网络融合研究8
3.1无线Mesh网络的组成8
3.2无线Mesh网络的特点9
3.3基于无线Mesh的异构网络融合技术9
3.4本章小结10
第四章半实物仿真和OPNET11
4.1半实物仿真11
4.2OPNET网络仿真11
4.3OPNET半实物仿真研究12
4.4本章小结13
第五章调研总结与设计方案14
5.1调研总结14
5.2设计方案14
参考文献17
前言
随着无线通信的快速发展,出现了多种不同类型的无线接入技术,例如WLAN、WiMAX、3G,这些不同的无线网络给人们的生活带来了极大的方便,但是与此同时,由于无线通信的高速发展,是的无线网络变得越来越异构化,这样将导致同一热点区域将会存在两种或两种以上的网络覆盖。
基于以上情况,如何将多种无线网络融合在一起为用户提供方便快捷的网络接入成为现代无线通信的热点。
各种无线接入技术融合在一起组成一个通信平台,此平台能对现存的各种无线技术的优势进行整合,对无线资源进行统一的管理和分配,同时用户在此通信平台中能拥有很好的网络通信体验。
传统的无线网络(如WLAN,WPAN,WMAN等)采用无线单跳的接入方式,覆盖范围非常小,部署成本颇高。
为克服以上缺点,无线Mesh网络体系结构应运而生。
无线Mesh网络采用多跳连接的方式,具备高覆盖、低成本、高兼容性及移动性的特点,正得到越来越广泛的研究和应用。
无线Mesh网络技术是一种全新的无线网络技术。
其核心是让网络中每个节点都发送和接收信号。
无线Mesh网具有自组织、自管理、自动修复、自我平衡、多跳等特点。
并且无线Mesh网络具有良好的网络兼容性,如果不同的无线接入网络间采用Mesh的结构连接起来,形成异构的无线Mesh网络,对不同的网络进行有效的整合,这样用户可能配备若干个不同的网络接口,可以在适当的时候接入当前最适合的网络,达到方便快捷的网络接入的目的。
本文的主要工作是进行无线传感器网络和无线局域网络的融合,进行两个网络的数据转换,并且通过OPNET进行半实物仿真得到系统的吞吐量和延时等网络参数,然后分析网络的性能。
第一章绪论
1.1异构无线网络融合的研究背景
在科学技术和互联网业务飞速发展的今天,人们对于网络的依赖性越来越大,如今的通信网络所要支撑的业务已经由以前单一的语音业务转变为综合了语音、数据、图像的多媒体业务,并需要满足用户不断增长的个性化、多元化和移动化的要求
。
在这当中特别是无线接入技术,人们对于它的依赖与渴望要更加的大了。
为了满足不同业务的需求和网络的应用场景,现在已经出现了许多的无线接入技术,例如WLAN、3G、WiMAX。
多种技术的出现与具体实施必会导致在同一区域内存在着两种或两种以上的网络覆盖。
因此,如何将不同的网络进行融合,达到网络资源的统一管理和良好的用户体验,成为了当今无线通信的研究热点。
异构无线网络可以满足用户个性化的业务需求,用户可以根据当前网络的状态和自己的喜好,调整到自己满意的网络。
对各种无线网络进行异构融合除了给用户提供良好的便捷的网络接入外还可以对大部分的网络资源进行统一的管理和分配,这样可以降低投入成本;可以提高网络的可靠性和防攻击能力;可以对现有的无线网络进行扩展,增加无线网络的扩展性,增大覆盖范围。
1.2异构无线网络融合的研究现状
早期关于异构网络的研究主要集中与本地区域网络Wi-fi和蓝牙上。
后来才进行一些研究把WiMAX应用到Mesh网络中。
H.Wei,S.Ganguly等人为多跳路由和调度采用干扰自发现混合层次设计来增加WiMAXMesh网络的利用率。
Cygnus公司采用结合802.16e和MIMO的方法来提高WiMAX设备以适应Mesh的要求
。
之后慢慢的把Wi-fi也加入了进去,人们对Wi-fi和WiMAX利用Mesh技术进行融合的问题进行了大量的研究和讨论。
文献[1]提出了对Wi-fi和WiMAX进行异构的体系,协议等,并且文献中还对体系结构和协议的合理性及其优势进行了理论分析和试验证明。
国内也开始对无线Mesh技术在WSN和GPRS上的应用进行了相关的研究。
文献[2]采用ARM9+DSP双CPU的核心架构的异构无线Mesh网络硬件平台已经实现,该硬件平台已实现GPRS网络、WLAN、WSN的互连互通,GPRS网络和WLAN的融合。
目前异构网络融合技术的研究主要集中在三个方面:
1、研究多模终端的实现;2、研究异构无线网络的网络框架以及框架中各功能模块的划分;3、研究异构无线网络中各功能模块的实现算法
。
对于多模终端,目前市场上的产品相对而言比较少,但软件无线电技术可多模终端的设计提供了新思路。
对于异构网络的框架,已经有相当大的研究,目前主要是利用紧耦合或松耦合方式进行网络结构的设计。
这两种方式是ETSI(EuropeanTelecommumicationsStandardsInstitute,欧洲电信标准化协会)在BRAN(BroadbandRadioAccessNetworks,无线宽带接入网络)计划中提出的,一经提出就得到了大都数学者的认可。
目前异构无线网络功能模块主要解决的问题是:
认证和计费,资源管理和垂直切换。
现在主要的认证和计费体系结构是AAA(Authentication,Authorization,Accounting,认证,授权,计费)架构,此架构能很好的解决认证和计费问题。
无线资源管理是最近才提出来的,大部分的研究主要集中在理论研究上,目前较好的方案是欧盟项目AmbientNetworks提出的,此方案考虑到终端在不同无线网络中的传输效率以及其每个无线应用在不同系统中的不同表现,使终端在适当的时候连接到适当的无线网络,这样会产生多接入增益从而提高网络资源的利用率。
对于切换的研究已经非常深入了,IETF分别于2002年和2004年发布的移动IPv4协议瞵J和移动IPv6协议可以用来解决终端在不同IP子网间的移动性问题。
IEEE802.21工作组也为不同类型的基于802的网络间的话路切换方式制定了相应的技术标准,以“介质独立切换”为需求的有关草案以及标准已经完成。
[4]针对Mesh结构的网络特性,提出了基于隐马尔可夫模型的移动预测机制和高性能的层次化切换方案。
1.3本章小结
异构网络的融合是当下通信技术的研究重点之一,它的出现越来越受到人们关注,将来异构无线网络在人们的网络生活中会担任着越来越重的角色,它将成为最主要的网络技术之一。
本章主要介绍异构无线网络的背景以及其研究现状,在后面的章节将会介绍异构网络融合的相关技术。
第二章相关技术的研究
异构无线网络融合是将多种无线网络技术融合成一种新型的网络,实现各网络之间的无缝切换、网络资源管理和用户的自由选择,为用户提供方便快捷的无线网络连接。
2.1无线接入技术
2.1.1WLAN
WLAN(WirelessLAN,无线局域网)是使用无线连接的局域网。
它使用无线电波作为数据传送的媒介。
传送距离一般为几十米。
无线局域网的主干网路通常使用电缆(CABLE),无线局域网用户通过一个或更多WAP(WirelessAccessPoints,无线接取器)接入无线局域网。
无线局域网现在已经广泛的应用在商务区,大学,机场,及其他公共区域。
无线局域网最通用的标准是IEEE定义的802.11系列标准。
802.1l标准的目标是在LLC(LogicalLinkControls,对等逻辑链路控制)间定义MSDU(MACServiceDataUnits,MAC服务数据单元)的传递机制。
IEEE按国际标准化组织(ISO)的协议栈划分数据链路层,分为MAC子层和LLC子层。
MAC子层负责控制访问网络,而LLC子层提供了产生和翻译命令以及执行差错恢复的机制。
通过这些机制,LLC在网络层协议和姒C之间提供了一条链路。
数据链路层划分为MAC子层和LLC子层,对不同介质访问执行公共控制。
与数据链路层的子层划分类似,在必要时IEEE也对物理层划分子层。
这种子层划分可支持不同的无线介质,例如不同类型的RF信号和红外线传输。
物理层汇聚过程(PLCP)子层定义了MAC子层协议数据单元(MPU)映射成适合于物理介质相关(PMD)子层帧格式的方式。
PLCP还可完成MAC子层的载波检测,而PMD子层支持所适用的无线介质。
为此,PMD定义了通过介质发送和接收数据的方法,包括数据编码和调制。
2.1.2WSN
WSN(WirelessSensorNetwork,,无线传感器网络)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息,并发送给观察者。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
传感器网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面八个部分组成,如图2.1所示。
在物理层的各项标准确定之后,收发单位比特以及待机时所需的能耗基本确定,可以认为是三个相对确定的值。
对于数据链路层的介质访问控制法和网络层的路由算法,其执行效率的高低将直接影响到传感器节点收发控制性信息与非控制性的数据信息的比率,因而影响到传感器节点的能量损耗,并最终影响传感器网络的生存寿命。
因此,数据链路层MAC子层和网络层路由算法是当今传感器网络研究的两个研究热点问题。
图2.1无线传感器网络的协议栈
2.2异构网融合方式
异构网融合的方式主要有两种:
紧耦合和松耦合。
紧耦合是指参与构成异构无线网络的无线接入系统之间存在主从关系。
松耦合是指参与构成异构无线网络的无线接入系统之间是以相互独立的、平行的方式结合在一起,而不存在任何从属关系
。
图2.2中WLAN网络l与蜂窝网的耦合为紧耦合,WLAN网络中的接入点通过专用接入网关连接到蜂窝网的核心网,异构网络融合所需要用到的功能模块都由蜂窝网系统提供。
WLAN网络2与蜂窝网的耦合为松耦合由核心网(因特网)以及多模终端中设置若干个功能模块来实现终端的认证授权、无线资源管理以及终端移动性管理。
图2.2紧耦合和松耦合
2.3融合接入方案研究
2.3.1通用接入方案
异构网络的接入方案中,通用接入(CommonAccess)方案是日本的e.Japan计划的研究中提出来的。
在通用接入的方案中,通过在接入网中设置基本接入网络(BAN)单元来管理特定区域内的多种无线接入技术。
与此同时通过覆盖范围广、传输速率低的一种无线信道,BAN始终与位于这个特定区域内的终端中的基本接入部件(BAC)保持信令交互,从而完成终端用户在本区域内的通用接入。
这种方案的目的是通过增加独立的管理单元,完成对终端环境下的多种RAT管理从而减少终端扫描RAN和信令处理过程。
然而,这个应用于异构网络的接入方案并不能根本解决垂直切换过程中大量数据丢失的问题。
这是由于切换前后无线链路的拆链、重新建链的过程导致了旧的接入网络中链路缓冲区内数据的全部丢失。
2.3.2通用链路层接入方案
2003年J.Sachs提出了通用链路层GLL的概念。
此方案的提出得到的许多学者的支持与认可。
通用链路层的设计思想是:
由于不同无线接入技术在链路层上具有某些类似的功能,如果无线链路层被设计成兼容的通用模式,旧的无线链路层的配置信息及当前状态就能被移交给新的无线链路层,这样就可以实现在垂直切换过程中数据无缝地传输。
传统的无线链路层的主要任务是包头压缩、分段和传输纠错、调度和优先级处理。
通用链路层采用分子层的范式来完成不同的功能。
通常采用UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem,通用移动通讯系统)中无线接口标准中链路层功能分子层的方法。
在UMTS中,包头压缩时由分组数据汇聚协议(PDCP)子层完成的,分段和传输纠错是由无线链路控制(RLC)子层完成的,而调度和优先级处理则是由媒体控制(MAC)子层完成的
。
通用链路层的功能划分为通用部分和特殊部分,该层具有3个接口,分别为:
高层接口、物理层接口和控制与配置接口。
一方面,由于具体需求的不同,各种无线接入技术中的链路层存在着差异,但是它们之间还是存在着许多相同之处。
因此,通用链路层提供了一个包含配置各种功能所需参数的工具箱(Toolbox),使用者可以根据不同的具体需求独立地配置这些功能。
在通用链路层中定义这类链路层功能为通用功能。
另一方面,不同的需求必然使得不同无线接入技术的链路层功能具有独特之处,这些功能仅用在一些特殊的无线物理层技术上,所以将链路层功能的通用性扩展至这些特殊的功能是行不通的。
所以在通用链路层中定义这类功能为特殊功能。
2.4本章小结
由于本设计是关于WSN和WLAN,LAN和AdHoc的融合,所以首先介绍了WSN和WLAN,主要是熟悉他们之间的网络分层的区别,以便能进行他们之间的数据转换。
本章还介绍了异构网络融合的方式-紧耦合和松耦合,研究了他们的拓扑区别,同时还对异构网络融合的通用接入方案和通用链路接入方案进行了研究。
下章将研究基于Mesh技术的异构融合技术。
第三章无线Mesh异构网络融合
3.1无线Mesh网络的组成
无线Mesh网(WMN),作为”最后一公里”宽带无线接入非常重要的技术之一,是一种全新的无线网络技术。
其核心是让网络中每个节点都发送和接收信号。
WMN是网状组网,是多跳的系统,从源到目的地有多条冗余的通信路径。
无线Mesh网络可以和多种无线网络系统,如无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)以及无线城域网(WMAN)等相结合,改善无线网络的性能,提高网络的覆盖范围。
图3.1为Mesh网络的典型拓扑。
图3.1Mesh网络的典型拓扑
无线Mesh网主要由两种网络节点组成,Mesh路由器和Mesh终端。
Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关中继功能外,还具有支持Mesh网络互连的路由功能。
与传统的无线路由器相比,无线Mesh路由器可以通过无线多跳通信,以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围。
Mesh终端也具有一定的Mesh网络互连和分组转发功能,但是一般不具有网关桥接功能。
通常,Mesh终端通常只具有一个无线接口,实现复杂度远小于Mesh路由器。
Mesh终端可以是笔记本电脑、手机等终端设备。
3.2无线Mesh网络的特点
与传统的无线网络相比无线Mesh网络的具有以下的特点:
1)多跳无线网络,快速部署,易于安装,健壮性。
2)结构灵活。
在单跳网络中,设备必须共享AP。
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。
3)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Mesh网络的优势所在。
4)支持Adhoc网络结构,具有自形成、自愈和自组织能力。
无线Mesh网络灵活的网络结构、便利的网络配置、容错能力和网络连通性,大大提升了现有网络的性能。
5)功耗限制取决于节点类型相关。
无线Mesh网络中,Mesh路由器通常由外部供电,受功耗限制不严格,而Mesh终端如同蜂窝移动通信网络的手机一样,需要有效的节能机制。
6)与现有无线网络具有兼容性及互操作性,多种类型的网络接入。
基于现有网络技术或标准(例如802.11)的无线Mesh网络在支持原标准上与这些标准相兼容。
不过无线Mesh网络还需要与其他无线网络(例如WiMAX、Zigbee和蜂窝网络等)有互操作性。
3.3基于无线Mesh的异构网络融合技术
无线Mesh网络独特的特点是的无线Mesh网络为异构网络的融合提供了一个很好的平台,利用无线Mesh技术,各种无线网络接入技术能进行很好的整合,实现网络资源的共享和统一管理。
现在对于利用无线Mesh技术进行网络融合的研究主要是把骨干Mesh网络结构,如图3.2所示。
图3.2中的骨干Mesh结构是一种多级结构。
骨干Mesh结构是由Mesh路由器组成一个可以自配置和自愈的链路来充当骨干网,通过Mesh路由器的网关功能与Intemet相连,并为用户提供接入服务。
图3.2以无线Mesh网为骨干网的异构网络融合架构
3.4本章小结
无线Mesh技术是一种新型的无线网络技术,它的出现解决了通信网络的许多问题。
随着无线Mesh技术的发展,它将会成为我们网络生活特别是无线网络中不可缺少的部分。
本章首先介绍了无线Mesh网络的组成和特点,然后分析了利用无线Mesh网络进行异构网络融合的架构。
第四章半实物仿真
4.1半实物仿真
半实物仿真(hardware-in-the-loop)及是仿真系统中有实物参加。
半实物仿真系统的组成部分是:
仿真设备、参试设备、各种接口设备、试验控制台、支持服务系统。
它的实质是物理部件创造一个模拟实际环境的仿真环境,用物理部件实物进行仿真的技术。
半实物仿真可以使无法建立模型的部分直接加入仿真系统;通过模型与实物之间的联合仿真,验证实物部件对系统性能的影响。
网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据,能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。
通过半实物网络仿真能够提高通信网络仿真的置信度,而且能够通过仿真构建网络运行环境对实物节点进行验证、分析和评估。
目前网络仿真工具主要有OPNET,NS-2,Qualnet等,其中OPNET工具是商业化的通信网络仿真平台。
本设计利用OPNET进行半实物仿真,经过联合仿真,得到仿真结果,分析网络的吞吐量和延迟等性能。
4.2OPNET网络仿真
在今天的信息技术时代,网络结构和规模日趋复杂庞大,表现在多种类型的网络日益走向融合,业务种类增加,网络负载日益繁重,新的网络技术也层出不穷,因此如何对现有网络进行优化设计和规划是个非常富有挑战性的课题。
但是无论是构建新网络,升级改造现有网络,或者测试新协议,都需要对网络的可靠性和有效性进行客观地评估,从而降低网络建设的投资风险,使设计的网络有很高的性能,或者使测试结果能够真实反映新协议的表现。
网络仿真以其独有的方法为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据,缩短网络建设周期,提高网络建设中决策的科学性。
网络仿真技术目前已经逐渐成为网络规划、设计和开发中的主流技术。
当前有许多优秀的网络仿真软件,其中有Opnet、NS2、Matlab等,这为网络研究人员提供了很好的网络仿真平台。
主流的网络仿真软件都采用了离散事件模拟技术,并提供了丰富的网络仿真模型库和高级语言编程接口,这无疑提高了仿真软件的灵活性和使用方便性。
OPNETModeler是OPNETTechnology公司的四个系列网络仿真软件产品的其中之一,它主要面向的用户为网络设计专业人士,能够满足大型复杂网络的仿真需要。
OPNETModeler有如下特点:
1)提供三层建模机制,最底层为Process模型,以状态机来描述协议;其次为Node模型,由相应的协议模型构成,反映设备特性;最上层为网络模型。
三层模型和实际的网络、设备、协议层次完全对应,全面反映了网络的相关特性;
2)提供了一个比较齐全的的基本模型库,包括:
路由器、交换机、服务器、客户机、ATM设备、DSL设备、ISDN设备等等。
同时,OPNETTechnology公司会对不同的企业用户提供附加的专用模型库,但需另外付费;
3)采用离散事件驱动的模拟机理(discreteeventdriven),与时间驱动相比,计算效率得到很大提高。
4)采用混合建模机制,把基于包的分析方法和基于统计的数学建模方法结合起来,既可得到非常细节的模拟结果,又大大提高了仿真效率。
5)OPNET具有丰富的统计量收集和分析功能。
它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数,能够方便地编制和输出仿真报告。
6)提供了和网管系统、流量监测系统的接口,能够方便的利用现有的拓扑和流量数据建立仿真模型,同时还可对仿真结果进行验证。
4.3OPNET半实物仿真研究
基于OPNET的半实物仿真具体有三种方法:
高层体系结构、系统在环和自定义方法。
本设计是利用系统在环的方法进行仿真。
系统在环(System-in-the-loop,SITL)可以将多个物理网络接口映射到虚拟网络中不同的网络地址,从而使物理设备和OPNET仿真能进行交互,成为统一的整体,进行协同仿真。
仿真按实际时间运行,并通过以太网链路或者无线局域和外部硬件交换数据包。
SITL通过提供两个特殊的模块型:
节点模型(sitl-fiual_gatewayjo-real-world)和链路模型(sitl-vimfl-PPP-link)作为网关结点,将实际的网络设备连接到仿真环境中,使物理设备成为仿真系统的一部分;同时通过附加的WinPeap工具对以太网卡上的数据包进行选择,并将选出的数据包转发至仿真进程。
SITL半实物仿真对数据包的转换处理,方法如图4.1所示:
图4.1SITL仿真数据处理
SITL仿真中的数据包流向在运行SITL的计算机上,网络接口接收到的数据包,通过可选的防火墙转发至操作系统。
防火墙替操作系统阻挡发给SITL仿真的数据包和其它不需要的数据包,从而减轻系统开销。
同时,对于发给SITL仿真的数据包,SITL模块通过WinPcap把它们直接从网卡转发至仿真进程,OPNET仿真核心去除这些数据包的以太网帧头,所以SITL网关结点只看到IP数据报,并把这些IP数据报传递给仿真的其它部分。
SITL有三种典型的应用配置:
真实网络-虚拟网络(Real-Sim)、真实网
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