無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中高效公平媒體訪問(wèn)控制協(xié)議與路由協(xié)議研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的無(wú)線技術(shù)層出不窮。WiFi、WiMax、UWB、Bluetooth、3G、4G等無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，極大的改善了人們接入網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)，為用戶提供方便快捷的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，讓用戶擺脫了網(wǎng)絡(luò)的束縛，真正做到隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)接入。然而，不管是以3G、4G為代表的蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，還是以802.11技術(shù)為代表的無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLANs)，主要都工作在基礎(chǔ)架構(gòu)模

2、式，即所有的無(wú)線終端通過(guò)訪問(wèn)基站(Base Station，BS)或者網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point，AP)獲得網(wǎng)絡(luò)的單跳無(wú)線接入。單跳的無(wú)線接入一方面由于無(wú)線信號(hào)的傳輸距離有限，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍受限；另一方面，基站或者網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)需要通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)才能接入到Internet，因此網(wǎng)絡(luò)的部署嚴(yán)重依賴于有線網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施，成本高昂，不易擴(kuò)展。為了提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，降低網(wǎng)絡(luò)的部署成本，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)配置，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wirele

3、ss Mesh Network，WMN)的概念被提出來(lái)。
　　 WMN是一種多跳的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線Mesh路由器通過(guò)構(gòu)建多跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，為終端提供Internet的接入服務(wù)。與傳統(tǒng)的單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有分布式、多跳轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)狀拓?fù)涞忍攸c(diǎn)；WMN中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定，擁有穩(wěn)定的電源供給，網(wǎng)絡(luò)生命周期較長(zhǎng)，鏈路狀態(tài)相對(duì)于Ad Hoc等網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定。此外，WMN主要用于提供Internet的接入，數(shù)據(jù)流具有明

4、顯的方向性。由于具有這些特點(diǎn)，現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問(wèn)控制協(xié)議(Media Access Control，MAC)和路由協(xié)議大都不能良好的適應(yīng)WMN，工作效率低下。
　　 本文圍繞著提升WMN網(wǎng)絡(luò)性能的目標(biāo)，采用由下至上的順序，針對(duì)WMN中從MAC層到路由層的多個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入研究。這些問(wèn)題主要包括無(wú)線節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入、鏈路層的數(shù)據(jù)包調(diào)度，協(xié)作式數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)作式路由協(xié)議、負(fù)載均衡多路徑路由。針對(duì)已有MAC層和路由相關(guān)協(xié)議在WMN中

5、低效、不公平等問(wèn)題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適合WMN的一系列解決方案，有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的效率，減少了不公平現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，改善了用戶體驗(yàn)。
　　 首先，針對(duì)WMN的接入網(wǎng)采用的基礎(chǔ)架構(gòu)模式，本文提出了QoS感知的時(shí)槽請(qǐng)求與分配算法。通過(guò)對(duì)終端節(jié)點(diǎn)緩沖數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的計(jì)算，實(shí)時(shí)估計(jì)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)所需要的實(shí)際傳輸時(shí)間?；臼占薪K端的時(shí)槽請(qǐng)求，根據(jù)數(shù)據(jù)流的QoS需求將終端的時(shí)槽請(qǐng)求劃分為不同的優(yōu)先級(jí)，并按優(yōu)

6、先級(jí)的大小安排時(shí)槽。此外根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)槽的利用率以及緩沖數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的大小，動(dòng)態(tài)調(diào)整已分配時(shí)槽。通過(guò)該方案，基礎(chǔ)架構(gòu)式下在保證高QoS數(shù)據(jù)流帶寬的前提下，提高了時(shí)槽的利用率，有效提高了接入網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。
　　 然后，針對(duì)WMN骨干網(wǎng)傳統(tǒng)的單MAC單隊(duì)列的調(diào)度機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流間的嚴(yán)重不公平性的問(wèn)題，在仔細(xì)分析不公平現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之后，提出并實(shí)現(xiàn)了單射頻多隊(duì)列的負(fù)載感知鏈路級(jí)隊(duì)列調(diào)度機(jī)制。通過(guò)對(duì)鏈路級(jí)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行多

7、隊(duì)列負(fù)載感知的調(diào)度，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，抑制擁塞鏈路上的數(shù)據(jù)發(fā)送，調(diào)度非擁塞鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)合理的數(shù)據(jù)包調(diào)度，該鏈路級(jí)負(fù)載感知的調(diào)度機(jī)制可以有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)數(shù)據(jù)流間的不公平現(xiàn)象，改善網(wǎng)絡(luò)的整體性能，如吞吐量、端到端延遲以及丟包率。
　　 其次，為了充分利用無(wú)線鏈路的開(kāi)放特性，我們基于傳輸概率的計(jì)算，從理論上分析了節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作式數(shù)據(jù)傳輸所帶來(lái)的性能增益。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于ETX的協(xié)作路由度量，該路由度量充分考慮了節(jié)點(diǎn)協(xié)作所

8、帶來(lái)的傳輸機(jī)會(huì)。同時(shí)，擴(kuò)展HWMP路由協(xié)議以支持節(jié)點(diǎn)協(xié)作。此外，為了配合協(xié)作式路由，我們還將標(biāo)準(zhǔn)的基于CSMA/CA機(jī)制的MAC協(xié)議擴(kuò)展成為協(xié)作式MAC協(xié)議。通過(guò)MAC層與路由層的跨層設(shè)計(jì)，該方案有效的利用了無(wú)線鏈路中潛在的傳輸機(jī)會(huì)，提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功概率，降低了由于丟包所帶來(lái)的性能下降。
　　 最后，針對(duì)WMN骨干網(wǎng)絡(luò)由于最優(yōu)路由選擇導(dǎo)致的熱點(diǎn)路徑問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了跨層協(xié)作的負(fù)載平衡解決方案。通過(guò)分析CSMA/CA協(xié)議的工作流

9、程，利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，獲得RTS(Request to Send)幀重傳率與節(jié)點(diǎn)擁塞度之間的關(guān)系，提出了一種基于RTS重傳率的擁塞度量。然后，我們將802.11s中HWMP路由協(xié)議擴(kuò)展成為多路徑的路由協(xié)議，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)擁塞度量的實(shí)時(shí)計(jì)算，將數(shù)據(jù)流在多條備選路徑中分散，解決WMN中的負(fù)載不均衡問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法在端到端延遲、平均丟包率，以及用戶體驗(yàn)等方面都有明顯改善。
　　 本文提出的MAC協(xié)議和路由協(xié)議具有高效公平的特點(diǎn)，