无线Mesh网络中高效公平媒体访问控制协议与路由协议研究

论文摘要

随着无线通信技术的不断发展,各种各样的无线技术层出不穷。WiFi、WiMax、UWB、Bluetooth、3G、4G等无线通信标准的出现,极大的改善了人们接入网络的用户体验,为用户提供方便快捷的网络接入服务,让用户摆脱了网络的束缚,真正做到随时随地的网络接入。然而,不管是以3G、4G为代表的蜂窝无线网络,还是以802.11技术为代表的无线局域网(Wireless Local Area Network, WLANs),主要都工作在基础架构模式,即所有的无线终端通过访问基站(Base Station, BS)或者网络接入点(Access Point, AP)获得网络的单跳无线接入。单跳的无线接入一方面由于无线信号的传输距离有限,导致网络的覆盖范围受限;另一方面,基站或者网络接入点需要通过有线网络才能接入到Internet,因此网络的部署严重依赖于有线网络等基础设施,成本高昂,不易扩展。为了提高网络的覆盖范围,降低网络的部署成本,提供灵活的网络配置,无线Mesh网络(Wireless Mesh Network, WMN)的概念被提出来。WMN是一种多跳的无线网络,无线Mesh路由器通过构建多跳的数据转发路径,为终端提供Internet的接入服务。与传统的单跳无线网络不同,无线Mesh网络具有分布式、多跳转发、网状拓扑等特点;WMN中的数据转发节点位置相对固定,拥有稳定的电源供给,网络生命周期较长,链路状态相对于Ad Hoc等网络比较稳定。此外,WMN主要用于提供Internet的接入,数据流具有明显的方向性。由于具有这些特点,现有的无线网络媒体访问控制协议(Media Access Control, MAC)和路由协议大都不能良好的适应WMN,工作效率低下。本文围绕着提升WMN网络性能的目标,采用由下至上的顺序,针对WMN中从MAC层到路由层的多个关键问题进行深入研究。这些问题主要包括无线节点的网络接入、链路层的数据包调度,协作式数据传输与协作式路由协议、负载均衡多路径路由。针对已有MAC层和路由相关协议在WMN中低效、不公平等问题进行研究,设计并实现了适合WMN的一系列解决方案,有效的提高了网络的效率,减少了不公平现象的发生,进而提高了网络的整体性能,改善了用户体验。首先,针对WMN的接入网采用的基础架构模式,本文提出了QoS感知的时槽请求与分配算法。通过对终端节点缓冲数据传输时间的计算,实时估计节点在每个调度周期内所需要的实际传输时间。基站收集所有终端的时槽请求,根据数据流的QoS需求将终端的时槽请求划分为不同的优先级,并按优先级的大小安排时槽。此外根据终端节点对时槽的利用率以及缓冲数据传输时间的大小,动态调整已分配时槽。通过该方案,基础架构式下在保证高QoS数据流带宽的前提下,提高了时槽的利用率,有效提高了接入网络的传输带宽。然后,针对WMN骨干网传统的单MAC单队列的调度机制在网络出现拥塞时导致数据流间的严重不公平性的问题,在仔细分析不公平现象产生的原因之后,提出并实现了单射频多队列的负载感知链路级队列调度机制。通过对链路级的数据包进行多队列负载感知的调度,在网络发生拥塞时,抑制拥塞链路上的数据发送,调度非拥塞链路上的数据传输。通过合理的数据包调度,该链路级负载感知的调度机制可以有效缓解网络拥塞时数据流间的不公平现象,改善网络的整体性能,如吞吐量、端到端延迟以及丢包率。其次,为了充分利用无线链路的开放特性,我们基于传输概率的计算,从理论上分析了节点进行协作式数据传输所带来的性能增益。在此基础上设计了基于ETX的协作路由度量,该路由度量充分考虑了节点协作所带来的传输机会。同时,扩展HWMP路由协议以支持节点协作。此外,为了配合协作式路由,我们还将标准的基于CSMA/CA机制的MAC协议扩展成为协作式MAC协议。通过MAC层与路由层的跨层设计,该方案有效的利用了无线链路中潜在的传输机会,提高数据发送的成功概率,降低了由于丢包所带来的性能下降。最后,针对WMN骨干网络由于最优路由选择导致的热点路径问题,设计并实现了跨层协作的负载平衡解决方案。通过分析CSMA/CA协议的工作流程,利用实验验证的方式,获得RTS(Request to Send)帧重传率与节点拥塞度之间的关系,提出了一种基于RTS重传率的拥塞度量。然后,我们将802.11s中HWMP路由协议扩展成为多路径的路由协议,通过对节点拥塞度量的实时计算,将数据流在多条备选路径中分散,解决WMN中的负载不均衡问题。实验结果显示该方法在端到端延迟、平均丢包率,以及用户体验等方面都有明显改善。本文提出的MAC协议和路由协议具有高效公平的特点,能够为WMN接入网和骨干网提供高性能媒体接入服务和路由服务,进而提高网络性能,改善用户体验,为WMN中的其他研究提供有力的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 问题提出
• 1.2.1 节点网络接入的问题
• 1.2.2 高效公平的数据包调度问题
• 1.2.3 协作式数据传输下的路由问题
• 1.2.4 网络负载平衡的问题
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 本文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 相关背景及研究现状
• 2.1 无线Mesh 网络
• 2.1.1 WMN 的组成
• 2.1.2 WMN 的网络体系结构
• 2.1.3 WMN 的特点
• 2.2 常见的WMN 无线网络技术
• 2.2.1 WiFi 无线网络技术
• 2.2.2 WiMax 无线网络技术
• 2.2.3 UWB 无线网络技术
• 2.3 Mesh 网络实验床
• 2.3.1 Roofnet
• 2.3.2 BWN-mesh
• 2.3.3 Hyacinth
• 2.3.4 Microsoft Mesh
• 2.4 WMN 研究现状
• 2.4.1 物理层协议研究
• 2.4.2 媒体访问控制层协议研究
• 2.4.3 网络层协议研究
• 2.4.4 传输层协议研究
• 2.4.5 应用层协议研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 WMN 接入网 QoS 感知的时槽分配与动态调整
• 3.1 UWB Mesh 网络
• 3.1.1 UWB 微微网结构
• 3.1.2 UWB 的MAC 超级帧结构
• 3.2 研究动机
• 3.3 QoS 感知的时槽请求与分配算法
• 3.3.1 缓存数据传输时间估计
• 3.3.2 CTA 个数与CTA 时长计算
• 3.3.3 PNC 时槽分配机制
• 3.4 5 比特动态时槽调整算法
• 3.5 仿真实验与结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 WMN 骨干网链路级拥塞感知的公平队列调度方案
• 4.1 WMN 中的“热点”问题
• 4.2 已有队列调度算法
• 4.3 WMN 中数据流的不公平性
• 4.4 链路级拥塞感知的公平队列调度方案
• 4.4.1 流量负载信息的刻画
• 4.4.2 队列优先级计算
• 4.4.3 信息回馈机制
• 4.5 实验验证与结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 WMN 中协作多样性感知的路由度量
• 5.1 研究背景
• 5.2 预备知识
• 5.2.1 WMN 中的协作通信
• 5.2.2 802.11s WMN 架构
• 5.3 协作多样性感知的路由度量
• 5.3.1 网络协作模型
• 5.3.2 协作式路由度量
• 5.4 协作式路由协议
• 5.4.1 协作式路由协议（CDARP）
• 5.4.2 协作式 MAC 协议（CMAC）
• 5.5 性能评估与结论分析
• 5.5.1 网络基本配置
• 5.5.2 性能测试及结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 WMN 中骨干网负载均衡的路由协议
• 6.1 研究背景
• 6.2 预备知识
• 6.2.1 隐藏终端与暴露终端
• 6.2.2 RTS/CTS 机制
• 6.3 802.11s WMN 节点负载评估与预测
• 6.3.1 IEEE 802.11 RTS/CTS 重传机制
• 6.3.2 WMN 节点拥塞预测
• 6.4 负载均衡的多路径路由协议
• 6.4.1 HWMP 路由协议工作机制
• 6.4.2 CLBRP 多路径协议工作机制
• 6.4.3 数据流均衡策略
• 6.5 性能测试及结果分析
• 6.5.1 网络参数配置
• 6.5.2 实验结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 本文的主要贡献和创新
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与申请的专利
• 攻读博士学位期间参加的科研项目