无线Mesh网络传输性能分析和跨层协同优化算法的研究

论文摘要

无线Mesh网络是一种高容量、高速率的新型分布式网络,它利用多跳无线网状结构为移动用户提供到骨干网的宽带接入。与传统无线网络相比,它具有频谱效率高、覆盖能力强、兼容性好、部署成本低等诸多优点,具有广泛的应用前景。由于无线Mesh网络业务模式多样、网络结构和协议复杂,传统的网络分析方法和分层优化算法已经不能满足其设计要求。本学位论文在排队论、网络流理论和大规模线性规划理论的指导下,建模分析了无线Mesh网络的传输性能并且设计信道路由联合优化算法提高网络吞吐量。本文首先介绍了无线Mesh网络的基本概念以及关于无线Mesh网络传输性能建模和跨层协同优化的研究现状、关键问题和典型模型。通过对无线Mesh网络传输性能的理论建模分析,我们发现主要难点在于网络结构和通信技术复杂、底层协议多样,传统的基于单跳和IEEE 802.11 MAC的统一建模方法无法直接应用。为了区分不同的路由协议和MAC协议对传输性能的影响、增加模型的适用性,本文提出二层分析框架,它包括两个子模型:网络模型和节点信道模型。前者基于排队论,考虑网络拓扑结构、数据流以及多径路由的影响;后者考虑多信道以及多跳的影响,并根据节点平均获取信道时间以及平均队列等待时间得到全网的平均时延和吞吐量计算公式。为了验证模型的准确性,本文在AODV路由下分别以TDMA MAC和802.11 MAC为例,推导全网平均时延公式,并利用NS2仿真表明该模型可以比较准确地估计出传输时延性能。在对无线Mesh网络跨层协同优化的研究中,为了解决传统单层优化方案无法有效利用无线Mesh网络技术特点的问题,本文在传输性能模型的基础上,分析了链路层和路由层中影响性能的瓶颈要素,设计出一种带有反馈机制的信道路由联合优化算法。包括启发式路径搜索算法、基于原始-对偶算法的最优路径选择算法、信道分配调整算法等三个部分。其中,启发式搜索算法利用“潜在剩余带宽”的概念有效减少了信道冲突;最优路径选择算法属于全局优化算法,根据其子问题解的单调性和可行性加入时耗控制模块有效减少算法时耗;最后文章利用Matlab仿真在随机拓扑结构和固定信道数量、带宽受限的情况下比较了算法性能与节点数据率、节点收发器数量、时耗控制等因素之间的关系,结果显示该算法能够明显提高网络吞吐量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 第一章 概述
• 1.1 课题背景
• 1.2 本文的意义和研究内容
• 1.2.1 本文的意义
• 1.2.2 本文的研究内容
• 1.3 本文的组织和安排
• 第二章 无线Mesh网络简介及研究现状
• 2.1 无线Mesh 网络简介
• 2.1.1 无线Mesh 网络的起源
• 2.1.2 无线Mesh 网络的结构特点
• 2.1.3 无线Mesh 网络的关键技术
• 2.1.4 仿真工具介绍
• 2.2 无线Mesh 网络传输性能建模研究现状
• 2.2.1 面临的困难和挑战
• 2.2.2 研究的实际意义
• 2.2.3 经典的建模方法
• 2.2.4 目前研究的重点
• 2.3 无线Mesh 网络传输性能跨层优化现状
• 2.3.1 研究的实际意义
• 2.3.2 跨层优化策略及分类
• 2.3.3 几种典型的优化模型
• 2.4 本章小结
• 第三章无线Mesh网络传输性能理论建模
• 3.1 引言
• 3.2 无线Mesh 网络传输性能分析模型
• 3.2.1 网络模型
• 3.2.2 节点信道模型
• 3.3 基于802.11 MAC 的无线Mesh 网络分析模型
• 3.3.1 获取信道时间C
• 3.3.2 队列等待时间W
• 3.3.3 仿真比较
• 3.4 基于TDMA MAC 的无线Mesh 网络分析模型
• 3.4.1 获取信道时间C
• 3.4.2 队列等待时间W
• 3.4.3 仿真比较
• 3.5 本章小结
• 第四章无线Mesh网络传输性能跨层协同优化
• 4.1 引言
• 4.2 网络吞吐量优化模型
• 4.3 网络吞吐量优化算法
• 4.3.1 启发式搜索
• 4.3.2 最优路径选择
• 4.3.3 信道分配调整
• 4.4 收敛性分析及算法时耗控制
• 4.5 仿真比较
• 4.5.1 网络吞吐量性能的仿真与分析
• 4.5.2 算法时耗性能的仿真与分析
• 4.6 本章小结
• 第五章总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间撰写的学术论文