多接口无线MESH网络动态信道资源分配关键问题研究

论文摘要

无线MESH网络（Wireless Mesh Network,WMN）是一种具有分层结构的新型无线网络。在无线MESH网络中存在多种不同的通信系统,如蜂窝网、WiFi、WiMAX,以及Ad Hoc网络等。无线MESH网络具有覆盖范围广、可靠性强、高带宽、高利用率、维护方便,以及投资成本低、风险小等优点。因此,无线Mesh网络被广泛视为下一代无线通信系统的关键网络结构。但是,多系统共存的局面也使得无线MESH网络中存在很多挑战。一方面,无线MESH网络必须解决如何将多种不同的通信系统集成到一个体系的问题。另一方面,无线MESH网络中的流量从多个不同的网络集成而来。这要求无线Mesh网络必须具有非常大的容量。但是,从多种通信系统集成来的流量却极大地加重了无线Mesh网络的干扰程度。由于无线网络的可用信道数非常有限,邻近的节点不得不使用同一条信道进行通信。无线介质的广播特性使得这些通信链路间存在干扰。此外,无线Mesh网络中的流量需要经过多跳的转发才能到达目的节点。并且,相邻的无线节点倾向于采用同一条信道进行通信。这进一步增加了无线Mesh网络链路间的干扰。因此,链路间的干扰程度是影响网络吞吐量的重要因素。如何提高无线信道的利用率,增加系统的容量是设计无线Mesh网络的一个关键问题。信道分配是增加无线网络系统容量的最有效措施之一。为了充分利用有限的无线信道资源,无线Mesh网络也采用了一些新技术和措施。比如,为每个节点配置多接口,采用动态接口切换协议,多信道MAC协议,以及智能天线等。上述措施从不同方面提高了无线Mesh网络的性能。但是,在提高无线网络性能的同时这些新技术也带来了新的问题和挑战。例如,当前大多数协议基于单接口/静态信道分配的网络模型。因此,这些协议不能直接应用于多接口以及接口的信道动态变化的网络环境。本文主要研究了动态信道分配多接口无线Mesh网络信道资源分配相关问题。具体包括干扰估计策略、广播机制,信道分配协议的设计与实现,无线Mesh网络的流量特征及其对信道分配的影响,以及基于NS2的多接口无线Mesh网络仿真平台的搭建等。并取得了如下研究成果:（1）为多接口无线Mesh网络提出了一个信道干扰估计策略。在动态信道分配网络中,接口的信道在通信过程中动态的改变。这使得网络的干扰问题变得更加复杂。而现有模型并没有考虑节点的动态信道切换对网络干扰的影响。本文提出的干扰估计策略不依赖于网络的实时负载。但是,该策略考虑了无线Mesh网络流量的特点,以及无线信号的传输特性对节点间干扰的影响。实验证明,该干扰估计策略不仅容易实现,而且适应性强。（2）为采用动态接口切换协议的多接口无线Mesh网络提出了一个高效的广播机制。由于不存在恒定的通信链路,无线信道的广播特性在采用动态信道分配策略的网络中不再适用。现有的广播方案要么需要额外的广播接口,要么极大的增加网络的广播开销。本文提出的广播策略不需为节点配置额外的广播接口,却将信道切换开销限制在容许的范围内。该策略还极大地减少了无线Mesh网络的广播冗余。因此,该策略为动态信道分配的网络提供了有效的广播支持。（3）利用排队论理论分析了基础模式无线Mesh网络（I-WMN）的流量特征及其影响。在此基础上,提出并实现了一个混合的信道分配协议。本文提出的流量模型把网关节点和处于最外层的路由节点看作是一些具有无限大的容量的排队系统,而把其余的路由器节点看作容量有限的排队系统。与以往模型不同,该模型还考虑了无线信道的带宽和干扰对无线Mesh网络性能的影响。利用该模型分析了稳定状态下无线Mesh网络的吞吐量、包丢失率和数据包的排队延迟等问题。根据分析,各路由器节点相对网关的位置决定了其上的流量。考虑到I-WMN的上述流量特征,本文提出的协议为处于不同层的路由器节点采取了不同的接口分配策略:网关节点采用静态信道分配策略,而其它节点采用混合信道分配策略。实验结果表明,该协议大大提高了无线Mesh网络的容量、适应能力和可扩展性等。此外,本文对开源仿真工具NS2进行了扩展,以使之支持多接口和实时地信道切换功能。在扩展后的NS2上搭建了一个无线Mesh网络平台,并在该平台实现了本研究所提出的所有协议。本文的扩展不与具体的协议绑定,可以应用到一般的动态信道切换策略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT（英文摘要）
• 第一章 绪论
• 1.1 无线MESH网络概述
• 1.1.1 无线MESH网络的体系结构
• 1.1.2 WMN与WLAN和Ad hoc网络的区别
• 1.1.3 无线MESH网络的特点
• 1.1.4 无线MESH网络的关键技术
• 1.1.5 无线MESH网络的应用
• 1.1.6 无线MESH网络的研究进展
• 1.2 无线MESH网络的资源管理问题
• 1.2.1 无线MESH网络的信道分配问题
• 1.2.2 信道分配的目标和要求
• 1.2.3 信道分配协议的分类
• 1.2.4 多接口信道分配的关键问题
• 1.3 本研究的主要内容、章节安排和主要贡献
• 1.3.1 本研究的主要内容和章节安排
• 1.3.2 本文的主要贡献
• 第二章 动态信道切换下无线MESH网络的干扰估计策略
• 2.1 问题概述
• 2.2 基本概念
• 2.3 非对称链路的特点
• 2.4 相关工作
• 2.4.1 干扰模型介绍
• 2.4.2 干扰图
• 2.4.3 现有干扰策略的不足
• 2.5 基于权重的信道干扰估计策略（WIES）
• 2.5.1 非对称干扰图
• 2.5.2 权重的分配
• 2.5.2.1 确定ωt（j） 的值
• 2.5.2.2 确定ωd（j）的值
• 2.5.3 用WIES估计链路的干扰度
• 2.6 仿真结果及分析
• 2.6.1 仿真环境设置
• 2.6.2 基于图的理论分析
• 2.6.3 基于NS2的仿真结果
• 2.6.3.1 默认实验设置
• 2.6.3.2 网络吞吐量
• 2.6.3.3 流量速率对吞吐量的影响
• 2.6.3.4 可用信道数对吞吐量的影响
• 2.6.3.5 流量的平均包延迟
• 2.6.4 讨论
• 2.7 本章小结
• 第三章 动态信道切换策略下无线MESH网络的广播机制
• 3.1 问题概述
• 3.2 相关工作
• 3.3 基于SLOT 的无线MESH网络广播机制（SBP）
• 3.3.1 系统模型和定义
• 3.3.2 协议概述
• 3.3.3 SBP的包处理机制
• 3.3.4 SBP对广播的支持
• 3.3.5 确定CYCLE的大小
• 3.4 仿真与结果分析
• 3.4.1 仿真环境设置
• 3.4.2 吞吐量比较
• 3.4.3 对动态变化负载的响应能力
• 3.4.4 可用信道数的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 基础模式无线Mesh网络的流量模型
• 4.1 问题概述
• 4.2 相关工作
• 4.3 网络系统及排队论模型
• 4.3.1 无线Mesh网络的系统模型
• 4.3.2 无线Mesh网络的排队论模型
• 4.4 稳定状态下无线Mesh网络的性能分析
• 4.4.1 网络吞吐量及每层节点的有效输出
• 4.4.2 各层节点及整个网络的平均丢包率
• 4.4.3 转发包的平均队列延迟
• 4.5 无线干扰对模型的影响
• 4.5.1 理想状态下μ和λ的上限
• 4.5.2 考虑无线干扰影响的λ和μ值
• 4.6 实验及结果分析
• 4.6.1 实验设置
• 4.6.2 网络的吞吐量
• 4.6.3 各层节点的有效输出及丢包率
• 4.6.4 转发包的队列延迟
• 4.7 本章小结
• 第五章 基础模式无线Mesh网络的信道分配协议
• 5.1 问题概述
• 5.2 相关工作
• 5.3 基础模式无线Mesh网络的流量特点
• 5.4 混合的信道分配协议（HCAP）
• 5.4.1 HCAP的接口分配策略
• 5.4.2 HCAP的通信协调机制
• 5.4.2.1 HCAP的广播问题
• 5.4.2.2 HCAP的通信依赖问题
• 5.4.3 HCAP的信道分配算法
• 5.5 仿真与结果分析
• 5.5.1 仿真环境设置
• 5.5.2 吞吐量比较
• 5.5.3 对动态流量的适应性
• 5.5.4 网关数目的影响
• 5.5.5 网络拓扑结构的影响
• 5.5.6 数据传输延迟和路由延迟
• 5.5.7 网络的吞吐量与公平性比较
• 5.6 讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 多接口无线Mesh网络仿真平台
• 6.1 问题概述
• 6.2 常用网络仿真工具简介
• 6.2.1 OPNET 简介
• 6.2.2 NS2简介
• 6.2.3 MATLAB简介
• 6.2.4 QualNet 简介
• 6.3 NS2的无线网络模块
• 6.3.1 NS2的LAN的模型
• 6.3.2 NS2的队列管理
• 6.4 多接口和动态信道切换功能的实现
• 6.4.1 DcsNs的多接口扩展
• 6.4.2 动态信道切换模块
• 6.4.3 扩展后包的队列管理和调度流程
• 6.5 扩展平台的性能测试
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究内容总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目