（无线电物理专业论文）无线mesh网络基于qos的多径动态源路由协议研究.pdf

无线m e s h 网络基于q o s 的多径 动态源路由协议研究 专业：无线电物理 硕士生：李静 指导教师：周杰英副教授 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，w m n ) 是一种多跳、具有自组 织和自愈特点的宽带无线网络。它融合了无线局域网( w l a n ) 和a dh o c 网 络的优势，成为宽带接入的一种有效手段。在无线m e s h 网络中，节点通过路由 协议来实现多跳路由通信，路由技术成了无线m e s h 网络中的关键技术。 本文首先介绍了无线m e s h 网络的结构、特点、关键技术及应用；其次， 分析了无线m e s h 网络中的路由协议、q o s 路由协议、多径路由协议及其存在 的不足。在对动态源路由协议( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ，d s r ) 深入研 究的基础上提出了一种基于q o s 的多径动态源路由协议( q o s b a s e dm u l t i p a t h d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ，q m d s r ) 。 q m d s r 协议考虑了带宽约束，改进了d s r 协议的路径选择策略，在路径 选择上综合考虑了节点的最小剩余可用带宽与最大负载，选取一条主路由。在 计算节点的最小剩余可用带宽时，利用节点检测共享信道的忙、闲时间来计算， 并考虑了控制分组的影响，引入了修正系数。同时为源节点选取了一条与主路 由最大不相关的路由作为备份路由。当主路由失效时，源节点直接使用备份路 由发送数据，提高了数据发送的成功率，减少了再次寻路的开销。每个节点都 维护一张数据流表，在路由维护中节点及时更新自己的带宽信息，并对路由做 动态维护。 本文完成- j q m d s r t 3 t 议的详细设计，并在o p n e t1 0 。5 上进行了仿真。分析 了网络负载变化及网络拓扑变化下协议的性能，并与d s r 协议进行了对比。仿真 中山大学硕士学位论文 结果表明，q m d s r 协议提高了分组投递率，降低了时延，改善了无线m e s h 网络 的服务质量。 关键词：无线m e s h 网络，q o s ，最小剩余可用带宽，最大负载，多径 i i s t u d y o fq o s - b a s e dm u l t i - - p a t hd y n a m i cs o u r c er o u t i n g p r o t o c o li nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s m a j o r ： n a m e ： r a d i op h y s i c s l ij i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h o uj i e y i n g a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n ) i sa m u l t i h o p ，s e l f - o r g a n i z i n g a n d s e l f - h e a l i n gb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r kw h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w e a n ) a n da dh o cn e t w o r k i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ， n o d e sc a nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt h r o u g hm u l t i h o pb yr o u t i n gp r o t o c o l ， w h i c hi sak e yt e c h n o l o g yi nw m n a tf i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h e s t r u c t u r e ，f e a t u r e ，k e yt e c h n i q u e a n d a p p l i c a t i o no fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s t h e n ，i ta n a l y z e sr o u t i n gp r o t o c o l si n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，q o sr o u t i n gp r o t o c o l s ，m u l t i - p a t hr o u t i n gp r o t o c o l sa n d t h ed i s a d v a n t a g ee x i t e d an e wp r o t o c o lc a l l e dq o s - b a s e dm u l t i p a t hd y n a m i c s o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ( q m d s r ) b a s e do nd y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ( d s r ) i sp r o p o s e d q m d s rp r o t o c o lc a np r o v i d eb a n d w i d t hg u a r a n t e ea n ds e l e c tam a i nr o u t eb y e s t i m a t i n gt h em i n i m a lr e s i d u a la v a i l a b l eb a n d w i d t ha n dm a x i m u ml o a do ft h en o d e n o d e sc o m p u t et h eb u s yt i m ei nap e r i o da n de s t i m a t et h er e s i d u a la v a i l a b l e b a n d w i d t h c o r r e c t i o nf a c t o ri si n t r o d u c e df o rc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fc o n t r o l p a c k e t s a tt h es a m et i m e ，t h er o u t et h a ti sm a x i m a l l yd i s jo i n tf r o mt h em a i nr o u t ei s k e p ta sab a c k u pr o u t ef o rt h es o u r c en o d e w h e nt h em a i nr o u t ef a i l s ，t h es o u r c e n o d ec a ns i m p l yu s et h eb a c k u pr o u t et os e n dd a t aw h i c hi n c r e a s e st h ep a c k e t d e l i v e r yr a t i oa n dd e c r e a s e st h er o u t i n go v e r h e a do fr o u t er e d i s c o v e r y e v e r yn o d e m a i n t a i n sat a b l eo fd a t as t r e a m ，u p d a t e st h er e s i d u a la v a i l a b l eb a n d w i d t hi nt i m e i i i 中山大学硕士学位论文 a n dt h er o u t ei sm a i n t a i n e dd y n a m i c a l l y t h ep r o p o s e dp r o t o c o li sd e s i g n e di nd e t a i la n ds i m u l a t e dv i ao p n e t1 0 5 t h i s p a p e ra n a l y s e st h ep e r f o r m a n c eo fq m d s rp r o t o c o li ns c e n e sw h e r en e t w o r kl o a d s c h a n g ea n dn e t w o r kt o p o l o g yc h a n g e sa n dc o m p a r e s i tw i t hd s rp r o t o c 0 1 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tq m d s rp r o t o c o li m p r o v e sp a c k e td e l i v e r yr a t i o ， d e c r e a s e st h ed e l a ya n di m p r o v e st h eq u a l i t yo fs e r v i c ei nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，q o s ，m i n i m a lr e s i d u a la v a i l a b l eb a n d w i d t h ， m a x i m u m l o a d ，m u l t i p a t h i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名：巷韵 日期：犹吁年s 月谚日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料 室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：乓卺 日期：- , , f f 年皇月y 日 新签名：融藻 日期：叫年r 月垮日 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，w m n ) 是一种新型的宽带无线 网络结构，即一种高容量、高速率的分布式无线网络，它融合了w l a n 和a dh o c 网络的优势，具有自组织、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及 移动宽带、无线定位、i n t e m e t 接入等特点。无线m e s h 网络作为一种新型的应 用网络，能够广泛应用于没有现存网络支持或现有网络不能满足机动性要求的 应用环境，在家庭宽带网、社区邻居网、企业网、楼房自治网、灾难救援、临 时会议等方面获得广泛的应用。无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络的最大区别 在于业务模式的差异。a dh o e 网络的业务是任意一对节点之间的业务流；而无 线m e s h 网络的业务主要是来自于或到达i n t e m e t 的。无线m e s h 网络能为用户 终端提供无线接入，如与3 g 、w i m a x 的用户进行无线宽带接入等。w m n 作 为一种可以解决无线接入“最后一公里”瓶颈问题的新的方案，被写入到 i e e e 8 0 2 1 6 ( 俗称w i m a x ) 无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm u n i c i p a la r e a n e t w o r k ) 标准和i e e e 8 0 2 1 5 系列标准之中，目前也开始纳入到i e e e 8 0 2 1 l s 标准的制定中。 随着无线通信技术和i n t e m e t 高速发展，融合二者实现m o b i l ei n t e m e t 成为 目前的研究热点，宽带无线m e s h 网络也因此越来越多地得到人们的关注，有 关无线m e s h 网络技术的研究也取得了很大的进展。在无线m e s h 网络中，节点 通过路由协议来实现多跳路由通信，路由技术成了无线m e s h 网络中的关键技 术，路由协议便成为目前研究的主要方向。尽管有一些a dh o c 网络的路由协议 可用，如d s d v 、d s r 、a o d v 等，但特别适用于w m n 的路由协议寥寥无几。 因此，设计针对w m n 特点的高效路由协议具有重要意义。首先，需要发现新 的性能度量来提高路由协议的性能。除此之外，现有的路由协议的扩展性依然 有限。更进一步，现有的路由协议将下层的m a c 协议当作一个透明的层。然 而在w m n 中需要考虑层间的交互以提高路由协议的性能。更重要的是，对 w m n 在能量效率上的要求和移动性的要求是与a dh o c 有很大不同，这种差 中山人学硕士学位论文 别就使得为a dh o c 网络设计的路由协议不能完全适合w m n ，所以我们需要 充分考虑w m n 的特点，设计最适合w m n 的路由算法，以提高w m n 的 性能、可扩展性和容错性。本课题的研究目标是设计一种基于q o s 的多径动态 源路由协议( q o s - b a s e dm u l t i p a t hd y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ，q m d s r ) ， 以改善无线m e s h 网络的服务质量。 1 2 课题来源及本文的主要工作 1 2 1 课题来源 本课题来源于广州市科技攻关项目基于网络处理器实现无线m e s h 网 络高端接入点路由器。项目的目标是实现无线m e s h 网络高端接入点路由器产 品，并开发支持无线m e s h 网络中单播和组播传送的路由软件。本文研究的内 容是其中的研究内容之一，即单播路由协议的设计。该项目要求设计的路由协 议应能改善无线m e s h 网络的服务质量。 1 2 2 本文的主要工作 本文分析了无线m e s h 网络中的路由协议、q o s 路由协议及多径路由协议， 在动态源路由协议( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ，d s r ) 的基础上提出了一 种基于q o s 的多径动态源路由协议( q o s - b a s e dm u l t i - p a t hd y n a m i cs o u r c e r o u t i n gp r o t o c o l ，q m d s r ) 。期望达到在不显著增加路由开销的同时提高数据分 组投递率，降低端到端时延，改善无线m e s h 网络的服务质量。 本文的主要工作有： ( 1 ) 分析了无线m e s h 网络中的路由协议、q o s 路由协议及多径路由协议， 在动态源路由协议的基础上提出了一种基于q o s 的多径动态源路由协议 q m d s r 。 ( 2 ) 对动态源路由协议进行了深入的研究，在动态源路由协议的基础上完 成了q m d s r 协议的详细设计，包括多判据路径准则函数的确定，节点最小剩 余可用带宽、最大负载的计算，路由发现过程，最大不相关路径选择算法，路 由维护过程，以及协议中用到的各种分组格式和表结构的设计。 2 第1 章绪论 ( 3 ) 在o p n e t 上搭建了q m d s r 协议的仿真平台，分析了网络负载变化 及网络拓扑变化下协议的性能，与d s r 协议进行了对比，并对仿真结果进行了 分析。 1 3 本文的内容及结构 本文内容总共分为六章，各章内容安排如下： 第一章介绍本文的研究背景、意义、本文的主要工作及论文的结构。 第二章介绍无线m e s h 网络的相关知识，包括无线m e s h 网络的定义、无线 m e s h 网络的结构、无线m e s h 网络与w l a n ，a dh o c 网络的区别、无线m e s h 网络的关键技术及应用等。 第三章介绍无线m e s h 网络的路由协议，之后对q o s 路由协议及多径路由 协议做了一个详细的论述。 第四章是本文的重点部分，根据无线m e s h 网络的特点，在对动态源路由 协议深入研究的基础上，提出了一种基于q o s 的多径动态源路由协议 ( q o s - b a s e dm u l t i - p a t hd y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l ，q m d s r ) ，并详细介绍 了其思想和工作机制，完成了协议详细设计。 第五章是仿真实验，介绍了q m d s r 协议仿真模型的建立，搭建了仿真场 景，并对仿真结果进行了分析。 第六章是本文工作的总结。 3 第2 章无线m e s h 网络 2 1 无线m e s h 网络及其特点 2 1 1 什么是无线m e s h 网络( w m n ) 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，w m n ) 是一种多跳、具有自组 织和自愈特点的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络。w m n 中包括两类节点：移动节点m n ( m o b i l en o d e ) 和接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) ， 网络中的每个节点都具备路由选择的功能，可以向网络中的其它节点( m n 或 a p ) 转发它所接收到的数据包，因而w m n 也是一种自组织和自管理网络，可 以看成是移动a dh o c 网络技术的一种简化版本。但两者又有一定的区别，主要 的不同在于w m n 中的接入点可以作为移动a dh o e 网络的一种对等的数据转发 实体，又可以作为一种连接到其它有线或无线网络的桥接器。同时w m n 又不 同于传统的无线网络，可以看成是w l a n ( 单跳) 和移动a dh o c 网络( 多跳) 的融合，且发挥了两者的优势。 2 1 2 无线m e s h 网络的网络结构 根据各个节点功能的不同，无线m e s h 网络结构分为3 类：骨干m e s h 结构 ( 分级结构) 、客户端m e s h 结构( 平面结构) 、混合结构【1 1 。 如图2 1 所示，骨干网结构由m e s h 路由器组成，是一个可以自配置和自愈 的网络，通过m e s h 路由器的网关功能与因特网相连，普通客户端和已有无线网 络可以通过m e s h 路由器的网关或中继功能接入w m n 。 5 中大学硕士学位论文 一；_ 攀“ 凹2 - 1 骨干m e s h 结构 如图2 - 2 所示，客户端m e s h 结构是由客户端组成的在用户设备间提供点到点 的无线服务。客户端组成一个能提供路由和配置功能的网络，支持用户的终端应 用。由于组成此网络的节点不需要有网关或中继功能，所以不需要m e s h 路由器。 这种网络结构中的客户端通常只使用一种无线技术，虽然节点不需要有网关和中 继功能，但路由和自组织能力是必需的。 、l ”j 】( 圉2 - 2 客户端m e s h 结构 如图2 - 3 所示，在混合结构的无线m e s h 网络中无线终端可以通过m e s h 接 入点接入骨干m e s h 网络也可通过其他m e s h 转技节点实现多跳通信。这种结 构提供了与其他一些网络结构的连接，如因特网、w l a n 、w i m a x 、蜂窝和传 感器网络。 ，t 、 、 一 、 一 一 i ，、 一 堪一o 、 、 号，圹 一咖、 第2 章无线m 咄月络 图2 - 3 混合结构 2 1 3w i v i n 与w l a n 的区别 目 无线m e s h 网( w m n ) 可以看成是一种特殊的无线局域网w l a n ，除移动 性低外，w m n 本质上是一种a dh o c 网络。在拓扑结构e ，w l a n 在最后一跳 的接八上采用无线方式，而w m n 无网络基础设施，是多跳无线网络，可实现 网络自形成、自伸缩、自愈台和自诊断等。 在网络设备上，w l a n 的a p 负责终端设备的接入，而广义的w m n 的所 有节点均能承担本地接入与其它节点的信息转发功能，即具有路由器和中继嚣 功能。在路由协议上，w l a n 固定路由，而w m n 则采用动态路由，路由冗余 和自愈能力强。在w l a n 中，两个彼此相邻的设备不能直接通信，必须借助 a p 的接入与转发。 2 1 4w m n 与a dh o c 网络的区别 w t v f n 与a dh o e 网络均是多点对多点网络，a dh o c 网络中的移动节点都 兼有独立路由和主机功能不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平 等，采用分布式控制方式。w m n 一般被当作一种a dh o e 网络，因为通过部 八- 、 o ， 一，好蜒、 中山火学硕r 上学位论文 署基站和接入点，w m n 不需要有线的基础设施，而在蜂窝网或w i f i 网络中 就必须有这种有线基础设施。w m n 需要a dh o c 网络互联技术，而其额外的 特性也使得我们需要更复杂的算法和设计原则来实现w m n 。事实上，a dh o c 网络可以被当作w m n 的一个子集。但w m n 与移动a dh o c 网络的业务模 式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务，而对于后者， 节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。下面，我们将给出a dh o c 网 络和w m n 之间的区别【2 】【3 】。 ( 1 ) 无线基础设施骨干 m e s h 路由器组成的无线骨干构成了w m n 。在无线域中，无线骨干提供 了大的覆盖范围、连接性和健壮性。而在a dh o c 网络中，其连接性依赖于并 不可靠的终端用户。 ( 2 ) 集成方面 w m n 支持和m e s h 路由器使用相同无线电技术的传统客户端，这可以通 过m e s h 路由器的主机路由( h o s t r o u t i n g ) 功能来完成。而通过m e s h 路由器 中的网关桥接功能，w m n 可以集成现有的如w i f i 、i n t e m e t 、蜂窝网络和感 应器网络。因此通过使用无线基础设施，一个网络中的用户可以使用另一个网 络中的服务。通过w m n 集成的无线网络像i n t e r n e t 骨干网一样，这是因为 网络节点的物理位置变得没有像容量和网络拓扑那么重要。 ( 3 ) 专门的路由和配置 在a dh o c 网络中，终端用户设备也为其它的节点实施路由和配置功能。 而w m n 所包含的m e s h 路由器用来完成这些功能。因此，终端用户设备的 负载就显著降低，这意味着只需要消耗较少的能量，而且可以为那些可能的能 量有限的移动终端用户提供高端的应用的能力。进一步，对终端用户要求的降 低减少了在设备的费用。 ( 4 ) 可以使用多种无线电 m e s h 路由器可以配备多路无线电来执行路由和访问功能。这就把在无线 域中的两种主要类型的流量区分开来。m e s h 路由器之间在执行路由和配置功 能的时候，终端用户可以使用另一种无线电来访问网络。这极大的提高了网络 的容量。而在a dh o c 网络中，上面所说的这些功能因为使用了相同的信道， 8 第2 章无线m e s h 网络 所以性能也就下降了。 ( 5 ) 移动性 因为a dh o c 网络使用终端用户设备提供路由，网络拓扑和连接性就依赖 于用户的移动。这就为路由协议和网络配置、部署带来了额外的挑战。 2 2 无线m e s h 网络的关键技术 在无线m e s h 网络的设计中，不仅要考虑无线传输中的各种问题，如天线设 计、多址接入控制等，还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的 相互影响，这就使得无线m e s h 网络的设计要远比传统的无线接入网复杂。具体 而言，无线m e s h n 络需要解决以下关键技术【4 1 。 ( 1 ) 天线技术 无线m e s h 网络中一个重要的问题就是天线的使用，因为每个节点必须和 各个方向上的多个节点通信，很简单的一种方式就是采用全向天线，但是这样 覆盖范围有限，并会带来干扰，导致频谱利用率下降，网络容量减小。目前很 多的新的天线技术已经浮出水面，为w m n 天线技术提供了很多解决方案。这 些新的技术主要包括：方向天线，智能天线，多输入多输出系统( m i m o ) ，可 重配置天线，频率感知天线，软天线等。 ( 2 ) 媒体接入控制技术 为了更好的利用新的物理层技术带来的优势，高层协议特别是m a c 层协 议应该更好地被设计以充分发挥整个系统的性能。无线m e s h 网络m a c 层协 议与传统的无线网络有很大的区别，主要表现在：无线m e s h 网络的m a c 层 协议设计时要考虑多跳方式下的通信，从而存在隐藏终端、暴露终端等问题； 无线m e s h 网络是一种多点对多点的分布式的通信网络，网络中没有控制中心 用于协调节点间的通信，所以m a c 层协议必须保证所有节点能够协同工作； 节点移动性对m a c 性能的影响。目前国外对m a c 层的研究主要集中在如何 提高系统容量，吞吐量以及公平性等方面上，此外很多论文都是针对多信道或 多网卡的m a c 层设计。 ( 3 ) 路由选择技术 无线m e s h 网络另外一个很重要的问题是路由选择，例如从节点a 到节点 9 中山大学硕士学位论文 b ，可以经过不同的用户站中转，存在多条路径，于是选择哪条路径就成为一 个关键问题，这将直接影响系统的性能。而且，当节点增加或是减少时，无线 m e s h 网络的拓扑结构会发生变化，路由选择问题变得更加复杂。 ( 4 ) 动态带宽分配技术及q o s 保障 宽带无线接入系统的频谱资源有限，因此必须使信道资源尽可能被充分利 用。在i e e e8 0 2 1 6 标准中规定的点到多点( p m p ) 宽带无线接入网络中采用 了动态按需时分多址分配d a m at d m a 方式，在这种网络中资源的管理和 分配由基站负责。而在i e e e8 0 2 1 6 a 标准中规定，对于基于无线m e s h 技术 的宽带接入网络，带宽的分配可以采用集中调度方式，或者采用分布调度方式。 对于w m n 而言，研究重点是以路由选择为核心的网络层的设计，路由协 议便成为目前研究的主要方向。根据无线m e s h 网络结构的特点，目前较多的 w m n 路由协议主要遵循以下几个设计原则和思路： ( 1 ) 根据多种路由判据进行路由选择。很多传统的无线网络路由协议都 是基于最少跳数进行路由选择，但是在很多情况下，只采用最少跳数来进行路 由选择并不能选出最优的路由，如网络拥塞发生时。为了使得网络吞吐量最大， 采用何种路由尺度选择策略成为w m n 研究的一个关键性问题。通常r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 也作为一种路由尺度。 ( 2 ) 多径路由。多径技术可以很好地避免单径时的网络震荡影响，在充 分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡、路由迂回和容错等。在其中某条 链路因为信道质量恶化不能正常工作时，其他链路可以继续使用，因此，也可 以在路由故障时，避免路由重建等操作。 ( 3 ) 跨层路由。 路由协议与m a c 协议之间的跨层设计是另一个研究课题。以往的研究都 集中在网络上，结果并不理想。可以从m a c 层提取一些参数信息作为路由判 据，仅仅在m a c 层与路由层之间进行数据交换也许还不够，还可以考虑合并 m a c 与路由层之间的一些功能。文献【5 】基于跨层设计思想，提出了从底层采集 路由判据的方法进行路由选择，考虑了m a c 层冲突、包成功传输率与数据成 功传输率等参数。研究表明，跨层设计可以使路由协议收集到节点底层的实际 数据传输情况，做出正确的路径选择，对网络性能的提高有很大的意义。 l o 第2 章无线m e s h 网络 ( 4 ) q o s 路由。如何为用户提供q o s 保证是当前路由研究的热点问题。 特别是对于实时业务，如何提供q o s 支持更是迫切需要解决。q o s 路由的主 要思想是首先需要选择满足用户各种q o s 要求的到达目的节点的路径；其次， 在路径建立后，若当前路径已经不能满足用户q o s 需求，则节点需要寻找新的 路由。 ( 5 ) 多信道路由。在w m n 中，使用多信道的方式有多种，如单收发器 多信道、多收发器多信道等方式。文献【6 】对多信道与多收发器的方案进行了理 论分析，结果表明能较大地提高w m n 的网络吞吐量。使用多收发器可以在不 需要修改m a c 协议的基础上提升网络性能。文献【7 1 从该观点出发，提出了 m r l q s r 协议，仿真结果表明，该方案能较好的提高网络性能。同时，该协 议提出了适应多信道条件下的路由判据w c e e t ，综合考虑了不同信道上的延 时、带宽等信息。 ( 6 ) 分级路由。分级路由主要解决a dh o e 网络路由协议在网络规模变大， 时网络性能降低的问题。通过分级技术，在簇内与簇间使用不同的路由，分别发 挥其优点，从而实现大规模w m n 路由协议。 ( 7 ) 基于地理的路由。基于地理的路由需要依靠g p s 或类似的定位设备， 从而增加了成本与复杂性，并且获得目的节点的位置信息给网络带来很大开销。 2 3 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络的研究和开发由市场驱动，同时，这些应用又不能直接被其 他无线网络技术( 如蜂窝网、a dh o e 网、无线传感器网络等) 所替代。主要应用 在以下几个方面【引。 ( 1 ) 宽带家庭网 如图2 4 所示，家庭网络的通信可以通过m e s h 网络来实现，而不需接入集 线器。这样也避免了由于回程接入而引起的网络拥塞。 中m 大学硕士学位论文 图2 - 4 w m n 用于家庭宽带网络 ( 2 ) 社区邻居网 w m n 用于社区网络如图2 - 5 所示。传统的社区网络的接入是通过连接无 线路由嚣到线缆或者d s l 调制解调器实现无线的。这种网络访问的缺点是网络 资源利用率低、网络代价高、每个家庭访问i n t e m e t 的路径只有一条。而无线 m e s h 网络通过各户之间灵活的m e s h 连接减少了这些缺点，并且支持如分布式 文件存储、分布式文件访问和视频流等多种应用。 图2 - 5 w m n 用于社区网络 ( 3 ) 企业网 w m n 用于企业网如图2 - 6 所示。企业网使用w m n 与使用标准i e e e 8 0 2 1 1 + 有线以太网的模式相比，可以降低建网成本，提高链路的鲁棒性，减少 第2 章无线m e s h 目镕 网络拥塞，提高企业网的资源利用率，而且还易于企业扩展网络。 白l - 圈2 w m n 用于企业网 ( 4 ) 城域网 w i v l n 用于城域网如图2 7 所示。城域网中使用w m n 有许多好处。首先， 节点物理层的传输速率要比任何蜂窝网高；其次，w m n 不依赖于有线骨干网， 与电缆或者光纤等有线网络相比无线m e s h m a n 更加经济，特别对欠发达地区。 图2 - 7 w m n 用于城域阿 ( 5 ) 传输系统 w m n 用于传输系统如图2 - 8 所示。i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 6 只允许交 通工具在火车站或者汽车站进行通信，而无线m e s h 网络技术可以将网络访问 服务延伸到汽车、火车和轮船，支持乘客信息查询、行程安全远程监视、司机 中m 太学顿l ：学位论立 通信等多项服务。这可以通过交通工具上的无线m e s h 网络和变通工具到 i n t e r n e t 的高速移动访问实现。 削2 - 8 w m n 州于传输系统 ( 6 ) 建筑自动控制系统 w m n 用于建筑自动控制如图2 - 9 所示。目前大楼里面各种用电设各包括 电源、灯、电梯、空调等的控制和监视都是通过标准有线网络完成的，由于有 线网络部署和维护的复杂性使得造价很高。如果楼宇自动控制网络的访问点由 m e s h 蹄由器替代，那么部署费用将大大减少，部署的过程也因为无线路由器之 问的m e s h 连接而变得非常简单。 幽2 - 9 w m n 用于建筑自动控制 ( 7 ) 卫生医疗系统 在医院或者医疗中心，监视和诊断数据由于种种目的需要从一个房间传送 到另外一个房间进行处理。数据传送通常需要宽带，因为高清的医学图片和各 种周期性的监视信息很容易不断地产生大量数据。传统的有线网络只能提供对 第2 章无线m e s h 网络 某些固定医学设备有限的网络访问。基于w i f i 的网络又必须依靠以太网连接， 这增加了系统的代价和复杂性，而且不能保证没有死点。而w m n 则不存在这 些问题。 ( 8 ) 安全监视系统 安全监视系统对企业大楼、购物大厅、杂货商店等随着安全问题日益受到 关注都变成了一种必需。为了在需要的地方配置这些系统，w m n 是一种比连 接所有设备的有线网络更可行的实施方案。因为图像和视频仍然是网络中的主 要传输业务，这种业务需要比其他业务高的多的网络容量。 除了以上这些应用，w m n 也被引入移动通信网，同一基站不同手机用户之 间可直接通过无线a dh o c 进行通信，同一交换中心控制的基站之间也通过多跳 无线形成无线基站网络。这样，它们能有效地减轻基站和交换中心对无线资源 管理和调度的工作量、增加同一基站和同一交换中心内不同用户之间的通信速 度、效率和可靠性。 2 4 本章小结 本章介绍了无线m e s h 网络的特点，无线m e s h 网络跟无线局域网( w l a n ) 、 a dh o e 网络的区别及无线m e s h 网络的关键技术，无线m e s h 网络的应用。由于 无线m e s h 网络结构上的特殊性，有效的路由问题便成为目前研究的热点。下 一章将对无线m e s h 网络的路由协议进行分析。 第3 章无线m e s h 网络路由协议研究 通过上一章对无线m e s h 网络的介绍，我们知道，现有无线m e s h 网络的路 由协议可以借用移动a dh o c 网络的路由协议。即大致分为以下三种：先应式路 由协议；反应式路由协议；混合式路由协议。随着人们对网络服务质量的需要， 需要研究一些新的能对q o s 提供一定保证的适用于w m n 的路由协议，以满足 网络服务应用。相对于单路径协议而言，多路径路由协议在容错，路由可靠性， q o s 路由等方面有很多优势。因此，为了进一步提高无线m e s h 网络的路由质 量，多路径路由逐渐成为近年来的研究热点。下面将对无线m e s h 网络路由协 议、q o s 路由协议及多径路由协议作一一分析。 3 1 无线m e s h 网络路由协议 3 1 1 先应式路由协议 先应式( p r o a c t i v e ) 路由协议又被称为表驱动( t a b l e d r i v e n ) 路由协议，是 一种基于表格的路由协议【9 1 。在这种路由协议中，每个节点维护一张或多张表 格，这些表格包含到达网络中其它所有节点的路由信息。当检测到网络拓扑结 构发生变化时，节点在网络中发送更新消息。收到更新消息的节点更新自己的 表格，以维护一致的、及时的、准确的路由信息。不同的先应式路由协议的区 别在于拓扑更新消息在网络中传播的方式和需要存储的表的类型和数量。先应 式路由协议不断地检测网络拓扑和链路质量的变化，根据变化更新路由表，所 以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。图3 1 是现有的部分先应式路由协 议。 1 7 中山人学硕士学位论文 3 1 2 反应式路由协议 图3 - 1 先应式路由协议 反应式路由协议，又称为按需路由( o n d e m a n dr o u t i n g ) 1 0 】，是一种当需 要时才查找路由的路由选择方式。节点并不保存及时准确的路由信息。当源节 点要向目的节点发送分组时，源节点在网络中发起路由查找过程，找到相应的 路由后，才开始发送分组，为了提高效率，节点可以将找到的路由保存在缓存 中供后续发送使用。图3 2 是现有的部分反应式路由协议。 图3 - 2 反应式路由协议 3 1 3 混合式路由协议 混合式路由是先应式路由跟反应式路由的结合，在局部范围内使用先应式 路由协议，维护准确的路由信息，并可以缩小路由控制消息的传播范围，当目 1 8 第3 章无线m e s h 网络路由协议研究 标节点较远时，使用反应式路由协议查找发现路由。如z r p ( z o n er o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 协议。z r p 协议【l l 】是一种专为多变的通信环境设计的路由协议。 在每个节点定义一个区域，此区域包含一定数量的节点，这些节点的距离( 即 区域半径也就是跳数) 在一个限定范围之内。每一个节点只需要知道它的路由 区域内的拓扑结构，而且随着区域内的拓扑更新而更新。这样，尽管网络很大， 但更新仅在局部进行。由于距离大于1 ，这样区域就要大量重叠，这也是与簇 式分级路由的区别。 若源节点s 要与目的节点d 通信，则s 发送q u e r y 消息，并一级一级 广播下去，直到到达d ，并且d 响应这个请求。q u e r y 消息每经过一个节点， 则在q u e r y 消息中加上该节点的信息。为了限定范围大小并能反应出路由发现 过程，在q u e r y 消息中加入跳数限制，并且每经过一个节点，跳数减1 ，若跳 数为0 ，则丢弃该消息，这样的机制称作路由积累。区域内部采用先应式路由 协议，如d s d v 。可以看到z r p 仅需要一些相对小数量的q u e r y 信息，这些 信息只是发给周边节点的信息。由于区域半径相对于整个网络来说总是比较小， 得知区域内部拓扑的开销只是整个网络很少的一部分。而且，每一个节点存储 的信息也大为减小。另外，z r p 协议比全网的按需路由发现机制要快得多，而 且还会发现去往目的地的多条路由。但是，实施混合式路由也面临着很多困难， 如域的选择和维护、先应式和反应式路由协议的合理选择以及网络工作的大流 量等问题。 3 2 q o s 路由协议 任何服务都需要考虑质量，在通信和计算机网络中，服务质量简称为q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 。q o s 的提出始于a t m 交换机。学术界普遍认为q o s 有 广义和狭义之分：狭义q o s 指技术指标( 传输时延、抖动、丢失率、带宽要求， 吞吐量等) ；广义q o s 指资源调配与利用、层与层之间的协商，从而涉及不同 层次的q o s 13 1 。本文考虑的是狭义的q o s 。 q o s 路由协议是指在具体的路由协议中加入信息的限制，根据网络现有资 源状况来决定传送路径，从而得到更好的数据传输性能，进而保证用户的q o s 需求，或称基于q o s 的路由协议。 1 9 中山大学硕士学位论文 3 2 1q o s 路由指标 q o s 指标一般可分可加性指标，可乘性指标和最大最小化指标三种类型 1 4 】。 假设路径p 包含的节点依次为( i ，j ，k ，m ，n ) ，则p 相应的三类q o s 指标 如下： ( 1 ) 可加性指标：如跳数、成本、链路长度、时延等，其特点是总的值等 于构成这条路径的所有链路的值的和，d ( p ) = d ( i ，j ) + d ( j ，k ) + + d ( m ， n ) ( 2 ) 可乘性指标：如误差率、分组丢失率和链路利用率，其特点是总的值 等于构成这条路径的所有链路的值的积，d ( p ) = d ( i ，j ) d ( j ，k ) d ( m n ) ( 3 ) 最大、最小性指标：这类指标的特点是其总的值等于构成这条路径的 所有链路的值中最大的，如峰值速率或是其总的值等于构成这条路径的所有链 路的值中最小者，如瓶颈带宽。 d ( p ) - - m i n d ( i ，j ) ，d ( j ，k ) ，d ( m ，n ) ) d ( p ) = m a x d ( i ，j ) ，d ( j ，k ) ，d ( m ，n ) ) 在实际网络中常用的参数包括时延，丢失率，带宽等，其相应的计算方法 如下： d e l a y ( p ) = d e l a y ( i ，j ) + d e l a y ( j ，k ) + + d e l a y ( m ，n ) l o s e ( p ) = 1 一( ( 1 - l o s e ( i ，j ) ) ( 1 - l o s e ( j ，k ) ) ( 1 - 1 0 s e ( m ，n ) ) ) b a n d w i d t h ( p ) - - m i n b a n d w i d t h ( i ，j ) ，b a n d w i d t h ( j ，k ) ，b a n d w i d t h ( m ，n ) 在改进后的路由协