（信息与通信工程专业论文）多跳无线网络中可用带宽的估计和预测.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 随着技术的进步和人类对信息服务需求的快速增长，近年来多跳无线网络的 应用急剧扩展。人们要求能在多跳无线网络中进行有服务质量( q o s ) 保证的多媒 体业务传输，使得多跳无线网络中的q o s 研究成为一个重要的热点问题。而可用 带宽信息的获取是多跳无线网络中支持q o s 的一个重要前提，通过可用带宽信息 才有可能实行对带宽敏感业务的q o s 路由、接纳控制和带宽预留等操作，才有可 能最大化地利用网络资源，同时由于可用带宽跟传输延时等其他q o s 参数有着紧 密的联系，获取可用带宽的信息还有助于优化业务其他q o s 参数的设计。本论文 就是围绕着多跳无线网络中的可用带宽问题展开研究。 任何多跳无线网络中都有两个节点间的单跳链路和多个单跳链路组成的多跳 路径这两种主要的连接形态，同时在实行多节点协同通信( 协同m o ) 时网络 中也存在上述两种连接形态。论文针对这些典型应用连接形态下的可用带宽估计 进行了深入研究，建立了更符合实际的分析模型，提出了能提高单跳链路可用带 宽估计准确度的方法，设计了多跳路径上端到端可用带宽通用性的估计算法和预 测算法，并定量地回答了典型协同m i m o 系统在提高带宽容量上的作用。 目前已有的可用带宽估计算法中，要么假设了链路两端节点间获得了理想的 同步，要么在考虑同步问题时假设了链路两端节点周围信道利用情况是相互独立 的，这两种情况都与实际情况存在较大的差别，因而会在可用带宽的估计中引入 明显的误差。为了克服这一问题，我们通过区分由于节点自身的收发和周围节点 发送两种情况分别引起的信道忙的状态，准确地估计链路两端节点的同步概率， 从而提高了单跳链路可用带宽估计的准确度。另外，在实时带宽估计中，估计周 期的选择一直是困扰着目前研究工作的关键问题。如果周期太短，可用带宽的估 计值会出现剧烈的随机波动；而如果周期太长，得到的估计结果将无法反映可用 带宽的快速变化。本文采用卡尔曼滤波结合双边变化检测器的方法成功解决了这 一问题。该方法既可以在可用带宽趋于稳定时消除剧烈的随机波动，又能够在可 用带宽发生变化时迅速跟踪该变化。 当前对多跳无线网络可用带宽估计的研究中所作的假设比较理想化，使得这 些研究结论与实际测试结果有较大的差距。如果充分考虑各种影响因素，又很难 建立系统的、可分析的数学模型。针对这一关键问题，我们提出利用“流内竞争 问题来综合各种实际影响因素，包括由隐藏节点引起的碰撞概率和多速率发送的 情况等被以往相关工作忽略的因素，并将其引入到网络分析中，建立了更符合实 际又利于分析的多跳路径可用带宽估计方法，使得基于此方法的研究结论更加准 确。 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 为了完成对可用带宽的准确预测，本文以i e e e8 0 2 1 l 协议为参考，建立了一 个完整、实用的多跳无线网络分析模型，相对于以往的模型，该模型有以下三个 突出特点：( i ) 它从物理层和m a c 层上考虑了多跳无线网络中可能遇到的更真 实的情况，包括节点周围的干扰、隐藏节点问题、捕获效应、真实的信道环境、 非饱和节点以及多速率发送等，从而使得基于该模型的分析结果更准确； ( i i ) 它 将网络中业务的带宽需求映射到了模型的参数中，从而可以方便地对带宽敏感业 务进行建模分析；( i i i ) 它可以预测性地分析当某一特定带宽的业务进入网络后网 络性能的表现。基于该模型，我们提出和验证了端到端可用带宽预测的迭代算法。 该算法跟以往研究的根本区别是它可以预测新业务进入网络后，一些对可用带宽 估计起关键作用的网络参数的变化，因而可以获得更准确的可用带宽信息。 为了定量分析协同m i m o 带宽容量这一理论上未解决的问题，我们考虑了一 个典型的协同m i m o 系统，首先将其划分为几个经典的通信过程，这样便于我们 充分利用现有的研究成果分别对各个过程进行分析。然后引入“时间效率的概 念来有机地结合各个过程的分析结果，从而完成对协同m i m o 带宽容量的分析， 并且推导出其闭合表达式。以此为工具，我们就协同m i m o 的适用条件和最佳协 同节点个数给出了建议。在对协同m i m o 带宽容量的定量分析的基础上，我们采 用最优化建模和分析方法推导出了多跳协同m i m o 最优的资源分配方案，并定量 地回答了多跳协同m i m o 所能达到的端到端带宽容量。结果表明，采用本文给出 的最优资源分配，相对于平均的资源分配方法，系统端到端带宽容量能够得到超 过2 0 的提高。 题 主题词：多跳无线网络：可用带宽估计；带宽容量；协同m i m o ；最优化问 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ep u r p o s eo fu b i q u i t o u sn e t w o r k i n g ，t h em u l t i - h o pw i r e l e s sn e t w o r kh a sb e e n av i t a le x t e n s i o nt ow i r e dn e t w o r k s w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t h a tr e q u i r eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e e s ，r e s e a r c hi np r o v i d i n gq o ss u p p o r ti n m u l t i - h o pw i r e l e s sn e t w o r k sh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n i nm o s tc a s e s ，o b t a i n i n gt h e i n f o r m a t i o no fe n d t o - e n da v a i l a b l eb a n d w i d t hi st h ef i r s t s t e pt op r o v i d eq o s g u a r a n t e e si nm u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k t m si sd u et ot h a to n l yw i t ht h ei n f o r m a t i o n o fa v a i l a b l eb a n d w i d t hw ec a l ld os o m eq o s a w a r eo p e r a t i o n s ，s u c ha sq o sr o u t i n g ， a d m i s s i o nc o n t r o la n db a n d w i d t hr e s e r v a t i o n ，a n da l s ow ec a l ls u f f i c i e n t l yu t i l i z et h e w i r e l e s sr e s o u r c e f u r t h e r m o r e ，b e c a u s eo ft h es t r o n gd e p e n d e n c eb e t w e e na v a i l a b l e b a n d w i d t ha n do t h e rq o sm e t r i c s ，s u c ha se n d - t o - e n dd e l a y ，o b t a i n i n gt h ei n f o r m a t i o n o fa v a i l a b l eb a n d w i d t ha l s oh e l p st op r o v i d es y s t e m i cd e s i g nf o ro t h e rq o sm e t r i c s t h e p u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st op r o v i d ea l la c c u r a t e ，s y s t e m i ca n ds c a l a b l ea n a l y s i s a p p r o a c hf o re n d t o - e n da v a i l a b l eb a n d w i d t h e s t i m a t i o ni nm u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k s e v e r ym u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r ki s b a s e do ns i n g l e - h o pw i r e l e s sl i n k sa n d m u l t i - h o pr o u t e s ，w h i c ha l s oa p p e a ri nc o o p e r a t i v em i m os y s t e m s w ef i r s ti m p r o v e t h ea c c u r a c yo fa v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o nf o rs i n g l e - h o pw i r e l e s sl i n k s ，a n dt h e n p r o p o s em e t h o d o l o g i e st oe s t i m a t e ，m o d e la n dp r e d i c t t h ee n d t o - e n da v a i l a b l e b a n d w i d t hf o rm u l t i - h o pr o u t e s w ew i l la l s oq u a n t i t i v e l ya n a l y z et h eb a n d w i d t h c a p a c i t yo fat y p i c a lc o o p e r a t i v em i m os y s t e m i nc o n c l u s i o n ，t h em a i nc o n t r i b u t i o n s o ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： w e p r e s e n tan o v e la p p r o a c ht oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ea v a i l a b l eb a n d w i d t h e s t i m a t i o ni ns i n g l e h o pw i r e l e s sl i n k t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i sa p p r o a c hi st h a ti t d i f f e r e n t i a t e st h ec h a n n e lb u s ys t a t ec a u s e db yt r a n s m i t t i n go rr e c e i v i n ga n dt h a tc a u s e d b ys e n s i n g t h i sd i f f e r e n t i a t i o nr e s u l t si nam o r ea c c u r a t ee s t i m a t i o no ft h eo v e r l a p p r o b a b i l i t yo ft h ei d l et i m e sb e t w e e nt w on o d e sa n dc o n s e q u e n t l yam o r ea c c u r a t e e s t i m a t i o no ft h ea v a i l a b l eb a n d w i d t hb e t w e e nt h e s en o d e s a n o t h e rc h a l l e n g ei n a v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o ni st oc h o o s eap r o p e re s t i m a t i o np e r i o d i ft h ep e r i o di s t o os h o r t ，t h ea v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o ns a m p l e sw i l lp r e s e n th i g h f r e q u e n c y v a r i a t i o n so v e rt h ea v e r a g ev a l u e o nt h eo t h e rh a n d ，i ft h i sp e r i o di st o ol o n g ，t h e e s t i m a t e da v a i l a b l eb a n d w i d t hw i l ln o tr e f l e c tt h ed r a s t i cc h a n g ei nt h ea v a i l a b l e b a n d w i d t h t oo v e r c o m et h i sc h a l l e n g e ，w ep r e s e n ta l la p p r o a c hb a s e do nak a l m a n f i l t e ra n dac h a n g ed e t e c t o r 嘶sa p p r o a c ha c h i e v e sb o t h9 0 0 ds u p p r e s s i o no ft h e h i 曲一f r e q u e n c yv a r i a t i o n sa n df a s tt r a c k i n go ft h ec h a n g e si nt h ea v a i l a b l eb a n d w i d t h e s t i m a t i o n w ep r o p o s ea n dv a l i d a t eam e t h o d o l o g yt oa n a l y t i c a l l ye s t i m a t et h ee n d - t o - e n d 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a v a i l a b l eb a n d w i d t ho fag i v e nr o u t ei nam u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k t od ot h i s w e f i r s tf o r m a l l yp r e s e n tt h ec a l c u l a t i o no ft h eh i d d e nn o d ec o l l i s i o np r o b a b i l i t ya l o n ga r o u t e w et h e np r o p o s ea no p t i m i z a t i o np r o b l e mm o d e l ，w h i c ht a k e si n t oc o n s i d e r a t i o n t h ec o n t e n d i n gl i n k s i n t e r f e r e n c e ，h i d d e nn o d ec o l l i s i o na n dt h ep o s s i b l ec h a n n e lb i t r a t ed i f f e r e n c eb e t w e e nl i n k si no r d e rt oa c c o u n tf o rar e a l i s t i cs c e n a r i o a tl a s t , w e c a l c u l a t et h ee n d - t o e n da v a i l a b l eb a n d w i d t hv i a t h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d t h ep r o p o s e d m e t h o d o l o g yi sv a l i d a t e dw i t he x t e n s i v es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n ds h o w nt op r o d u c e a c c u r a t er e s u l t sw h e na p p l i e di naw i r e l e s sm u l t i - 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k n o w nc a p a c i t yt h e o r e m s a f t e ri n t r o d u c i n gt h ec o n c e p to f 缸l e e f f i c i e n c y w ei n t e g r a t et h ec o m p o s i t es y s t e ma n dd e r i v et h ec l o s ef o r me x p r e s s i o no f i t ss h a n n o nc a p a c i t y b a s e do nt h i se x p r e s s i o n ，w eg i v es o m er e c o m m e n d a t i o n so n w h e na n dh o wt ou s ec o o p e r a t i v em i m oa sw e l la so nt h eo p t i m a ln u m b e ro f c o o p e r a t i v en o d e s b a s e do nt h eq u a n t i t i v ec a p a c i t ya n a l y s i s ，w et h e nd e r i v ea no p t i m a l r e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g ya n dt h u so b t a i nt h eo p t i m i z e de n d - t o e n dt h r o u g h p u to f 乱 m u l t i - h o pc o o p e r a t i v em i m os y s t e m n es t r a t e g yi so b t a i n e db ym o d e l i n gt h ep r o b l e m t oa no p t i m i z a t i o np r o b l e m ，w h i c hi ss o l v e db yo u rm a t h e m a t i cd e r i v a t i o n t h ea n a l y s i s g i v e st h eq u a n t i t i v ee n d - t o - e n dc a p a c i t yo ft h em u l t i h o pc o o p e r a t i v em i m os y s t e m i t a l s os h o w st h a tw i t ha no p t i m a lr e s o u r c ea l l o c a t i o n ，t h ee n d t o - e n dt h r o u g h p u tc a nb e i n c r e a s e db y2 0 w h e nc o m p a r e dw i t ht h ee q u a lr e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g y k e yw o r d s ：m u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k s ，a v a i l a b l eb a n d w i d t he s t i m a t i o n ， b a n d w i d t hc a p a c i t y ，c o o p e r a t i v em i m o ，o p t i m i z a t i o np r o b l e m 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b a d r b e r c c c d m a c 承 c s m a c a d c f d s d s s s 环s l t e m a c m 眦o n 斟 o s p f p l c p p g m p r m q o s r s s i s 、s s n r v l s 啪。a n 英语缩略词 a v a i l a b l eb a n d w i d t h a s y m p t o t i cd i s p e r s i o nr a t e b i te r r o rr a t e c o n t e n t i o nc o u n t c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a r r i e rt oi n t e r f e r e n c er a t i o c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s | c o l l i s i o na v o i d a n c e d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n d c fi n t e r f r a m es p a c e d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m i n t e r f r a m es p a c e l o n gt e r me v o l u t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t p h y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o c e d u r e p r o b eg a pm o d e l p r o b er a t em o d e l q u a l i t yo fs e r v i c e r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n s h o r ti n t e rf r a m es p a c e s i g n a lt on o i s er a t i o v a r i a b l el e n g t hs l o t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 可用带宽 渐进传播速率 误比特率 竞争数 码分多址 载波干扰比 载波侦听多路访问， 冲突避免 分布协调功能 d c f 帧间隔 直接序列扩频 帧间隔 长期演进 媒介访问控制 多输入多输出 网络分配向量 开放最短路径优先 物理层会聚协议 探测包间距模型 探测包速率模型 服务质量 接收信号强度指示 短帧间隔 信噪比 可变长度时隙 无线局域网 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表2 1 典型的8 0 2 11 网络物理层和m a c 层参数2 7 表4 1 符号定义5 5 表4 2 最优化问题求解过程6 2 表5 1 预测带宽可行性的算法- 8 4 表5 2 端到端可用带宽预测算法8 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 多跳无线网络的两类基本结构1 图1 2 物理层链路自适应算法的分类框图。3 图1 3m a c 层区分服务算法的分类框图。4 图1 4q o s 路由协议的分类框图5 图1 5 系统级q o s 模型和信令机制的分类框图5 图1 6 多跳无线网络中可用带宽估计方法总结框图1 2 图2 1i e e e8 0 2 1 1d c f 的基本访问模式一1 9 图2 2 隐藏节点示意图2 0 图2 3 改进后的8 0 2 1 1d c f 马尔可夫模型2 1 图2 4 构建无线网络竞争图举例2 2 图2 5 竞争图中忽略的一种情况2 3 图2 6 竞争图可以消除非活动节点的影响2 4 图2 7 第一个典型不公平现象2 5 图2 8 第二个典型不公平现象2 5 图2 9 研究对象示意图2 6 图2 1 0 可“j 变化曲线的一个例子2 8 图3 1 发送节点和接收节点信道间的同步情况3 1 图3 2 评估场景3 2 图3 3 评估结果3 4 图3 4 无线节点的状态转化图3 5 图3 5 节点感知到的信道状态示意图3 6 图3 6 发送节点和接收节点周围信道利用情况的关联性示意图3 8 图3 7 可用带宽估计方法性能评估4 0 图3 8 可用带宽实时估计结果4 2 图3 9 不同估计周期对结果的影响4 3 图3 1 0 卡尔曼滤波器的工作流程4 4 图3 1 1 滤波器跟踪变化的能力4 5 图3 1 2 卡尔曼滤波器性能测试4 6 图3 1 3 可用带宽实时估计模块4 6 图3 1 4 目标链路。4 7 图3 1 5 仿真结果4 8 图3 1 6 估计误差比较4 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 理想的分组调度5 2 图4 2 端到端可用带宽理想值与仿真值间的差异二。5 3 图4 3 隐藏节点问题5 4 图4 4 多跳路径示意图5 5 图4 5 事件e l 发生的两种情况5 7 图4 6 事件易发生的两种情况5 8 图4 7 多跳路径的竞争图5 9 图4 8 每跳链路的归一化剩余信道时间随j c 5 的变化曲线6 3 图4 9 评估实验的网络拓扑设置6 7 图4 1 0 两条目标路径的可用带宽随着五发送速率的变化情况6 7 图4 1 1 接纳控制评估结果6 8 图4 1 2 多跳路径的端到端带宽容量6 9 图4 1 3 多跳路径端到端吞吐量随输入负载的变化7 0 图4 1 4 多速率情况下7 跳路径的端到端带宽容量7 2 图5 1 模型整体框架7 6 图5 2 链路状态示意图7 7 图5 3 多跳路径上的分组发送示意图8 1 图5 “言道参数估计方法的准确性测试8 3 图5 5 评估结果8 6 图5 6 随机拓扑8 7 图5 7 网状拓扑8 8 图5 8 网络的最佳工作点8 9 图5 9 利用捕获效应能增加网络吞吐量8 9 图5 1 0 消除隐藏节点能增加网络吞吐量9 0 图5 1 l 算法收敛性测试9 1 图6 1 典型协同m i m o 的系统模型9 4 图6 2 协同m i m o 带宽容量数值计算流程图9 8 图6 3 协同m i m o 带宽容量随组间信噪比的变化曲线( m = n ) 9 9 图6 4 协同m i m o 带宽容量随组间信噪比的变化曲线( m n ) 9 9 图6 5 协同m i m o 带宽容量随组内信噪比和组间信噪比的变化曲面1 0 0 图6 6 协同m i m o 带宽容量随组内信道比的变化曲线1 0 0 图6 7 不同协同节点个数下的“容量一功耗效率”曲线图。1 0 1 图6 8 多跳协同m i m o 系统示意图1 0 2 图6 9 多跳协同m i m o 最优资源分配方案及其端到端带宽容量的计算流程1 0 6 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 1 0 最优资源分配的效果一1 0 8 图6 1 1 最优资源分配跟平均资源分配的比较1 0 9 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：垄匙玉缦圆鳖生互周鲎宽鲍毡进狸亟测 学位论文作者签名：三乞上虹 日期：二呷年，口胄7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 叁区囱 数勘电 日期：q 年，。月夕日 帆叫年嗍尹日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 多跳无线网络中的节点通过无线链路以多跳的方式进行通信【l l 。随着人们对信 息服务需求的快速增长，近十年来多跳无线网络的研究和应用得到不断扩展。以 往人们对多跳无线网络的研究主要集中在如何高效地为网络中的节点提供充分连 接上，而随着网络中有服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求的多媒体业务逐渐 增多，如何支持和保证业务的q o s 要求成为多跳无线网络研究中亟待解决的问题。 在多跳无线网络中，获取传输路径上的可用带宽信息，是支持和保证业务q o s 的 重要前提。 1 1 1 多跳无线网络发展概况 f r 兮、龟r 戳胪 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 而m e s h 则采用网状拓扑结构，在用户间可能存在多个链接，并且其中任何一个用 户可以充当其他用户的路由器。这两类基本结构也可能出现在同一个网络内。 相对于有线网络和单跳无线网络，多跳无线两络具有以下几点优势1 6 j 1 ： ( 1 ) 能够花费较低的成本快速建立网络。 ( 2 ) 能够方便地为无法采用有线链接的区域提供网络覆盖。 ( 3 ) 由于多跳中继，能够延伸单个接入点的网络覆盖区域。 ( 4 ) 在合适的条件下，它能够增大吞吐量。特别是在多速率协议下，通信节 点会根据他们之间信道的状况来调节发送速率，而信道的状况与通信距离有着紧 密的联系。距离较远的两个节点，通过位于他们中间节点的中继来实现多跳通信， 从而用多跳高速率通信来代替单跳低速率通信有可能会提高传输吞吐量。 ( 5 ) 在合适的条件下，它还能够延长节点的电池寿命。由于多跳传输，相对 与单跳直接传送，可以采用较低的发送功率，因而可以延长无线节点的电池寿命。 利用多跳无线网络的优势，人们可以充分享受无处不在的网络服务。有鉴于 此，近年来学术界和工业界均对多跳无线网络进行广泛的研究和应用。早期的研 究包括麻省理工的r o o f n e t 【8 】，微软的m u p 【9 】，印度的数字恒河平原项目( d g p ) u o 】以及加州大学跟贝尔实验室联合提出的统一的蜂窝和a dh o e 网络结构 u c a n t l l 】。这些研究完善了多跳无线网络中的相关理论和体系结构，为其进一步 实用化提供了坚实的基础。而随着技术的发展，多跳网络技术也越来越接近人们 日常的实际应用，比较典型的成果是“社区无线网络”1 1 2 - 1 4 1 。它采用多跳无线网 络的形式，来替代电缆调制解调器和数字用户线路技术，提供到用户的“最后一 公里 网络接入。这一成果很好地验证了多跳无线网络在实际应用中的优势。因 而，近来一类被称为厅无线骨干网 【1 5 1 6 】的多跳无线网络也逐渐成为了多跳无线 部署和专用商业网络解决方案中的关注点。台北的m - t a i p e i 计划【1 7 】就是在w i - f i m e s h 中使用多跳来覆盖整个城市的区域，使其在2 0 0 6 年成为世界上第一个大范 围应用w i f i 的城市1 。另外，在大范围的无线传感器网络中，多跳无线通信也成 了唯一可行的解决方案【l 引。其他多跳无线网络的应用还包括商业电视网络和基于 卫星的a dh o e 广播网络等u 圳。 在多跳无线网络的设计中首先需要解决联通性问题，即如何高效的为网络中 的节点提供充分连接。在过去的研究中，很大一部分工作是围绕解决这个问题进 行的，特别是无线路由协议设计等。但仅仅解决联通性问题是不够的，因为随着 人们需求的提高，网络中有q o s 要求的业务( 例如网络视频、视频通话或视频会 议、网络游戏等) 也逐渐增多，所以人们希望这些多跳无线网络还能够提供对业 务q o s 的支持。因此，在无线网络中提供q o s 支持成了亟待解决的问题。 1 据w a l ls t r e e t j o u r n a l2 0 0 6 年1 月1 9 日报道。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 需要指出的是，由于i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议很好的解决了无线网络中节点的 接入问题，而且i e e e8 0 2 1 1 无线网络的大规模部署也使其在未来以“无处不在 为目标的无线网络系统中起到关键作用 2 0 1 ，因而基于i e e e8 0 2 1 1m a c 协议的多 跳无线网络很自然地成为人们关注和研究的热点 6 , 2 1 俐。正因为此，本论文的研究 也主要针对基于i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议的多跳无线网络。 1 1 2 无线网络支持q o s 的研究概况 显然，无论无线网络技术如何发展，无线网络中的资源总是受限的，因而在 无线网络中提供q o s 支持是有挑战性的工作。研究者们已经就此工作做出许多卓 有成效的努力，这些研究成果主要集中在四个层次上，那就是物理层的链路自适 应、m a c 层的区分服务、网络层的q o s 路由协议以及系统级的q o s 模型和信令 机制。 1 物理层链路自适应 物理层链路自适应的思想是使节点根据信道质量选择合适的数据发送速率或 者发送测