（通信与信息系统专业论文）基于80211的无线网状网路由与传输技术研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文摘要 摘要 无线网状网是一种具有网状拓扑结构的分布式网络，其通信依靠节点之间的相互协作， 以无线多跳的方式为终端用户提供因特网的接入服务。无线网状网由于具有高容量、高速率、 低成本以及扩展性强等众多优点，近年来受到了业界和学术界的广泛关注，具有非常广阔的 应用前景。然而，网状的拓扑结构、多接口多信道的节点配置以及复杂的无线环境，使得无 线网状网所能达到的传输性能还远不能满足用户的需求。因此，作为提高无线网状网系统性 能的关键技术，路由与传输协议的改进成为目前的研究热点。 基于对无线网状网技术的认识与研究，本文围绕路由与传输技术相关的无线网状网路由 协议、网络编码和拥塞控制等问题，进行了深入细致地分析和探讨，并取得了一定的成果。 论文的主要研究内容与创新成果归纳如下： 第一，首先对无线网状网的相关背景与研究现状进行j 综述。无线网状网是一种新型的 无线接入网技术，在各个网络层次上都有很多值得研究的问题存在，特别是路由与传输技术 对于提高无线网状网系统性能起着举足轻重的作用，因此论文重点分析了现有路由和传输协 议的相关成果以及所面临的问题。 第二，介绍了无线网状网中现有的路由协议，针对路内托据这一当前热点问题展开研究， 在归纳和分析几种具有代表性的路由判据基础上，提出了一种多判据的无线网状网路由算法 m e l l ( r o u t i n gm e t r i co ne t x ，i n t e m r e n c ea n dl 0 a d ) 。m e i l 将无线链路的质量，同频信道 之间的干扰以及节点的负载情况综合起来考虑，作为路由选择的判据使得数据包可以沿着 丢包率少、干扰低、负载轻的路径传输，有利于提高网络性能。仿真结果表明，相比于其他 常见的路由算法，m e i l 能够产生较好的吞吐量与时延特性。 第三，为了解决现有的无线网状网路由协议在实际无线信道环境下性能降低的问题。提 出了一种基于概率路由思想的s p i 心( s i m p l ep r o p o n i o n a lr 0 u t i n gp r o t i 0 1 ) 协议。s p r p 预 先建立好以网关节点为根节点的路由树，当数据包到达时，根据无线链路当前的丢包率与节 点中预存的子节点集合，动态选择下一跳节点，减轻了链路质量突变对路由协议的影响。同 时，由于报文是经过多条可能的路径到达目的节点，从而平衡了网络中节点的负载状况。仿 真结果表明，s p i 姆能够在信道质量不稳定的情况f ，有效提高系统吞吐量，降低业务延时。 第四，在研究网络编码相关理论知识的基础上，针对现有的网络编码技术在无线网状网 中的应用问题进行了深入的探讨，并提出一种基于业务优先级的概率编码策略p n c p ( p r o p o r t i o n a l m o r kc o d i n gw i t hp r i o r i t y ) 。p n c p 主要考虑到无线网状网中业务类型的差 第1 页 中国科学技术大学博上学位论文 摘要 异较大，并且报文的到达过程通常具有随机性的问题，使节点为优先级不同的业务流分别维 护缓存队列，根据业务自身的优先级和当前队列的状态，灵活的选择是否进行网络编码。利 用马尔可夫链建立了节点缓存队列的状态转换模型，并在此模型下推导出丢包率、队列长度、 延时等参数的理论值。理论分析和仿真结果都验证了p n c p 简单高效的编码策略使其在几乎 不影响网络编码优势的前提下，较大幅度的改善了系统性能。 第五，无线网状网中信道衰落、地理环境等因素会导致随机丢包现象的频繁出现，传统 的t c p 拥塞控制机制由于无法判断丢包原因。往往会不必要的减小拥塞窗口，导致吞吐量 无法得到提高。文中提出了一种根据回路响应时间r 1 r r ( r o u n d t r pt i m e ) 的变化进行拥 塞控制的算法m r b r ( m o d i f i e dr e n ob 邪e dr 1 r r ) 。m r b r 在慢启动阶段根据r 1 v r 值进行带 宽估计，避免网络发生拥塞时连续多个报文的丢失。在拥塞避免阶段，利用r 1 广r 值实时估 算网络拥塞等级，区分拥塞丢包与随机丢包，并相应的改变拥塞窗口的大小，仿真的结果也 显示出m r b r 算法的性能优势。 关键词：无线网状网，路由协议，网络编码，拥塞控制 第1 i 页 中同科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t aw i r e l e s sm e s hn e “v o r k ( w m n ) i sad i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fm e s ht o p o l o 勖i nw h i c ht h e c o m m u n i c a t i o 眦b e 铆e e nn o d e s 他l yo nm u t u a lc o i l a b o r a t i o ni nw i r e i e s sm u l t i h o pm 锄e r ，t o p r a i v i d ei n t e m e ta c c e s sf o re n d - u s e r s w r n sh a v er e c e n t l yf e c e i v e dag r e a td e a lo fg i o b a l a t t e n 虹0 nb e c a u s eo fi t sa d v 锄住喀e so 仆i 曲c a p a c 咄h i 曲d a t am t e ，i o wc o s t 锄d9 0 0 ds c a l a b i l i 够 h 0 w e v e r ， t h em e s hn e t w o r k t o p o i o g y m u l t i - r a d i 0m u l t i c h 锄n e l c o n f l g u r a t i o n ， 锄dt i l e c o m p l e x i t yo fw i r e l e s se n v i r o n m e n tm a k et i l es y s t e mp e r l o 珊锄c e 叽mf o rt l er e q u i r e m e n to f 璐e 幅s ot h ed e s i 鲈o fr o u t i n g 舭dn 锄s m i s s i o np m t o c o i si sc r i t i c a lt ot h ep e 而唧a n c eo fw i r e l e s s m e s hn e t w o r k s ，a n di th a l sb e e n 卸a c t i v ea r e ao fr e s e a r c hr e c e n t l y f o c u do nt h em e s hr o u t i n g 锄dt r 锄s m i s s i o n ，t h i sd i s n a t i o nd i s c u s s 粕d 锄a l y 笳st h e p r o b l e m so fr o u t i n gp r o t o c o l ，n e t 、v o r kc o d i n ga n dc o n g e s t i o nc o n t r o l i nd e t a j l m a i nc o n t e n t s 锄d i n n o v a t i o 岫棚- el i s t e da sf o n o w s ： i ) t h eb a c k g r o u n d 卸dr e s e a r c hs t a t l j so fw m n sa r cr e v i e w e df i r s t l y p r o b l e m sw i t h i n e a c hl a y e r e s p e c i a l l yi nr o u t i n g 锄d 饥m s m i s s i o nl a y e 峨a r ei n t 刚u c e d 2 ) t 1 1 es t u d yo fe x i s t i n gr o u t i n gp r o t o c o l si nw m n ss h o w st h a tt h es e l e c t i o no fr o u t i n g m e t r i c si sv e 叮i m p o n a n t ar o u t i n gp r m o c o ln 锄e dm e i l ( r o u t i n gm e t r i co ne t x ， i n t e r f e r e n c ea n dl o a d ) i sp r o p o s e di nc h 印t e r3 m e i ld e s i g 眦r o u t i n gm e t r i c s c o r d i n gt 0t h ew i r e l e s si i n ki o s s ，i n t e m r e l l c eb e t w e e nc h a n n e i s 嬲w e l l 舔t h el o a do f w i r e l e s sm e s hn o d e s t h e ni tc h o o s e st h ep a t hw i t hl o w e ri o s s ，s m a l l e ri n t e r f e r e n c e 锄d i i g h t c rl o a d s i m u l a t i o n 佗s u l t ss h o wt h a ti ti m p r 0 v e st h et h r o u g h p u to fw i r e i e s sm e s h n e t w o r ke 币c i e n t l y 3 )c o n s i d e r i n gt h ei n s t a b i i i 够o f “n kq u a i i 吼c h 印t e r3 a l s op r e s e n t san o v e lr o u t i n g p r o t o c o ln 锄e ds p f u p ( s i m p i ep r o p o n i o n a lr o u t i n gp r o t o c o i ) s p r pc o n s 们c t sa s p a l l l l i n gt r e eb a s e do nt h eg a t e w a yn o d ei na d v 锄c e nd o e s n tc h 0 0 t h e “b e s tp a t h ”， b u ts e i e c t sn e x th o pf o ras i n g l ep a c k e ta c c o r d i n gt ot h ew i r e l e s sl i n kl o s sa tt h a ti m t a n t i nt h i sw a 弘s p r pc 锄e f f i c i e n t i ym i t i g a t et h ei m p a c to f h i g hl o s sr a t e s 勰db a l a n c et 1 1 e l o a do fn o d e s s i m u i a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ts p f u po u t p e 晌m so t h e rc o m m o nr o u t j n g p r o t o c o l sw i t hb e t t e rp a c k e td e l i v e d ，r a t i oa n dl e s se n d - t 0 e n dd e l a y 第1 i i 页 中国科学技术大学博上学位论文absn认ct 4 ) b a s e do nt h er e s e a r c ho fn e t w o r kc o d i n g ，c h a p t e r4p r o p o s e sap r o p o n i o n a ln e t w o r k c o d i n gw i t t lp r i o r i t y ( p n c p ) m e t h o d c o n s i d e r i n gt h ed i v e r s i t yo ft r a 伍cf l o w sa n dt h e s t o c h a l s t i cn a t u r e0 ft h ep a c k e ta r r i v a lp r o c e s si nw i r e i e s sm e s hn e t w o r k s ，p n c pk e e p s d i 疗e r e n tq u e u e si nn o d eb u 位rf o rd i 仃e r e n tf l o w s w h e t h e rap a c k e ti st r a n s m i 讹dw i t h o rw i t h o u tn e t w o r kc o d i n gi sd e t e m l i n e db yi t sp r i o r i t ya n dt h eq u e u es t a t e am a r k o v c h a i nm o d e li sf b m l u l a t e dt oa n a l y z ep n c p sp e 响n n a n c ei nt e m so fd e l a ya n dp a c k e t l o s s t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp n c pp r o d u c e sb e t t e r p e r f b m l a n c et h a nt h ec u r r e n ts t r a t e g yw i t h o u td e 伊a d i n gt h ep r e d o m i n a n c eo fn e t w o r k c o d i n g 5 ) t h ea p p l i c a t i o no ft c po v e rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k si sac h a l l e n g i n gw o r kd u et oh i g h b i te r r o rr a t e s c h a p t e r5p r o p o s e dac o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m em r b r ( m o d i f i e dr e n o b a s e df 汀t ) i ns i o ws t a np h a s e ，m r b re s t i m a t e st h eb a n d w i d t hu s i n gr t tt 0a v o i d s e q u e n t i a lp a c k e t sl o s s i nc o n g e s t i o na v o i d a n c ep h a s e ，m r b re s t i m a t e sc o n g e s t i o n l e v e lb yr ? i 1 r d i s t i n g u i s h e sb e t w e e nw i r e l e s sl i n ke r t o ra n dn e t w o r kc o n g e s t i o n ，a sw e l l 嬲c h a n g e st h ec o n g e s t i o nw i n d o ws i z e n e t w o r ks i m u i a t i o ns h o w st h a tm r b r i m p r 0 v e st h et h r o u 曲p u to f w i r e l e s sm e s hn e i w o r k s k 呵w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e m o r k ，r o u t i n gp r o t o c o i ，n e t 、v o r kc o d i n g ，c o n g e s t i o nc o n t r o l 第1 v 页 中国科学技术大学博七学位论文 图目录 图目录 图2 1 典型的无线网状网拓扑结构图7 图2 2 无线网状网平面结构图8 图2 3 无线网状网多级结构图。9 图2 - 4 无线网状网混合结构图l o 图2 5 m r 节点启动顺序图1 2 图2 - 6 8 0 2 1 l sm a c 帧格式示意图1 3 图2 - 7 传统t c p 拥塞控制的状态转移图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图4 - l 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 链路带宽对路由选择的影响3 l 无线信道对路由选择的影响3 2 室外实验拓扑图：3 2 室内实验拓扑图：3 3 w c e t t 实例图3 7 m e i l 协议仿真拓扑结构图4 2 无背景流量时t c p 吞吐量示意图4 3 有背景流量时t c p 吞吐量示意图“ c b r 流分组到达率示意图4 5 u 1 ) p 端到端延时示意图4 6 树型拓扑结构示意图4 9 c b r 流分组到达率示意图5 3 方差比较图5 3 网格状仿真拓扑结构图5 4 u d p 分组到达率示意图5 5 u d p 端到端延时示意图5 5 t c p 吞吐量示意图5 6 有向加权图g 6 l 蝶形图6 4 节点线性编码示意图6 5 线性网络编码的系统框架图6 6 发送分组时的系统框架图6 6 无线网络中应用网络编码的示例图6 8 随机编码示例图7 0 x 型网络拓扑图7 3 中间节点r 缓冲区的队列模型图。7 4 p n c p 编码策略示意图7 4 队列l 的马尔可夫链状态示意图7 6 节点r 缓冲区的马尔可夫链状态示意图7 8 第页 中国科学技术大学博十学位论文 图目录 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 l 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 节点，中队列l 的平均长度。8 l 节点，中队列2 的平均长度8 l 节点，总的平均队列氏度8 2 数据d 的丢包率8 2 数据d 的丢包率8 2 节点，总的丢包率8 3 编码比例示意图8 4 系统丢包率示意图8 4 报文平均等待时间示意图8 5 p n c p 与c o p e 编码比例比较图8 6 p n c p 与c o p e 丢包率比较图8 6 p n c p 与c o p e 报文平均等待时间比较图。8 7 m r b r 算法的状态转移图9 6 仿真拓扑结构图9 7 r e n o 拥塞窗口示意图矗9 7 m r b r 拥塞窗口示意图9 7 拥塞窗口均值方差比较图9 8 吞吐量比较图9 9 m r b r 与r e n o 的公平性示意图1 0 0 m r b r 与r e n o 的友好性示意图1 0 0 多跳仿真拓扑图1 0 l 2 跳接入时拥塞窗口均值方差比较图1 0 2 2 跳接入时吞吐量比较图10 2 3 跳接入时拥塞窗口均值方差比较图1 0 3 3 跳接入时吞吐量比较图1 0 3 4 跳接入时拥塞窗口均值方差比较图1 0 3 4 跳接入时吞吐量比较图1 0 4 改变骨干节点丢包率对系统吞吐量的影响1 0 4 第x 页 中国科学技术大学博士学位论文 表目录 表目录 表1 1无线网状网与移动a dh o c 网络、w l a n 以及蜂窝网络性能对比3 表3 - 1t c m p 业务的平均带宽( m b p s ) 。3 2 表3 - 2 t c p u d p 业务的平均带宽( m b p s ) 。3 3 表3 3s p i 冲协议的路由表项4 9 表3 - 4 更新后节点也的路由表形式( 鸠 口) 5 1 表4 1理论分析值与仿真结果的对比8 3 表5 1拥塞程度的等级划分9 5 表5 - 2根据拥塞等级确定c w n dl e v e l 的取值9 5 第x i 页 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 壅聋 细墨年5 月日 中国科学技术大学博士学位论文第l 章绪论 1 1 无线网状网简介 第1 章绪论 1 1 1 无线网状网的背景及定义 近年来，通信领域的高速发展已经将人们带进了一个前所未有的信息化时代，人们对网 络通信的需求也在不断提高，希望不论何时、何地、与何人都能够进行快速、准确的通信。 在这种情况下，蜂窝移动通信、无线局域网( w r e i 懿sl 0 c a l a a n e t 、v o r kw l a n ) 、无线自 组网( w l e s sa dh o cn e t 、v o r l ( s ) 、无线城域网( w 硎d w i d ei n t e r o p e r a b i l 时f o rm i c r o w a v e a c c 嚣s ，厅m 戤) 等无线技术应运而生，并且得到了迅速的发展。 由于无线局域网具有较高的数据传输速率，在接入网领域得到了广泛的应用。但实际上， 接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 仍然是通过有线电缆接入到因特网中，不仅需要安装费用的支出， 还降低了网络的灵活性，限制了网络拓扑改动以及网络的改造和升级。并且，随着用户对带 宽、可靠性需求的不断提高，标准的w l a n 网络通信模式的局限性逐渐显现。从网络结构 上看它是一种单一的星型网络连接，额外节点的加入意味着更多的竞争和冲突，单个节点 可享受的网络带宽逐渐降低。而且由于链路噪声和传输错误，有效传输速率还会随着传输距 离的增加而减少。在实际应用中，w l a n 所能覆盖的范围较小，并且只能架设在有线网络 的边缘。 无线多跳网络能够通过多个站点的中继传输来提供更大范围的无线网络覆盖，降低网络 部署成本。移动a dh o c 网络作为无线多跳网络的典型代表，最初是为军事用途而设计的， 它不依赖于任何固定基础设施，具有移动性、临时性、多跳性、动态性、自组织性、分布性 和开放性等特征，十分适用于战争、救援等特殊的紧急场景。受设备移动性以及处理能力等 限制，移动a dh o c 网络主要关心的是网络可用性问题。而在民用通信领域中，用户渴望获 得高质量且稳定的因特网接入服务，关注于系统的吞吐量、带宽等服务质量问题，因此人们 把目光转向一种全新的网络结构一一无线网状网( w i r e i e s sm e s hn e t 、v o r i 瓯w m n ) l l 】l 羽。它 是一项能够实现灵活组网的技术，其核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收 信号，它的出现代表无线网络技术的又一大跨越，有着极为广阔的应用前景。无线网状网是 从移动a dh o c 网络中分离出来，并承袭了部分w l a n 技术的新的网络技术。严格地说，无 线网状网是一种新型的宽带无线网络结构，一种高容量、高速率的分布式网络，与传统的无 线网络有较大的差别。无线网状网中通常会有一个或多个网关节点与因特网高速相连，对于 第l 页 中国科学技术大学博士学位论文 第l 章绪论 网关节点信号覆盖之外的区域，普通的网状网节点负责来往业务的中继或转发，因此每个节 点都是骨干网络的一部分，并且随着网络中节点数目的增加，网络的覆盖范围以及灵活性也 会随之增加。 无线网状网可以看作是、l a n ( 单跳) 和移动a dh o c 网络( 多跳) 的融合。在网络拓 扑上，无线网状网与移动a dh o c 网络相似，但网络中大多数节点基本静止不移动，不用电 池作为动力，拓扑变化较小；在单跳接入上，无线网状网一般不是作为一个独立的网络形态 存在，而是i n t e m e t 核心网的无线延伸，因此可以看成是一种特殊的w l a n 。无线网状网由 于发挥了两者的优势，具有较高的可靠性、较大的伸缩性、较强的自愈性和较低的投资成本， 必将成为下一代无线网络的技术热点。 当前，无线网状网受到国际标准化组织和业界的普遍关注。2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 l 无线局域网工作组正式专门成立了网格研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了网 格任务组( m e s h 协kg r o u p ) 8 0 2 1 l s 【3 1 ，主要研究支持无线分布式系统( w r e l e s sd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，w d s ) 的协议，制定i e e e8 0 2 1 l 网状网功能的标准规格，以实现无线局域网中多 个无线接入点之间通过自动配置拓扑的方式组网。这标志着无线网状网技术正式迈上了标准 化道路。另外，其他工作组如i e e e8 0 2 1 5 、8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 等也致力于制定支持网状模式 的多跳通信标准。业内也普遍看好这种组网方式灵活的无线网络技术，美国 t e l e c o m m u n i c a t i o n s 杂志更是把它评选为2 0 0 4 年l o 大热门通信技术之一【4 j 。 无线网状网的应用领域十分广泛，它可以为家庭、企业、学校、医院等用户提供因特网 的无线宽带接入服务，同时还可以应用于临时集群通信系统，为警察、消防、展览会、交易 会或灾难救援现场等提供应急通信服务，与其他无线技术( 如固定无线接入、无线局域网、 卫星接入、蜂窝网、传感器网络) 的进一步融合将使无线网状网具有更为广阔的应用前景。 1 1 2 无线网状网的优点 无线网状网与其他拓扑结构的无线网络相比，具有如下显著的优点【2 l ： 带宽高 无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传 输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素也随之增加。因此选择经多个短跳来传 输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是无线网状网的优势所在。 非视距传输 通过网格状方式的网络连接，与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接 收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一 第2 页 中国科学技术大学博士学位论文第1 章绪论 个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户 实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能，因此在室外和公共场所有着广 泛的应用前景。 健壮性强 在w l a n 和蜂窝网等点对多点星型结构的网络中，由于采用集中控制的方式，容易出 现业务汇聚、中心网络拥塞以及干扰、单点故障等问题。而在无线网状网中，由于采用了网 状拓扑结构，节点之间通常存在大于一条的可用路径，因此显著提高了网络的可靠性。 覆盖范围大，扩展性好 在无线网状网中，终端用户可以在任何地点接入无线路由器，以多跳方式与其他节点通 信，与传统的网络相比，其覆盖范围扩大，频谱的利用率也得到提高。并且可以在较少的前 期投资下，根据需要部署新的无线设备，即可与已有的设施组成无线宽带接入网，逐步扩展 网络的覆盖范围。 链路干扰小 在单信道网络环境下，由于对共享信道的竞争，邻近区域禁止两个节点的并发传输，从 而造成单信道情况下多跳连接的带宽大幅度下降。为解决这一问题，无线网状网中的节点采 用了特有的多接口多信道配置，相邻区域内的无线链路使用的是不同的正交信道。减轻了射 频信号问的干扰，增大了系统容量。 具有负载均衡功能 在单跳网络中，网内设备必须共享。如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥 塞并导致系统运行速度降低。而在多跳的无线网状网络中，每个设备都有多个传输路径可用， 网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信 拥塞。 1 1 3 无线网状网与其他无线网络的区别 无线网状网与移动a dh o c 网络、w l a n 以及蜂窝网络相比，具有一定的相似之处，但 是它们仍然存在一些各自的特点。表1 1 给出了无线网状网和这三种无线网络的特性比较。 表卜l 无线网状网与移动a dh o c 网络、w l a n 以及蜂窝网络性能对比 无线网状网移动a dh o c 网络无线局域网蜂窝网络 拓扑结构多点对多点点对点 点对多点点对多点 主干网静止，客户 a p 静止，客户节点 基站等接入设备静 节点移动性随意移动 在其覆盖范围内移 节点可自由移动止，客户移动 动 第3 页 中国科学技术大学博士学位论文 第l 章绪论 以小区的方式实现 覆盖范围可实现城域覆盖一般在局域范围内局域范围 广域覆盖 节点转发功能有 有 无 无 数据速率高速中速高速 低速 路由器无需考虑能a p 无需考虑能耗，接入设备无需考虑 能耗限制耗，客户节点通常有客户节点通常需要能耗，客户节点需 需要考虑节能问题考虑节能问题要考虑节能问题 提供因特网的宽带 提供因特网的宽带 节点之间的通信 业务模式接入，也支持节点节点之间的通信 接入 间的通信 1 2 研究目标及思路 综上所述，近几年来无线网状网的迅速发展，其应用需求也在日益增长。然而。由于存 在若干未能得到有效解决的问题，当前无线网状网在向实用化迈进的方向上仍需要不断努 力。无线网状网作为一种新型的无线宽带接入方式，它的目标就是为终端用户提供优质的传 输性能，满足用户进行宽带i n t e m e t 通信的需求。因此，路由与传输协议是提高无线网状网 系统性能的关键技术和核心问题，成为当前无线网状网主要的研究热点和难点。本论文的研 究工作将致力于通过路由与传输协议的分析和改进来提高无线网状网的性能。 无线网状网是一个分布式的多跳无线网络，无线链路质量的差异、相同频率信道之间的 干扰，以及每个节点的负载情况，都会对数据的传输造成影响，因此路由协议的设计变得尤 为重要。路由判据是源节点在进行路由选择时使用的标准，用来衡量各条路径的优劣。现有 的路由判据考虑问题单一，并且往往没有考虑到无线网状网的特征。很难获得令人满意的性 能。同时，无线链路的不稳定性，要求路由协议能够对链路状况的变化做出快速有效的反应， 从而保证数据的正常传输。 提高系统吞吐量，节省网络带宽，一直是人们所追求的，网络编码的出现使人们把希望 寄托在这个网络层的新技术上。然而，将网络编码直接应用到无线网状网中却存在一定的问 题。作为i n t e m e t 接入网，无线网状网所承载的业务具有多样性，不同的业务对带宽、延时 等传输质量有着不同的需求。这些不同类型的流在网络传输中应该区别对待，以满足其各自 对传输质量的需求。并且由于不同数据流的报文到达过程是随机分布的，在缓冲区中盲目等 待网络编码的进行会造成延时和丢包率的增大。为了给不同类型的服务流提供各自所需的传 输质量保证，同时尽量避免编码节点缓冲区溢出的状况发生，本论文将研究无线节点的编码 策略问题并提出改进方案，通过仿真和理论分析，从现象和本质上说明其优越性。 根据m c i 的统计，目前占i n t e m e t 中数据包总量9 0 、数据流总量7 5 以上的是以t c p 为代表的可靠数据流传输【5 】因此本文对传输协议的研究将主要关注无线网状网中t c p 数 第4 页 中国科学技术大学博士学位论文 第1 章绪论 据流传输的性能。我们知道无线链路的误码率较有线链路高得多，且受环境影响总是在不断 变化。误码造成的丢包会导致数据包重传，带来巨大的重传开销，导致t c p 传输性能的下 降，使得业界和学术界把目光投向对无线网状网t c p 拥塞控制机制的研究。 1 3 本文的主要创新点 基于对无线网状网技术的认识与研究，论文主要围绕无线网状网的路由与传输问题，分 别从路由协议、网络编码以及拥塞控制这三个方面展开讨论。 论文的主要创新点如下： 第一提出一种综合考虑无线信道的丢包率，链路干扰以及节点负载情况的路由算法 m e i l ( r o u t i n gm e 仃i c0 ne t x ，i n t e 睡r e n c ea n dl 0 a d ) 。路由判据的选取一直是无线网状网路 由协议的核心问题，在多信道无线网状网中，单一的路由判据往往无法全面反映其网络特性。 路由的建立需要综合考虑链路自身的条件，路径间的影响以及节点能力等情况。因此，m e i l 协议在设计路由判据时，定义了链路干扰度l i c ( l i n ki n t e m r e n c ec o s t ) 参数和节点负载度 l r ( l o a dr a t i o ) 参数，选择链路质量好、干扰低、负载轻的路径进行数据传输。仿真结果 表明，m e i l 能够在各种业务环境下获得更高的吞吐量和更低的延时。 第二，提出一种无线网状网概率路由协议s p f u p ( s i m p i ep r o p o r t i o n a lr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 。 s p r p 主要为了解决现有的无线网状网路由协议在实际无线信道中性能降低的问题。无线链 路的质量由于受到障碍物、天气等多种因素的影响，具有较大的波动性，固定的沿着“最优” 路径传输会导致系统性能的下降。s p r p 的主要思想是根据无线链路当前的丢包情况来随机 选择下一跳节点，通过概率转发的机制减轻链路质量突变带来的不利影响，并且可以平衡网 络中节点的负载状况。根据仿真结果可以看出，s p r p 协议在分组到达率、延时等性能指标 上均优于现有的无线网状网路由协议，能够获得较好的性能。 第三i 提出一种基于优先级的概率编码策略p n c p ( p m p o n i o n a ln 鲍o r kc 0 d i n gw i t h p r i o r i t y ) 。网络编码利用无线信道的广播特性，可以有效提高网络的吞吐量和健壮性，然而 由于不同数据流的报文到达过程具有随机特性，报文常常为了进行网络编码而需要在缓冲区 中等待较长时间，导致丢包率和延时的增加。并且传统的网络编码策略没有考虑到数据流的 优先级问题。阶汜p 方案使得编码节点为优先级不同的报文分别维护缓存队列，并根据自身 队列的状态，以一定的概率决定是否进行网络编码。利用马尔可夫链建立节点缓存队列的状 态转换模型，并在此模型下推导出丢包率、队列长度、延时等参数的理论值。理论分析和仿 真结果给出了p n c p 的协议性能，且两者的结果基本相符。 第四，提出一种根据回路响应时间( r o u n d t r i pt i m e ，r t t ) 的变化进行拥塞控制的算 第5 页 中国科学技术大学博士学位论文第l 章绪论 法m l r ( m o d i f i e dr e n ob 硒e dr 1 _ r ) 。由于传统t c p 协议的拥塞控制机制无法区分拥塞丢 包与链路随机丢包，使得在无线网状网中运行t c p 业务面临着困难。m l 强r 算法在慢启动 阶段根据r 1 _ r 值进行带宽估计，使拥塞窗口平滑地过渡到平衡点，避免传统的t c p 算法在 第一次发生拥塞时连续多个报文的丢失。在拥塞避免阶段，m r b r 利用r 1 t 值实时的估算 网络拥塞等级，判断产生丢包的原因，并相应的改变拥塞窗口的大小。m l 强r 仅修改了发 送端的协议，保持了t c p 协议端到端的特性，仿真结果也显示出该算法的性能优势。 1 4 论文的结构安排 本文的结构安排如下： 第l 章绪论，首先对无线网状网出现的背景做了简要介绍，随后对无线网状网进行定义， 指出其区别于其他无线网络的特点与优势，以及存在的应用前景。然后概述了本文研究的主 要目标及研究思路。本章的最后对论文的主要工作和创新点进行了简单介绍，并说明了论文 的结构安排。 第2 章对无线网状网以及其相关的研究现状进行综述。首先概述了无线网状网的节点组 成和体系结构，归纳了目前国内外针对无线网状网的研究现状，以及各协议层的关键技术。 随后分析了影响无线网状网性能的两大关键技术：路由和传输协议的现状及所面临的问题。 第3 章在讨论与分析现有的无线网状网路由协议的基础上，研究路由判据的选取问题对 网络性能的影响，并提出了一种多判据的路由算法m e l l ，由于m e i l 在选择路由时，综合 考虑了无线信道丢包率、链路干扰以及节点的负载情况，从而有效的提高了系统性能。第3 章还针对无线网状网中链路质量波动性大的问题，指出现有“最优”路径算法的不足，提出 了一种基于概率路由思想的s p r p 协议。 第4 章主要针对网络编码这一网络层的新兴技术进行研究。首先简要介绍了网络编码的 基本概念和理论知识，接着讨论了网络编码在无线网络中的应用及存在的问题，随后分析了 现有的无线节点编码策略。考虑到网络中的流量通常存在着优先级的差异，提出了一种基于 优先级的概率编码方案p n c p ，并利用马尔可夫链理论进行了建模分析。 第5 章介绍了经典的t c p 拥塞控制机制应用在无线网状网中面临的问题，并描述了t c p 协议在无线网络中的研究现状，接着提出了一种新的拥塞控制算法m r b r 。m r b r 根据回 路响应时间r t t 值的变化，区分拥塞丢包与链路随机丢包，从而提高无线网状网中t c p 的 传输性能。 第6 章总结了本文所做的研究工作，并对未来的后续工