（电磁场与微波技术专业论文）无线网状网服务质量保证机制的研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 无线网状网服务质量保证机制的研究 摘要 随着移动通信技术的飞速发展，无线网状网已经成为研究热点， 无线网状网可以利用节点的多跳转发能力扩大移动通信系统的通信 范围、均匀相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率。由于无线网 状网在拓扑、传输和业务上的特性，用于传统网络的服务质量保证机 制已经不能满足其服务质量保证要求。 本文通过基于媒体接入控制层、网络层、传输层的无线网状网跨 层设计方法，提出基于网络性能参数的跨层速率控制算法和基于d c f 机制的队列区分优先发送算法，目标是在无线资源利用率和多媒体业 务的服务质量需求两方面达到较好的折衷。在无线网状网各个协议层 之外增加跨层管理器，监测各层的分组传输性能和需求，动态控制和 调节相关算法。通过实现较高协议层的多媒体业务服务质量需求与较 低协议层的网络状态信息在各协议层之间的共享，利用服务质量保证 机制提高网络的性能。 在跨层服务质量保证模型中，媒体接入层对i e e e 8 0 2 1 l 协议中 d c f 机制进行修改，对各种类型业务根据服务质量保证要求和缓存 队列长度，采用不同的优先级策略，并将媒体接入层时延报告给跨层 管理器；网络层采用分组标识机制，对分组的优先级信息进行记录和 传递；传输层对非实时业务使用速率控制机制，当实时业务媒体接入 层时延超过门限值时，迅速减小非实时业务的传输速率，以减小整个 网络的负载，从而减小实时业务的时延。通过仿真验证，证实了跨层 服务质量保证模型实现了对不同业务的区分和相应的服务质量保证， 有效的提高了整个网络的性能。 关键词：无线网状网服务质量保证优先级时延速率控制 北京邮电大学硕士学位论文 无线网状网服务质量保证机制的研究 r e s e a r c ho n q u l i t yo fs e r v i c e m e c h a l n i s mi nw i r e l e s sm e s h n et w o r k s a b s t r a c t w i t ht h et r e m e n d o u s d e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sh a v eb e c o m eah o t s p o ts i n c et h e y h a v et h ep o t e n t i a l st oe x p a n dt h ec o v e r a g eo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，b a l a n c et h es e r v i c e so fa d j a c e n tc e l l s ，a n de n h a n c et h ed a t ar a t e a tt h e e d g eo fc e l l sb ym u l t i h o pt r a n s m i s s i o n d u et op a r t i c u l a r c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k si nt o p o l o g i e sa n ds e r v i c e s ，t h e o r i g i n a lq o sm o d e l sa n da l g o r i t h m sc a n tg u a r a n t e ei t sq o s u s i n gt h ec r o s s - l a y e rd e s i g na p p r o a c h ，t h et h e s i sp r o p o s e sap r i o r i t y q u e u ea l g o r i t h m b a s e dd i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ( d c f ) m e c h a n i s ma n da c r o s s l a y e r r a t ec o n t r o l a l g o r i t h md e p e n d e n t o n n e t w o r kp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st o i n c r e a s eu t i l i z a t i o no fw i r e l e s s r e s o u r c ew h i l e g u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t y o fs e r v i c e so fm u l t i m e d i a s e r v i c e s w r ei n t r o d u c eac o n t r o l l e rb e t w e e nt w ol a y e r so ft h ew i r e l e s s m e s hn e t w o r k st om o n i t o rt h ep e r f o r m a n c ea n dd e m a n do fe a c hl a y e ra n d a d j u s tt h ea l g o r i t h mp a r a m e t e r sd y n a m i c a l l y t h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei s a l s oe n h a n c e dt h r o u g ht h er e a l i z a t i o no fb e t t e rq o so fm u l t i m e d i a s e r v i c e sa n dl o w e rb u r d e nf o re x c h a n g eo fi n f o r m a t i o na m o n gd i f f e r e n t l a y e r s i nt h ep r o p o s e dq o sm o d e l t h ed c fm e c h a n i s mo fi e e e8 0 2 1 1o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e ri sm o d i f i e d ；t r a n s m i s s i o np r i o r i t yi s a d a p t e dt oq o sd e m a n d sa n dt h eq u e u el e n g t h si nt h eb u f f e r t h ep a c k e t m a r k i n g i su s e dt or e c o r da n dt r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o no f p a c k e t s p r i o r i t y o nn e t w o r kl a y e r o nt r a n s p o r tl a y e r , w eu s et h er a t e c o n t r o l l i n g i i i m e c h a n i s mt o o p p o r t u n i s t i c a l l y a l l o c a t er e s o u r c et on o n r e a l t i m e s e r v i c e sw h i l eg u a r a n t e e i n gt h eq o sr e q u i r e m e n to fr e a l t i m es e r v i c e s s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e p r o p o s e dq o sm o d e lc o u l d d i s t i n g u i s hb e t w e e nd i f f e r e n ts e r v i c e s ，g u a r a n t e et h ea p p r o p r i a t eq o s ， a n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l en 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 sp r i o r i t yr e l a y r a t e c o n t r o l l i n g i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：2 遨玺三匦2 圈 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：2 堕适终三盟2 = 囵 日期：丝聋三日型叠 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都 能够进行快速、准确的通信 1 】，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺 点，达到通信的“无所不在 ，无线网状n ( w m n ) 逐渐成为当前研究的热点。 w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) 2 是移动a dh o e 网络分离出来，并承袭了部 分w l a n 技术的新的网络技术，它的早期研究均源于移动a dh o e 网络的研究与 开发，它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成 是一种w l a n 和a dh o c 网络的融合，且发挥了两者的优势。作为一种可以解决 “最后一公里 瓶颈问题的新型网络结构，w m n 被写入了i e e e 8 0 2 1 6 ( 俗称 w i m a x ) 无线城域网( w i r e l e s sm u n i c i p a la r e an e t w o r k ，w m a n ) 标准和i e e e 8 0 2 1 5 系列标准之中，i e e e 8 0 2 1 1 工作组正式专门成立了网状网研究组和网状 网任务组，准备将w m n 纳入i e e e 8 0 2 1 1 s 标准的制定中。 在应用基础理论与技术研究上，包括移动a dh o e 网络和w m n 在内，已经 取得了众多成果，主要有以下方面：( 1 ) 路由协议的研究，协议的核心是适应网 络无中心控制和网络时变的特征。代表成果有d s d v 、a o d v 、d s r 、t o r a 等。 最近，微软公司提出了一种多无线收发器、多跳无线网络的路由协议m r l q s r ， 主要思想是在d s r 协议的基础上采用最大吞吐率准则，己经开始考虑w m n 的 特征。( 2 ) m a c 协议的研究，主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题，如 m a c a 协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的m a c 协 议等。( 3 ) 在网络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心 是节点密度与分布问题。( 4 ) 在多播组播协议、t c p 协议、地址和带宽等网络资 源分配、功率控制、安全性问题、分布式算法、q o s 等方面有一些研究成果。 在应用系统集成上，近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导体、 计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速 发展的阶段，w l a n 技术、蓝牙技术、移动a dh o e 网络技术和超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 技术等取得了令人瞩目的成就。一般认为，未来的4 g 系统网络是各 种不同网络拓扑结构的集成，其中包括未来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公 共电话交换网络、w l a n 、移动a dh o e 网络等，这些网络均集成到因特网骨干 网或通过w m n 集成到因特网中，而w m n 可看作“因特网的无线版 。可见， w m n 将是未来无线通信领域重大技术革新。 北京邮电大学硕+ 学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 在商业与军事系统应用上，w m n 技术可以应用于军事指挥通信网、w m a n 、 无线传感器网络、w l a n 等“最后一公里”无线覆盖等众多领域，同时，w m n 的构建涉及移动通信、计算机网络和微电子技术等多项领域，从某个侧面体现一 个国家的综合实力，尤其是在3 g 陷入标准之争的中国，w m n 技术更是倍受广 大运营商、设备供应商以及无线增值业务集成商等极大关注。所以世界各主要发 达国家均在投入大量的人力和物力进行研究，以期在未来的高科技和无线产品市 场竞争中占有一席之地。目前w m n 的商用实验网络己经在部分国家和地区开 展，如北电网络的应用解决方案，另外其他一些公司也成功地实现了w m n 技术 的商用。例如日本偏远城市高知k c n a 网，它用无线路由器和8 0 2 1 1 接入点组 成一个城市范围的内联网，连接了1 4 所小学、4 所中学和1 8 幢市政大楼；美国 的s k y p i l o t 公司在w m n 中使用智能天线技术，并实现了频率复用，大大提高了 频谱的利用率。 与其他网络一样，w m n 同样要求为终端用户提供一定的服务质量保证。 w m n 是一种高容量、高速率、多信道、多跳性的承载多样业务的分布式网络， 因而其服务质量保证的实现更为困难。i e e e 8 0 2 1 6 可以支持多种通信业务，如 数据、语音、视频等，并且为各种业务提供对应的服务质量支持，主要方法是通 过把m a c 接口的数据映射到不同的业务流，并根据优先级进行调度实现的。为 了让i e e e 8 0 2 1 1 能够提供对宽带多媒体业务的服务质量支持，i e e e 8 0 2 1 1 工作 组制定了一个扩展协议i e e e 8 0 2 1 l e ，由两种接入机制构成：( 1 ) 增强型分布 式协调方式( e d c f ) ，它是在d c f 基础上的扩展，通过提供优先级来区分不同的 业务；( 2 ) 混合协调方式( h c f ) ，它是集中协调( p c ) 的改进，h c f 可以实现更有 效的轮询机制。 1 2 论文主要工作 由于无线网状网在拓扑、传输和业务上的特性，用于传统网络的服务质量保 证机制已经不能保证其服务质量。 本文通过基于m a c 层、网络层、传输层的无线网状网跨层设计方法，提出 基于网络性能参数的跨层速率控制算法和基于d c f 机制的队列区分优先发送算 法，目标是在无线资源利用率和多媒体业务的服务质量需求两方面达到较好的折 衷。在无线网状网各个协议层之外增加跨层管理器，监测各层的分组传输性能或 需求，动态控制或调节相关算法。通过实现较高协议层的多媒体业务服务质量需 求与较低协议层的网络状态信息在各协议层之间的共享，利用服务质量保证机制 提高网络的性能。 在跨层服务质量保证模型中，m a c 层对i e e e 8 0 2 1 1 协议中d c f 机制进行 2 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 修改，对各种类型业务根据其链路质量和缓存队列长度，采用不同的优先级策略， 并将m a c 层时延报告给跨层管理器；传输层对非实时业务使用速率控制机制， 当实时业务m a c 层时延超过门限值时，迅速减小非实时业务的传输速率，以减 小整个网络的负载，从而减小实时业务的时延。通过仿真验证，证实了跨层服务 质量保证模型实现了对不同业务的区分和相应的服务质量保证，有效的提高了整 个网络的性能。 1 3 论文结构 本文主要研究无线网状网的结构与特点、服务质量保证的方法与机制，以及 无线网状网服务质量保证机制的实现方案。全文的结构如下： 第一章介绍无线网状网技术的背景，介绍本文研究内容的选取原因，综述研 究工作的范围和本文的结构。 第二章从无线网状网和服务质量保证的基本知识出发，阐述了无线网状网的 网络结构特点、关键技术和主要应用，对服务质量保证的概念、分类和主要机制 进行简要的描述。 第三章根据无线信道状况随时间不断变化的特性，在现有的基于令牌桶的流 量整形技术的基础上，提出基于网络性能参数的业务区分跨层速率控制算法，并 且通过仿真分析算法性能。 第四章对现有无线网状网中广泛应用的i e e e 8 0 2 1 1 协议的d c f 机制进行分 析。针对d c f 机制在服务质量保证方面存在的不足，提出基于d c f 机制的队列 区分优先发送算法，并且通过仿真与d c f 机制进行比较，给出分析结果。 第五章将第三、四章提出的基于d c f 机制的队列区分发送算法和基于网络 性能参数的业务区分跨层速率控制算法进行结合，引入网络层分组标识机制，提 出无线网状网服务质量保证模型，通过仿真分析模型性能。 第六章为论文总结和下一步的研究工作。 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 2 1 引言 第二章无线网状网服务质量保证技术 由于无线网状网具备可以利用节点的多跳转发能力扩大移动通信系统的通 信范围、均匀相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等诸多优点 3 1 1 4 1 1 5 6 1 ， 已经逐渐成为当前研究的热点。但由于其在拓扑、传输和业务上的特性，用于传 统网络的服务质量保证模型已经不能保证其服务质量。 本章从无线网状网和服务质量保证的基本知识出发，阐述了无线网状网的网 络结构特点、关键技术和主要应用，对服务质量保证的概念、分类和主要机制进 行简要的描述。 2 2 无线网状网结构 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【7 】。它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。在网络拓扑上，无线网状网与移动a dh o c 网络相似，但网络大多数 节点基本处于静止状态，拓扑变化较小。 无线网状网的结构与传统意义上的移动a dh o c 网络结构有一定的差异。无 线网状网由客户节点、m e s h 路由器节点和网关节点组成。通常客户节点可以是 计算机、p d a 、w i f i 手机等；m e s h 路由器可以是计算机或是嵌入式系统等。 按照节点的不同功能，网络结构可以分为基础设施的网络结构、终端设备的 网络结构和混合结构。按照结构层次，网络结构又可以分为平面结构、多级结构 和混合结构。两种分层思想本质是相似的，基础设施的网络结构就是一种多级结 构，而终端设备的网络结构就是一种平面结构。 2 2 1 平面网络结构 图2 1 所示为无线网状网中最简单的平面结构。图中所有的节点为对等结构， 具有完全一致的特征，即每个节点均既具有客户端节点的功能，也具有能够转发 业务的路由器节点的功能。但是，显然网络中的节点与现有的w l a n 等技术不 直接兼容，这种技术适用于节点数目较小且不需要接入到核心网络的应用场合。 5 北京邮电大学硕七学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 图2 1 平面网络结构 平面网络结构也称为终端设备网络结构，网络中的节点为具有m e s h 路由器 功能的增强型终端用户设备。终端用户自身配置射频装置，通过无线信道的连接 形成一个点到点的网络。节点可以任意移动，网络拓扑结构也会动态变化。由于 终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端 的分组转发功能进行数据通信。在任意时刻，终端设备在不需要其他基础设备的 条件下可以独立的运行，支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带网络。 2 2 2 多级网络结构 图2 2 所示为无线网状网的典型多级结构，分为上、下两层。在这个结构中， 终端节点可以是普通的无线分组业务终端，它们通过m e s h 路由器接入到上层 m e s h 结构的网格中，实现网络节点的互联互通。 图2 - 2 多级网络结构 该结构模式在接入点( m e s h 路由器) 与终端用户之间形成无线回路。移动 终端通过m e s h 路由器的路由选择和中继功能与网关节点形成无线链路，网关节 点通过路由选择及管理控制功能为移动终端选择与其目的节点通信的最佳路径， 从而形成无线回路。同时移动终端通过网关节点也可与其他网络相连，从而实现 6 北京邮电大学硕士学位论文 无线网状网服务质量保证机制的研究 无线宽带接入。 2 2 3 混合网络结构 图2 3 所示的混合结构为以上两种结构的混合。在这种结构中，终端节点已 经不是目前市面上仅仅支持w l a n 的普通设备，而是增强了具有转发和路由功 能的m e s h 设备，设备之问可以以a dh o c 方式互联，直接通信。一般来说，终 端节点设备需要同时能够支持接入上层网络m e s h 路由器和本层网络对等节点的 功能。 2 3 无线网状网特点 图2 - 3 混合网络结构 无线网状网具有以下一些结构或技术上的特点【7 】： ( 1 ) 多跳无线网络。在不牺牲当前信道容量的情况下，扩展当前无线网络的 覆盖范围是无线网状网最重要的目标之一。无线网状网的另一个目标是为处于非 视距范围的用户提供非视距连接。通过m e s h 方式的网络连接，只需要短距离的 链路，经受较少的干扰，就可以为网络提供较高的吞吐量，以及较高的频谱复用 效率。 ( 2 ) 支持a dh o c 网络结构，具有自形成、自愈和自组织能力。无线网状网灵 活的网络结构、便利的网络配置、容错能力和网络连通性，大大提升了现有网络 的性能。在较少的前期投资下，无线网状网可以根据需要逐步扩展。 ( 3 ) 移动性取决于节点的类型。m e s h 网关和路由器的移动性通常较低，客 户终端既可以是静止的，也可以是任意的移动节点。 ( 4 ) 多种网络接入方式。在无线网状网中，既可以支持回程到因特网的接入， 又可以支持端到端方式的通信。此外，可以通过无线网状网与其他无线网络的集 成，向终端用户提供各种多媒体业务。 7 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 ( 5 ) 功耗限制取决于节点的类型。m e s h 路由器通常由外部供电，受功耗限 制不严格，客户终端则需要有效的节能机制。 ( 6 ) 与现有的无线网络兼容。无线网状网技术是基于现有的w i f i 、w i m a x 、 a dh o e 等网络技术实现的，因此和现有的无线网络具有较好的兼容性。 2 4 无线网状网与现有无线网络的区别 2 4 1 无线网状网与蜂窝网络的主要区别 无线网状网区别于蜂窝网络的特点主要表现在可靠性、传输速率、投资成本 和配置和维护性能上。 ( 1 ) 可靠性提高。在无线网状网中，链路为网状结构，如果其中一条链路出 现故障，节点可以自动转向其他可以接入的链路，因而对网络的可靠性有较高的 保障，而在采用星型结构的蜂窝移动通信系统中，一旦某条链路出现故障，可能 造成大范围的中断。 ( 2 ) 传输速率提高。在无线网状网中，可以融合其他网络技术，理论上速率 可以达到5 4 m b i t s 。而目前的3 g 技术，理论传输速率最高也才2 m b i t s 。 ( 3 ) 投资成本降低。无线网状网大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p 、 无线路由器等基础设备比蜂窝移动通信系统的基站等设备便宜很多。 ( 4 ) 网络配置和维护简便快捷。传统的蜂窝移动通信系统需要维护建设在高 塔上的基站，而无线网状网的基础设施小巧，便于安装和维护，而且网络扩展比 较方便，只需要增加一些必要的设备。 2 4 2 无线网状网与无线局域网的主要区别 从拓扑结构上看，无线局域网是典型的点对多点( p m p ，p o i n tt om u l t i p l e p o i n t s ) 网络，而且采用单跳方式，数据不可以转发。无线局域网可以在热点地区 内提供高速数据服务，但是典型的覆盖范围仅限于几百米；对于无线网状网而言， 则可以通过无线路由器对数据进行转发，直到到达目的节点，从而把接入服务的 覆盖范围延伸到几公里远。 从协议上看，无线局域网的m a c 层协议完成的只是本地业务的接入，而无 线网状网则有两种可能，一种是本地业务的接入，另一种是其他节点业务的转发。 对于路由协议，无线局域网是静态路由协议和移动口的组合；而无线网状网则 主要是动态的按需发现的路由协议，具有较短暂的生命周期。 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 2 4 3 无线网状网与移动a dh o c 网络的主要区别 无线网状网与移动a d h o c 网络很类似，可以把无线网状网当作移动a d h o c 网络的一个特例，但两者仍然存在些各自的特点 8 【9 】 1 0 】 1 1 】。 ( 1 ) 虽然无线网状网与移动a dh o e 网络均是点对点( p 2 p ，p o i n tt op o i n t ) 的自 组织的多跳网络，但从根本上来说，无线网状网由无线路由器构成的无线骨干网 组成，提供大范围的信号覆盖与节点连接。而移动a dh o e 网络的节点都兼有路 由器和终端功能，节点地位平等，健壮性比无线网状网要差。 ( 2 ) 无线网状网节点移动性低于移动a dh o c 网络中的节点。从网络结构来 看，无线网状网多为静止或者弱移动的拓扑，而移动a dh o e 网络多为随意移动 的网络拓扑。 ( 3 ) 无线网状网与移动a dh o e 网络的业务模式不同，无线网状网节点的主要 业务是来往于因特网的业务；移动a dh o c 网络节点的主要业务是任意一对节点 之间的业务流。 ( 4 ) 从应用来看，无线网状网主要用于宽带无线多媒体业务的接入，而移动 a dh o e 网络主要用于军事或其他专业通信。 2 5 无线网状网中的关键技术 无线m e s h 网络有如下关键技术： ( 1 ) m a c 层 无线网状网分布式的特点希望相应的m a c 机制能够分布实施、同时能有效 的解决无线网状网的隐藏终端和暴露终端问题，并能充分利用无线信道的带宽资 源。同时，为了给整个无线m e s h 网络提供q o s 保证，要求m a c 机制具有业务 区分和或资源预留的能力。由于无线网状网的信道资源由多节点共享，以及节 点的移动性，使得满足上述要求的m a c 机制的实现具有很大的难度，虽然人们 在这方面已有一些研究，但结果并不理想。 ( 2 ) 网络层 网络层需要考虑的因素：i p 兼容；性能指标；q o s ；对链路故障的容错能力； 负载平衡；可伸缩性；对网状路由器和客户机的自适应支持。 目前，路由协议的研究仍是无线网状网的研究热点之一，已有路由协议主要 包括以下几类：多无线电路由，此类协议主要是为路由协议设计一个新的网络性 能指标一一加权累积期望传输时间w c e t t ( w e i g h t e dc u m u l a t i v ee x p e c t e d t r a n s m i s s i o nt i m e ) ，同时考虑链路质量指标和最小跳数；多路径路由，此类路由 主要是支持负载均衡和容错；层次路由，此类协议采用一定自组织模式把网络节 9 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 点分成簇，每个簇有一个或多个簇头，簇内路由和簇问路由可能使用不同机制； 地理路由，此类路由在转发分组时仅使用邻近节点和目的节点的位置信息。 ( 3 ) 传输层 到目前为止还没有专门为无线网状网设计的传输协议。 ( 4 ) 服务质量q o s 在无线网状网中，无线链路的带宽相对较低，移动节点的资源相对有限，并 且网络拓扑结构动态变化，因此，如何合理、有效地利用网络资源，获得更好的 网络性能，从而为语音、视频等多媒体业务提供保障，就成为一个研究热点。无 线网状网提供q o s 保证可以通过采用提供q o s 保证的网络体系结构、提供q o s 保证的m a c 协议、提供q o s 保证的路由协议、以及提供q o s 保证的传输层和 应用层等方法实现。 2 6 无线网状网的应用 目前，无线网状网在美国、英国等地己经得到商用。它在国内的市场推广工 作也在一步步地展开。 无线网状网的应用前景很广泛，总结如下： ( 1 ) 突发事件现场应急指挥网络：无线网状网可以提供移动宽带和灵活的自 组网通信，在重大事件或重要活动的现场，它能够迅速建立无线网络，可以实现 现场指挥官和外警人员之间的数据、语音、实时视频通信，并能够对外警人员精 确定位，将现场的画面和数据实时回传给指挥中心，以此作为现场决策的重要依 据。 ( 2 ) 移动应急指挥网络：目前的无线调度网络使用的是数字集群或模拟集群 网络，只能保障语音通信，即便是国内引入的t e t r a 数字集群网络，也只能传输 最大2 8 8 k b p s 的低速数据，无法解决公安、交警、城管人员将现场实时图像传 给总部，或者在办案过程中调用总部数据库核查数据的需求。无线网状网恰好可 以填补宽带数据传输的空白，为公安、交通、城管、医疗救护的人员及车辆提供 移动数据库调度、车载视频监控、车辆人员定位、移动指挥车等业务需求。 ( 3 ) 铁路、地铁视频应用：对地铁月台的监控已经基本得到实现，但随着铁 路、地铁系统对安全运营的进一步重视，地铁、城铁、列车行驶中车厢内的视频 监控成为新的需求。在这种情况下，无线网状网可以做到一网多用。首先它可以 解决铁路、地铁的安全运载问题，实现行驶列车车厢内的视频监控。其次还可以 为乘客提供高速移动状态下的多媒体服务、定位服务。如在城铁、地铁、火车上 为乘客提供网络电视、高速网络互动、到站提示、车辆定位、实时影视等各类服 务。 l o 北京邮电火学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 ( 4 ) 3 d 定位服务：无线网状网支持独立于g p s 的三维定位，可以用x 、y 、 z 坐标表示定位，也可以用经度、纬度、海拔表示定位。对于时速2 0 0 公里的车 辆，定位精度小于1 0 m ，可以为公共安全相关客户、邮政、快递公司、民航、保 险业、租车公司、旅游公司等提供精确定位服务。 ( 5 ) 大型赛事的网络应用：在大型赛事中，于任何时间、任何地点、享受任 何形式的信息服务是一个基本需求。对此，虽然3 g 可以为用户提供各类宽带服 务，但对于从世界各地临时参加奥运会人员来讲，国际漫游或临时购买本地号码 都是不经济、不方便的解决手段。 ( 6 ) 满足运营商的需求：新兴( 或小型) 的运营商面临的主要问题是如何利 用较少的网络资源提供最有特色的增值服务。相对而言，无线网状网的建网成本 远远低于g s m 、c d m a 、3 g 。它的应用非常灵活，并且还有更多的无线电子商 务、电子政务、智能交通的应用正在进一步的开发当中。因此，无线网状网可以 为国内的新兴( 或小型) 的运营商、无线i s p 提供为一些新的机遇，使他们能为 特定的市场开展多种无线增值服务。 综上所述，无线网状网目前在国外已经得到了商用，它在国内的市场推广工 作也在逐渐地展开。在未来几年内，随着更多类型的终端如w i f ip d a ，w i f i 手机的广泛应用，可以兼容w i f i 技术的无线网状网技术也会得到广泛的普及， 并且特别适合于为大型赛事的相关人员提供不同级别、多层次、个性化的服务。 2 7 服务质量的基本概念 服务质量这一术语不仅在传统的电信领域里得到了广泛的使用，在逐渐扩展 应用于基于分组的宽带、无线和多媒体等服务领域。与此同时，通信网络和通信 系统的设计和规划也越来越多地考虑到用户应用的需求。 i t u t 标准化组织在e 8 0 0 中指出：服务质量是一种服务性能的综合体现， 这种服务性能决定了网络在多大程度上满足业务用户的要求。从根本意义上说， 服务质量指网络对业务性能要求的支持能力。这里的性能要求是特定于不同业务 的，即不同的业务有不同的性能要求。对于通信网中的服务质量，上述性能要求 可以用性能参数来描述，例如：业务可靠性、时延、抖动、吞吐量和数据丢失等。 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 表2 1 服务质量性能参数描述 性能参数描述 业务可靠性指用户与用户或者用户与通信网络间业务 连接的可靠性，包括建立时间、保持时间等。 时延又称延迟，指在两个参考点问，业务流量从 发送到接收的时间间隔。 时延抖动指同一个业务流量中的不同分组，经网络承 载后传输时延的变化。 吞吐量指一个网络中数据包的传输速率，这一参数 可以用平均速率或峰值速率来表示。 数据丢失率指某一业务在网络中传输时，允许的最大数 据丢失率。主要由网络拥塞引起的。 实际上，通信服务质量所涉及的主要评估标准并不仅限于表2 1 所描述的5 种，为了全面而准确的描述通信服务的服务质量，人们又定义了通用的服务质量 模型、描述通信服务质量的框架矩阵，并提出了评估服务质量的4 个视角。 2 7 1 通用的0 0 8 模型 通常，我们可以将q o s 定义划分为3 个方面来理解：服务固有的q o s 、用 户感知的q o s 和用户评价的q o s 。这三个方面自上而下构成了通用的q o s 模型， 如图2 4 所示。 通用模型 i t u e t s i 方法 用户评价f 拘q o s 用户感知的q o s 服务固有的q o s 图2 - 4 通用q o s 模型 服务固有q o s 属于和服务特性相关联的技术方面的范畴。因而，服务固有 q o s 是由传送网络设计的优劣，以及网络接入、终止和连接的提供情况所决定的。 除了其他一些必要的工作外，通过适当的选择传送协议、q o s 保证机制和相关参 数的数值，就能够得到特定应用所要求的q o s 。对服务固有q o s 的评价需要通 过比较对可测量的用户所期望的性能特征来实现。用户对q o s 的主观感和评价 不会影响服务固有q o s 的等级。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 无线网状网服务质量保证机制的研究 用户感知q o s 反映了用户对使用特定服务的体验。它受到观察到的服务性 能和用户期望相比较后的比较结果的影响。反过来，用户个人对q o s 的期望经 常收到用户对相似服务的体验和其他用户观点的影响。因而，对于不同用户，具 有相同固有q o s 特性的服务会得到不同的评价。实际上，仅仅确保特定的服务 ( 网络) 性能参数还不足以保证能够满足用户的q o s 要求，而这些服务的用户 也不会关心服务究竟是如何提供的。服务提供者提供的q o s 必须在反映固有q o s 特性的同时，还反映一些对用户有意义的，以及和特定用户群体期望相关联的非 技术参数。 2 7 2 通信服务质量的框架矩阵 评价一个通信服务的质量标准可以从图2 5 所示的矩阵获得。实践已经证明， 这一框架对于在部署或使用一个新业务之前，评估用户的q o s 标准是非常有用 的。 服务质量标准( s e r v i c eq u a l i t yc r i t e r i a ) 速率准确性可用性可靠性安全简易性弹性 s p e e da c c u r a c ya v a i l a b i l i t yr d i a b i l 崎s e c u r i t ys i m p l i c i t yf l e x l b i l i t y 服务功能 销售和预定 活动 服 预留 务 管 变更 理 服务支持 修补 停止 连 连接建市 接 质 信息传送 量 连接释放 计费 网络业务的用户 管理 图2 - 5 确定通信服务质量标准的矩阵 图2 5 的矩阵可以应用于任何通信服务，以确定其必须的服务质量标准。在 确定了该业务的q o s 标准的基础上，可以进一步定义适用于评估该业务的一套 性能参数。 北京邮电大学硕士学位论文 无线网状网服务质量保证机制的研究 2 7 30 0 s 的4 个视角 图2 5 中的“q o s 定义矩阵”提供了任何服务质量必须的通信功能质量的标 准。进而这一定义可以从以下4 个不同的角度进行描述： 用户的q o s 需求； 服务提供者计划提交的q o s ； 服务提供者达到的q o s ： 用户感知的q o s 。 这就是q o s 的4 个视角。从这4 个方面评估都具有实际意义的框架，才可 能具有真正的使用价值，具有足够的实用性以应用于工业领域。图2 - 6 示意了这 4 个视角自顶向下的关联。 图2 - 6q o s 的4 个视角 ( 1 ) 用户的q o s 需求 用户的q o s 需求陈述了用户对特定业务所要求的质量水平，这一要求可以 使用非技术语言来描述。站在用户的角度，他们不会关心其所需的业务是如何实 现的，也不会关心网络内部设计的任何细节问题，他们关心的是最终能够获得的 端到端服务质量。从业务用户的角度，服务质量的描述应符合一下原则： 1 、集中于用户可感知的服务效果，而不是获得该效果的网络内在的原因； 2 、不依赖于网络内部设计是所做的相关假设的准确性； 3 、应尽可能考虑站在用户角度的对服务质量要求的所有方面； 4 、服务质量应由服务提供者向用户明确承诺，有时应采用协议或合同的形 1 4 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 式； 5 、应采用和网络类型无关的术语来描述服务质量，描述语言应能够被用户 和服务提供者所理解。 准确而清澈的描述用户的服务质量要求是非常重要的，它是服务提供者规划 网络服务等级的基本前提。 ( 2 ) 服务提供者计划提交的q o s - 服务提供者计划提交的q o s 相当于一份服务的质量水平声明，这一声明描 述了服务提供者计划向用户提交的服务质量。 ( 3 _ ) 服务提供者实现或实际提交的q o s “服务提供者实现的q o s ”是一份服务质量水平声明，这一声明描述了服务 提供者实际实现并向用户提交的服务质量水平。该声明也是通过对一组q o s 参 数分配数值来表达的，这种表述方式和“用户计划提交的q o s ”的表述方式一样， 因此我们可以对目标水平和实际获得的q o s 水平进行比较。 ( 4 ) 用户感知的q o s “用户感知的q o s ”也是一份服务质量水平声明，声明反映了已经得到用户 认同的该用户获得的服务质量水平。“用户感知的q o s ”常采用用户满意度来表 示，而非采用专业技术术语。感知的q o s 常被服务提供者用来确定服务质量的 用户满意度。 ( 5 ) q o s4 个视角的相互关联 在q o s 的4 个视角中，“用户的q o s 需求”可以被认为是一个逻辑出发点。 用户可以作为服务提供者的信息输入，帮助其确定“计划提交的q o s 水平 。服 务提供者不一定需要始终向用户提交其需要的服务质量，某些因素( 如质量成本、 服务提供者经营战略方面的因素、市场竞争等) 将影响提交的服务质量水平。“用 户的q o s 需求也将对监测系统产生影响，设置这些系统的目的是为了实时测 量实际提交的q o s ，并定期报告。 2 8 服务质量体系结构框架 2 0 0 2 年出，i t u t 开始考虑通过规范服务质量体系结构框架来系统地解决 电信网的业务服务质量问题。服务质量网络体系机构框架的核心是规范一套通用 的网络机制，其功能包括：控制特定于某一网元的针对不同业务请求的服务响应， 在网元间交互必要的信令，控制和管理穿越网络的流量等。目前，正在讨论规范 的q o s 构件模块包括接纳控制、拥塞避免、流量测试、策略及策略配置、排队 和调度、资源预留、服务等级管理、费率表征和流量标识等。 北京邮电大学硕士学位论文 无线网状网服务质量保证机制的研究 图2 7 服务质量体系结构框架 目前，服务质量体系结构框架中定义的构建模块可分为3 种类型，并形成3 个相互独立但有机关联的平面控制平面、数据平面和管理平面。 ( 1 ) 控制平面 控制平面内包含了一系列与用户流量传播路径相关的控制机制，这些控制机 制包括接纳控制、q o s 路由和资源预留等。 ( 2 ) 数据平面 数据平面内包含的是直接涉及用户流量的控制机制，包括缓存管理、拥塞避 免、分组标记、排队和调度、流量分类、流量管理和流量整形。 ( 3 ) 管理平面 管理平面内包含的机制涉及网络运营、管理等方面，包括服务等级协议、流 量恢复、流量计量和测量、策略管理等。 2 9a dh o e 网络服务质量保证机制 无线网状网与移动a dh o c 网络很类似，而对a d h o e 网络服务质量保证机制 的研究相对较为深入，所以无线网状网服务质量保证机制可以参考a dh o c 网络 的体系框架。a dh o e 网络的基本q o s 保证模型可参考d i f f s e r v 模型建立，具体 的q o s 体系结构框架与保障机制可用三个侧面描述。 ( 1 ) 数据层面 流量控制：其典型作用是限制端系统( 应用终端系统) 进入节点的流量。 包括：应用终端系统分组数据进入网络节点最大传输单元的确定：基于滑动窗 1 6 北京邮电大学硕士学位论文无线网状网服务质量保证机制的研究 口协议算法的数据流的大小( 分组数量) 的控制。 缓存管理：节点缓存分为两个区域，队列缓存和收发缓存，两者的数