（计算机科学与技术专业论文）无线mesh网qos关键技术研究.pdf

r 8k c p 0 i 上 t h er e s e a r c ho nk e y t e c h n o l o g i e so fq o s i nw m n s s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y m a s t e r d e g r e ec a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s c h o o lo fi n f o r m a t i o n s c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a n p r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：名立红江一，日期：型! 鱼年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：殷纽望殳碍师签日期：业年月l 日 摘要 无线m e s h 网上支持的不同业务对带宽、延迟等传输性能的要求不 尽相同。现有的研究和实验表明，基于i e e e8 0 2 1 1 标准的无线m e s h 网并不能给那些对服务质量有不同要求的应用提供区分服务质量保证 ( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) j 分析和研究混合型业务在无线m e s h 网上的传输 性能，为无线m e s h 网上不同类型业务提供相应的服务质量保证，将具 有重要的研究价值。本论文的主要工作和创新结果如下： 搭建无线m e s h 网实验床，并在其上进行各种业务类型数据的传输 性能测试与分析，在对无线m e s h 网络多路由协议深入分析的基础上， 提出一种基于多媒体数据多重描述编码的多路径路由协议。 基于统计型流量包络建立了无线m e s h 网的数据流模型，在此模型 的基础上利用统计网络演算理论推导了无线m e s h 网单节点的时延统 计性边界、端到端的时延统计性边界以及端到端数据积压统计性边 界。数学分析表明，基于网络演算理论的无线m e s h 网性能模型为网 络环境提供q o s 的有效控制、调度和管理提供有效的参考作用。 为了有效支持混合业务q o s 区分，为混合分组业务应用提供可靠 q o s 保障，算法充分考虑各种业务的q o s 要求，对业务队列按优先级 进行排序，优先级高的数据队列可以优先得到服务。为了避免饿死现 象，对于一些低优先级的队列数据，充分利用控制售信道来进行传输， 提高了无线m e s h 网络的传输性能。 关键词无线m e s h 网，多路径路由，服务质量，网络演算，资源调 度 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 sn e e dt o s u p l p o r tv a r i o u st r a f f i c s ，a n dt h e t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ts u c ha sb a n d w i d t ha n dd e l a yo f t h e s et r a f f i c sa r ed i f f e r e n t e x i s t i n gr e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ，t h e w i r e l e s sm e s hn e t w o r kb a s e do ni e e e8 0 2 1 1s t a n d a r d sc a nn o tp r o p e r l y d i s t i n g u i s ht h ep r o v i s i o no fs e r v i c e s ，i ti sd i f f i c u l tt op r o v i d eq u a l i t yo f s e r v i c et ot h a th a v es t r i c tr e q u i r e m e n t s a n a l y s i so f h y b r i dw i r e l e s sm e s h o n l i n eb u s i n e s si nt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ef o r d i f f e r e n t t y p e so f b u s i n e s s e st op r o v i d et h ea p p r o p r i a t eq u a l i t yo fs e r v i c e g u a r a n t e e ，w i l lh a v e i m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r ep r e s e n t e di n t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： s e t t i n gu p t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r kt e s t b e d ，t h e nt e s ta n d a n a l y s i st h e p e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k ，s e c o n d l y , t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n g v a r i o u sm u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o l sf o rw n ，w e p r o p o s eam u l t i c h a n n e l m u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o lb a s e do nm u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g i no r d e rt og u a r a n t e et h eq o sf o rw h e l e s sm e s h n e t w o r k , t oc a l c u l a t e t h eq o sp e r f o r m a n c eb o u n d si sn e e d e d i nt h i sp a p e r , ab u s i n e s sm o d e l a b o u tm u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r ki se s t a b l i s h e db a s e do ns t a t i s t i c a lt r a 伍c e n v e l o p e s ，a n dt h e nt h en o d e ss t a t i s t i c a ld e l a yb o u n d 、t h es t a t i s t i c a l e n d - t o e n dd e l a yb o u n da n dt h es t a t i s t i c a le n d 1 o e n db a c k l o gb o u n da r e d e r i v e du s i n gs t a t i s t i c a ln e t w o r kc a l c u l u st h e o r y a 1 1s i m u l a t e dr e s u l t sf o r d i f f e r e n td a t af l o w sa r eb o u n d e d b yt h e o r e t i c a lr e s u l t s ，t h e s es h o wt h eq o s p e r f o r m a n c eb o u n d sm o d e lf o rw i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r kp e r f o r mw e l l am u l t i - s e r v i c e sr e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c hg u a r a n t e et h e d e m a n do fq o si sp r o p o s e dw i t ht h eu s i n go fq o s m o n i t o r i n gm e c h a n i s m ， i tc o n s i d e rb o t ht h e d e l a yp r i o r i t ya n dt h r o u g h p u tp r i o r i t yd u r i n gt h e s e r v i c es c h e d u l i n gp e r i o d ，t h e ni t g u a r a n t e et h et r a n s m i s s i o nt i m ed e l a y d u r i n gt h er e s o u r c ea l l o c a t i o np e r i o d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e n e wa l g o r i t h mi ss u p e r i o rt ot h ee x i s t i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nt h el e v e l o f d e l a ya n dt h r o u g h p u t k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ；m u l t i p a t h ；q u a l i t yo fs e r v i c e ； n e t w o r kc a l c u l u s ；r e s o u r c es c h e d u l i n g 目录 摘昙暮i a b s t r a c t 。i i 目录i i i 插图与附表索引。v 第一章绪论l 1 1 选题背景与课题意义l 1 1 1 无线m e s h 网络介绍1 1 1 2 无线m e s h 网络应用2 1 2 研究内容及本文组织3 1 2 1 研究内容3 1 2 2 论文结构4 第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试5 2 1 网络模拟工具5 2 2 无线m e s h 网络实验床6 2 2 1 实验床路由节点6 2 2 2 实验床体系结构6 2 3 无线m e s h 网中混合业务的传输性能7 2 3 1 单业务流在在无线m e s h 网中的传输性能。7 2 3 1 混合业务下传输性能8 2 4 本章小结。1 0 第三章无线m e s h 网中基于多重描述编码的多路径路由协议1 l 3 1 多路径路由协议。l l 3 2 视频多重描述编码方案。1 3 3 3 基于多重描述编码的多路径路由协议1 3 3 3 1 路由发现1 3 3 3 2 路由选择机制1 4 3 3 3 路由维护1 5 3 4 性能评估1 5 3 4 1 仿真环境1 5 3 4 2 结果及分析1 6 3 5 本章小结18 第四章无线m e s h 网q o s 性能统计性边界1 9 4 1 统计网络演算理论1 9 4 1 1 基本定义一1 9 4 1 2 基本性能统计模型2 0 4 2 无线m e s h 网数据模璎2 1 4 2 1 统计型流量包络介绍2 1 4 2 2 基于统计型流量包络的无线m e s h 网数据模型2 2 4 3 无线m e s h 网q o s 统计性边界。2 3 l 4 3 1 无线多跳网节点统计服务曲线2 3 4 3 2 无线m e s h 网端到端统计服务曲线。2 3 4 3 3 无线多跳网结点时延统计性边界2 4 4 3 4 无线m e s h 网到端时延统计性边界2 4 4 3 5 无线m e s h 网端到端积压数据统计性边界2 5 4 4 仿真结果及分析2 5 4 5 本章小结2 7 第五章提供混合业务q o s 保障的资源调度算法2 8 5 1p q a s - l w d f 算法理论来源2 8 5 1 1 系统的业务分类。2 8 5 1 2m l w d f 调度算法。2 9 5 2 无线m e s h 网中基于业务的信道分配方法2 9 5 3p q a s l w d f 算法模型。3l 5 2 1 业务调度3 2 5 2 2 重传队列资源分配策略3 2 5 2 3 资源分配策略3 3 5 2 4 算法流程3 3 5 4 算法仿真3 4 5 4 1 仿真系统3 4 5 4 2 业务源。3 4 5 4 3 仿真结果及分析3 5 5 4 3 仿真总结3 6 5 5 本章小结3 6 第六章工作总结及研究展望3 8 参考文献4 0 致 射4 7 攻读硕士学位期间主要的研究成果。4 8 插图与附表索引 图1 1 无线m e s h 网典型结构1 图2 2 单业务传输性能：8 图2 3 多媒体流与f t p 流通过m e s h 节点9 表2 1 单一业务流与多业务流时多媒体传输性能比较一9 表3 1 仿真参数配置。1 6 表5 1 无线m e s h 网业务类别2 8 图5 4 提供混合业务q o s 保障的资源调度算法原理框图3 2 表5 - 2 系统仿真参数3 4 表5 3 算法仿真参数3 4 图5 5 混合业务下用户平均吞吐量3 5 图5 - 6 混合业务下平均分组时延3 6 v 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了课题“无线m e s h 网q o s 关键技术研究 的研究背景和研究现状； 简述了本文的主要研究内容及其贡献；并概括了全文的组织结构和各章的分工情 况。 1 1 选题背景与课题意义 1 1 1 无线m e s h 网络介绍 无线m e s h 网络( w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 【l 】，又被称做无线网状网络、 无线网格网。近年来，无线网络连接到因特网络的应用需求急剧增加，用户对各 种网络性能如带宽、可靠性和吞吐量的要求越来越高，而传统的基于环形，星形 等结构的“点到点或着“点到多点”的无线单跳技术有着通信距离太短、存在 着很多局限性，如节点盲区、必须直视和随着距离的增加而链路带宽而降低等特 点，而无线m e s h 网络由于拥有着组网容易、成本低廉、速率高、性能相对稳定等 优势，被越来越广泛的利用。 无线m e s h 网络其本质是种特殊的a dh o c 网络，但已经成为无线网络的一个 重要发展方向。美国有学者认为t 无线m e s h 网络将与智能天线技术、超宽带技术 和a dh o e 技术将成为无线网络中最有前途的四项技术，它们将推动着4 g 业务的 发展，3 g 业务也很有可能因此而淘汰【2 】。 图1 1 无线m e s h 网典型结构 无线m e s h 网络是种个大容量，高速分布式无线网络。无线m e s h 网络有多种 结构1 3 1 ，图1 1 是一个典型的结构，它以8 0 2 11 标准为基础。该网络结构分为三层， 分别为“终端用户层一，“无线m e s h 层，“核心网络层 。最底层是终端设备 c 组成的“终端用户层 的，这些设备包括移动电话，p c 机，笔记本电脑，p d a l 硕士学位论文第一章绪论 和其它联网设备，构成了标准的8 0 2 1 1 接入网络；“无线m e s h 层处于“终端 用户层的上一级，它由m e s h 网关和m e s h 路由器构成，“终端用户层可以通 过此层进行数据交换，也可通过此层访问i n t e m e t 网络；最高一层即为“核心网络 层 ，核心网络主要由m e s h 基站构成的m e s h 骨干网，它负责为m e s h 网络和其 它网络提供互联，数据等服务。 1 1 2 无线m e s h 网络应用 无线m e s h 网络已经在世界上很多国家得到实际应用。在中国市场的应用也正 在发展中。无线m e s h 拥有着广泛的应用前景，如构建数字化家庭，为城市地铁、 轻轨等通勤车辆提供移动w i f i 接入，搭建临时集群通信系统。具体的应用可以规 纳如下几点： 1 应急指挥网络 现在一般的无线调度网络使用的是只能保障语音通信的数字集群或着模拟集 群网络，而现在最先进的t e t r a 数字集群网络最大也只传输3 0 k b p s 速度的数据， 这种速度明显偏低，无法为交警、城市管理人员、刑警等现场采集人员将实时图 像传送给总部机构，也使得他们无法调用总数据库内的数据进行核查操作。而无 线m e s h 网络由于其组网方便，传输速度快，因此可以弥补此方面的空白，为交警、 城市管理人员、刑警、救护人员和车辆等提供实时数据的交互和调度，满足此类 业务的需求【4 l 。 另外，由于无线m e s h 网络易于自组网通信，并且可以提供移动宽带，在突发 事件或着重要活动的现场，能够用无线m e s h 网络建立临时通信网络，为现场人员 和外场指挥官提供实时文字、语音、视频等数据交换，并能对现场人员提供地理 定位，将现场的信息和图像传送到其他指挥总部，用来作为现场决策的一个重要 依据【卯。 2 场所监控 对铁路、机场、地铁、车站等场所的视频应用。目前，对各个场所重要地点 硕士学位论文第一章绪论 辆，它可以达到小于5 m 的精确度。因此可以为各类应急搜救机构、保险、邮政公 司、快递公司、民航公司、出租车公司、旅游公司等提供精确定位服务。定位时 用( 经度、纬度、海拔) 表示其精确位置 7 1 。 4 赛事网络应用 虽然现在3 g 在世界很多国家已经成熟应用，在中国也正在普及。当有大赛举 行时，参加人员都要在参赛地进行相互问的联系，但对于一个大赛参加人员或观 众来说，国际漫游是很不经济也不方便的解决方法。而应用无线m e s h 网络可以使 各成员在任意时间、地点都享受信息服务【8 】。 5 运营商发展机遇 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m e s h 网络的建网成本远远低于g s m 、c d m a 、 3 ( 3 。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m e s h 网络可以为国内的新兴( 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 值服列9 l 。 在国内，虽然g s m 、c d m a 、3 g 网络是如今的主流移动通信技术，但相对它 们而言，无线m e s h 网络的建网成本要低很多。虽然，通信运营在国内仍属于垄断 行业，但无线m e s h 网的应用会促进小型，新型运营商、无线服务提供商的发展， 他们能通过利用无线m e s h 网络达到利用较少的网络资源提供富有特色的无线增 值服纠。 综上所述，无线m e s h 网络在国外已经得到广泛利用，国内许多科研项机构如 清华大学，中南大学等都设有专门的实验室来研究无线m e s h 网络。在不久的将来， 随着各种w i f i 终端的生产如w i f i 手机，必将在无线网络领域带来一次巨大的 变革【1 1 1 。 1 2 研究内容及本文组织 1 2 1 研究内容 为无线m e s h 网提供服务质量保障是一个系统性的问题，因此本文分别从路由 层，m a c 层，资源调度算法进行研究，重点讨论了无线m e s h 网络的路由机制，q o s 性能分析及保障机制。完成的主要工作如下： 1 搭建了无线m e s h 网络的实验床，基于实验床和仿真软件测试并比较了单业 务和混合型业务在无线m e s h 中的传输性能，验证混合型业务会影响无线m e s h 网络一 的传输性能。 2 针对混合式无线m e s h 网络架构，提出一种基于数据多重描述编码的多路径 3 硕士学位论文 第一章绪论 路由协议( 姗一d s r ) 。m m - d s r 返回两条不相交的路径( 除开源节点和目的节点) ， 所有属于这两条路径的节点都分配了两个互不覆盖的频率波段。实时数据分为两 个子数据流分别在其中的一条路径上传输。 3 为进一步优化无线m e s h 中q o s 的性能，本文基于统计型流量包络建立了 无线m e s h 网的数据流模型，在此模型的基础上利用统计网络演算理论推导了无线 m e s h 网单节点的时延统计性边界、端到端的时延统计性边界以及端到端数据积压 统计性边界。 3 分析目前提出的一些调度算法，针对其不足，提出一种基于多媒体业务 q o s 保证的公平调度算法。算法充分考虑各种业务的q o s 要求，对业务队列按优 先级进行排序，优先级高的数据队列可以优先得到服务。为了避免饿死现象，对 于一些低优先级的队列数据，充分利用控制售信道来进行传输，该算法能为提供 区分业务的q o s 保障，极大的提高了系统服务性能。 1 2 2 论文结构 本论文分为六大部分。 第一部分为绪论，主要介绍了无线m e s h 网络和其研究现关，无线m e s h 网络 在实际中的应用状况，并给出论文的研究内容和组织结构。 第二章通过仿真软件和搭建的无线m e s h 网络实验床，测试了单业务数据和混 合型业务在无线m e s h 网络中的传输性能，得出无线m e s h 网络要提供q o s 保障的 必要性。 第三章在对无线m e s h 网络多路由协议深入分析的基础上，针对混合式无线 m e s h 网络架构，提出一种基于数据多重描述编码的多路径路由协议( 删一d s r ) 。 第四章介绍了统计网络演算理论和统计型流量包络( s t a t i s t i c a lt r a f f i c e n v e l o p e ) ，利用统计网络演算理论和第三章建立的数学模型，结合统计型流量包 络的网络流量建模方法，推导出无线m e s h 网络中单结点和端到端的数据积压统边 界、传输延迟等q o s 性能指标。 第五章在前面章节理论研究的基础上，通过预先估计不同业务类型数据的q o s 需求，并引入q o s 监测机制提出了一种保证混合业务服务质量的资源调度算法， 算法充分考虑各种业务的q o s 要求，对业务队列按优先级进行排序，优先级高的 数据队列可以优先得到服务。为了避免饿死现象，对于一些低优先级的队列数据， 充分利用控制售信道来进行传输，该算法能为提供区分业务的q o s 保障，极大的 提高了系统服务性能。 第六章为全文的总结各未来研究工作的展望。 4 硕士学位论文第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试 第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试 无线m e s h 网需要支持各种不同类型的业务n 蝴】。然而由于无线m e s h 网络自 身的一些特点，以及不同终端的不同需求，使得在无线m e s h 网中为混合型业提供 服务质量保障需要考虑和解决很多方面的难题。我们利用n e t w o r ks i m u l a t o r2o q s 2 ) 模拟工具以及基于i e e e8 0 2 1 1 技术搭建的实验床测试了无线m e s h 网单条多媒体 数据流以及加入背景流后的多媒体数据流的传输性能，指出在无线m e s h 网中为混 合型业务提供服务质量保障的必要性。 2 1 网络模拟工具 n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r 2 ) 1 2 8 1 是现今最常用的网络仿真工具。n s 2 已经内置了 许多无线网络各层协议的模块，并且可以根据实验需要动态的修改和增加新的通 信模块，从而能模拟各种无线网络模型。使用n s 2 可以方便快速地部署无线m e s h 网节点，并且可以配制各节点数据流发送方式，无线m e s h 网络的路由协议，仿真 数据可以通过记录文件导出来进行外部统计。 本论文研究的基础是i e e e8 0 2 1 1 协议，在n s 2 中已经集成了此协议的实现。 n s 2 有一个m a c 层的基类m a c ，各种无线m a c 层协议都由m a c 类派生而来， 8 0 2 1 l 协议也不例外，因此8 0 2 1 1 类具有m a c 类的一切公有属性。8 0 2 1 l 类成员函 数中包括m a c 层的各种处理函数，8 0 2 1 1 类的属性包括竞争窗口大小，帧间距和 物理层的基本信息。 由于无线链路的动态性，资源有限性，使得i e e e8 0 2 1l 协议也采用c s m a c a 介质访问机制，即带有a c k 的载波侦听冲突避免机制，同时由于无线m e s h 网络的 的隐藏终端问题，i e e e8 0 2 1 1 协议中加入了r t s c t s 机制，由于信道竞争，协议 中加入了二进制退避算法和网络分配矢量机制。 n s 2 是基于离散事件驱动的软件，因此在n s 2 中存在着很多定时器。最重要的 定时器如下几种： 1 d e f e r t i m e r ：m a c t i m e r 控制传输时延的定时器，表示信道需要延时的时间，它不包括回退时间。 2 b a c k o f i t i m e r ，回退定时器 提供回退后的处理办法。 3 r x t i m e r 分组接收定时器 在收到数据包的第一个比特时候启动此接收定时器，并且把它设置为完全接收 此分组所需要的时间。 5 硕士学位论文 第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试 在真实的网络环境中，m a c 层只有在接受到整个数据包时才对此数据包进行 处理。而用n s 2 进行仿真模拟时，某个包在第一比特到达的时，它就已经全部对接 收节点可见，因此当数据包发生碰撞时，接收定时器是在最后一个碰撞分组的末 尾被重启为超时，该定时器通过超时处理函数间接调用重传计时器。 1 t x t i m e r 发送定时器 该定时器反映了已经收到a c k 或是c t s 的时间。 各个定时器都有相对应的h a n d l e r 事件处理函数，可以增加自己的事件，当定 时器触发时就进行此操作，从而更好地模拟i e e e8 0 2 “协议。 2 2 无线m e s h 网络实验床 2 2 1 实验床路由节点 1 基于p c 的无线m e s h 节点 此类无线m e s h 节点直接使用普通的台式电脑或着笔记本电脑来做硬件平台， 台式电脑必须另外配置无线网卡，我们使用的是d l i n k 无线网卡，并在其操作系 统中安装了无线网卡驱动程序以实现该台式电脑的的无线功能，笔记本电脑本身 已经有无线网卡，不需要另外配制。台式电脑和着笔记本都是x 8 6 的体系结构， 操作系统为w i n d o w sx p 或以l i n u x 为内核的u b u n t u 系统。 通过上述简单的配制，这类电脑就能作为无线m e s h 网络的终端节点。如果要 想将用作路由节点，则需另外在操作系统安装c l i c k 模块化路由器，并为其配制路 由协议。虽然这类无线m e s h 网络节点搭建简单，但是它不便于移动，不适宜用做 室外实验，但可以很好的用做室内的实验床。 2 基于无线路由器的无线m e s h 节点 如果要在户外进行大规模的无线m e s h 网络实验，基于p c 的无线m e s h 节点 肯定不现实，这时我们可以通过重新刷制可编程无线路由器的操作系统，来把无 线路由器当作无线m e s h 节点。 这种无线m e s h 网络节点相对而言价格要合理，并且易于移动，组网快捷，管 理方便，但它要求更高的技术难度，不是专业的技术人员很难重新编译无线路由 器的操作系统。 2 2 2 实验床体系结构 通过配制，我们搭建了基于i e e e8 0 2 1 1 协议标准的无线m e s h 网络实验床，其 中m e s h 路由器采用的是美国网件( n e t g e a r ) 的可编程无线路由器，在n e t g e a r 上重新编译l i n u x l 内核，使其可以接受多种接入方式，并提供无线m e s h 路由节点的 相关特性。m e s h 终端采用笔记本电脑或配有d l i n k 无线网卡的l e n o v o 台式机，笔记 6 硕士学位论文第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试 本和台式机终端可以利用i n f r a s t r u c t u r e 模式连接到无线m e s h 路由器，也可以利用 a d h o c 模式连接无线m e s h 路由器。我们采用的是a dh o e 模式。实验床体系结构如图 2 1 所示。实验床大多数情况下都只在一个房间里进行试验，并且各路由节点和终 端节点移动性非常小，因此在实验床中采取了静态路由的方式来配置站点间的路 由。 图2 - 1w m n 实验床体系结构 2 3 无线m e s h 网中混合业务的传输性能 2 3 1 单业务流在在无线m e s h 网中的传输性能 首先我们引入数据包成功解码率作为性能评判标准，数据包成功解码率是指 接收方成功解码的多媒体数据与总共接收的数据的一个比值。它也间接的反应着 无线网络的吞吐量和多媒体数据的传输性能。 在图2 2 中，我们模拟的是不同传输数据包大小情况下成功解码率与跳数之间 的关系。 在实验中，传输的数据包最大长度分别为2 0 0 字节，1 0 0 0 字节和1 5 0 0 字节。 从2 2 ( a ) 中可以看出，数据包越大，成功解码率会越高，而随着跳数的增加成 功解码率也随之降低。 从2 2 ( b ) 中可以看出，无线m e s h 网络环境中，数据包越小，其丢包率越高，并 且随着跳数的增加，无线m e s h 网络的丢包率急剧上升。 2 - 2 ( c ) 反应了延时随跳数的变化，这个很显然，随着跳数的增加，延时明显增 7 硕士学位论文 第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试 加。 延时抖动的变化2 2 ( d ) 与延时类似。 ( a ) 成功解码率 ( c ) 延迟 ( b ) 丢包率 图2 - 2 单业务传输性能 ( d ) 延迟抖动 总的来说，传送的包越大，接收端的成功解码率越小，而成功解码率又随着 跳数的增大而减小；丢包率，延迟，延迟抖动都会随着跳数的增加而增加。这说 明在无线m e s h 络中，跳数越多会造成无线m e s h 网络性能的显著下降。延时与数据 包的长度没有很大的关系，而数据包大的延时抖动会变化比较剧烈。 2 3 1 混合业务下传输性能 为了测试无线m e s h 网络环境下多媒体数据传输时，其它业务类型数据的加入 对其造成的影响，设计了如图2 3 所示的实验场景，有两条到m e s h 路由节点的流， 8 连续的多媒体流不断的进入无线m e s h 路由节点，此时多媒体流的性能可以从 表2 1 第- n 看出。在1 0 s 的时刻，启动f t p 流，并让其通过相同的m e s h 路由节点， 此时网络的延时抖动迅速增加，并且误码率提高，延迟也增加，具体的变化情况 可以从表2 - l 中得出。因此可以发现无线m e s h 网并不能很好的提高混合业务的传 输，多业务的同时传输，会使其性能显著降低，因此为无线m e s h 网络混合业务提 供服务质量保障显得非常必要。 图2 - 4 加a f t p 流时延抖动的变化 表2 1 单一业务流与多业务流时多媒体传输性能比较 单一多媒体流启动f t p 流 误码率o 0 1 8 4 50 0 2 8 7 8 9 硕士学位论文第二章混合业务下无线m e s h 网传输性能测试 平均延迟( m s ) 9 6 6 5 2 3 0 2 4 5 平均抖动( m s ) 8 2 5 3 32 9 2 5 6 6 2 4 本章小结 利用n s 2 和o p e n n e t 等支持无线网络结构的仿真软件进行无线m e s h 网络 的仿真和研究，是如今大多数研究者使用的方法。利用仿真工具很容易建立无线 m e s h 网络的协议模型和业务传输模型，因而也很容易进行无线m e s h 协议的设计 和性能分析。 随着无线器材变得越来起普遍，价格也低廉，搭建无线m e s h 实验床不再是大 型科研机构的专利，一些小的实验室和研究者可以方便快捷的基于无线m e s h 网络 结构抽象出更小的网络结构模型、业务模型，搭建无线m e s h 实验床，并在实验床 上进行测试和性能分析。 本章通过仿真和实验对比，发现同无线m e s h 网中混合型业务的传输性能会显 著降低，因此为无线m e s h 网络提供服务保障迫切需要解决。 l o 硕士学位论文第三章 无线m e s h 网中基于多重描述编码的多路径路由协议 第三章无线m e s h 网中基于多重描述编码的多路径路由协议 由于多路径路由协议在网络负载平衡、提高网络可靠性和容错性上具有很大的 优势，对无线网络多路径协议也吸引着越来越多的人来研究，本章在对无线m e s h 网络多路由协议深入分析的基础上，针对混合式无线m e s h 网络架构，提出一种基 于数据多重描述编码的多路径路由协议( 删一d s r ) 。删- d s r 利用路由缓存中的两 条路径，所有属于这两条路径的节点都分配了两个互不覆盖的频率波段。根据数 据业务类型，多媒体数据分为两个子数据流分别在其中的一条路径上传输，并在 目的节点进行解码，实验表明n m - d s r 提高了无线m e s h 网络的传输性能。 3 1 多路径路由协议 由于无线m e s h 网络具有无线网络的一系列特点，如节点移动性，无线资源相 对有限性，如何提高无线m e s h 网络的路由质量已经成为一个研究热点。 多路径路由协议是最近几件兴起一种路由协议，它的实现原理是因为源节点 与目的节点可能存在着两条或两条以上的可用的路径，如果节点或着应用程序能 够自由的选择如何使用这些路径，使得传输的数据在超过一条路径上同时传输， 就将充分使用有限的网络资源，特别是无线带宽，极大地提高和改善网络性能， 并同时能够使网络负载平衡，从而能够实现无线m e s h 网提高网络容量的设计目标。 到目前，已经提出来的各种多路径路由算法都是在原有的单路径路由算法的基 础上进行扩展或改进的。下面将重点介绍几重与无线m e s h 网络相关的多路径路由 算法。 1 分裂多路径路由( s m r ，s p l i tm u l t i - p a t hr o u t i n g ) 协议 分裂多路径路由协议( s m r ) 1 主要是在d s r 协议的基础上进行改进的。协议 的提出者认为，如果按照d s r 或a o d v 路由协议那样，允许中间节点将它缓存中存 在的路径反馈给源节点，而多路径路由协议的路由是按需请求的，因此很容易造 成网络的拥塞。 s m r 协议它主要改变的是d s r 协议的寻路过程，既改变y r r e q 包的传播机 制。在分裂多路径路由协议中，对于寻路过程中的任意中间节点，当它收到一个 路由请求时，即使它的路由缓存中存在着能够到达目的节点的路由路径，它也不 会发送r r e p 包将这些路径通知给源节点。通过这种方式，能够非常有效的利用有 限的网络资源来达寻路的目的：适宜于动态变化的网络中，但是分裂多路径路由 协议很多时间都只有一条路径在进行包的传输，并不是真正的在多条路径上同时 传包的多路径路由协议h 副。 硕士学位论文第三章无线m e s h 网中基于多重描述编码的多路径路由协议 2 具有备份路由的a o d v ( a o d v b 鼬协议 备份路由协议a o d v b r h 羽是在a o d v 协议上进行扩展和改进的。 a o d v b r 路由协议和a o d v 协议的路由发现过程非常类似，源节点在需求传 输包时，执行路由发现协议，此时源节点广播r r e q 包，中间节点在接收到些r r e q 包时进行判断，如果它是第一次接收i 七r r e q 包，而且在它路由缓存中存在着到达 目的节点的路径，那么它就直接向源节点回复r r e p 包，如果它的路由缓存中不存 在到达目的节点的路径，那么这个中间节点将把此r r e q 包通过洪泛的方式广播出 去，如果中间节点不是第一次接受些r r e q 包，它就将i i 七r r e q 包直接丢弃h 羽。 备份路由协议将新发现的路由协议用于替换缓存着原有的路由协议。虽然采 用了替换路径技术，但在在投递率方面，a o d vb r 只比原有的a o d v 协议稍有加 强。但在重载的情况下，由于每个中间节点都要维护相当多的替换路由信息，当 主路由路径失去效果时，数据还需要在备份的路径上进行传输，