（计算机系统结构专业论文）基于时延估计的无线mesh网络信道容量分析模型.pdf

渊f 嬲必 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 鞠娩 加年月易日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 团即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲弛谈导师签名锏曝h 年6 月乙【日 基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 摘要 随着通信技术和因特网技术的发展和广泛应用，越来越多的人们需要 一种方便快捷的因特网接入服务，于是融合了异构网络互连和低成本高速 率等优势的无线m e s h 网络作为一种无线宽带接入技术，成为了当今无线 网络通信发展的主要方向。 本文通过对无线m e s h 网络的特征、优势、协议及相关的研究现状进 行详细的调研和分析，认为当前无线m e s h 网络面临着两个关键问题：一 是对不同业务q o s 保障机制的研究；二是如何在满足业务q o s 的基础上 提高无线资源利用率的研究。针对这两个问题，本文开展了以下两个方面 的研究： ( 1 ) 延迟分析。在无线m e s h 网络中，无线信道的干扰以及容量问题导 致网络性能不稳定，而一些带时延约束条件的多媒体业务对系统性能及资 源的要求较高，而对于该类业务保障机制的研究的关键问题是对数据在无 线m e s h 网络一跳传输的延迟分布的准确把握。为此，本文运用排队论的 m m 1 模型分析数据包的网络层排队延迟，给出i e e e 8 0 2 1 1 竞争机制下 的m a c 层竞争延迟，最后分析一跳链路的吞吐量，进而估算出数据的物 理层传输延迟。与以往对无线网络的数据传输延迟的研究不同，本文以经 典排队论的m m 1 模型及马尔可夫链为理论依据，以较低的运算代价准确 给出了数据一跳传输所经历的各类延迟。 ( 2 ) 信道容量分析模型。如何提高匮乏的无线资源的利用率是无线 m e s h 网络面临的另一个重要议题。本文将跨层设计方法应用于无线m e s h 网络性能优化，运用n u m 模型方法提出一个信道容量分析模型。该模型 以信道的有效利用率作为效用函数的优化目标，将问题具体化为对信道容 量的优化；模型的约束条件包括时延敏感业务的时延约束以及为了降低冲 突而设置的节点尝试发送数据概率约束。模型的求解主要是通过拉格朗日 对偶分解法获得一个分布式调整算法，用于联合控制网络各层的延迟及 m a c 层的竞争，实现在满足业务时延约束条件下的信道容量最大化。该 模型可作为提高无线m e s h 网络信道利用率的有效向导，在下一步的工作 中可将该模型结果应用到路由选择或速率调整等算法中。仿真实验进一步 验证了模型的合理性及可行性。 关键词：无线m e s h 网络，时延分析，排队论，跨层设计，n u m 模型 n a n a l y s i sm o d e lo fc h a n n e lc a p a c i t yb a s e d o nt h ee s t i m a t eo fd e l a y i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d e l yu s e do ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n d t h ei n t e r n e tt e c h n i q u e ，m o r ea n dm o r ep e o p l eh a v et h en e e dt oa c c e s st h e i n t e r n e ti n a nc o n v e n i e n ta n dh i g h - s p e e dw a y , u n d e rs u c hab a c k g r o u n d ，t h ew i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，a c t i n ga sab r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s st e c h n i q u e , w i t ht h ec a p a b i l i t yo f i n t e g r a t i n gw i t hh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sa n da d v a n t a g ei nh i g h - s p e e db u t e v e nl o w c o s t ， h a sb e c o m e st h eh e a dd o m a i ni nw i r e l e s sn e t w o r k sc o m m u n i c a t i o n b a s e do ns t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，a d v a n t a g e s ，p r o t o c o la n dt h ec o r r e l a t i v e r e s e a r c hi s s u e so ft h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，t h i sp a p e rp o i n to u tt h et w ok e yi s s u e s t h a tt h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k sb ef a c e dw i t ha r e ：o n ei st h eq o sg u a r a n t e em e c h a n i s m ， t h eo t h e ri st h eo p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mf o rt h ew i r e l e s sr e s o u r c eu t i l i t yr a t i oo nt h e b a s i so fp r o v i d i n gq o sg u a r a n t e ef o ra p p l i c a t i o n w i t haf o c u so nt h e s et w oi s s u e s ，t h i s p a p e rl a u n c hi t sr e s e a r c ho nt h ef o l l o w i n gt w o - f o l d ： ( 1 ) d e l a ya n a l y s i s i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k si s u n s t a b l ew h i c hi sd u et ot h ep r o b l e m so ft h ei n t e r f e r e n c ea n dc a p a c i t yo ft h ew i r e l e s s c h a n n e l s ，a n ds o m em u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sw i t hs t r i c td e l a yc o n s t r a i n tw o u l dh a v e m u c hr e q u i r e m e n to nt h ew i r e l e s sn e t w o r k sr e s o u r c ea n ds y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dt h e k e yi s s u ei nt h er e s e a r c ho fq o sg u a r a n t e em e c h a n i s mf o r t h e s ea p p l i c a t i o ni st oc a p t u r e t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ro fo n eh o pd e l a y , t oa c h i e v et h i s ，w ef i r s t l ya n a l y z et h e q u e u i n gd e l a ya tt h en e t w o r k sl a y e rb a s e da nn o v e lm m 1q u e u i n gm o d e li nq u e u i n g t h e o r y , t h e na n a l y z et h ec o n t e n t i o nd e l a ya tt h em a cl a y e ru n d e r t h ei e e e 8 0 2 1 1m a c c o n t e n t i o nm e c h a n i s m ，t h ee n d ，t oe s t i m a t et h et r a n s m i s s i o nd e l a ya tt h ep h y s i c a ll a y e r a f t e rt h ec a l c u l a t i o no fo n eh o pl i n kt h r o u g h p u t u n l i k et h ec o n v e n t i o n a lr e s e a r c hi n t r a n s m i s s i o nd e l a yi nw i r e l e s sn e t w o r k s ，w ep r o p o s ei nt h i sp a p e rad e l a ym o d e lb a s e d o nt h em m 1q u e u i n gt h e o r ya n dt h em a r k o vc h a i nm o d e l ，i tc a p t u r et h ed e l a ye x a c t l y t h a ta p a c k e te x p e r i e n c e s a to n eh o pt r a n s m i s s i o nw i t hl o w e ro v e r h e a d a n d c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y ( 2 ) a n a l y s i sm o d e lo fc h a n n e lc a p a c i t y t h eo t h e r c r i t i c a lt o p i c st h a tw i r e l e s sm e s h n e t w o r k sb ef a c e dw i t hi st oo p t i m i z et h ef i n i t ew i r e l e s sr e s o u r c eu t i l i t yr a t i o ，t h i sp a p e r i o p t i m i z et h en e t w o r k ss y s t e mp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sb yc r o s s l a y e r d e s i g na p p r o a c h ，t h e np r o p o s eaa n a l y s i sm o d e lo fc h a n n e lc a p a c i t yb a s e do nt h en u m ( n e t w o r ku t i l i t ym a x i m i z a t i o n ) m o d e l ，w h i c hj u s tf o c u so nt h eo p t i m i z a t i o no ft h e c h a n n e lc a p a c i t ys p e c i f i c a l l ya n dc o n s i d e rt h ec h a n n e le f f e c t i v eu t i l i t yr a t i oa st h e o p t i m i z a t i o no b j e c t i v eo ft h eu t i l i t yf u n c t i o n ，i t sc o n s t r a i n t si st w o - f o l d ：o n ei st h ed e l a y c o n s t r a i n tf o rt h ed e l a ys e n s i t i v ea p p l i c a t i o n ，t h eo t h e ri st h et r a n s m i s s i o na t t e m p t p r o b a b i l i t yc o n s t r a i n t o fn o d e t od e c r e a s e c o n f l i c t i o n ，a d i s t r i b u t e da d j u s t m e n t a l g o r i t h m ，w h i c h a c ta st h em o d e ls o l u t i o ns c h e m ea l g o r i t h mf o rt h em a x i m i z a t i o n c h a n n e lc a p a c i t yb yd e l a yc o n t r o la tn e t w o r kl a y e r sa n dc o n t e n t i o nc o n t r o la tm a c l a y e r i sp r e s e n tb a s e do nl a g r a n g ed u a ld e c o m p o s i t i o nt e c h n i q u e t h i sm o d e lc o u l da c t a sa ne f f e c t i v eg u i d e l i n ef o rt h eo p t i m i z a t i o no fc h a n n e lr e s o u r c ei nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，a n di t sc o n c l u s i o nc o u l db ea p p l i e di nt h er o u t i n gs e l e c t i o no rr a t ea d j u s t m e n t a l g o r i t h mi nt h ef u r t h e rw o r k s t h er e a s o n a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h em o d e li s d e m o n s t r a t e di ns i m u l a t i o n s k e y w o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，d e l a ya n a l y s i s ，q u e u i n gt h e o r y ， c r o s s - l a y e rd e s i g n ，n u mm o d e l i v 目录 摘要】【 a b s t r a c t i i i l i ij 畏1 r 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义l 1 1 1 问题的提出1 1 1 2 无线m e s h 网络研究重点1 1 2 无线m e s h 网络q o s 保障技术及信道容量的研究与分析2 1 2 1m a c 层q o s 保障技术研究2 1 2 2 无线m e s h 网络信道容量分析研究现状3 1 3 本文的主要工作及贡献4 1 4 本文结构安排5 第二章基础知识和相关技术6 2 1 无线m e s h 网络概述6 2 1 1 无线m e s h 网络的结构与特点6 2 1 2 无线m e s h 网络m a c 层相关协议介绍7 2 2 排队论简介8 2 2 1 排队论基本概念8 2 2 2 经典m m 1 排队模型简介8 2 3 无线m e s h 网络跨层设计理论9 2 3 1 跨层设计的一般方法9 2 3 2 跨层设计的应用1 0 2 4n u m 模型理论框架12 2 4 1n u m 理论框架1 2 2 4 2n u m 应用实例介绍1 3 2 5 本章小结1 4 第三章无线m e s h 网络单跳延迟性能分析1 5 3 1 无线m e s h 网络延迟概述1 5 3 1 1 无线m e s h 网络延迟分析的必要性1 5 3 1 2 无线m e s h 网络单跳延迟分解1 5 3 2 网络层排队延迟1 6 3 2 1 相关研究背景1 6 v 3 2 2 排队模型建立及求解1 7 3 3m a c 层竞争延迟1 8 3 3 1 信道空闲状态1 8 3 3 2 信道忙状态18 3 3 3 退避状态1 9 3 4 物理层传输延迟1 9 3 4 1 相关研究背景1 9 3 4 2 链路吞吐量模型推导2 0 3 5 本章小结2 1 第四章基于时延约束的信道容量分析模型2 2 4 1 问题的提出与相关研究背景2 2 4 1 1 问题的提出。2 2 4 1 2n u m 模型方法的优势2 2 4 1 3n u m 模型求解拉格朗日对偶分解法2 4 4 2 基于时延约束的信道容量分析模型2 5 4 2 1 实现信道容量最大化的条件。2 5 4 2 2 模型描述2 7 4 3 模型求解：2 7 4 3 1 对偶问题2 7 4 3 2 分布式调整算法2 8 4 4 仿真实验与分析2 9 4 5 本章小结3 3 第五章结束语。3 4 5 1 本论文工作总结3 4 5 2 论文不足与工作展望3 5 参考文献。3 6 j $ c 谢4 0 攻读学位期间参加科研项目和发表论文情况。4 1 v i 基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 1 1 选题背景及意义 1 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早珀下匕 2 1 世纪是无线通信技术飞速发展的时期，在此期间，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 ) 已崭露头角，作为一种结合了移动自组网( m o b i l ea dh o en e t w o r k ， m a n e t ) 和w l a n 的新型宽带无线网络，其低廉的成本、自配置属性以及方便的 i n t e r n e t 接入等诸多优点引起学术界和宽带接入市场的广泛关注，已然成为无线网络 研究及应用的一个热点课题。 无线m e s h 网络支持多种类型的i n t e r n e t 业务，如普通的网页浏览业务，还有对 系统要求较高的在线视频，流媒体等业务，这些业务不仅要求大量的带宽，而且有严格 的时延约束，超过时延限制到达的数据包将被直接丢弃，如何利用有限的系统资源保障 该类业务的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 是关乎无线m e s h 网络发展前景的一个重 要议题；另一方面，在网内通信量较大的情况下，由于正交信道的数量有限，当邻近节 点的多条链路同时有传输需求时不可避免地会出现竞争，而竞争同一信道的相邻节点间 的无线干扰是造成传输冲突的重要因素，节点负载越大冲突发生的概率也就越大，冲突 是影响信道容量的一个重要因素，因此，如何提高信道的有效容量成为无线m e s h 网络 的另一个重要议题。 针对于上述问题，当前的研究已经涉及到网络各层及各个环节，从单层到跨层设计， 从理论到实验，各种新技术不断注入其中，事实上，到目前为止还没有一种算法可以很 好地折衷业务的q o s 满意度和资源利用率这两方面的矛盾，因而针对于业务q o s 保障 以及在此基础上的资源优化利用的研究还有很大的空间，本文的研究正是在该问题上做 出的新尝试并经实验证明了其可行性，研究重点在于如何满足时延敏感业务的时延约束 条件以及在此基础之上如何提高信道的有效利用率。 1 1 2 无线m e s h 网络研究重点 目前，无线m e s h 网络的研究和应用尚处于初步阶段，专门针对无线m e s h 网络的 许多协议和算法都还处于实验阶段，但毋庸置疑的是无线m e s h 网络的显著优势及应用 前景，这驱使着国内外的许多一流高校及产品开发公司投入了大量的精力用于研究 m e s h 网络的体系机构及其相关技术，从相关的技术层面看，随着研究及应用的不断深 入，问题也逐渐的暴露出来，如网络容量低，吞吐量小，信道干扰等，这些因素使得业 广西大学硕士掌位论文 基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 务的q o s 需求得不到很好的满足，由此，当前m e s h 领域亟需改进的技术问题主要有： ( 1 ) 从网络整体性能角度看，网络的吞吐量及无线通信过程中的干扰随着网络覆盖 范围和网络负载的增大而急剧下降，网络性能处于不稳定状态，此外，m e s h 作为异构 或同构网互联的一种新技术，其不同的应用背景也对网络性能有一定的影响。这就对无 线m e s h 网络的扩展性提出一定的要求，传统的无线网络配置下的容量分析模型及算法 已不能满足现有应用对网络性能的要求。 ( 2 ) 从网络控制的角度看，现有的无线网络各层相关协议及控制算法均不足以为越 来越流行的时延敏感业务提供可靠的q o s 保证。在无线m e s h 网络中影响时延敏感业务 质量的因素是多样的，最基本的拥塞或不合适的路由算法会导致延迟加大，更深层的因 素有无线干扰、信道接入控制协议等，不同因素会造成不同程度的延迟，这些因素是彼 此干扰而非相互独立的，于是，联合优化网络各层不同参数的跨层设计思想应运而生。 ( 3 ) 从无线资源利用角度看，随着硬件成本的下降，有线网络在提高业务q o s 上有 更多的追求，而无线m e s h 网络虽然以其低廉的成本著称，但是相对于其面向视频及流 媒体等时延敏感业务的目标而言，无线资源仍然是匮乏的，网络容量及信道相关协议及 算法的深入研究仍是m e s h 技术推广的前提基础。 1 2 无线m e s h 网络o o s 保障技术及信道容量的研究与分析 1 2 1 m a c 层q o s 保障技术研究 m e s h 技术是下一代无线网络的核心技术，无线m e s h 网络支持同构或异构网络互 连，这其中的最重要应用就是与i n t e m e t 的互联，无线m e s h 网络支持多种不同q o s 的 业务类型，而在无线m e s h 网络支持的所有业务类型中，以时延敏感业务为代表的实时 业务的q o s 约束条件对网络性能的要求最高，因而对时延敏感业务q o s 的满足程度是 评价无线m e s h 网络性能的一个重要指标，关乎实时业务在无线m e s h 网络中的应用前 景，这也正是本文研究的出发点及归宿，为了更好地论述本文的研究，本节先概要介绍 当前针对于时延敏感业务q o s 保障技术在m a c 层的研究重点及存在的问题。 无线网络的资源管理功能主要在m a c 层实现，从最开始的i e e e 8 0 2 1 1 到如今的 8 0 2 1 6 ，m a c 协议在不断的完善中，对无线网络各种业务q o s 的支持也在不断地升级， 基于不同优先级的无线资源调度算法是针对m a c 层的主要课题。由于i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议在q o s 保障机制方面的简单有效的特性，许多研究都在该协议基础上展开，文献 1 】 通过提高吞吐量的方式保障实时业务的q o s ，该方式试图保证新进入的实时业务不会影 响到原来已有实时业务的吞吐量，这是通过限制新接纳业务的带宽需求不超过现有的理 想信道带宽来实现的。文献【3 】同样是通过接纳控制的方式保障业务的延迟约束条件， 该方式首先评估系统的延迟性能，进而与实时业务的延迟约束比较并将比较结果作为接 纳新业务的决定因素，随着研究的深入，在文献 4 】中证明了文献 1 】的不合理之处：一 2 广西大学硕士掌位论文基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 个数据包的延迟不仅与当前系统剩余资源有关，更与数据调度算法以及相关的信道竞争 机制有关，一个新的业务流的到达可以影响周围节点的业务流，因此，新业务流到达前 对当前已接纳业务流的延迟的估计通常会比接纳新业务流后的延迟要小得多，因而不考 虑新接纳业务流对当前业务流所产生的影响的接纳控制方式并不能很好的保证已有业 务的延迟 4 1 ；由于接纳控制方式并不能保证实时业务的q o s ，后来的研究中对实时业务 时延的保障机制的研究逐步向调度算法转移，文献【5 】通过模拟有线网络的集中式调度 算法保证每个业务流的时延约束条件，该类方法需要通过i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议的握手 机制和周围竞争节点之间交换数据包信息，但是信息的交换不仅需要一定的开销，且在 网络性能不佳时交换信息的传输将会面临各种问题，当竞争节点处在当前节点的传输半 径与干扰半径之间的位置时，甚至不能将交换信息传给竞争节点，因而该类方法也存在 一定的局限性；在i e e e 8 0 2 1 1 m a c 协议指数退避算法中，竞争窗口的大小对业务流的 延迟有直接的关系，因而i e e e 8 0 2 1 1 e 【7 j 及文献【8 均对传统的m a c 协议提出这样的修 改建议：对不同优先级别的业务定义大小不等的竞争窗口，并可根据延迟约束条件调整 竞争窗口大小，该方式相对于调度算法而言省去了交换信息的开销，但该种方式并不能 很好的保证各类业务接入信道的公平性。 通过对以上几类典型技术的分析不难发现，单纯的针对m a c 协议的q o s 保障技术 远远不能满足当前实时多媒体业务的多维q o s 约束，这是因为影响业务q o s 的性能参 数分布在网络各层，而传统的网络协议采用的均是分层设计思想，这样的设计特征有利 于更好地把握各层的功能特点，是针对有线网络设计的，然而在拓扑及无线资源不稳定 的无线m e s h 网络中其优势却得不到有效的发挥，因而综合优化网络各层性能参数的跨 层设计方法成为提高业务在无线m e s h 网络的满意度的有效途径，本文正是在分析业务 在网络各层的延迟分布的基础上，通过联合优化数据在网络各层的延迟和m a c 层的竞 争实现对时延敏感业务q o s 的保证，本文将在第三章具体阐述数据传输延迟的分布。 1 2 2 无线m e s h 网络信道容量分析研究现状 在无线m e s h 网络中，支持不同类型业务q o s 的关键技术之一是对具有时变特征的 不稳定的无线信道容量的分析及估算，研究总是远远早于应用，如目前是3 g 技术应用 发展的初步阶段，然而4 g 的研究早在很多年前就已经开始，同3 g 技术一样，无线m e s h 网络将会逐步的普及，对延迟及数据传输速率都有约束的时延敏感业务也将越来越普 遍，因而对时延敏感业务q o s 保障机制的研究已成为m e s h 技术的核心组成部分，具有 重要的理论价值和现实意义。本节以下部分首先对信道容量的研究成果进行简单的概 括，进而指出当前信道容量研究所面临的问题及发展趋势。 在无线网络中，信道传输出错概率较高，此种情形在网络负载较大时更为凸显，影 响无线信道性能的因素有很多，如信号衰减、信道间干扰、噪声、信道切换效率等。在 信道容量研究领域，最早的是仙农基于信息论的容量定理【9 】；基于物理层的信道容量研 广西大掌硕士学位论文 基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 究主要是通过提取物理层参数【lo 】的手段实现，如信噪比( s i s a l t o n o i s er m i o s n r ) 、 误比特率( b i te n d rr m e ) 等，并将其作为信道容量分析模型的输入参数；无线信道在异 步工作模式( a t m ) 下的容量分析与预测模型i l2 j 采用的是有效带宽理论，此类模型方 法能够分析由于信元丢失导致的信道容量降低，但是并没有考虑由误码率因素导致的容 量衰减问题，因而对信道容量的分析结果较为粗糙；文献 1 3 】提出一个多状态马尔可夫 链信道容量模型，该模型方法用于估算衰退信道容量，是运筹学方法在无线网络中应用 的初步尝试；文献 1 4 】中提出了一种基于链路层的信道容量模型，称之为信道有效容量 模型，该模型以网络上层的q o s 参数( 如延迟约束) 作为模型的输入，剔除了由于物 理因素导致的信道容量损耗，模型输出为信道成功传输的有效容量，也称之为无线信道 有效带宽，该模型己被成功应用到多用户多信道无线网络中。 无线m e s h 网络采用的是m i m o 多信道技术，该技术可以大幅度提高网络容量，减 少干扰，但传统的m a c 协议是针对单信道系统的，因而在信道容量的分析及信道接入 技术方面仍面临巨大挑战，而随着多信道系统的应用，信道分配及竞争机制将更为复杂， 目前针对无线m e s h 网络信道的研究所面临的问题主要表现在以下两方面： ( 1 ) 协议不匹配问题；如上文所述，多信道环境下影响信道容量的因素除了单信道 环境下共有的物理因素( 如误比特率) 及信道干扰外，还面临着信道分配、隐终端、切 换方式等问题导致的信道性能的不稳定，因而多信道系统下的m a c 协议设计较之传统 的单信道m a c 协议更为复杂。 ( 2 ) 优化目标更为复杂的问题；多信道环境下的无线m e s h 网络具有结构复杂，节 点多样，拓扑多变，可与异构网络互连等特性，所有这些因素在不同的应用领域都有不 同的优化目标，如覆盖学校范围的无线m e s h 网络更注重与同构或异构网络的互联，家 庭网络更倾向于结构简单，且在同一应用领域的不同业务类型也有不同的优化目标，因 而传统的信道容量模型方法只能借鉴，而不能照搬。 通过对已有研究成果的总结及当前面临问题的分析，本文提出一个基于时延约束的 信道容量分析模型，该模型描述的是保障时延敏感业务q o s 约束条件下的信道容量变 化，可以通过调整节点的数据包到达率及m a c 层的节点尝试发送数据概率来保证业务 q o s ，并通过减少冲突来提高信道成功传输的概率，进而提高信道的有效容量，为了简 单起见，本文假设网络处于饱和状态，与之前的信道容量模型不同，本文提出的模型忽 略了由物理因素导致的信道容量损耗问题，主要考虑的是节点尝试发送数据概率对信道 容量的影响，并将问题的重点放在满足时延敏感业务的q o s 及提高信道有效容量上， 更符合无线m e s h 网络的发展趋势。 1 3 本文的主要工作及贡献 本文是最优化理论在无线m e s h 网络跨层设计中的具体运用，通过一个信道容量分 析模型联合优化数据传输中所面临的时延、竞争以及信道容量等问题。本文的主要工作 4 广西大掌硕士掌位论文 基于时延估计的无线m e s h 网络信道容- i t - 分析模型 及贡献如下： ( 1 ) 无线m e s h 网络单跳延迟性能分析；通过严谨的概率理论分析及推导过程求得 数据一跳传输过程中在网络各层所经历的延迟，为时延敏感业务在无线m e s h 网络中的 应用研究提供较为精确的时延及有效的方法理论。具体工作包括： 运用排队论m m 1 模型分析网络层的排队延迟； 在通透理解i e e e 8 0 2 1 1 的d c f 机制的基础上，给出基于信道状态的竞争延迟； 结合概率论原理，对b i a n c h i 吞吐量模型4 2 】进行改进，获得节点不同的出口链 路的吞吐量，藉此求得通过该链路传输的数据的传输延迟； ( 2 ) 在工作( 1 ) 的基础上，采用一种具有独特优势的跨层优化方法一n u m 模型方法， 提出一个联合时延约束及竞争控制的信道容量分析模型，该模型是最优化理论在无线 m e s h 网络跨层设计中的具体运用。文中运用对偶理论对该模型进行求解并获得一个分 布式调整算法：将由时延和竞争因素所产生的时延因子和竞争因子用于调整节点数据包 到达率及尝试利用信道发送数据的概率，以此进行时延及竞争控制，达到满足时延约束 基础上的信道容量最大的目的。该模型可作为无线m e s h 网络支持时延敏感业务及提高 信道利用率的有效向导。 1 4 本文结构安排 第一章绪论。先简要介绍了本文课题的选题背景及意义、当前研究所面临的技术 问题及应用前景等，接着对无线m e s h 网络中的实时业务q o s 保障机制以及相应的信道 容量的研究现状做一个概要分析及总结，最后概述了本文的研究内容及章节安排等。 第二章基础知识和相关技术。首先详细介绍了无线m e s h 网络的结构和特点，这 是本文研究的背景环境；接着简单阐述文中建模所涉及到的相关协议、理论及技术等， 为后续章节的延迟分析及建模提供理论铺垫及技术支持。 第三章无线m e s h 网络单跳延迟性能分析。分析数据包在无线m e s h 网络一跳传输 过程中经历的各类延迟，并给出每个阶段延迟的特征及分布，主要包括数据包的网络层 排队延迟、m a c 层竞争延迟及物理层传输延迟。 第四章基于时延约束的信道容量分析模型。在第三章的基础上，运用n u m 模型 方法提出一个基于时延约束的信道容量分析模型。文中利用对偶理论求解该n u m 模型， 通过对节点数据包到达率及尝试发送数据概率的调整达到优化网络各层的延迟及m a c 层竞争的目的，最后用m a t l a b 仿真了数据包到达率及节点尝试发送数据概率的分布及 收敛过程，论证了模型的合理性；通过比较不同时延约束前提下的时延获得，验证了模 型的可行性：可以很好地支持时延敏感业务。 第五章结束语。全面总结了论文的研究工作，并展望未来的研究方向。 广西大学硕士掌位论文基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 第二章基础知识和相关技术 2 1 无线m e s h 网络概述 2 1 1 无线m e s h 网络的结构与特点 在讨论时延敏感业务在无线m e s h 网络中的应用之前，需要清楚的了解m e s h 的结 构及特点，无线m e s h 网络呈两层结构，分别对应着其中的两类节点集合：m e s h 路由 器以及m e s h 客户端，将这两层分别称为m e s h 骨干网和客户端m e s h 结构i l5 1 ，以下将 概要叙述其架构及功能特点。 m e s h 骨干网主要由m e s h 路由器节点组成，这些节点除了具备传统路由器的中继 功能外，还可通过多跳方式组成一个具有自动配置、自动愈合特性的骨干网，该层作为 连接m e s h 客户端与外网( 典型如i n t e r n e t ) 的中介，m e s h 客户端的应用请求可通过 其中一些具备网关功能的节点转发至外网，实现了无线宽带接入，也扩大了无线m e s h 网络的覆盖范围。 m e s h 客户端结构中的客户端节点可以是普通p c 或一些无线p d a 等，这些节点运行 ，相关的路由协议，兼具主机和路由器两种角色，节点首先是一个独立的程序运行设备， 另一方面，议节点间可通过多跳方式相互通信，因而该层可以看成是一个对等网络 ( p e e r - t o - p e e rn e t w o r k s ) 架构，尽管如此，m e s h 网络的大部分应用还是集中在与外 网( 典型如i n t e r n e t ) 的互联上。 根据网内节点功能的不同，m e s h 网络的架构可以分为以下三类【”】： ( 1 ) 基础设施骨干网结构【1 5 】：由上文所述的m e s h 骨干网和m e s h 客户端结构组成， 所谓的基础设施的含义是m e s h 骨干网借助网关的功能为客户端节点提供一个连接外网 的基础设施网。 ( 2 ) m e s h 终端用户网状结构【1 5 】：该架构即上文所述的m e s h 客户端结构，该种架构 的实质是一个a dh o c 网络，节点可在没有基础设施的支撑下相互通信。 ( 3 ) 混合结构【15 j ：该种结构是以上两种结构的结合，即客户端节点可以直接将数据 发送至m e s h 骨干网，也可以通过m e s h 终端用户网内的多跳方式将数据转发至骨干网， 该种结构结合了以上两种结构的优势，终端用户可以通过基础设施与其他网络相连，也 可作为终端节点间的中介节点，扩大了网络的连通性，因而该种结构被认为是m e s h 技 术发展的趋势。 无线m e s h 网络相对于其它无线网络的显著特点f 1 5 】有如下三个： ( 1 ) 简易的组网及方便的维护：无线m e s h 网络具有自组织和自愈能力，网络易于 部署，组网及维护的成本低【1 5 1 。 6 r - 西大学硕士掌位论文 基于时延估计的无线m e s h 网络信道容量分析模型 ( 2 ) 支持同构或异构网间互连：支持现有的无线网络，如a dh o e 网络，支持同构 或异构网络的互联【1 5 】，主要应用为与i n t e r n e t 的互连。 ( 3 ) 拓扑稳定：m e s h 节点移动性小，因而m e s h 网络的拓扑相对稳定【1 5 】。 2 1 2 无线m e s h 网络m a c 层相关协议介绍 无线m e s h 网络m a c 协议的主要功能是对无线资源的管理，其中，对信道资源的 管理是m a c 协议设计的一个核心问题，其主要目标在于实现信道使用的公平性及信道 容量的有效利用。本文主要讨论的是信道容量问题，因而本节先概要介绍m a c 协议中 关于信道竞争的二进制指数退避算法，并分析当前m a