（计算机系统结构专业论文）无线mesh网络可靠性技术研究.pdf

哈尔滨 ：程犬学硕十学能论文 _ _ - - - 一_ l u l i i i i l l _i i i i i i 一 1 摘要 墨前正在进行商业亿推广的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 。 w l a n ) 是一种单跳的无线接入网，所有无线终端通过接入点( a c c e s sp o i n t a p ) 接入有线网络。但是，单跳无线传输的距离有限，部署成本离。因此， 为了扩大无线接入网的覆盖范围，进一步降低部署成本，无线m e s h 网络 ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，w m n ) 应运焉生。 本文首先对无线m e s h 网络这种新型网络技术作了概述，阐述了无线 m e s h 网络作为新一代的无线宽带接入技术所具备的多种特性，以及所涉及的 相关技术。接着叙述了网络可靠性对网络整体性能的影响，并详细的分析了 现在无线m e s h 网络体系结构中各个网络层次所面临的可靠性技术问题和挑 战。 在接下来的内容中，提出了针对无线m e s h 网络骨干层的2 。终端可靠性 计算策略。由于在计算过程中考虑到了无线m e s h 网骨于层中的节点和无线 链路的可靠性程度对整个网络可靠性的影响，因此更有利于衡量实际网络环 境下节点闻透信的可靠程度。 最后针对无线m e s h 网络的骨干层特点，提出了一种基于链路不相交技 术的无线m e s h 网络路由协议。该协议采焉多路径路由机制中的链路不相交 技术，满足了数据传输的可靠性要求。通过仿真实验与其他无线路由协议进 行了比较，网络的各种性能参数都得到提高。 关键词：无线m e s h 瓣络：溺络可靠性；2 终端可靠性；多路径路由； 链路不相交 哈欠：滨l ：程犬学硕士学能论文 a b s tr a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) ，a st h el a s th o pc o n n e c t i n gm e t h o d t oi n t e m e t ，h a sc o m ei n t om a r k e tn o w a d a y s i nw l a n ，t e r m i n a l sa c c e s si n t e m e t t h r o u g ha c c e s sp o i n t ( a p ) w h i c hc o n n e c t st ow i r en e t w o r k sd i r e c t l y b u tt h e c o v e r a g eo fw l a n i sv e r ys m a l l ，a n dt h ec o s to fd e p l o y m e n ti ss i l lt o oe x p e n s i v e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oe x t e n dt h ec o v e r a g eo fw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k sa n dr e d u c e t h ed e p l o y m e n tc o s t ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n ) i sp r o p o s e d f i r s t ，t h et h e s i sg i v e sa no v e r v i e wo fw m nt e c h n o l o g y , a n dd e s c r i b e si t s c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s t h e nt h ep a p e rd i s c u s s e st h ee 虢c to f r e l i a b i l i t yt ot h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fn e t w o r k ，a n da n a l y z e st h ep r o b l e m sa n d c h a l l e n g e so f e a c hn e t w o r ka r c h i t e c t u r el e v e l i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，am e t h o do fc o m p u t i n gt h e2 - t e r m i n a lr e l i a b i l i t yo ft h e b a c k b o n eo fw m ni s p r o p o s e d t h ep r o p o s e dm e t h o dh a sc o n s i d e r e dt h e r e l i a b i l i t yo ft h em e s hr o u t e r sa n dw i r e l e s sl i n k sb e t w e e nt h em e s hr o u t e r si nt h e b a c k b o n eo fw m n ，s oi ti ss u i t a b l ef o rm e a s u r i n gt h e2 - t e r m i n a lr e l i a b i l i t y b e t w e e nt h ec o m m u n i c a t i o nn o d e si nt h ea c t u a ln e t w o r ke n v i r o n m e n t f i n a l l y , am u l t i - p a t hr o u t i n ga l g o r i t h m i s g i v e n ，w h i c hi s b a s e do n l i n k i n d e p e n d e n c et e c h n o l o g y , a n di sa p p l i c a b l ef o rb a c k b o n eo fw m n t h r o u g h c o m p a r i n gw i t ho t h e rr e l a t e dp r o t o c o l sb ys i m u l a t i o n ，i ti sp r o v i d e dt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ew m n h a sb e e ni m p r o v e d 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 ；n e t w o r kr e l i a b i l i t y ；2 - t e r m i n a lr e l i a b i l i t y ； m u l t i p a t hr o u t i n g ；l i n k - i n d e p e n d e n c et e c h n o l o g y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 马垂型 曰期：妒缉多月d 日 哈尔滨”l j 程大学颧卡学传论文 第1 章绪论 1 。1 无线m e s h 网络的起源与发展 随着人们对互联网( i n t e m e t ) 依赖和移动通信需求的不断提高，人们希望 不论何时、傅地都能够与其他入进行快速、高质量的通信，丽且能够在任何 时刻都能够连接到互联网，并随时随地获取网络上丰富的资源和服务。正是 人们这些强烈的需求彳推动了无线i n t e m e t 的发展。无线i n t e r a c t 的发展依赖 于无线数据通信技术的发展，目前基于i e e e8 0 2 1l ( w i f i ) 的无线局域网技术 和基于i e e e8 0 2 ，1 6 ( w i m a x ) 的无线城域网技术已经成为无线数据通信技术中 的两大主流技术。通过这两种技术实现无线i m e m e t 相对比较成熟，然而这 两种技术在大规模商用时都遇到了一含闯题，鄹无线接入服务区的覆盖能力 有限，因为他们都采用点到多点的星形拓扑结构，移动用户需要与接入点( a p a c c e s sp o i n t ) 进行一跳连接，否则无法实现无线i n t e r n e t 接入。这种局限性 不但束缚了无线i m e m e t 的扩展性，而且增加了网络建设的成本，为此人们 提出了一种新的组网技术无线m e s h 网，作为传统的无线局域网和无线 城域网接入技术的延伸。 无线m e s h 网络这个名词出现的时间并不长，大约在2 0 世纪9 0 年代中 期以后，而真正引起人们特别关注只是在近两年。无线m e s h 网络的研究起 源于a dh o e 网络的发展。1 9 9 7 年，美国国防部高等研究计划局( d a r p a ， d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 开始组织战场鲁棒战术移动通信 系统的研发。在投入大量资金并持续了6 年多的研发后，有关移动a dh o c 网络的一些理论与技术问题得以解决，从而彻底改变了过去构建无线网络的 规则。d a r p a 的目标是：无传统的通信基础设施；采用多跳转发的传输机 制；宽带数据速率；端到端的l p 支持；除了数据业务以外，还要支持话音和 视频业务；内置定位系统( 非g p s 系统) ；能支持高达2 5 0 英里d , 时的车辆移 动速度。特男| j 是近几年，美国通过一些大型国防项晷，攻克了a dh o e 网络的 哈尔滨j f 稳大学碛十学能论文 一些关键技术。 但是，移动a dh o e 网络囱子其应用环境和技术成本等器霞，不适合直接 应用到民用通信领域。在民用通信网络中，最大的民用通信业务应该是包括 v o l p 业务在内的i n t e r n e t 业务。瑟民用通信用户的移动性行为远低于军事逶 信用户，所以，为了能够实现无线通信中无处不在( u b i q u i t o u s ) 的通信目标， 人们需要在基于移动a dh o c 网络的技术基础上，开发出种完全适用于民用 通信的无线多跳网络技术，于是无线m e s h 网络技术就随着这一需求而出现。 2 0 0 0 年初，业界的几个重要事件引起了人们的特别关注，其中之一就是 美图1 1 v r 公司将其为美国军方研发的战术移动通信系统的一些专利技术转让 给了m e s h n e t w o r k s 公司，该公司借此开发了一系列具有自主知识产权的无 线多跳网络民用产品无线m e s h 网络全套技术产品，并在市场上获得了 极大的成功。与此同时，诺基亚、北电网络、t r o p o s 、s k y p i l o t 、r a d i a n t n e t w o r k s 和f i r e t i d e 等多家公司开发的无线m e s h 网络产品相继问世。从此，无线m e s h 网终进入了飞速发展的时期，同时也给a dh o c 网络本身的发展注入了新的活 力。其问，摩托罗拉公司极为看好m e s h n e t w o r k s 公司的发展，予2 0 0 5 年成 功地将其收为麾下。 随着无线m e s h 网络在商业领域的广泛关注，国际学术界也开始从无线 m e s h 网络的角度重新思考现有无线网络，特别是i e e e8 0 2 1 1 网络、移动自 组网络和无线传感器网络等无线网络的协议设计。国际标准化组织正在积极 制定有关无线m e s h 网络的规范，同时也积极考虑在各种无线网络标准中加 入对m e s h 缀网方式的支持。i e e e8 0 2 。1 6 标准工作组在2 0 0 3 年4 胃颁稚的 i e e e8 0 2 1 6 a ( 支持视距传输、固定点接入、点对点或点对多点组网) 宽带无线 城域圈标准藤，又着手i e e e8 0 2 。1 6 e 标准的割定，该标准同时支持点到多点 和m e s h 两种拓扑结构。i e e e8 0 2 1 5 无线个域网工作组在2 0 0 3 年1 1 月成 立了m e s h 研究组t g 5 ，研究刹耀短距离、低成本设备避过m e s h 方式来覆 盖一个较大的环境，如房间、医院、机场、校园等垤1 。i e e e8 0 2 1 1 无线局域 瘸工作组在2 0 0 4 年l 胃份也成立了m e s h 研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ( 编号为 2 哈尔滨一l ：群人学颂十学位论文 8 0 2 1 l s ) ，同年3 月又成立了网络任务组( m e s ht a s kg r o u p ) ，主要研究支持无 线分布式系统( w n d ，w i r e l e s sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 的协议，将进一步推动无线 m e s h 网络技术的研究和应用，同时也标志着无线m e s h 网络技术正式迈上了 广泛标准化道路婚t 。 1 2 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网络是一种分布式网络，它是从移动a dh o c 网络分离出来， 并承袭了部分w l a n 技术的新型网络技术。严格的说，无线m e s h 网络是一 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，它与传统 的无线网络有较大的差别。在网络拓扑上，无线m e s h 网络与移动a dh o c 网 络相似，但网络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m e s h 网络可以看成是一种特殊的w l a n 。由于 具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本，因此，无线m e s h 网 络被称为廉价的“l a s tm i l e ( 最后一公里) 宽带接入方案，。此外，无线m e s h 网络作为未来无线城域网( w m a n ，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 ) 核心网 最理想的方式之一，极有可能挑战3 g 技术，是构建b 3 g 4 g 的潜在技术之 一，也是迄今为止一种建立大规模移动a dh o e 网络的可行性技术。 另外，i n t e m e t 的网络架构本身也涵盖了m e s h 网络的结构。众所周知， 接入i n t e m e t 的终端用户位于网络的边缘，他们通过网络内部的路由器和其 他节点相互连接，而这些路由器和节点的连接方式是这样的：当任意两个节 点问的一跳链路失败后，路由器会经由一个或多个其他路由器找到一条替代 路径。这就体现了m e s h 网络的思想。因此可以说无线m e s h 网络是i n t e r n e t 的无线版本。 。3 无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络的主要区别 无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络很类似，可以把无线m e s h 网络看成 是移动a dh o c 网络技术的另一种版本，或移动a dh o c 网络的种特例。然 哈力：滨丁稃大学硕七学傅论文 而，两者仍然存在一些各自的特点。主要表现如下： l 。虽然无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络都是点对点( p 2 p , p o i n tt op o i n t ) 的臼组织的多跳网络，但从根本上说，无线m e s h 网络的核心部分是由无线 路囱器构成的无线骨干网组成。该骨干霹提供了大范围麓信号覆盖与节点连 接。然而移动a dh o c 网络的节点都兼有独立路幽和主机功能，节点地位平等， 连通性是依赖端节点的平等合作实现的，健壮性比无线m e s h 网络差。 2 无线m e s h 网络中节点移动性低于移动a dh o c 网络中的节点，所以 无线m e s h 网络注重的是“无线”，而移动a dh o c 网络更强调的是“移动 。 3 从网络结构来看，无线m e s h 网络多为静态或弱移动的拓扑，而移动 a dh o e 网络多为随意移动( 包括高速移动) 的网络拓扑。 4 无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络的业务模式不同。对予前者，节 点的主要业务是来往于i n t e m e t 的业务；对于后者，节点的主要业务是任意 一对节点闻的业务流。 5 从应用来看，无线m e s h 网络主要是i n t e m e t 或宽带多媒体通信业务 的接入，而移动a dh o c 网络主要用于军事或其他专业通信。 。4 无线m e s h 网络的体系结构 1 。4 。1 无线m e s h 网络的组成 无线m e s h 网络中各站点间通过多跳无线连接形成网状拓扑，按站点的 功能可分为m e s h 路赢器、m e s h 终端和m e s h 网关三类。 m e s h 路由器( m e s hr o u t e r ) 是具有路由功能的m e s h 站点。它具有一个或 多个无线收发器，构成无线m e s h 网络的骨干层网络，负责终端的接入和数 据的转发。 m e s h 终端( m e s hc l i e n t ) 是用户直接使用的设备，通过m e s h 路由器访闷 i n t e m e t 。某些m e s h 终端也具有路由功能，在特殊情况下能够为其他不能直 接接入无线m e s h 网络的终端用户提供路由转发。m e s h 终端设备具有多样性， 4 哈尔滨一f 稗大学硬士学位论文 可以是普通p c 、笔记本电脑、p d a 、i p 电话等等。 m e s h 网关( m e s hg a t e w a y ) 是无线m e s h 网络与有线阏络的连接点，提供 路由和网关功能。无线m e s h 网络中可以有多个网关，数据流可以选择通过 最合适的弱关来获褥与有线网络之间的通信。 1 4 2 无线m e s h 网络的网络结构 从广义范围来看，根据网络结构的不同可以将无线m e s h 网络分为分级式 网络、对等式网络和混合式网络。 1 4 2 1 分级式无线m e s h 网络 分级式无线m e s h 网络分为上层和下层两个部分。网络中的所有路幽和 转发功能全部都是透过呈网状互联躲m e s h 路壶器和m e s h 网关来宪成，m e s h 终端通过网络接入点直接接入无线m e s h 网络中，形成骨干网络和终端接入 的严格划分，其结构如图1 1 所示。分级式无线m e s h 网络由于存在专用的骨 干路由结构，其传输质量能够得到较好的保障，更适用于需要高带宽、高稳 定性的i n t e r n e t 连接的场景。 曰曰由 酬囱 圈l 。1 分级式无线m e s h 结构 5 啥尔滨】：箨大学硕士学位论文 1 4 2 2 对等式无线m e s h 网络 对等式无线m e s h 网络中的所有节点具有完全致的特性，即每个节点 均包含相同的m a c 、路由、管理和安全协议，即具有客户端节点的功能， 也其有能够转发业务的路由器节点的功能，其结构如图1 2 所示。显然，网 络中的节点与现有的w l a n 等技术不直接兼容。这种结构适用于节点数目较 少并且不需要接入到核心网络的应用场合。 对等结构也被称为终端设备网络结构。这时，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。终端用户盘身配置r f 装置，节点可以 任意移动，网络拓扑结构会动态变化。在这种情况下，由于终端的无线通信 覆盖范蛋有限，两个无法壹接通信的用户终端可以借韵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施的条件下 可以独立运行，可支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带无线霜络。 终端用户模式事实上就是一种a dh o c 网络结构模式，它可以在不具备或不便 利用现有嬲络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。 ， 一一 1 、 图1 2 对等式无线m e s h 网络结构 1 4 2 3 混合式无线m e s h 网络 该类型的无线m e s h 网络综合了分级式和对等式无线m e s h 网络两种体系 6 哈尔滨l i 程大学磺学能论文 结构的特点。在混合式无线m e s h 网络中，m e s h 终端即可以直接接入m e s h 骨干网，也可以通过其他的m e s h 终端接入骨干嘲，其结构如图1 3 所示。在 这种结构中，终端节点已不是目前市面上支持w l a n 的普通设备，而是增加 了具有转发弱路由功能的m e s h 设备，设备之闻可以以a dh o e 方式互联，巍 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。 混合式无线m e s h 网络兼具分级式无线m e s h 网络结构的稳定性和对等式 无线m e s h 网络结构的灵活性，将成为未来发展的主要方向。但怒其结构的 复杂性也带来了更多需要研究的问题。 商回，昌旱章 l 一 ： 。厂 ? ：曰t 一削 图1 3 混合式无线m e s h 网络结构 。5 无线m e s h 网络的主要特点 总结起来，无线m e s h 网络具有以下一些主要的特点： 1 较少的前期投入就可以实现较大的网络覆盖范围。无线m e s h 网采取 多跳接入方式，使得在不牺牲巍前信道容量的情况下，可以通过增加用户节 点数目来增大网络的覆盖范围。随着节点数目的增加，网络的覆盖范围也随 ? 除尔滨l ：程人学硕士学能论文 之增大，可靠性也逐渐增强。与传统的网络相比，接入点的覆盖范围有很大 的提高，信道利用率也相应提高，系统的容量增大。 2 无线链路设计简化，抗干扰能力增强。通过m e s h 方式的网络连接中， 只需要短距离的无线链路，这不仅降低了天线的成本和发射功率，而且还有 助于提高通信节点之间的抗干扰能力，从而增强了网络的安全性、可靠性。 3 。网络结构灵活，维护方便。由于无线m e s h 网络支持a dh o c 网络结 构，具有自形成、自愈和自组织的能力，所以只要在需要的地方加上必要的 无线设备，就可以与已有的设施组成无线宽带网络。无线m e s h 网的路由选 择特性使得当发生链路中断或局部扩充和升级时，可以在不影响整个网络运 行的情况下进行局部的处理和维护，因此大大的提高了网络的柔韧性和可行 性。 4 网络兼容性好，可靠饿惠。无线m e s h 网是基于现有网络技术或标准 ( 8 0 2 1 1 ) 的，因此它与现有的无线网络具有很好的兼容性和互操作性。同时， 无线m e s h 网采用的网络拓扑结构避免了点对多点星形结构所存在的诸如业 务汇聚、中心网络拥塞、单点故障等问题，在很大程度上增强了网络的可靠 性。 5 投资成本低、风险小。无线m e s h 网络的初建成本低，a p 和无线路 由器一旦投入使用，其位置基本固定不变，因而节省了网络资源。无线m e s h 网络具有可伸缩性、易扩展憾、自动配置和应用范围广等优势，对投资者来 说，在短期之内即可获得盈利。此外，无线m e s h 网络般采用非许可证频 段，所以为爝户也节省了服务支出辂4 ，。 1 。6 无线m e s h 网络关键技术 1 6 1 调制技术 在无线m e s h 网络中，两相邻节点的信道参数会受到很多外界因素的制 约，例如新节点的加入、相邻节点闻的距离变化、恶劣的天气影响、某些髑 8 略尔滚 ：眷大学硕士学彼论文 户节点的工作状态的不确定性等。为了克服这些因素所造成的影响，现在的 瓣决方案是采矮一种瑟遵徽色适应调制技术。这静技寒斡主要愚想是根据传输 信道的实际参数动态的改变调制方式，使得任何时刻信道的容量都能达到最 大，露时操证链路在恶劣的环境下翳可用牲黎可靠菇惠传输。馕煎这静技术 所带来的好处是：用户节点可以采用不同的调制技术与不同的相邻节点通信i 在隧一条路径上按攥其售遵参数戆变化更改调制方式，从藤僳涯了信遵资源 有限情况下数据传输的可靠性。 1 6 2 双工和多址接入技术 无线m e s h 霹络中，楣邻节点需要采餍双工方式来支持信患的双囱簧输， 选择频分双工( f d d ) 还是时分双工( t d d ) ，对无线资源的分配有着重要 静影噙。采用频分双工方式缝够簿纯系统鲢繁宽分配设计，但是频分双工适 合于链路上双向信息爨对称的情况，而在无线m e s h 网中，更多的是来自于 从瀚关节点到焉户节点的菲对称售患传输。时分双工方式通过动态调整一帧 内传输方向的边界，能够更好的适应非对称信息传输。 此外，燕交分害| l 多址接入技术( q d m a ) 鬓i j 是专 l 为广域鼹内通信以及无 线m e s h 设计的。它起源于军事领域，其设计目的是为了在特殊环境或紧急 状况下提供露靠的遥信方式。q d m a 技术使焉誊接序列扩频调制技术，工作 在2 4 g h z 的i s m 频段上。由于它在m a c 子层使用多信道方式，因此与单 个信道相比更能适用于高密度的无线m e s h 终端设备。q d m a 技术提供一个 高性能的射频前端，这种前端含有类似于多抽头r a k e 接受机的功能和一种 克服射频环境快速变化的公平算法。q d m a 可在较广的移动通信范围内提供 较强的纠错能力，翮时增强的抗干扰能力和信号的灵敏度可使基于q d m a 技术的通信网络提供离达2 5 0 m p h 的移动速度，丽在实际多址环境应用中的 i e e e 8 0 2 i 协议只能达到2 0 m p h 。舀前q d m a 数据传输的范围达到1 6 0 0 m ， 蔼8 0 2 1 l b 只有2 0 - 5 0 m 。除了通信的范围和速率有很大的提高外，q d m a 更独特的是肉置的定位技术能够对通信设备进行精确定位而不依赖于全球定 9 哈尔滨一l ：释大学硕七学侮论文 _ _ _ _ _ _ i l _ h i i i i i i i i i hi i i1 1 1 1 1 1 1 1 1 1ii i i 位系统( g p s ) 。 1 6 3 资源分配 除了使用一定的多址接入技术来解决相憔爷点共享阋一频段的问题外， 在无线m e s h 网络中也涉及到如何在全网范围内进行信道分配问题。在传统 点到多点的系统中( 例如g s m 系统中) ，这一信道分配技术主要体现在小范 围区域内的信道复用上。但在无线m e s h 网络中，没有严格意义上的区域边 界，因此每个频段使用的范圈可以根搌实际情况来确定，信道分配的主要基 的是增加高密度用户区的系统容量。当无线m e s h 网络巾的用户节点都采用 定向天线时，相邻节点之间已经存在条点到点的路径，不需要特定的多址 接入协议，所以基于一定双正方式上的动态资源分配技术是影响系统容量的 一个主要因素。 一种简单的方法是仿造传统的小区复用技术，将无线m e s h 网节点划分 成几个分配区域，相隔较远的区域可以重复使用同一频段n ”。另外，全网范 围内的功率控制是动态资源分配的另外一个重要的方面。通过合适的功率控 制，实现系统内用户节点之间的干扰最小化，同样能提高系统容量，并减少 各个节点上的能耗。 。6 4 隐藏终端暴露终端处理技术 由于无线m e s h 网络采用无线传输媒质，因此，与其他无线传输网一样， 不可避免地存在隐藏终端和暴露终端问题。由于无线媒质的特殊性，隐藏终 端问题都可能发生，并会导致信号碰撞现象发生。目前，可通过i e e e s 0 2 1l 中的请求发送允许发送( r t s c t s ，r e q u e s tt o s e n d c l e a rt os e n d ) 协议来避 免，但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问题。尽管通过握手机制可以减 少隐藏终端问题中出现信号冲突的概率和时间，但仍存在节点之间控制报文 的冲突，而且还不能解决暴露终端问题。事实上，无线m e s h 网络可看作简 化的a dh o c 网络，因此可根据a dh o c 网络中的一些已有的成熟的方案来解 l o 哈尔滨一l i 稃犬学颂七学侮论文 决隐藏终端和暴露终端问题。 1 6 5 无线路由技术 这里鹄路由指的是如何选择一条路径将用户的无线数据醒传到有线网 络。由于无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络有很大的相似性，所以很多的基 于移动a dh o c 网络的路壶技术可以直接移植至l 无线m e s h 网络中。僵铁长远 的发展来看，开发专用的无线m e s h 网络路由算法势在必行，而且除了需要 考虑如何减少跳数以及减少链路上的包丢失、锩发等现象发生的概率外，受 载均衡、路e l j 开销等等也是需要考虑的因素。目前几种热型的路由算法有： 目的序列距离矢量路出协议( d s d v , d e s t i n a t i o n s e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r ) 、 动态源路由协议( d s r ，d y n a m i cs o u r c er o u t i n g ) 、基予关联性的路由协议 ( a b r ，a s s o c i a t i v e l y b a s e dr o u t i n g ) 、a dh o c 按需距离矢量路由协议( a o d v , a d h o co n d e m a n dd i s t a n c e 。v e c t o r ) 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 ，主要是在动态源路由协议的基 础上采用最大吞吐量准则，该协议已经开始考虑无线m e s h 网的特征。 在无线m e s h 网络中，网络节点的移动性使得网络拓扑结构不断变化， 传统的基于i n t e m e t 的路由协议无法适应这些特性，需要有专门的应用于无 线m e s h 网络的路由协议。根据前文对这种网络结构和特点的阐述，考虑到 这种网络的特殊性，在设计路由协议时必须考虑以下几方面因素：1 ) 选择合 理的路径选择算法。现有的很多路由协议是以“最小跳数为标准来选择路 由路径的。但是如果网络拥挤的话，这种标准就很不合理。因此，在选择路 由路径时就不能只考虑“最小跳数 还应该综合考虑网络的连接质量和往返 时延等因素，从丽设计一种更加合理的路径选择算法。2 ) 确保对连接失败的 可容错性。无线m e s h 网络的目标之一就是在出现连接失败的情况下确保网 络的健壮性。也就是说，如果一个连接失败了，路由协议必须很快地选出另 外一条路径以避免出现服务中断。3 ) 实现网络负载平衡。无线m e s h 网络的 另一个目标是实现用户对资源的共享。巍网络中的某一部分出现数据拥塞时， 哙尔滨丁舞大学硕士学位论文 新的通信数据应该避开这些模块，选择数据流量较少的路径进行传输。4 ) 满 足两络的可扩展性要求。在一个较大规摸的无线网络中建立一条路径往往会 花赞很长时间，这也使得端到端延迟变得很大。而且，即使是这样一条路径 已经确定，路径上节点的状态仍然会变化。因此，可扩张性对于无线m e s h 网络的路由协议来说是至关重要的。5 ) 能够同时满足各种类型网络节点的不 同要求。对于无线路由器来说，其移动性较弱并且没有能源消耗的限制，它 所需要的路由协议肯定要比现有的a dh o e 网络的路由协议要简单得多。但 是对于终端客户来说，情况却恰恰相反。因此，在设计无线m e s h 网络路出 协议时，要充分考虑各种类型节点的差异，以满足各种节点的不同要求n ”。 。6 。6 无线交换技术 在无线m e s h 网的网络层设计上，交换方式的选择对整个网络有很大的 影响。无线m e s h 网络上所承载不单是宽带i p 接入，也包括视频点播、网络 会议等有较商q o s 要求的业务。由于电路交换方式难以满足支持多业务的要 求，无线m e s h 网的网络层一般使用分组交换。迸一步又可分为三种：基于 i p 的分组交换、a t m 交换、多协议标签交换( m p l s ，m u l t i p r o t o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 。这三种方式在信息质量保证、信息传输效率、复杂度等方面各有 特点。基于i p 的分组交换直接面向主流的i p 业务，但对实时业务的服务质 量不能得到很好的保证，尤其是在无线带宽资源紧张的时候，这个问题就变 得更加明显。a t m 交换能保证实时业务的性能要求，但需要额外的带宽消耗 和复杂的协议来承载具体业务。另外，选择交换方式时还要考虑到无线m e s h 网的特性，比如链路的可靠性、节点的加入和退出、多跳对延时的影响等。 这些特性要求对选取的交换方式做出一定的改进以保证无线m e s h 网的网络 性能“引”。 1 6 7 网络可靠性技术 随着人们对通信网络的依赖r 益增强，网络所具有的服务功能也随之增 1 2 哙尔滨丁稳大学硕士学像论文 多。这些需求也给网络的稳定运行带来的很大的不确定性。为了保证无线 m e s h 网络麓够安全、可靠的运行，需要对无线m e s h 网络的运彳亍遴行管理和 控制，这就需要对无线m e s h 网络的整体性能进行分析，从而找到增强其可 靠性的途径。对于无线m e s h 网络来说，其可靠性涉及到很多方蟊，包括网 络自身的软硬件设计的可靠性、网络结构设计可靠性、各层协议的可靠性以 及所需要配合使用的操作系统等其他辅助手段的可靠性。另外，由于无线 m e s h 网络所承载的业务具有异步性、分布性和随机性的特点，网络的运行环 境和失效过程具有动态性，因此，对无线m e s h 网络可靠性的动态分析判断 也是非常值得关注的问题。 。7 论文主要工作 本文剩余部分组织如下： 第2 章首先介绍了网络可靠性的基本概念，以及近年来国内外有关网络 可靠性研究的现状；然后重点分析了无线m e s h 网络体系结构的各个层次中 存在的可靠性问题，以及目前相关领域的研究情况。 第3 章提出了无线m e s h 网络中针对骨干层的2 终端可靠性计算方法， 并通过具体实例展示了该方法的执行过程。 第4 章提出了一种基于链路不相交技术的无线m e s h 网络路幽协议，给 出了具体实例和协议仿真结果。 最后，对本文的研究结果进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展 望。 哙尔滨t 箨大学碛士学傍论文 第2 章无线m e s h 网络可靠性分析 2 1 网络可靠性概述 在近二十年来，由于网络技术的迅速发展，通信网络变得越来越复杂， 无论是在网络发展的规划与设计方面，还是在现有网络的运行维护管理方瑟， 都存在可靠性问题。网络的可靠性已经很大程度上影响了网络的通信质量。 隔终可靠性的研究即有重要的理论意义又有非常重要的实用价值。在这种情 况下，人们把可靠性理论扩展到了网络方面，进一步来研究网络可靠性，从 嚣大大提高了网络的通信可靠性。网络可靠性无论在理论上还是在算法上都 取得了突破性的进展，大量关于网络可靠性的文献纷纷涌现出来。如何分析 和计算网络可靠性也成为计算机通信科学中的一个重要研究课题。 2 1 1 网络可靠性定义 计算机网络的发展使网络的可靠性研究成为热点。对于网络可靠性，一 般理解为：在人为或忽然的破坏作用下，通信嘲络在规定条件下和规定时间 内完成规定功能的能力，。 计算机网络的可靠性一般包括网络的生存性、抗毁性以及有效性等多个 方面，涉及到通信设备、拓扑结构、通信协议等多种因素。网络的抗毁性表 示破坏网络的困难程度，用糙聚度和连通度来测度，用图论算法可以算出； 网络的生存性是指网络在随机故障条件下的连通性：而网络的有效性则是基 于网络业务性能的可靠性测度。当网络中的节点或链路发生故障时，直接导 致网络的连通性变坏，以致无论如何进行网络管理，网络的时延、吞吐量等业 务性能指标都会下降。 网络的抗毁性和生存性仅从图论的概念出发研究网络的可靠性，不涉及 网络的业务性能，离通信网络工程实际需求太远。网络的有效性考虑了网络 业务性能条件下的网络可靠性，探讨了由于网络部件的各种失效模式引起的 1 4 啥兔；滨l ：稃大学硬七学能论文 业务性能下降的情况。它的测度随着考察的业务不同而不同。是一种比较合 理的通信霹络可靠性测度。 2 。1 2 网络可靠性研究现状 关于网络可靠性的计算问题中，多数都是采用图论分析方法，并在其中 孳| 入概率论思想进行计算。按攥露的节点数目的不同，分为2 终端可靠性( 一 个目的节点) 、k 终端可靠性( k 个目的节点，k 网络中节点个数总和) 、全 终端可靠性( 终端数为网络中节点总数) 。在文献【1 5 】中，提出了一种a n n ( 神经元网络) 模型，作为计算机通信网络的全终端可靠性分析模型。其中， 节点所需的数据来自两种途径，一种是根据经验获褥，另一种是随机生成的 数值。经过对比发现，在a n n 模型和经验数据相结合所得到的关于节点和 链路的可靠度评价更加精确。文献【1 6 】中则是先根据仿真工具计算出节点的 状态、链路容量、节点移动速度等参数，然后根据文中所给的计算方法计算 出2 ，终端可靠性和b 终端可靠性。其中，可靠性的计算都是采用概率论知识 进行计算得到的。在文献【1 7 - 2 0 q b ，都是采用图论思想，并分别对2 终端可 靠性、全终端可靠性进行了计算。 在大多数的网络可靠性分析方法中，多是对网络的连通性或者是对网络 的流量进行测量，但是这两种方式都没有考虑到网络的多种性能与路由策略 之闻的关系。在基于网络连通性( c o n n e c t i v i t y ) 的分析方法中，所得到的网 络可靠度数值都比实际情况高，并且仿真试验所得到的数据也不能够很好的 反映网络实际的可靠性情况。而在基于网络流量的分析方法中，又没有考虑 到网络的路e i l 策略和路由组成因素。由于以上两种方法中存在的不足，现在 有入已经开始研究将网络性能( n e t w o r kp e r f o r m a n c e ) l 霾素作为测量网络可靠 性的一个因素。文献 2 l 】中指出，图论方法虽然能够提供对特定拓扑结构的 网络可靠性进行分析计算，僵是这种方法的一个缺点是它没有考虑到网络中 的流量因素，相关的一些重要的网络参数都没有涉及到；而在基于网络流量 的可靠性计算方法中，主要考虑了阏络所麓承载的信息流量，焉忽略了网络 哈尔滨r 稷大学硕+ 学俺论文 中的路由策略、路由结构以及网络拥塞等一些重要参数。基于以上分析，作 者提出了一种新型的网络框架，根握这个框架，作者从嬲络性毙的角度对阚 络的可靠性进行了分析。其中分析的内容包括路由动态( r o u t i n gd y n a m i c s ， 这个因素取决于所采用的路由策略以及路由配镶) ，传输类型( t r a f f i cp a t t e r n ) ， 以及网络的拥塞概率( c o n g e s t i o np r o b a b i l i t y ) 等多个网络参数，使网络可靠性 的计算更加符合实际网络环境的需要。 除了以上的分析计算方法外，还有其它的网络可靠性分析方法。在文献 f 2 2 1 q b ，针对网络中存在的固有赦障( p e r m a n e mf a u l t s ) 和暂时性故障( t r a n s i e n t f a u l t s ) 的情况，对网络的可靠性进行了量化分析，并在分析过程中引入了两 个元素：一个是用于暂时故障发生和恢复次数的可靠性模型，另一个是用于 记录网络中暂时故障恢复过程的恢复模型。该文章与其他文章的不同之处在 于，它提出的方法中引入了对暂时故障的发生时间点的跟踪，并在分析模型 中引入了系统其他相关信息，从而实现对网络可靠性的高质量的量化分析。 最后还通过试验证明了当网络中同时存在固有故障和暂时故障时，暂时故障 对阏络的可靠性有很大的影响。在文献【2 3 】中，从网络可靠性要求、网络费 用以及网络性能之间的关系出发，指出现在主要有两种途径解决这三个要求 之间的关系：第一种就是在满足用户对网络可靠性要求的前提下，尽可能少 的使用冗余的网络设施，从而减少投资费用，这就意味着所有的网络投资都 将满足网络可靠性要求的基本标准。这种方式适用于根据不同的可靠性需求 来制定特定的网络设施，即针对性较强；第二种方式是建立起网络投资费用 和管理费用与网络最高可靠性之阊的比例关系，从丽嗣最省钱方式来得到特 定程度可靠性要求的网络。基于以上分析，作者定义了一个网络可靠性与网 络投资和管理费用之闷的尺度，专f 】用于衡量实际两络环境对这三种因素的 具体需求，同时还提出了对网络的可靠性优化方法，其目的是想用最省钱的 措施构建满足特定可靠性要求的网络结构。文献【2 4 】也从网络投资费用出发， 讨论了网络规划( n e t w o r kp l a n n i n g ) 中的可靠性设计问题，文中指出，网络 规划的蠢标应该是在一定量的网络投资前提下，最大限度的提高嬲络的可靠 1 6 哈尔滨t 挥人学硕士学能论文 性，而要达到这个目的，就要在网络规划阶段将网络投资费用合理利用，以 达到实际应惩的需求。 2 。2 无线m e s h 网络的可靠性分析 为了实现宽带无线i n t e m e t 的商业化，最首要的一点是能够为移动用户 提供可靠的宽带无线i n t e m e t 接入服务，这主要又表现在能够实时、准确、 可靠的提供数据在移动用户与有线i n t e m e t 之间的传递。所以，可靠的数据 互联技术成为基于无线m e s h