（信号与信息处理专业论文）基于无线mesh的媒体接入控制算法的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 无线m e s h 网络是一种新兴的低成本、高容量、高速率、高宽带互联网接入技 术，在下一代移动网络的发展中起着重要的作用。与传统网络相比较，无线m e s h 网络不仅能提供高带宽的互联网接入，而且提供了一个低成本，灵活的部署。信 道接入协议是无线网络设计和研究的关键技术之一，网络的吞吐量、带宽、时延 等都依赖于所采用的信道接入协议。因此，本课题针对无线m e s h 网络m a c 层展 开了深入的研究。 无线m e s h 网络的速率自适应机制一直是近些年来学术界研究的热点之一，本 文对无线m e s h 网络各种自适应速率算法进行研究。深入分析了r r a a 速率自适 应机制，指出了r r a a 算法存在对信道质量的统计不准确和门限选择不合理容易 发生抖动的问题。用发送分组失败率和丢包率来衡量信道质量来解决对信道质量 统计不准确的问题。监测抖动发生次数达到一定门限制后调整门限，根据调整过 后的门限，进行速率的自适应选择，使速率更加稳定，改善了抖动造成吞吐量的 下降的问题。 在基于i e e e8 0 2 1 l 拥塞控制框架的基础上，用空闲时隙率和队列占用率来联 合监测当前节点的拥塞信息。监测的拥塞信息通过四次握手机制进行反馈到上游 节点。用i e e e8 0 2 1 1d c f 分段机制，根据当前节点下游节点的拥塞信息，来控制 发送分组数目，提高系统的吞吐量。在自适应速率算法的基础之上，根据拥塞的 情况来调整节点的传输速率以及发送分组的数目。当前节点根据下游节点的拥塞 情况，对传输速率和发送分组数目进行调整，实现下游节点的拥塞控制。 最后，通过n s 2 仿真实验对r r a a 速率自适应机制和改进后的自适应速率机 制进行网络性能的比较分析，证明改进后的优于原有的策略。 关键词：无线m e s h 网络，自适应速率，拥塞控制，m a c 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r ki san e wi n t e r a c ta c c e s st e c h n o l o g y 晰ml o wc o s t ，h i g h c a p a c i t ya n dh i 曲s p e e d w i r e l e s sm e s hn e t w o r kp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nn e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s ，w i r e l e s sm e s h n e t w o r k sc a nn o to n l yp r o v i d eh i l g h - b a n dw i d t hi n t e m e ta c c e s s ，b u ta l s op r o v i d e sa l o w - c o s t ，f l e x i b l ed e p l o y m e n t c h a n n e la c c e s si sak e yt e c h n o l o g i e sf o rw i r e l e s sm e s h n e t w o r k t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sd o e ss o m er e a s e r c ha b o u tt h ec h a n n e la c c e s so fw i r e l e s s m e s hn e t w o r k s i nr e c e n t l yr a t ea d a p t a t i o nm e c h a n i s mf o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r ky e a r sh a sb e e na h o tt o p i c a tf i r s tt h i st h e s i sd o e ss o m er e a c ha b o u tt h eav a r i e t yo fa d a p t i v er a t e a l g o r i t h m d e p t ha n a l y s i so ft h er r a ar a t ea d a p t i v em e c h a n i s m , p o i n t e do u tt h e p r e s e n c eo fr r a aa l g o r i t h ms t a t i s t i c a l c h a n n e lq u a l i t yi sn o ta c c u r a t ea n ds e l e c t t h r e s h o l du n r e a s o n a b l em a yc a u s er a t ej i t t e rp r o b l e m s u s ep a c k e te r r o rr a t ea n dl o s t r a t et om e a s u r et h ec h a n n e lq u a l i t y c o n t i n u o u sm o n i t o r i n gt h e j i t t e ro c c u r r e n c ew h e n t h en u m b e ro f j i t t e rr e a c h e sac e r t a i nl i m i ta d j u s t m e n tt h et h r e s h o l d b a s e do nt h ei e e e8 0 2 1 1f r a m e w o r k ，u s ei d i es l o tr a t ea n dq u e u eo c c u p a n c yr a t e t oe s t i m a t et h ec u r r e n tn o d e sc o n g e s t i o ni n f o r m a t i o n t h r o u g ht h ef o u rw a yh a n d s h a k e m e c h a n i s mf e e d b a c kt h ec o n g e s t i o ni n f o r m a t i o nt ot h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a mn o d e s u s et h ei e e e8 0 2 11d c fs e g m e n t sm e c h a n i s mt oc o n t r o lt h en u m b e ro fs e n d i n g p a c k e t st oi m p r o v et h es y s t e mt h r o u g h p u t b a s e do nt h ea d a p t i v e r a t ea l g o r i t h m ， a c c o r d i n gt oc o n g e s t i o ni n f o r m a t i o na d j u s tt r a n s m i s s i o n r a t ea n dt h en u m b e ro f c o n s e c u t i v es e n dp a c k e t s a c c o r d i n gt ot h ec o n g e s t i o ni n f o r m a t i o no nt h ed o w n s t r e a m n o d ea d j u s tt h er a t ea n dt h en u m b e ro fs e n dp a c k e t st oa c h i e v et h ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h i st h e s i su s et h er e s u l to fn s 2 ss i m u l m i o nt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e o ft h er r a am e c h a n i s ma n dt h ei m p r o v e da d a p t i v er a t em e c h a n i s m i tc a np r o v et h a t t h ei m p r o v e da d a p t i v er a t em e c h a n i s m i sb e t t e rt h a nt h eo r i g i n a l 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 ，a d a p t i v er a t e ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，m a c i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来物理层技术的迅速发展，为无线m e s h 网络提供更大的带宽，再者无线 m e s h 网络有稳定的网络骨干结构，又允许客户机以灵活的方式组网，因此备受全 世界的青睐，具有极为广阔的应用前景，被认为是3 g 或4 g 通信的主要竞争对手 【l 】。与传统网络相比较，无线m e s h 网络不仅能提供高带宽的互联网接入，而且提 供了一个低成本，灵活的部署。有很多m a c 层技术可以用来组建无线m e s h 网络 如i e e e8 0 2 1 1 、i e e e8 0 2 1 l s 、i e e e8 0 2 1 5 1 2 3 4 、i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 2 0 等 等。i e e e8 0 2 1 1 是无线局域网通信的标准主要负责无线局域网络中物理层和m a c 层标准的定义。i e e e8 0 2 1 1 a b e g n 系列标准主要是针对于终端直接连接到基站的 单跳结构的网络通信。i e e e8 0 2 1 l e 以增强性分布信道接入技术作为媒体接入机制 的基础，旨在对服务质量支持。在无线m e s h 网络多跳的通信环境中缺少对可扩展 的分布式的m a c 协议支持会严重影响网络的性能，因此i e e e 专门成立了8 0 2 1 l s 解决多跳传输问题，对无线m e s h 的支持。i e e e8 0 2 1 6 是无线城域网标准技术， 提供城域范围内的宽带接入服务【2 j 。利用无线m e s h 宽带接入技术，可以灵活覆盖 校园、市区或整个城市，为用户提供无处不在的宽带接入服务。典型的一些应用 服务包括语音，短信，电子邮件，信息服务( 如新闻，股票，天气，旅游，体育 等) ，网络传真，电子商务，基于位置的服务，卫生保健服务等等。此外，无线 m e s h 网络也可以支持这些应用的需要，如在线数据，视频广播，视频会议的高带 宽通信和其它多媒体服务。 无线m e s h 网络是一种新兴的低成本、高容量、高速率、高带宽互联网接入技 术，在下一代移动网络的发展中起着重要的作用。与传统网络不同的是无线m e s h 网络是一个动态的自组织、自配置的网络，m e s h 网络中的各个节点能自动建立并 维持网络的连接。无线m e s h 网络采用各种先进技术，使网络容量和速率都有很大 提高，通过网关和网桥很容易和现在的各种网络集成1 3 】。随着越来越多的节点加入， 可靠性有所增加。无线m e s h 网络组网灵活，对现有的基础设施网络可以很容易扩 展，并且可以提供满足各种q o s 要求的宽带服务。近年来随着无线m e s h 网络在 商业化的发展中，对网络的性能的要求也越来越高，因此还有相当多的研究工作 需要做。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 随着无线m e s h 网络的普及也带来一些弊端，随着无线用户的增加和带宽需求 的增加使无线网络性能下降。网络容量是衡量一个无线网络性能的关键指标，它 代表了很长一段时间内数据传输速率，无线网络的容量取决于网络的网络结构、 电源、带宽、沟通模式、路由策略和接入策略等因素。由于无线节点是半双工， 这意味着它不能在相同的时间间隔接收和发送。如果两个节点在同一信道上发送 信息就会因为碰撞而造成了重发，分组的重传增加了时延降低了网络性能。无线 m e s h 网络的无线信道是多个节点共享信道，加上无线信道频谱资源非常有限，因 此如何协调节点接入信道是关系到能否充分利用无线信道、实现节点对无线信道 的公平竞争，解决拥塞问题，提高无线网络的吞吐量以及q o s 都有非常重要意义。 信道接入协议是无线m e s h 网络的关键技术之一，因此研究无线m e s h 网络m a c 层协议对提高无线m e s h 网络性能，解决拥塞问题有非常重要的意义。本文对无线 m e s h 网络m a c 层协议分析讨论，研究如何提高无线m e s h 网络吞吐量和解决拥 塞的问题。 1 2 无线m e s h 网络现状 目前国内外许多组织和高校对无线m e s h 网络都深入进行研究，构建了一些实 验平台，该平台可以为新协议和新技术的实现与评估提供很好的依据。 r o o f n e t 网络是剑桥大学开发出来的实验性i e e e8 0 2 1 1 b 儋的无线m e s h 网络， 该网络可以为用户提供宽带互联网接入，主要用来研究自适应传输速率机制、节 点密度以及路由协议对网络整体性能的影响 3 1 。t a p 项目在各个发射接入点的基础 上设计了一个无线m e s h 网络构架，各个发射接入点通过高性能的m i m o 无线链 路形成一个无线m e s h 网络框架。t a p 项目主要研究已部署路由器的硬件设计对多 天线技术和多接1 ：3 系统的支持 4 1 。h y a c i n t h 项目中设计了一种多信道无线m e s h 网 络架构，该构架可以运用于i e e e8 0 2 11 a f o g 技术或者i e e e8 0 2 1 6 a 技术构建。该 构架设计的要点是接口信道分配和分组路由【5 】。美国乔治科技学院无线网络和带宽 实验室构建了无线m e s h 网络测试平台，对路由器位置、移动性、链路故障以及其 他要素对网络整体性能的影响进行了研究。美国的乔治科技学院的宽带和无线组 网试验室构建w m n 测试平台在这个平台上可以对路由协议、移动性、链路故障 等其它因素对网络整体的影响进行研究1 6 j 1 7 j 。w i n g 项目研究了一种新型的无线网 络架构，在该构架下网络节点可以随时移动且不会对网络的性能产生影响。这个 测试平台还可以与无线传感器网络和企业网一起集成，构建一个不同种类的综合 无线网络。w i n g 项目构建了一个新兴的无线网络构架，该项目的目标是构建一 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 个双重的移动无线架构，不但所有的网络节点都可以随机移动，而且不会对网络 的性能产生影响i s ) 。 除了院校的测试平台之外一些大公司也进行了研究，例如i b m 、i n t e l 、n o k i a 、 和m i c r o s o f t 等公司。其中m i c r o s o f t 正在利用构建的测试平台研究具有多信道接口 的路由层和m a c 层协议。其它一些公司也通过多个城市部署m e s h 网络来研究无 线m e s h 网络的组网技术。 除了院校和商业的平台外，还部署一些公共无线m e s h 网络来研究不同技术的 影响，并评估网络中不同业务的性能。例如数字恒河平原计划、西雅图无线城市 计划和t i b t e kd h a r m s h a l a 无线m e s h 公共网络【2 j 。 虽然对无线m e s h 网络进行了深入的研究，但是无线m e s h 网络的性能还达不 到期望的水平，因此还需要大量的研究工作要做。无线m e s h 网络中面临很多问题 需要解决，这些问题也是目前无线m e s h 网络要克服的技术难点问题。这些问题有 吞吐量、公平性、可靠性、稳定性和资源管理等。 1 3 论文的主要工作和结构 1 3 1 论文的主要工作 本文的主要工作是深入分析无线m e s h 网路m a c 协议自适应速率机制，在 r r a a 协议的基础上进行改进并加入拥塞控制机制。用n s 2 进行模拟仿真，对仿 真结果进行对比分析，验证其有效性。主要工作如下： ( 1 ) 详细分析i e e e8 0 2 1 1m a c 协议，研究基于i e e e8 0 2 1 lm a c 协议的速 率自适应算法，特别对r r a a 协议进行深入研究，发现r r a a 协议门限选择不合 理容易造成抖动。通过监测抖动连续发生的次数，对门限进行调整。改善了因为 抖动造成吞吐量的下降的现象。在衰落信道环境下不仅会造成丢包还会造成分组 错误，因此用丢包率统计信道质量不准确。用丢包率和分组出错率联合统计信道 质量，提高了信道质量统计的准确性。 ( 2 ) 用空闲时隙率和丢包率来联合监测当前节点的拥塞信息。用反馈机制将 拥塞信息发送给上游节点。上游节点根据拥塞程度调整速率，以及分组的发送数 目，从而提高吞吐量，缓解拥塞的目的。 ( 3 ) 为了验证改进算法的有效性，在n s 2 实现了该方案，并对其仿真。对仿 真结果进行对比分析，验证改进后的算法的有效性。 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 2 论文的结构 本文研究的主要内容是在分析无线m e s h 网络中m a c 层自适应速率机制的基 础上，对r r a a ( r o b u s tr a t ea d a p t a t i o na l g o r i t h m ) 进行改进，并加入拥塞控制机制。 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章绪论，介绍了无线m e s h 网络的研究背景和现状，以及课题的研究目 标和论文的组织结构。 第二章阐述了无线m e s h 网络的概念、特点、架构、关键技术，无线m e s h 网络在现实中的的应用。 第三章对无线m e s h 网络中m a c 层协议深入的进行分析，指出现有m a c 协 议存在问题，以及研究的热点问题。 第四章对r r a a 算法的存在的问题进行分析，通过用队列长度和分组发送成 功率来统计信道质量，根据抖动的次数对门限进行调整，来对r r a a 协议进行改 进。通过拥塞反馈信息调整传输速率和发送分组的数目，来提高网络性能。 第五章在第四章理论的基础之上，通过n s 2 仿真实现，对两种协议进行仿真 对比。仿真结果表明，改进后的算法在网络性能上优于r r a a 协议。 第六章总结和展望。对本文的研究工作进行全面的总结，对将来工作的研究 进行展望。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络的概述 第二章无线m e s h 网络概述 目前无线m e s h 网络进入商业化和应用阶段，是针对于特定的商业应用而涌现 出来的一种新兴的无线技术。它是由无线局域网和移动a dh o e 网络的融合发展而 来的，承袭了无线局域网的优良特性和a dh o e 网络动态扩展、自组网、自配置、 自管理以及自愈合等特性 9 1 。传统的无线局域网是单跳的网络，每个节点要通过与 接入点相连的无线链路来访问网络。而在无线m e s h 网络任何节点不仅可以发送和 接收信息，还可以与一个或多个对等节点通信。对无线m e s h 网络的研究包括跨层 技术、物理层传输技术、m c 层协议、网络层协议、传输层协议和应用层协议等 的研究。 2 1 无线m e s h 网络架构 无线m e s h 网络由m e s h 路由器、m e s h 终端和m e s h 网关组成。m e s h 网关是 有线网与无线m e s h 网络相连接的连接点，提供网关和路由功能。m e s h 路由器是 具有路由功能的节点，负责m e s h 终端的接入和用户数据的转发，骨干网是具有 m e s h 路由器功能节点相互连接组成。有些用户终端具有路由器功能，可以转发其 他节点的数据包，用户终端通过无线m e s h 路由器访问网络。无线m e s h 网络的终 端可以是笔记本、p c 机、p d a 等等。无线m e s h 网络按网络拓扑结构来划分，可 分为三种类型：平面结构的无线m e s h 网络、分层结构的无线m e s h 网络和混合结 构的无线m e s h 网络桫j 。 2 1 1 平面结构的无线m e s h 网络 在平面结构的无线m e s h 网络中，无线m e s h 网络由客户端和路由器两类节点 连接组成的，网络结构如图2 1 所示。在平面结构的网络中，每个节点的地位是相 同的。每个客户端节点提供路由，网络配置服务和其他服务。这种体系结构类似 于自组织无线网络，结构简单容易部署，缺点是网络的可扩展性差和资源缺乏。 优点是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 通信而不需要借助其它的基础设施【l l 】。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线m e s h 网络的概述 图2 1 平面结构的无线m e s h 网络 2 1 2 分层结构的无线m e s h 网络 t 分层结构的无线m e s h 网络如图2 2 所示，网络被分成多个层次结构，终端节 点处于网络的最低层。终端节点和骨干网络组成了无线m e s h 网络。终端节点通过 m e s h 路由器接入骨干网络，无线m e s h 路由器相互连接组成了骨干网络。骨干网 络通过网关节点与其他网络连接，网关节点也是骨干网络中的路由节点。它是三 者之中最常用的一种网络类型。它的优势是它可以提高网络的覆盖范围和网络的 连接性，它的缺点是任意两个终端节点不能直接通信【l 。 图2 2 分层的无线m e s h 网 2 1 3 混合结构的无线m e s h 网络 混合结构的无线m e s h 网络如图2 3 所示，它是分层结构的无线m e s h 网络和 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线m e s h 网络的概述 平面结构的无线m e s h 网络的组合。在这种网络结构中，终端节点既可以通过无线 m e s h 路由器节点接入网络，也可以通过接入点接入网络。中继节点扩大了网络的 覆盖范围，从而提高了终端节点的吞吐量。这种网络容易和其它类型的网络集成， 能提供良好的连通性与扩展性。由于无线m e s h 网络的发展在很大程度上取决于与 现在无线网络融合的程度，加上这种结构很容易和其它网络集成，所以这种结构 在无线m e s h 网络的发展中占有很重要的地位i l l j 。 图2 3 混合无线m e s h 网络 2 2 无线m e s h 网络的特点 无线m e s h 网络又称无线网状网，它是一种新兴的无线宽带接入技术，具有节 点自我管理等特点。无线m e s h 网络一种高容量、高速率、高带宽的分布式网络， 它不同于传统的任何种有线和无线网络，具有自配置、自愈合、高带宽、兼容性、 低成本等优点。在无线m e s h 网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进 行直接通信【1 2 1 ，支持多点对多点的通信。 与传统网络不同，无线m e s h 网络中的节点大多都是静止的，拓扑变化相对比 较小，而且它是自我组织和自我配置的，即网络节点自动建立和维护网络。这种 无线网络具有很多优势，例如低成本、稳定性以及可靠的服务覆盖面、技术成熟、 便于管理和维护【l 引。使用无线m e s h 路由器和网关易于和各种现有的无线网络集 成，通过集成的无线网络最终用户可以享受到各种网络的优势。无线m e s h 网络的 一些突出特点如下1 1 j1 1 4 j ： 7 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络的概述 高可靠性：在无线m e s h 网络中m e s h 路由器从发送节点到接收节点提供 冗余的路径。它不依赖与某个单一节点性能，这就消除了单节点故障和潜在的瓶 颈链路，显著的提高通信的可靠性。如果节点出现故障或者拥塞，数据包将自动 路由到其他的冗余通信链路上进行传输，网络仍能稳定的工作【1 4 】。 部署成本低：用户可以通过基于8 0 2 1 1 的w i f i 无线接入点( a p ) 进行 部署。构建一个无线m e s h 网络基础设施的费用少，只需要有限个m e s h 路由器， 而有线网络要昂贵的有线电缆连接到互联网的骨干网络上。无线m e s h 网络很容易 增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量l l 引。 覆盖范围大：目前无线局域网( w l a n ) 的数据传输速率也相应提高，利 用频谱有效的调制方案，8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g 的传输速率达到了5 4 m b p s 。尽管无线 局域网的数据传输速率增加，但是随着无线传输距离的增加，各种干扰和衰落导 致数据丢失和出错的因素也随之增加。然而利用无线m e s h 部署的网络的通信没有 任何明显的性能下降，是因为无线m e s h 网络通信是通过多跳来传输数据的，可以 获得较高的传输速率和更大的覆盖范卧。 自动网络连接：无线m e s h 网络是动态的自我组织和自我配置。换句话说， 客户端自动建立和维护网络连接到路由器。例如，当新的节点加入到网络，这些 节点使用自动路由发现机制，并确定最优路径到目的网络节点。此外，现有网的 网络利用无线m e s h 网关，可以很容易的进行扩展和其它网络集成i l j 。 2 3 无线m e s h 网络的研究要点 1 应用层 在无线m e s h 网络的应用层中，主要研究要点可以分为下面几类1 2 1 ： 新应用业务：为了无线m e s h 网络更好的发展，要根据无线m e s h 网络的 特征和优势研究新的应用层业务，以满足用户不同应用的需要，实现无线m e s h 网 络的融合与发展。 专用网络和公用网络的集成：在公用的无线m e s h 网络中研究各种专用网 和专用节点接入技术，从而提高无线m e s h 网络的应用。接入点是业务的提供者， 研究各种接入机制能为用户提供更广泛的应用。 跨层方式：为了满足应用层技术的严格要求，方便应用层协议管理和共享 信息，协议栈中的各个底层协议必须要与应用层协同工作，因此要求各层提供一 个信息共享的方式。通过信息共享的方式能应对网络的变化和满足各种实时应用 业务的要求。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线m e s h 网络的概述 2 传输层 虽然无线网络和有线网络开发了很多传输协议但是到目前为止还没有专门用 于无线m e s h 网络的传输协议。研究可靠的，高效的无线m e s h 网络传输层协议的 要点如下： 跨层设计：传输层和各层的联系紧密，仅靠改进传输层协议不足以使传输 层性能大幅度的提升，因此要联合其它层协议进行联合改进使网络的性能大幅度 的提高。 自适应传输协议的研究：由于不同类型的网络集成融合，想要用原来网络 的传输协议不切合实际，因此要研究动态自适应传输协议来适应无线m e s h 网络。 为各种多媒体应用开发新的实时速率控制机制。 3 路由层 路由层协议是无线m e s h 提高网络资源利用率的关键协议之一。无线m e s h 网 络路由算法研究要点如下： 分布式：每个路由器要能够为每个数据分组自动计算路由策略，因此路由 协议必须是分布式的。 链路质量变化：在无线m e s h 网络中，网络的质量会随网络拓扑结构和环 境变化的而变化，因此设计的路由算法要能够应对网络变化。 低开销：无线网络的带宽有限，支持路由决策的变化信息也是一种开销， 不仅研究新的路由协议要考虑这种开销，而且要争取降低因网络拓扑变化路由决 策的开销。 4 m a c 层 无线m e s h 网络m a c 层不仅受到噪声的干扰还受到相邻节点的干扰。为了不 影响各点的性能，无线m e s h 网络要开发新的m a c 层协议，m a c 层研究的要点 如下： 多速率：信道分配算法要考虑多种物理速率的有效性，即速率平衡原则。 降低物理速率会导致链路容量的下降，同时会减小干扰范围，可以使更多的节点 并行工作。 自适应网络配置变化：在无线m e s h 网络中，节点动态加入网络退出网络， m a c 层的相关信道分配方案必须能适应这些变化的情况。 网络集成：无线m e s h 网络可以在不同的无线技术下运行，在m a c 层要 研究新的无线接入技术使这些无线接入技术可以无缝的工作。 5 物理层 先进的认知无线电技术：目前认知无线电技术仍然处于开始阶段，仍有大 量的工作要做。在无线m e s h 网络应用认知无线电技术进行有效的频率规划，有助 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络的概述 于提高频谱利用率。 先进的物理层技术研究：目前物理层技术日新月异，用先进的物理层技术 可以提高系统的性能。目前物理层技术包括正交频分复用技术( o f d m ) 、超宽带技 术( u w b ) 、多输入多输出技术( m i m o ) 以及定向天线技术。 跨层设计：高层协议必须与物理层协同工作才能使网络性能优化，使先进 的物理层技术得到充分的发挥。 2 4 无线m e s h 与a dh o e 和i g l a n 的区别 无线m e s h 网络是一种特殊的w l a n ，是从a dh o e 继承发展而来的。一个 a dh o e 网络是有移动路由器功能的节点组成的一个自治体系，通过无线链路连接 而形成的一个随意的网络。节点可以自由移动，任意的组织，无线a dh o c 网络拓 扑结构不可预测的变化。这种网络能工作在独立的状态下，也能连接到其他大型 的网络上。无线m e s h 网络成为下一代无线互联网的一种全新、廉价、高效的解决 方案，主要目标是实现最后一公里的宽带接入，以廉价部署成本和维护成本提供 高速的数据覆盖能力。无线a dh o c 网络的特征：分布式、网络自主性、动态变化 拓扑结构、多跳路由、节点能量、安全性。无线m e s h 网络由m e s h 路由器( m e s h r o u t e r ) 和客户端( m e s hc l i e n t ) 组成。无线m e s h 网络中节点既是通信的发起者， 也是数据分组的中间转发者。无线m e s h 网络的特征：多跳无线网络、支持多种无 线接入方式、白愈和自组织能力、与现有无线网络具有兼容性、互操作性和集成 性。 m e s h 网络与w l a n 网络比较：w l a n 网络是典型的点对多点单跳网络，必 须借助于a p 接入转发，彼此相邻的设备不能直接通信，但是m e s h 网络两个节点 之间可以相互通信。w l a n 采用的是固定路由协议，m e s h 网络采用多的是动态路 由协议，路由冗余信息和自愈能力强。 m e s h 网络与a dh o e 网络比较 9 j ： 从移动性来看，无线m e s h 网络的节点一般是静止的，而a dh o c 网络是由 移动节点组成的无线分布式多跳网络，网络节点的移动较大。因此a dh o e 网络的 移动性比无线m e s h 网络的大： 无线m e s h 网络的拓扑结构比较稳定，微小的干扰是节点的接入、退出； a dh o c 网络的拓扑处于不定状态，节点的接入退出都能引起网络拓扑结构的强烈 变化； 无线m e s h 网络功能旨在用户接入；a dh o e 网络目的是用户之间的通信； 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络的概述 无线m e s h 网络用户数多，可以用在骨干网，稳定性，吞吐量要求较高； a dh o c 网络用户数少，要求比较快速的路由算法； 无线m e s h 网络目的是组成一个异构的大网，a dh o c 网络目的是组成可自 由通信的小网，两者是互补关系，同时存在一定程度的重叠。 2 5 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络在军事、企业、城市、校园等很多领域都有很广阔的应用前景， 无线m e s h 网络的应用也会越来越普及【l o l 。 1 无线m e s h 网络在军事中的应用 无线m e s h 网络能为军队提供无线监控、演练、通信指挥、后勤保障等无线网 络服务。为野外执行任务提供通搭建有线网络不可行，用无线m e s h 技术可以很快 搭建无线m e s h 网络，因此可以用无线m e s h 网络为野外执行任务提供通信。可以 利用无线m e s h 网络对军事基地一些区域实施实时监控。训练的时候可以用无线 m e s h 网络对现场进行实时监控，指挥中心可以迅速的做出判断。无线m e s h 网络 可以为军队提供无线上网功能。 2 无线m e s h 网络在校园的应用 学校是人口密集地区，通信量大，对网络的覆盖率要求高，网络必须能够实现 室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所等的覆盖。学生使用更多的使用媒 体资源，校园通信流量大容易发生拥塞现象。利用无线m e s h 网络可以提供多样化 的网络，能够缓解拥塞问题，有利于网络结构的调整和升级，能过提供室内室外 的无缝通信。 3 无线m e s h 网络在企业的应用 无线m e s h 网络能提供室内室外的无缝漫游，公司用户可以借助这个功能进行 协同工作。借助无线m e s h 网络，可以进行分布式会议。无线m e s h 网络能为企业 提供多样化的网络环境，有利于企业网络结构的升级和调整。无线m e s h 网络能提 高公司网络的容错性与健壮性，能为企业节约成本。有线网络的结构调整困难， 利用无线m e s h 网络，可以很容易调整网络结构。 4 无线m e s h 网络在应急通信中的应用 在某些恶劣的环境中花费大力气去构建有线网络是不可能的时，无线m e s h 组 网简易方便，可以在这种环境中提供无线网络服务。例如在地震后的应用，在地 震中有线网络基础设施遭受破坏，重新修复这些基础设施需要很长时间，为了通 信的需要可以部署无线m e s h 网络，为这个地区提供无线通信，可以通过无线网络 进行快速的营救和指挥等工作。 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线m e s h 网络的概述 2 6 本章小结 本章节的主要内容是简单介绍无线m e s h 网络的概念，无线m e s h 网络三种架 构以及不同架构的特征和应用场合。介绍了无线m e s h 网络的特点以及无线m e s h 网络与a dh o c 网络和无线局域网的区别，更加突现出了无线m e s h 的特点。此外 本章介绍了目前国内外研究无线m e s h 网络各层研究的要点和无线m e s h 网络在现 实中的应用。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章无线m e s h 网络m a c 层的分析 第三章无线m e s h 网络m a c 层的分析 信道接入协议是无线m e s h 设计和研究的关键技术之一，网络的吞吐量、容量、 带宽、时延等都依赖于所采用的信道接入协议。信道是连接不同节点的常用接口， 是无线通信的共享资源。无线网络中媒体接入控制的主要作用是实现网络容量的 最大化，并协调各个用户接入网络的公平性。通信网络中信道共享的方式有点对 点、点对多点和多点共享三种共享方式。点对点是最简单的共享方式，两个节点 以半双工的方式共享一信道。点对多点的信道共享一般是有中心控制的无线信道， 多点共享是多个终端共享广播信道。各点之间多路接入信道，必须遵守共同的通 信协议。在实际应用中如果为每个通信节点分配一个共享信道不现实，这样会浪 费很多宝贵的通信带宽资源。m a c 层的主要任务是解决如何对共享信道接入的控 制。 3 1 媒体接入控制的发展 信道是连接不同节点的常用接口，是无线通信的共享资源。根据询问的方式 不同可以分为集中式和分布式两种类型。在集中式控制协议中控制中心对接入这 个信道的终端节点进行询问控制，在分布式控制协议中各个终端节点按照一定的 规则以竞争的方式接入无线信道。信道接入协议可以分为三大类固定分配、随机 分配和按需分配【l 们。固定分配是把一条共享信道分割成若干个相互独立的子信道， 每个子信道分配给一个用户使用，固定分配的多址技术是频分多址( f d m a ) 、时 分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和空分多址( s d m a ) 【2 0 】。固定分配方案 是面向信道的，可以提供可靠服务又可以保持很高的信道利用率。适合于对实时 性和连续性要求很高的通信系统。随机分配协议是使用广播式信道，连接在这信 道上的终端都可以向信道发送广播信息。如果终端要发送数据包，向信道发送广 播信息竞争信道的使用权，这类协议有a l o h a 系列和c s m a 系列【2 。随机竞争 m a c 协议比较适合间歇性发送的网络，以及对时延敏感性小的网络。按需分配的 m a c 协议是网络按照某种顺序询问每个终端是否有数据发送。按需分配信道的特 点是各个终端节点可以公平的取得信道的控制权，适合对通信时延要求不高，业 务变化不定的网络。 在纯a l o h a 协议中，当一个节点有数据要发送时，不管信道是否空闲都直接 发送数据。如果发送节点在规定时间内收到确认帧表示数据发送成功。如果没有 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线m e s h 网络m a c 层的分析 收到确认帧则表示发送失败，需要经过一定的随机延时后再发送。纯a l o h a 协议 的优点是结构简单不需要任何协调控制机制。纯a l o h a 协议缺点是在网络负重时， 分组在传输期间很容易发生碰撞，因此造成网络性能低下。为了提高网络性能减 少碰撞，时隙a l o h a 协议被提出来了。时隙a l o h a 协议把时间分成很多个时隙，每 个时隙的长度为一个分组的长度，节点只能在时隙开始的时候发送分组，但是这 个系统需要时钟同步。时隙a l o h a 协议降低了碰撞的概率，提高了网络的性能， 但是需要严格的时钟同步瞄j 。 载波侦听多路访问的基本操作是用户终端连续两次侦听到信道空闲后发送数 据，如果用户第二次侦听到信道忙，采用一定的退避算法延时后再继续侦听信道， 与a l o h a 相比较c s m a 协议减少了分组碰撞的概率 2 3 1 。但是c s m a 存在传播时 延并不能真正完全消除碰撞。载波侦听因协议的不同可以采用不同的实现方法即 物理载波侦听和虚拟载波侦听。物理载波侦听是在无线接口上实现的，分析所有 接收到的分组，比较接收到的信号进行判断。虚拟载波侦听是利用帧中持续时间 字段的保留信息实现。持续时间字段的保留信息包括信道持续占用的时间以及其 它控制信息。根据载波侦听和重发机制的不同无线载波侦听多路访问协议有不同 的表现形式幽j 。 ( 1 ) 1 持续c s m a ：每个节点发送数据之前先监测信道是否空闲，如果信道空 闲，允许发送数据，如果信道忙，一直监测，只要信道一空闲就发送数据。如果 两个节点同时监测到信道空闲，都同时发送数据，数据就有可能发生碰撞。这种 协议的碰撞率比较高，会导致多次碰撞，降低系统性能。 ( 2 ) 非持续c s m a ：当节点监测到信道忙就随机退避一段时间，再监测信道状 况，而不是马上监测信道状况。它消除大量碰撞，提高了系统的性能，但是造成 了时延的增加。 ( 3 ) p 持续c s m a ：节点发送数据之前首先监测信道手否空闲，如果空闲以p 的概率发送数据包，如果信道忙，持续监测信道状况，重复上述过程。 随机访问机制可以进一步分为集中访问和分布式访问两类。在集中式控制协 议中控制中心对接入这个信道的终端进行询问控制，这种系统的缺陷是，当控制 中心出现问题时，整个网络会瘫痪，但是控制中心可以动态调整节点的接入和离 开。集中式控制协议在传输调度信息存在额外的开销。虽然集中式协议可以较好 的工作在单跳的无线网络中，但是在多跳无线网络环境下应用中则存在缺陷。在 分布式控制协议中没有控制中心对接入这个信道的终端进行询问控制。在多跳无 线网络环境中为了降低碰撞，每个节点以分布式的方式接入信道。但是这种类型 的网络中存在隐藏节点和暴露节点，容易载波侦听不可靠从而导致网络性能的下 降。因为隐藏节点监听不到发送节点有可能向相同的节点发送报文，造成报文在 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章无线m e s h 网络m a c 层的分析 接收节点发生冲突，引起重传【2 4 】。如图3 1 所示节点s 1 与节点s 2 互为隐藏终端， 两个节点都要传输数据给节点r 。当节点s l 传输数据给节点r ，节点s 2 侦听不 到节点s l 在传输数据，节点s 2 有可能向节点r 传输数据。握手协议是解决隐藏 终端问题的方法之一。例如四次握手协议在分布式协调功能( d c f ) 中使用1 2 引。 请求发送( r t s ) 和允许发送( c t s ) 两种类型的控制数据包。握手机制更有效的 减少碰撞，如果控制数据包远远小于数据包大小1 2 引。 图3 1 隐藏终端问题 c s m a c d 是一种争用型的介质访问控制协议。它起源于a l o h a 协议，并进 行了改进，使之具有比a l o h a 协议更高的信道利用率。对于每一个节点而言， 一旦它监测到有冲突，它就放弃它当前的传送任务。如果两个节点都监测到信道 是空闲的，并且同时开始传送数据，则它们几乎立刻就会监测到有冲突发生。它 们不会再继续传送它们的帧，因为这样只会产生冲突而己；相反一旦监测到冲突 之后，它们应该立即停止传送数据。快速的终止被损坏的帧可以节省时间和带宽。 c s m a c d 的工作原理是：发送数据前，先侦听信道是否空闲，若空闲，则立即发 送数据，在发送数据时，边发送边侦听。若侦听到冲突，则立即停止发送数据， 等待一段随机时间，再重新尝试发送数据帧。c s m a c d 控制方式的原理比较简单， 技术上易实现，网络中各节点处于平等地位，不需集中控制，不提供优先级控制。 但在网络负载增大时，延时会增加，发送效率急剧下降。由于