（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络服务公平性的研究.pdf

摘要 无线m e s h 网络中只有一个或多个节点充当网关节点接入基础设施网络，其 他节点通过相邻节点中继连接到网关，再接入到互联网。因此该网络具有延伸性 能好，鲁棒性强，容量大，组网成本低等优点。然而保证无线m e s h 网络的服务 公平性是走向实际应用所亟待解决的问题之一。 本文着重针对无线m e s h 网络中普遍存在的服务公平性问题进行了分析和研 究。首先，详细介绍了无线m e s h 网络的结构，与其它通信网络的区别，应用方 案以及网络优势。其次指出了影响网络服务公平性的因素，从理论上分析了基于 i e e e 8 0 2 1 1 协议及i e e e 8 0 2 1 1e 协议的m a c 层接入方案不能满足无线m e s h 网 络的服务公平性要求；同时针对无线m e s h 网络的特性提出了解决其垂直公平性 及节点内部业务之间的服务公平性问题的改进算法。再次，使用n s 2 网络仿真 软件对所提出的改进算法进行了仿真，仿真的结果进一步印证了改进算法能够一 定程度上解决网络的服务公平性问题，从而提高网络的性能。最后用无线网卡搭 建了小型实验网络，探究在实际网络中干扰对无线网络的影响以及无线m e s h 网 络的服务公平性。 本文提出的改进算法可以较好地适应无线m e s h 网络的接入特性以及多媒体 业务网络传输的要求，对网络性能的提高具有一定的实用价值。 关键词：无线m e s h 网络服务公平性实时视频n s 2 网络仿真实验网络 a b s t r a c t i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n s ) ，o n l yo n eo rs e v e r a ln o d e sp l a yt h er o l eo ft h en e t w o r k g a t e w a y ，a c c e s s i n gt oi n f r a s u m c t u r e b a c k b o n en e t w o r k s ，a n do t h e rn o d e sa c c e s si n t c r n e ti nt h e w a yo ft h en e i g h b o rn o d e sr e l a y i n gt h e mt og a t e w a yn o d e sa n dt h e na c c e s s i n gt oi n t e r n e t t h e 、, v m n sh a v et h ea d v a n t a g e so fg o o ds c a l a b i l i t y ，s t r o n gr o b u s t n e s s ，h i g hc a p a c i t y , l o wc o s ti n c o n s t r u c t i n gn e t w o r k sc t c ，b u to n eo ft h ep r o b l e m sn e e d e dt os o l v ei np r a t i c a la p p l i c a t i o n si s t o g u a r a n t e et h eq o s f a i r n e s si n 、：v i v n s t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h ec o m m o np r o b l e mo ft h eq o s f a i r n e s si n 恐压n s f i r s t l yt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h ed i f f e r e n t i a t i o n sf r o mo t h e r n e t w o r k s ，a p p l i c a t i o n sa n da d v a n t a g e so ft h ew m n sa r ed e t a i l e d s e c o n d l y , i ti s a n a l y z e df r o mt h et h e o r e t i c a lp o i n to fv i e wt h a tt h em a c a c c e s ss t r a t e g i e so ft h e s t a n d a r dp r o t o c o l so f t h ei e e e 8 0 2 11a n di e e e 8 0 2 1l ec a n tm e e tt h ed e m a n d so f t h e q o sf a i r n e s si nt h ew m n s ；a tt h es a m et i m e ，t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h eq o s f a i r n e s so f t h e 礓仆i sa r ep o i n t e do u t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h ew m n s ，t h ea l g o r i t h m s a r ep r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e m so ft h ev e r t i c a lf a i r n e s si nd i f f e r e n tn o d e sa n dt h e q o sf a i r n e s sb e t w e e nd i f f e r e n tp r i o r i t i e so f s e r v i c e si nac e r t a i nn o d e t h i r d l y , w eu s e t h en e t w o r ks i m u l a t o rs o f t w a r en s - 2t os i m u l a t et h ep r o p o s e da l g o d t h m s ，w h i c h f u r t h c l p r o v et h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sc a ns o l v et h ep r o b l e m so f t h eq o sf a i r n e s s t os o m ee x t e n ta n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e i v n s i nt h el a t e rp a r t , as m a l l s c a l ee x p e r i m e n t a lw m ni sb u i l tu s i n gi e e e 8 0 2 11w i r e l e s sn i c st om e a s u r et h e i n f l u e n c e so ft h ei n t e r f e r e n c e sa n dt h eq o sf a i r n e s so ft h ew m n si nt h ea c t u a l n e t w o r k t h ea l g o r i t h m st h i sp a p e rp r o p o s e sc a l lw e l la d j u s tt ot h ea c c e s sf e a t u r e sa n dt h e d e m a n d so fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o no ft h e 瞩r m - n s ，w h i c hh a v ea c e r t a i nv a l u et oi m p r o v e 也ep e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k k e yw o r d s - w i r e l e s sm e s hn e t w o r k , q o sf a i r n e s s ，r e a l t i m ev i d e o ，n s 2n e t w o r k s i m u l a t o r ，e x p e r i m e n t a ln e t w o r k s 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗苤堂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。 一繇缔编一期：秒月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢枣拆 签字隰叫年6 月f 日 新虢嗣 导师签名：j 9 懒 - 。 签字日期：夕刃歹年月 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景及国内外研究现状 近年来，无线移动通信技术取得了长足的发展，移动通信给人们的生活方式 带来了深刻的变革。人们正在向着5 w ( w h e r e ，w h e l l ，w h o ，w h y ，w h a t ：即 任何地方，任何时间，任何人为任何原因进行任何形式的通信) 的目标不断迈进。 尤其是一直引人关注的第三代移动通信技术( 3 g ) 的提出更是给通信技术的发 展提供了新的动力，而更高速率数据业务和更好的频谱利用率是其发展的根本目 的。2 0 0 5 年，3 g p p 开始了3 g 的长期演进计划( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 的 研究，但其标准制定和系统研发还需要经历漫长的等待。与此同时，i e e e 8 0 2 工 作组的表现越来越吸引人们的关注。近几年，i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准， i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网标准，i e e e 8 0 2 2 0 移动宽带无线接入系统标准不断发布 和修订【1 】【2 】。 在无线宽带市场竞争纷乱的格局中，一种新型的网络技术悄然浮上水面，开 始发挥它巨大的作用并逐渐占领市场，这就是无线m e s h 网( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，w m n ) 技术。确切地说，无线m e s h 网技术并不是和第三代移动通 信系统、w i f i 、w i m a x 和m b w a 对等的技术系统，它是传统组网方式的变革， 并由此变革给传统网络技术带来新的特性和新的需要解决的问趔3 1 。 无线m e s h 网是指通信节点与电信基础设施之间通信不是传统的一跳关系， 而是通过邻近节点的多跳中继后接入网络。w m n 是移动a dh o c 网络的一种特殊 形态，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 , a n 年f l a dh o e 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。 2 0 0 4 年1 月，i e e e 8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p i e _ 式专门成立 m e s h 研究组( m e s h s t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了m e s h 任务组( m e s ht a s kg r o u p ) 8 0 2 1 1s ，这标志 着w m n 技术正式迈上了标准化道路；但当前还没有专门针对基于局域网的w m n 的m a c 层的相关标准，i e e e 8 0 2 1l sm e s h 标准只提出了草案，还没有制定最终标 准。另外，无线传感器网络标准8 0 2 1 5 3 a ，8 0 2 1 5 4 等也开始探索如何通过网状嵌 入式设备来改进其现有技术，而无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 已经将网状技术纳 入其m a c 层协议标准中。 目前w m n 已经引起国内外的广泛关注。就其产业化方面来说，基于 第一章绪论 i e e e 8 0 2 1 l 技术的无线m e s h 网发展最为迅猛，目前已建的无线m e s h 网基本上是 建立在i e e e 8 0 2 1 1 技术之上的。目前，m o t o r o l a ，北电网络及其他一些中小企业 已经可以提供无线m e s h 网的产品，在欧美等地也建立了无线m e s h 网的商用网络。 而在中国台北市政府启动的“无线新都”计划，要求台北市建立2 万个以上的无 线接入点，提供全城无线宽带覆盖。在台北的城域无线接入解决方案都是基于 i e e e 8 0 2 1 1 的无线m e s h 网技术。除了基于i e e e 8 0 2 1 1 无线m e s h 网技术外，基于 i e e e 8 0 2 1 6 的无线m e s h 网的研究和部署也在如火如荼的进行着。美国及欧洲一 些大学已经在某些城市搭建了规模较大的基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的无线m e s h 试验 网络。 近几年，包括移动a dh o e 网络和无线m e s h 网络在内研究中取得了一定的 理论与应用成果。同时还存在一些需要解决的问题。现把包括移动a dh o e 网络 及无线m e s h 网中研究的主要问题总结如下： ( 1 ) 路由协议的研究。由于无线信道的时变特性、无线传输带宽有限等特点， 对于开发无线网络路由协议需要考虑以下几个方面：分布式操作，避免环路， 按需路由，先应式路由，安全，支持休眠模式，支持单向链路等。对于移动 a dh o e 网络的移动特性以及网络拓扑变化快等特点，现已经开发出的主要 路由协议有：a o d v ( 按需距离矢量路由协议) 、d s d v ( 目标序列距离矢量 路由协议) 、t o r a ( 临时按需路由协议) 、d s r ( 动态源路由协议) 等；由 于无线m e s h 网的准静态、多跳等特性，现已经开发出的主要路由协议有： m c r p ( 多信道无线路由协议) 、p w r p ( 可预测无线路由协议) 、r a r p ( 射 频感知路由协议) 等。 ( 2 ) 无线m e s h 网络q o s 公平性的研究。针对这一问题，研究从网络的各个层 次上展开，有学者提出在t c p 协议中解决【4 】，其中广泛应用和讨论的方案是 t c pv e g a s 以及t c pr e n o ，但也有学者针对以上方案认为在网络中广泛存在 的基于u d p 服务的应用，所以提出还需从网络层和m a c 层来解决这个问 题，而在m a c 层已经发布了8 0 2 1 l e 协议来对无线局域网的q o s 加以支持。 ( 3 ) 无线m e s h 网络负载平衡的研究。由于w m n 是通过网关节点连接到外部 的因特网上的，网关节点上的流量汇聚可能使在某些网关节点处产生负载不 均衡，进而在这些网关节点处造成拥塞、丢包和缓存溢出。所以正是由于 w m n 中多跳中继的特点才给网络本身提出了新的课题。如今，网关负载平 衡策略研究已经有了一些成果，例如：基于移动边界的负载平衡，基于分区 主机的负载平衡及基于概率分割的负载平衡等。但同时还存在一些突出的问 题，例如：由于使用负载平衡机制带来快速波动而造成的流量稳定性问题， 带宽分割负载平衡对更高层协议( 如t c p ) 性能的影响等【5 】。 2 第一章绪论 1 2 论文研究内容与组织结构 本论文旨在分析并探讨无线m e s h 网络中q o s 公平性的问题，对目前基于 i e e e 8 0 2 1 1 e 无线网络的m a c 层协议进行了系统的分析总结，通过修改m a c 层协 议中的排队策略来探究和改善无线m e s h 网的q o s 公平性问题。在具体研究过程 中，主要以i e e e8 0 2 1 1 e d c a 6 】接入机制为研究对象，研究方法主要是利用n s 2 仿真软件对协议进行仿真；同时也用无线网卡搭建了小型的无线m e s h 实验网络 用以探索实际网络中的相关问题。通过理论分析、网络仿真、小型实验网络搭建 等方式证明了基于i e e e 8 0 2 1 l 及i e e e 8 0 2 1 l e 协议的无线m e s h 网络确实存在服务 不公平的问题，可以通过公平队列法、拥塞控制法、动态队列调度机制、根据视 频帧类型分别调度等方法来改善解决无线m e s h 网络中服务不公平的问题。 本文各章节内容组织如下： 第l 章介绍论文的研究背景、研究内容以及组织结构。 第2 章具体介绍无线m e s h 网的结构，与其它通信网络的区别，网络优势及应 用等。 第3 章全面分析i e e e 8 0 2 1 l 及i e e e 8 0 2 1 l e 的m a c 层协议，并分析针对无线 m e s h 网络修改m a c 层协议的必要性；提出q o s 公平性的问题，并提 出基本解决问题的方案和方法。 第4 章针对第3 章提出的解决q o s 公平性问题的策略和方法，利用n s 2 仿真工 具进行仿真与比较分析，并得出结论。 第5 章介绍用无线网卡搭建小型实验网的方法来初步探究在实际网络中干扰 对无线网络的影响以及无线m e s h 网络的公平性，并通 过2 n a t l a b 绘图得 出结论。 第6 章全文总结并展望今后的研究方向。 第二章无线m e s h 网络的相关背景及应用 第二章无线m e s h 网络的相关背景及应用 2 1 无线m e s h 网络结构 无线m e s h 网络是使用多跳方式通信的全无线网络，数据流量进出有线 i n t e m e t 网关，与平面a dh o c 网络相比，无线m e s h 网络呈现分层的特点；无线 m e s h 网络中的节点，按其功能可以分成m e s h 路由器和m e s h 客户机两类。 m e s h 路由器除了传统无线路由器的网关中继功能，还要附加路由功能以便支持 m e s h 网络选路。和传统的无线路由器相比，m e s h 路由器可以通过多跳通信以更 低的功率来实现与传统路由器相同的覆盖。同时，m e s h 路由器还配有多种不同 的无线接口。 m e s h 客户机也配有一定的路由功能以实现m e s h 网络选路，但m e s h 客户机 不存在网关或桥接功能。一般m e s h 客户机只配有一个无线接口，而m e s h 客户 机的设备种类比m e s h 路由器更多种多样，例如：笔记本或台式电脑，p d a ，i p 电话，r f i d 读卡器，b a c n e t ( b u i l d i n g a u t o m a t i o na n dc o n t r o ln e t w o r k s ) 控制器 鹫i m 寸0 基于节点的功能，无线m e s h 网络结构主要可以被分为三类：基础设施的 m e s h 网络结构、客户机结构、混合式结构。 2 1 1 基础设施的m e s h 网络结构 这种类型的无线m e s h 网络只由m e s h 路由器组成，如图2 - 1 所示。它们构 成客户机的电信基础设施。这些路由器分为边缘m e s h 路由器和普通m e s h 路由器， m e s h 路由器之间形成一个自配置和自愈合的网络。边缘m e s h 路由器具有网关或 者网桥节点的功能，它使得无线m e s h 网和现有的其他无线网络连接到一起，也 可以连接到i n t e r n e t 。带有以太网接口的传统客户机可以通过以太网连接到 m e s h 路由器。无线网状网还可以应用多种无线电技术。使用同样无线电技术的 客户机可以直接和m e s h 路由器通信；使用不同的无线电技术的客户机必须通过 以太网连接到m e s h 路由器的基站通信。此类无线网状网可以通过大范围覆盖技 术来建立，包括使用定向天线。 4 第二章无缱m e s h 月绍豹* 口目 同 ，：毓： 蹴、一 ? “p 1 i l 曩 、= ：= ，i 图2 - 1 2 1 2 客户机结构 二二 。 - 、航j 觏且 、 、“。童已”r “ 囊甑。煎“三譬 基础设施的m e s h 结构 客户机结构的无线m e s h 网络只由m e s h 客户机组成如图2 - 2 所示。在这种 类型的网络中各个客户机之间构成对等网络，即a dh o c 网络。它们完成路由、 自配置和向客户提供终端应用的功能，因此不需要m e s h 路由器。在客户机结构 的无线m e s h 网络中，传送到一个数据包需要很多节点采用多跳的方式到达目 的节点，通常，在客户机上只使用一种无线电技术，网络结构简单，因此部署也 比较容易。但是，客户机往往具有一定的移动性，对于路由设计和服务质量保证 等提出了挑战。 薹一 蛊 圈2 - 2 客户机的m e s h 结构 第二章z m e s h 日镕# * 背景m 月 2 1 3 混合式结构 如图2 - 3 所示，混合式结构的无线m e s h 网络足基础设施结构和客户端结构 的结合。m 础客户机可以通过m e s h 路由器接入网络，同时也可以和其他m e s h 客户机直接组成m e s h 网。骨干网提供到i n t o - a c t 、w i f i 、w i m a x 、蜂窝网和传 感器网络的连接，客户机的路由功能可以从内部增强无线m e s h 网的连接和覆盖 能力。这种混合型的结构足最有应用价值的方式。 图2 - 3 混台m e s h 网络结构 2 2 无线i e s h 网络与其他通信网络的区别 2 2 1 无线m e s h 网络与蜂窝网络的主要区别 w m n 区别于蜂窝网络的主要特点有以下几点”j 。 ( 1 ) 可靠性提高，自愈性强。 在w m n 中链路为网状结构，如果其中的某一条链路出现了故障，节点便 可以自动转向其它可接入的链路，因而对网络可靠性有了很人程度的提 高；但是在采用星型结构的蜂窝移动通信系统中，一旦某条链路h 现故 障，可能造成火范围的服务中断。 ( 2 ) 传输速率大大提高。 在采用w m n 技术的网络中，可融台其它网络或技术( 如w i f i d w b 等) ， 理论上速率可以达 r j 5 4 m b p s ，甚至更高。而目前正在发展的3 g 技术，其 第二章无线m e s h 网络的相关背景及应用 传输速率在高速移动环境中仅支持1 4 4 k b p s ，步行慢速移动环境中支持 3 8 4 k b p s ，即使在静止状态中也仅达n 2 1 v t b p s 。 ( 3 ) 投资成本降低。 在w m n 中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p ( a c c e s sp o i n t ) ，m ( i n t e l l i g e n tr o u t e r ，智能路由器) ，w r ( w i r e l e s sr o u t e r ，无线路由器) 等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备要便宜得多。 ( 4 ) 网络配置和维护简便快捷。 在w l v i n 中，网络的配置更方便，a p 、m 、w r 等基础设备小巧，且易 安装和维护，无须像传统蜂窝移动通信系统那样需要去维护建设在高塔上 的基站，另外网络的扩展也比较方便，只需要多增加一些必要的小型设备 即可。 2 2 2 无线m e s h 网络与w l a n ( w i f i ) 的主要区别 从拓扑结构上讲，w l a n 是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因而 数据不可转发。w l a n 可在较小的范围内提供高速数据服务( 8 0 2 1l b 可达 11 l v l b p s ，8 0 2 1 1 a 可达5 4 m b p s ) ，但由于典型情况下w l a n 的这种高速率的服务 模式，成本将非常高。而对于w m n ，则可以通过w r 对数据进行不断转发，直 至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几公里远。w l v i n 的显 著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 2 2 3 无线m e s h 网络与移动a dh o c 网的主要区别 w m n 与移动a dh o c 网络很类似，可以把w m n 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 网络的一种特例。然而，两者仍然存在一些各 自的特点。 ( 1 ) 虽然w m n 与移动a dh o c 网络均是点对点的自组织的多跳网络，但从根 本上说，w m n 是由无线路由器构成的无线骨干网组成。该无线骨干网提 供了大范围的信号覆盖与节点连接。然而，移动a dh o c 网络的节点都兼 有独立路由和主机功能，节点地位平等，接通性是依赖端节点的平等合作 实现的，健壮性比w i v i n 差。 ( 2 ) w m n 节点移动性低于移动a dh o c 网络中的节点，所以w l v i n 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，w m n 多为静态或弱移动的拓扑，而移动a dh o c 网络 多为随意移动( 包括高速移动) 的网络拓扑。 ( 4 ) w m n 与移动a dh o c 网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务 7 第二章无线m e s h 网络的相关背景及应用 是来往于因特网的业务：对于后者，节点的主要业务是任意一对节点之间 的业务流。 ( 5 ) 从应用来看，w m n 主要是因特网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。 2 3 无线m e s h 网络的主要优势 w m n 与传统的无线网络相比有许多优势： 可靠性大大增强：w m n 采用的网络拓扑结构避免了点对多点星型结构，如 8 0 2 1 1 w l a n 和蜂窝网等由于采用集中控制方式而出现的业务汇聚、中 心网络拥塞以及干扰、单点故障，从而带来额外可靠性保证成本投资。 具有冲突保护机制：w m n 可对产生碰撞的链路进行标识同时可选链路与 本身链路之间的夹角为钝角，减轻了链路间的干扰。 简化链路设计：w m n 通常需要较短的无线链路长度，这样降低了天线的成 本( 传输距离与性能) ；另一方面，降低了发射功率，也将随之降低不同系 统射频信号间的干扰和系统自干扰，最终简化了无线链路设计。 网络的覆盖范围增大：由于w r 与l a p ( i n t e l l i g e n ta p ) 的引入，终端用户 可以在任何地点接入网络或与其他节点联系，与传统网络相比，接入点的 覆盖范围大大的增强，而且频谱的利用率提高，系统的容量增大。 组网灵活，维护方便：由于w m n 网络本身的组网特点，只要在需要的地方 加上w r 等少量的无线设备，即可与已有的设施组成无线的宽带接入网。 w m n 网络的路由选择特性使链路中断或局部扩容和升级不影响整个网络 运行，因此提高了网络的柔韧性和可行性。和传统网络相比功能更强大、 更完善。 投资成本低，风险小：w m n 的初建成本低，a p 和w r 一旦投入使用，其位 置基本固定不变，因而节省了网络资源。w m n 具有可伸缩性、易扩容、 自动配置和应用范围广等优势，对于投资者来说，在短期之内即可获得盈 利。 2 4 无线m e s h 网络的应用 w m n 在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。 1 、无线宽带家庭网络 如今宽带家庭网络几乎都是通过i e e e 8 0 2 1 1w l a n 来部署的。然而一个明 显的问题就是接入点a p 的放置位置，因为往往这影响着信号的覆盖。即使是一 、，、，、，、，、， 1 2 3 4 5 6l，ll，k，l，l 第二章无线m e s h 网络的相关背景及应用 个面积不大的房屋，如果a p 放置位置不当也会出现“信息死角”。而事先的a p 放置测量成本高，而且不切实际；如果安置多个a p 来解决问题也是不切实际的， 因为a p 的另一端要通过有线的方式连接m o d e m 或h u b 从而接入i n t e m e t 。这时， 如果采用m e s h 网络可以解决大部分问题，当然得用m e s h 路由器来置换掉先前 提到的a p 。 若采用无线m e s h 网络结构，那么节点之间的通信将更加灵活，网络也更加 健壮；通过适当选取m e s h 路由器的位置，增加m e s h 路由器个数或调节m e s h 路由器的功率水平可以实现家庭网络全覆盖，无任何“信息死角”。 2 、企业网络应用 当前标准的i e e e 8 0 2 11 w l a n 已经广泛用于企业中各类办公室，但是这些 无线网络还都是“信息孤岛”。它们之间的连接还必须通过有线的以太网来连接， 这样建立的企业网一方面不够灵活导致网络冗余度不高，另一方面投资建网花销 较大。但若把w l a n 的a p 换做无线m e s h 网的m e s h 路由器，那么以太网布线 的成本将大大节省，同时也带来了网络的健壮性以及网络负载的动态平衡。此外， 无线m e s h 网络可以随着企业规模的扩大不断改进，而改进时只需通过增加m e s h 路由器，而不需要改变原先的网络结构，节约了网络成本。 3 、校园网络应用 校园无线网络与大型企业非常类似，但也有自己的不同特点。一是校园 w l a n 的规模巨大，不仅地域范围大、用户多，而且通信量也大。因为与一般企 业用户相比，学生会更多地使用多媒体；二是网络覆盖的要求高，网络必须能够 实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所等之间的无缝漫游；三是负载 平衡非常重要，由于学生经常要集中活动，当学生同时在某个位置使用网络时就 可能发生通信拥塞现象。 解决这些问题的传统做法是在室内高密度地安装a p ，而在室外安装的a p 数 量则很少，但由于校园网的用户需求变化较大，有可能经常需要增加新的a p 或 调整a p 的部署位置，这会带来很大的成本增加，而使用m e s h 方式组网，不仅易 于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。 4 、公共安全和灾难救助中的应用 可靠、有效的通信对公共安全，特别是应急响应和灾难恢复工作是至关重要 的。而在应急响应和灾难恢复中，存在两大基本问题：一是应急响应和灾难救助 时技术不兼容和使用非协作频段是部门之间通信较差或根本不能通信的原因；另 一个问题是强烈依靠陆地通信基础设施使得当灾难降临破坏了基本的通信基础 设施后无法迅速恢复通信，使得灾难救助有所延误，而在灾难场景中，对点到点 通信链路的强烈依赖和有限的冗余度使系统的恢复能力和鲁棒性严重不足。 9 第二章无线m e s h 网络的相关背景及应用 由于以上的困难以及灾难救助中越来越依赖数据、图像及视频的共享，而不 再仅仅只是语音通信的问题，可这正是无线m e s h 网络所能弥补的，它的高吞吐 量，可迅速部署，鲁棒性强等特点使其很快成为公共安全和灾难恢复中的令人感 兴趣的替代技术。 除此之外，无线m e s h 网络还有着其他非常广的应用环境，如社区网络，城 域网络，运输系统控制和应用网络，楼宇自动化，医疗保健系统网络，军事基地 无线数据网络等。总之，无线m e s h 网络的市场目前还处于萌芽发展期，有非常 大的市场潜力，随着无线m e s h 网络技术研究的不断深入，应用范围会越来越广 泛。 2 5 本章小结 本章主要介绍了无线m e s h 网络的相关背景及其应用，详尽地阐述了无线 m e s h 网络的网络结构，无线m e s h 网络与其他通信网络的区别，无线m e s h 网络 的主要优势以及无线m e s h 网络在家庭、企业、校园、公共安全等领域的应用， 为进一步深入研究无线m e s h 网络的关键技术打下了良好的基础。 1 0 第三章q o s 公平性的提出及解决方案理论分析 第三章o o s 公平性的提出及解决方案理论分析 q o s 公平性问题作为无线m e s h 网络分析的基本问题一直是人们关注的焦 点。对于q o s 公平性问题的解决，人们提出过许多方法，大多都集中在无线网 络的m a c 层。本文主要是针对基于m e e 8 0 2 1 1 e 的无线m e s h 网络的m a c 层协 议进行改进并进行仿真分析，所以本章首先介绍i e e e 8 0 2 1 l e 的m a c 层协议， 其次在i e e e 8 0 2 1 l e 协议的基础上提出q o s 公平性所要解决的问题，然后围绕 q o s 公平性问题展开讨论，并提出解决q o s 公平性问题的几种主要方案。下一 章将结合n s 2 网络仿真软件对q o s 公平性问题的其中一些解决方案进行仿真分 析。 3 1 从ie e e 8 0 2 11d c f 到ie e e 8 0 2 11ee d c a 3 1 1 ie e e 8 0 2 11d c f 无线m e s h 网络最简单的组网方式是m a c 层仍然利用无线局域网( w l a n ) 的m a c 层标准，即i e e e 8 0 2 1 1 标准；而在网络层利用a dh o e 网络中的a o d v 或d s d v 等路由算法实现无线m e s h 网络的“多跳中继”。当然，这种组网是简 单的，但是存在着诸如q o s 公平性的问题，负载平衡的问题等。所以，在解决 问题之前，必须弄清楚i e e e 8 0 2 1 1 的m a c 层是如何工作的。 所谓i e e e 8 0 2 1 1d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，分布式协调功能) 就是i e e e 8 0 2 1 1 基本媒介访问控制方法，即基于二进制指数退避策略( b i n a r y e x p o n e n t i a lb a c k o f f , b e b ) 的载波监听多址访问碰撞避免( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 以及r t s c t s 机制。 l 、c s m a c a 机制 总的来说，c s m a c a 是一种先听后发的机制。在这种类型的访问机制中， 节点在开始新的发送之前必须首先监听媒介。如果媒介上已有信息正在传输，则 该节点将不会发送本地信息，这就是如图3 1 所示的载波监听多址访问部分 ( c s m a ) 。其功能的实现是在物理层提供的物理载波检测的基础上实现的。但 是可能监听媒介的节点已经开始了它的发送，实际上媒介上还有其他信息在传 送，这样就会产生碰撞。碰撞将导致发送中断，甚至使得近几次的发送内容都不 能够正确接收。而由于无线设备不能同时发送和接收，所以i e e e 8 0 2 1 1 使用碰 第三章q o s 公平性的提出及解决方案理论分析 撞避免策略。此外，由于在一个无线局域网中，不是所有的无线设备都能够直接 通信，因此，i e e e 8 0 2 1 l 采用网络分配矢量( n a 、，) 。n a v 是表示媒介空闲剩余 时间的值。每个n a v 都是从媒介传输的帧里取出时间长度值来保持最新值。节 点则通过检查n a v 决定是否发送。有可能n a v 表示媒介忙，而物理载波检测却 显示媒介空闲，而这时节点不能发送。所以，n a v 也被称为虚拟载波检测。通 过物理载波检测和虚拟载波检测策略的结合，m a c 得以实现c s m a c a 的碰撞 避免机制。 图3 1i e e e 8 0 2 1 l 媒介接入的控制逻辑 ( 1 ) d c f 中的时延 为确保c s m a c a 算法起到平滑和公平的作用，d c f 包括一套相当于优先 级模式的时延，它们统称为帧间间隔( i n t e r f r a m es p a c e ，i f s ) 。具体来说，共有 四种时间长度不等的i f s ( 如图3 2 所示) ： s i f s ( s h o r ti f s ) ：s i f s 是最短的时间间隔，可以提供给一个会话中的各部 分，使得它们可以首先被发送，例如，r t s c t s 交互，数据分片的发送和确 认等。在s i f s 间隔后，只有一个节点会得到发送应答的授权。 p i f s ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o ni f s ，点协调功能i f s ) ：p i f s 是比s i f s 稍 1 2 第三章q o s 公平性的提出及解决方案理论分析 长一些的i f s 。如果节点在s i f s 间隔后没有得到发送应答的授权，则再间隔 一段时间，会达到p i f s 间隔时间点，在这个时间点，基站的中央控制器可 能会发送p c f ( p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 机制中的信标帧，启动p c f 传输。 d i f s ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o ni f s ，分布式协调功能i f s ) ：比p i f s 更长的i f s 。d i f s 一般用于非同步帧的接入竞争。任何一个节点在到达d i f s 时间间隔后，都可能试图获得信道使用权，进入d c f 工作模式。如果这个 时候发生冲突，则使用退避算法进行退避。 e i f s ( e x t e n d e di n t c r f r a m es p a c e ，扩展i f s ) ：时间最长的i f s ，用于接收到 错误帧时使用，可以给发送节点足够的时间提出出错理由并重新发送出错 帧。由于接收到错误帧，接收节点不知道如何进行处理而进行等待，以避免 干扰其他节点之间的通信。 k v r j m hj s 时，立即接入 p i f s d i f s 媒体忙 s i f s f r 1| | | 1 f 甍l l 乒l 强b | 飞顿 +k 时隙的时间时询 z # ；目幛l。 图3 - 2i f s 示意图及i e e e 8 0 2 11 接入方法 ( 2 ) 退避策略 根据图3 1 所示的c s m a c a 机制，可以看到i e e e 8 0 2 1 ld c f 规定采用b e b 算法的退避策略。当节点发送数据时，退避窗口在( 0 ，c w 1 ) 之间随机选择。 c w 称为竞争窗口，大小依赖于传输失败次数。初始值称为最小竞争窗口， c w = c w 岫。 当发送失败后，竞争窗口c w = 2 m c w 曲，m 为重发次数。在发送数据分组时， m 最大值为4 ；在发送r t s c t s 信息时，m 最大值为7 。超过最大重发次数后， m 设为0 ，竞争窗口重新设为最小值，从而保证处于竞争不利的节点可以获得网 络资源。另外，竞争窗口增大不可超过系统规定的最大值c w m 舡。当节点监测到 信道空闲，退避计数器递减。在递减过程中，信道重新变繁忙后，退避计数器暂 停递减计数，直至信道空闲超过d i f s 时间间隔。当计数器退避到0 后，节点发 送数据。 然而，i e e e 8 0 2 1 1d c f 提出采用的b e b 退避策略也有其先天的不足，比如， 在网络拥塞的情况，竞争信道失败的节点往往总处于不利地位，影响其数据的发 第三章o o s 公平性的提出及解决方案理论分析 送，导致了网络的不公平性。所以，有人提出了倍数增线形减( m u l t i p l ei n c r e a s e l i n e a rd e c r e a s e ，m i l d ) 算法来改进i e e e 8 0 2 1 1d c f 中的b e b 算法。同时，也 有人围绕着退避策略展开研究，提出更加复杂而有效的退避算法，但这并不是本 文的重点，故不再深入讨论。 2 、i 盯s c t s 机制 由于在无线网络中所有的信道都是广播式的，而同时不是所有的无线设备都 能够直接通信，所以在信道接入过程中存在着干扰和碰撞，典型的问题就是隐藏 终端和暴露终端的问题。所谓隐藏终端是指在接收节点通信范围内而在发送节点 通信范围以外的节点；暴露终端反之，指的是在发送节点通信范围内而在接收节 点通信范围以外的节点。为了减轻隐藏终端和暴露终端的问题，i e e e 8 0 2 1 1 标准 中提出了r t s c t s 机制。 首先，在i e e e 8 0 2 1 1 中，r t s c t s 机制是可选择的，而不是必须的。r t s c t s 采用4 次握手模式。发送节点在发送数据帧前先发送请求发送子帧r t s ，接收节 点在收到r t s 后，在s i f s 时间间隔后用控制帧c t s 对r t s 进行确认。发送节 点收到确认的c t s 之后发送数据包。接收节点则在收到数据包之后，用a c k 信 息进行确认。在r t s 和c t s 帧中携带有即将发送的数据包长度信息。 使用r t s c t s 机制虽然增加了系统的开销，但是r t s c t s 控制帧很短，其长度 分别为2 0