（计算机系统结构专业论文）基于80211的无线mesh网络传输性能研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文 摘要 摘要 随着无线通信技术的发展，提供移动i n t e r n c t i 方问的无线网络正逐步改变着人们的日常生 活。目前正在进行商业化推广的无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 是一种单 跳的无线接入网，所有无线终端通过访问点( a c c e s s p 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，w l a n 的覆盖范围较小；另一方面，由于a p 需要直接与有线网络相连，所 以w l a n 对有线网络有着严重的依赖性。部署成本仍然较高。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 h n e t w o r k w m n ) 应运而生 w m n 是一种多跳无线网络，它具有网状的拓扑结构，终端通过多跳无线中继接入i n t e m e t 。 w m n 的构成可以分为m e s h 路由器、m e s h 终端以及m e s h 网关，m e s h 网关为w m n 与有线i n t e r a c t 的连接点；主干路由器位置较固定。有稳定的电源供给；m e s h 终端通过m e s h 路由器接入网络， 在特殊情况下m 融峰端也可以作为路由器提供到w m n 的连接。已有的研究成果表明，现有的 m a c 协议、路由协议以及传输协议等应用于w l v i n 时，所能达到的传输性能还远不能满足用户 的需求。因此改进现有协议以适应w m n 的特征，从而提高w m n 中的传输性能具有重要的意义 本文首先对w m n 的相关背景与研究现状进行了综述。w l v i n 是一种新型的无线接入网技 术，在各个网络层次上都有很多值得研究的问题存在作为i n t e m v t 接入网，w m n 需要支持 i n t e r n e t 中存在的各种业务流量。特别是目前占i n t e m e t _ 业务总量8 0 的可靠数据传输，以及随着 多媒体技术的发展，流量急剧增加的实时多媒体传输。 为了准确地了解基于i e e e8 0 2 1 1 的w m n 传输性能，第三章中采用n s 模拟工具和搭建的实 验床对w m n 中t c p 传输以及实时多媒体传输的性能进行了测试。实验包括单条t c p 传输、多条 t c p 流竞争的传输、单条多媒体流传输和有背景流的多媒体流传输四类场景，对各场景下的流 吞吐量、延迟以及抖动等性能进行了记录。实验结果指出了w m n 中t c p 传输以及实时多媒体传 输所存在的问题。 在模拟测试的基础上。第四章对w m n 中所采用的i e e e8 0 2 1 1m a c 协议和t c p 传输协议进 行了分析。采用m a r k o v 链来描述站点m a c 层的状态转换和t c p 状态转换。根据模型所分析得的 延迟和吞吐量与模拟实验结果相吻合，证明该模型能够准确反映影响w l v i n 中传输性能的因素。 建模分析结果显示影响w m n 中传输性能的最根本的原因在m a c 层协议，因此本论文在后两章 中针对i e e e8 0 2 1 1m a c 协议提出了两种改进机制，以提高w m n 的传输性能。 噪音、多径干扰等因素所造成的无线信道误码现象是w m n 丢包的重要原因之一环境等 因素导致误码率动态改变。第五章所提出的动态的帧大小调节机制( o y m m i cf r a g m e n t a t i o na n d a g g r e g a t i o n ，d f a ) 能够在每一跳的传输中根据信道状态选择合适的发送帧长，利用分片或聚 集操作使数据以最合适的帧长发送。每一跳上的局部优化将带来全局的优化，d f a ；t 至最大化信 道利用率的同时尽量避免误码丢包的发生，从而减小丢包重传所带来的开销，提高w i v i n 的传 输性能实验结果验证了d f a 0 l 制的有效性以及其对w m n 传输性能的改善。 i 中国科学技术大学博士学位论文 摘要 w m n 需要支持大量不同类型的业务，这些业务对带宽、延迟等传输性能的需求不同为 了满足不同业务对传输性能的不同需求，第六章提出了自适应竞争窗口调节机制( a d a p t i v e c o n t e n t i o n w i n d o w a 枷l i s h n e n t ，a c w a ) 。a c w a 是一种跨层的解决方案，它通过网络层和m a c 层的协作来区分数据包的优先级。它将不同优先级的数据包放到不同的m a c 队列中，根据信道 以及队列状态自适应地修改竞争窗口，从而为w i v i n 中不同类型的流提供所需的服务质量保证 a c w a 在提供传输质量保证的同时还能部分解决局部拥塞问题。模拟实验结果验证了a c w r a 在 传输质量保证上的有效性。 本文的研究还集中在基于i e e e8 0 2 1 l 的w m n 中传输性能的提高，基于w i m a x ，u w b 等新 的传输技术乃至多协议混合环境下的w m n 还有很多挑战性的问题值得研究。 关键词：无线m e s h 网络，传输性能，i e e e8 0 2 1 1m a c 协议，m a r k o v 链。误码率，丢包，竞争 窗口，优先级 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht b ed n e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e d m i q u e s w i r e l e s sn e t w o r k sc h l l n g e p e o p l e sd a i l yl i f ed r n m e t i e a l l yb yp r o v i d i n gm o b i l ei n t m e ta c c e s s v , r t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ( w i a n ) w o r k i n g 鹞t h e l a s t h o pe o i m e e t i o n t o i n t e m 瓯h a s c o m l ，i n t o m a r k e t n o w a d a y s i n w i _ a n s , t e r m i n a l s 姻m 咖t h r o u g ha c c e s sp o i n t ) w h i c hc o n n e c t st ow i r e dn o t w o r k sd i r e c t l y s i n c e w l a n s t r o n g l yd e p e n d so nw i r e dn e t w o r k , s ot h ec o v e r a g eo f w l a n i sv e r ys m a l ld u et ot h el i m i t e d 缸批嘲n i 蠲衲舢鹃a n dt h ec o s to fd e o l o y m e n ti ss i l lt o oe x p e n s i v e t oc x 把, l l dt h ec o v e r a g eo f w i r e l e s sa e s sn e l w o r k sa n dr e d u c et h ed o p l o y m e b tc o s t , w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m 田i s i n l r o d 吼 w l m q $ a m u l t i - h o pw i r e l e s sn e t w o r k s d 印1 0 y e di nm e s ht o p o l o g y , i n t 日n e ta e 鼹i sp r o v i d e d b yw i r e l e s sm u l 幢h o p 埘巧i n w m n $ aw m n i sc o m p o s e do fm e s hr o t a e r s ，m e s hc l i e n t s , e n d m e s hg a t e w a y s m e s hg a t e w a y sf i l et l l 。w l v l n - a n d - i n t e m o tj o i n t s ；m e s hr o u t e r sw i t hf i x e d l o c a t i o n sa n ds t a b l ep o w e rs u p p l i e sc 0 i l 鲥j n 如t h eb a c k b o n eo f w i v l n ；m e s l lc l i e n t sa c 嘟sw m n $ b y 伽衄i 茂t i r 唔t om e s hl t o t t t e r s , f l l e y 伽b et o u t e r sa l s oi ns o r , r t l ，s p e c i a ls c , e n l i o l l i th a sb e e nn o t i c e db y f o r m e rr e s e a r c h e st h a tt h ep e r f 嗍a c i l i e v o dd o e sn o ts a t i s f i e dt h er e q u i r e m a l to fu s 粥w i t h e x i s t e n tm a c t o l i l i n ga n dt r a n s p o r tp r o t o c o l s s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt om o d i f yt h e s ep r o t o c o l s 协 e n h 雠t h et r a n s m i s s i o ni , h f o r m a n e ei nw m n $ i nt h i sd l , 踯 t a t i o n , t h eb a e l q ；r o u n l 趣订r e a r d as t a t u so fw m n s 辑i n t r o d u e e af i r s t l y a sa n e ww i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k , t h e r e 锄m a n yp r o b l e m sw o r t h yt ob es t u d i e da n de o r , s i d e r e di nw m n $ w i t t l i ne a c hl a y e r a sa l li n t e r n o ta c s sn 醴w o r k , v a r i o u s 恤伍cf l o w sf l , , o u l db e8 u p p o l t e di nw m n s , e s p e c i a l l yt h er e l i a b l ed a t am m s f e rw h i c ho c c u p i e sa p p r o x i m a t e l y8 0 o fi n t e r n c t 纰蛹鹳e u r r o n t l y , 勰w e l l1 1 8r e a l - t i m em u l t i m e d i a 倘cw h i c hm p 脚i n e r e a 瀚a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m u l t i m e d i at e e t m o l o g i e s ho r d e rt om 蝴t h et r a m m i s s i o ip e r f o r m a n c ei n 嘲8 0 2 1 1 - b a s e dw m na c c u r a t e l y , n e t w o r ks i m u l a t o rt o o l sa n dt e s tb e d 戤u s e dt oi n v e s t i g a t et h ep e r f o r m a n c eo ft c p l o w sa n d r e a l - t i m em u l t i m e d i af l o w si nw m n $ t h e 舒= p i 讲m t8 c c n a l i o $ 眦b ec l a s s i f i e di n t o4c a t e g o r i e s ： s i n g l et c i f l o w , m u l t i p l ec o n t e n t i o n r c pf l o w s ，s i n g l em u l t i m e d i af l o wa n dm u l t i m e x l i af l o ww i l h b a c l c g r o t m d 廿a 伍c t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c es u c h f 1 st h r o u g h p u t , d e i a ya n dj i t t e r 鼬r e c o r d e da n d a n a l y z e d m 铭p e 血n e n tr e s u l t sr e v e a lt b ep r o b l e m so ft c p a n dr e a l - t i m em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n 、 i n w 鼬 b a s e do nt h es k m u l a l i o na i l de x p e r i m e n t a l i o nr e s d t s ，i e e e8 1 1 2 1 1m a c a l l dt c pu $ e d m m 悄s 蛳锄蛳蜘i nc h a p t e f4 m a cl a y e ra n dt c p 批t r a n s i t i o n s 橱m o d e l e d w i t hm l l l k 删 烛m r o n 岫t sb e t w e e n1 b e 恻删蛔a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sv a f i d m e 衄1 t l e 酬 中国科学技术大学博士学位论文 m o d e ld e s c r i b e s t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ei nw m n sa c c u r a t e l y f r o mt h e a n a l y s i s ，i tc a nb ef o u n dt h a tp h y s i c a ll a y e rc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a cl a y e rp r o t o c o la r et h ee s s e n t i a l i n f l u e n c ef a c t o r s 断p o o r r c l ) p e r f o r m a n c ei n 、j l 强o s t h e r e f o r e t oa 吐龇c et r a n s m i s s i o n r , e r f o r m a n c ei ni e e e8 0 2 1 1 - b a s e dw m n s t w om a cl a y e ra p p r o a c h e sa p r o p o s e d i nt h ef o l l o w i n g t w oc h a p t e r s h i g hb i te r r o rr a t e0 3 e r ) d u et on o i s ea n dm u l t i - p a t hi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tl i m a , s o n sf o r p a c k e tl o s s i nw m n $ b e l l c h a n g e sd y n a m i c a l l yf o rt h ee n v i r o n m e n t a lv a r i e t y ag y n a m i c f r a g m e n t a t i o na n da g g r e g a t i o n ( d f a ) m e c h a n i s mi sp r o p o s e di nc h a p t 日5 n o d e sc a l c u l a t et h e o p t i m u mf r a m el e n g t hb a s e d0 1 1c h a n n e ls t a t e s a n df l - a n $ i nt h eq u e u ea r ef r a g m e n t e do ra g g r e g a t e d t of o r mt h eo p t i m a ls i z ef l a m e sb e f o r es e n d i n g l o c a lo p t i m i z a t i o ni ne a c hh o pl e a d st og l o b a l o p t i m i z a t i o n c h a n n e lu t i l i z a t i o ni so p t i m i z e da n dp a c k e tl o s sd u et ob e ri sr e d u c e ds i m u l t a n e o u s l y w i t hd f a s ot h eo v e r h e a do fp a c k e tr e t r a m m i s s i o ni sr e d u c e d , a n dl r a n s m i s s i o np i 葛内日m i s e n h a n c e di nw m n s s i m u l a t i o nr e s u l t sv a l i d a t et h a td f ai sa nc f f i c i e n ta p p r o a c ht oi m p r o v e t r a n s m i s s i o np e r f o m a a n e ei nw m n s s i n c ew 袱sb e a rv a r i o u s 1 - a t t i c s a n dt h et r a m m i s s i o nr 栅o r m a n c er e q u i l m e n ts 眦h 雒 b a n d w i d t ha n dd e l a yo ft h e s en 墒c sa r ed i f f e l _ e , n t , a d a p t i v ec o n t e n t i o nw i n d o wa c l j m t m e n t m e t h o d ( a c w a ) i sp r o p o s e di nc h a p t e r6t os a t i s 母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 to f d i f f e r e n ts e r v i c e s a c w ai sac l t o $ $ l a y e rs o l u t i o nw h i c hd i f f e r e n t i a t e sp a c k e t sp f i o r i t i e sb y c o o r d i n a t i o no f n e l w o r kl a y e ra n dm a cl a y e r p a c k e t sw i t hd i f f e r e n tp r i o r i t i e sm p u ti n t od i f f e r e n t m a c q u e u e s 。a n dt h ec o n t e n t i o nw i n d o w sa r ea d j u s t e d b a s e d0 1 1c h a n n e la n do l u c u cs t a t e s t h e r e f o r e ， a c w ap r o v i d e sq o sa s s u l a n c ef o rv a r i o u ss e r v i c c s f u r t h e r m o r e 1 0 c a le o n g e m o ni nw i v l n sc a n a l s ob ep a r t i a l l ya v o i d e dw i t ha c w a $ i m u l a l i o nr e s u l t ss h o wt h a ta c w ai s 狮e t t i e i e n tt r a m m i s s i o n p e r e o r m a n c ea s s u l l m c ea p p r o a c hi nw m n s w o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o n1 1 1 ef o c u s e do i lt i a n s m i i o nr , e r f o r m a me t l h a n c c m e n ti ni e e e 8 0 2 1 l - b a s e d w m n $ m o r ee h a l l e r t g e s w i l le x i s t i n w i m a x ，u w ba n d h y b r i d p r o t o c o l s w m n $ i 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 ，i z a n s m i s s i o np 口南n n 砒l c e ，i e e e8 0 2 1 1m a c ，m a r k o vc h a i n , b i te r r o rr a t e0 3 e r ) ，p a c k e tl o s s ，c o n t e n t i o nw i n d o w , p r i o r i t y 中国科学技术大学博士学位论文 图表目录 图表目录 论文组织结构图3 架构式w m n 体系结构6 对等式w m n 体系结构 6 混杂式w m n 体系结构7 r o o f n e t 结构示意图8 h y a c i n t h 结构示意图9 d c f 和p c f 的关系2 0 传统t c p 拥塞控制的有限状态机2 l w m n 实验床体系结构m 2 5 跳数增加对t c p 性能的影响2 6 采用无干扰信道对性能的提升” 单条t c p 流性能2 7 t c p 竞争流模拟场景2 9 场景a x b 中t c p 吞吐量对比2 9 场景抽中t c p 延迟对比。3 0 拥塞窗口变化3 0 场景c d 中t c p 吞吐量对比3 l 邻居域场景吞吐量对比3 l t c p 流间竞争实测拓扑结构示意图3 2 两条t c p 流竞争时吞吐量变化。3 2 三条t c p 流竞争时吞吐量对比3 3 t c p 流和u d p 流竞争时性能3 3 单条多媒体流传输性能3 4 实时多媒体流与t c p 流竞争传输一3 5 有背景流时实时多媒体流的抖动变化3 5 基本模式时多站点竞争信道过程。 3 8 r t s c t s 工作模式。3 9 流内竞争。4 0 流问竞争4 0 i e e e8 0 2 1 1m a c 所存在的问题4 0 w m n 中t c p 的跨层循环4 2 站点m a c 层状态转换4 4 t c p 状态转换4 5 v i 叭眦脚阱阱阱阱阶酣眦阱阱阱阱阶阱鼢啪叭眦脚眺队阶鳓m郾眺阶脚 中国科学技术大学博士学位论文 图表目录 图4 - 9 图牟1 0 图4 1 1 图4 1 2 图5 1 图5 - 2 图5 3 图5 _ 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图6 1 图6 2 图6 。 图6 - 4 图6 5 图6 - 6 图6 7 典型场景4 9 拥塞窗口变化4 9 恒定速率流吞吐量理论值与模拟值对比5 0 t c p 吞吐量理论与模拟值对比5 0 b e r 与分片重传5 3 信道状态变化5 5 b e r 与s n r 关系5 6 信道状态转换5 6 a c k 帧格式5 7 d f a 操作流程5 9 聚集帧格式6 0 帧分片机制6 0 模拟场景6 1 单跳连路传输中的有效吞吐率增加6 2 两跳传输的有效吞吐率对比：6 2 随机拓扑场景中有效吞吐率增加6 3 竞争窗口与传输性能的关系6 5 两条流竞争的场景6 5 a c w a 结构图7 0 a c w a 洌u 试场景7 3 简单链状场景中两条流的吞吐量变化7 3 随机拓扑7 4 a c w a 在随机拓扑中对带宽的确保7 5 表2 18 0 2 1 l b 数据传送速率规范1 9 表3 1背景流对多媒体流性能的影响3 5 表4 - l模拟参数4 9 表4 - 2t c p 延迟理论值与模拟值对比5 0 表5 1模拟参数6 l 表6 1实时多媒体流服务质量需求7 4 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：瑙 矽。7 年争月2 p 日 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 随着大量新的无线通信技术不断涌现，无线网络由于其接入灵活、成本低廉以及易于扩展 等特性近年来得到了飞速发展。无线局域网( w i r e l e s sl o c a la 砖an e t w o r k , w l a n ) 、移动自组 织网络( m o b i l e a d h o c n e t w o r k , m a n e t ) 以及无线传感器网络( w i r e l e s s g e r m o r n e t w o r k ，w s n ) 等形式的无线网络在近几年已经得到了广泛的研究 1 】 2 】 3 】【4 】，特别是w l a n p 强进入商业化 推广阶段。无线m e s h 网络( w i f e l e s s m e s h n e t w o r k , 恻) 【5 】【6 】作为一种能够提供更大范围无 线接入的新技术已经成为了新的研究热点。本论文将通过理论分析和实验测试，研究w i d n 中 影响传输性能的因素，并提出改进方案以提高w m n 的传输性能。本章将对相关的研究背景以 及全文的主要内容进行简要介绍。 1 1 研究背景 计算机网络自上世纪6 0 年代的a r p a r n e r 到今天的i n t e m e t 已经经历了半个世纪的发展变 迁。如今的i n t e m e t 上承载着各式各样的信息，不仅是人们获取各种资讯信息的重要来源，也是 人们沟通交流的重要媒介，它已成为生产、生活不可或缺的组成部分。目前的i n t e m e t 访问还主 要依靠有线接入，但是随着无线通信技术的发展，实现灵活便捷的移动接入已不再是梦想。 各大电信运营商已经推出了以w l a n 技术为基础的无线宽带接入业务，众多企业、学校内 部也建立了自己的无线局域网。w l a n 是单跳无线网络，终端通过无线接入点( a c c e s s p o i n t , a p ) 接入有线网络。由于无线信号传输的范围十分有限，所以w l a n 所能覆盖的范围较小。且只能 架设在有线网络的边缘，因此部署成本仍然较高。 无线多跳网络能够通过多个站点的中继传输来提供更大范围的无线网络覆盖。降低网络部 署成本。m a n e t 和w s n 是无线多跳网络的典型代表。m a n l 玎最初是为军事用途而设计的，它 不依赖于任何固定基础设施，十分适用于战争、救援等特殊的紧急场景。这种网络具有移动性、 临时性、多跳性、动态性、自组织性、分布性和开放性等特征。m a n e t 网络中不存在任何站 点对整个网络进行集中管理，每个站点自主地管理自身的各项功能，站点问的交互往往需要通 过站点之间的相互协作才能完成，任何一个站点都可以随时自由地加入或者退出网络。m a n e t 相关研究集中在移动、定位、节能及自组织等特殊需求上。随着电子感应技术的发展，传感器 在生产、生活、科研以及军事等各种领域都有着广泛的应用。传感器可以被散布于所监控范围 之内，用以收集各点的信息。w s n 正是希望利用廉价便捷的无线多跳技术，实现对大量传感器 站点所收集数据的汇集。如何组织w s n 中规模庞大的站点、如何合理利用站点上极其有限的能 量以及计算资源，如何实现大量的数据聚集是w s n 研究中最关心的问题。 本论文的研究对象w m n 也是一种多跳无线网络，它与m a n e t 和w s n 的设计初衷不同， w m n 所希望提供的是高质量的h n e 砌蠛入服务，因此需要能够承载1 i l t c m c t 上所提供的各种业 务。w m n 具有网状的拓扑结构，终端通过多跳无线连接实现与i n t e r a c t 互通。w m n 的构成可以 中国科学技术大学博士学位论文 分为m e s h 路由器，m e s h 终端以及m e s h 网关，m e s h 路由器构成t w m n 的主干，位置较固定，有 稳定的电源供给；m e s h 终端通过m e s h 路由器接入网络，在特殊情况下m e s h 终端也可以作为路 由器给其他站点提供n w m n 的连接；m e s h 网关是w m n 与i u t e m e t 的连接点，可视为与有线网络 相连的特殊路由器。w m n 是一种非常适合于覆盖大面积开放区域，包括室外和室内的无线网 络解决方案。最适合部署于大学园区、体育场馆、公共场所、住宅小区接入以及需要监控的公 共场所这类希望提供便捷低廉的“l a s t m i l e ”( 最后一英里) n a t e m e t 访问网络的区域。 1 2 研究目标及思路 无线m e s h l 网络是一种新型的无线宽带接入方式。目前所达到的传输性能还远远不能满足宽 带i n t e m e t 通信的需求，因此本论文的研究工作将致力于通过协议的分析和改进提高w m n 的传 输性能。根据m c i 的统计，目前占i n t e r n e t 中数据包总量9 0 、数据流总量7 5 以上的是以t c p 为代表的可靠数据流传输 7 】，随着多媒体技术的发展，实时多媒体数据流所占的比重也在迅速 增加。因此本文的研究将主要关注w m n 中这两类数据流传输的性能。 为了真正了解w m n 中影响传输性能的因素，本文首先将利用n e t w o r ks i m u l a t o r2 ( n s 2 ) 网络模拟工具和所搭建的实验床对t c p 传输和实时多媒体传输在w m n 环境下的吞吐量以及延 迟等性能进行测试。测试将涉及信道干扰、站点位置、邻居间竞争、背景流等各种影响因素。 模拟与实测能够帮助我们从现象的角度来发现问题，理论分析则能够从本质上来解释这些 现象。因此，本文将对基于i e e e8 0 2 1 1 协议的w m n 中m a c 层以及传输层协议进行建模，从理 论上分析造成w m n 中传输性能下降的原因，为改进方案的提出打下理论基础。 我们知道无线链路的误码率较有线链路高得多，且受环境影响总是在不断变化。误码造成 的丢包会导致数据包重传，带来巨大的重传开销，导致传输性能的下降。由于数据包的长度与 误码丢包率有着直接的联系，所以根据倍道的误码状态调节所发送数据包的长度，能够在最大 化信道利用率的同时减少误码丢包，提高传输性能。基于此思想，我们将提出一种动态帧分片 与聚集的机制( d y m l l i cf r a g m e n t a t i o na n da g g r e g a t i o n , d f a ) 来改进基于i e e e8 0 2 1 1 的w m n 的传输性能。 作为i n t e m e t 接入网，w m n 所承载的业务具有多样性，不同的业务对带宽、延迟等传输质 量有着不同的需求。视频，音频会议应用流要求较低的延迟，视频点播等应用流则需要较高的带 宽，而文件传输等应用流仅仅希望保证数据的准确性。这些不同类型的流在网络传输中应该区 别对待，以满足其各自对传输质量的需求。此# b w m n 中由于多条链路共享信道空间，容易造 成网络局部拥塞的状况。为了给不同类型的服务流提供各自所需的传输质量保证，同时尽量避 免网络局部拥塞的状况发生，本论文将研究竟争窗口大小对带宽和延迟等性能的影响，然后提 出基于i e e e8 0 2 1 1 的w m n 中的自适应竞争窗e l 调节机制( a d a p t i v ec o n t e n t i o nw i n d o w a d j u s t m e n t ，a c w a ) 。该机制将能够通过网络层和m a c 层的合作，利用m a c 层竞争窗1 ：3 大小 的调节，使不同需求的数据包在各路由站点上都能获得所需的m a c 层发送概率，从而保证其传 输质量。 2 中国科学技术大学博士学位论文 1 3 本文的组织结构 本文的研究工作针对w m n 中传输性能的改进展开，全文由七章构成，各章节之间的组织 结构如图1 1 所示 图l - 1论文组织结构图 第一章将介绍本文的研究背景、研究内容以及全文的组织结构 第二章将对w m n 以及其相关的研究现状进行综述。首先对w h 悄进行定义，根据体系结构 对箕分类并归纳w m n 的特点，然后针对本文将研究的基于8 0 2 1 1 协议的w m n ，介绍i e e e8 0 2 1 l 协议的相关内容，接着是对w m n 研究现状的综述，最后介绍本文将研究的t c p 可靠数据传输及 实时多媒体传输在w m n 中所面临的问题。 ： 第三章中将使用n s 2 模拟工具和所搭建的实验床，测试目前基于i e e e8 0 2 1 1 协议的w m n 中数据流传输所能达到的性能。测试的数据流包括以t c p 为代表的可靠数据传输以及实时多媒 体传输两类，场景将包括单条流以及多条流竞争。通过对吞吐量、延迟和抖动等性能的测试， 直观地了解w m n 中这两类传输所存在的问题。 第四章将对基于i e e e8 0 2 n 的w m n 中m a c 层以及传输协议进行建模分析首先，利用 m a r k o v 链建立站点m a c 层的状态转换以及t c p 流传输过程中的状态转换模型。然后，根据模型 分析影响w m n 中传输性能的重要因素。 第五章将提出一种m a c 层的动态帧分片与聚集机制- - d f a 无线链路高误码率的特性所 造成的大量误码丢包会严重影响w m n 的传输性能。由于无线介质环境的不确定性，链路的误 码率总是动态改变的，w m n 中多跳无线链路往往会存在不同的误码率d f a 能够根据信道状态 动态地调整所发送帧的大小，在最大化信道利用率的同时尽量减小误码所造成的数据帧丢弃。 从而提高传输性能。 3 中国科学技术大学博士学位论文 第六章将提出一种自适应竞争窗口调节机制a c w a 。w m n 中所承载的多种类型的业务 对带宽、延迟等传输质量的需求不同，a c w a 利用网络层和m a c 层的协作实现对不同需求数据 的区别对待。a c w a 利用多个优先级队列的竞争窗口自适应调节来为数据包提供不同的发送概 率，从而获得传输质量需求的保证。该机制还能部分地避免w m n 中由于信道空间共享所造成 的局部拥塞状况。 第七章是对本文的研究工作的总结，将指出还有待继续深入研究的问题。 1 4 本章小结 本章首先介绍了本文的研究背景，包括相关的w l a n 、m a n e t 以及w s n 的研究状况，然 后概述了本文研究的主要目标及研究思路，最后描述了全文的组织结构。下一章将对本文研究 的相关背景知识与研究现状进行综述。 4 中国科学技术大学博士学位论文 w m n 研究背景与现状 第二章w m n 研究背景与现状 w i v i n 作为i n t e r n e t 接入网，提供高质量的传输服务是其核心问题，但是现有的协议还不能 满足用户对w m n 传输质量的需求。本文研究的耳的正是分析w i v l n 中影响传输性能的原因并对 现有机制进行改进，以提高w m n 中的传输性能。本章将介绍文中所涉及的相关背景知识并对 w m n 的研究现状进行综述。 2 1 无线m e s h 网络 无线m e s h 网络( w i r e l e s s m e s h n e t w o r k ，w m n ) 被称为廉价的“l a s t m i l e ”( 最后一英