（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络基于跨层原则的中继传输模式研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 无线m e s h 网络( w h l e s sm e s hn e t w o r k ) 简称w m n ，是一种通过无线链路 连接路由器和终端设备的无线多跳网络，具有自组织、自愈合，高速率、易组网 等特点。本文主要研究适用于无线m e s h 网络的基于跨层思想的多跳中继路由算 法。 本文介绍了无线m e s h 网络的相关技术，对i e e e 8 0 2 1 1 异常传输问题做出了 深入分析，通过数学模型的分析，理论验证了在无线m e s h 网络中只要有一个节点 使用较低的发送速率，那么其他高速率的节点吞吐率都会显著下降，从而导致整 个网络的吞吐性能下降。并且通过仿真实验，验证了多跳中继传输方案可以解决 i e e e 8 0 2 1 1 异常传输问题，提高网络的整体吞吐性能。本文还对无线m e s h 网络的 跨层设计原则做出深入研究，为进一步设计基于跨层原则的无线m e s h 网络中继路 由算法提供一定的依据。 为了解决i e e e 8 0 2 1 1 异常传输问题，本文设计了一种在计算路由时充分考虑 媒体接入控制( m a c ) 层性能的路由协议，选取a o d v 路由协议作为参考标准， 结合无线m e s h 网络的动态性及其对路由的影响对a o d v 进行扩展改进，提出了 公平中继路由算法f ra o d v ，并且在文章中进行了相应的数学理论分析和详细的 算法流程设计。该路由协议的基本原则是：通过m a c 层计算出当前节点的冲突概 率和当前节点的有效带宽参数，在网络层，发射节点通过采集它经过的每个节点 的冲突概率和有效带宽来选择中继节点，被选择的中继节点含有最小的冲突概率 以及最大的有效带宽，从而实现数据的多跳中继传输。 为了评估f ra o d v 路由协议的性能，本文利用n s 2 仿真平台，设计了两种 仿真模型，将标准a o d v 路由协议和改进后的公平中继路由协议f ra o d v 进行 了对比。仿真结果表明，公平中继路由协议f ra o d v 能够选择中继节点来实现 多跳快速路径，在很大程度上提高网络的吞吐性能以及接入公平性。 关键词：w m n ，跨层，中继，f ra o d v 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 k m n ) ，i san e wt y p eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kw h i c hl i n k sr o u t e ra n dt e r m i n a le q u i p m e n t s 丽t l lw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k s y s t e m , w i t ht h eh i g h l i g h t s o fs e l f - o r g a n i z i n ga n ds e l f - h e a l i n g ，h i g hs p e e d ，e a s yt o n e t w o r k a n ds oo n t h i sp a p e rs t u d i e st h er e l a yt r a n s f e rm o d eb a s e do nt h ec r o s s l a y e r t h e o r yi nw - t r e l e s sm e s hn e t w o r k t m sa r t i c l ed e s c r i b e dt h ew 1 r e l e s sm e s hn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dm a d ea l l i l l - d e p t ha n a l y s i sw i t ht h ea b n o r m a lt r a n s m i s s i o no f t h ei e e e 8 0 2 1 1 i tp r o v e si nt h e o r y b ym a t h e m a t i c a lm o d e lt h a ti nt h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r kn o d e sa sl o n ga st h e r ei sa l o w e rt r a n s m i s s i o nr a t e , o t h e rh i g h - r a t eo fn o d et h r o u g h p u tw i l lb ed e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , r e s u l t i n g i n t h ee n t i r en e t w o r k t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e t h r o u g h s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tm u l t i h o pr e l a yt r a n s m i s s i o n s c h e m ec o u l ds o l v et h ei e e e 8 0 2 11a b n o r m a lt r a n s m i s s i o np r o b l e m sa n di m p r o v e o v e r a l ln e t w o r kt h r o u g h p u t t h i sa r t i c l ea l s om a d ea l li n - d e p t hr e s e a r c ho nc r o s s l a y e r d e s i g np r i n c i p l e si nw i r e l e s sm e s hn e t w o r kt op r o v i d eb a s i sf o rt h ef u r t h e rd e s i g no fa r e l a yr o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fc r o s s l a y e ri nt h ew i f e l e s sm e s h n e t w o r k s i no r d e rt os o l v et h ei e e e 8 0 2 1 1a b n o r m a lt r a n s m i s s i o np r o b l e m s ，t h i sp a p e r p r e s e n t sar o u t i n gp r o t o c o lw h i c hf u l l ya c c o u n t st h em e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r w h e nc a l c u l a t i n gt h er o u t e ，s e l e c t st h er o u t i n gp r o t o c o la o d va sar e f e r e n c es t a n d a r d ， i m p r o v e sa o d vb a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ed y n a m i c so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa n d t h e i ri m p a c to nt h er o u t i n g , a n dp u tf o r w a r dam e t h o df o rs e l e c t i n gr o u t en a m e d f r a o d vb a s e d o nt h ef a i rr e l a yo fr o u t e s a n di nt h ea r t i c l e p r o g r e s s e dt h e m a t h e m a t i c a lt h e o r yo fa l g o r i t h ma n a l y s i sa n dt h ed e t a i l e dp r o c e s sd e s i g n s t h eb a s i c p r i n c i p l eo ft h er o u t i n gp r o t o c o li s ：t oc a l c u l a t et h ep r o b a b i l i t yo fc o n f l i c ti nt h ec u r r e n t n o d ea n dc u r r e n tn o d ee f f e c t i v eb a n d w i d t hp a r a m e t e r st h r o u g ht h em a c l a y e r , a n di n t h en e t w o r kl a y e r , p r o j e c t i o nn o d es e l e c t st h er e l a yn o d e st h r o u g ht h ea c q u i s i t i o no ft h e p r o b a b i l i t yo fc o n f l i c ta n dt h ee f f e c t i v eb a n d w i d t ho fe a c hn o d e t h es e l e c t e dr e l a y n o d e sw h i c hh a v et h es m a l l e s tp r o b a b i l i t yo fc o n f l i c ta n dt h em a x i m u me f f e c t i v e b a n d w i d t h i th a st oa c h i e v em u l t i - h o pr e l a yt r a n s m i s s i o no fd a t a f o re s t i m a t i n gt h ep e r f o r m a n c e so ff r a o d vr o u t i n gp r o t o c o l ，t h ep a p e ru s e s 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t n s 2s i m u l a t i n gp l a t f o r ma n dd e s i g n st w ok i n d so fs i m u l a t i o nm o d e l s ，c o m p a r i n g f r a o d v 埘n ls t a n d a r da o d vr o u t i n ga l g o r i t h m t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a t t h ef a i rr e l a yr o u t i n gp r o t o c o lf i u o d vi sa b l et oc h o o s em u l t i - h o pr e l a yn o d et o a c h i e v ef a s ta n dm u l t i - h o pp a t h , w h i c hg r e a t l yi m p r o v e st h en e t w o r kt h r o u g h p u t p e r f o r m a n c ea n dt h ef a i r n e s st oa c c e s s 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 ，c r o s s l a y e r , r e l a y , f r a o d v i a 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 无线m e s h 网络是针对特定的商业应用而涌现出来的一种新兴无线技术，这些 应用包括家庭带宽网络、小区和城域网络、协同网络管理、智能传输系统等。无 线m e s h 为互联网业务提供商( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ，i s p ) 和其他终端用户以 合理的成本建立强健、可靠的无线宽带业务接入提供了选择。基于i e e e 8 0 2 1 1 技 术的m e s h 网络，该网络中包含了多个m e s h 终端和m e s h 路由器( t g 称为“m e s h 节点) ，m e s h 路由器具有网关或网桥功能【l 】，这些m e s h 节点可以直接连接到m e s h 网络，也可以通过多跳路径连接到m e s h 网关。 无线网络中的路由协议通常认为发射节点覆盖范围内的所有节点都是平等关 系，但是实际情况往往不太一样，因为各个一跳相邻节点和发射节点之间的信道 质量会由于这一跳的距离远近不同而各不相同，这样各个信道之间就会存在相互 干扰和竞争。另外，由于各种i e e e 8 0 2 1 1 设备可以实现速率自适应技术，所以链 路质量直接决定了各个节点之间的数据传输速率。这样测量路由距离( 跳数) 就 会引起误解，因为那些多跳高速链路的网络吞吐性能可能比一跳链路的吞吐性能 更好，图1 1 描述了这种现象。图1 1 中有3 个节点w n l 、w n 2 、w n 3 ，三个节 点都处于相互的接收范围之内，节点w n 2 和节点w n 3 利用i e e e 8 0 2 1 1 协议的分 布式协同功能( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a f i o nf u n c t i o n ，d c f ) 来将c b r 加载在u d p 数 据上发送给节点w n l ，从而接入无线信道。假设节点w n 2 和节点w n l 之间的信 道质量非常好，假设传输速率为11 m b p s ，而节点w n 3 和节点w n l 之间由于存在 障碍物而导致信道质量相对较差，假设传输速率为2 m b p s ，这样就会造成节点w n 3 的数据传输速率下降，假设节点w n 2 和节点w n 3 之间的信道质量足够好，传输 速率为5 5 m b p s ，节点w n 2 作为中继节点负责将节点w n 3 的数据转发到节点 w n l ，如果包长度为l ，则发送时间近似为( 1 5 5 + 1 1 1 ) l m s ，可以得出平均速率 为3 7 m b p s ，显然大于2 m b p s ，此时网络的整体数据传输速率会比节点w n 3 和节 点w n l 之间直接传输数据时的速率高。如果采用t c p 的话，网络的整体传输性 能会更好，因为t c p 引入了反向确认数据流，即从节点w n l 到节点w n 2 和节点 w n 2 。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 5 5 m b p s 图1 1 单跳异常传输情形 采取多跳中继传输方案，充分利用多速率w l a n 8 0 2 1 1 协议中m a c 层和路 由层之间的互操作，可以实现很高的多跳吞吐性能。如何来设计高效、跨层、中 继节点选择模式具有很大的研究价值。 1 2 研究现状 无线网络中的路由方案一直是人们研究的重点，而且人们也提出了很多路由 方案，在这些路由方案中，人们利用了各种度量标准来实现路由选择过程。 在参考文献【2 】中，路由方案利用跳数作为路由选择时的度量标准，但这可能不 是最佳选择，因为这种方案可能适合单速率网络，但是在多速率网络中，利用跳 数作为路由选择度量标准，将会得到由最长链路构成的最短路径，因为链路的距 离越长，传输速率就越低，链路的吞吐性能就越差。为了多跳网络中选择高吞吐 率路径，参考文献【3 】中建议利用预期传输次数( e t x ) 作为度量标准。利用e t x 作度量标准，路由方案会选择发送分组数据时所需预期传输次数最小的路径。 参考文献【4 】 【5 】中介绍了几种多速率感知路由方案，这些路由方案可以提高 i e e e 8 0 2 1 l 多跳网络的链路利用率。具体来说，参考文献【4 】中路由选择方案的主要 思想是选择数据传输速率更高的节点作为下一跳的中继节点。这种方案可以解决 异常效应，从而可以提高网络的吞吐性能。在这种方案中，无论发射节点何时选 择路由来发送数据分组给目的节点，该路由选择方案都可以根据数据传输速率来 确定一条最佳路径。参考文献【5 】中介绍了一种根据e t x 改进的路由度量标准，该 度量标准充分考虑了i e e e 8 0 2 1 1 节点中的有效带宽问题。 参考文献【6 】中介绍了一种m a c 层中继使能点协同功能( p o i n tc o o r d i n a t i o n f u n c t i o n ，p c f ) 协议，在该协议中，如果直接链路的通信质量太差或者传输速率 太低，数据分组可以通过中继节点来发送。 最后，在参考文献【7 】中介绍了一种分析工具，该分析工具可以在8 0 2 1 1 多跳 2 弋 一 少一 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 移动网络的路由上评估该路由的吞吐性能。 1 3 研究内容 本课题主要需要解决的问题是如何在各个节点和网关之间公平、有效地传输 各种数据流量。 为了解决上面的i e e e 8 0 2 1 1 异常传输问题，可以设计一种在计算路由时可以 充分考虑媒体接入控制( m a c ) 层性能和物理层性能的路由协议，该协议会选择 那些多跳快速路径，而不会选择单跳低速路径，但联合设计m a c 层和路由方案也 是一项具有挑战性的工程。实际上，即使中继节点可以缓解异常传输问题，并提 高系统的吞吐性能，但是中继节点不仅要承载自身的数据流量，而且还要承载其 他节点的流量，所以必须确保中继节点的吞吐性能和那些没有中继任务的节点相 同。 针对以上目标，本文核心工作归纳如下： 对i e e e 8 0 2 1 1 异常传输问题做出了深入分析，进行了数学模型的分析，理 论论证了在无线m e s h 网络中只要有一个节点使用较低的发送速率，那么其他高速 率的节点吞吐率都会显著下降，导致整个网络的吞吐性能下降。并且通过仿真试 验，验证了多跳中继传输方案可以解决i e e e 8 0 2 1 1 异常传输问题。 对无线m e s h 网络的跨层设计原则做出深入研究，为进一步设计基于跨层原 则的无线m e s h 中继路由算法提供一定的依据。 对a o d v 路由协议做了简单介绍，针对a o d v 缺点，对a o d v 进行改进， 提出了公平中继路由算法f ra o d v ，该路由协议的基本原则就是：让每个节点保 存当前该节点的冲突概率和当前节点的有效带宽参数，这些都是通过m a c 层来计 算得到的。在网络层，f ra o d v 协议的路由包括采集它经过的每个节点的冲突 概率”和“有效带宽”，在源节点处为路由选择提供依据。 最后进行大量的程序仿真模拟。将改进后的公平中继算法f ra o d v 与标 准a o d v 路由算法进行全面仿真比较，最后验证得出改进后的f ra o d v 能够选 择中继节点来实现多跳快速路径，在很大程度上提高网络的吞吐性能以及接入公 平性。 1 4 论文结构 本文共分六章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了无线m e s h 网络中异常传输现象，阐明了无线m e s h 网络中采取 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 多跳中继传输模式的实用价值。 第二章介绍了无线m e s h 的三种基本结架构已经相关的关键技术和无线m e s h 网络跨层设计要点等相关内容。 第三章本章通过数学公式的推导，证明了i e e e 8 0 2 1 1 异常传输现象。然后， 通过实验仿真证明，采取多跳中继传输可以解决异常传输现象提高网络的整体吞 吐性能。最后简单分析了几个无线m e s h 网络中利用m a c 属性实现提供网络吞吐 性能的路由协议。 第四章在分析了现有a o d v 路由协议基础上，引入了适合m e s h 网络特点的 公平中继路由协议f r协议，并结合 网络的特点进行改进，并进行了_ a o d v m e s h 详细描述和分析。 第五章介绍了性能评估指标以及仿真环境，并将改进的路由方案f ra o d v 与a o d v 路由方案在同样的仿真环境中进行仿真比较。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 2 1 无线m e s h 网络概述 无线m e s h 网络是针对特定的商业应用而涌现出来的一种新兴无线技术，这些 应用包括家庭带宽网络、小区和城域网络、协同网络管理、智能传输系统等。无 线m e s h 网络为互联网业务提供商( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ，i s p ) 和其他终端用户 以合理的成本建立强健、可靠的无线带宽业务接入提供了选择。w m n 主要由m e s h 路由器和m e s h 终端组成，如图2 1 所示。在w m n 架构中，各个静态m e s h 路由器构 成了无线网络框架，各个m e s h 终端通过m e s h 路由器来接入网络，并与其他终端直 接进行m e s h 组网。 图2 1 无线m e s h 网络架构 与传统的无线网络不同，w m n 是一个动态的自组织、自配置网络；换句话 说，m e s h 网络中的各个节点自动建立并维护网络的连接。这个特点对于终端用户 来说有很多优势，如降低前期成本、简化网络维护、网络更加强健、业务覆盖更 稳定。另外，w m n 中采用了各种先进的射频技术( 如多射频接口和智能天线) ， 这样w m n 的容量就可以得到大幅度提升；而且无线m e s h 网络还可以通过m e s h 路 由器中的网关和网桥与各种现有的无线网络进行集成，如无线传感器网络、w i f i 和w i m a x 。因此，通过综合的无线m e s h 网络，终端用户就可以同时使用无线网络。 关于无线m e s h 网络的优势和特点，总结如下： 增强的可靠性 在w m n 中，无线m e s h 路由器在无线连接中的发送端和接受端之间提供了冗余 路径，这样就可以消除单点故障和潜在的链路瓶颈，并大幅度增强网络通信的可 5 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 靠性【8 】。另外，利用多条可供选择的路由，可以确保网络的强健性，以解决一些潜 在的问题，如射频干扰或障碍物导致的节点故障和路径故障。因此，即使当网络 单元存在故障或者产生网络拥塞时，w m n 技术也可以保证网络在更长的时间内具 有更好的可靠性。 更低的部署成本 目前，为终端用户提供无线连接的主要手段是部署基于i e e e 8 0 2 1 1 协议的 w i f i 接入点( a c e e s sp o i n t ，a p ) 。为了在城域范围内实现完全覆盖，必须部署大 量的接入点，因为各个接入点与互联网骨干网络之间必须采用光缆进行连接：而 构建一个无线m e s h 网络可以降低网络的总体成本，因为m e s h 网络只需要很少的有 线网络连接点。因此，w m n 可以按照更低的成本来构建网络，并进行合理的调整， 这一点在如今的市场竞争中非常重要。 更大的覆盖范围 目前，无线局域网络( w i ，a n ) 的数据传输速率已经得到了提升，例如，利 用频率调整方案可以实现5 4 m b i t s 的数据传输速率( i e e e 8 0 2 1 1 铘i e e e 8 0 2 1l g ) 。 虽然w l a n 的数据传输速率提高了，但是对于特定的传输功率来说，随着终端用 户接入点的距离越来越远，w l a n 的覆盖范围和连接性就会逐渐下降；而各个m e s h 路由器和w m n 中部署的长距离传输w i m a x 基站之间的多跳和多信道通信就可以 满足长距离的通信需求，同时不会产生明显的性能下降。 自动完成网络连接 w m n 是一个动态的自组织、自配置网络。换而言之，m e s h 网络中的各个节点 自动建立并且维持网络的连接，这样就可以实现无缝的多跳互联业务。例如，当 网络中添加新的节点时，这些节点就会利用它们的m e s h 组网功能来自动寻找所以 可能的路由器，并确定与互联网之间的最佳路由路径【8 】。同时，现有的m e s h 路由 器就会根据新的路由来重新组织网络，因此，整个网络系统就更加容易扩展了。 2 2 无线m e s h 网络架构 无线m e s h 网络主要由m e s h 路由器和m e s h 终端构成，如同1 1 所示。在该网络 架构中，各个静态m e s h 路由器构成了无线网络构架，各个m e s h 终端通过m e s h 路由 器来接入网络，并与其他终端直接进行m e s h 组网。与传统的a dh o e 网络不同，m e s h 网络构架引入了一种分级结构，该分级结构通过功耗不受限制的专用m e s h 路由器 来实现；而传统的a dh o e 网络则是一个隔离的自动配置网络。在这种综合的网络构 架中，有些m e s h 路由器也称为网关，他们是一些具有高带宽的特殊无线路由器， 并与互联网通过有线连接。具体来说，m e s h 路由器具有先进的路由功能，以支持 6 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 m e s h 组网的需要。m e s h 路由器的这个特点非常实用，因为m e s h 路由器都是固定节 点，在功率上没有限制，而且可以利用相同的无线接入技术来建立多个无线接口， 也可以利用不同的无线技术来建立多个无线接口。 与m e s h 路由器不同，m e s h 终端可以是移动节点，该节点依赖电池来工作。因 此，m e s h 终端的能耗就必须进行限制。能耗限制可以通过降低射频性能( 如单个 无线接口、低天线增益和低计算复杂性) 的方式来实现。m e s h 路由器和m e s h 终端 采用的技术都是基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的，该标准就是著名的无线局域网( ，a n ) 标准。由于i e e e 8 0 2 1 l 设备已经得到了广泛应用，这样就便于w m n 利用现成的方 案来进行快速部署。但是，在利用现有方案进行w m n 部署时，m e s h 路由器和m e s h 终端必须根据现有硬件的限制条件来对方案进行调整。 无线m e s h 网络是一种可以提供无所不在带宽服务的低功耗、廉价的解决方案。 为了提供统一数据速率的覆盖，最直接的解决方案就是在服务区域内密集地部署 基站( b s ) 或接入点( a p ) 。传统宽带蜂窝网络和热点网络的b s 都通过有线方式 连接到互联网。很明显，这样的网络结构由于布线工程难度太大和成本太高而在 灵活性上存在很大缺陷。目前，m e s h 网络已经成为了部署无线带宽网络的理想选 择。在w m n 中，只有中心网关通过有线方式直接连接到互联网，所有的b s 都通过 无线链路进行互连。由于采用了低功耗的多跳通信方式，因此网络的覆盖范围就 可以得到显著扩展。另外，部署m e s h 网络也更加容易，因为布线工程的工作量大 大减少了。 接下来，我们将详细介绍几种主要的w m n 架构。 2 2 1 无线骨干m e s h 网络 图2 2 给出了无线骨干m e s h 网络的示意图。在该图中，每个基站也可以作为一 个无线中继站来将相邻b s 的流量转发到网关，这样的无线多跳骨干网络为w m n 和 现有无线通信系统之间的集成提供了灵活性。基站可以同时集成2 g 3 g w l a n 4 g 无线接入技术，以提供话音和高速率数据业务，而且可以在骨干网络中灵活部署 各种宽带无线技术。 骨干w m n 具有逐步部署的优点【9 1 ，如果需要，在w m n 中可以直接将多个基站 通过有线方式连接到互联网，从而形成更多的网关。在w m n 中部署更多的网关， 不仅可以提高网络的容量，还可以提高网络的可靠性。换句话说，如果某个网关 出现故障，该网关的数据转发任务可以由其他路由和网关代替它来完成。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 图2 2 无线骨干网络 2 2 2 拥有终端用户的无线骨干m e s h 网络 图2 3 给出了拥有终端用户的无线骨干m e s h 网络示意图。在该图中，基站和终 端用户都可以作为无线中继站来转发相邻节点的数据流量。也就是说，终端用户 也具有路由和自组织功能。具有终端用户结构的w m n 可以提高基站的覆盖范围和 网络的连接性能，这样就可以减少所需的基站数量，从而降低网络的成本。值得 注意的是，终端用户w m n 中的移动性仍然是一个具有挑战性的问题，因为网络拓 扑和连接性会随着用户的移动而不断变化。终端用户w m n 中的移动性要素包括无 缝切换、快速路由 图2 3 拥有终端用户的无线骨干m e s h 网络 2 2 3 基于中继的无线m e s h 网络 图2 4 给出了基于中继的无线m e s h 网络示意图。在该w m n 中，中继站相当于 8 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 一个轻量级b s a p ，为中继路由提供了一种廉价的设计方案。中继系统既可以采用 放大一转发方案，也可以采用译码一转发方案。在放大一转发方案中，中继站相当于 一个简单的模拟转发器，因此会放大其自身的噪声水平。通常，w m n 中的中继站 工作在译码一转发模式。中继站可以是数字转发、网桥或路由器，这些设备可以对 接收到信息进行完整编码和译码。 j ，一、无线量千罔络 图2 4 基于中继的无线m e s h 网络 部署中继站的目的是为了扩展网络的覆盖范围，从而提高用户终端的吞吐性 能。如果中继站的密度过高，那么所有的用户都可以再很短的距离内由最近的中 继站提供服务，这样就可以提高中继站和用户终端之间的链路容量，从而可以以 更加经济的方式实现无线网络的强健性和高数据速率。 2 3 无线m e s h 网络的跨层设计 传统网络协议层需要彼此透明，以保持各层协议设计的独立性，也简化网络 协议开发和实现的难度。然而在无线网络中，无线通信环境的不确定因素，导致 无线通信容量和误比特率等的时变特性，传统分层设计方法无法保证网络的最佳 资源利用率和用户业务的q o s 需求。为了改善无线网络的性能，m a c 、路由协议 和传输协议，甚至应用层必须与其下各层进行有效的信息交互，以适应其下层特 性的变化，于是网络协议跨层设计的思想应运而生。 2 3 1 跨层设计的必要性 无线信道的动态特性 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 无线信道的物理特性( 信道传播的开放性和信道参量变化的时变性等) ，使 无线信道成为一种非常不稳定的媒介。无线信道的这种动态特性增加了无线通信 网络设计的难度，而且人们为了保证可用性，往往只按照信道性能最差的情况和 系统最低要求进行保守设计，这在信道质量较好的情况下会造成频谱、功率等资 源的浪引1 0 】。 传统通信系统分层参考模型的弊端 传统的无线通信系统设计沿用严格分层的o s i 参考模型，单独对各层进行设计 和优化，这种模块化的设计方法简化了整体网络设计的复杂性，而且满足了软件 设计的信息隐藏原则，因而得到了广泛应用。 遵循o s i 设计理念必然摒弃协议之间跨层交互，不过不同协议层中存在一定的 信息冗余1 1 1 。例如，物理层和m a c 层对信道估计、同步信息、误码率以及信号强 度等信息的处理结果，可以应用到发送端到接收端的距离估计中来；另一方面， 节点位置和网络拓扑信息也可以被其他协议层充分利用，如信道估计、功率控制、 移动性能管理等。传统o s i 严格分层的参考模型不能对无线网络资源进行整体管 理，也使得网络性能不能得到整体优化。 2 3 2 跨层设计的基本要求 物理层设计对跨层设计的要求 对于跨层设计来说，物理层主要的角色是向数据链路层( 特别是m a c 子层) 、 i p 协议( 路由协议) 、传输控制协议( t c p u d p 等) 等提供本层的状态参数，如 信噪比( s n r ) 、误码率( b e r ) 和数据传输速率等，作为其他协议层优化设计的 依据。 而对于物理层本身的设计，跨层设计方法主要体现在按照m a c 协议、路由协 议、t c p 协议和应用层业务的q o s 需求实施功率控制( 提高或降低发送功率) 和自 适应调制解调控制( 选择自适应调制器中星座参数等) 。例如，在无线环境下， 路径衰耗、多径、共道干扰、节点移动等均会导致接收器信噪比的变化，从而导 致误码率的变化。信噪比越低，解调器解码越困难。通常，较高的数据传输速率 对应着效率更高的编码方案和较高的b e r t l 2 】，所以需要在速率和误码率之间寻求 一种平衡。如果用户业务需要较高的q o s ，物理层就可以在s n r 满足b e r 要求时， 选择较高传输速率的调制方案。 链路m a c 协议设计对跨层设计的要求 分为两个方面考虑：链路m a c 层状态信息的共享和m a c 协议自身的跨层设 计。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 链路m a c 层向其他协议层提供的状态信息，主要包括前向纠错( f e c ) 方案 信息、媒介空闲忙信息等，以及剩余带宽信息等。 随着多媒体业务q o s 保证机制的提出，对于m a c 层，需要区分接入业务的类 型，需要采取优先级或者预留信道资源的调度机制，这种机制必须要依据其上协 议层的业务建模信息，以及物理层的信道信息等。同时为了达到跨层设计的目的， m a c 协议层有可能还需要向物理层发出速率选择指令或功率控制指令。 路由协议设计对跨层设计的要求 研究表明，采用传统的最短路径准则设计无线多跳网络的路由协议，不足以 构造出一个良好的路由，即传输延时、吞吐量和可靠性等性能不能达到理想的指 标【1 3 1 。原因在于最短路径准则没有考虑到其下物理信道特征的变化对m a c 层接入 性能的影响等因素，造成所选路径无法适应底层性能的变化，也可能造成传输层 性能的较大波动。此外，就无线信道的特点而言，即使信道环境在通信期间没有 产生变化，最短路径也未必意味着就是最优路径。在同样的误码率( b e r ) 条件 下，传输距离越长，所支持的数据传输速率就越低，也就意味着长距离的最短路 径比短距离的非最短路径的传输速率或者吞吐量低【1 2 】。对于w m n 来说，其主要业 务是因特网业务，吞吐量是衡量其q o s 的一个重要指标，因此，需要设计一种新的 能满足网络业务q o s 需求的路由准则，准则中要能体现网络剩余带宽、b e r 、丢包 率、分组延时等参数，这就必须要采用跨层设计的方法。 从跨层设计的角度看，有必要考虑层与层之间的依赖关系，加强层与层之间 的信息交互和共享，从而使网络性能得到整体优化。 2 3 3 跨层设计原则与方法 跨层设计属于一种自适应技术，它可以根据无线通信环境的动态变化在各通 信层快速地选择最优的参数、算法和策略，以充分利用网络资源，达到系统总吞 吐量最大化、总传输功率最小化、q o s 最优化等目的。 跨层设计要求打破原o s i 参考模型中严格分层的束缚，在层与层之间进行信息 传递和共享，针对各层相关模块协议的不同状态和要求，在一个整体框架内，利 用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行整体优化。值得一提的是，文 献【1 4 】比较全面地阐述了跨层设计的基本思想与原则，指出跨层设计就是充分合理 利用现有网络资源( 包括码字、传输功率、信道、调制方式、天线分集、调度策 略、路由等) ，达到系统总吞吐量最大化、总传输功率最小化、q o s 最优化等最终 目的，其制约瓶颈在于系统所允许的最大传输功率、晟大延迟等，并提出t 4 种有 效的设计方法。 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 分析法( a n a l y s i s ) ：通过l a g r a n g e 乘法、凸集优化等方法把问题近似、简 化处理，得到简洁的分析结果或快速收敛算法等。其优点在于，通过简易的数学 方法便可得到最佳方案，劣势在于性能受近似、简化处理程度的影响较大。 最优控制法( o p t i m a lc o n t r 0 1 ) ：通过最优控制，可以将无线通信系统跨层 优化问题转化为约束优化类问题，如非线性规划、整型规划等。改方法可以快速 实现，且接近其实现情况，但复杂性较高。 博弈论法( g a m et h e o r y ) ：在多用户通信系统中，单个用户并不了解其他 用户的状态，因此无法协同共享网络资源，仅以分布式方式从自身利益最大化的 角度出发竞争网络资源，以提高自身性能。因此，可利用纳什均衡理论( n a s h e q u i l i b r i u m ) 来解决满足单个用户性能需求与提升系统整体性能两者间的矛盾，达 到网络资源利用效率最大化的目的。 动态规划法( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) ：由于无线通信的时变性，可通过动 态规划实时地选择最优化策略，如通过实时获取业务队列状态信息来动态调整调 度策略，期望在充分照顾各业务队列的公平性的基础上，尽可能地提升系统整体 性能。如此可能将导致以下结果：在某一时刻( 或某段时间内) ，牺牲了单个用 户的个体利益( 如暂时不能保证其q o s 等) ，但提高了系统的整体性能，而且，该 用户的暂时损失可能将会在将来某个时间得到系统的补偿。由于以上理论的研究 处于起步阶段，仍需不断完善。 一般来说，跨层设计可以通过两种方法来实现【1 5 1 。第一种方法，在对某一协 议层进行优化时，不仅考虑本层的相关参数，同时也把其他协议层的相关参数考 虑进来。例如，网络层可以把物理层的信道质量参数作为路由选择的一个判据， 从而优化路由算法；同时，网络层也可以把传输层的链路拥塞信息作为其路由算 法中的另一个重要判据，从而有效控制链路拥塞，优化网络性能。第二种方法， 把依赖关系密切的两个或多个协议层合并为一体。例如，在对w m n 进行跨层优化 设计时，为充分利用m a c 层和网络层的交互信息，可把m a c 协议和路由协议合并 到一个协议中进行设计。如图2 5 所示为跨层设计理论模型【1 6 】。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 2 3 4 跨层信息交互 设计 图2 5 跨层设计理论模型 物理层与其上协议层的交互 物理层采用的发射方式( 主要参数有传输功率、调制与编码、天线波束参数 等) 不同，对接收器能否对信号成功接收产生影响，从而影响链路层的无线信道 接入问题。另一方面，若在链路层进行功率控制，可以降低满足速率和误码率要 求时的传输功率，减少邻节点问的干扰；通过增加传输功率来对抗多径衰落引起 的信道变化，降低物理层的误码率。同样，也可以在链路层采用更强的差错控制 机制来降低误码率。 信道质量、网络拓扑等变化都会限制路由选择。特别是在w m n 中，从源节点 到目的节点往往存在多条路由，如果能够根据物理层的信道质量信息，自适应地 选择或改变传输路由，使用信道质量最佳的路由，将有效提高网络性能。另一方 面，在无线通信环境中，小功率、多跳、近距离传输可能比大功率、单跳、远距 离传输效果更优。因此，网络层不同的路由选择将涉及到不同链路的物理层的调 制方式选择、功率控制等。 此外，造成传输层丢包的原因大致可以分为链路拥塞和非链路拥塞两种。非 链路拥塞造成丢包的原因之一在于误码率过大。如果在传输层能感知物理层的误 码率，就可以在传输层采用适当的拥塞控制机制。 链路层与其上协议层的交互 链路层的传送调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，从而可能导致网络 层路由性能的恶化。如果网络层能感知链路层性能的变化，就可以以自适应的方 式改变路由，改善网络性能。同样对于传输层也是如此，传输层性能也可以通过 与链路层的交互得以改善。 罂!副载! 重庆邮电大学硕士论文第二章无线m e s h 网络架构和跨层设计要点 此外，链路层可以通过满足应用层不同业务对q o s 相关参数的不同需求，对业 务队列进行相应的调度、处理。例如，对于时延敏感的业务，其业务队列将被赋 予较高的优先级，从而得到优先调度处理；对于可靠性要求比较高( 如要求较低 的误码率等) 的业务，可以在f e c 、a r q 等方面得到处理，从而得到更强的纠错 编码和更多的重传次数。另一方面，应用层也可以利用链路层的相关信息来调整 自身的参数设置，如应用层可以通过链路层的吞吐量信息来调整其发送速率等。 网络层与其上协议层的交互 如果网络层把传输层的链路拥塞信息作为路由判据之一，则可以有效地对传 输层的链路拥塞进行调整。此外，网络层可以根据应用层不同业务的q o s 需求，选 择不同的基于不同q o s 准则的路由判据，以满足应用层的延时、时延抖动、吞吐量 以及丢包率等q o s 需求。 传输层与其上协议层的交互 根据传输层提供的丢包率及吞吐量等信息，应用层可以调整发送速率等。同 样，应用层也能够将业务的q o s 需求传递给传输层，传输层可据此选择适当的传输 协议，并调整相关参数等。 本文主要是主要设计的是一种在计算路由时充分考虑媒体接入控制( m a c ) 层性能和物理层性能的路由协议。w m n 的路由协议的跨层设计有时候又称为路由 协议自适应设计。在无线网络中，传输媒介时变和干