[硕士论文精品]异构无线mesh网络媒体接入控制策略的研究

摘要摘要无线网络的出现使用户脱离了有线网络的束缚，享受更加便捷的网络服务。传统的无线局域网覆盖范围非常小，部署成本颇高。为克服如上缺点，基于IEEE8021L的无线MESH网络的概念于近年提出，并已应用在医院、矿井、公共安全等领域。随着各种通信技术的发展及硬件成本的降低，各种无线通信技术应运而生，如IEEE80216WI眦、IEEE802153UWB、3G等。基于80211的同构无线MESH网络逐渐发展为具有高融合性、高鲁棒性、高带宽的异构无线MESH网络。一个地域由若干种无线接入网络覆盖，它们之间采用MESH的结构相互连接起来，组成一个异构的无线MESH网络。当无线终端接入设备具有多个射频，且每个射频支持不同的网络接入技术时，移动用户便可以选择当时最适合使用的接入技术连接到异构无线网络。在异构无线MESH网络环境下，配置多种射频的无线终端在网络中工作，此时，设备可选择多个射频同时接入多个网络，如何使同时工作的射频相互协作，提升设备与网络性能，获得更好QOS支持等，是一个热门研究点；另外，通过提升异构无线MESH网络中各同构子网的传输性能、公平性、网络效率将最终提高整体异构无线MESH网络的性能；最后，如何进一步融合各同构子网对路由度量的同一化提出了新的挑战，传统的路由度量无法适用于异构无线MESH网络环境。本文围绕着异构无线MESH网络的网络与射频协作问题、各同构子网性能优化、普适路由度量架构进行了深入的研究。通过对WIFI及WIMAX媒体访问控制协议的分析，提出了WIFI与WIMAX的紧耦合射频协作方案；研究并设计了WIMAX、UWBMESH子网调度算法及移动WIFIMESH网络公平性传输算法，从而提升了整体异构无线MESH网络的性能分析了路由度量应考虑的网络参数，提出并实现了异构无线MESH网络的路由度量架构。总之，从单跳数据传输，到多跳路由构建，为异构无线MESH网络设计了一系列全新解决方案。首先，针对异构无线MESH网络中的射频协作问题，本文理论证实了WIMAX射频与WIFI射频同时工作的可行性，分析了WIFIDCF工作机制的低效性，及WIMAXMESH的带宽请求机制，提出了一种WIFI与WIMAX射频的紧耦合协作方案。该方案在WIMAXMAC与WIFIMAC实体间设置WFWWIFORWIFI模块，通过改进的DSCH消息，令WIMAX射频实现WIFI射频的带宽请求授予确认过程，避免了WIFI控制信令RTSCTS及ACK交互的开销。通过该方案，WIFIMESH网络工作效率可达理论最大值100，网摘要络吞吐率可达理论最大值如1MBPS；WIMAXMESH网络性能无损。其次，通过研究WIMAXMESH子网的数据时槽的分配与调度方式、应用的服务级别区分，设计了一种基于QOS保障的吞吐率效率最优的分布式数据子帧调度算法；通过研究可变比特率流的特点，针对UWBMESH网络的时槽分配方式，提出了一种UWBMESH子网基于QOS的动态时槽分配与调整算法；通过理论分析移动WIFIMESH网络中数据流在竞争信道时存在严重的不公平现象，提出了一种数据包大小自适应调节算法来提高移动MESH网络中通信对端信道竞争的公平性，进而保证每条数据流相对较高的平均吞吐率。通过对各异构子网传输性能、公平性、网络效率的提高最终提升整体异构无线MESH网络的性能。最后，为验证各同构子网的性能，且将异构无线MESH网络进一步融合，异构无线MESH网络的路由度量需考虑的两类网络参数节点质量与链路质量。另外，该路由度量应能够描述不同MESH子网节点的异质性。针对如上特点设计了应用于异构无线MESH网络的路由度量架构，且实现了基于该架构的一种路由度量。该度量可应用于各种子网，使得各予网的网络容量得以提升，从而提升了整个异构无线网络的网络容量。关键词异构无线MESH网络射频协作调度算法公平性吞吐率网络效率服务质量保障ABSTRACTOURLIFEHASBEENCHANGEDBYTHEDEVELOPINGTECHNOLOGYOFWIRELESSCOMMUNICATIONNOW，WECANENJOYVERYCONVENIENTNETWORKSERVICESTHECOVERAGERANGEOFCONVENTIONALWIRELESSLOCALAREANETWORKWLANISVERYSMALL，SOITISEXPENSIVETOBUILDMULTIPLEWLANSTOCOVERALARGEAREAINORDERTOOVERCOMETHEDISADVANTAGESABOVE，ANEWKINDOFWIRELESSNETWORK，WIRELESSMESHNETWORKISDEPLOYEDRECENTLY，ANDHASBEENWIDELYUSEDINMEDICALCARESYSTEM，OILANDCOALINDUSTRY，PUBLICSAFETYANDSOONNOW，SEVERALKINDSOFWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGIESAPPEARALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFTECHNOLOGYANDTHEREDUCINGOFCOSTOFHARDWARESUCHASIEEE80216WIM久X，IEEE802153CTJWB，3GANDSOONGRADUALLV。THECONVENTIONALWIRELESSMESHNETWORKWMNBASEDONIEEE80211HASTURNEDINTOANEWFORMHETEROGENEOUSWIRELESSMESHNETWORK，WHICHISMORECOMPATIBLE，ROBUSTANDWITHHIGHPERFORMANCEINSUCHANETWORK，ANAREAWOULDBECOVEREDBYSEVERALKINDSOFDIFFERENTWIRELESSNETWORKS、；VLLENTERMINALSHAVEBEENEQUIPPEDWITHMULTIPLERADIOS，EACHOFWHICHADOPTSDIFFERENTWIRELESSTECHNOLOGY，CLIENTSCANCHOOSETHEBESTRADIOTOACCESSTHENETWORKTOENJOYNETWORKSERVICEINTHEHETEROGENEOUSWIRELESSMESHNETWORK，RADIOSOFONETERMINALCANACCESSNETWORKSIMULTANEOUSLYWHENTHEYDONOTINTERFEREWITHEACHOTHERHOWTOMAKETHECOEXISTENTRADIOSCOOPERATEWITHEACHOTHER，TOPROMOTETHEPERFORMANCEOFDEVICEANDNETWORK,ISAPOPULARRESEARCHAREAANOTHERRESEARCHFIELDISHOWTOIMPLROVETHETRANSMISSIONPERFORMANCE，FAIRNESS，NETWORKEFFICIENCYOFEACHSUBNET，TOFINALLYPROMOTETHECAPABILITYOFTHEWHOLEHETEROGENEOUSWIRELESSMESHNETWORKFURTHEMORETHETRADITIONALROUTINGMETRICISNOTSUITABLEFORHETEROGENEOUSWMN，SOITISACHALLENGETOPROPOSEAUNIFIEDROUTINGMETRICFOREACHSUBNETTOACCELERATEMERGINGOFHETEROGENEOUSWMNAIMINGATPROMOTINGTHEPERFORMAEEOFTHEWHOLEHETEROGENEOUSWMN，WEFOCUSONTHEFOLLOWINGTHREEISSUESNETWORKANDRADIOCOOPERATION，PERFORMANCEOPTIMIZATIONOFSUBNETS，UNIFIEDROUTINGMETRICWEPROPOSEATIGHTCOOPERATIONSCHEMEFORWIFIANDWIMAXRADIOS，BYMODIFY访GTHEMACLAYERPROTOCOLSOFWIFIANDWIMAXWEINVESTIGATESCHEDULINGALGORITHMFORWIMAXANDUWBMESHSUBNETASWELLASFAIRNESSTRANSMISSIONALGORITHMFORMOBILEWIFIMESHMABSTRACTSUBNET，TOIMPROVENETWORKPERFORMANCESEPARATELYBYANALYZINGNETWORKPARAMETERSWHICHSHOULDBETAKENINTOACCOUNTBYROUTINGMETRIC，WEPROPOSEANDIMPLEMENTAFRAMEWORKOFROUTINGMETRICFORHETEROGENEOUSWMNINAWORD，WEDESIGNANOVELSOLUTIONFORHETEROGENEOUSWMNFROMSINGLEHOPTRANSMISSIONTOMULTIHOPROUTINGFIRSTOFA11INORDERTOREALIZETHECOOPERATIONOFRADIOANDNETWORK，WEINVESTIGATETHEAVAILABILITYOFCOEXISTENCEOFWIFIANDWIMAXRADIOS，ANDANALYZETHEREASONOFLOWEFFICIENCYOFWIFIDCFSCHEME，THENBASEDONTHEBANDWIDTHREQUESTINGSCHEMEOFWIMAXMESH，WEPROPOSEATIGHTCOOPERATIONSCHEMEOFWIMAXANDWIFIRADIOS、肝WWIMAXFORWIFIMODULEISPLANTEDBETWEENTHEENTITITESOFWIMAXMACANDWIFIMACLAYERBYMODIFIEDDSCHMESSAGE，WIMAXRADIOHELPSWIFIACCOMPLISHINGBANDWIDTHREQUESTGRANTCONFIRMPROCEDURE，TOAVOIDTHEOVERHCADOFINTERACTIONBETWEENWIFICONTROLMESSAGESRTSCTSANDACKBYTHISSCHEME，THEEFFICIENCYANDTHROUGHPUTOFWIFIMESHCANREACHTHEMAXIMUMVALUEOFTHEORY，100AND1MBPS，ANDWITHOUTAFFECTINGTHEPERFORMANCEOFWIMAXMESHSECONDLY，BYINVESTIGATESERVICEDIFFERENTIATIONANDTHEMANNEROFALLOCATIONANDSCHEDULINGOFDATASLOTSINWIMAXMESHNETWORK，WEDESIGNAQOSBASEDTHROUGHPUTEFFICIENCYOPTIMIZATIONDISTRIBUTEDDATASUBFRAMESCHEDULINGALGORITHMACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFVBRFLOWANDTHEMANNEROFDATASLOTALLOCATIONINUWBMESHNETWORK，WEPROPOSEADYNAMICALLOCATINGANDADJUSTINGSCHEME，WHICHALSOCONSIDERSQOSGUARANTEEBYTHEORETICALLYANALYZINGTHEUNFAIRNESSPHENOMENONWHENFLOWSCONTENDINGFORWIRELESSMEDIAINMOBILEWIFIMESHNETWORK，WEPROPOSEADYNAMICPACKETSIZEADJUSTINGSCHEMETOPROMOTETHEFAIRNESSINMOBILEMESHNETWORK，ANDALSOMAINTAINAHIGHLEVELTHROUGHPUTOFEACHDATAFLOWTHEPERFORMANCEOFTHEWHOLEHETEROGENEOUSWMNISFINALLYIMPROVEDTHROUGHTHEPROMOTIONOFEACHSUBNETSTRANSMISSIONPERFORMANCE，FAIRNESSANDNETWORKEFFICIENCYFINALLY，INORDERTOFACILITATETHEMERGINGOFEACHSUBNET,THEROUTINGMETRICOFHETEROGENEOUSWIVINNEEDSTOCONSIDERTWOPARAMETERSNODEQUALITYANDLINKQUALITYFURTHERMORE，ITISALSOREQUIREDTHATTHEROUTINGMETRICCANDEPICTTHEHETEROGENEITYOFNODESINEACHSUBNETSACCORDINGTOTHEABOVEREQUIREMENT，WEPROPOSEAFRAMEWORKOFROUTINGMETRICFORHETEROGENEOUSWMN，ANDREALIZEAPROTOTYPEBLETXITSPROVEDTHATBLETXISSUITABLEFOREACHSUBNET，ANDWITHIVABSTRACTGOODPERFORMANCEKEYWORDSHETEROGENEOUSWIRELESSMESHNETWORK,RADIOCOOPERATION，SCHEDULINGALGORITHM，FAIRNESS，THROUGHPUT，NETWORKEFFICIENCY，QUALITYOFSEVICEV图表目录圈11图12图13图14图15图16图17图18图19图110图11L图112图21图22图23图24图25图26图27图28图31图32图33图34图35图36图37图38图39图41图42图表目录无线局域网结构示意图2ADHOE网络结构示意图2无线MESH网络结构示意图。3异构无线MESH网络结构示意图48021LMESH网络结构图5RTSCTS工作过程6DCF机制回退过程7WIMAXMESH网络结构图7W订脚MESH帧结构8UWBMESH网络结构图9UWBMESH网络帧结构示意图9论文组织结构图22WIMAXMESH的帧格式。27WIMAXMESH分布式调度机制的三步握手过程27DCF工作机制示意图28WIMAXMAC为WIFIMAC做带宽请求的时间序列32WIMAXDSCH三步握手的MAC层实现。34WIFI与WIMAX射频紧耦合协作方案系统设计35单跳场景下非协作方案与协作方案的性能对比图39随机场景下非协作方案与协作方案的性能对比图39车载网络示意图42移动MESH网络中的信道竞争示意图43双向路上道路两侧的数据流竞争示意43竞争窗口取值45PACKET从500到100以5BYTES渐变的节选效果图47RTSCTS帧格式49SRTSSCTS帧格式图49以信号冲突的方式探知相遇后的工作过程50根据收到其它节点的信号探知相遇后的工作过程51WIMAXMESH中三步握手机制模型54WIMAXMESH数据子帧调度模型54XI图表目录图43数据子帧调度中的不公平性55图44分布式调度算法引发低吞吐率的情况56图45当网络繁忙时，提高服务质量的算法58图46调度表示意图60图47超级帧示意图，61图4，8QOSTEOS机制的工作过程62图49RSS的模拟实验结果66图410RPL的模拟实验结果66图4，11THROUGHPUT的模拟实验结果67图412EFFICIENCY的模拟实验结果67图51UWB的超级帧结构71图52IEEE802153的帧头部格式73图53修改后的IEEE802153的帧头部格式73圈54针对动态CTA调整算法的超级帧格式73图55C1A分配的一个实例75图56一个VBR流的低效时槽利用的例子76图57IEEE802153帧控制域格式76图58QTSRA算法与随机算法的性能比较77图59FDTSA与算法L、2的实验结果比较。78图61ETT度量的不足82图62TBT的含义GAP可以是DIFS或EIFS。83图63AODV无线MESH网络的一种路由协议84图64路由度量性能对比86图71链路与其目的端点的映射89图72WIMAXMESH网络的模拟实验结果91圈7。3802。11MESH躅络的模拟实验结果粥表2，LWIMAXMESHMDSCH控制信令格式30表22WIFIMAC与W粼MAC问的信息共享35表3I模拟场景的参数设置43表3，2关于矿与PACKET的统计结果48表41模拟实验的参数设置65表51实验参数的相关设置77表61实验参数的相关设置85表71WIMAXMESH网络的参数配置92X图表目录表728021LMESH网络的参数配置93中国科学技术大学学位论文原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研究工作所取得的成果。除已特，LODLL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。作者签名秘签字日期中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。|仍公开口保密L年作者签名趁。翩签名垄丝签字日期逊。皱纠签字日期,O0峰烈第L章绪论第1章绪论近年，无线网络正以前所未有的发展速度融入我们的日常生活，最初的有线局域网发展为无线局域网，有线电话发展为无线电话与手机，设备间经由数据线传输文件发展为经由蓝牙技术传输，有线电视发展为无线电视、车载电视，我们的生活经历着翻天覆地的变化。随着无线通讯技术的发展，无线网络己不再局限于以8021L无线局域网技术为代表的网络形式，其逐渐发展为多个无线设备类聚，彼此互联通信的一种多跳网络形式，称为无线MESH网络。这种网络形式的出现进一步降低了无线网络的布设成本，且扩大了无线网络的覆盖范围，促进了无线网络的普及与推广。随着制造成本的下降及各种通信技术的成熟，多种射频设备随之出现，如WIMAX、UWB、8021LGN、3G等，用户设备常集成其中多种射频，如苹果公司推出的IPHONE手机集成了WIFI、GSM和3G射频，用户可分别或同时接入多个网络享受服务。覆盖网络也随之多样化，同一区域常有多种网络信号覆盖。以往单一的无线MESH网络逐步发展为一种融合多种无线传输技术的异构无线MESH网络。该种网络形式的出现旨在为用户提供更加便利且可靠的网络服务，使得用户在任意位置均可享受无线服务。异构无线MESH网络并不是各种网络的无机叠加，而是一种有机融合，这种融合将促进用户享受高效、高质且统一的服务。从网络协议层次来看，各同构MESH子网所不同的是媒体接入控制层及物理层，物理层属于各传输技术独有的特性，因此为提高异构无线MESH网络的网络性能、用户体验及网络融合性，本论文将针对异构无线MESH网络及其各MESH子网的媒体接入控制策略进行相关研究与分析。异构无线MESH网络己逐渐融入我们的日常生活，我们正在享受其带来的便捷与便利，其必将成为未来无线网络发展的趋势与形式，将广泛应用于包括军事、生活、医疗等各个领域。接下来，我们将对异构无线MESH网络的概念及体系结构、国内外的研究项目及研究现状等进行概述，提出我们的研究问题的目的与意义，并介绍本文的研究内容与组织结构。11论文研究背景111同构无线MESH网络的概念与体系结构在介绍异构无线MESH网络之前，首先介绍同构无线MESH网络的相关概念第1章绪论与体系结构。最初以802LL技术为支持的无线网络主要包括两种形式无线局域网及ADHOE网络。无线局域网主要面向用户接入，为用户提供无线网络服务。其网络结构如图11所示，该网络由一个无线接八点及多个用户组成，用户直接与无线接八点通信进行数据传输接八点通过有线连接至因特网。由于受传输距离、传输功率、障碍物等影响，这种网络形式常用于办公室、家庭、会议室或较为开阔的场地等网络接八。由于覆盖范围相对较小，为覆盖一定而积的区域，常需要多个无线接入点，且每个接入点均需连接至有线网络，其造价相对昂贵，且需要较多的有线基础设施支持。ILTERNET圈12ADHOC网络结构示意图限于无线局域网覆盖范围小且措建成本高，且ADHOE无法提供网络服务第1章绪论一种新的网络形式无线MESH网络JUNETAL，2003；AKYITDIZETAL，2005；CHERTDAL，2006；LIESENAL，2006随之出现其网络结构与ADHOC网络较为相似，但功能上主要面向用户接入，为用户提供文件共享、音视频文件下载等相关网络服务，将ADHOC的军事化转为民用化其网络结构如蹦I3所示。无线MESH网络主要由三部分实体构成MESH网关、无线路由器和用户。无线路由器组成无线网络主干，无线路由器问通过通过无线信号相互通信。一些无线路由器连接至因特网，称为MESH网关。用户连接至附近的某个无线路由器，当向因特网发送数据时，其数据传输通过多跳路由到达MESH网关，最后进入因特网反之因特网数据首先路由至MESH网络经过多跳无线传输到达用户。无线MESH网络的优点在于L、多跳传输特性扩大了其无线信号覆盖范围；2、措建方便基础设施支持相对较少；3、主干路由器位置相对固定，因此可采用优化的路由及MAC层算法提升网络性能4、用户可作为路由节点为其他用户进彳亍数据中继传输，且添加无线路由器极为方便，网络扩展性强。当某无线MESH网络中所有节点采用相同的传输技术时，我们称其为同构无线MESH网络如8021LMESH网络、WIMAXMESH刚络或LIWBMESH网络等。目前无线MESH网络己广泛应用于医疗、公共安全、用户网络接入等领域。，焱图I3无线M劬网络结构示意图2异构无线MESH网络的概念与体系结构随着各种无线传输技术的发展及硬件制作成本的降低生话中出现了多种无线传输射频设备，如WIFI、WIMAX、UWB、蓝牙、GSM、WCDMA、TDSCDMA等。目前很多用户设备亦集成了如上射频中的多种射频，例如新近推出的上网匆匆毒匆第1章绪论本集成了WIFI、蓝牙、WIMAX回卡某些智能手机集成了GSM和蓝牙射频，如多普选7LO手机；苹果公司出品的IPHONC3GS集成了GSM、WCDMA和WIFI射频。多种传输技术的出现及多模射频设备的普及使得目前网络形式多神多样，同一地理区域常由多种无线同络覆盏，用户可选择某个或多个阿结接A以获得网络服务。以往由单个同构无线MESH网络覆盖的区域已由多种同构无线MESH网络共同覆盖，各同构无线MESH网络的主干路由器常可其享同一物理设备，即在同一个无线路由器上集成多个无线射频，各种无线MESH网络已有机的融台在一起，不是单纯物理信号的叠加，我们称由多种同构无线MESH网络有机融合组成的网络为异构无线MESH阿络DAPENGETAT，2007；HOSSAIN，2008；HAIPINGETAL，2008；NGUYCNETAL，2008，其结构如图14所示。异构无线MESH网络由四部分实体组成；边界网荚、网间网关、无线路由器及无线用户。无线路由器构成异构无线MESH网络的网络主干；有些无线路由器整合多种射频，这种路由器用于有机连接两种或多种同构MESH网络，是网间网关；有些无线路由器连接至因特网，是边界两关；用户连接至附近的某个无线路由器获得无线网络服务，其信息传输可能经过一个或多个同构无线MESH子网到达边界网络进入因特网，反之由因特嘲经过一个或多个同构MESH子网到达用户。异构无线MESH网络有如下优点I、用户选择多样化，可选择多种网络获得服务，提高用户的服务满意度；2、多种同构子嘲同时存在提高第1章绪论了异构网络的鲁棒性与可靠性；3、子网问的有机结合提高了网络的总体性能与网络容量；4、网络覆盖范围获得进一步扩大；5、多种同构网络相结合可为地区网络覆盖提供多样化的部署方案。基于上述优点，异构无线MESH网络已成为未来无线网络发展的必然趋势。3典型同构MESH子网介绍，一矿望。，一_赠矿、。，。璀蕊慧。怠一蕊一进4晟初802LLMESH采用IEEE8021LIEEESTD802111M，1999标准作为其媒体接入控制协议，后期出现了修订协议IEEE80211SIEEE802LLS，2006，本文主要针对802LL协议。802IL标准为媒体接八控制层制定了两种工作机制；点协调机制P晒TPOINTCOORDINATIONFUNCTION与分布式协调机制DCFDISTRIBUTEDCOORDINATIONFUNCTION。PCF是搭建无线局域网时采用的主要工作机制，搭建802LLMESH网络常采用DCF工作机制。DCF机制中，节点通过信第1章绪论道竞争的方式获取无线媒体资源，采用的主要协议为CSMACA，为减少数据传输冲突及隐藏节点、暴露节点FULLMERETA1，1997；SEKIDOETA1，2005；GOSSAINETA1，2006问题，引入RTSCTS机制。网络中邻居节点通信前采用该机制进行传输协商，其工作过程如图16所示。源节点侦听到网络空闲一个DIFS时间间隔后，发送RTS控制信令，通过该控制信令通知目的节点及邻居节点，其欲发送数据及预期占用的网络时间；目的节点收到RTS正确解码后，返回CTS控制信令，该信令通知源节点及所有邻居源节点可以从下一时刻开始传输数据且更正源节点将占用的网络时间；而后源节点发送数据直到传输结束；目的节点返回确认ACK，表示此次传输成功。通过上述过程网络中的节点对可实现无冲突的数据传输过程。糖PB同一SIFSIKSIFSL一AAUORTCTDIFS|锚N鼬的N蝴峥叩IINAVFRTSNAVLCTSRDEFERAOCENBACKOFFAFTERDEFER图16RTSCTS工作过程若RTS传输发生冲突或当节点侦听网络空闲一个DIFS后，侦听到网络中其他节点发起数据传输过程，则节点进入回退过程，以避免冲突的再次发生，从而提高网络传输效率，其工作过程如图17所示。网络中的节点在其回退窗口最大值中随机选取一个数值初始化回退窗口，当窗口值减小为0且网络中没有其他数据传输时，节点开始传输数据，其余节点暂停回退，待该节点传输完毕后，其他节点恢复回退过程，以此反复。回退过程的原理是当节点传输冲突时，可以判断网络中存在其他节点，因此应扩大回退窗口，以减小冲突概率，当再次发生冲突时，说明周围节点的数目超出了上次的估计，因此应继续增大回退窗口最大值，直到冲突不再发生或窗口最大值达到上限为止，以此过程反映与节点自身存在竞争关系的邻居的多少，侧面反映了网络拓扑情况。6第1章绪论上兰五五二L哗鬲高F一【掣圈17DCF机制回退过程_HHA通过上述传输过程，802LLMESH网络实现了效率相对较高的数据通信过程，然而由于回退机制的相关问题，使得网络公平性相对降低，导致用户体验下降、网络容量降低，本论文将针对此现象加以分析，提出相应解决方案。2WIMAXMESH网络IEEE80216标准IEEESTD80216TM2004制订了两种媒体接入控制层工作方式，点对多点PMPPOINTTOMULTIPOINT模式和MESH模式。PH佃模式主要用于搭建类似80211无线局域网的WIMAX局域网，此模式中WIMAX基站作为无线接入点，用户通过单跳无线连接至基站以获得相关网络服务。在此我们着重描述WIMAXMESH网络，其网络结构如图18所示。网络中一般存在至少一个WIMAX基站节点称为MBSMESHBASESTATION，多个WIIVLAX无线用户及WIMAX子站，统称为WIMAX网络节点MSSMESHSUBSTATION。MBS一般作为网关连接至有线网络用户通过多跳数据传输与因特网发生数据交互。INTEMET图18WIMAXMESH网络结构圈WIMAXMESH网络的媒体接入控制层有两种调度模式T中心式调度模式和一、1一、1，、，、，一钉絮寸哂一1F焦一8第L章绪论分布式调度模式。中心式调度模式中MBS是网络中的中心节点，所有其他节点的数据传输需由MBS统一调度，包括带宽协商及带宽授予。中心式调度的一般工作过程是将MESH网络构建为一颗以MBS为根的路由树，MBS从树叶至根的方向收集节点带宽请求，将带宽授予由根向树叶方向扩散，以此实现数据的无冲突的高效传输。分布式调度模式中，MBS与MSS节点属对等关系，网络中不存在中心节点，网络中任意两个邻居节点包括MBS通信前，均进行带宽的协商过程，此过程保证其在未来的数据传输中避免冲突及干扰。TIME一堡堕2坚2垫堕坚垒墅型望坐竺垒鱼兰磐二二N酾硼N酾网广1啊碉田既疆_6吲田丽百百呷L型IL12垡堡IL竺垒墨L睦竺兰塑L。巨竺璺兰丝I墨堂垫竺旦里塑婴垒罂曼旦墅竺翌一一，陬丽盯瓯面酮瓯豇甲町确1酮田骶吒_6研臣垒盟L巨竖1一垒坐璺I殴竺兰璺塑L巨竺兰丝I图19WIMAXMESH帧结构WIMAXMESH将网络时间划分为逻辑帧，每帧由控制子帧和数据子帧构成。数据子帧用于传输数据，控制子帧按照功能可划分为两类网络控制子帧和调度控制子帧，网络控制子帧用于传输网络加入控制消息NENT和网络配置控制消息NCFG，这两类消息用于完成新入网节点的信息获取与同步；调度控制子帧用于传输中心式调度消息CSCH、中心式配置消息CSCF及分布式调度消息DSCH，用于节点传输调度的相关协商，其协商结果反映为数据在数据子帧的传输过程。中心式调度主要利用CSCH与CSCF消息，分布式调度主要利用DSCH消息，NCFG和NENT为两者所共用。本论文主要研究分布式调度的相关算法优化，第4章将给出分布式调度的精确建模。3UWBMESH网络IEEE802153技术IEEESTD802153，2003一般用于组建个域网，通过UWB技术提供高达500MBPS的传输速率，可替代当前广泛使用的IEEE1394A、USB20等基于线缆的数据传输，在家庭中构建高速无线网络，该种网络通常称为微微网PICONET，本论文将其称为UWBMESH网络，其网络结构如图110所示。用户的设备自组织形成微微网，当某个设备作为微微网协调器PNCPICONETCONTROLLER发送信标BEACON时，便形成了一个UWBMESH网络。PNC是UWBMESH网络的协调控制节点，其通过BEACON实现整个网络的通信、服务质量保障、能量控制及设备网络接入等。设备发送数据前，首先向PNC发送带宽及服务质量请求，若PNC允许，则会为其分配相应的数据时槽及信道资源，第L章绪论且为其分配流标识等相关数据结构。通过PNC节点的统一协调，设备间及设备与PNC间可进行无冲突的数据传输。当PNC节点离开网络后，网络会自选举出其中一个设备作为PNC继续维持UWBMESH网络的正常工作。图110UWBMESH网络结构图UWBMESH网络将网络时间划分为逻辑超帧，超帧由四部分组成信标期BEACON、竞争接入期CAP及信道时间分配期CTAP。在CAP阶段，网络节点采用CSMACA方式进行数据传输；CTAP阶段可划分为管理信道时槽分配期MCTA和数据信道时槽分配期CTA，用户数据在CTA中进行传输，关于各个阶段的详细介绍将在第5章给出。SUPERFRAMECAPMCTALLMCIA21CTALLCTA2ILCTAN一1LCTAN卜一CSMACA一卜S1OTTED一TDMAAL0NA圈111UWBMESH网络帧结构示意图上述三种同构MESH子网具有代表性，80211MESH网络主要采用信道竞争方式获取传输资源，WIMAX及UWBMESH网络将网络划分为时槽，采用统一调度的模式协商数据传输；另外，三种网络覆盖范围有所不同，且分别针对不同的场景，WIMAXMESH主要面向城市网络覆盖，8021LMESH网络主要面向广场、办公室等网络覆盖，UWBMESH网络主要用于搭建个域网，因此可通过如上三种同构MESH子网提供丰富的地区无线网络覆盖方案。本论文的研究着重针对如上三种同构MESH子网，研究内容具有良好的扩展性，可应用于其他具有类似工作机制的无线MESH网络。9第1章绪论12异构无线MESH网络的研究现状121同异构无线MESH网络的研究项目作为无线网络的新兴发展形式，同异构无线MESH网络受到研究机构及相关公司的广泛重视，在此我们对具有代表性的研究项目加以总结与概述。AROMAAROMA是由西班牙的加泰罗尼亚理工大学、英国伦敦国王学院、意大利电信等相关机构组成的研究协会，该研究协会的主要工作是在基于IP协议的异构无线网络中设计与评估接入网与核心网的特定资源管理策略与算法，从而保障端到端的用户服务质量。尽管面向电信等网络服务供应商的应用需求，但AROMA并不仅将研究局限于HSDP刖HSUPA等的射频接入技术，他们相信未来的异构无线网络均会采用基于IP协议的相关协议栈架构，以此保障在不同的接入网中简化资源管理，且便于异构网络的相互协作。AROMA的最终目标是为未来的异构无线网络提供切实的资源管理解决方案，其异构无线网络将综合考虑2G25G3G例如GERAN、UTRAN，及35G网络例如HSDPA，且包括WLAN、WIMAX等相关网络技术。AROMA的目标验证方式有两种L、开发相关模拟工具对算法进行仿真验证；2、开发试验床对算法及相关技术进行实现，做进一步验证。AROMA的研究将对异构无线网络的普及产生深远影响，详述可参见AROMA，2007。INTELWIFIWIMAXHANDOFFPROJECT该项目是英特尔中国研究院WIMAX项目的一个子项目，其主要的研究内容是在WINDOWS平台上，提供WIFI射频与WI射频的实时切换方案。目前的上网本等设备已集成了多种网卡，如WIFI与WIMAX。为支持同一地区由多个网络所覆盖的异构无线网络形式，英特尔公司对两种网卡间的无缝切换进行了相关研究与算法实现。其主要工作包括如下几个方面1、设计WIFI与WIMAX射频无缝切换的系统架构，该架构主要包含用户操作界面、WINDOWS后台服务、虚拟媒体接入控制层、底层驱动；2、实现虚拟媒体接入控制层，其主要通过修改NDIS中间层驱动实现；3、搭建网络环境，实现WIFI与WIMAX的网络后台；4、测试FTP、在线视频等服务在射频切换时的工作性能。在其未来的研究中将集成网络选择算法，以进一步支持异构无线MESH网络的网络选择策略。COEXISTENCEOFRADIOSPROJECT10第1章绪论该项目是英国约克大学电子系无线网络实验室的一个科研项目，该项目主要研究射频间的共存问题，如何使各射频间更好的利用相同的频谱资源，以获得系统容量最大化且实现服务质量保障。项目以WIMAXIEEESTD80216A,2003作为研究基础，再逐渐增加更多的射频技术，将频谱资源视为一个统一的资源池，检查其共享的可能性。他们采用的技术主要包括游戏理论ROSSETA1，2008；AUMANNETA1，1987、共存规范COEXISTENCEETIQUETTESGRACEETA1。1996及带宽协商BANDWIDTHBROKERSOHMLETA1，2002等，在这些技术中，用户是频谱的拥有者，而不是操作者，以此理解各种解决方案带来的收益与损失，除采用游戏理论，还采用了排队论和集合论等相关分析技术。他们采用的实验方法是通过MATLAB、C语言和OPNET工具编程利用蒙特卡洛算法进行模拟实验。该射频共存项目为未来异构无线网络中各种射频技术的共存提供了技术支持，详述可参见LIKITTHANASATEETA1。2005。ROOFNETROOFNETDANIELETA1，2004是在美国麻省理工大学计算机科学与人工智能实验室搭建的一个基于IEEE8021LBG的无线MESH网络，为剑桥地区提供用户因特网无线宽带接入。目前该网络由近100个节点组成，其中大概20个节点为活动节点。利用该网络平台，AGUAYO等BICKETETAI，2005进行了如下的研究工作，包括对8021L链路质量的度量、在链路质量不佳的情况下寻找最高吞吐率的路由路径、动态数据比特率选择、利用射频独一性开发新协议等。为搭建ROOFNET，其研究人员开发了系列开源软件，可在NETGEARWGT634U无线路由器上安装运行。获得源代码及硬件资源后，即可方便的搭建一个类似ROOFNET的无线MESH网络，有利于其他学者的研究工作及80211MESH网络的普及。关于ROOFNET可详见ROOFNET,2004。HYACINTHHYACINTH是美国纽约州立大学石溪分校STONYBROOKUNIVERSITY的一个科研项目，它是一种基于IEEE8021L的多信道无线MESH网络结构HYACINTH，2005；ASHISHETA1，2004，这种结构下网络节点可以配置8021LABG或IEEE80216A射频。目前HYACINTH网络由LO个节点组成，每个MESH节点是由一个小型PC机ROUTERBROADRB230配备三个8021LA射频构成。ASHISH等人设计HYACINTH的研究内容主要是信道分配和数据包路由。当两个节点需要通信时，需分配它们以相同的信道，然而在同一个干扰域中分配过多相同射频信道，则每个射频的有效带宽将随之下降，HYACINTH的工作即是在维持网络连通性与增加累积带宽间寻找平衡；另外，路由策略决定了射频接口的负载，进而影响网络带宽需求及每个接口的信道分配。上述两个问题的解决将促进802“多信道MESH网第1章绪论络的性能提升与普及。详见HYACINTH，2005。MICROSOFTMESHPROJECT为便于将社区内各邻居家庭通过无线技术互联，微软、剑桥、硅谷等的研究人员共同研究了社区MESH网络。微软利用他们开发的MCL模块MESHCONNECTIVITYLAYER搭建了一个无线MESH网络，利用该网络研究ADHOE路由及链路质量度量。MCL实际上是一个可装载的WINDOWS驱动，是一块虚拟网卡，驱动层次位于链路层与网络层之间，对于上层软件，MCL可视为以太网链路，对于下层软件，MCL可视为运行在物理链路上的一个协议。MCL利用DSRJOHNSONETA1，2004的改进版本LQSRLINKQUALITYSOURCEROUTING建立路由路径。MCL的设计方式有几个优点L、高层软件运行于ADHOE网络之上，无须修改；2、路由可适应异构链路，如80211和8023；3、可支持其他ADHOE路由协议。其研究小组尚提供了一套关于无线MESH网络的研究工具集MESHNETWORKINGACADEMICRESOURCETOOLKIT。详见MICROSOFT，2005。WOMENPROJECTWOMEN项目全称为WIRELESS80216MULTIANTENNAMESHNETWORKS，是意大利一个为期两年的研究项目。WOMEN项目的目标是设计、搭建及测试一个移动的、自组织的无线MESH网络架构和相关协议，该网络需要支持以车速行驶的用户获得网络多媒体服务。WOMEN系统由三种无线节点组成MBSMESHBASESTATION、MRMESHROUTER和MCMESHCLIENT。WOMEN系统的核心是移动MESH路由器，该路由器采用多天线及多射频技术建立及管理一个自适应的、可扩展的、高容量的且易于搭建的移动无线骨干。MBS是配置多个80216天线的静止网络节点，提供网关或网桥功能。用户连接无线骨干获得网络多媒体服务，且获得高服务质量保障。关于该项目详见WO伍N，2005。122异构无线MESH网络的研究现状异构无线MESH网络由多个无线子网构成，用户接入网络后获得如下网络服务单跳射频传输、路由建立、各子网多跳数据传输。针对上述过程的媒体接入控制策略优化，可整体提高异构无线MESH网络容量及用户服务质量，本节将针对如上各方面内容的研究现状逐一加以概述。1多射频共存与协作异构无线MESH网络环境下，设备常配置多个射频，传输频率不相干扰的射频可同时工作。如何使同时工作的射频相互协作，提升设备与网络性能，获得更好QOS支持等，是多射频协作的主要研究内容。射频协作可分为松散耦合12第1章绪论方式与紧耦合方式。松散耦合方式一般采用通用MAC层机制实现，文献ADYAETA1，2004给出了关于通用MAC层的描述，在多个射频的不同MAC层上建立一个统一管理协议层，用于协调各射频工作，实现数据包转发对上层透明等。文献JINGZHUCTA1，2007提出的媒体独立共存服务层是一种松散耦合的协作模式，该服务层通过收集各射频的信息，制定相应的协作策略，完成对射频的控制。松散耦合模式假设射频间相互独立，在各射频的MAC层之上建立通用管理层，由于射频间协作的间接性、收集信息的准确性及时效性使得协作策略的制定存在准确性与效率性问题。相比于松散耦合模式，紧耦合模式在相应的射频MAC层间直接建立联系，使得协作策略的制定更加直接有效。新近提出的一些IEEE标准为射频协作提供了相应解决方案，如IEEE802152IEEESTD802152OM，2003阐述了IEEE802151无线个域网IEEESTD802151瑚。2002与IEEE8021LBIEEESTD8021L删，1999在非授权频带下共存与协作；IEEE802162IEEESTD802162蹦，2004为工作在1066GHZ的多点系统、点到点系统与工作在授权21IGHZ的固定宽带无线接入系统的共存与协作做了详细描述；IEEE8021LHIEEESTD8021LH刑。2003给出了关于工作在5GHZ的动态频率选择及传输功率控制的特殊需求等。除了上述标准，诸多文献均研究了相应的问题，如文献GOLMIEETA1，2003；NALLANATHANETA1，2006；CORDEIROETAI，2002；OPHIRETA1，2004；KAMERMAN，1999等讨论了WIFI与蓝牙的共存与协作问题AXELSIKORA等在文献SIKORAETA1，2005中讨论了UWB与24GHZ设备间的共存问题；MARKUSKONRAD等在文献KONRADET