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1、隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,各種各樣的無線技術(shù)層出不窮。WiFi、WiMax、UWB、Bluetooth、3G、4G等無線通信標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn),極大的改善了人們接入網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn),為用戶提供方便快捷的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù),讓用戶擺脫了網(wǎng)絡(luò)的束縛,真正做到隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)接入。然而,不管是以3G、4G為代表的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò),還是以802.11技術(shù)為代表的無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network,WLANs),主要都工作在基礎(chǔ)架構(gòu)模
2、式,即所有的無線終端通過訪問基站(Base Station,BS)或者網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point,AP)獲得網(wǎng)絡(luò)的單跳無線接入。單跳的無線接入一方面由于無線信號(hào)的傳輸距離有限,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍受限;另一方面,基站或者網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)需要通過有線網(wǎng)絡(luò)才能接入到Internet,因此網(wǎng)絡(luò)的部署嚴(yán)重依賴于有線網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施,成本高昂,不易擴(kuò)展。為了提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,降低網(wǎng)絡(luò)的部署成本,提供靈活的網(wǎng)絡(luò)配置,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wirele
3、ss Mesh Network,WMN)的概念被提出來。
WMN是一種多跳的無線網(wǎng)絡(luò),無線Mesh路由器通過構(gòu)建多跳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑,為終端提供Internet的接入服務(wù)。與傳統(tǒng)的單跳無線網(wǎng)絡(luò)不同,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有分布式、多跳轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)狀拓?fù)涞忍攸c(diǎn);WMN中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定,擁有穩(wěn)定的電源供給,網(wǎng)絡(luò)生命周期較長(zhǎng),鏈路狀態(tài)相對(duì)于Ad Hoc等網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定。此外,WMN主要用于提供Internet的接入,數(shù)據(jù)流具有明
4、顯的方向性。由于具有這些特點(diǎn),現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)媒體訪問控制協(xié)議(Media Access Control,MAC)和路由協(xié)議大都不能良好的適應(yīng)WMN,工作效率低下。
本文圍繞著提升WMN網(wǎng)絡(luò)性能的目標(biāo),采用由下至上的順序,針對(duì)WMN中從MAC層到路由層的多個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行深入研究。這些問題主要包括無線節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入、鏈路層的數(shù)據(jù)包調(diào)度,協(xié)作式數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)作式路由協(xié)議、負(fù)載均衡多路徑路由。針對(duì)已有MAC層和路由相關(guān)協(xié)議在WMN中
5、低效、不公平等問題進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適合WMN的一系列解決方案,有效的提高了網(wǎng)絡(luò)的效率,減少了不公平現(xiàn)象的發(fā)生,進(jìn)而提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能,改善了用戶體驗(yàn)。
首先,針對(duì)WMN的接入網(wǎng)采用的基礎(chǔ)架構(gòu)模式,本文提出了QoS感知的時(shí)槽請(qǐng)求與分配算法。通過對(duì)終端節(jié)點(diǎn)緩沖數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的計(jì)算,實(shí)時(shí)估計(jì)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)調(diào)度周期內(nèi)所需要的實(shí)際傳輸時(shí)間?;臼占薪K端的時(shí)槽請(qǐng)求,根據(jù)數(shù)據(jù)流的QoS需求將終端的時(shí)槽請(qǐng)求劃分為不同的優(yōu)先級(jí),并按優(yōu)
6、先級(jí)的大小安排時(shí)槽。此外根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)槽的利用率以及緩沖數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的大小,動(dòng)態(tài)調(diào)整已分配時(shí)槽。通過該方案,基礎(chǔ)架構(gòu)式下在保證高QoS數(shù)據(jù)流帶寬的前提下,提高了時(shí)槽的利用率,有效提高了接入網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬。
然后,針對(duì)WMN骨干網(wǎng)傳統(tǒng)的單MAC單隊(duì)列的調(diào)度機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)流間的嚴(yán)重不公平性的問題,在仔細(xì)分析不公平現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之后,提出并實(shí)現(xiàn)了單射頻多隊(duì)列的負(fù)載感知鏈路級(jí)隊(duì)列調(diào)度機(jī)制。通過對(duì)鏈路級(jí)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行多
7、隊(duì)列負(fù)載感知的調(diào)度,在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí),抑制擁塞鏈路上的數(shù)據(jù)發(fā)送,調(diào)度非擁塞鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸。通過合理的數(shù)據(jù)包調(diào)度,該鏈路級(jí)負(fù)載感知的調(diào)度機(jī)制可以有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)數(shù)據(jù)流間的不公平現(xiàn)象,改善網(wǎng)絡(luò)的整體性能,如吞吐量、端到端延遲以及丟包率。
其次,為了充分利用無線鏈路的開放特性,我們基于傳輸概率的計(jì)算,從理論上分析了節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作式數(shù)據(jù)傳輸所帶來的性能增益。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于ETX的協(xié)作路由度量,該路由度量充分考慮了節(jié)點(diǎn)協(xié)作所
8、帶來的傳輸機(jī)會(huì)。同時(shí),擴(kuò)展HWMP路由協(xié)議以支持節(jié)點(diǎn)協(xié)作。此外,為了配合協(xié)作式路由,我們還將標(biāo)準(zhǔn)的基于CSMA/CA機(jī)制的MAC協(xié)議擴(kuò)展成為協(xié)作式MAC協(xié)議。通過MAC層與路由層的跨層設(shè)計(jì),該方案有效的利用了無線鏈路中潛在的傳輸機(jī)會(huì),提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功概率,降低了由于丟包所帶來的性能下降。
最后,針對(duì)WMN骨干網(wǎng)絡(luò)由于最優(yōu)路由選擇導(dǎo)致的熱點(diǎn)路徑問題,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了跨層協(xié)作的負(fù)載平衡解決方案。通過分析CSMA/CA協(xié)議的工作流
9、程,利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式,獲得RTS(Request to Send)幀重傳率與節(jié)點(diǎn)擁塞度之間的關(guān)系,提出了一種基于RTS重傳率的擁塞度量。然后,我們將802.11s中HWMP路由協(xié)議擴(kuò)展成為多路徑的路由協(xié)議,通過對(duì)節(jié)點(diǎn)擁塞度量的實(shí)時(shí)計(jì)算,將數(shù)據(jù)流在多條備選路徑中分散,解決WMN中的負(fù)載不均衡問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該方法在端到端延遲、平均丟包率,以及用戶體驗(yàn)等方面都有明顯改善。
本文提出的MAC協(xié)議和路由協(xié)議具有高效公平的特點(diǎn),
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