無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中高效公平通信協(xié)議的研究.pdf

1、無線通信技術(shù)日新月異的發(fā)展改變著我們的生活，讓我們可以脫離有線網(wǎng)絡(luò)的束縛，充分享受無線網(wǎng)絡(luò)帶來的便捷。以802.11技術(shù)為代表的無線局域網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，但現(xiàn)在日常使用的無線局域網(wǎng)絡(luò)通常工作在架構(gòu)模式，所有無線終端設(shè)備通過訪問接入點(diǎn)單跳接入有線網(wǎng)絡(luò)。單跳無線傳輸距離有限，導(dǎo)致無線局域網(wǎng)絡(luò)的范圍非常??；另一方面，由于無線局域網(wǎng)通過有線網(wǎng)絡(luò)鏈接到Internet，因此對有線連接有著嚴(yán)重的依賴性，部署成本頗高。為了擴(kuò)大信號(hào)

2、覆蓋范圍，降低建造成本，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的概念于近些年提出，并已經(jīng)應(yīng)用在醫(yī)院、礦井、公共安全等領(lǐng)域。 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)被發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端，或者具有有線連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧上各層協(xié)議不能適應(yīng)這一新特點(diǎn)而工作效率低下，導(dǎo)致無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中端到端數(shù)據(jù)吞吐率降低，并且當(dāng)多個(gè)通信系統(tǒng)競爭傳輸機(jī)會(huì)時(shí)無線資源分配缺乏公平性，從而導(dǎo)致端到端數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟还絾栴}。 本文圍繞著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)分布式多跳傳

3、輸模式、無線鏈路資源質(zhì)量不穩(wěn)定、共享頻域內(nèi)無線傳輸相互干擾等無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸所呈現(xiàn)的問題，緊緊圍繞提升端到端傳輸性能問題進(jìn)行了深入的研究。對原有無線協(xié)議在多跳傳輸時(shí)效率低下、不公平的原因進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了解決方案，通過對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議、媒體訪問控制層協(xié)議的優(yōu)化和改進(jìn)來提升通信協(xié)議在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率和公平性，為設(shè)計(jì)適用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的高效、公平通信協(xié)議展示了一系列全新解決方案。

4、 首先，為了分析導(dǎo)致傳輸層協(xié)議在多跳環(huán)境下低效的原因，提升傳輸層協(xié)議在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率，本文對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中TCP公平性進(jìn)行建模與分析，通過分析找到影響無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中TCP協(xié)議公平性的因素，主要包括發(fā)送端到接收端的跳數(shù)、路由節(jié)點(diǎn)的鄰居數(shù)、路由節(jié)點(diǎn)負(fù)載以及超時(shí)計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值。之后，采用跨層設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)了一種基于MAC錯(cuò)誤預(yù)警機(jī)制的SCTP擁塞控制方法，解決了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層協(xié)議在高誤碼率導(dǎo)致頻繁丟包情況下?lián)砣翱跍p

5、小所導(dǎo)致傳輸性能不高的問題，提升了無線網(wǎng)絡(luò)在高誤碼率下的傳輸效率。 然后，本文使用感染因子的概念將無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中上下游鏈路之間的負(fù)載關(guān)系考慮到路由判據(jù)(Metric)中，設(shè)計(jì)了一種新的上下游鏈路質(zhì)量相關(guān)的路由Metric。隨后將無線鏈路質(zhì)量的非對稱性納入考慮范圍，提出了有向雙向路由Metric概念，并將其使用在AODV協(xié)議中，設(shè)計(jì)了一種非對稱鏈路質(zhì)量路由協(xié)議。該協(xié)議在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中通過一次路由建立過程便可以生成從源端到接

6、收端和從接收端到源端兩條不同的高效傳輸路徑，從而提升了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中端到端的數(shù)據(jù)傳輸性能。為研究多Radio Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，我們在多RadioMesh節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了基于ETX的鏈路質(zhì)量路由協(xié)議，并且搭建了試驗(yàn)床，通過性能測試對單Radio Mesh網(wǎng)絡(luò)和多Radio Mesh網(wǎng)絡(luò)在幾種不同場景下的傳輸效率進(jìn)行比較。 其次，我們進(jìn)一步通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)分析和仿真試驗(yàn)對基于多Radio多信道技術(shù)的機(jī)會(huì)路由協(xié)議在無線Mesh網(wǎng)

7、絡(luò)中的傳輸性能進(jìn)行了研究，提出一種信道分配策略，使得機(jī)會(huì)路由在Mesh網(wǎng)絡(luò)中的傳輸效率得到了提升。 為了解決隨著Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線系統(tǒng)之間傳輸信號(hào)的干擾降低網(wǎng)絡(luò)通信效率的問題，針對開放網(wǎng)絡(luò)(Unlicensed Band)中使用不同通信協(xié)議的無線設(shè)備的共存問題，本文提出了一種基于Unlicensed Band的分布式動(dòng)態(tài)頻譜分配算法，降低了無線系統(tǒng)使用相互干擾頻譜所帶來的性能丟失，提升了Mesh網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效