基于802.11的无线Mesh网络MAC层和网络层协议研究
随着无线通信技术的发展，提供移动Internet访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(Wireless LocalArea Network，WLAN)是一种单跳的无线接入网，覆盖范围较小，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Mesh网络(Wireless Mesh Network，WMN)应运而生。WMN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Internet。近年由于移动计算技术的进一步发展、便携式笔记本以及各种手持通信设备的普及，无线Mesh网络再度成为研究的热点。MAC层协议和网络层协议对整个无线Mesh网络的性能有着非常重要的影响。本文围绕着无线Mesh网络的MAC层协议和网络层协议进行了研究，研究的侧重点包括多径路由协议、多射频接口多信道条件下的信道分配、为提高空间复用度进行的功率控制以及移动终端的切换等问题。论文的主要研究内容包括以下四个方面：
(1)由于传输的多跳性、无线信道的不可靠性、带宽的有限性和时变性等无线Mesh网络特性，使得传统路由协议，如路由信息通讯协议(RoutingInformation Protocol，RIP)和开放最短路径优先协议(Open Shortest PathFirst，OSPF)，并不能适应无线Mesh网络。尽管传统的Ad hoc网络路由协议可以直接移植到无线Mesh网络中，但无线Mesh网络路由协议应该根据自身的特殊性遵循不同的设计准则。传统的Ad Hoc路由协议是单径路由协议，导致网络传输率较低，延迟增加，网络负载不平衡，甚至造成网络拥塞，无法很好地支持OoS。多路径路由协议与单路径相比，在有效使用带宽、对付拥塞和突发流量、降低传输延迟、负载均衡以及增加传输可靠性方面具有明显的优势。但是，并不是路径数目越多效果越好，多径路由协议中的路径数目有个最优值。本文通过计算机仿真，对目前应用最广、也是最经典的两种多径路由协议：动态源路由多路径(Dynamic Source Routing Multi-Path，DSR-MP)协议和Ad-Hoc按需多路径距离矢量路由(Ad-Hoc On-Demand Multi-Path Distance Vector Routing，AOMDV)协议进行了研究。将这两种路由协议分别在移动Ad Hoc网络和无线Mesh网络环境下进行了仿真试验，仿真结果充分证明基于多径路由的无线Mesh网络在数据分组传输率、延迟、路由开销等方面具有明显的优势，完全能够满足无线宽带接入的需求。同时，基于无线Mesh网络结构的特殊性，在按需路由协议中，选择源路由协议能使无线Mesh网络取得更佳的性能。因此，本文工作具有很强的工程应用价值。
(2)多信道技术不但提高了网络的空间复用度，增加网络同时通信节点对，同时减少了信道干扰。因此，采用多信道技术是提高网络容量的最有效方法。理论分析表明，与将一个固定带宽的信道分为几个子信道相比，系统采用两个射频接口和固定带宽的多个信道时，网络容量能达到Kumar公式的最大理论值。跨层反馈机制通过在协议栈的各层之间传输特定的信息来协调协议栈各层之间的工作过程，使之与无线通信环境的动态特性和不稳定性等相适应。基于以上分析结果，本文提出了多接口多信道无线Mesh网络跨层设计分布式信道分配算法MCCA-AODV。该算法采用跨层设计的方法，将按需路由和信道分配过程结合起来，不但降低信道分配协议的计算复杂度。同时，采用按需路由协议减少了网络所需要的可用信道数，该算法仅给路由协议带来很小的额外开销。为了消除不同活动路由上邻居节点的同频干扰，本文提出了两跳干扰模型，能够避免不同路由上的邻居节点分配到的信道相同的情况。计算机仿真试验表明，与单信道相比，MCCA-AODV能显著提高网络的吞吐量，降低延迟。
(3)对于不同的无线通信系统，功率控制所起的作用不尽相同，主要有两个方面：一是可以降低节点能耗，延长网络寿命，另一方面的作用在于提高网络空间复用度，提高网络的容量。在无线Mesh网络中，由于Mesh路由器采用专业线路供应电力，不存在节能的问题，采用功率控制机制主要是为了降低对邻近结点的干扰，提高信道的空间复用度，最终提高整个网络的容量。针对无线网格骨干网中采用相同的发射频率造成的信号干扰严重问题，提出了一种新的功率控制MAC协议。该协议通过控制接收节点发送控制帧的功率，使得对整个数据发送和接收过程真正产生干扰的节点才能正确接收到该控制帧，从而延迟发送过程，避免信号干扰。该协议能够有效提高无线网格骨干网中无线接入点的空间复用度。理论分析表明，无线接入点的空间距离越短，空间复用度提高率越大，该协议越有利。通过模拟试验，与IEEE802.11标准的MAC协议相比，该协议明显提高了网络中并行的互不干扰的数据发送过程数量，显著提高了整个网络的吞吐量。
(4)IEEE802.11标准的MAC层协议提供了移动终端的切换算法，支持终端设备的移动通信，但它并没有提供移动终端的无缝切换算法。当终端设备从当前的接入点覆盖小区移动到另一个接入点小区时，由于通信的暂时中断会对系统的性能造成一定的影响。目前的切换算法包括硬切换和平滑切换等，硬切换丢报率非常大。平滑切换算法能够降低丢报率、减少切换延迟，但该算法要求数据包从当前的接入点通过无线Mesh网络中的多跳路由器转发到将要连接的接入点上，必将产生一定的切换延迟和数据丢失。从切换延迟和丢包率两个方面考虑，本文提出了基于中继路由器的存储转发平滑切换算法，主要是解决平滑切换中由于转发跳数过多引起的数据包丢失和切换延迟问题。通过在中继路由器上缓存数据包，然后在移动终端切换时转发到新的接入点，缩短了数据包的转发路径。仿真试验表明，与硬切换相比，能明显降低丢报率，与传统的平滑切换相比，能显著改善切换过程中的丢包率和延迟。
无线Mesh网络;多路径路由协议;IEEE802.11;跨层设计;信道接入控制;控制帧;平滑切换
北京邮电大学
博士
电磁场与微波技术
沈树群
2008
中文
TN925.93;TN915.04
116
2010-02-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）