摘要 摘要 無線m e s h 網(wǎng)絡是一種多跳網(wǎng)絡，因其覆蓋范圍大部署方便及健壯性等一系列優(yōu)點 在近年受到了極大的關注。無線個域網(wǎng)也是當今的研究熱點i e e e8 0 2 1 5 4 標準定義了低 速的小范圍無線網(wǎng)絡，支持星型和對等結構，采用c s m a c a 機制競爭信道而i e e e 8 0 2 1 5 5 草案對1 5 4 進行了網(wǎng)絡層的擴充，使其支持m e s h 結構，本論文將對低速無線m e s h 網(wǎng)絡的關鍵技術進行研究，重點關注節(jié)點的吞吐率和流量公平性，并基于硬件實驗平臺實 現(xiàn)了軟件系統(tǒng) 吞吐率和公平性是無線網(wǎng)絡的重要性能指標目前對吞吐率的研究主要集中在單跳網(wǎng) 絡，也有一些文獻對路徑吞吐率和端到端吞吐率進行了研究，但是它們一般都是基于 i e e e s 0 2 1 1 協(xié)議簇，研究結果不能直接應用于采用i e e e s 0 2 1 5 4 標準的低速網(wǎng)絡。由于無 線m e s h 網(wǎng)絡是多跳網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中每個節(jié)點所處的位置不一樣，干擾和競爭狀況也不一樣， 因此對網(wǎng)絡中任意節(jié)點的吞吐率進行研究具有實際意義。本文將對“接收優(yōu)先”情況下的 低速無線網(wǎng)絡的節(jié)點飽和吞吐率進行建模并用o p n e t 進行仿真，仿真結果表明該模型較 好地預測了節(jié)點的吞吐率，為評估網(wǎng)絡性能提供了一種工具。 網(wǎng)絡的公平性包括節(jié)點間的公平性和節(jié)點內(nèi)的公平性，對節(jié)點問的公平性主要采用公 平選路方法解決，而對節(jié)點內(nèi)不同數(shù)據(jù)流問的公平性可以通過隊列調(diào)度的方式處理。由于 采用c s m a c a 算法隨機接入網(wǎng)絡的節(jié)點獲得信道使用權的能力與其退避窗口的大小成反 比，因此可以通過調(diào)整不同節(jié)點的初始退避窗口使負荷大的節(jié)點獲得更多的使用信道的機 會，相應地使網(wǎng)絡邊沿負荷小的節(jié)點獲得更少的使用信道的機會，從而提高節(jié)點的流量公 平性。第一次發(fā)送時根據(jù)飽和情況下i e e e s 0 2 1 5 4 標準的退避過程的m l i r k o v 模型為不同 負荷的節(jié)點設置不同的初始退避窗口，以后每次發(fā)送時都對節(jié)點及其競爭節(jié)點實際獲得的 吞吐率進行估計，然后根據(jù)這些估計值計算一個公平指數(shù)，最后按照公平指數(shù)所在的范圍 采用不同的方法調(diào)整節(jié)點的初始退避窗口。采用這樣的方案節(jié)點的流量公平性得到了很大 的提高，網(wǎng)絡的丟包率也大幅下降且非飽和情況下節(jié)點的吞吐率也有定的提高 為了對不同的算法性能進行評估，有必要建立實際的實驗平臺?；谟? 1 公司的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 微處理器和c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 射頻芯片搭建的低速無線m e s h 網(wǎng)絡硬件 平臺，本文介紹了符合i e e e8 0 2 1 5 4 標準和i e e e8 0 2 1 5 5 草案的m e s h 網(wǎng)絡軟件系統(tǒng)實現(xiàn) 方法。該軟件系統(tǒng)采用分層結構，可擴展性較好，可以方便地進行升級，為實際評估算法 性能提供了有效的平臺。 【關鍵詞】 無線m e s h 網(wǎng)絡、i e e e8 0 2 1 5 4 標準、i e e e8 0 2 1 5 5 草案、接收優(yōu)先、吞吐率、流量公 平性、軟件實現(xiàn) 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 si sal c i n do fm u l t i h o pn e t w o r k s ，w h i c hh a sa t t r a c t e dm u c h c o n c e r l t r a t i o ni nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fi t sl a r g ec o v e t - a g e , e a s yd e p l o y m e n ta n dh a l e n e s s w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r ki sa l s oo n co ft h eh o t s p o t so fr e s e a r c hn o w w h i l et h e 髓e8 0 2 1 5 4 s t a n d a r ds p e c i f i e sl o wr a t es m a l la mw i r e l e s sn e t w o r k s i ts u p p o r t ss t a r - t o p o l o g ya n dp e e r - t o p e e r t o p o l o g y 拍ei e e e $ 0 2 1 5 5d r a t ts p e c i f i e st h en e t w o r kl a y e rf o r 玨匹e8 0 2 1 5 4s t a n d a r dt or e a f i z e am e s hn e t w o r k t h i st h e s i sw i l lm a k es o i t i er e s e a r c ho ns o m ck e yt e c h n 0 1 0 9 i c so fl o wr a t ew i r e l e s s l n e s hn e t w o r k s ，w h i c hm a i n l yf o c u s e do nn o d et h r o u g h p u ta n df l o wf a i r n e s s ，a n df i n a l l yr e a l i z e d t h es o f i t w a r es y s t e mb a s e do no u rh a r d w a r et e s t b e d t h r o u g h p u ta n df a i r n e s sa t w o o ft h em o s ti m p o r t a n tp e r f o r m a n , ：ei n d e b ( 2 t t r r c n tr c s c a r c h so r t h r o u g l l p u ta r cm a i n l yf o e t t s e do ns i n g l e - h o pn e t w o r k s ，a n d n ”o t h e r sm a d er e s e a r c h 0 1 3p a t h t h r o u g h p u to re n d t o - e n dt h r o u g h p u t b u ta l m o s ta l lo ft h e ma r cb a s e do l li e e e s 0 2 ，l l s t h er e s u l to f w l a i e hc a n tb ca p p l i e dt ol o w - r a t en e t w o r k sa d o p t i n gi e e e , 8 0 2 1 5 4s t a n d a r d a sw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s1 1 1 1 ：m u l t i h 0 1 ) n e t w o r k sa n de a c hn o d ei nt h en e t w o r kh a s d i f f e r e n tl o c a t i o n ，d i f f e r e n t i n t e r f e r e n c ea n de o m p e , t i n gn e i g h b o r s i tm a k e ss c n s et oa n a l y s ea r b i t r a r yl l l o d c st h r o u g h t ) u ti n n e t w o r k t h i st h e s i sw i l lm o d e ln o d e st h r o l l g l i p u ti n r e c e p t i o np r e f e r e n c e s i t u a t i o no fl o w - r a t e n e t w o r k sa n dm a k es i m u l a t i o nu s i n go p n e t t h er e s u l t ss h o wt h a to u ra n a l y s i sw e l lp r e d i c t e dn o d e s t h r o u g h p u t , w h i c hp r o v i d e sag o o dt o o lt oe v a l u a t en e t w o r k sp 洳m a f i c e f a i m e s so fn e t w o r k si n c l u d e si n t e r - n o d e sa n di n t e r - n o d e sf a i r n e s s a n di n t e r - n o d c sf a i r n e s si s s o l v e db yf a i rp a t hs e l e c t i n gr e e t r i e sg e n e r a l l y , w h i l ei n t r a - n o d e sf a i r n e s si ss o l v e db yq u e u e d i s p a t c h i n ga p p r o a c h e s a sn o d e sa d o p t i n gc s m a c aa l g o r i t h mh a sa na b i l i t yw h i c h si n v e r s et oi t s b a e k o f fw i n d o wt ou t h ec h a n n e l w ec a na a j s td i f f e r e n ti l o d c s i n i t i a ib a e k o f 阿w i n d o w s 幻m a k e n o d e sw i t hh e a v i e r1 0 a d sh a v em o r ee h a r t c ct ou s ct h ec l a a n n e la n dn o d e sw i t hi c s si o a d sh a v el c s s c h a n c et ot r a n s m i t , t h e r e f o r ei m p r o v et h e i rf l o wf a i r n e s s f o rf i r s tt r a n s m i s s i o n d i f f c r e n ti n i t i a i b a e k o f fw i n d o w sa i r es e ta c c o r d i n gt oi l o d c s l o a d sb a s e do l lb a e k o f fp l o c c d u l * c sm a r k o vm o d e li n s a t u r a t e ds i t u a t i o no fi e e e s 0 2 1 5 4s t a n d a r d f r o mt h e no nd u r i n ge a c ht r a n s m i s s i o nn o d cs h o u l d f i r s te s t i m a t e si t sa c h i v e dt h r o u g h p u ta n di t se o m t o e t i n gn o d e s s u mt h r o u g h p u t t h e nc a l c u l a t e sa f a i r n e s si n d e xb a s e d0 1 1t h e m a n da d o p t sd i f f e r e n tm e t h o d st oa d j ti t si n i t i a lb a e k o f fw i n d o w a c c o r d i n gt ot l a et a n g oo ft h ef a i r n e s si n d e xa tl a s t i nt h i sw a y , n o d e s f l o wf a i r n e s sg e ti m p r o v e d g r e a t l y , p a c k e tl o s sr a t eh i g h l yd e c l i n e da n dt h r o u p u to f n o d ei m p r o v e di nu n s a t u r a t e dc o n d i t i o n t oc v a l u a t ed i f f e r e n ta l g o r i t h m s i , e r f o r m a , 讎，i t s 塒婚豁s a r yt o 賊l l pr e a lt 船t l ：l c d b a s e do n 咄 i , m r d w a r 。p l a t f o r me o n s i t i t u t i n go ft i sm s p 4 3 0 f 1 4 9a n dc l a i p e o n sc c 2 4 2 0 , t h i st h e s i sw i l l i n t r o c u d e t h em e t h o dt or e a l i z es o f t w a r es y s t e mw h i c hc o m p l i e sw i t hi e e e s 0 2 1 5 4s t a n d a r da n d 髓e 8 0 2 1 5 5d r a f t t i 【l cs o f t w a r e $ y s t l ：l n se , o n s m k t e di nl a y e r sa n dc a l lb ee x t e n d e da n du p g r a d e d e a s i l y , w h i c hp r o v i d e s c f l e e t i v cp l a t f o r mt oe v a l u a t ed i f f e r e n ta l g o r i t h m s k e y w o r d s w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，i e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r d ，i e e e8 0 2 1 5 5d r a f t , r e c e p t i o np r e f e r e n c e t h r o u g h p u t ，f l o wf a i r n e s s t s o f t w a r er e , a l i t i o n n 縮略詞 縮略詞 w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，無線個域網(wǎng) a p ，a c c p 镕$ p o i n t ，接入點 m a c ，m e d i a 慨c o n t r o l ，媒體控制接入 r t s ，r e q u tt os e n d ，發(fā)送請求 c t s ，c l e a rt os e n d ，清除請求 f f d ，f u l lf u n c t i o nd e v i c e 。全功能設備 r f d ，r e d u c e d - f u n c t i o nd e v i c e ，精簡功能設備 p a n ，p e r s o n a la r n e t w o r k s ，個域網(wǎng) d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，分布式協(xié)調(diào)功能 c s m a c a ，c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，載波偵聽多點接入，避免 沖撞 g t s ，g u a r a n t e e ds l o t s ，有保證時隙 l q i ，l i n kq u a f i t yi n d i c a t i o n ，檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質量指示 c c a ，c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ?？臻e信道評估 m h r ，m a ch e a d e r ，幀頭 m f r ，m a cf o o t e r ，幀尾 f c s ，f r a m ec h e c k i n gs e q u e n c e ，幀校驗序列 m s d u ，m a cs u b - l a y e r d a t au n i t ，m a c 子層數(shù)據(jù)單元 p s d u p h ys u b - l a y e rd a t au n i t ，物理子層數(shù)據(jù)單元 s h r ，s y n c h r o n i z a t i o nh e a d e r ，同步頭部 p h r ，p h yh e a d e r ，物理層頭部 m im e ，m a c l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m a c 層管理實體 r r l ，t i m et ol i v e ，生存時間 s p o f s i n g l ep o i n to ff a i l u r e ，單點故障 a c k ，a c k n o w l e g m e n t ，應答 v 列圖索弓 列圖索引 j 生i2 1 星刑網(wǎng)絡和點對點網(wǎng)絡 幽2 2m a c 層基本幀格式 | 壟i2 3 幀控制字段結構 圖2 4 信標幀格式 圖2 - 5 數(shù)據(jù)幀的格式 幽2 - 6 確認幀的格式 圖2 7 命令幀的格式 圖2 - 8 非時隙c s m a c a 算法流程 圖2 9m e s h 層基本幀格式1 7 圖2 1 0m e s h 幀控制字段結構1 7 圖2 1 lm e s h 層數(shù)據(jù)幀格式1 8 圖2 1 2 路由控制域結構1 8 圖2 1 3m e s h 層命令幀格式1 8 閏2 1 4 m e s h 層h e i i o 幀結構1 9 圖2 1 5 地址分配示意圖1 9 圖2 1 6 鄰肖點列表2 0 圖2 1 7 連通性矩陣2i 例2 1 8 尋找f 一跳轉發(fā)竹點算法流程2 2 圖2 1 9 參考m e s h 網(wǎng)絡結構2 3 圖3 11 y 點發(fā)送模型2 6 圖3 28 0 2 15 4c s 姒c 退避過稗m a r k o v 模型2 7 圖3 3 節(jié)點吞吐率：理論分析和仿真結果3 3 圖4 1m e s h 網(wǎng)絡中節(jié)點流量示意圖3 6 幽4 2 改進算法年lj 標準算法的系統(tǒng)吞吐率4 2 圖4 _ 3 改進算法和標準算法的系統(tǒng)丟包率4 2 圖4 4 改進算法和標準算法的公平性指數(shù)l 4 4 圖4 5 改進算法和標準算法的公平性指數(shù)2 “ 圖5 1 普通節(jié)點實物圖4 7 圖5 2 網(wǎng)關節(jié)點實物圖4 8 圖5 3 軟什系統(tǒng)結構框圖4 8 | 璺| 5 4 存儲單元結構4 9 圖5 5 內(nèi)存池結構圖5 0 蚓5 - 6 層問原誥調(diào)川示意圖5 2 l ! | 5 7 網(wǎng)莢設備狀態(tài)轉移圖5 3 i 鳘| 5 8 醬通毆備狀態(tài)轉移i 璺i 5 4 | 璽| 5 9c s i v l a c a 算法流程l 璽i 5 5 幽5 1 0 路由算法流程| 璽| 5 6 圖5 1 l 網(wǎng)芙設備j ：作流程圖5 7 i ! e i5 1 2 普通設備i ：作流科l 璽| 5 8 | 笙i5 1 3 接收中斷處理流程圖5 9 m m u 屹心b m 東南大學頒 學位論文 列表索引 表格2 - 1 載波信道特性一覽表9 表格3 - 1 節(jié)點吞吐率分析模型仿真參數(shù)3 2 表格4 1 采_ i j 標準算法節(jié)點獲得的吞吐率4 3 表格4 2 采用改進算法節(jié)點獲得的吞吐率4 3 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育 機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何 貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：習! i 日 期：! ! ：! ：! 東南大學學位論文使用授權聲明 東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學 位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。 本人電子文檔的內(nèi)容和紙質論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外， 允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文 的公布( 包括刊登) 授權東南大學研究生院辦理。 研究生簽名：趟! j導師簽名： 第1 章緒論 1 1 引言 第1 章緒論 無線通信網(wǎng)絡按覆蓋范圍可分為無線廣域網(wǎng)，無線城域網(wǎng)。無線局域網(wǎng)和無線個域網(wǎng) 其中無線局域網(wǎng)最初定義為有線局域網(wǎng)的無線延伸，現(xiàn)在則作為高速無線互聯(lián)網(wǎng)接入技術， 應用于機場、工廠、大廈、圖書館、學校等人口密集的熱點地方至少能夠支持大于1 0 0 米的距離。目前無線局域網(wǎng)的相關標準為i e e e8 0 2 1 1 i i i 系列而無線個域網(wǎng)則是一種用于 連接家庭各種家電，娛樂設備的無線網(wǎng)絡，作用距離在l o 米范圍內(nèi)。w p a n l 2 1 分低速和高 速兩種，i e e e8 0 2 1 5 4 1 3 1 和藍牙( b l u e t o o t h ) 是低速w p a n 標準，而i e e e8 0 2 1 5 3 1 4 j 則是 高速w p a n 標準。 傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡只支持單跳方式接入網(wǎng)絡，即客戶端只能和接入點( a p ) 進行直接通信， 即使多個客戶端相鄰。而無線m e s h 網(wǎng)絡作為一種多跳網(wǎng)絡解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋范圍有限的 缺點，并具有一系列其它優(yōu)點。 本章將介紹無線m e s h 網(wǎng)絡的優(yōu)點，關鍵技術和本文所重點研究的無線m e s h 網(wǎng)絡性能， 包括節(jié)點吞吐率和公平性等相關研究背景。并提出本文的研究安排。 1 2 無線m e s h 網(wǎng)絡簡介 無線m e s h 網(wǎng)絡也稱為“多跳”網(wǎng)絡”l ，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng) 絡技術，而m e s h 這個詞的原本意思就是所有的節(jié)點互相連接。 在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)中，每個客戶端均通過一條與a p 相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡 用戶如果要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點( a p ) ，這種網(wǎng)絡結構被稱 為單跳網(wǎng)絡。而在無線m e s h 網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都具有路由功能”j ，網(wǎng)絡中的每個 節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信也 可以轉發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)。在無線m e s h 網(wǎng)絡中，節(jié)點一般是靜止的且拓撲結構比較穩(wěn)定， 其功能旨在為客戶端提供接入服務”。無線m e s h 網(wǎng)絡采用分布式控制，且具有自配置，自 愈合功能”j 。 無線m e s h 網(wǎng)絡有三種結構：骨干網(wǎng)型無線m e s h 網(wǎng)絡，客戶端型無線m e s h 網(wǎng)絡和混 合型無線m e s h 網(wǎng)絡p i 。骨干型無線m e s h 網(wǎng)絡里多個無線路由器形成m e s h 結構，作為骨 干網(wǎng)絡為客戶端提供接入服務；客戶端型無線m e s h 網(wǎng)絡中客戶端形成m e s h 結構，沒有中 心節(jié)點，每個客戶端都具有自動配置和路由功能。從而形成多跳網(wǎng)絡；而混合型無線m e s h 網(wǎng)絡則混合了以上兩種網(wǎng)絡結構，骨干網(wǎng)和客戶端都形成m e s h 結構。 與傳統(tǒng)的單跳無線網(wǎng)絡相比，無線m e s h 網(wǎng)絡具有幾個無可比擬的優(yōu)勢： ( 1 )快速部署和易于安裝 東南大學碩士學位論文 安裝m e s h 節(jié)點非常簡單。由于網(wǎng)絡具有自配置和自愈合功能。只需要將設備從包裝 盒里取出來，接上電源就行了。由于極人地簡化了安裝，用戶可以很容易增加新的節(jié)點來 擴大無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍和網(wǎng)絡容量。 ( 2 )覆蓋范圍大 由于無線m e s h 網(wǎng)絡能實現(xiàn)多跳傳輸，這樣和接入點一跳范圍內(nèi)的鄰近用戶可以為距 離接入點多跳的用戶提供了無線寬帶訪問功能，從而具有非視距傳輸?shù)奶匦?。無線m e s h 網(wǎng)絡能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U展了無線寬帶的應用領域和覆蓋范圍。 ( 3 ) 健壯性 實現(xiàn)網(wǎng)絡健壯性通常的方法是使用多路由器來傳輸數(shù)據(jù)。m e s h 網(wǎng)絡比單跳網(wǎng)絡更加健 壯。因為它不依賴于某一個單一節(jié)點的性能。在單跳網(wǎng)絡中，如果某一個節(jié)點出現(xiàn)故障， 整個網(wǎng)絡也就隨之癱瘓而在m e s h 網(wǎng)絡結構中，由于每個節(jié)點都有一條或幾條傳送數(shù)據(jù) 的路徑。如果最近的節(jié)點出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動路由到備用路徑繼續(xù)進行 傳輸，整個網(wǎng)絡的運行不會受到影響。 ( 4 ) 結構靈活 在單跳網(wǎng)絡中設備必須共享a p 。如果幾個設備要同時訪問網(wǎng)絡。就可能產(chǎn)生通信 擁塞并導致系統(tǒng)的運行速度降低。而在多跳網(wǎng)絡中，設備可以通過不同的節(jié)點同時連接劍 網(wǎng)絡，因此不會導致系統(tǒng)性能的降低。m e s h 網(wǎng)絡還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡 功能。在無線m e s h 網(wǎng)絡中，每個設備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡可以根據(jù)每個節(jié)點的 通信負載情況動態(tài)地分配通信路由，從而有效地避免了節(jié)點的通信擁塞。而目前單跳網(wǎng)絡 并不能動態(tài)地處理通信干擾和接入點的超載問題。 ( 5 )帶寬利用率高 無線通信的物理特性決定了通信傳輸?shù)木嚯x越短就越容易獲得高帶寬利用率因為隨 著無線傳輸距離的增加各種干擾和其他導致數(shù)據(jù)丟失的因素隨之增加。因此選擇經(jīng)多個 短跳來傳輸數(shù)據(jù)將是獲得更高網(wǎng)絡帶寬利用率的一種有效方法，而這上e 是m e s h 網(wǎng)絡的優(yōu) 勢所在。 在m e s h 網(wǎng)絡中，一個節(jié)點不僅能傳送和接收信息，還能充當路由器對其附近節(jié)點轉 發(fā)信息，隨著更多節(jié)點的相互連接和可能的路徑數(shù)量的增加，總的帶寬也大大增加 此外，因為每個單跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小。既然多跳網(wǎng)絡通 常使州較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點節(jié)點之間的無線信號干擾也較小，網(wǎng)絡的信道 質量和信道利用效率大大提高，因而能夠實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡容量。比如在高密度的城市網(wǎng)絡 環(huán)境中，m e s h 網(wǎng)絡能夠減少使用無線網(wǎng)絡的相鄰用戶的相互干擾，大大提高信道的利用效 率。 1 3 無線m e s h 網(wǎng)絡關鍵技術 雖然無線m e s h 網(wǎng)絡相比傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡有很多優(yōu)點，但是目前其本身也存在很多問題 2 第1 章緒論 有待解決。當前階段主要的研究集中在以下幾個方面： ( 1 ) 天線技術 無線m e s h 網(wǎng)絡中一個重要的問題就是天線的使用，因為每個節(jié)點必須和各個方向上 的多個節(jié)點通信，很簡單的一種方式就是采用全向天線，但是這樣覆蓋范圍有限，并會帶 來干擾導致頻譜利用率下降，減小網(wǎng)絡的容量。所以不建議采用全向天線美國的s k y p i l o t 公司將智能天線技術應用于無線m e s h 網(wǎng)絡，允許頻譜重復使用。從而大大提高了頻譜的 利用效率，同時減小了干擾。 ( 2 ) 路由選擇技術 無線m e s h 網(wǎng)絡中另外一個很重要的問題是路由選擇問題例如從某個節(jié)點a 到達其 它的節(jié)點b ，可以經(jīng)過不同的用戶站中轉，于是就存在多條路徑選擇哪條路徑就成為一 個關鍵問題，這將直接影響系統(tǒng)的性能。而且。當節(jié)點加入或者推出網(wǎng)絡時，無線m e s h 網(wǎng)絡的拓撲結構就會發(fā)生變化，路由選擇問題變的更加復雜。無線m e s h 網(wǎng)絡中還存在”隱 藏終端”問題，這些都需要進一步研究解決。文獻【l o l 對無線a d _ h o c 網(wǎng)絡中采用的基本路由 技術進行了很好的總結和對比。 ( 3 ) 網(wǎng)絡擴展性 基于現(xiàn)有的m a c 。路由和傳輸層協(xié)議。吞吐率，端到端時延和公平性等衡量網(wǎng)絡性 能的關鍵指標隨網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)和跳數(shù)變化都是不可擴展的。這些問題可以通過提高單個 節(jié)點的容量得到緩解。典型的方法包括：采用多個信道o 或者多個收發(fā)機”開發(fā)具有更 高傳輸速率的無線收發(fā)機。然而這些方法都不能真正地提高網(wǎng)絡的擴展性，因為相關的網(wǎng) 絡性能并沒有隨著網(wǎng)絡容量的增加而提高，因此必須研究新的m a c 。路由和傳輸協(xié)議來 增強網(wǎng)絡的擴展性。 ( 4 ) 安全性 由于無線自組織的結構，無線m e s h 網(wǎng)絡在不同的協(xié)議層次對安全攻擊”3 1 都比較脆弱。 目前的安全措施只對某一層次有效，缺乏一種能阻止或反擊各層的安全攻擊的綜合機制。 1 4 無線m e s h 網(wǎng)絡性能 吞吐率是衡量網(wǎng)絡性能的一個重要指標，在無線m e s h 網(wǎng)絡中，由于數(shù)據(jù)采用多跳傳 輸，隨著跳數(shù)的增加，網(wǎng)絡吞吐率急劇下降。公平性是衡量無線網(wǎng)絡性能的另一重要指標。 由于m e s h 網(wǎng)絡主要為客戶端提供接入服務，所有的數(shù)據(jù)交換必須通過接入點( 網(wǎng)關) 進行轉 發(fā)，因此接入點附近流量較大，而網(wǎng)絡中其它一些節(jié)點則可能比較空閑，從而形成業(yè)務的 “熱區(qū)”和“冷區(qū)”1 1 4 1 。另外，無線m e s h 網(wǎng)絡采用的m a c 機制也會對網(wǎng)絡公平性造成影 響。當前對吞吐率的分析建模主要集中在單跳網(wǎng)絡且缺乏對i e e e 8 0 2 1 5 4 低速網(wǎng)絡的精確 分析，因此，如何對低速無線m e s h 網(wǎng)絡進行精確的建模，對上述指標進行分析，仿真， 從而研究出提高網(wǎng)絡性能的方法是關鍵所在。 東南大學碩t 學位論文 1 4 1 網(wǎng)絡吞吐率 目前對無線網(wǎng)絡吞吐率的分析建模主要集中在對i e e e8 0 2 1 1 系列標準協(xié)議的研究上 文獻【1 5 】中為所有采_ i j 指數(shù)退避方法的該類協(xié)議提供了計算單跳網(wǎng)絡飽和吞吐率的簡單模 型。文中假設任意甘點發(fā)送產(chǎn)生沖突的概率相互獨立且為常數(shù)，在該條件下計算了指數(shù)退 避的d c f 飽和吞吐率，包括三種模式：基本模式。r t s ，c t s 模式，混合模式。文中定義 吞吐率為：一個時隙內(nèi)發(fā)送的平均負載長度除以一個時隙的平均長度，根據(jù)馬爾可夫模型 推導出節(jié)點在任一時隙的發(fā)送概率，再計算網(wǎng)絡中至少有一個節(jié)點發(fā)送的概率和發(fā)送成功 的概率，這樣就可以根據(jù)成功發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時間和平均沖突時間計算出吞吐率。雖然文 獻中的仿真結果表明該模型有較高的精確性，然而它沒有考慮網(wǎng)絡的拓撲結構且沒有表現(xiàn) 發(fā)送端的相鄰活動節(jié)點造成的沖突的特點。 在文獻 1 6 1 中為節(jié)點具有相同傳輸范圍的8 0 2 1 l b 多跳自組織網(wǎng)絡提出了單跳的飽和 吞吐率分析模型。通過對由非鄰近節(jié)點引起的干擾而導致的沖突和退避次數(shù)進行簡單的啟 發(fā)式估計，該模型抓住了多跳環(huán)境下c s m a c a 協(xié)議的本質。仿真結果表明該模型很好地 逼近了實際吞吐率另外文獻 1 7 1 提出了計算多跳無線網(wǎng)絡路徑吞吐率的方法。采用i e e e 8 0 2 1 5 4 標準構建m e s h 網(wǎng)絡，如果節(jié)點處于退避狀態(tài)時不接收幀，那么在飽和的情況下通 過多跳傳輸?shù)墓?jié)點只能獲得很低的吞吐率，因此我們應該考慮對標準做一些擴展，即在退 避時節(jié)點打開接收機并接收其它節(jié)點發(fā)送的幀，這也稱為“接收優(yōu)先i i 摹i ”，我們將研究這 種情況卜m e s h 網(wǎng)絡中任意節(jié)點的吞吐率。 1 4 2 無線m e s h 網(wǎng)絡公平性 文獻i t 9 認為無線網(wǎng)絡中的”隱藏終端”和指數(shù)退避方法會導致網(wǎng)絡的公平性問題。使 部分節(jié)點相比其它節(jié)點獲得更多的數(shù)據(jù)發(fā)送的機會。而文獻 2 0 1 則認為8 0 2 1 1 系列協(xié)議使 節(jié)點獲得了很好的m a c 層公平性。通過采用相同的初始退避窗口每個節(jié)點可以獲得相 似的接入信道的能力。網(wǎng)絡公平性包括節(jié)點間的公平性和節(jié)點內(nèi)的公平性，節(jié)點間的公平 性是指網(wǎng)絡中節(jié)點所處位置不一樣，競爭和干擾狀況也不一樣，從而導致不同節(jié)點獲得的 吞吐率也不一樣：節(jié)點內(nèi)的公平性指多跳網(wǎng)絡中，節(jié)點不僅要發(fā)送自身生成的數(shù)據(jù)，也要 轉發(fā)其它節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，由于節(jié)點存儲空間有限，如果調(diào)度方式不合理會導致自身數(shù)據(jù) 和轉發(fā)數(shù)據(jù)不能獲得相同的發(fā)送機會，從而引起不公平。對節(jié)點間的公平性，一般采取選 路算法去平衡負載；而對節(jié)點內(nèi)部的公平性則通過隊列調(diào)度去解決。對采用固定路由的 m e s h 網(wǎng)絡，節(jié)點閫的公平性不能通過選路策略來解決，因此我們將研究采取根據(jù)網(wǎng)絡層獲 取的信息來控制m a c 層參數(shù)的方法去解決上述問題。 1 5 論文的主要研究內(nèi)容與章節(jié)安排 本文主要進行了w p a nm e s h 網(wǎng)絡的節(jié)點吞吐率建模分析和網(wǎng)絡公平性的研究本文 從低速無線個域網(wǎng)1 e e e8 0 2 1 5 4 出發(fā)。研究了低速無線m e s h 網(wǎng)絡的節(jié)點飽和吞吐率，首 4 第1 章緒論 先對無線m e s h 網(wǎng)絡的牾點飽和吞吐率進行數(shù)學建模，然后根據(jù)實際場景進行仿真，驗證 了模型的準確性。此外本文還對無線m e s h 網(wǎng)絡中節(jié)點的公平性進行了研究，改進了標準 c s m a c a 算法，有效提高節(jié)點的負荷公平性。最后本文對無線m e s h 網(wǎng)絡實驗平臺的軟件 實現(xiàn)進行了介紹。 第一章是緒論。首先介紹了無線m e s h 網(wǎng)絡的基本概念，網(wǎng)絡架構及其相較于傳統(tǒng)網(wǎng) 絡的優(yōu)點其次簡要介紹了當前無線m e s h 網(wǎng)絡的關鍵技術，進而介紹了無線m e s h 網(wǎng)絡的 性能研究背景，主要包括吞吐率研究和網(wǎng)絡公平性研究。最后簡述了論文的研究安捧。 在第二章，介紹了低速w p a n 的標準i e e e 8 0 2 1 5 4 及對其網(wǎng)絡層的擴展草案 i e e e s 0 2 1 5 5 。對i e e e s 0 2 1 5 4 ，主要介紹了其物理層功能，m a c 層功能，c s m a c a 算 法以及幀結構等；對i e e e s 0 2 1 5 5 ，主要介紹了其網(wǎng)絡層基本功能和路由算法。在本章中， 我們將看到該標準如何對m e s h 結構進行支持這為后續(xù)章節(jié)的吞吐率建模和公平性研究 提供了基礎，并為第五章的軟件實現(xiàn)提供了協(xié)議規(guī)范 第三章為全文的重點，介紹了確定基于i e e e 8 0 2 1 5 4 和i e e e s 0 2 1 5 5 的無線m e s h 網(wǎng) 絡的節(jié)點飽和吞吐率的數(shù)學模型。首先介紹了建立該模犁的無線m e s h 網(wǎng)絡結構，然后在 此基礎上給出了計算節(jié)點飽和吞吐率的數(shù)學模型，并通過仿真進行了驗證 第四章研究了網(wǎng)絡公平性的問題，針對網(wǎng)絡中存在的業(yè)務“冷區(qū)”和“熱區(qū)”問題以 及節(jié)點負荷不均勻的狀況進行了研究，提出了優(yōu)化解決方案，從而使網(wǎng)絡中節(jié)點的流量吞 吐率盡量接近，從而提高了網(wǎng)絡性能。 第五章在實驗室搭建的硬件實驗平臺的基礎上，進行了軟件實現(xiàn)，從而形成完整的基 于i e e e 8 0 2 1 5 4 標準及i e e e s 0 2 1 5 5 草案的無線m e s h 網(wǎng)絡實驗平臺。該軟件采用分層結 構并對硬件的有限內(nèi)存進行有效管理，使網(wǎng)絡便于升級，可以在該平臺的基礎上試驗不同 的算法。 第六章是總結了全文的工作，并對進一步工作做了展望。 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 標準及i e e e8 0 2 1 5 5 草案概述 第2 章i e e e8 0 2 1 5 4 標準及i e e e8 0 2 1 5 5 草案概 述 2 1 引言 本章主要對i e e e 8 0 2 1 5 4 標準和i e e e 8 0 2 1 5 5 草案作一個概述，并對標準里如何對 m e s h 結構進行支持作了簡單介紹。i e e e 8 0 2 1 5 4 標準定義了無線個域網(wǎng)( w p n ) 中設備 間通信的協(xié)議，標準采用沖突避免的載波偵聽( c s m a c a ) 機制并支持星型和對等拓撲網(wǎng) 絡。標準規(guī)定了8 6 8 9 1 5m h z 和2 4g h z 兩個頻段的物理層和m a c 層規(guī)范，其傳輸速率 分為：2 0 k b p s ，加k b p s 和2 4 0 k b p s ，是一種低速率無線網(wǎng)絡標準。該標準主要用于低速率 的無線固定，手持或者移動設備間的通信，通常設備采用電池供電且通信范圍在1 0 m 以 內(nèi)，其應用范圍主要為低復雜度，低成本，低功耗的智能家居，無線玩具，傳感器網(wǎng)絡和 工業(yè)控制設備等。正髓8 0 2 1 5 5 是w p a nm e s h 網(wǎng)絡的候選草案。支持高速和低速w p a n 網(wǎng)絡，前者主要是對i e e e 8 0 2 1 5 3 標準的網(wǎng)絡層擴展，而后者是對i e e e s 0 2 1 5 4 標準的網(wǎng) 絡層擴展。 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 標準概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 標準定義了低速w p a n 網(wǎng)絡中無線設備間通信的物理層和m a c 層規(guī) 范通常這些設備都是電池供電的手持或者移動設備，它們的通信范圍較小，一般不超過 1 0 m 。低速w p a n 網(wǎng)絡是一種簡單的，低成本的通信網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中允許低功耗的，對吞吐 率要求不高的無線應用。低速w p a n 的目標是易于安裝，可靠的傳輸，短距離通信極低 的能耗，合理的電池壽命且協(xié)議簡單，靈活。低速w p a n 網(wǎng)絡的一些特點包括z 傳輸速率為：2 0 k b p s ，4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 星型或者對等網(wǎng)絡 分配1 6 b i t 短地址或6 4 b i t 長地址 分配有保證時隙( g t s ) 帶沖突避免的載波偵聽 采用完全應答機制以提高傳輸可靠性 低能耗 能量檢測 鏈路質量指示 2 4 g h z 頻段1 6 個信道，9 1 5 m h z 頻段1 0 個信道，8 6 8 m h z 頻段1 個信道 7 東南人學壩1 學位論文 低速w p a n 網(wǎng)絡中有兩種設備：全功能設備( f f d ) 和精簡功能設備( r f d ) ，f f d 可以工作 在三種模式，分別作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器或者普通設備。f f d 可以和網(wǎng)絡中所有設備進 行通信，而r p - d 只能作為普通設備且只能和f f d 通信。 2 2 1 正e e8 0 2 1 5 4 網(wǎng)絡結構 符合i e e e 8 0 2 1 5 4 標準的w p a n 一般包括至少兩個設備，其中至少有一個全功能設 備作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。這些設備要在至少一個其它設備的通信范圍以內(nèi)以保持網(wǎng)絡的聯(lián)通性， 網(wǎng)絡中每個設備可以和通信范圍內(nèi)的其它設備通信或者只能和相鄰的f f d 通信，這樣就分 別形成了對等網(wǎng)絡和暈型網(wǎng)絡，它們的結構如圖2 - i 所示。 在星型網(wǎng)絡中，所有設備都與中心控制設備p a n 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通信。普通設備一般要通 過關聯(lián)過程加入到網(wǎng)絡中，且一般為通信的發(fā)起者或結束者。而網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器一般有特別的 用途。但一般被用作建立網(wǎng)絡，路由數(shù)據(jù)等。在這種網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電 力系統(tǒng)供屯，而其他設備采用電池供電 o 全功能設備 o 精簡功能設備 + 通信信道 圖2 - 1 星型網(wǎng)絡和點對點網(wǎng)絡