wmn網(wǎng)絡(luò)中流路的選擇

1負(fù)載平衡路由協(xié)議無線耳道網(wǎng)絡(luò)（無線耳道網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）已經(jīng)提出了通過多心跳技術(shù)解決最后一次訪問問題的問題，并已普及。兩個主要技術(shù)正在推動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。首先，用戶可以通過多頻率（廣播）和多通道（渠道）為高帶寬訪問。另一個原因是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中獨特的“耳后”結(jié)構(gòu)克服了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的“焦點”問題。然而，隨著節(jié)點規(guī)模和用戶數(shù)量的增加，與接入網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)輸入不足，并且局部負(fù)荷過大，導(dǎo)致接入網(wǎng)絡(luò)端部存在瓶頸路徑，從而降低數(shù)據(jù)流吞吐量，降低整個網(wǎng)絡(luò)的容量。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要問題是，為了確保mesh樹干能夠為終端用戶提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量和更可靠的internet訪問，必須設(shè)計負(fù)載平衡的路徑協(xié)議。目前WMN中路由協(xié)議大都繼承自移動Adhoc網(wǎng)絡(luò),更多地考慮了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目勺冃?而組成Mesh主干的Mesh路由器(meshrouter)是固定的,因此Mesh主干的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟彩枪潭ǖ?另外基于WiFi的WMN標(biāo)準(zhǔn)802.11s中所采用的HWMP(hybridwirelessmeshprotocol)是樹形路由與AODV(Adhocondemanddistancevector)的結(jié)合,在負(fù)載平衡以及容錯性的控制方面沒有很好的考慮.設(shè)計負(fù)載平衡的路由協(xié)議,需要解決2個基本問題:(1)如何刻畫負(fù)載平衡;(2)如何控制負(fù)載平衡.針對上述問題,本文分析了WMN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用特點并給出了WMN數(shù)據(jù)傳輸性能分析,提出基于跳數(shù)的層次化網(wǎng)絡(luò)模型,并給出對負(fù)載均衡的定義.最后在該層次模型上,設(shè)計路由轉(zhuǎn)發(fā)策略,平衡各層次節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載.本文其余部分安排如下:第2節(jié)介紹背景及相關(guān)工作;第3節(jié)建立層次化網(wǎng)絡(luò)模型;第4節(jié)是負(fù)載平衡路由協(xié)議的設(shè)計;第5節(jié)對協(xié)議分析并通過仿真實驗進行驗證,最后結(jié)語.2wnn體系結(jié)構(gòu)鑒于WMN的高帶寬、低成本等優(yōu)點,眾多企業(yè)及科研單位對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)展開了研究及開發(fā).微軟分析了WMN在辦公場景下應(yīng)用的前景,針對室外大型場景構(gòu)建的TroposNetwork、MetroMesh亦是WMN的實際產(chǎn)品.本節(jié)分析基于802.11s協(xié)議的WMN體系結(jié)構(gòu),并著重說明WMN中的路由協(xié)議設(shè)計.2.18功能4:eshwell和ap802.11s定義了基于WiFi協(xié)議的WMN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),該結(jié)構(gòu)中具有4個功能實體.Portal:用于鏈接2種不同的網(wǎng)絡(luò),如Mesh網(wǎng)與以太網(wǎng),具有Portal功能的節(jié)點具備2種及以上的接口;MP(meshpoint):具備Mesh功能,能夠構(gòu)建Mesh鏈路,轉(zhuǎn)發(fā)Mesh數(shù)據(jù);AP(accesspoint):用于終端的接入,與WLAN中的AP具有相同的接入功能;STA(station):普通的終端節(jié)點,可支持移動或非移動.一個Mesh節(jié)點上可具備多種功能,如Mesh網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點MPP就是MP+Portal,用于接入的MAP則是MP與AP的結(jié)合.具備MP功能的節(jié)點彼此間構(gòu)建Mesh鏈路,形成WMN網(wǎng)絡(luò)的主干.WMN中對于Internet訪問的數(shù)據(jù)流都需要經(jīng)過MPP進行轉(zhuǎn)發(fā),從而與MPP相連的最后一跳無線鏈路將成為整個WMN網(wǎng)絡(luò)的性能瓶頸.為了提高WMN的網(wǎng)絡(luò)容量,引入了多個網(wǎng)關(guān),形成多網(wǎng)關(guān)Mesh網(wǎng)絡(luò).2.2ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡模塊由于無線網(wǎng)絡(luò)性能受負(fù)載、鏈路傳輸率、流內(nèi)/外的競爭等多種參數(shù)的影響,需設(shè)計負(fù)載均衡的路由協(xié)議,以平衡各鏈路負(fù)載,降低由于競爭帶來不公平性的影響,從而提高整體網(wǎng)絡(luò)的容量.目前針對WMN的負(fù)載均衡有多種實現(xiàn)方法,如基于路徑的負(fù)載均衡、網(wǎng)關(guān)的負(fù)載均衡、Mesh路由器的負(fù)載均衡等.基于路徑的負(fù)載均衡研究集中于設(shè)計更好的路由度量(metric).期望傳輸次數(shù)(expectedtransmissioncount,ETX)作為路由選取的依據(jù)刻畫了鏈路的質(zhì)量,在此基礎(chǔ)上的改進WCETT(weightedcumulativeexpectedtransmissiontime)可應(yīng)用于多Radio多信道場景.iAWARE(interference-awareroutingmetric)中引入了對于干擾的處理,期望得到負(fù)載的平衡.ETOP(expectedtransmissiontimeofpath)則是進一步考慮MAC層重傳次數(shù)的影響,采用路徑的期望傳輸時間來代替WCETT.考慮負(fù)載均衡的MIC(metricofinterferenceandchannelswitching)在流內(nèi)干擾和流間干擾做了均衡.然而,上述路由協(xié)議的算法繼承自Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)按需或者源路徑路由算法,并沒有考慮到WMN作為接入網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特性.它們期望為每條數(shù)據(jù)流選出具有最優(yōu)質(zhì)量的路徑,在整體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡上沒有很好的考慮;同時它們具有較多的管理幀開銷.802.11sHWMP路由采用生成樹的方法,一定程度上考慮了WMN用于Internet接入服務(wù)的特點,然而其所采用的路由度量是在WCETT基礎(chǔ)上增加了信道切換等的開銷,沒有對于負(fù)載信息的考慮.即使引入負(fù)載的刻畫,如文獻(xiàn)中的負(fù)載平衡均是由樹結(jié)構(gòu)進行控制的,以及文獻(xiàn)在HWMP基礎(chǔ)上引入網(wǎng)關(guān)負(fù)載均衡的考慮,由于樹不具備容錯性,當(dāng)鏈路負(fù)載發(fā)生變化時會導(dǎo)致樹的重建,這將帶來很大的開銷.文獻(xiàn)所構(gòu)建的WMN拓?fù)湟嘀荒鼙ＷC由各個網(wǎng)關(guān)所形成的區(qū)域間的負(fù)載均衡.文獻(xiàn)通過計算網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的分布情況,利用啟發(fā)式算法給出全局最優(yōu)的負(fù)載均衡路由,然而該算法實現(xiàn)復(fù)雜度太高,不適用于實際網(wǎng)絡(luò).綜上分析,基于路徑的負(fù)載均衡目前大都采用Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的路由算法,不能刻畫WMN接入的特性,且不能實現(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡;而對于網(wǎng)關(guān)的負(fù)載均衡算法只能保證各網(wǎng)關(guān)處的均衡,不能解決WMN中Mesh節(jié)點局部不均衡造成的整體網(wǎng)絡(luò)容量過低現(xiàn)象;利用啟發(fā)式算法求得整體網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡最優(yōu)的算法由于復(fù)雜度過高而難以實現(xiàn).因此,本文針對WMN接入網(wǎng)的特性,采用層次結(jié)構(gòu)模型,通過控制各層次間負(fù)載的均衡,從而達(dá)到整體網(wǎng)絡(luò)容量的優(yōu)化,且實現(xiàn)簡單,開銷較小.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型3.1無線傳輸性能分析WMN的應(yīng)用主要是面向Internet接入服務(wù),網(wǎng)絡(luò)中流量大都來源于STA對Internet的訪問,因此網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流向在Mesh一側(cè)具有匯聚特性.STA通過MAP進行接入,經(jīng)過MP多跳轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)MPP,MPP把數(shù)據(jù)通過自身的以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)到Internet網(wǎng)絡(luò)中.對于Internet的下行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)流向相反.因此路由協(xié)議的設(shè)計主要針對MAP到MPP之間路徑的確立.為了分析Mesh內(nèi)部無線傳輸性能的情況,我們搭建了如圖1(a)所示的實驗床.2個PC構(gòu)建的Mesh路由器配置了多個無線接口.當(dāng)采用單信道時,連續(xù)的三跳鏈路彼此干擾,同一時刻,只有一條鏈路上數(shù)據(jù)被調(diào)度,遵循“1/3”定理,因此隨著跳數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量顯著下降.盡管多信道的使用使得鏈路間存在并行傳輸,然而實驗結(jié)果如圖1(b),圖1(c)所示,吞吐量隨跳數(shù)增加而降低,端到端延遲隨跳數(shù)增加而增大.3.2mesh節(jié)點負(fù)載需求基于上述分析可知WMN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流在Mesh側(cè)主要為網(wǎng)關(guān)與MAP之間數(shù)據(jù)的傳送,同時無線網(wǎng)絡(luò)吞吐量受跳數(shù)影響嚴(yán)重.本文設(shè)計了層次轉(zhuǎn)發(fā)模型適應(yīng)這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)律,同一Mesh中的多個網(wǎng)關(guān)為一個網(wǎng)關(guān)組,網(wǎng)關(guān)間通信采用有線連接.STA發(fā)往Internet的數(shù)據(jù)則通過網(wǎng)關(guān)組發(fā)送,實現(xiàn)訪問Internet.從Internet流入的數(shù)據(jù),到達(dá)STA的歸屬網(wǎng)關(guān),該歸屬網(wǎng)關(guān)選擇網(wǎng)關(guān)組內(nèi)合適的網(wǎng)關(guān)下發(fā)給與STA鏈接的MAP.這里以上行數(shù)據(jù)流為例,定義層次模型如圖2所示,定義MPP為主干中第0層節(jié)點,第n層節(jié)點則是到達(dá)MPP最小跳數(shù)為n的節(jié)點集合.本文路由轉(zhuǎn)發(fā)策略則是層次間的轉(zhuǎn)發(fā),上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑遵循(Layern→…→Layer1→Layer0).多Radio多信道WMN網(wǎng)絡(luò)可以表示為一網(wǎng)絡(luò)圖NG=(V,E),其中,V={v1,…,vn}為所有節(jié)點集合.G={g1,…,gm}?V是MPP的集合,S={s1,…,sl}?V為STA的集合,S是數(shù)據(jù)流的產(chǎn)生者,定義Loadsi為si上所產(chǎn)生的負(fù)載需求.根據(jù)上述分析可得到如下定義.定義1?vi∈V-S,vi所處的層次Layer(vi)=minHop(vi,G),其中,minHop(vi,G)表示節(jié)點vi到達(dá)網(wǎng)關(guān)集合G的最小跳數(shù).定義2WMN中Mesh節(jié)點的負(fù)載為轉(zhuǎn)發(fā)負(fù)載與所鏈接STA產(chǎn)生負(fù)載之和,Load(vi)=Lforward(vi)+Lin(vi),其中,Lin(vi)=∑sj∈S且(vi,sj)∈ELoadsj?Lforward(vi)Lin(vi)=∑sj∈S且(vi,sj)∈ELoadsj?Lforward(vi)為通過節(jié)點vi轉(zhuǎn)發(fā)的其他節(jié)點的負(fù)載.定義3Mesh節(jié)點父親、孩子、兄弟關(guān)系定義為存在Mesh鏈接且層次間分別為上行、下行、平行關(guān)系,?vi∈V-S,其關(guān)系集合數(shù)學(xué)表示如式(1)、(2)、(3):父親集UF(vi)={vk|vk∈V-S,(vk,vi)∈E,Layer(vk)=Layer(vi)-1};(1)孩子集UC(vi)={vk|vk∈V-S,(vk,vi)∈E,Layer(vk)=Layer(vi)+1};(2)兄弟集UB(vi)={vk|vk∈V-S,(vk,vi)∈E,Layer(vk)=Layer(vi)}.(3)3.3網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡閾值根據(jù)3.2的定義分析,WMN網(wǎng)絡(luò)中上行數(shù)據(jù)流遵循從高層次節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給低層次節(jié)點的規(guī)律,針對WMN中這一轉(zhuǎn)發(fā)特性,這里給出負(fù)載均衡的定義.定義4對于任意節(jié)點u∈V-S,定義其父親節(jié)點的負(fù)載平衡因子為:Ιload(vi)=Loadvi∑vj∈UF(u)Loadvj,vi∈UF(u)?(4)Iload(vi)=Loadvi∑vj∈UF(u)Loadvj,vi∈UF(u)?(4)那么,u的2個父親節(jié)點vi,vj∈UF(u),其負(fù)載平衡差可表示為式(5):δ(vi,vj)=|Ιload(vi)-Ιload(vj)|.(5)δ(vi,vj)=|Iload(vi)?Iload(vj)|.(5)因為網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載是隨時變化的,所以不能嚴(yán)格控制δ(vi,vj)=0,這里采用閾值法,如式(6)所示,其中,δbalance為負(fù)載均衡閾值.0≤δ(vi,vj)≤δbalance.(6)0≤δ(vi,vj)≤δbalance.(6)4下行節(jié)點的控制WMN中負(fù)載平衡路由對于負(fù)載的控制主要是通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)的,對于上行數(shù)據(jù),下行節(jié)點控制父親集的均衡,從而達(dá)到整體網(wǎng)絡(luò)的均衡.而對于下行數(shù)據(jù),則是通過MPP集中選擇某個MPP進行下行轉(zhuǎn)發(fā)以及下行轉(zhuǎn)發(fā)時控制其可選下行集的負(fù)載來實現(xiàn)的.4.1有利于解決部分節(jié)點重傳的通告幀WMN中Mesh節(jié)點需把自己的鄰居集中的元素分別映射到UF、UC、UB3類,對于父親集中節(jié)點需要存儲<NodeID、MAC-local、MAC-peer、Link-Metric、GW-Metric、Load>.該信息通過網(wǎng)絡(luò)中Announcement通告幀(LANN)的定時重傳進行維護,MPP節(jié)點會定期廣播通告幀,MP收到該通告幀,更新自己的層次結(jié)構(gòu),決定是否轉(zhuǎn)發(fā).通告幀結(jié)構(gòu)如表1所示,其中,Sourceaddress代表的是發(fā)起該通告幀的節(jié)點地址,PathMetric為到達(dá)該網(wǎng)關(guān)的路徑Metric,Load、Layernumber為上一跳節(jié)點對應(yīng)的負(fù)載和層次.節(jié)點相應(yīng)的處理邏輯如下:4.2下一跳轉(zhuǎn)發(fā)決策算法通過LANN管理幀的交互構(gòu)建WMN上行數(shù)據(jù)流層次結(jié)構(gòu),而路由轉(zhuǎn)發(fā)正是基于這樣的模型,STA將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給鏈接的MAP,MAP根據(jù)上面得到的Load以及相應(yīng)的Metric信息決定下一跳轉(zhuǎn)發(fā).MP在選擇父親集中的節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)時,需要滿足式(6)的負(fù)載均衡條件,然后選擇相應(yīng)的Metric信息最好的鏈路進行轉(zhuǎn)發(fā),具體決策算法如下:路由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)邏輯相應(yīng)的MP收到了其孩子節(jié)點發(fā)給它的數(shù)據(jù),它會進一步把其轉(zhuǎn)發(fā)給自己的父親集中的節(jié)點,依次傳遞直到MPP節(jié)點.MPP節(jié)點收到該數(shù)據(jù)后,將會交由網(wǎng)關(guān)組中的該STA所對應(yīng)的歸屬網(wǎng)關(guān),該部分為有線連接,從而由歸屬網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到Internet上去.4.3側(cè)需保留到所有map的層次結(jié)構(gòu)上述處理主要針對STA發(fā)往Internet數(shù)據(jù),而對于從Internet通過網(wǎng)關(guān)下行到MAP的數(shù)據(jù),則正好相反.這里需要以MAP為源構(gòu)建到MPP的層次結(jié)構(gòu),因此在網(wǎng)關(guān)側(cè)需保留到所有MAP的層次結(jié)構(gòu),具體層次信息如圖3所示.對于這樣的層次結(jié)構(gòu)通過表1中的代理幀的交互進行維護.當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到Internet往WMN發(fā)送的數(shù)據(jù)時,首先查詢相應(yīng)的STA代理表以確定鏈接該STA的MAP.確定了MAP后,MPP將在MPP組中找尋到該MAP層次最低的MPP,如圖3所示,到達(dá)MAP1最近的MPP是MPP2,那么收到數(shù)據(jù)的MPP1將會把相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給MPP2,交由MPP2進行下發(fā).本文假設(shè)MPP間采用有線連接,所有帶寬、延遲可以忽略不計.對于下行策略亦遵循上面的轉(zhuǎn)發(fā)處理邏輯.5協(xié)議分析與模擬體驗5.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層總負(fù)載本文首先構(gòu)建層次轉(zhuǎn)發(fā)模型,利用節(jié)點對父親節(jié)點負(fù)載的控制,實現(xiàn)對整體網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡.下面對這一策略的有效性進行分析,首先給出該層次模型中負(fù)載的計算.定理1對任意層次0≤i≤maxlayer,該層次的總負(fù)載:Loadlayer(i)=∑layer(v)=iLin(v)+Lforward(UC(v))?(7)Loadlayer(i)=∑layer(v)=iLin(v)+Lforward(UC(v))?(7)其中,v∈V-S,maxLayer=max{Layer(u),u∈V-S},Lforward(UC(v))為孩子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的負(fù)載.證明根據(jù)按層次轉(zhuǎn)發(fā)的假設(shè)易得.當(dāng)i=0時,即為網(wǎng)關(guān)層負(fù)載,也就是網(wǎng)絡(luò)最后總的容量.推論1對任意層次0≤i≤maxLayer,v∈V-S,該層次的總負(fù)載:Loadlayer(i)=Loadlayer(i+1)+∑layer(v)=iLin(v).(8)證明根據(jù)公式(7)只需證明∑layer(v)=iLforward(UC(v))=Loadlayer(i+1).(9)當(dāng)i>maxLayer時,設(shè)定Loadlayer(i)=0.(1)uplawell公式所以?v,v∈V-S,當(dāng)Layer(v)=maxLayer,UC(v)=Φ.∴∑layer(v)=maxLayerLforward(UC(v))=0.從而得證(9).(2)wsn的分析∑layer(v)=iLforward(UC(v))=∑layer(v)=iLforward({vk|vk∈V-S,Layer(vk)=Layer(v)+1})=∑layer(vk)=i+1Lforward(vk)=∑layer(vk)=i+1Load(vk)=Loadlayer(i+1).這里應(yīng)用了前面的一個分析結(jié)果,WMN中所有數(shù)據(jù)都是需要轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)最后流入Internet的.所以存在Lforward(v)=Load(v),?v∈V-S.得證.(3)控制家長集合的平衡同(2)得證.根據(jù)推論1可以看出,各層次上的負(fù)載主要是根據(jù)其低層次負(fù)載,以及它自身所產(chǎn)生的負(fù)載而決定的.當(dāng)節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)時,它會在父親集合中選取一個合適的節(jié)點進行下一跳轉(zhuǎn)發(fā),選擇結(jié)果會相應(yīng)地改變上層節(jié)點的負(fù)載情況.所以平衡2個層次間節(jié)點的負(fù)載是沒有必要的,平衡各層次內(nèi)部的負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)整體網(wǎng)絡(luò)的均衡;同時,網(wǎng)關(guān)層次為0,因此該均衡策略包含了對于網(wǎng)關(guān)負(fù)載的均衡.根據(jù)定義4,節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)時確保了父親節(jié)點間的負(fù)載均衡,因此,這里只需要證明在層次結(jié)構(gòu)模型中,父親節(jié)點的均衡機制能夠確保層次間的負(fù)載均衡.特性1基于層次結(jié)構(gòu)的負(fù)載均衡轉(zhuǎn)發(fā)策略,可以通過對父親集合的負(fù)載控制進行實現(xiàn).分析證明考慮第i-1層節(jié)點選取i層節(jié)點作為下一跳轉(zhuǎn)發(fā)的情況.設(shè)i-1層節(jié)點集合為C={c1,c2,…,cx},第i層節(jié)點集合為D={d1,d2,…,dy},其中,x,y分別為i-1,i層節(jié)點的數(shù)目,那么這里顯然存在D={d1,d2,\:,dy}=∪ci∈CUF(ci).假設(shè)節(jié)點cj,ck為C中的2個節(jié)點,其父親集合分別為UF(cj),UF(ck),這里2個集合間存在如下3種關(guān)系:{UF(cj)=UF(ck)(10)|UF(cj)∩UF(ck)|=Τ,Τ<|UF(ck)|.(11)UF(cj)∩UF(ck)=φ(12)假設(shè)UF(cj),UF(ck)的負(fù)載是均衡的,那么在關(guān)系(10)下集合UF(cj)∪UF(ck)也是均衡的.同樣關(guān)系(11)中可得UF(cj)∩UF(ck)是均衡的.那么對于D中的節(jié)點,只要存在2個或2個以上的孩子,對應(yīng)該節(jié)點就會是其孩子節(jié)點父親集的交.因此,其上的負(fù)載滿足層次內(nèi)部的均衡.假設(shè)節(jié)點只有1個孩子節(jié)點,如果其孩子節(jié)點的父親集合的度不為1,該孩子平衡其父親集合,從而使得其滿足層次均衡約束.如果度為1,此時對應(yīng)沒有其他選擇,也就是說只存在這一個路徑,可以不用考慮.所以說,控制父親集合的平衡能夠得到層次內(nèi)的均衡,從而能夠優(yōu)化整體網(wǎng)絡(luò)的均衡.5.2仿真實驗與分析為驗證層次路由的性能,我們在NS2的v2.30下擴展了Mesh模塊,實現(xiàn)了2種路由協(xié)議(HWMP、層次化路由),Metric選用的是ETX.仿真場景中隨機生成了18個無線節(jié)點(其中8個STA節(jié)點).信道模型采用NS2中定義的自由空間模型,應(yīng)用為隨機產(chǎn)生1～30條CBR/FTP數(shù)據(jù)流,傳輸范圍為450m,干擾范圍為650m.我們首先分析了在30條數(shù)據(jù)流工作情況下2種協(xié)議總體性能對比情況,包含對網(wǎng)絡(luò)吞吐量、管理幀開銷等比較.為了刻畫2種路由協(xié)議在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下數(shù)據(jù)流性能,測試了不同速率情況下流的端到端平均丟失率、數(shù)據(jù)流總的吞吐量、端到端平均延遲.(1)控制層次路由比,增加負(fù)載控制圖4給出了基于HWMP樹形結(jié)構(gòu)以及層次結(jié)構(gòu)的2種路由協(xié)議性能比較.圖4中HWMP對應(yīng)于采用樹形結(jié)構(gòu)路由,HWMP+balance-on對應(yīng)于采用文獻(xiàn)中的策略.圖4(a)統(tǒng)計了所有STA上發(fā)包的數(shù)據(jù)總和作為STA的有效吞吐量(Goodput),當(dāng)RTS/CTS關(guān)閉時,2種路由協(xié)議的Goodput相差不多,層次路由比HWMP高1%左右.而開啟RTS/CTS時,層次路由下的發(fā)送數(shù)據(jù)包和明顯比HWMP協(xié)議要大.不增加負(fù)載均衡控制時,層次路由比HWMP協(xié)議提高了20%,二者同時增加負(fù)載控制,層次路由比HWMP提高了40%.這主要是因為層次結(jié)構(gòu)本身具有平衡負(fù)載作用,增加了數(shù)據(jù)發(fā)送的機會;另外層次結(jié)構(gòu)更有利于負(fù)載控制,采用基于層次結(jié)構(gòu)的負(fù)載均衡算法能夠最大限度地提高STA的Goodput.因為所有數(shù)據(jù)均是發(fā)往網(wǎng)關(guān),統(tǒng)計網(wǎng)關(guān)處數(shù)據(jù)包接收速率可以表征此時網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流吞吐率之和,具體如圖4(b)所示.RTS/CTS關(guān)閉,如二者均不采用負(fù)載控制策略,層次結(jié)構(gòu)路由與HWMP樹形結(jié)構(gòu)路由接收率相仿,提高不到1%.如采用負(fù)載控制策略,二者接收率均有所提高,然而,層次結(jié)構(gòu)路由比HWMP路由高近19%.當(dāng)RTS/CTS開啟時,不采用負(fù)載控制策略的HWMP性能非常低,此時接收速率大概為發(fā)送速率的40%,這是因為該場景下有部分?jǐn)?shù)據(jù)流被完全阻塞.而采用層次結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議能很好地處理這種數(shù)據(jù)投遞率低的情況,網(wǎng)關(guān)處接收速率有了明顯的提升,提升率均超過50%.圖4(c)給出了2種路由協(xié)議的管理幀開銷情況.RTS/CTS開啟時,層次化路由管理幀開銷大概為HWMP的40%.這是由于HWMP的路由更新時間設(shè)置為40s,而所仿真的總的時長為150s.HWMP觸發(fā)路由的重建,導(dǎo)致路徑的變化,管理幀開銷增多.同樣在關(guān)閉RTS/CTS時,發(fā)送端不考慮干擾的避免,二者管理幀開銷相差小一些,層次路由為HWMP的75%左右.從上面的分析可以看出,在不使用RTS/CTS時,不考慮干擾的影響,采用HWMP會使得網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)投遞率變低,但是其他性能與層次結(jié)構(gòu)的路由相差不大.而在RTS/CTS開啟時,層次結(jié)構(gòu)路由明顯優(yōu)于HWMP樹形結(jié)構(gòu)路由.(2)投資方向上的丟失率閾值因為采用單信道場景,所以鏈路間存在相互干擾,如圖5(a)所示,當(dāng)數(shù)據(jù)包發(fā)送速率分別為80Kb、100Kb、200Kb時網(wǎng)絡(luò)中所能容納的數(shù)據(jù)流數(shù)目為20、14、8,超過這個閾值,網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流