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《中国科学技术大学》 2007年
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基于802.11无线—有线结合网络的QoS研究

孙伟峰  
【摘要】: 无线终端、无线接入点、无线路由器等设备飞速发展,在无线网络上的应用也越来越多,无线网络已经成为Internet的重要扩展。将无线网络同有线网络特别是Internet结合,形成无线-有线结合网络,可以提供更大范围的网络服务。具有发展前景的无线-有线结合网络主要是基于IEEE802.11b/g的无线网络同Internet结合:无线单跳网络—移动IPv6网络和无线多跳网络—无线mesh网络。同传统有线网络相比,移动IPv6网络和无线mesh网络由于使用无线传输而出现了新的问题。无线网络的共享介质、误码率高、存在干扰、隐藏站点/暴露站点问题、可移动性等特性给无线-有线结合网络上的应用提出了新的挑战。Internet网络和基本的无线网络协议是尽力而为的服务模式,如何保证无线-有线结合网络的服务质量,使得应用业务特别是实时业务可用是亟待解决的问题。本论文从保证无线-有线结合网络的服务质量出发,对移动IPv6和无线mesh网络这两种代表性网络上的性能提高和业务可用进行了研究。具体包括移动IPv6网络中端到端服务质量保证方法;移动节点的无缝切换;解决无线mesh多跳网络吞吐量不高的问题;设计无线mesh网络中的QoS感知路由方法等。 为提供移动IPv6网络中的端到端服务质量保证,保证移动IPv6网络的安全性和更好的可扩展性,提出非集中层次化移动IPv6管理方案。非集中层次化移动IPv6管理方案将移动IPv6网络中的移动分为宏移动和微移动,通过对这两种移动的不同处理来加快切换速度。具体设计了非集中层次化移动IPv6管理方案的主要架构元素、架构部署和架构交互。通过比较、分析和模拟实验,表明该方案优于已有的Mobi Dick、SeQoMo等研究方案;能够显著缩短移动节点进行微移动时的切换延迟,保持通信并具有QoS保证。 移动节点切换具有随机性,为进一步加快有QoS保证的移动切换、使移动节点在切换后就能获得Qos保证,通过将QoS参数在上下文转移方案中携带结合QoS上下文转移和快速切换技术,设计了QoS上下文转移方案QoSCT。QoSCT在快速切换的MAC层信息触发下进行QoS参数转移,完成具有QoS保证的无缝切换。该方案扩展了上下文转移方案CXTP,给出必要的功能实体和消息的扩展格式,描述了QoS的上下文转移同快速切换技术相结合的方法和过程。通过比较分析和仿真,验证了该方案在实现了快速切换的同时完成QoS切换的过程,将切换时间从秒的级别减少到毫秒级别;并证明了该方案在QoS重新配置和建立的时间方面优于其他方案。 无线网络要进行实际部署来提供服务,从实际应用角度出发,选择移动IP协议完成移动切换处理,DiffServ作为QoS保证技术,提出QoS预配置方案QoSPCM。QoSPCM结合SIP协议和区分服务,将QoS的参数分发通过SIP服务器完成:在支持DiffServ的移动IPv6网络中,边缘路由器配置相同的QoS参数标识规则。这些QoS参数由SIP协议在会话初始建立连接时分发给通信双方节点,同时SIP服务器也完成了对此会话的授权、认证、计费(AAA)过程,可实际部署。实现实时业务软件NICPhone和SIP服务的扩展,并在移动IPv6实验床上进行了测试。测试结果表明该方案在网络繁忙时可以进行有保证的服务,同时也反映了区分服务在拥塞网络环境下对高优先级业务的服务质量保证。 无线传输中存在多个信道,为充分利用无线网络中的正交信道的特性,通过实验测量IEEE802.11b/g中信道间干扰对丢包和延迟的影响。实验证明了在IEEE802.11b/g中存在三个互不干扰的channel1、channel6和channel11,在正交信道上的数据可以并发传输而对延迟和丢包互不干扰。为进行信道分配,引入线图理论,利用线图的辅助对无线mesh网络中的mesh路由器进行信道分配转化为对线图上点着色和寻找哈密顿圈问题。提出在本文中将channel1和channel11用于高优先级或高权值的主干链路,其他信道和用户接入则用channel6。给出了四种不同的信道分配方法,分别从分布式、减少自身对邻居的干扰、最快获得哈密顿圈、channel1和channel11完全避免隐藏站点/暴露站点问题的角度进行信道分配。对四种信道分配方法进行了分析和验证;对现有的研究方案做了总结并指出现有分配方案的弊端,本论文所提的方案能够减少干扰、减弱隐藏站点问题,提高无线mesh网络的传输性能。 因无线链路质量不可控,在无线网络中实现QoS保证是一种挑战。本论文提出通过QoS感知的路由来保证数据的优先服务,通过比较现有无线mesh网络中的路由量度(routing metric)的优缺点,选取ETX路由量度作为适应无线mesh网络的Qos感知路由量度。进一步观察到ETX路由量度的不足,在多变的无线网络环境下无无法提高网络的性能。用机会主义(opportunistic)的思想,设计了long-term和short-term结合的路由方法:通过long-term的ETX保证QoS,选择出一批候选节点:再在这些候选节点中,使用对时间敏感的short-term量度来提高传输速率。对算法的设计思想和执行过程用例子进行详尽的说明,并通过数学建模的方法分析该方案中的ETX阈值和其他各个因素对选路的影响,说明该选路方法具有优势。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN915.02

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