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基于802.11的无线网状网路由与传输技术研究

张瑞  
【摘要】: 无线网状网是一种具有网状拓扑结构的分布式网络,其通信依靠节点之间的相互协作,以无线多跳的方式为终端用户提供因特网的接入服务。无线网状网由于具有高容量、高速率、低成本以及扩展性强等众多优点,近年来受到了业界和学术界的广泛关注,具有非常广阔的应用前景。然而,网状的拓扑结构、多接口多信道的节点配置以及复杂的无线环境,使得无线网状网所能达到的传输性能还远不能满足用户的需求。因此,作为提高无线网状网系统性能的关键技术,路由与传输协议的改进成为目前的研究热点。 基于对无线网状网技术的认识与研究,本文围绕路由与传输技术相关的无线网状网路由协议、网络编码和拥塞控制等问题,进行了深入细致地分析和探讨,并取得了一定的成果。论文的主要研究内容与创新成果归纳如下: 第一,首先对无线网状网的相关背景与研究现状进行了综述。无线网状网是一种新型的无线接入网技术,在各个网络层次上都有很多值得研究的问题存在,特别是路由与传输技术对于提高无线网状网系统性能起着举足轻重的作用,因此论文重点分析了现有路由和传输协议的相关成果以及所面临的问题。 第二,介绍了无线网状网中现有的路由协议,针对路由判据这一当前热点问题展开研究,在归纳和分析几种具有代表性的路由判据基础上,提出了一种多判据的无线网状网路由算法MEIL(Routing Metric on ETX,Interference and Load)。MEIL将无线链路的质量,同频信道之间的干扰以及节点的负载情况综合起来考虑,作为路由选择的判据,使得数据包可以沿着丢包率少、干扰低、负载轻的路径传输,有利于提高网络性能。仿真结果表明,相比于其他常见的路由算法,MEIL能够产生较好的吞吐量与时延特性。 第三,为了解决现有的无线网状网路由协议在实际无线信道环境下性能降低的问题,提出了一种基于概率路由思想的SPRP(Simple Proportional Routing Protocol)协议。SPRP预先建立好以网关节点为根节点的路由树,当数据包到达时,根据无线链路当前的丢包率与节点中预存的子节点集合,动态选择下一跳节点,减轻了链路质量突变对路由协议的影响。同时,由于报文是经过多条可能的路径到达目的节点,从而平衡了网络中节点的负载状况。仿真结果表明,SPRP能够在信道质量不稳定的情况下,有效提高系统吞吐量,降低业务延时。 第四,在研究网络编码相关理论知识的基础上,针对现有的网络编码技术在无线网状网中的应用问题进行了深入的探讨,并提出一种基于业务优先级的概率编码策略PNCP(Proportional Network Coding with Priority)。PNCP主要考虑到无线网状网中业务类型的差异较大,并且报文的到达过程通常具有随机性的问题,使节点为优先级不同的业务流分别维护缓存队列,根据业务自身的优先级和当前队列的状态,灵活的选择是否进行网络编码。利用马尔可夫链建立了节点缓存队列的状态转换模型,并在此模型下推导出丢包率、队列长度、延时等参数的理论值。理论分析和仿真结果都验证了PNCP简单高效的编码策略使其在几乎不影响网络编码优势的前提下,较大幅度的改善了系统性能。 第五,无线网状网中信道衰落、地理环境等因素会导致随机丢包现象的频繁出现,传统的TCP拥塞控制机制由于无法判断丢包原因,往往会不必要的减小拥塞窗口,导致吞吐量无法得到提高。文中提出了一种根据回路响应时间RTT(Round-Trip Time)的变化进行拥塞控制的算法MRBR(Modified Reno Based RTT)。MRBR在慢启动阶段根据RTT值进行带宽估计,避免网络发生拥塞时连续多个报文的丢失。在拥塞避免阶段,利用RTT值实时估算网络拥塞等级,区分拥塞丢包与随机丢包,并相应的改变拥塞窗口的大小,仿真的结果也显示出MRBR算法的性能优势。


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