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无线Mesh网络中高效公平通信协议的研究

王大鹏  
【摘要】: 无线通信技术日新月异的发展改变着我们的生活,让我们可以脱离有线网络的束缚,充分享受无线网络带来的便捷。以802.11技术为代表的无线局域网络可以为用户提供廉价的网络接入服务,但现在日常使用的无线局域网络通常工作在架构模式,所有无线终端设备通过访问接入点单跳接入有线网络。单跳无线传输距离有限,导致无线局域网络的范围非常小;另一方面,由于无线局域网通过有线网络链接到Internet,因此对有线连接有着严重的依赖性,部署成本颇高。为了扩大信号覆盖范围,降低建造成本,无线Mesh网络的概念于近些年提出,并已经应用在医院、矿井、公共安全等领域。 无线Mesh网络中数据通过多跳转发被发送到数据接收端,或者具有有线连接的网关节点上。现有网络通信协议栈上各层协议不能适应这一新特点而工作效率低下,导致无线Mesh网络中端到端数据吞吐率降低,并且当多个通信系统竞争传输机会时无线资源分配缺乏公平性,从而导致端到端数据传输的不公平问题。 本文围绕着无线Mesh网络分布式多跳传输模式、无线链路资源质量不稳定、共享频域内无线传输相互干扰等无线Mesh网络中数据传输所呈现的问题,紧紧围绕提升端到端传输性能问题进行了深入的研究。对原有无线协议在多跳传输时效率低下、不公平的原因进行了分析,设计并实现了解决方案,通过对无线Mesh网络中传输层协议、网络层协议、媒体访问控制层协议的优化和改进来提升通信协议在无线Mesh网络中的传输效率和公平性,为设计适用于无线Mesh网络的高效、公平通信协议展示了一系列全新解决方案。 首先,为了分析导致传输层协议在多跳环境下低效的原因,提升传输层协议在无线Mesh网络中的传输效率,本文对无线Mesh网络中TCP公平性进行建模与分析,通过分析找到影响无线Mesh网络中TCP协议公平性的因素,主要包括发送端到接收端的跳数、路由节点的邻居数、路由节点负载以及超时计时器的计数值。之后,采用跨层设计的方法设计了一种基于MAC错误预警机制的SCTP拥塞控制方法,解决了无线网络传输层协议在高误码率导致频繁丢包情况下拥塞窗口减小所导致传输性能不高的问题,提升了无线网络在高误码率下的传输效率。 然后,本文使用感染因子的概念将无线Mesh网络中上下游链路之间的负载关系考虑到路由判据(Metric)中,设计了一种新的上下游链路质量相关的路由Metric。随后将无线链路质量的非对称性纳入考虑范围,提出了有向双向路由Metric概念,并将其使用在AODV协议中,设计了一种非对称链路质量路由协议。该协议在无线Mesh网络中通过一次路由建立过程便可以生成从源端到接收端和从接收端到源端两条不同的高效传输路径,从而提升了无线Mesh网络中端到端的数据传输性能。为研究多Radio Mesh网络的路由协议,我们在多RadioMesh节点上实现了基于ETX的链路质量路由协议,并且搭建了试验床,通过性能测试对单Radio Mesh网络和多Radio Mesh网络在几种不同场景下的传输效率进行比较。 其次,我们进一步通过严谨的数学分析和仿真试验对基于多Radio多信道技术的机会路由协议在无线Mesh网络中的传输性能进行了研究,提出一种信道分配策略,使得机会路由在Mesh网络中的传输效率得到了提升。 为了解决随着Mesh网络规模的扩大,网络内的无线系统之间传输信号的干扰降低网络通信效率的问题,针对开放网络(Unlicensed Band)中使用不同通信协议的无线设备的共存问题,本文提出了一种基于Unlicensed Band的分布式动态频谱分配算法,降低了无线系统使用相互干扰频谱所带来的性能丢失,提升了Mesh网络容量和传输效率。进一步针对2.4GHz频段提出了一种固定信道分配策略,利用MIMO通信技术中的干扰消去算法和多用户模式增加网络中并行传输流出现的机会,提升了通信效率。 最后,为了解决Mesh网络中节点移动时,回退计时器的冲突避免方法无法保障移动中的Mesh节点公平的分享无线资源,数据传输性能呈现不公平的现象的问题,我们设计一种数据包大小自适应调节算法来提高移动Mesh网络中通信对端信道竞争的公平性,进而保证每条数据流相对较高的平均吞吐率。


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