基于跨层设计的无线信道分配策略的研究

论文摘要

无线Mesh网络由无线路由器和无线接入点组成。它具覆盖范围较广、接入方便和组网成本较低等特点,是一种解决无线终端接入网络的有竞争力的解决方案。但是由于无线网络传输介质的特性,无线链路的传输速率会因为链路干扰而降低,降低干扰的一种有效方法是采用正交信道传输数据。无线Mesh网络使用IEEE 802.11标准。在IEEE802.11标准中,分别定义了不同数量的正交信道,研究如何有效利用这些有限的正交信道,降低提高网络吞吐量具有十分重要的意义。传统的无线Mesh网络研究得比较多的是单信道MAC协议,其设计难点主要集中在解决隐藏终端和暴露终端问题,大多数的协议都采用RTS/CTS分组的预约机制来解决该问题。采用单信道的一个共同问题就是移动节点数的增加将加剧节点间的竞争和分组发送的冲突,使得网络性能随之急剧下降,信道利用率降低。采用多接口多信道技术可以为网络中的节点或链路分配不同信道,有效降低网络干扰,提升网络容量。本文基于IEEE 802.11 MAC协议和路由协议,围绕如何提高无线Mesh网络吞吐率这一问题,开展了以下研究工作：分析了多接口多信道无线Mesh网络的存在的问题和已有的信道分配算法和路由协议研究的优点与不足,总结了静态无线Mesh网络的网络模型和干扰模型。针对当前多信道路由度量标准在网络中数据流的数量较少时,不能够充分利用网络的可选路径和信道资源问题,提出了一种基于“跨层设计”的按需路由和信道分配算法。该算法综合考虑路由问题与信道分配问题,首先将MAC层的信道信息加入到路由协议中,使节点在路由的过程中可以充分考虑到当前链路和在此链路干扰范围内的其他链路的信道使用情况。然后为该路径上的相邻链路尽量分配互不相同的信道,使节点能够选择一条最优的链路,从而降低了路径上相邻链路间的干扰,提高了网络吞吐率。最后,本文对NS-2的无线模块进行了扩展,建立无线多信道网络仿真模型,分别对Hyacinth、本文提出的算法以及单信道环境下的网络性能进行了仿真,并对结果进行了比较。仿真结果表明,本文提出的算法能够获得更高的平均吞吐量以及更高的分组投递率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究工作的背景和意义
• 1.2 本论文的工作以及内容安排
• 2 无线Mesh网络
• 2.1 无线Mesh网络的背景与起源
• 2.2 无线Mesh网的网络结构
• 2.2.1 骨干网Mesh结构
• 2.2.2 客户端Mesh结构
• 2.2.3 混合Mesh结构
• 2.3 无线Mesh网的特点与优点
• 2.4 无线Mesh网络的应用
• 2.5 无线Mesh网的关键技术
• 2.6 本章小结
• 3 多信道无线Mesh网络
• 3.1 信道分配的研究现状
• 3.1.1 信道分配研究存在的问题
• 3.1.2 信道分配的相关工作
• 3.2 路由算法的研究现状
• 3.2.1 路由算法研究存在的问题
• 3.2.2 路由算法的相关工作
• 3.3 网络结构设计的研究现状
• 3.3.1 网络结构设计存在的问题
• 3.3.2 网络结构设计的相关工作
• 3.4 本章小结
• 4 基于跨层思想的信道分配算法的研究
• 4.1 跨层设计
• 4.1.1 MAC协议设计的要求
• 4.1.2 路由协议设计的要求
• 4.1.3 WMN跨层设计的实现方式
• 4.2 信道分配问题描述
• 4.2.1 静态无线Mesh网络模型
• 4.2.2 传输干扰模型与链路冲突图
• 4.2.3 信道分配算法的目标
• 4.3 基于跨层设计的信道分配算法
• 4.3.1 所需数据结构
• 4.3.2 信道协调过程和信道分配
• 4.3.3 算法描述
• 4.4 本章小结
• 5 模拟和仿真
• 5.1 NS-2仿真软件及多接口扩展
• 5.1.1 移动节点模型
• 5.1.2 基本工作流程
• 5.1.3 NS-2的多信道扩展
• 5.2 性能仿真与讨论
• 5.2.1 仿真参数与场景
• 5.2.2 仿真路由协议
• 5.2.3 结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢