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面向Internet接入无线Mesh网络性能分析及协议优化研究

2020-12-11阅读(250)

面向Internet接入无线Mesh网络性能分析及协议优化研究

论文摘要

随着无线通信技术的蓬勃发展,互联网用户挣脱了有线网络的束缚,充分享受无线网络带来的便捷。受制于蜂窝网络高昂的建设和使用费用,用户通常选择以802.11技术为代表的无线局域网接入Internet。现在日常使用的无线局域网通常工作在架构模式下,终端通过无线接入点单跳连接到有线网络中,受无线传输距离的影响,单跳工作的无线局域网覆盖范围较小;另外,无线局域网的覆盖依赖于有线基站的部署,部署成本较高。而无线Mesh网络采用分布式无线多跳技术,扩展了网络覆盖范围,降低了网络建造成本,能够为用户提供更低廉的无线宽带接入服务。无线Mesh网络采用无线传输作为通信媒介,由于无线传输共享频域形成干扰,且信号信号受环境等影响,数据传输不稳定,网络传输效率低下。同时,无线Mesh网络具有分布式多跳、动态接入等特点,传统的通信协议无法适应Internet接入的高带宽需求。本文旨在分析面向Internet接入的无线Mesh网络性能,进而研究网络通信协议的优化策略,以提高网络容量,提升通信效率。首先,为了分析影响无线Mesh网络传输效率低效的因素,本文对无线Mesh网络传输性能进行建模,通过分析找到影响无线Mesh网络端到端传输效率的因素,提出从网络负载控制、路由转发设计、链路速率调整等方面对网络协议的设计进行优化。针对无线Mesh网络主干的无线多跳传输特点,研究基于负载均衡控制的路由转发协议。本文通过对面向Internet接入无线Mesh网络传输特性的分析,提出采用层次结构控制数据转发,通过层次内负载的均衡,来平衡整体网络负载;使用影响因子的概念将无线Mesh网络中上下游之间的负载关系考虑到路由判据中,设计了一种基于上下游链路质量相关的路由判据Metric;引入多网关多路径技术对路由协议进行设计,提出一种多网关多路径路由协议,采用树形结构在源节点与目的节点间选择多条路径,应对链路失效,增加网络的冗余度。为了提升无线Mesh网络中单跳无线传输的性能,本文着重从链路速率调整、链路传输调度两方面进行研究。为了解决“盲探测”过多尝试低效速率集的问题,提出了一种基于网络历史信息调整的速率自适应算法,通过短期探测评估结合历史有效信息调整的方法进行速率选择,提高了链路传输效率。本文进一步通过实验方法分析了802.11n系统中多输入多输出(MIMO)的特性,设计了一种新的MIMO速率自适应算法,采用模式内顺序移动、模式间跳转切换的方式确保能找到当前环境下的最优传输速率。为了提升射频利用率,开辟无线频谱资源,在多射频无线Mesh系统上,本文研究了基于包级别的调度机制,实现无线链路的并行传输,从而提高了网络吞吐量。最后,本文以校园网络场景为例,针对所规划区域,在综合考虑用户需求异构、物理设备异质的基础上,提出基于成本优化的无线Mesh网络部署方案。本文通过构建无线Mesh网络性能分析模型,找到网络端到端传输性能的因素,进而从负载控制、路由转发、速率调整、传输调度四个方面对协议进行了优化设汁,提高了Mesh网络容量和数据流端到端传输性能,改善了用户的体验,为WMN的其他研究提供有力的依据。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 图表目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 论文研究背景
  • 1.1.1 无线Mesh 网络的概念与体系结构介绍
  • 1.1.2 IEEE 802.11 协议族介绍
  • 1.1.3 IEEE 802.11 Mesh 网络
  • 1.2 无线Mesh 网络的研究现状
  • 1.2.1 国内外无线Mesh 网络的研究项目
  • 1.2.2 无线Mesh 网络研究现状的概述
  • 1.3 问题的提出
  • 1.3.1 无线传输共享频域带来的干扰问题
  • 1.3.2 无线信号传输的不稳定性
  • 1.3.3 分布式多跳特性降低了传输效率
  • 1.3.4 动态接入造成网络管理复杂性
  • 1.4 论文主要研究工作
  • 1.4.1 论文主要研究内容
  • 1.4.2 论文组织结构
  • 1.5 本章小结
  • 第2章 无线 Mesh 网络传输性能模型及优化分析
  • 2.1 无线传输影响因素分析
  • 2.1.1 无线传输的干扰现象
  • 2.1.2 网络负载对整体吞吐量的影响
  • 2.2 Mesh 网络性能建模
  • 2.2.1 Mesh 网络干扰图模型
  • 2.2.2 Mesh 网络性能关系分析
  • 2.3 Mesh 网络协议优化分析
  • 2.3.1 最优负载控制策略
  • 2.3.2 路由优化分析
  • 2.3.3 链路速率优化
  • 2.4 性能模型验证及性能分析
  • 2.4.1 模型正确性验证
  • 2.4.2 优化结果分析
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 基于层次的负载均衡控制策略研究
  • 3.1 背景及相关工作
  • 3.1.1 IEEE802.11s 网络架构
  • 3.1.2 WMN 现有负载均衡协议
  • 3.2 WMN 网络模型
  • 3.2.1 WMN 网络特性及性能分析
  • 3.2.2 WMN 层次模型
  • 3.2.3 负载均衡定义
  • 3.3 基于层次的负载均衡控制路由策略
  • 3.3.1 层次模型的构建
  • 3.3.2 层次均衡路由数据转发控制策略
  • 3.3.3 层次路由对下行流的适应性
  • 3.4 负载均衡控制策略性能分析及仿真实验
  • 3.4.1 负载均衡策略有效性分析
  • 3.4.2 负载均衡策略仿真实验和结果分析
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 链路质量相关的 WMN 路由 Metric 设计
  • 4.1 相关工作
  • 4.1.1 现有路由协议中链路质量刻画
  • 4.1.2 IEEE802.11 DCF 传输干扰分析
  • 4.2 链路质量相关的WMN 路由Metric
  • 4.2.1 传输影响因子
  • 4.2.2 修正的链路期望传输时间：METT
  • 4.2.3 修正的路径选择依据：SMETT
  • 4.3 链路质量相关路由选择策略
  • 4.4 链路质量相关路由Metric 仿真实验结果及分析
  • 4.4.1 不均匀链路对传输的影响
  • 4.4.2 多种路由Metric 性能比较
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 多网关多路径路由协议设计及优化
  • 5.1 相关工作
  • 5.1.1 无线网络多网关链接技术
  • 5.1.2 无线网络的多路径路由协议
  • 5.2 多网关多路径路由协议MGMP
  • 5.2.1 MGMP 简要描述
  • 5.2.2 MGMP 路由发现及维护
  • 5.2.3 MGMP 网关选择机制
  • 5.2.4 MGMP 多路径中数据包的分发策略
  • 5.3 多网关多路径路由协议MGMP 优化
  • 5.3.1 STA 端包产生速率限制
  • 5.3.2 链路过滤
  • 5.3.3 链路拥塞的控制
  • 5.4 多网关多路径路由协议MGMP 仿真及分析
  • MGMP 与HWMP、AODV、OLSR 对比实验'>5.4.1 BasicMGMP 与HWMP、AODV、OLSR 对比实验
  • 5.4.2 MGMP 数据包分发策略分析
  • 5.4.3 MGMP 优化机制分析
  • 5.4.4 优化MGMP 与HWMP 的性能比较
  • 5.5 本章小结
  • 第6章 802.11 网络历史信息调整的速率自适应算法
  • 6.1 相关工作
  • 6.2 短期历史信息学习：一个示例分析
  • 6.2.1 实验床简介
  • 6.2.2 示例分析
  • 6.3 历史信息调整的速率适应算法
  • 6.3.1 自适应探测窗口机制
  • RRAA：历史信息调整的RRAA'>6.3.2 HARRAA：历史信息调整的RRAA
  • 6.3.3 信道快速变化的适应策略
  • RRAA 性能评测'>6.4 HARRAA 性能评测
  • 6.4.1 固定位置实验结果
  • 6.4.2 移动场景实验结果
  • 6.4.3 实地测试实验结果
  • 6.5 本章小结
  • 第7章 802.11n 网络 MIMO 速率自适应算法
  • 7.1 引言
  • 7.2 实验平台介绍
  • 7.2.1 实验床平台
  • 7.2.2 实验设置
  • 7.2.3 实验方法
  • 7.3 802.11n 系统中现有RA 算法的示例分析
  • 7.4 802.11n 系统中MIMO 特性分析
  • 7.4.1 SS 和DS 模式下的非单调性
  • 7.4.2 SS、DS 单独模式下的单调性
  • 7.4.3 802.11n 的帧聚合机制
  • 7.5 MiRA 算法设计
  • 7.5.1 Zigzag RA：Intra-和Inter-模式RA
  • 7.5.2 隐藏终端的处理
  • 7.6 MiRA 算法实现和性能评测
  • 7.6.1 系统实现
  • 7.6.2 性能评测
  • 7.7 本章小结
  • 第8章 多射频 WMN 网络并行传输调度机制研究
  • 8.1 研究动机
  • 8.1.1 单射频WMN 的局限性
  • 8.1.2 多射频多信道场景
  • 8.2 多射频并行调度系统
  • 8.2.1 调度系统模型
  • 8.2.2 调度系统算法
  • 8.2.3 调度系统适应的路由度量
  • 8.3 并行调度仿真结果比较
  • 8.3.1 流传输模型
  • 8.3.2 仿真结果
  • 8.3.3 分析说明
  • 8.4 本章小结
  • 第9章 基于成本优化的 WMN 部署系统
  • 9.1 无线网络相关部署方法
  • 9.1.1 WLAN 相关部署方案
  • 9.1.2 WMN 多跳网络部署方法
  • 9.2 覆盖需求及网络传输分析
  • 9.2.1 不同用户需求密度对覆盖的影响
  • 9.2.2 无线网络传输竞争开销
  • 9.3 基于成本优化部署系统
  • 9.3.1 MPAP 算法
  • 9.3.2 APMP 算法
  • 9.4 WMN 部署系统实现
  • 9.5 本章小结
  • 第10章 总结和展望
  • 10.1 本文工作总结
  • 10.2 本文主要贡献和创新
  • 10.3 未来工作展望
  • 参考文献
  • 文中常用缩略语及中英文对照表
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文与取得的研究成果
  • 攻读博士学位期间参加的科研项目

    • 相关论文文献

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