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异构无线Mesh网络媒体接入控制策略的研究

作　者: 滕达
导　师: 杨寿保
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 计算机系统结构
关键词: 异构无线Mesh网络射频协作调度算法公平性吞吐率网络效率服务质量保障
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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引　用: 3次
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内容摘要

无线网络的出现使用户脱离了有线网络的束缚,享受更加便捷的网络服务。传统的无线局域网覆盖范围非常小,部署成本颇高。为克服如上缺点,基于IEEE802.11的无线Mesh网络的概念于近年提出,并已应用在医院、矿井、公共安全等领域。随着各种通信技术的发展及硬件成本的降低,各种无线通信技术应运而生,如IEEE 802.16 (WiMAX)、IEEE 802.15.3 (UWB)、3G等。基于802.11的同构无线Mesh网络逐渐发展为具有高融合性、高鲁棒性、高带宽的异构无线Mesh网络。一个地域由若干种无线接入网络覆盖,它们之间采用Mesh的结构相互连接起来,组成一个异构的无线Mesh网络。当无线终端接入设备具有多个射频,且每个射频支持不同的网络接入技术时,移动用户便可以选择当时最适合使用的接入技术连接到异构无线网络。在异构无线Mesh网络环境下,配置多种射频的无线终端在网络中工作,此时,设备可选择多个射频同时接入多个网络,如何使同时工作的射频相互协作,提升设备与网络性能,获得更好QoS支持等,是一个热门研究点；另外,通过提升异构无线Mesh网络中各同构子网的传输性能、公平性、网络效率将最终提高整体异构无线Mesh网络的性能；最后,如何进一步融合各同构子网对路由度量的同一化提出了新的挑战,传统的路由度量无法适用于异构无线Mesh网络环境。本文围绕着异构无线Mesh网络的网络与射频协作问题、各同构子网性能优化、普适路由度量架构进行了深入的研究。通过对WiFi及WiMAX媒体访问控制协议的分析,提出了WiFi与WiMAX的紧耦合射频协作方案；研究并设计了WiMAX、UWB Mesh子网调度算法及移动WiFi Mesh网络公平性传输算法,从而提升了整体异构无线Mesh网络的性能；分析了路由度量应考虑的网络参数,提出并实现了异构无线Mesh网络的路由度量架构。总之,从单跳数据传输,到多跳路由构建,为异构无线Mesh网络设计了一系列全新解决方案。首先,针对异构无线Mesh网络中的射频协作问题,本文理论证实了WiMAX射频与WiFi射频同时工作的可行性,分析了WiFi DCF工作机制的低效性,及WiMAX Mesh的带宽请求机制,提出了一种WiFi与WiMAX射频的紧耦合协作方案。该方案在WiMAX MAC与WiFi MAC实体间设置WFW (WiMAX for WiFi)模块,通过改进的DSCH消息,令WiMAX射频实现WiFi射频的带宽请求-授予-确认过程,避免了WiFi控制信令(RTS/CTS及ACK)交互的开销。通过该方案,WiFi Mesh网络工作效率可达理论最大值100%,网络吞吐率可达理论最大值(如1Mbps); WiMAX Mesh网络性能无损。其次,通过研究WiMAX Mesh子网的数据时槽的分配与调度方式、应用的服务级别区分,设计了一种基于QoS保障的吞吐率-效率最优的分布式数据子帧调度算法；通过研究可变比特率流的特点,针对UWB Mesh网络的时槽分配方式,提出了一种UWB Mesh子网基于QoS的动态时槽分配与调整算法；通过理论分析移动WiFi Mesh网络中数据流在竞争信道时存在严重的不公平现象,提出了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。通过对各异构子网传输性能、公平性、网络效率的提高最终提升整体异构无线Mesh网络的性能。最后,为验证各同构子网的性能,且将异构无线Mesh网络进一步融合,异构无线Mesh网络的路由度量需考虑的两类网络参数：节点质量与链路质量。另外,该路由度量应能够描述不同Mesh子网节点的异质性。针对如上特点设计了应用于异构无线Mesh网络的路由度量架构,且实现了基于该架构的一种路由度量。该度量可应用于各种子网,使得各子网的网络容量得以提升,从而提升了整个异构无线网络的网络容量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-16
第1章绪论  16-40
  1.1 论文研究背景  16-25
    1.1.1 同构无线Mesh网络的概念与体系结构  16-18
    1.1.2 异构无线Mesh网络的概念与体系结构  18-20
    1.1.3 典型同构Mesh子网介绍  20-25
  1.2 异构无线MESH网络的研究现状  25-32
    1.2.1 同异构无线Mesh网络的研究项目  25-27
    1.2.2 异构无线Mesh网络的研究现状  27-32
  1.3 问题的提出  32-34
    1.3.1 异构无线Mesh网络射频协作问题  32-33
    1.3.2 同构子网性能提升问题  33-34
    1.3.3 异构无线Mesh网络的路由度量及架构  34
  1.4 论文主要研究工作  34-38
    1.4.1 研究内容  35-36
    1.4.2 论文组织结构  36-38
  1.5 本章小结  38-40
第2章异构无线MESH网络环境下的射频协作方案  40-56
  2.1 研究动机与意义  40-44
    2.1.1 多射频协作的意义  40-41
    2.1.2 WiFi与WiMAX射频的可同时工作性  41-42
    2.1.3 WiMAX Mesh带宽请求机制及WiFi DCF的低效性  42-44
    2.1.4 WiMAX与WiFi射频紧耦合协作方案  44
  2.2 WiR与WiMAX射频紧耦合协作方案的理论基础与性能分析  44-48
    2.2.1 WiFi与WiMAX射频紧耦合协作方案的理论基础  44-45
    2.2.2 MDSCH控制信令的格式及分析  45-47
    2.2.3 WiFi Mesh性能分析  47
    2.2.4 WiMAX Mesh性能分析  47-48
  2.3 WiFi与WiMAX紧耦合协作方案的系统设计与实现  48-52
    2.3.1 WiMAX DSCH过程的MAC层实现  48-49
    2.3.2 WiFi与WiMAX射频紧耦合协作方案的系统设计与工作流程  49-52
  2.4 WiFi与WiMAX射频紧耦合协作方案的性能评估  52-55
    2.4.1 仿真实验环境、拓扑结构及参数设置  52-53
    2.4.2 WiFi与WiMAX射频紧耦合协作方案的性能评估  53-55
  2.5 本章小结  55-56
第3章 802.11 MESH网络媒体接入控制策略优化方案  56-68
  3.1 移动MESH网络与车载网络  56-57
  3.2 移动MESH网络中数据流竞争的不公平性  57-59
  3.3 移动MESH网络中数据流竞争信道不公平性的理论分析  59
  3.4 公平性与吞吐率的相关参数分析  59-61
    3.4.1 数据包大小与竞争信道公平性和吞吐率的关系  59-61
    3.4.2 数据包大小Packet与平均吞吐率Throughput的关系  61
    3.4.3 相对车速V与数据包大小Packet的关系  61
  3.5 数据包大小对公平性的影响以及最佳数据包大小的模拟分析  61-63
    3.5.1 数据包大小Packet对公平性的影响  62-63
    3.5.2 相对车速V与Packet的最佳均衡  63
  3.6 数据包大小自适应调节方案  63-66
    3.6.1 数据包大小自适应调节方案  63-64
    3.6.2 SRTS/SCTS的设计  64
    3.6.3 SRTS/SCTS的工作过程  64-66
  3.7 本章小结  66-68
第4章 WIMAX MESH网络媒体接入控制策略优化方案  68-86
  4.1 WIMAX MESH分布式调度模型及服务分类模型  68-70
    4.1.1 协调分布式调度机制模型  68-69
    4.1.2 服务区分与分类  69-70
  4.2 研究动机  70-72
  4.3 提高网络性能与用户满意度的算法:QoS-TEOS  72-75
    4.3.1 提高服务质量的算法  72-73
    4.3.2 保证吞吐率-效率最优化的算法  73-75
  4.4 基于QoS保障的吞吐率-效率最优的分布式数据子帧调度机制  75-78
    4.4.1 Dx的分配  75-76
    4.4.2 n的分配  76-77
    4.4.3 QoS-TEOS机制的工作过程  77-78
  4.5 模拟实验与结果分析  78-84
    4.5.1 模拟程序的实现  78-79
    4.5.2 模拟仿真场景与配置  79-80
    4.5.3 实验结果与分析  80-83
    4.5.4 关于延迟与抖动的讨论  83-84
  4.6 本章小结  84-86
第5章 UWB MESH网络媒体接入控制策略优化方案  86-94
  5.1 UWB的MAC协议与QoS保障  86-87
  5.2 研究动机  87-89
  5.3 基于QoS感知的时槽请求与分配算法  89-90
  5.4 5BIT动态时槽调整算法  90-92
  5.5 仿真实验  92-93
  5.6 本章小结  93-94
第6章 802.11 MESH网络中链路及路径质量度量研究  94-102
  6.1 研究背景  94-95
  6.2 研究动机与意义  95-97
    6.2.1 期望传输时间路由度量(Expected Transmission Time,ETT)  95-96
    6.2.2 ETT度量的不足  96-97
    6.2.3 如何提高路由度量的网络描述准确度  97
  6.3 节点质量调整的ETT度量  97-99
    6.3.1 节点质量刻画  97-98
    6.3.2 节点质量调整的ETT度量:NQETT  98-99
  6.4 AD-HOC ON DEMAND DISTANCE VECTOR路由协议:AODV  99-100
  6.5 模拟实验结果  100-101
  6.6 本章小结  101-102
第7章异构无线MESH网络的链路与路径质量度量架构  102-110
  7.1 研究背景与研究动机  102-103
  7.2 子网节点异质性刻画  103-104
  7.3 异构无线MESH网络的路由度量架构  104-105
  7.4 BLETX:基于节点繁忙程度与负载调整的ETX  105-106
  7.5 模拟实验结果及分析  106-109
    7.5.1 WiMAX Mesh子网的模拟实验结果  106-107
    7.5.2 802.11 Mesh子网的模拟实验结果  107-109
  7.6 本章小结  109-110
第8章总结与展望  110-114
  8.1 本文工作总结  110-111
  8.2 本文的主要贡献和创新  111-113
  8.3 未来工作展望  113-114
参考文献  114-124
文中常用缩略语及中英文对照表  124-126
致谢  126-128
攻读博士学位期间发表的论文  128-130
攻读博士学位期间参加的项目  130-131

异构无线Mesh网络媒体接入控制策略的研究

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