面向WMN的可靠多路径数据包传输策略研究

摘要

无线mesh网络(Wireless Mesh Network，WMN)是一种由无线节点组成的呈网状拓扑的分布式、自组织的多跳无线网络。作为一种新型的网络接入技术，无线mesh网结合了无线局域网(WLAN)和移动自组网(Ad hoc)的特点，具有部署迅捷、可靠性高、自愈性强、传输速率快等优点，因此受到人们的广泛关注。目前越来越多的无线网络标准支持和融入到无线mesh网中，如IEEE802.11s，IEEE802.16(WiMax)，IEEE802.15(ZigBee)等。然而无论无线mesh网有多少优点，它也始终摆脱不了无线信道噪声大、衰减快、易受干扰的天生缺陷。因此，如何提高无线mesh网的传输可靠性，保证无线mesh网的服务质量(QoS)是当前无线mesh网的研究热点。 本文通过对无线网络标准和无线信道特性进行仿真、研究和对比，重点研究了无线网络标准中MAC层和物理层的工作方式。在此基础上设计了针对“服务质量”和“数据传输可靠性”问题的数据包传输策略。归纳如下: (1)无线mesh网中数据包的可靠传输，是保证网络服务质量的前提条件。为了避免因数据包丢失而造成更多开销，或者降低服务质量，本文提出了一种在无线mesh网的网络层和数据链路层之间主动添加冗余数据包和使用多路径路由的数据包传输策略，简称RTRM。RTRM可以在不影响原来数据传输速率的同时提高数据包传输的可靠性。对于TCP协议，本策略可以有效降低因数据重传而产生的大量开销。对于UDP协议，本策略也可以大幅提升数据包传输的成功率。同时针对冗余数据包的传输策略，提出了多种方案，并在仿真实验的基础上对这些方案进行了分析和对比，最后选择出了性能最稳定最高效的冗余包传输策略，并把它加入到RTRM中。 (2)在仿真器中使用RTRM传输数据包时，发现无线mesh网是个数据传输速率敏感型的网络。使用添加冗余数据包和多路径路由的传输策略只在一定数据传输率下能够提高传输可靠性。在高数据率场景下，此传输策略会使得无线mesh网的传输可靠性降的更低，甚至比不添加冗余数据包还要低。针对无线信道的这一特点，以及反复的仿真实验，最后找到了数据包丢失的根本原因，并据此提出了一种自适应的可靠数据包传输策略，称作S-RTRM。新的数据包传输策略在冗余数据包添加策略的选择，路径的选择和使用，流量分配和控制等各个方面做了进一步改进，并使其更加智能化。它能主动监测链路的性能，并通过计算路径度量选择适合当前路径性能的冗余策略。S-RTRM能够最大限度的发挥冗余数据包的功能，在更广阔的数据传输速率范围内提高传输的可靠性。同时新的传输策略也进一步降低了因为添加冗余数据包而带来的额外开销，在获得可靠性的同时，提高了网络的有效吞吐量。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究意义与背景

1．2 国内外研究现状

1．3 无线网络概述

1．4 IEEE 802．11标准组

1．4．1 802．11物理层

1．4．2 媒体访问控制子层

1．5 论文的研究内容与组织结构

第2章 无线mesh网络概述

2．1 WMN的起源

2．2 802．11网络组件和类型

2．2．1 802．1 1基本网络组件

2．2．2 802．11网络类型

2．3 WMN网络结构

2．3．1 Ad hoc网络

2．3．2 分级结构的WMN

2．3．3 混合结构的WMN

2．4 WMN网络协议栈及路由协议

2．4．1 WMN协议栈

2．4．2 WMN路由协议

2．5 WMN特点

2．5．1 WMN与蜂窝网络

2．5．2 WMN与WLAN(Wi-Fi)

2．5．3 WMN与Ad hoc

2．5．4 WMN优缺点

2．6 QualNet仿真器简介

2．6．1 QualNet简介

2．6．2 QualNet结构

2．6．3 QualNet应用层流量生成协议简介

2．7 本章小结

第3章 基于多路径和冗余包的可靠传输

3．1 相关工作

3．1．1 多路径路由(multipath routing)

3．1．2 路径度量(metric)

3．2 冗余策略研究

3．2．1 异或特性

3．2．2 冗余包生成策略研究

3．2．3 冗余策略研究

3．3 RTRM策略

3．3．1 路由协议选择

3．3．2 路由发现和维护

3．3．3 数据包发送策略

3．3．4 冗余包发送策略研究

3．3．5 RTRM编程实现

3．4 实验结果与分析

3．4．1 低数据率场景下仿真

3．4．2 高数据率场景下仿真

3．5 本章小结

第4章 自适应可靠传输策略

4．1 研究过程

4．1．1 Tx-Power替换Distance

4．1．2 丢包率研究

4．1．3 基于Queue-Length的主动度量探测算法

4．2 S-RTRM策略

4．2．1 S-RTRM描述

4．2．2 802．1 la选速策略研究

4．2．3 冗余包发送策略分析

4．2．4 流量分配策略

4．3 仿真实验

4．3．1 拓扑结构

4．3．2 实验结果与分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加项目

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