无线Mesh网络MAC协议及路由协议跨层优化的研究

摘要

无线Mesh网络是一种动态自组织、具有自我配置的路由和转发功能的多跳无线网络，与传统的固定无线接入系统相比，无线Mesh网络具有频谱效率高、系统容量大、覆盖能力强、兼容性好、可靠性高、初期建设成本低等许多优点，是一种有竞争力的宽带接入方式，具有广泛的应用前景。目前无线Mesh网络在MAC协议和路由协议方面有很多相关的技术问题需要研究和解决。同时，跨层优化技术作为近期的研究热点，也正在成为设计MAC协议和路由协议的新的发展方向。 本文主要对无线Mesh网络MAC协议建立数学模型和进行分析并基于MAC模型提取相关参数进行跨层优化的路由协议设计。首先概述了无线Mesh网络的背景、概念特点、组成部分和三种组网类型模式；其次详细的阐述了应用于无线Mesh网络的MAC协议和路由协议，对各类型的MAC协议和路由协议的工作方式以及优缺点进行了分析，并详细介绍了这两方面近期的研究热点和发展方向；然后，基于IEEE 802.11单节点MAC协议退避时间模型，建立了无线Mesh网络中无线路由器节点到网关节点的多跳网络包传输延迟数学模型。通过分析各层节点的实际包到达率和平均服务时间，建立M/G/1的排队系统模型，准确地分析无线Mesh网络中饱和状态下数据包传输延迟。仿真实验表明，仿真结果与模型分析基本吻合，达到了预期目的，并能为多判据跨层设计提供很好的方案；最后，提出一种基于MAC模型的多判据路由跨层设计优化机制的新方法。通过对MAC协议进行数学建模，从模型中提取能够反应路由链路质量的参数，作为路由选择的判据，既达到将底层信息反馈到高层的跨层设计思路，又照顾到各层之间的透明性和设计开发的独立性，是一种易于实现的跨层设计方案。文中针对传统的AODV协议以跳数作为单一路由判据存在的问题，基于IEEE 802.11 DCF标准，分析了单节点退避时间模型，提取信道条件冲突概率作为参数，提出了新的跨层路由协议优化机制AODV-MLP。通过定期发送AODV中的HELLO包来更新自己的邻居节点数量，计算出信道条件冲突概率，在发送路由建立广播包RREQ时更新路由判据，通过单播回复包RREP进行路由判决，并且修改了AODV的路由表，达到路由选择和更新的目的。仿真结果表明，AODV-MLP在系统吞吐量、包成功转发率、平均端到端时延上相对于AODV有较大程度的改善。