黃麗芬

HUANG Li-fen

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程系，南寧 530001)

0 引言

傳統(tǒng)意義上的無(wú)線接入技術(shù)主要采用一種由點(diǎn)至點(diǎn)或者多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中往往只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，比如WLAN中的AP，或者移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站都屬于這種情況。它們的工作原理是：中心節(jié)點(diǎn)一方面通過(guò)單挑無(wú)線鏈路與其他各個(gè)無(wú)線端點(diǎn)相連，另一方面又通過(guò)有線鏈路提供到有線骨干網(wǎng)的鏈接。而無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用的是網(wǎng)狀的Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即由多點(diǎn)至多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它能夠提供典型的Internet接入場(chǎng)景，通過(guò)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。在它的主要骨干網(wǎng)路中的節(jié)點(diǎn)大部分是靜止的或具有很不明顯的移動(dòng)性。

1 Mesh網(wǎng)絡(luò)的介紹

1.1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著各種無(wú)線通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展，一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)也逐漸發(fā)展起來(lái)，在用戶群中產(chǎn)生了重大的影響，受到了人們的熱烈追捧。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Networks ,簡(jiǎn)稱WMNs），即無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)，亦稱無(wú)線多跳網(wǎng)，通過(guò)與其他寬帶無(wú)線接入技術(shù)如802.11、802.16以及3G移動(dòng)通信等技術(shù)相結(jié)合，從而組成一個(gè)高速率大容量多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的分布式無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)的一大特色是含有多跳無(wú)線鏈路。有了這種無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)路，就可以大大增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋面，同時(shí)又能提高無(wú)線寬帶容量和通信的可靠性，因此是一種非常有發(fā)展前景的寬帶無(wú)線接入手段?；谝陨咸攸c(diǎn)，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)成為社區(qū)、企業(yè)內(nèi)部以及城域網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)一般由Mesh路由器和Mesh終端兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。Mesh路由器在具備傳統(tǒng)的無(wú)線路由器的網(wǎng)關(guān)/中繼功能的基礎(chǔ)上，又增加了支持Mesh網(wǎng)絡(luò)互連的路由功能。這種路由器通常具有多個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)，這些接入點(diǎn)是運(yùn)用相同的接入技術(shù)建立的，同時(shí)也支持不同的無(wú)線接入技術(shù)。與傳統(tǒng)的無(wú)線路由相比，Mesh路由器具有極大的優(yōu)越性。它能夠通過(guò)無(wú)線多跳通信用比傳統(tǒng)無(wú)線路由低很多的發(fā)射功率獲得同樣范圍的無(wú)線覆蓋。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，互連的Mesh路由器構(gòu)成骨干網(wǎng)，骨干網(wǎng)再運(yùn)用其中的網(wǎng)管Mesh與Internent相連。相較于Mesh路由器，Mesh終端一般不具有網(wǎng)關(guān)橋接能力。即使它也具有一定的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，但通常只擁有一個(gè)無(wú)線接口，因此它的復(fù)雜程度很較小。Mesh終端是多種多樣的，它可以是筆記本電腦，掌上電腦，甚至是手機(jī)等。各Mesh終端之間的互連構(gòu)成一個(gè)小型的對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由和終端之間混合組網(wǎng)的情況并不復(fù)雜。如圖1所示。

1.2 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線接入技術(shù)相比，有以下六個(gè)新特點(diǎn)：

1）多類型網(wǎng)絡(luò)的接入

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)既允許無(wú)線終端接入骨干網(wǎng)，同時(shí)又支持與其相對(duì)等的無(wú)線終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信。一方面它可以與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，另一方面又通過(guò)為無(wú)線終端設(shè)備的用戶提供無(wú)線接入服務(wù)。

2）無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線Mesh技術(shù)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)除了在充分拓展信道容量的情況下，對(duì)現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍進(jìn)行擴(kuò)展之外，還有一個(gè)目標(biāo)是為遠(yuǎn)距離的無(wú)線鏈路用戶提供非視距連接。這就使得多跳網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用成為必要。多跳網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線鏈路距離更短、節(jié)點(diǎn)干擾較少和頻率的重復(fù)利用率高等特點(diǎn)，這樣就使得Mesh網(wǎng)絡(luò)在獲得更高的系統(tǒng)容量的同時(shí)又不影響信道的正常容量。

3）支持Adhoc方式網(wǎng)絡(luò)連接

因?yàn)榫哂薪Y(jié)構(gòu)靈活、易于部署和網(wǎng)狀連接多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信等特點(diǎn)，無(wú)線Wesh網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)用戶的實(shí)際需求進(jìn)行逐漸容量擴(kuò)展。它的自組織自愈能力使其可以自動(dòng)探索到新的節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)完成配置升級(jí)，而不用管理員親自動(dòng)手。這樣一來(lái)，在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)或者鏈路故障時(shí)也可以通過(guò)自動(dòng)的調(diào)整排除故障。

4）集成性

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以運(yùn)用Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能，將現(xiàn)有的多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行整合。如此一來(lái)，無(wú)線骨干網(wǎng)就形成了。多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接在一起就形成了“無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)”。身為用戶終端自組網(wǎng)的Adhoc網(wǎng)絡(luò)就不具備這種網(wǎng)關(guān)功能。

5）相對(duì)穩(wěn)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的Adhoc網(wǎng)絡(luò)的終端用戶具有不可靠性和移動(dòng)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接的變化相對(duì)較大，這就給路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)配置問(wèn)題面臨更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。而在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，Mesh路由器一般是靜止不動(dòng)的設(shè)備。這樣就比終端用戶具有更大的可靠性。

6）專門化的路由和配置功能

在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，即使Mesh終端本身具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，但Mesh路由器還是承載了主要的路由和配置功能，這樣就大大減輕了Mesh終端的壓力。

圖1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 一種負(fù)載平衡混合路由協(xié)議

LB-HWMP，IEEE802.11s中提出一種混合式無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(HybridW irelessMesh Protoco,l HWMP) 將MA-NET路由協(xié)議中的按需式路由和先應(yīng)式路由的思想接合起來(lái)，該協(xié)議既具備按需式路由的靈活性又具備先應(yīng)式路由的迅速性，適應(yīng)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)這種基干網(wǎng)結(jié)構(gòu)和Ad hoc自組織網(wǎng)結(jié)構(gòu)接合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。HWMP中有按需路由形式(On-DemandRouting)和基于樹形結(jié)構(gòu)的路由形式(Tree-Based Routing)兩種路由辦法.按需路由形式和傳統(tǒng)的AODV路由辦法相同,而基于樹形結(jié)構(gòu)的路由形式是在樹的樹立和保護(hù)中吸收了傳統(tǒng)AODV協(xié)議中的RREQ、RREP、RRER等機(jī)制。

IEEE802.11s草稿僅給出HWMP的基本思想和主要框架，那里面的成功實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)仍在不斷完備當(dāng)中，現(xiàn)階段已經(jīng)顯露出來(lái)一點(diǎn)針對(duì)HWMP改進(jìn)的路由協(xié)議，在HWMP基礎(chǔ)上提出了一種新的多途徑路由協(xié)議。WMRP，它接合散布式和集中式路由，將數(shù)值鏈路層的最簡(jiǎn)單的面路由辦法拉伸成大致相似于IP路由的多級(jí)路由框架，增長(zhǎng)了HWMP的執(zhí)行速率。研究中有一種管用的先驗(yàn)式和反響式接合的路由算法，利用HWMP中先驗(yàn)式和反響兩種路由方式的長(zhǎng)處來(lái)補(bǔ)救各自的欠缺,管用減不多時(shí)延和吞吐量，經(jīng)過(guò)對(duì)HWMP以及現(xiàn)存改進(jìn)協(xié)議在負(fù)載平衡方面的剖析，發(fā)現(xiàn)有以下五個(gè)不足之處：

1）HWMP是混合路由協(xié)議，但它沒(méi)有將按需求路由和先應(yīng)式路由形式美好地接合起來(lái)，只供給了一個(gè)送出和收繳信息的框架。

2）HWMP是基于MANET網(wǎng)絡(luò)中AODV協(xié)議施行改進(jìn)，AODV協(xié)議本身在負(fù)載扼制方面存在不充足，因?yàn)檫@個(gè)HWNP在WMN負(fù)載較重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的路由發(fā)覺(jué)時(shí)延。

3）HWMP在路由發(fā)覺(jué)和路由保護(hù)過(guò)程中，只依據(jù)最小跳數(shù)作為途徑挑選根據(jù)，沒(méi)有思索問(wèn)題節(jié)點(diǎn)的負(fù)載事情狀況，有可能顯露出來(lái)途徑的部分負(fù)載過(guò)大，因此造成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量的減退。

4）處于基干WMN核心的節(jié)點(diǎn)(即mesh路由器)是網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的瓶頸。在節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重時(shí)，仍不斷收繳轉(zhuǎn)發(fā)的煩請(qǐng)響應(yīng)信息，進(jìn)一步導(dǎo)致信道堵塞，針對(duì)上面所說(shuō)的剖析中提出的問(wèn)題，本文對(duì)HWMP路由發(fā)覺(jué)和路由保護(hù)過(guò)程施行改進(jìn)，成功實(shí)現(xiàn)了一種具備負(fù)載平衡機(jī)制的混合路由協(xié)議LBHWMP(Load Balancing HWMP)。

該協(xié)議的主要改進(jìn)思想是：運(yùn)用節(jié)點(diǎn)負(fù)載約束機(jī)制和節(jié)點(diǎn)信息扼制機(jī)制，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)負(fù)載約束權(quán)值函數(shù)對(duì)路由發(fā)覺(jué)和路由保護(hù)過(guò)程施行改進(jìn)，路由挑選時(shí)同時(shí)思索問(wèn)題節(jié)點(diǎn)負(fù)載和跳數(shù)兩個(gè)因素，對(duì)重?fù)?dān)載節(jié)點(diǎn)跳數(shù)加以惡罰。同時(shí)，在重?fù)?dān)載時(shí)扼制半中腰節(jié)點(diǎn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值包,緩解信道的運(yùn)用率。

3 負(fù)載行數(shù)的設(shè)計(jì)

因?yàn)镠WMP路由發(fā)覺(jué)和路由保護(hù)過(guò)程以AODV協(xié)議為基礎(chǔ)，所以在路由樹立過(guò)程中都是以最小跳數(shù)為挑選依據(jù)，這會(huì)造成當(dāng)一點(diǎn)負(fù)載過(guò)大的節(jié)點(diǎn)還是處于主途徑中，這就造成了部分負(fù)載過(guò)大，減低網(wǎng)絡(luò)吞吐量。我們運(yùn)用以下函數(shù)對(duì)負(fù)載連續(xù)不斷增加的節(jié)點(diǎn)施行一定的方式，防止再次選中重?fù)?dān)載節(jié)點(diǎn)，設(shè)負(fù)載約束權(quán)值函數(shù)為f( )，節(jié)點(diǎn)nodei的現(xiàn)時(shí)負(fù)載為load,i約束因數(shù)為α，節(jié)點(diǎn)跳數(shù)為hopcounti。用以下公式來(lái)表示：

load_metrici=f(hopcounti，α，loadi)

首先，依據(jù)路由協(xié)議本身的獨(dú)特的地方，節(jié)點(diǎn)本身跳數(shù)為一跳，即經(jīng)過(guò)本次節(jié)點(diǎn)路由路數(shù)加1，參加線性約束因數(shù)α后，節(jié)點(diǎn)約束權(quán)值和節(jié)點(diǎn)負(fù)載成正比，對(duì)于節(jié)點(diǎn)負(fù)載loadi樹立以下節(jié)點(diǎn)負(fù)載板型：

load_metrici=1+loadi×α

其次，權(quán)值函數(shù)計(jì)算出load_metrici代替節(jié)點(diǎn)原有的hopcounti值，即可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)nodei的約束權(quán)值，每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)值包時(shí),需求將自身節(jié)點(diǎn)負(fù)載約束權(quán)值load_metrici累加到了目的節(jié)點(diǎn)后則構(gòu)成了整條途徑的約束權(quán)值。

loadMetricpath=∑i=desti=srcload_metrici

最后，在實(shí)際施行途徑挑選時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)優(yōu)先挑選loadMet-ricpath最小的途徑樹立路由。

4 無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)負(fù)載的勘測(cè)機(jī)制

現(xiàn)階段計(jì)算節(jié)點(diǎn)可用帶寬有兩類典型機(jī)制，一類是測(cè)量MAC層信道利用率，另一類是勘測(cè)網(wǎng)絡(luò)層單位時(shí)間的吞吐量。因?yàn)镸esh基干網(wǎng)中路由器移動(dòng)性很低，網(wǎng)絡(luò)流量大，不易計(jì)算節(jié)點(diǎn)吞吐量，而對(duì)于信道利用率沒(méi)有確認(rèn)的計(jì)算辦法，因?yàn)檫@個(gè)要通不為己甚析影響無(wú)線信道相關(guān)的相關(guān)參數(shù)，來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)負(fù)載：

1）MAC層信道品質(zhì)指數(shù)(ChannelQuality Index, CQI)是無(wú)線信道的通信品質(zhì)的勘測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。CQI由信道強(qiáng)度指使信息(RSSI)、送出包不正確率(TxPER)、送出包重傳率(TxPRR)表決，固然可以在經(jīng)過(guò)鏈路品質(zhì)反映節(jié)點(diǎn)的負(fù)載體積，但卻不充分，若節(jié)點(diǎn)A的負(fù)載輕，不過(guò)與重載的節(jié)點(diǎn)CQI細(xì)小，則其他節(jié)點(diǎn)會(huì)覺(jué)得A一樣是重載節(jié)點(diǎn)。因?yàn)檫@個(gè)不可以單獨(dú)運(yùn)用CQI作為節(jié)點(diǎn)負(fù)載判據(jù)。

2）MAC緩存區(qū)占用率。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡可以運(yùn)用MAC層緩和沖突區(qū)中的數(shù)值包個(gè)數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載施行描寫，但一樣不可以單獨(dú)運(yùn)用。由于它沒(méi)有絕對(duì)思索問(wèn)題無(wú)線信道的共享事情狀況。如果有節(jié)點(diǎn)A兩個(gè)鄰舍節(jié)點(diǎn)B和C，假如A的緩存區(qū)是空的，而B和C的辦公量非常大,一直占用信道，由于A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)并肩運(yùn)用信道,其它節(jié)點(diǎn)就覺(jué)得A也是負(fù)載過(guò)重的。

3）鄰舍節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。因?yàn)镸esh節(jié)點(diǎn)共享無(wú)線信道，在一定程度上鄰舍節(jié)點(diǎn)的數(shù)目能反映出信道的空程度，如果覺(jué)得鄰舍節(jié)點(diǎn)多的節(jié)點(diǎn)信道占用率就高。信道比較空，建立路由的時(shí)刻就應(yīng)當(dāng)防止此節(jié)點(diǎn)顯露出來(lái)在主路由中，但只用鄰居節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)一樣不可以正確地反映節(jié)點(diǎn)負(fù)載，若節(jié)點(diǎn)A有許多鄰舍節(jié)點(diǎn)，這些個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載都是0，則覺(jué)得A處于輕載狀況，不過(guò)假如依照以上的分辨斷定負(fù)載體積的辦法。

5 協(xié)議仿真和結(jié)果分析

因?yàn)閷?shí)際的網(wǎng)絡(luò)流量是突發(fā)流，所以為保障實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密謹(jǐn)慎性，首先設(shè)立如下的一些背景：

1）WMN中全部數(shù)值包傳道輸送出錯(cuò)只是因?yàn)榕鲎苍斐傻?，即無(wú)線信道是理想信道；2）數(shù)值包的保存生命時(shí)間(TTL)和重傳回?cái)?shù)都為無(wú)限大，即數(shù)值包不會(huì)由于TTL到時(shí)或是重傳敗績(jī)而沒(méi)有辦法到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；3）數(shù)值包被準(zhǔn)確的收繳的幾率大于0，即WMN是一個(gè)連通網(wǎng)絡(luò)，不存在離合局部和孤立節(jié)點(diǎn)；4）LB-HWMP協(xié)議在有限的時(shí)間內(nèi)可以為源節(jié)點(diǎn)供給一條管用地到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的途徑，源節(jié)點(diǎn)也可以將數(shù)值包發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

本次研究就是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2來(lái)構(gòu)建WMN仿真平臺(tái)。配備布置如下所述：1）仿真場(chǎng)景:在1500x1000的長(zhǎng)方形拓?fù)鋱D中，安放50個(gè)Mesh路由器和10個(gè)移動(dòng)站點(diǎn)STA，那里面MP節(jié)點(diǎn)可以作為Mesh接入點(diǎn),也可以作為Mesh節(jié)點(diǎn)。MP靜止不動(dòng)，STA慢速移動(dòng)。2）節(jié)點(diǎn)的MAC層參變量：認(rèn)為合適而使用802.11規(guī)范,帶寬為1Mbps，通

訊半徑為200m，擴(kuò)頻形式:DSSS(直接序列擴(kuò)頻)，接收天線及無(wú)線信道參變量認(rèn)為合適而使用NS2中供給的默許值。3）節(jié)點(diǎn)鏈路層參變量:認(rèn)為合適而使用CSMA /CA協(xié)議施行無(wú)線電視臺(tái)過(guò)訪扼制.認(rèn)為合適而使用散布式協(xié)調(diào)功能(DCF)。

[1] 張樹勇,基于MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧的無(wú)線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)[J].福建電腦,2010,03.

[2] 尹安,汪秉文,胡曉婭,湯強(qiáng).無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡路由協(xié)議[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,01.

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