无线网状网络的速率自适应算法研究

摘　要：无线网状网技术是一种具有良好市场应用前景的新型宽带无线网络技术。本文中在对无线网状网络相关特性和关键技术进行理论研究的基础上，充分研究和分析了基于动态探针队列的速率自适应算法，并且指出使用该速率自适应算法的无线网状网络的稳定性、可靠性和平均吞吐量都显著提高。

关键词：无线网状网络；速率自适应；算法
　　1引言
　　如今，无线通信技术正以前所未有的速度发展着，并日益广泛地融入到人们的生活之中。蜂窝移动通信网技术比较成熟，网络覆盖能力强，然而它在数据业务支持方面明显不足。无线局域网在近年来得到了较快的发展，成为无线接入的有效手段，但是它的覆盖范围又很有限。下一代无线通信网络究竟该朝哪个方向发展？虽然还没有定论，但能同时提供大覆盖范围、高数据速率和移动性支持则是共识。近年来，无线网状网络（Wireless Mesh Network，WMN）以其特有的优势引起了人们的广泛关注，并可能成为下一代无线网络和因特网的重要组成部分。
　　无线网状网是一种新型的宽带无线网络架构，由于具备不同于传统无线网络的特点，该技术在灵活组网、提高网络覆盖率、增加网络容量、减少前期投资等诸多方面都显现出很大的优势，尤其适合用于宽带无线接入骨干网。目前无线网状网已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用。
　　2无线网状网的定义
　　无线网状网是一种由多种类型节点构成的、以网状为基本拓扑结构的、多跳、自组织和自管理的无线网络架构，被看成是互联网的一种无线版本。由于无线网状网技术具有很强的应用相关性，网络拓扑、节点类型、组网方式等在不同的应用场合下都会有所不同，甚至有较大差异，因此很难对该技术给出统一、确切的定义。从网络组成和拓扑结构来看，目前比较有代表性的WMN定义有以下三种：
　　2.1　由移动节点与接入点组成的WMN
　　这种定义下的WMN主要由移动节点（MN）和接入点（AP）构成。与传统点对多点网络不同，这种WMN中的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其邻近节点进行通信。在网络中MN既是业务的使用者又是业务的提供者，即具有数据的转发功能，可以向网络中的其他节点（MN或AP）转发它所接收到的数据包。该WMN吸收了星形网与网状网两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合。具体来说，WMN可以看作是WLAN和ad hoc网络的融合，发挥了两者的优势，而这种融合是通过在网络节点上执行WMR（wireless mesh routing）协议来完成的。值得注意的是，这里提到的AP之间是通过有线链路实现通信的。
　　从本质上来看，这种定义方式只是将传统局域网中的单跳星形拓扑用多跳网状拓扑替代，对相应的协议栈进行了修改和补充，并没有考虑到无线骨干网的情况，把WMN限制在一个局部的范围（相当于传统意义上的局域网的范围）内。因此，这种定义有很大的局限性，只适用于少数特定的场合，无法体现WMN的很多重要特性。
　　2.2　由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统组成的WMN
　　在该定义下，网关节点是WMN和骨干网的接口，一般与高速路由器相连。在一个WMN中，网关节点可以有一个或多个，可以根据网络的容量和可靠性要求来逐渐增加。实际上任何一个用户节点都可以充当网关节点，因此可以选择一个处于合适位置的节点作为网关节点。用户节点直接与用户终端或用户网络相连，除了提供业务接口外，还作为一个多端口的无线路由器，完成其他节点业务的中继功能。中继节点只包含中继功能，用来扩展WMN或提高整个网络的性能。网管系统主要负责对WMN进行配置，此外还具有资源分配、监控、认证等其他管理功能。这种定义下的WMN一般用在城域范围内提供宽带无线接入。
　　从本质上来看，这种定义方式是将传统接入骨干网（或称为回程网）中以有线方式实现的相互连接以一种无线多跳、网状结构方式替代。基于这种定义模式下的WMN的应用，在扩大网络覆盖范围、减少投资成本、按需灵活组网、提高网络顽健性等方面具有很大的优势，因此目前大多数基于WMN技术的市场应用从根本上来说都是采用这种模式。但是由于其不适合描述在局部网络范围内应用时的WMN模式，因此存在一定的局限性，无法全面体现WMN的特性。
　　2.3　由Mesh路由器和Mesh客户端组成的WMN
　　在这种定义中，Mesh路由器具有较小的移动性或是静止的，并且由多个Mesh路由器组成WMN的骨干网；Mesh路由器既可为Mesh客户端提供网络接入，又可为传统网络客户端用户提供网络接入；在Mesh路由器里还集成了网关和网桥功能，可以实现WMN与其他网络的有机融合，如互联网、蜂窝网、基于IEEE802.11的无线局域网、基于IEEE 802.15的无线个域网、基于IEEE 802.16的无线城域网和无线传感器网络等。Mesh客户端可以是固定的也可以是移动的，它们可以自己组成一个只包括Mesh客户端的客户端网状网，也可以和Mesh路由器一起组成一个客户端网状网。在这种定义方式下的WMN中，每个节点（包括Mesh路由器和Mesh客户端）运行时，不仅作为一个主机也作为一个路由器。当某些源节点想要传输数据给不在其无线直接传输范围内的目的节点时，就可以通过其他节点代为传送，通过中继的方式实现源节点和目的节点之间的数据传输。
　　从本质上来看，这种定义抓住了WMN最基本的两个组成要素———Mesh路由器和Mesh客户端，通过描述这两个要素的主要特点和功能以及组网的基本原理，比较清晰、准确而且全面地反映了WMN技术的特性。这种定义不仅可以描述在局部网络范围内应用时的WMN模式，还可以描述在城域范围内作为无线接入骨干网应用时的WMN模式，以及其他更加复杂的应用模式。因此，作者认为，这种定义是到目前为止较准确、合理、适用性较好的定义。
　　3　基于动态探针队列的速率自适应算法
　　现有的较大规模的无线网状网络包括MIT Roofnet、BerlinRoofnet、Sjtu Roofnet等，这些平台优先采用SampleRate算法作为速率自适应模块的实现依据，根据以往的测试结果，SampleRate的反馈信息处理对于系统资源消耗过大，导致实际网络吞吐量低于理论预期值，并且，SampleRate的静态探针发送机制导致在基于802. 11g的无线网状网络中探针种类过多，检测周期过长，对网络变化的动态响应不够及时。同时，在硬件配置较低的路由器硬件平台上，以SampleRate算法无法实现 速率自适应，这使得网络的适应性和可扩展性都大幅降低。动态探针队列的自适应原理主要分为网络初始化和网络自适应两个阶段。
　　3.1周期性探针发送机制
　　周期性探针发送机制如下：
　　①网络初始化开始，对每个无线Mesh节点加载一个包含所有802.11g支持的通信速率的探针队列，并按照一定的时间间隔周期性发送探针包，同时接受其他节点发送的探针包，并将所接收到的探针包的发送节点标记为接收节点的邻居节点；
　　②根据①中所使用的探针包的发送频率和单位检测周期内收到的邻居节点的不同速率的探针包个数，计算出探针包收发成功率，同时将由探针包获得的单位检测周期内的链路质量信息放在本地发出的探针包中发送出去；
　　③根据本地节点收到的探针包中其他相邻节点的信息，以及所收探针包中携带的本地节点的信息，计算得到一个本地节点对所有相邻节点不同速率探针包收包成功率和发包成功率的统计表，作为自适应速率选择的初始依据；
　　④根据第③生成的统计表，本地节点会选择出与所有相邻节点进行数据传输时的最优速率，并记入优先速率表。到此网络初始化过程完成。
　　3.2网络自适应阶段
　　网络自适应阶段如下：
　　①根据前4步生成的优先速率表，本地节点建立一个新的动态探针队列，选择性发送所有具有优先速率表中列出速率的探针和与之速率接近的探针，即初始化探针队列中比优先速率表中探针速率值高一级和低一级的探针，并在此基础上继续周期性发送最低速率探针。此时网络进入速率自适应过程，优先速率表和动态探针队列将不再受初始化过程的影响，转而依据当前动态探针队列中的各速率探针收发状况而变化；
　　②网络拓扑发生变化及外界无线信号干扰情况下，网络通信带宽会发生变化，从而导致探针的收发成功率发生变化，网络通信带宽减小导致优先速率表中某速率的探针的通信质量参数低于预设阀值A（预设值）时，优先速率表中该速率探针将被与之相邻的低一级速率代替；网络通信带宽增大导致动态探针队列中与优先速率表中某最优速率的探针相邻的更高一级速率探针的通信质量参数高于预设阀值B（预设值）时，原有优先速率表中对应的最优速率将被此更高一级探针的速率所代替；
　　③当优先速率表发生变化时，反馈给动态探针队列，动态探针队列依据最新的优先速率表重复②、③，以保证动态探针队列所设定的当前探针发送队列符合当前自适应速率的监测需求，即在保证检测当前使用通信速率的同时，对相邻的高级速率和低级速率进行探测，随时保证当前通信速率不可用时切换到低级速率，或当更高级速率可用时切换到高级速率，以达到动态自适应的目的。
　　3.3效果分析
　　网络中各相邻节点之间根据动态探针队列检测出优先通信速率表，首先选择最优速率进行通信，并且随着网络拓扑结构的变化，在动态探针自适应算法作用下，测试节点适时调整与相邻节点的通信速率，最大限度地保证整个网络通信的稳定性，基本避免了由于拓扑变化导致通信速率下降甚至通信中断的情况，测试节点通信平均吞吐量会提高。
　　4　结语
　　WMN作为一种新型的宽带无线网络具有许多独特的优点，在家庭、企业和公共场所等诸多领域都有广阔的应用前景。WMN的路由协议作为其关键技术，具有重要的理论意义和实际意义。通过基于动态探针队列的自适应算法，我们基本解决了SampleRate算法所遇到的问题，并且通过在Sjtu－Mesh无线网状网络平台上的测试，印证了动态探针队列自适应算法的有效性和适时性。基于动态探针速率自适应算法，使得网络通信质量在可用性和吞吐量上都获得了显著提升。
　　参考文献：
　　 Lane B. Cognitiveradio technologies in the commercial : FCC Workshop on CognitiveRadios,Washington DC, May 2003 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jsjwl/238372.html