基于带宽可估计的无线mesh网络跨层拥塞控制算法分析

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1、目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 论文研究的主要工作31.4 论文的组织结构4第二章无线Mesh网络和联合设计思想 52.1 无线Mesh网络52.1.1 无线Mesh网络信息交换机制 52.1.2 无线Mesh网络的特点 62.1.3 无线Mesh网络的不足之处 62.2跨层设计62.2.1跨层设计的发展72.2.2 跨层优化的原理72.2.3跨层设计的研究现状72.3各协议栈跨层设计需求82.3.1 物理层82.3.2 MAC 层92.3.3 网络层102.3.4传输层112.3.5 应用层112.4 无线mesh网跨层TCP

2、拥塞控制机制122.4.1基于窗口的跨层拥塞控制132.4.2 基于流量的跨层拥塞控制13第三章通过结点竞争估计带宽的TCP性能跨层优化方案143.1 TCP数据传输过程介绍143.2 传统拥塞控制机制的不足143.3结点竞争下的估计带宽模型153.3.1无线信道干扰模型153.3.2 隐藏终端与暴露终端153.3.3 信道空间的复用性173.3.4 数据流的竞争183.3.5 单个RTT时间内的带宽计算193.4 算法的实现与性能分析213.4.1 控制流程213.4.2 性能模拟分析223.5 本章小结24第四章 通过RTT时间估计带宽的优化方案254.1 拥塞控制254.2 TCP拥塞控

3、制机制254.3 闭环拥塞控制264.4 TCP拥塞窗口尺寸影响模型274.5 通过RTT时间估计带宽 284.5.1 计算带宽284.5.2 拥塞控制的调节304.5.3 性能分析及仿真结果304.6 本章小结32第五章总结与展望335.1 论文总结335.2 未来工作和展望33参考文献35致谢38个人简历及在学期间发表的学术论文与研究成果39第一章绪论1.1研究背景及意义随着移动计算和无线通信技术的飞速发展，手机、电脑、PDA等移动设备的普及，尤 其是无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)円在各个校园、小区、公司等地 方随处可见，但随着无线通信的广

4、泛应用，人们对网络的服务质量要求也越来越高。无线 Mesh网络(Wireless Mesh Networks, WMN)习巾啲出现给人们带来了一定的希望。WMN 技术出现于1977,当时美国仅将此项技术用于加强军事通信系统的建设中，直到2000年 初才开始面向市场和民用，2004年后WMN技术有着很快的发展，IEEE 802. 11工作组也 先后为支持WMN制定了许多新标准，也有很多公司和制造商开发出了基于WMN技术的 新产品及不同环境下的WMN解决方案。WMN的各方面性能均优于其它任何一种无线网 络，但随着科技的不断进步，人类生活水平的提高，更高性能的无线网络将是人们的必然 追求。WMN发展

5、到今天，可以说已经相当成熟稳定了。然而，在无线Mesh网络中，虽 说其有着很多优点，但依就有很多地方均没有在有线网络优越，有线网络与无线网络相比 最大的缺点就是不灵活，不能四处移动，但有线网络的稳定性与高容量、高速度是无线网 络还远远没有达到的方面。与有线网络相比无线网络中TCP的均衡性、实时性、准确性、 稳定性均有所下降。无线网络中两大协议是TCP和UDP, UDP协议利用网络资源尽最大 可能的传输数据，并且会不断增大传输流量，在无线网络中，这样很容易使网络中信道发 生碰撞，使局部流量堆积，这样会使整个链路瘫痪。而TCP协议能控制网络输入流量，探 测网络可用带宽，在保持Internet健壮性

6、方面起了重要的作用。无线Mesh网络性能的不稳 定最终的结果就是发生网络拥塞，如何更好的控制网络发生拥塞是这几年来无线网络研究 的关键性问题，对网络通信的稳定性，以及良好的QoS起着至关重要的作用。近年来网络上出现了很多拥塞控制算法，但大至分为两种：一是窗口控制，二是发送 控制。这些拥塞调节方法多多少少都解决了一些无线和有线网络中的拥塞问题，由于无线 Mesh的结点自组织、无线多跳环境、网关数据流的易堆积等特性，使得在有线网络中用得 好好的拥塞控制算法，到了无线网络中就发挥不出其应有的功能。本文结合无线网络的特 点，分析了无线Mesh网性能及不如有线网络的诸多方面，从提高无线网线的吞吐量角度

7、出发，针对传统TCP拥塞控制无法完全适用于现有的无线网络这一问题，本文通过两种估 算网络实时有效带宽的方法来优化TCP拥塞控制算法，利用数学公式换算建立仿真模型， 使链路数据传输更平衡，改善了无线网络的性能。1.2国内外研究现状无线Mesh网络虽然存在某些方面的不足，但其性能已经远远优于其它方式接入的无 线网络，是近几年来研究无线宽带接入方式的重点。国内外有很多高校和研究机构正在对 无线Mesh网进行研究，其中典型的外国机构有：纽约州立大学的(Hyacinth)方案，该研 究主要对链路通信、路由寻址以及信道分配进行研究；乔治亚工学院的BWN-Mesh实验模型,该实验模型将无线Mesh网络与现有

8、的BWN传感器网络互联，实验主要测量无线Mesh 网络的移动性，位置远近的变化对现存的AODV、IEEE 820. 11、TCP等协议性能的影响。 麻省理工学院的Roofnet7研究项目，该项目的研究还在进行中，已经有很多新的发现。微 软公司无线Mesh研究小组致力于无线Mesh工具箱的开发，利用MCL (Mesh Connectivity Layer)软件模块结合MAC层与网络层建立起一个虚拟适配器，能够测量Mesh路由与链 路质量。MCL软件模型因所储存电流低只能适应于小范围移动的网络。IntelWMN项目实 验,为了更好的研究无线Mesh网络开发了低功耗的结点访问模型，更好的检测了无线M

9、esh 网络的业务流QoS、路由选择与配置以及安全性等特性。实验测试也证实了现有的802. 11 在无线网络中发挥不出在有线网络中所具有的能力。针对这种问题，Intel WMN项目组提 出了借用载波侦听反馈调节来提高网络资源的使用率，有效增加无线Mesh网络数据。 MeshNetwork研究通过物理层与多信道 MAC相结合，建立了一个ODMA (Quadrature Division Multiple Access) Radio商业平台固，用来克服MAC层与物理层的信道衰落、多径 间的多普勒频移等问题。Nortel WMN 组采用 Wireless Gateway+CAN(Community

10、Area Network)商业接入方案，拥有一个双Radio系统，并装备WAP(Wireless Access Point)智能 天线，能支持2GHz以上的输入链路和5GHz主建链路流的传输。该方案还考虑到了密码 取理，用户认证，防木码侵入等安全措施。Kiyon结合CSMS和TDMA分布式MAC协议 的第2/3层，能够服务于点对点的无线Mesh网络9。国内的研究机构主要有华为、中兴、 道理云等信息创业公司，其中北京大学、华南理工大学、华中科技大学、复旦大学等高校 也在近几年投入力量研究无线Mesh网络。国内的主要研究在无线Mesh路由协议、网络部 署、TCP拥塞控制等方面。无线Mesh网络TC

11、P拥塞控制协议的研究还处在初级阶段，虽 说国内外这几年在TCP拥塞控制研究方面取得了不少成果，各研究方向虽说侧重点有所区 别，但大体上分为两个方面：一个是从流量出发来控制源端到接收端数据流的发送速率。 这是一种通过点到点的流量控制算法，要求结点到结点数据流传输过程中要考虑其四周相 关结点的影响，不考虑数据流经过了几跳，中间结点是否中断。另一种是基于多跳的中间 结点拥塞算法，该算法不仅考虑源端与目的端的信道状况，还会考虑中间结点间的相互影 响，路由器与交换机的性能。端到端的流量控制，其实也是对TCP拥塞窗口的控制。TCP拥塞控制发展到今天基本 上已经形成规范，主要包括慢启动、拥塞避免、快速重传、

12、快速恢复四个阶段。端到端流 量控制思想只不过是在原有算法上添加了应答验证，选择考验等几个核心算法Ml,在此基 础上又有研究者做了很多大大小小的改进11-13,这些改进在一定程度了提高了 TCP的性 能。如文献14探索了多跳多信道无线网络的路由与MAC层信道参数对TCP拥塞控制性 能的影响，通过在MAC和路由层添加一个双向协调机制来优化路由选择，观测路由路的 缓存路由空间，虽说对TCP性能有所改善，但没有用到跨层设计的原理，如果路由丢失就 无法实时观测到路由缓存空间使用情况。文献14研究TCP数据流在无线多跳网络中传输 变化，随着网络中结点的增加，TCP数据流丢包就出现得比较频繁，中间结点中数据

13、堆积现象就会越来越严重，此项研究证实了 TCP在无线网络中传输的不公平性。如文献15基 于多跳结点的TCP拥塞控制算法，通过在源端与目的端建立比较精确的点对点通信，通过 分组丢失量来确定网络是否发生拥塞，在跳数不是很多的情况下提高了网络的信能，但随 着结点经过的链路跳数增多后网络的波动性就开始增大。由于无线网络的灵活性，信道的 干扰大，与通信的自加入等特点，容易导致无线网络的波动大、误码率高、信道相互干扰, 造成分组丢失的原因再不只是单纯的网络拥塞，通信中断、时延过大均是导致分组丢失的 原因，仅仅将链路中断等非网络负载过重导致的丢包误认为是拥塞丢包来处理，这样结果 将越发严重。为了更好的提高无

14、线网络的性能，无线Mesh网络跨层设计是一种极具特色的思想。 跨层设计思想的提出，不仅是一种理论上的创新，在实际中已经有不少研究机构专家、学 者正在开展研究，并已经取得了一定的研究成果。文献15综合MAC层、物理层、网络层 等多层协议，将链路调度、路由选择联合起来进行优化，以达到提高带宽使用率的目的。 基于无线Mesh网络的性质，联合各层优化很明显增强了无线网络的性能IM。在提高无 线网络的性能时，由于跨层设计容易破坏原有协议层的抽象，容易导致与现有协议不兼容, 打破了现有协议层分工合作的思想且增加了维护管理的难度，这些都是涉及到跨层所要考 虑的问题。1.3论文研究的主要工作无线Mesh网络是

15、一种点到点的多跳网络，其无线加多跳两种主要特性使其具备很多 与其它网络所没有的特性，但这些特性中也存在一些不足。无线信道间的相互干扰，信道 间、信道内的竞争，UDP数据报文的“尽力而为”的发送等这些问题均是无线Mesh网络 中将要解决的问题。本文主要从无线Mesh网络的特点进行展开，给合其在实际的应用中 存在网络通信性能的不稳定，链路时常发生丢包、拥塞等问题，致力于更好的改善无线 Mesh网络的服务性能，分析了现有无线Mesh的TCP拥塞控制机制所存在的问题，提出 了一个合理的TCP改进方案，结合实验仿真在一定程度上提高了数据吞吐率，优化了 TCP 控制协议。利用Matlab仿真工具，将设定的数值代入本课题所提出的算法中计算，计算结果结合 Matlab仿真实验得出最优的数据，使改进的算法性能最优。根据无线网络中的可用带宽的 大小在一定程度上能够反映出网络信道状况的好坏，主要研究工作有：（1）结合Mesh网络的特点，分析了 TCP拥塞控制的原理，探究了目前国内外对Mesh 网研究进展。（2）结合了目前跨层设计的原理，对比分析了各协议层（物理层、MAC层、网络层、 传输层、应用层）跨层研究的有关参数、设计的思想以及复杂难易度提出了基于带宽可估 计的跨层TCP拥塞控制改进算法。（3）无线Mesh网络是一种多跳网络，其中跳数的不同与通信的干扰，在一般情况与 跳