（通信与信息系统专业论文）密集业务环境中多跳多信道接入方案研究.pdf

摘要 宽带无线接入作为信息化社会的基础，具有广泛的市场需求。而这其中的无 线局域网技术更由于其终端价格低廉、频谱资源丰富( 8 0 2 1 l b g 每个信道的带宽为 2 2 m h z ，而蜂窝网只有3 8 m i - i z ) 以及高速的物理层速率传输( 8 0 2 1 l n 的物理层速率 为5 4 0 m b i t s ，8 0 2 1 l a c a d 速率为1 g b i t s ) 等特点，得到了业界的高度关注，w i f i 芯片出货量日益剧增。与此同时，由于覆盖范围小以及密集布网环境中缺乏有效 的负载均衡机制等问题的存在，在其飞速发展的过程中，无线局域网技术不得不 面临无线资源利用率及宽带接入能力较低的挑战。基于上述关键技术难点，本文 进行了如下的研究： 一本文基于多跳多信道技术，提出了一种无线局域网负载均衡方案 m m w l a n 。该方案利用多跳技术，大大提高了局域网的覆盖范围，同时通过多 跳实现节点的切换，均衡分配a p 的资源；利用多信道动态配置机制，降低或避免 了干扰，提高网络容量。 二本文构建了基于l i n u x 的多节点网络实验平台，对上述方案的正确性和可 靠性进行了验证。该平台基于q t 编写，具有形象、直观的展示度 关键词：无线宽带接入负载均衡多跳多信道l i n u x 平台 a b s t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si st h eb a s i so fi n f o r m a t i o n a ls o c i e t y , a n di th a saw i d e m a r k e t s o ，w i r e l e s sl a nh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cf o ri t su n i q u ea d v a n t a g e s ： 1 c h e a pe n d p r o d u c t sp r i c em a k e s i tt h em o s te f f e c t i v es u b s t i t u t et r a n s m i s s i o nm o d ef o r w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 2 a b u n d a n tf r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c e s ：t h eb a n d w i d t ho fe a c h c h a n n e li n8 0 2 1lb gi s2 2 m h zw h i l et h ec e l l u l a rn e t w o r ko n l yh a s3 8 m h z 3 b r o a d b a n da c c e s s ：t h es p e e do fp h y s i c a ll a y e ri n8 0 2 1lni s5 4 0m b i t s ，a n dt h es p e e d o f8 0 2 1la c a di s1g b i t s t h u s ，w i r e l e s sl a nd e v e l o p sq u i c k l y , a n dt h ew i f ic h i p s e t h a sad r a m a t i ci n c r e a s ei ns a l e s h o w e v e r , w i r e l e s sl a ni sf a c e dw i t ht h ef o l l o w i n gc h a l l e n g e s ：1 ，l i m i t e dc o v e r a g e a r e a ；2 ，t h el a c ko fl o a db a l a n c i n gm e c h a n i s mi nd e n s et r a f f i cc o n d i t i o nd e c r e a s et h e r e s o u r c eu t i l i z a t i o nr a t ea n db r o a d b a n da c c e s sa b i l i t yo fw l a n t o w a r d st h e s e p r o b l e m s ，al o a db a l a n c i n gs o l u t i o nf o rm u l t i p l e h o pm u l t i p l e c h a n n e l sw l a n ， m m w l a n ，i sp r e s e n t e d t h i sm e c h a n i s mu s e sm u l t i p l eh o pt oc h a n g et h ea c c e s so f n o d e s ，e v e n l yd i s t r i b u t ea pr e s o u r c e s ，a n di tu s et h ed y n a m i cc o n f i g u r a t i o nm e c h a n i s m o fm u l t i p l ec h a n n e lt or e d u c e ，o ra v o i di n t e r f e r e n c e ，i n c r e a s i n gt h er a t eo fr e s o u r c e u s a g e i nt h ee n d ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t sal i n u x b a s e dm u l t i p l en o d e sn e t w o r kt ov e r i f y t h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h i ss o l u t i o n i no r d e rt ob e t t e rp r e s e n tt h ep l a t f o r m ，a p l a t f o r mi n t e r f a c ei sp r o g r a m m e dt h r o u g ht h eu s a g eo fq t ，w h i c hm a k e st h ed e m o p l a t f o r mm o r ec o n c r e t ea n di n t u i t i v e k e y w o r d s ：b w a l o a db a l a n c e m u l t i - h o pm u l t i c h a n n e l p l a t f o r ml i n u x 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 论文研究背景 近年来，随着便携式数字设备的功能日益增强，人们对通信服务提出了更高 的要求，希望在任何地点、任何时间能够与任何人自由自在的进行信息交流。而 随着i n t e m e t 的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，全球通信产业技术无 线化、宽带话、i p 化和多媒体化的发展趋势越来越明显。在通信技术发展过程中， 以高速率、多业务、易建设、见效快为特点的无线宽带接入技术成为近年来通信 技术市场的最大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分。 所谓宽带接入【l 】【2 】，是指给用户提供高数据速率( 2 m b i t s 以上) 接入到i n t e m e t 的技术。宽带无线接入是指从公用电信网的交换结点到用户驻地网或用户终端之 间的全部或部分传输设施，采用宽带无线手段的接入技术，即用宽带无线传输代 替接入网的全部或部分，向用户终端提供电话或数据服务。 密集业务区是指用户密度较大，多媒体、流媒体等宽带业务为主的通信区域。 语音、数据、多媒体、流媒体等多业务并存已成为无线通信业务的发展趋势。密 集业务环境中的宽带接入技术在工矿企业、大专院校、科研院所、金融证券、商 业网点、公安、军事等地域有着广泛的应用需求。例如：校园泛在学习环境( 视 频讨论小组、临时互动分会场、远程视频答疑) 、街道与社区的安全监控、城市的 智能交通、医疗保健( 针对非住院病人的远程监控) 、互动式网络娱乐环境、环境 监测等。 国际电信联盟i t u r 指定了下一代移动通信系统的纲领性文件【3 j ，明确要求， 针对高速移动用户，下一代移动通信系统可支持的传输速率达1 0 0 m b s ；针对低速 移动用户( 如游牧或局域网接入模式) ，可支持1 g b s 的传输速率。可以看出，宽带 无线接入已成为通信领域的研究热点和产业化热点。无线宽带接入技术代表了宽 带接入技术的一种新的不可忽视的发展趋势。 1 2 论文研究意义 无线宽带接入技术主要有两类技术体系，一类是蜂窝移动通信技术【4 】，以2 g 、 3 g h s d p a 、l t e 、3 g 等方向发展；另一类无线技术主要是【5 1 以m m d s 、w l a n 、 w i m a x 、m c w i l l 等方向发展。 目前应用范围较广的游牧无线接入协议有i e e e s 0 2 1 1 a b g n 及8 0 2 1 6 d ，正在 2 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 标准化的协议有8 0 2 1 l a c a d ，移动接入网络有第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通信网 络。 相对第一代模拟移动通信( 1 g ) 和第二代数字移动通信( 2 g ) ，第三代移动通信网 络【9 】能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务。从理论上讲，其传输速率在静止 状态下为2 m b i t s ，高速移动环境中支持1 4 4 k b i t s ，步行慢速移动环境中支持 3 8 4 k b i t s 。但是，上述数据仅为理论数据，实际传输速率往往要下降4 0 左右。而 且，上述数据为每个载频所支持的总传输速率，被多用户共享。当用户数较多时， 分摊到每个用户的业务传输速率将较低，无法满足宽带业务的需求。 而随着高速数据业务、多媒体业务需求的发展，无线局域n 1 6 1 凭借其独特优势， 被认为是物联网和异构融合网络最佳的宽带接入方式，成为人们研究的热点。 价格低廉 无线局域网产品已经标准化，市场化，其价格低廉，已经成为最有效替代无 线传输的模式。 频谱资源丰富 无线局域网可工作在2 4 g h z ，也可工作在5 g h z 。在2 4 g h z 的频段上，其每 个信道的带宽有2 0 m h z ，而蜂窝网每个信道只有3 8 m h z 。 宽带高速接入 表1 1 部分8 0 2 1 1 协议的参数 协议发布日期使用的频段物理层传输m a c 层传覆盖范围 速率输速率 8 0 2 1 1 a 1 9 9 95 g h z5 4 m b i t s2 5 m b i t s6 0 m 8 0 2 1 l b1 9 9 92 4 g h zl1 m b i t s6 m b i t s1 0 0 m 8 0 2 1 l g 2 0 0 32 4 g h z5 4 m b i f f s2 5 m b i t s6 0 m 8 0 2 1 i n2 0 0 92 4 g h z 或5 4 0 m b i f f s2 0 0 m b i t s1 8 0 m 5 g h z 8 0 2 1l a c2 0 12 ( 预计)b e l o w 6 g h zl g b i t s待定1 0 m 8 0 2 1 l a d 2 0 1 2 ( 预计) 6 0 g h z1 g b i t s待定1 0 m 如表1 ，8 0 2 1 1 n 的接入速率已经达到5 4 0 m b i t s ，8 0 2 1 1 a e a d 为g b i t 。可以看 出，不断提高传输速率已经成为无线局域网的发展趋势。 发展速度快 第一章绪论3 g l o b a ls h i p m e n tf o r e c a s tf o rw i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k i n gc h i p s e t s ( m i l l i o n so fu n i t s ) 图1 1 无线局域网芯片全球出货量预测 如图1 1 ，2 0 1 1 年w i f i 芯片出货量已达7 3 8 9 亿，相比2 0 1 0 年的3 6 6 8 亿大增 1 0 1 5 ，预计今年出货量将超过1 0 个亿。 近几年来，w l a n 一直处于高速发展状态，但是其也面临着很大的挑战。 ，。 覆盖范围有限 表1 2 惠普无线接入点的传输速率与传输距离的关系 p r o c u r v ew i r e l e s sa c c e s sp o i n t5 3 0 ( 8 0 2 1la ) 物理层传输速率( m b i t s ) 5 44 83 62 41 81 296 室内覆盖范围( 米) 1 41 62 42 93 74 34 85 2 如表1 2 ，受限于无线电波的传播特性，随着传输距离的增加，物理链路的传 输速率下降。 缺乏负载均衡机制 在密集布网环境中，由于缺乏有效的负载均衡机制，因此网络负载不均匀， 大大降低了频谱资源的利用率和宽带接入能力。 1 3 论文中相关问题的研究现状 局域网覆盖范围的研究现状 由于无线电波的传播特性，只有接收的信噪比大于接收节点的信噪比门限才 能被正确的接收。因此可以通过提高设备接受灵敏度或者通过新的调制方式来抑 制信道干扰等提高覆盖范围。也可通过功率控制来提高覆盖范围，但是其增加了 干扰，降低了频谱的复用；且发送功率般受标准规范和用户设备电池的限制。 s e u n g i o o nl e e 等人i 7 】提出了一个多跳局域网的体系结构，利用多跳技术接入局域网， 这大大提高了局域网的覆盖范围，但该方案需要修改现有的底层协议，而且加重 4 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 了信道的竞争。 局域网负载均衡的研究现状 随着无线局域网中扩展服务集中得终端的移动和无线信道的时变，各个接入 点上的负载出现差异。负载均衡的作用就是平衡各个a p 的差异，以达到最大化的 网络资源利用。负载均衡是无线资源管理的重点，i e e e 8 0 2 1 l 工作组的t g v 任务 组，专门负责解决无线局域网的负载均衡问题。 按照负载均衡的发起者，负载均衡可以分为s t a 主控的负载均衡和a p 主控 的负载均衡。 s t a 主控的负载均衡 8 - 1 2 1 是指终端通过自适应的接入点选择来达到网络的负 载均衡。现有的研究主要集中在接入点的选择策略上，以代替简单的r s s i ( r e c e i v e d s i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) 策略。但这些方案都要求接入点在b e a c o nf l a m e s 中加入负 载的信息。另外方案都要求自适应的进行接入点的重构。 a p 主控的负载均衡【1 3 , 1 4 1 是指a p 之间通过有线的连接，可以在不影响s t a 业 务的情况下，相互传递与负载均衡相关的信息。通过分布式或集中式管理来实现 s t a 的切换，从而达到负载的均衡。 现有的局域网负载均衡方案都要求接入点必须广播负载信息，而且切换的 s t a 必须位于接入点的重叠范围或者通过漫游移动来实现切换。因此在s t a 移动 性不强或接入点重叠区域没有s t a 的情况下，根本无法进行负载的均衡。 1 4 论文研究内容 为了解决上述问题，本文的研究内容主要包括以下两个方面： 基于多跳多信道局域网负载均衡方案 在这部分研究中对基于多跳多信道的局域网负载均衡技术进行了可行性分析， 并在不修改现有8 0 2 “协议的原则上，提出了一种可实现的基于多跳多信道局域 网负载均衡方案m m w l a n 。该方案利用多跳技术，大大提高了局域网的覆盖范 围，同时节点在不移动的情况下，通过多跳进行切换，从而均衡分配a p 的资源； 利用多信道动态配置机制，实现并行传输，降低或避免了干扰，提高网络容量。 基于l i n u x 的多节点网络演示平台的设计与实现 在这部分研究中设计并实现了基于l i n u x 的多节点网络演示平台，对上述方案 的正确性和可靠性进行了验证。该平台基于q t 编写，具有形象、直观的展示度。 1 5 论文的组织与安排 本文的主要内容及章节安排如下： 第一章绪论 第一章绪论。本章介绍本文的研究背景和以及无线局域网覆盖范围和负载均 衡研究现状。 第二章多跳多信道局域网负载均衡技术分析。本章主要是对基于多跳多信道 局域网均衡技术做可行性分析。首先通过场景图分析当前局域网存在的问题，从 而引出了基于多跳的局域网负载均衡技术，通过可行性分析可以发现干扰是该技 术的存在的问题。因此为了避免干扰，提高网络容量，提出了基于多信道网络和 无线局域网融合的多跳多信道负载均衡技术，并进行了可行性分析。 第三章基于多跳多信道局域网负载均衡方案。本章提出了一个基于多跳多信 道局域网均衡方案m m w l a n 。本章首先通过一个场景给出设计多跳多信道局域 网负载均衡方案需要解决的问题，然后在节点配置，用户的认证，路由发现与负 载信息获取，负载均衡和路由维护，接入点功能等方面，通过和传统局域网进行 对比，从而详细的介绍了本文提出的一个可实现的多跳多信道局域网负载均衡方 案m m w l a n 和。最后分析了m m w l a n 中的提出的基于吞吐量估计接入点选 择方案，基于端到端时延路由选择方案以及基于干扰信道分配方案。 “ 第四章基于l i n u xm m w l a n 演示平台的设计与实现。本章主要构件基于 l i n u x 的多节点网络平台来验证方案的可靠性和有效性。本章首先给出了软件和硬 件的选择标准，然后详细介绍了l i n u x 下m m w l a n 的实现方案和协议流程，并 设计了平台的展示界面。接下来本章给出了实现测试场景，说明了构建场景的理 由与步骤，并结合界面分析场景的结果。 第二章基于多跳多信道局域网负载均衡技术分析 7 第二章基于多跳多信道局域网负载均衡技术分析 上一章提到，虽然无线局域网的相关协议业务传输速率较高，但其发展面临 着挑：l ，覆盖范n l d , ；2 密集布网环境中缺乏均衡负载机制。同时也分析了针对这些 问题，现有解决方案的研究现状。本章将对基于多跳多信道局域网负载均衡技术 进行可行性分析。 2 1 多跳局域网负载均衡技术可行性分析 2 1 1 基于单跳局域网存在的问题 图2 i 无线局域网面临的问题 场景一：节点t r mc 当前想要接入i n t e m e t ，但是由于受限于安装条件，某 些地点无法安置局域网接入点，节点t r m c 不在接入点a p l 和a p 2 的覆盖范围内， 无法接入。 场景二：节点t r ma 当前接入a p l ，但是由于随着接入点a p l 接入用户的 增多，平均每个用户获得的服务带宽降低，因此无法满足节点t r m a 当前的业务 需求。一方面a p l 无法满足用户的需求，而另一方面a p 2 资源空闲着，因此造成 了资源的不合理利用。现有的局域网均衡技术【8 1 4 j 要求1 通过修改设备与协议，允 许接入点发送负载信息；2 节点通过漫游切换或让重叠区域内用户进行切换。但场 景中节点不能进行漫游，且在a p l 与a p 2 的重叠区域也没有用户。因此传统的局 8 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 域网负载均衡方案无法对网络进行负载均衡。 2 1 2 基于多跳的局域网负载均衡技术 为了解决以上问题，我们引进了多跳技术。多跳就是利用一系列中继节点协 同，将数据发送到目的节点上。节点可以利用多跳来实现长距离的端到端通信， 是无线自组织网络【1 5 1 显著的特征之一。 abc 图2 2 多跳示意图 如图2 2 ，节点a 通过中继节点b 的协同转发，和节点c 进行数据的传输。 多跳提高了局域网的接入范围。假设无线局域网的覆盖范围为，边缘地区的 速率为c ，则在( ，2 r 】的节点的速率可以认为等于o ；但若通过两跳无线接入，则 可以将局域网的覆盖范围提高两倍，即在( ，2 ，】的速率可以提升为 ，c ) 。图2 1 中的节点t r mc 通过中继t r ma 可以多跳接入a p l ，通过t r mb 可以多跳接 入a p 2 。 因此在密集布网环境中，节点不用进行漫游或移动，利用多跳技术可以直接 从负载重的区域切换到负载轻的区域。图2 1 中t r ma 可以通过中继t r mb 可 以实现切换。 ? ，7 7 茜：；矗 l ? i b a p 27 ? ? 、一一， 图2 3 多跳均衡网络负载 如图2 3 ，a p l 当前有4 个用户，a p 2 有1 个用户。现假设每个接入点能提供 服务的用户个数为3 个，因此整个网络只能有4 个用户被服务。现使节点a 通过 多跳接入a p 2 ，则a p l 有3 个用户，a p 2 有2 个用户，因此所有用户都能被服务， 从而使得网络负载均衡，提高资源的利用率。可以看出该方案解决了现有局域网 负载均衡方案存在的问题。 ， b 一 一 胛 8 、 0 、 第二章基于多跳多信道局域网负载均衡技术分析 9 多跳接入在某些情况下也提高了无线接入的速率。例如，当节点处于a p 覆盖 范围的边缘时，由于单跳距离较远，因此节点的传输速率较慢，而采用多跳接入， 虽然增加了跳数，但是由于缩短了每跳链路的距离，因此能获得更快的传输速率； 当节点单跳接入的a p 接入用户较多时，节点平均获得的速率低，也可以通过多跳 接入空闲的资源，从而获得高速率的宽带接入。 图2 4 多跳提升端到端速率 如图2 4 ，节点a ，b 间的距离为，速率c ，现节点a 通过中继节点i 和b 通信，每一跳的距离都为，速率则为4 c ，则a b 的速率为2 c ，比单跳速率提高 了一倍。图2 1 中节点t r m d 在a p l 边缘，因此通过中继节点t r m a 可以高速 率的接入a p l 。 2 1 3 多跳局域网负载均衡技术的干扰问题 然而多跳无线局域网中所有节点和接入点间共享信道带宽，频谱干扰严重， 因此网络性能和可扩展性较差。多跳无线局域网的干扰主要表现在局域网内用户 对多跳节点的干扰以及其他同频局域网用户对多跳路径的干扰。 ( ( ? ) ) b - b _ 已 已 d 图2 5 多跳局域网干扰问题 如图2 5 ，节点a 通过节点b 多跳接入，每一跳的速率为c ，由于节点d 接入， 节点b 获得的速率降为，但是由于节点d 的干扰，链路a b 的速率降为。 p 1 0 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 a 多跳接入的速率为暝，再加上密集业务区内使用相同频率的接入点很多，因此 链路a b 还会受到网外其他同频节点的干扰，性能会进一步降低。 在2 0 0 0 年，k u m a r 1 6 1 等人发表了最具权威的研究无线网络容量问题的文章， 从理论上证明网络中存在的干扰问题。文中指出一个拥有n 个网络节点的任意无 线网络中，理论上网络的吞吐量上限逼近极限0 ( 兰i ) ；在一个随机静态无线网 c 络中( 网络中每个节点的位置是随机的，独立的，均匀的) ，在采用理想的全局调度 厂一 和路由的条件下，实现的网络容量可以估算为o ( 兰l ) 。随着网络中节点数 c l o g n 目的增加，每个节点的吞吐量将变得很低甚至不可接受，这为自组织网络的发展 蒙上一层阴影。 因此如何降低干扰，成为多跳局域网负载均衡技术可行的关键。目前提高网 络容量的办法主要有1 开发物理资源，例如定向天线；2 开发资源的重用度，例如 降低发射功率，提高频谱复用；3 采用多信道技术。多信道技术就是允许无线节点 切换信道，通过多个信道并行传输来提高网络的带宽利用率，从而达到增加无线 网络容量的目的。 2 2 多跳多信道局域网负载均衡技术可行性分析 2 2 1 基于多信道的多跳局域网负载均衡技术 在i e e e8 0 2 1 1 协议中，若无线网络中的一对通信节点通信时，处于同一信道 的通信范围内的所有邻居节点都要静默，这样就会使信道的利用率大幅度降低。 多信道【r 7 l8 】可以部分解决无线自组织网络容量受限问题：多信道工作模式允许 相互处于无线通信覆盖范围内的多对节点同时通信；可降低干扰范围内隐藏节 点导致的冲突概率；可降低同路径节点之间的信道竞争概率；可提升节点的 分组转发能力。目前，i e e e8 0 2 1 l b 有3 个频率互不重叠的信道，i e e e8 0 2 1 l a 有 1 2 个频率互不重叠的信道，硬件成本的不断降低，这些都为研制基于8 0 2 1 1 的 多信道协议提供了支持。 第二章基于多跳多信道局域网负载均衡技术分析 1 1 ( a ) 单信道情况( b ) 多信道情况 图2 6 单信道网络与多信道网络通信对比图 如图2 6 ，由4 个节点组成的a dh o c 网络，任何一节点都在其他节点的一跳 通信范围内。在( a ) 单信道的情况下，在a 、b 通信时，c 、d 根据m a c 协议，为 了避免冲突，必须保持静默。而在( b ) 多信道情况下，假设a 、b 用1 信道通信时， c 、d 用2 信道通信，从而避免了同信道的冲突，对a b 链路产生不了干扰。 2 0 0 5 年v a i d y a 撙1 给出了经典的多信道网络容量模型的理论分析，文中指出在 一定条件范围内，多信道网络较单信道网络容量能提升c 倍( c 为网络可用信道个 数) ，从而从理论上证明多信道技术的可行性。 在图2 5 中，若链路a b 之间采用一个空闲的信道，当节点d 接入时，节点b 获得的速率降为，但局域网内用户不会干扰链路a b 间的速率，因此仍为c ，a 多跳接入的速率为以，相比单信道网路提高了一倍。 综上所述，通过多跳技术不仅可以提高无线局域网的接入范围，同时能够有 效的均衡网络负载；通过多信道的配置，可以避免无线链路间的冲突，降低干扰。 因此本文提出基于多信道网络的局域网负载均衡方案，将多信道自组织网络和无 线局域网进行异构网络的融合。其核心技术就是基于多跳、多信道的自组织接入 技术。 o f 生一、，一一( ( p 色 ? 丫：小、 、 答 7 n ， ii 、 ， 、 一- 一 ， 1 2 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 如图2 7 ，各个无线接入点和覆盖范围内关联的节点之间构成了无线局域网， 而所有节点之间又构建了动态的自组织网络。在a p 覆盖范围内接入的节点跟a p 通信时必须工作在a p 所在的频段上，而自组织网络间的通信可以采用多信道技术， 使用空闲的信道，一方面我们可以降低无线局域网对自组网网络节点间的干扰， 另一方面也同时降低了自组织网络不同节点对间的干扰，提高网络的容量。 2 2 2 多跳多信道局域网均衡技术的干扰避免分析 基于多信道的多跳局域网负载均衡技术通过多信道并行传输解决了多跳局域 网负载均衡技术中的干扰问题。现通过一个数据帧的发送过程来分析多跳多信道 局域网负载均衡技术较之多跳局域网均衡技术的优势。 t 2 0 如图2 1 ，t r ma 通过中继节点t r mb 多跳多信道接入a p 2 。假设a p 2 工作在信道1 上，则其覆盖范围内接入的节点必须使用信道l 和a p 2 通信。若节 点t r ma 、t r mb 之间也采用信道l 进行通信，则当上行路径有数据时，t r ma 需要等到a p 释放信道控制权后，通过信道竞争后才能接入媒介，向t r m b 发送 数据，而后t r mb 通过信道竞争或等到a p 轮询后才能将数据发送给a p 。同理， 当下行链路有数据传输时，t r mb 在接收到a p 数据后不能立即发送，必须等到 d c f 模式，通过信道竞争后才能向t r ma 转发数据。 图2 8 单信道多跳接入的交互图 如图2 8 ，源节点和中继节点间的通信必须在c p 期间才能接入信道。源节点 和接入节点的一次交互至少需要两个周期。在c p 期间，如果使用相同信道的节点 较多时，则需要更长的时间。 然而，若节点t r ma 、t r mb 之间选择一个空闲的信道6 ，当上行路径有 数据发送时，节点t r ma 在信道6 上通过信道竞争后发送数据给t r mb ，而不 用受限于a p 当前的工作模式；当下行路径有数据时，节点t r mb 在接收到a p 数据后，直接给t r ma 进行转发，而不用等到d c f 模式后。 第二章基于多跳多信道局域网负载均衡技术分析 1 3 中继节点 源节点 图2 9 多信道多跳接入的交互图 如图2 9 ，相比单信道多跳接入，多信道多跳接入的速率明显有所提高。源节 点和中继节点在有数据发送时，可以立即进行竞争接入信道，而不用等到c p 期间。 而且由于节点间采用多信道，因此信道干扰较小，可以很快的接入信道。图中虚 线表示中继节点若在接收数据的当前期间被接入点轮询，则源节点和接入点的交 互只需一个周期。 2 3 本章小结 本章开始通过场景分析当前局域网存在的问题。为了有效的实现接入点的负 载均衡，我们提出基于多跳的局域网负载均衡方案。通过分析可以发现，通过多 跳接入可以均衡密集业务网络中各个接入点的负载，提高资源的利用率。同时通 过多信道的动态配置，可以降低或避免避免干扰，提高网络容量。因此，我们提 出了基于多跳多信道局域网负载均衡方案。 第三章基于多跳多信道局域网负载均衡方案 1 5 第三章基于多跳多信道局域网负载均衡方案 上章可行性分析说明通过多跳不仅可以提高局域网的覆盖范围，而且可以均 衡网络的负载；通过多信道可以降低或避免干扰。但是现有的w l a n 不支持多跳 接入，且w l a n 协议已经标准化，产品市场化。因此本文利用现有的8 0 2 “协议， 在不修改现有标准协议的原则上，设计出一种可实现的基于多跳多信道局域网负 载均衡方案m m w l a n ( m u l t i h o em u l t i c h a n n e lw e a n ) 。 3 1 一种可实现的多跳多信道局域网负载均衡方案m m - w l a n 由于本文设计的协议是为了服务于密集环境区的无线宽带接入，而密集业务 环境区里的接入点密集，相互之间重叠覆盖，用户很多。因此我们主要设计适用 于两跳、多信道无线接入的应用中。 7 m u l t i h o pr o u t el is t c h a n n e ls o u r c el i s t a c c e s sp o i n tl i s t 图3 1 多跳多信道局域网场景图 图3 1 中显示了设计多跳多信道局域网负载均衡方案需要解决的问题，其中实 线表示节点单跳直接接入，虚线表示节点的多跳路由。在网络中，节点运行需要 解决的问题： 新节点n 感知周围的接入点信息，并根据接入点选择策略选择一个合适 的接入点进行关联接入。因此需设计一个接入点选择方案。 节点想要多跳多信道无线接入，则节点需要感知周围环境信息，包括多跳 路由的发现，信道的使用情况以及网络接入点信息等。 当触发多跳多信道模式时，节点根据路由选择策略选择一条多跳路由，并 根据信道分配策略为该路径分配信道，然后进行组网或重构，从而多跳多 1 6 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 信道接入。因此需设计多信道路由策略以信道分配准则。 感知环境信息，进行路由维护。 接下来从节点配置，用户认证，路由发现和负载信息获取，负载均衡，路由 维护，接入点功能等方面详细分析本文提出的多跳多信道局域网负载均衡方案 m m w l a n 与传统的局域网协议的区别。 3 1 1 节点的配置 在传统的局域网中，每个节点配置一个网卡，在选择接入点后直接进行关联， 接入后，节点只属于局域网，网卡信道和工作模式不会改变。而多跳多信道局域 网是基于网络融合，将自组织网和局域网进行融合的新型局域网，因此中继节点 属于不同网络，因此协议必须考虑节点兼容两种不同网络的工作模式。 在多信道网络中，网卡需要切换信道，而网卡信道切换时延【l8 】的数量级影响 多信道的协议的设计，因此我们首先分析下无线网卡的切换时延。在u b u n t u l 0 1 0 系统下测试信道切换时延大概为7 6 m s ，大于理论值的3 0 m s 。这是因为本文是在用 户空间测试的，是从函数调用开始到函数返回正确值为止，整个时延包括了函数 调用时延，硬件切换时延，所以会比理论值大。另外无线网卡的切换时延并不是 固定不变的，受很多因素的影响，例如系统类型，网卡驱动以及网卡型号等。 知道网卡切换时延的数量级后，现在考虑每个节点网卡配置的数目以及系统 的模型。现假设每个节点都只配置一个网卡，而每个网卡在某个时间只能工作在 某个信道上，单跳接入的用户需工作在接入点的信道上。 节点想多跳多信道接入，就需要进行多跳路由的发现。因为网络中接入点可 以工作在不同的信道上，因此节点需要在所有的信道上进行路由发现。由于a p 是 p c f 和d c f 模式交替工作，因此节点在发送路由请求时，需等到中继节点工作在 d c f 模式下，通过信道竞争后，才能接入信道，再加上网卡信道切换时延，因此 路由发现过程开销大，时延大。而且当路由建立后，由于每个网卡在某个时间内 只能在某个信道上工作在某种模式下，因此中继节点需在两种不同模式，不同的 频段上进行频繁切换，以保证将数据正确的进行转发，而源节点和a p 也需要知道 中继节点当前的工作模式和工作频段，才能将数据正确的发送给中继节点。 图3 2 多信道盲终端问题 第三章基于多跳多信道局域网负载均衡方案 j 7 如图3 2 ，节点b 、c 正在使用信道l 进行通信，而节点a 工作在信道6 上 则当节点a 向b 发送数据时，节点b 将接收不到，不能给予回复。 因此为了解决盲终端以及中继节点在同一时间网络融合的问题，同时为了便 于路由发现，减少网卡信道切换次数，另外无线产品成本的降低，也为我们协议 的实现提供了方便。因此在m m w l a n 中，每个节点配置两个网卡，并设计了以 下的系统模型，一个叫公共网卡，工作在自组织网络模式，用于路由发现以及路 由建立后自组织网络节点数据的传输；另一个叫控制网卡，工作在局域网模式， 用于和单跳接入点的关联和通信。初始化时，公共网卡工作在已知的公共信道上， 用于路由的发现，当路由建立后，公共网卡切换到所协商的数据信道上，用于自 组织网络数据的传输，可以看出，该协议模型和现有的8 0 2 1 1 m a c 协议完全兼容。 所有节点利用公共网卡构成一个动态的多信道自组织网络，而控制网卡和接 入点构成传统的无线局域网。 由于源节点和中继节点的公共网卡工作在同一频段上，且和a p 的频段不一样， 因此，当源节点有数据发送时，可直接向中继节点发送，而不需要确定当前中继 节点是否在同频段上。中继节点同时兼容了两种工作模式，在不改变协议的基 础上能保证数据的正确高效转发。 一 ；s !门 鏖 鬓u ， 图3 3 节点网卡数 从图3 3 我们可以看出，节点配置的网卡数直接影响了多跳多信道协议的有效 1 8 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 性和复杂性。 3 1 2 用户的认证和关联 现有的w l a n 协议只支持覆盖范围内的直接关联认证，而a p 也只能给通过 关联认证后的节点发送数据。由于w l a n 关联认证采用m a c 帧进行交互，因此 源节点不能使用路由进行转发关联帧，从而和a p 进行关联。办法之一是将中继节 点网卡接口设置为混杂模式，这样使得中继节点能够接收到任何目的m a c 地址的 帧，节点对接收到的数据进行判别，转发，充当路由功能。但这样会严重加重节 点中继的处理负荷，节点会接收到所有相同信道上发的数据，因此降低了节点效 率。因此，m m w l a n 将源节点和接入点进行隔离，源节点不进行认证关联。但 是，源节点可以通过路由准确将数据发送给a p ，而源节点由于没有和a p 进行关 联，因此a p 无法将目的地为源节点的数据正确的发送出去。如何让a p 正确发送 数据给多跳外的没有关联认证的源节点成为协议运行的关键。在此，我们在中继 节点处采用n a t ( n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t i o n ) 协议，将来自源节点的需要中间节点 转发的数据包进行源地址伪装，转化成该中继节点的地址后，再发送出去。这样 对于a p 和目的节点来说，等价于数据是由中继节点发送的。而后中继节点接收到 a p 发送给源节点的数据后，进行目的地址解析，再转发给源节点。 勾 鏊s 卜 w l a n 0 ：1 9 2 1 6 8 0 1 1 w l a n l ：1 9 2 1 6 8 1 1 1 勾 岫蒸z 蒸枷 w l a n l ：1 9 2 1 6 8 1 2 2 w l a n 0 ：1 9 2 1 6 8 0 2 2 一控制同卡 ( - l l 一公共同卡 图3 4 中继节点n a t 示意图 如图3 4 ，每个节点有两个网卡，网卡的配置如图所示。节点s 从w l a n l 网卡 向目的地d 发送一个数据包，源节点i p 地址为1 9 2 1 6 8 1 1 1 ，中间节点i 不处理向 第三章基于多跳多信道局域网负载均衡方案 1 9 a p 进行转发，而后a p 收到节点d 的数据包，但是由于源节点s 不在a p 的轮询 名单内，故a p 无法将数据包发送出去。 若中间节点i 收到数据包，在查找路由准备转发时，先将源地址转换为 1 9 2 1 6 8 0 2 2 ，然后发送给a p 。而后a p 收到目的地为1 9 2 1 6 8 0 2 2 的回复数据包， 就可以正确的发送给节点i 。节点i 在查找路由之前将目的地址转换为1 9 2 1 6 8 1 1 1 ， 就可以进行正确的路由，将数据包正确的发送给源节点。 3 1 3 负载均衡 前面已经分析过现有的局域网负载均衡方案存在的一个问题就是要求s t a 必 须位于接入点的重叠范围或者通过漫游移动来实现切换。而在m m w l a n 中，节 点不需漫游，也不用在接入点的重叠范围内，通过多跳就可以从负载较重的区域 切换到负载较轻的接入点中。具体过程如下： 当上层产生新业务后，节点会对业务进行分析，估计其所需的带宽，看当前 模式提供的服务是否满足该业务需求，节点根据分析结果，动态选择接入模式。j 一：一 若当前节点没有关联任何接入点，则启动多跳多信道模式，从而提高了接入点的 覆盖范围。若当前处于单跳接入模式时，且当前模式下节点获得的等效带宽不支 持该业务，则查看a p 类表，根据接入点选择策略，选择一个a p 看是否能满足需 求，若可以，则进行接入点重构，若不能满足，则启动多跳多信道模式接入。若 当前节点已经处于多跳多信道模式，且不能满足业务需求，则节点查看多跳路由 表，选择一个新的多跳路由重新组网。模式的切换均衡了网络的负载，使得更多 业务能被服务，提高了资源的利用率。 源节点根据路由选择策略，确定中继节点，并向该节点发送路由请求帧，中 继节点收到后，根据信道选择算法选择一个信道后，进行回复，并切换公共网卡 信道到所协商的信道上，然后加载内核路由表。同理，源节点收到回复后更新内 核路由表，切换公共网卡信道，从而完成多跳多信道宽带无线接入。 密集业务环境中多跳多信道接入方案研究 一- 提高覆盖范围 图3 5m m w l a n 负载均衡 3 1 4 路由发现与负载信息获取 均衡网络负载 在前面已经分析过现有的局域网负载均衡方案另一个问题就是要求修改现有 的产品和底层协议，从而使得接入点在b e a c o nf l a m e s 中加入负载信息。而在 m m w l a n 中，通过节点的协同来获取接入点负载信息。 在传统w l a n 中，直接关联的用户所有的数据都通过接入点进行转发或接收， 因此不需要更改路由。而在m m w l a n 中，节点必须要进行多跳路由的发现，要 对路由表进行动态的管理，包括加载和删除等。同时在多跳接入后，节点也需对 路由进行维护。另外，在路由建立的同时，节点需对链路的信道进行动态的管理。 由于节点支持单跳、多跳接入的模式，因此必须通过修改路由表来实现模式的切 换。 接入点负载信息获取和路由发现过程如下： m m w l a n 初始化时，我们对公共网卡配置参数，建立自组织网络，并将公 共网卡工作在公共信道上；用控制网卡进行扫描，分析扫描结果，看该节点覆盖 范围内是否有可接入的a p ，若有，则节点首先用公共网卡向自组织网络中的节点 发送一个a p 信息请求，在规定时间内，每收到一个节点的回复就更新自己的接入 点信息类表，定时时间到后，则按照接入点选择策略选择一个a p 进行认证关联。 节点接入后，必须向a p 发送其正确发送一帧需要的时延。 用户的控制网卡周期性进行扫描，用于更新维护a p 类表，信道类表，并周期 性的向a p 发送上线通知，以便于a p 对用户进行管理。 由于所有接入点的有线网卡构成了一个有线网络，因此我们增加了a p 应用层 第三章基于多跳多信道局域网负载均衡方案 2 l 功能，要求a p 周期性的向有线网络中其他接入点广播其负载信息，这样每个接入 点就能获得网络中其他所有接入点的负载信息。同时，a p 也会周期性的把这些负 载信息反馈给用户，节点收到后就能更新自己的a p 类表。若节点多次未收到接入 点发送的信息，则表示链路断了，节点根据接入点选择策略，对接入点进行重构。 用户的公共网卡周期性的发送路由探测包用于更新多跳路由。收到路由发现 包的