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基于冲突避免机制提高无线 城域网状网络吞吐量的研究 摘要 宽带无线城域网i e e e8 0 2 1 6 与传统的无线接入技术相比具有更高的 带宽、更大的覆盖范围、更低廉的成本，被认为是“最后一公里”接入的 最佳解决方案。因此e e e8 0 2 1 6 被认为是下一代无线通讯技术的发展方向， 越来越受到业界的关注。随着宽带无线城域网i e e e8 0 2 1 6 网状模式( m e s h m o d e ) 标准的制定，越来越多的关键问题亟待解决，例如：路由生成算法， 空间频率复用，资源分配机制等成为目前研究的热点。 本论文，首先介绍了i e e e 8 0 2 1 6 标准的主要内容，无线网状网的基本 概念，然后重点研究了i e e e8 0 2 1 6 网状模式的特点，最后对i e e e8 0 2 1 6 网状模式下路由生成算法和带宽资源调度所存在的问题，进行了详细的研 究分析，并提出了相应的解决方案。本文的主要研究内容和成果如下：1 提出了一种i e e e8 0 2 1 6 网状模式下基于冲突避免机制的路由树生成算法； 2 提出了i e e e8 0 2 1 6 网状模式集中式调度下提高吞吐量的优化算法。仿真 结果显示，采用本文的算法后，网络的吞吐量得到了很大的提高。 关键词：无线城域网，i e e e8 0 2 1 6 标准，网状网络，路由生成算法，集中 式调度。 t h r o u g h p u te n h a n c e m e n ti n 、7 l 慢m a xm e s h n e t w o r k su s i n gc o l u s i o n 硝o i dm e c i “u s m m e e8 0 2 1 6s t a n d a r d w h i c hi sr e g a r d e da st h eb e s ts o l u t i o no fw i r e l e s s l a s t m i l eb r o a d b a n da c c e s si nm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( m a n ) w a s d e s i g n e dw i t ht h eg o a lo fo f f e r i n gh i g h e rs p e e d c a p a c i t y , l o w e rc o s t ，a n db e t t e r s c a l a b i l i t yt h a n t r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e s a st h ek e yt e c h n o l o g yo fn e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i e e e8 0 2 1 6s t a n d a r da t t r a c t sm o r e a t t e n t i o n s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e s hm o d e , s o m en e wp r o b l e m ss h o u l d b er e s o l v e dp r o m p t l y , s u c ha s r o u t i n gc o n s t r u c t i n ga l g o r i t h m , s p a c ea n d 丘e q u e n c yr e u s e ，a n dr e s o u r c ea l l o c a t i o nm e c h a n i s m t h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h em a i nc o n t e n to fi e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d a n dt h eb a s i c c o n c e p t so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s w ee m p h a s i z et h e a d v a n t a g e so fi e e e8 0 2 1 6m e s hm o d ea n df o c u so nr o u t i n gc o n s t r u c t i n g a l g o r i t h m a n ds c h e d u l i n g p r o b l e m s b a s e do nt h ed e t a i l e d a n a l y s i s ，w e p r o p o s eo u rs o l u t i o n ：1 ac o l l i s i o n a v o i dr o u t i n gc o n s t r u c t i n ga l g o r i t h mf o r i e e e8 0 2 1 6m e s hm o d e ；2 ac e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h mt oe x p l o i t t h r o u g h p u t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo v e r a l lt h r o u g h p u ti sg r e a t l y i m p r o v e dw h e nu s i n go u rp r o p o s e da l g o r i t h m 。 k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k m a ，i e e e8 0 2 1 6 s t a n d a r d ，m e s hn e t w o r k s ，r o u t i n gt r e ea l g o r i t h m , c e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资封若有不实之处，本人承 本人签名： f 耋【 直! 日期： 担一切相关责任。 q 。1 ； s 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文 本人签名： 导师签名： 于保密范围，适用本授权书。 日期：i ! ! ：! ：堕 日期：2 业务、 t f e i 及v o i c , e o v e r l p 等业务；r t p s 业务包括如m p e g 视频信号的传送业务；r a t p s 业务如 高带宽的f r p 业务；b e 业务则是尽力而为的数据业务，它允许s s 使用竞争清求机制。 这样，不同种类的业务流首先在m a c 层就被预先调配分类成这四种基本业务，类似于 调度器的功能，系统可以给不同的基本业务分配不同的资源，保障它的q o s 。在物理层， 对数据按照健壮性降序排列的办法进行传输，最大限度的降低了终端的可能性，最大范 围的保障数据的高效传输，提高了系统的效率。 m a c 层包括三个子层，自上而下分别是：面向业务的会聚予层，m a c 公共部分予层 和安全子层。如图2 4 所示： 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 赫萌请酬。! 一叫口酗p 一 翱y i c e 量d 鲁c 瓢 4 州嘲 。嘲脚r 锕n c 9 瓢珀轴螂 玎蒯嬲。| i c $ 1 ， = = i 瞧劐娥= 卜一 嗽c e 嘲嘲p a r t 翱棚附 m a cc 璐1 纠一鼬m 驰m 瓣e n t i t y p m n l c ，翻埘t ，一 ： 懈c a 懈嘲p 锹翱螂” f llp 一一一一一一一一 * 。m 、一， 卅黼埘呐脚瓤1 翔峨吲翻l | i 辩 l 轴l 髀“m 晴i i f 竹l 伊t a t r 哪嘲叶 i d a t a c , o t 时e dp 瓣膏 图2 - 4i e e e8 0 2 1 6 t 6 a g 系层次 1 特定业务会聚子层( c s ) ： 会聚子层的基本功能是在不同的上层业务与m a c 层连接之问建立映射关系。定义 了两种面向业务的会聚子层：针对a t m 的a t m 会聚子层和针对基于包传输的业务( 例 如i p v 4 ，l p v 6 ，以太网等等) 的包会聚予层。 2 公共部分子层( c p s ) - 一般而言，8 0 2 1 6 是一个点对多点的通信协议，即一个基站为几个扇区中的多个终 端提供服务。可以采用两种双t 方式：时分双i o d i ) ) 或频分双工( f d d ) 。在时分双工 模式下的系统可以根据上下行的业务量动态调整上下行子帧所占用资源的比例。在下行 信道中，采用时分复用( t d m ) 的信道分配机制，上行信道采用时分多址( t d m a ) 的机制。 8 0 2 1 6 协议m a c 层是基于连接的，所有的业务都被映射到某一个特定的连接上。 m a c 层的一些主要功能，包括带宽请求，q o s 参数的关联，以及将数据传送到正确的会 聚子层，都以连接为单位进行。每个连接山特定的1 6 位连接标识( c i d ) 表示。每个终端 由4 8 位的m a c 地址表示，但在m a c 层工作过程中使用的标识却是c i d 。 m a c 协议数据单元( p d u ) 是基站和终端用于数据交换的基本单位。一个m a c 协议 数据单元包括一个固定长度的m a c 头，一个可变长度的负荷部分，和一个可选的c r c 校验数据段。m a c 头部有两种不同的格式：普通格式和带宽请求格式。如果是后者的话， 则是一个带宽请求p d u ，该数据单元不携带负荷。负荷中的内容可能是会聚子层的数据 或m a c 层的管理信息。另外，还有三种可选的s u b h e a d e r ，分别是g r a a l tm a n a g e m e n t l-墨奢孽l薯鼍-ll 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 s u b h e a d e r ，f r a g m e n t a t i o ns u b h e a d e f ，和p a c k i n gs u b h e a d e r 。 m a c 层可以通过p d u 的交换实现数据传输功能和相应的管理功能，包括连接的建 立和释放，带宽申请，q o s 协商，以及物理层自适应调制功能的参数交换等等。s s 向b s 请求带宽有两种方式：通过m a c 层带宽请求数据包的独立请求带宽方式和通过用户数据 包的背负请求方式。当s s 使用带宽请求数据包时，它的一个相应比特指示出现在请求 的带宽是增加的还是减少的，从而b s 作出相应的动作，由于背负方式没有这样的指示 比特，所以默认为这种方式下请求的带宽是增加的。b s 在应答请求时，首先将这个s s 所属所有连接请求的所有带宽应答给s s ，s s 需要有一定的智能机制来按照不同的连接 发出的请求再二次分配给相应的连接，这就是以s s 为单位接收应答( g p s s ) 方式，这样 既减轻了基站( b s ) 的负荷， 又增强了系统的效率。 随着系统工作频率范围的扩大和服务要求的增加，m a c 层的功能也在不断扩一展， i e e e8 0 2 1 6 a 协议针对m a c 层增加了自动重传请求( a r q 机制和动态频率选择( d f s ) 机 制，大大增强了无线网络的端对端性能，减少了无线链路上的干扰对底层传输机制的影 响。 3 加密子层( 豁) ： 8 0 2 1 6 协议的加密子层用以增强无限链路传输信息的安全性，包括两部分内容： 数据包的加密封装协议，即采用数据封装协议来对在固定宽带无线接入网上传输的 分组数据进行加密。 密钥管理协议( p k m 协议) ：提供b s 与s s 之间安全的密钥分配机制。 2 4 2 物理层( p r o 层) i e e e8 0 2 1 6 协议支持多种物理层模式，如表2 3 所示。其中的主要方式有三种：单 载波s c ，o f d m 和o f d m a 。其中后两种基于正交频分复用技术( o f d m ) 。 w i m a x 的传播距离可达3 0 - 5 0 公里，应用条件相对复杂。为了保证无线传输的质量，采 用了物理层自适应参数调整技术，对多项物理层参数进行自适应调整，如调制解调器参 数、f e c ( 前向纠错) 编码参数、a r q 参数、功率电平、天线极化方式等，效果非常明显。 如在单载波制式下，通过调制方式q p s k 1 6 q a m 的切换，配合f e c 参数调整，可以使吞 吐量一信噪比值达到最佳。 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 聃6 0 柚 l h l p l d o s 科出湖l y 捌时姒c o p 啪“ 脚k 蛐噜 “憎a h n m l 出e m “ w 面d 瞄4 重 n 媾c 谢1 0 4 5 i g 磁8 1渤 f d d 惫瞄h m n 一霉c j b e l o w n 鼢搴，z a a $ 疆，7 彤粥 h a h l j 。d b s 瞰t s a 翱q 雄，瀚 s 托：( 。21 4 。卵 w 妇i c 鼍蚺 摊。张燃“$ 撕1 1 触8 3 a a s f 6 j7 鼬 彳0 d b c 日喇b 础 a 建q 摊_ 34 )啪 m e s h ( 6 j 6 ，6 ) s t e s ，8 d 雠d l n 司睡d mb e l o w1 1g x zs a a s 瞄37 酿瑚 o 目州5 a a d a r q f 6 ，34 )聃 s t c ( 霉4 ，8 ) w 妇蛔“附m 胛日t i f 宵n o k i s ，2 ；8 , 3 d f s ( 6 3 ，1 5 ) a a sc 6 ，37 辨渤 h c 9 e “螂o f s 卅矗嚣q 傍j 暂 每_ l 如 s a d 。| 5 m e a 岱36 。妨 ( 钠彘$ ，m a y ) s l 侣2l ，毫埔3 。耐 霉耳融 表2 - 3 物理层规范 1 频段 i e e e8 0 2 1 6 d 的工作频段为2 - 1 1 g h z ，8 0 2 1 6 e 为了确保移动性，工作频段定义为 2 - 6 g h z 。w i m a x 正在各个国家寻求较低的频段，根据各个国家频率规划的不同，目前 w i m a x 已经选定了首先对工作于2 5 g m 授权频段、3 5 g i - i z 授权频段、5 s c h z 非授权频 段这三个频段的8 0 2 1 6 d 设备进行一致性和互操作性测试。 2 双工复用方式 w i m a x 系统可以支持t d d ( 时分双工) 和f d d ( 频分双工) 两种复用技术，在i e e e 8 0 2 1 6 中，还规定了用户站可以采用半双工频分双1 0 t - f d d ) 方式，这样就降低了终端 收发器的要求，从而降低了终端成本。 3 载波带宽 i e e e s 0 2 1 6 并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从1 2 5 瑚z 2 0 瑚z 之间的带 宽考虑各个国家己有固定无线接入系统的载波带宽划分，i e e e s 0 2 1 6 规定了几个系列： 1 2 5m h z 的倍数，1 7 5 l z 的倍数。1 2 5 m h z 系列包括：1 2 5 2 5 5 1 0 2 0m h z 等。l 。7 5 m h z 系列包括：1 7 5 3 5 7 1 4 m h z 等。对于1 0 - 6 6g f i z 的固定无线接入系统，还可以 采用2 8m h z 载波带宽，提供更高的接入速率。 4 o f d m 和o f d m a 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 根据频段的不同分别有不同的物理层技术与之相对应：单载波( s o ，o f d m ( 2 5 6 点) 和o f d m a ( 2 0 4 a 点) 。其中，1 0 - - 6 6 g h z 固定无线宽带接入系统主要采用单载波调制技术， 对于2 1i g h z 频段的系统，主要采用o f d m 和0 f d m a 技术。由于o f d m , o f d m a 具有 较高的频谱利用率，而且具有良好的抵抗多径效应、频率选择性衰弱和窄带干扰上的能 力，所以o f d m 和o f d m a 是w m t a x 物理层的核心技术。w i m a x 系统利用了o f d m 技 术，使其传输距离接近3 0 1 a n - 5 0 k m ，当在2 0 m h z 的信道带宽时，能够支持高达1 0 0 m b p s 的共享数据传输速率。 8 0 2 1 6 d 标准化工作己经完成，w i m a x 会首先对采用2 5 6 点o f d m 物理层方式，工 作在2 5 g h z 和3 5 g h z 许可频段，5 8 g h z 免许可频段的设备进行一致性和互操作信测试。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准化工作还在进行中，它的物理层实现方式与i e e e8 0 2 1 6 d 基本相同， 主要的差别是对o m m a 进行了扩展。在8 0 2 1 6 d 中，规定了o f d m a 是2 0 4 8 点，是固定 的。8 0 2 1 6 e 中o f d m a 是可分级，支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点，这样可以适应 不同地理区域从2 0 m h z 到1 2 5 m h z 的信道带宽差异，这样使移动性成为了可能。当 8 0 2 1 6 e 4 ，理层采用2 5 6 点o f d m 或 2 0 4 8 点o f d m a 时，i e e e 8 0 2 。1 6 e 向后兼容8 0 2 1 6 d 的物理层。 5 自适应调制 i e e e8 0 2 1 6 支持b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 多种调制方式。在信道编码 纠错方面。i e e e8 0 2 1 6 采用了截短的r s 编码和卷积码级连的纠错编码，并且还支持 分组t u r b o 码、卷积t u r b o 码。i e e e8 0 2 ，1 6 可以根据不同的调制方式和纠错编码方法 组合成多种发送方案，系统可以根据信道情况的好坏以及传输的需求，选择一个合适的 传输方案。比如说，当信道状态差时，可以选择例如q p s k 低阶的调制方式，当信道状 况好时，可以选择例如6 4 q a m 高阶的调制方式。自适应调制给无线传输系统带来了更 好的抗衰落性能。 6 多天线技术 w i m a x 能够提供高于3 b i t s s e c o n d h z 的数据速率，为了增加覆盖范围和系统的可靠 性，i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准支持多天线技术，比如a l a m o u t is p a c e - t i m ec o d i n g ( s t c ) ， 自适应天线系统( a a s ) 和m u l 邱l e - i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t0 v i t m o ) 系统。a l a m o u t is t c 和m i m o 属于同一类技术。在发送端不需要知道信道信息，而a a s 在发送端需要知道信 道信息。广义的说，a l a m o u t is t c 使用多根天线发送、单根天线接收 研墨+ 】( 6 呦 其中研司表示j 的数学期望。 假设q ( ，七) 为第i 帧的第，时隙时等待传输的数据长度( 单位是比特) ， 我们的目标是，最小化艺三q f ( j ，后) ，其中m 为节点总数。即让排队等候发送的 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 数据总量最小，以更好的支持实时业务等对时延和吞吐量要求高的业务。定义冠( 再) 为 当有甩个时隙分配给节点f 时传到根节点b s 的数据量。如果节点f 不是直接连在根节点 b s 上的，则足( n ) = o ；因此，该算法应从叶节点推起。 以最基本的a ，b ，c 这3 个点的路由为例，其中a 是父节点。如图6 - 4 ： 困6 - 4 最基本的3 点路由 我们首先考虑在节点b 和c 之问分配k 个时隙的算法。定义瑶和为总共k 个时隙 分配给节点b 和c 时的最佳分配方法。则： 嘭= a r g m a x o 。甜 r 伽) + 足忙一疗) )修7 ) 畦= k 一磁 ( 6 - 8 ) 定义节点b 和c 总的最大数据量为： r ，( 七) = 咒( 嘭) + 愿( ) ( 6 - 9 ) 然后考虑为a ，b ，c 3 个点分配k 个时隙的算法。定义对a 点和bc 算在一起时的 最佳分配为呓和砬，则： = a r g m a x o s m ( 兄( 力+ r 。僻一力) ( 6 q o ) ，唆= k 一嘭( 6 1 1 ) 因为节点b ，c 是通过节点a 路由的，所以我们要先算b ，c 的调度分配。 定义节点a ，b ，c 总的最大数据量为： 吃扣，( 七) = r ( 呓) + 冠。( ，受) ( 6 - 1 2 ) 如果节点a 为叶节点，则： = a r g m a x 畦础 兄( 牡) ) ( 6 q 3 ) 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 6 2 仿真与分析 6 2 1 仿真工具( 0 p n e t ) 简介 o p n e t 作为当前最流行的网络仿真工具，为解决通信网络( 包括固定网，移动网 和卫星网) 的仿真和优化以及网络高效管理提供了整套解决方案。o p n e t 最初只有 o p n e t m o d e l e r ，到目前已经有m o d e l e l ，r g u r u ，s p g u r u ，w d m g u r u ，o d k 等一系 列产品。在本论文中使用的是o p n e tm o d e l e r 和w i r e l e s s 仿真模块。 对于o p n e tm o d e l e r ，可以从3 个层次进行概括和描述：( 1 ) 三层建模机制，o p n e t m o d e l e r 提供了网络层，节点层，进程层的三层建模机制，使得建模更加有条理，大大 加快了研发速度：( 2 ) 事件驱动的仿真，对于离散事件仿真软件来说，事件驱动是一个 很重要的概念，仿真时间的推进是靠事件来驱动的，有事件的时候则进行处理，没有事 件的时候则推进仿真时问线；( 3 ) 基于包的通信，在o p n e tm o d e l e r 中一个最重要的 实体就是包，通过包的字段来体现通信协议，o p n e tm o d e l e r 一大部分的通信是靠包以 及包中承载的信息来完成的。这3 个层次是使用o p n e tm o d e l e r 来进行通信系统建模 的核心概念。 6 2 2 仿真模型搭建 1 o 哪模型搭建 首先是在网络层，搭建网络级的仿真模型，即各个节点( b s ，s s ) ，以及设置相应 的服务类型，流量大小，网络传输参数等等。 因为主要是要考察新的s s 节点进入网络时，生成路由树的算法性能，所以我们选 取了一个b s 作为已有的根节点，分别设定了9 个场景( s c e n a r i o ) ，放置1 5 ，3 0 ，4 5 ， 6 0 ，7 5 ，9 0 ，1 0 5 ，1 2 0 ，1 3 5 个s s 依次加入网络，以分别考察不同节点数的情况下各 种算法的性能优劣。 图6 - 5 为1 5 个s s 的场景： 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 图6 - 5 i m x 网结族型 然后是节点级模型的搭建。这里我为b s 和s s 分别建立了一个模型，m a c 以上的 各层采用仿真软件自带的模块以缩短仿真模型搭建时间，而m a c 层和物理层收发机均 是我自己搭建。 图6 - 6 为b s 节点模型： 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 图6 - 7 为s s 节点模型： 图6 - 6b s 节点模型 图6 7s s 节点模型 接下来要建模的是进程级，也就是m a c 层里面关于w i m a xm e s h 具体功能的实 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 现问题了。这里也是分别为b s ，s s 搭建了不同的进程模型。模型是按照i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准里面关于m e s h 模式的定义搭建的，实现了m e s h 基本的协议功能。 图6 - 8 为b s 进程模型： 图6 - 9 为s s 进程模型： 图6 - 8b s 进程模型 图6 - 9s s 进程模型 物理层收发机的管道建模，主要涉及1 3 个阶段： ( 1 ) 与发送机相关的前6 个阶段。 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 阶段0 ：收发机组。这里我选取在每一个新的s s 节点加入后重新改写收发机组。 阶段1 ：发送时延。发送时延就是发包长度比上发送速率。 阶段2 ：闭合阶段。在这里将判断发射信号能否得到候选的接收信道。 阶段3 ：信道匹配。它在每个满足链路闭合的接收机信道中都执行一次，其目的是 根据接收机信道对发送包进行分类。 阶段4 ：发射天线增益。该阶段刻画了发射信号能量放大或衰减的程度。 阶段5 ：传播时延。传播时延用来与发送时延结合起来计算包接收完成所需的时间。 ( 2 ) 与接收机相关的后7 个阶段。 阶段6 ：接收天线增益。这是与无线接收机而不是发射机相关的最早阶段。用于计 算接收机所关联的天线增益。 阶段7 ：接收功率。该阶段目的是用阶段6 的结果计算到达数据包信号的接收功率 ( 单位为、d 。 阶段8 ：背景噪声。该阶段的目的是表示所有噪声源的影响性，但其他的由同时到 达的包造成的影响由干扰噪声阶段表示。 阶段9 ：干扰噪声。该阶段的目的是说明同时到达同一接收信道的发送包之间的影 响。 阶段1 0 ：信噪比。s n r 阶段的目的是计算到来的数据包的s n r 值，通常它是基于 早期阶段获得的数值，包括了接收功率，背景噪声以及干扰噪声。 阶段1 1 ：误比特率。b e r 阶段的目的是从过去的s n r 值为常数的阶段中得到误比 特率。这不是根据经验的误比特率，而是基于s n r 的预期的值。 阶段1 2 ：错误分布。该阶段的目的是估计数据包中的一段的比特错误数目，其中， 比特错误的分布概率为确定的常数。 阶段1 3 ：错误纠正。该阶段的目的是判定是否接收到达的包并通过信道对应的输 出流转发道接收机相邻的模块中。 2 参数设定 在参数设定方面，主要参考了i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准给出的物理层参数和b u r s t p r o f i l e 。 主要参数如下： ( 1 ) 物理层参数， 带宽( b a n d w i d t h ) ：2 5 m h z ； 子载波数( n u m b e ro f s u b c a r r i e s ) ：2 5 6 ； 帧长( f r a m ed u r a t i o n ) = 5 m s ： 每帧o f d m 符号数( n o o f o f d ms y m b o l s f r a m e ) ：8 8 4 ； 基于冲突避免机制提高无线城域网状网络吞吐量的研究 每微隙o f d m 符号数0 o f o f d ms y m b o l s m i n i s l o t ) ：4 - 每帧微隙数( n o o f m i n i s l o t s f r a m e ) ：2 1 1 ： 每帧上行微隙数( n o o f m i n i s l o t f i a m ef o ru p l i n k ) ：1 9 4 ； ( 2 ) 突发属性b u r s tp r o f i l e s 如表6 - 1 所示： 编码前每 编号调制方式编码率o f d m 符号字 编码前每微隙 节数 字节数 l q p s k 1 22 49 6 2 q p s k 3 43 61 4 4 3 1 6 q a m 1 24 81 9 2 4 1 6 q a m 3 47 22 8 8 5 6 4 q a m 2 3 9 6 3 8 4 6 6 4 q a m 3 41 0 84 3 2 6 2 3 仿真结果分析 表6 - 1 突发属性b u r s tp r o f il e s 一览表 图6 - 1 0 和图6 1 1 分别显示了采用不同路由算法和调度算法时的端到端总吞吐量。 s s 的数日从1 5 个递增到1 3 5 个，吞吐量的值是仿真模型运行5 0 0 秒仿真时间后，各个 s s 上流量总和的平均值。 董 妻 堡 焉 二、 。爹二支o v 一 沪。 + 冲宪麓免路由，i 疆优先调度弋o r 冲突麓免路由，固定分配调度 随机路由，固定分配黻 1 53 0 4 5 6 07 59 01 0 51 2 0 1 3 5 节点数 图6 一协上行吞吐量 5 4 - 罨 童 一 崮 粑 拈 卜 嚼 、叶 。么二 彭矿一卜= 。 庐+ 冲突麓免路由漉量优先调度 、 r 冲突避免路由，固定分配调度 嗣【机路由，固定分i g t m 1 蔓 7 59 01 0 51 2 0 1 3 5 节点数 图6 - 1 1 下行吞吐量 由仿真结果可见，我们提出的冲突避免机制，通过改进的路由算法和调度机制，大 大提高了网络总体的端到端吞吐量。 另外，我们从图中可以看出，上行的吞吐量要小于下行吞吐量，这是由于下行的调 度只要由根节点b s 集中控制，决定后就可以层层转发到各子节点s s ；而上行的调度则 需要各子节点s s 先向其父节点申请带宽，然后由父节点汇总各子节点所申请带宽，加 上本节点所需带宽再向上申请，由根节点b s 最终汇总后，根据相应准则进行分配。可 见上行带宽的分配过程要更复杂。 此外，吞吐量在节点数为7 5 左右达到最大值，之后的吞吐量不升反降，与理论上 节点越多性能越好的说法不符，究其原因，应当是当节点太多时，算法的收敛性存在一 定问题，不能更快的反映各节点的带宽需求，所以影响了总体吞吐量。 最后，此模型并未考虑节点可以移动，以及动态的增减节点等更为实际的应用问题， 所以还存在有很多待研究的题目可以继续深入研究。 第7 章结束语 随着近年来无线通信的高速发展，尤其是宽带无线接入技术的日益成熟，i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网标准已经成为最后一英里接入的备选方案。其良好的覆盖能力，充足 的带宽，先进的o o s 保证机制，使之在与其他技术的竞争过程中体现了明显的优势。 本论文针对在无线城域网状网络下如何提高网络吞吐量问题进行了研究。通过采用 冲突避免机制，生成冲突更小的路由树和优先满足大数据量需求的调度算法，实现了网 络吞吐量的大幅度提高。 论文的第2 章和第3 章，详细介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准的制定背景，制定过程，标 准的体系结构。尤其是提供q o s 保障机制的m a c 层功能。 论文第4 章和第5 章，详细介绍了无线网状网络( w m n ) 和i e e e8 0 2 1 6 的m e s h 模式，以及当前对于i e e e8 0 2 1 6 的m e s h 模式最重要的研究主题。i e e e8 0 2 1 6 的m e s h 模式有两种调度方式：集中式和分布式。由于分布式调度存在多次协调，时延不能保证 的问题，所以现在研究的重点是集中式调度。 论文第6 章，则是详细阐述了我们提出的冲突避免机制，并通过仿真证明了其对提 高网络吞吐量的有效性。本机制主要包含两方面内容：1 以选取最小冲突路径作为标 准的路由树生成算法；2 优先满足大数据量需求的集中式调度算法。 首先是选取一个合适的冲突模型：干扰模型的选取是整个冲突避免机制建模的前 提，将决定到底以什么参量作为考核的标准，也会影响仿真模型的复杂程度。所以，必 须选择一个既能正确反映无线信道通信特点，又能在仿真中实现的干扰模型。 然后是定义路径的冲突衡量标准和路由树生成算法：我们假设网络初始化时只有一 个b s ，没有鼯；而全部的s s 将按照其提出入网申请的先后顺序，一个接一个的进入 网络。当一个s s 进入时，它的所有已进入网络的邻居节点都可以候选成为其父节点。 为了最小化此后网络中的冲突，s s 选取父节点的标准是有最小的路径干扰总和p 。这 样建立的路由树，将尽可能的避免网络冲突，从而提高网络吞吐量。经过n 次循环，最 终所有n 个s s 全部加入网络，并选择了各自最佳的父节点，即冲突机率最小的路径的 节点。这样生成的路由树，将能提供尽可能大的吞吐量 最后是给出集中式调度的优化算法：我们的算法优先满足数据量大的带宽需求，从 离路由树根b s 最远的叶节点s s 开始算起，逐步递推到b s 。为此，我们先提出了一个 3 节点的简化模型，然后采用递归算法，完成整个调度的过程。 我们通过网络仿真工具o p n e t 进行仿真验证。该仿真软件能够在网络、节点、进 程3 个层次进行建模。在节点层次，由于i e e e8 0 2 1 6 只定义了m a c 层和p h y 层，所 以我们自定义的模块也集中在m a c 层和p h y 层，m a c 层以上使用o p n e t 自带的模 块。在进程层次，我们分别实现了b s 和s s 在m e s h 模式下集中式调度的主要功能。 仿真结果显示，通过采用我们的冲突避免机制，无线城域网状网络的吞吐量得到了 提高。但在节点数超过7 5 个左右以后，网络吞吐量开始降低，这应该是集中式调度的 一个弊端，就是不太适合特别庞大的网络，也是下一步工作考虑的问题之一 在未来的工作中，我们准备加强以下几个方面的研究： 1 在路由树生成算法中加入2 次选路的算法； 2 在m e s h 网络的研究中考虑移动性问题： 3 在物理层，设计更加逼近现实无线信道的模型。 总之，i e e e8 0 2 1 6m e s h 模式下问题的研究方兴未艾，还有很多问题等待我们去发 掘。 【l 】 【2 】 参考文献 i e e es t d8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 ，“i e e es t a n d a r df o rl o c a la n dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s p a r t1 6 ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s , ”o c t 2 0 0 4 t k r a g , s b e t t r i c h , w i r e l e s sm e s hn e t w o r k i n g 【e b o l h t t p ：w w w o r e l l y n e t c o m j a n 2 0 0 4 【3 】v a u g h a n n i c h o l s ，j s t e v e n ， a c m e v i n gw i r e l e s s c o m p u t e rs o c i e t y ，v 0 1 3 6 ，p p 1 0 - 1 3 ，j u n e2 0 0 4 【4 】g o v i n d a nn a i r , j o e yc h o u ，“i e e e8 0 2 1 6m e d i u ma c c e s sc o n t r o la n ds e n ，i c e p r o v i s i o n i n g , ”i n ：e lt e c h n o l o g y j o u r n a l ，v o i 8 p p 2 1 3 2 2 8 , s e p t 2 0 0 4 【5 l j j u n , m ls i c h i t i u ，w - , h en o m i n a lc a p a c i t yo fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s , i e e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，v 0 1 1 0 , p p , 8 - 1 4 o c t 2 0 0 3 【6 】x n f a n ，s lt a n g ，a n dx d z h a n g , “n e t w o r k i n ga n dr o u t i n gf o rm e s hw i r e l e s s n e t w o r k , p r o c o f i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s , n e t w o r k i n g a n dm o b i l ec o m p u t i n g ( w c n m 2 0 0 5 ) ，v 0 1 2 ，p p 1 0 6 8 - 1 0 7 1 ，s e p t 2 0 0 5 【7 】h y w e i ，s o a n g n i y ，a n dr 1 z m a i i o v ，“i n t e r f e r e n c e - a w a r ei e e e8 0 2 1 6w i m a x m e s hn e t w o r k s ，”p r o c o f i e e ev e h i c u l a rt e c h n o l o g yc o n f e r e n c ew t c 2 0 0 5 - s p r i n g ) ， v 0 1 5 ，p p 3 1 0 2 - 3 1 0 6 , j u n e2 0 0 5 【8 1 j t a o ，eq l i u ，a n d 乙h z e n g , “t h r o u g h p u te n h a n c e m e n ti nw i m a xm e s h n e t w o r k su s i n gc o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o n , p r o c o fi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n p d r e l e s sc o m m u n i c a a o n s , n e t w o r k i n ga n dm o b i l ec o m p u t i n g ( w c n m2 0 0 5 ) ，v 0 1 2 p p 8 7 1 - 8 7 4 ，s e p t 2 0 0 5 【9 】ao h o s h , d a v i dr w o r e r a n dj e f f r e yg a n d r e w s , “b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sw i t h w i m a x 8 0 2 1 6 ：c u i r c u tp e r f o r m a n c eb e n c h m a r k sa n df u t u r e p o t e n t i a l 。”i e e e c o n u n u n i c n ：i o n sm a g a z i n e ，p p 1 2 9 - 1 3 6 , f e b 2 0 0 5 【1 0 】lq f u , z gc a 0 9a n dp yf a n , “s p a t i a lr e u s ei ni e e e8 0 2 1 6b a s e dw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s , ”p r o c o fi e e ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m0 1 1c o m m u n i c a t i o n sa n d i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i s c i t 2 0 0 5 ) , v 0 1 2 ，p p 1 3 5 8 - 1 3 6 1 ，o c t 2 0 0 5 i l l | yz h a n g ，m t z h o u ；a n ds q ) 【i 蛾“a ne f