基于多网卡多信道MESH网的路由协议研究

1、基于多网卡多信道MESH网的路由协议研究    摘  要  无线MESH网不同于传统的无线多跳网络，路由器是固定的，移动性不是主要问题。因此迫切需要一种新的准则适应这种网络。WMN使用多网卡和多信道以提高网络容量。WCETT是为多网卡多信道无线MESH网络设计的准则, 但是必需的带宽计算很复杂。本文提出了一种新的路由准则SMETT，以避免复杂的带宽计算，并且设计一种名为传输感染因子 (TIF) 的传输干扰模型使 ETT更接近真正的传输。关键词  无线MESH网络；多信道；多网卡；路由准则1  简介无线MESH网络(

2、WMN)在近几年里已经成为研究的热点。由于它的一些特殊的应用已经引起了商业的注意和巨大的兴趣。虽然WMN是由Ad Hoc 网络发展而来，但它是一种全新的拓扑，Ad Hoc的路由已经不再适用于WMN。绝大部分传统的Ad Hoc路由准则是选择从源节点到目的节点的最小跳数。如果WMN也使用最小跳数准则，则容易在路由中包括较长的无线链路，导致较低的吞吐量，从而影响其达到最佳性能。因此路由准则可以根据无线链路的质量来选择较好的路径。MESH路由问题的关键就在于改进网络容量和提高个别传输的性能上。我们通过在每个节点上安装多个网卡来改进 WMN容量的方法。这样可以使节点能够同时地传输和接收数据。同时每个节点

3、有多个网卡，也能提供一个实现多信道的策略。目前已有很多方法可以进行分布式的频道分配。本文提出一种新的路由准则，称为SMETT(Sum of Motivated Expected Transmission Time)，是为多网卡多信道环境而设计的。与WCETT不同的是它不考虑无线链路的带宽。因为无线网路的带宽不容易计算，该如何避免带宽的计算是一个主要议题。而且在本文中，当我们计算 ETT(预期的传输时间) 的时候，也考虑到链路的干扰。在无线网路中，如果他们在彼此的干扰范围里，无线链路上的传输可能互相干扰。提供一种传输感染因子 (TIF)用于我们的准则 SMETT。2  问题的形成2.1

4、 系统体系结构如图1所示，在无线MESH网络 (WMN) 体系结构中，每个节点有多个网卡和多条信道。这里不考虑如何分配频道。假设体系结构的每个路由节点都是相对固定的，在给定区域的每个点至少被一个接入点 (AP) 覆盖。为了覆盖一个大的区域，需要很多的AP。通常情况下，把每个AP连接到以太网上，再依次连接到Internet是不现实的。因此只有一些AP连进有线基础设施，作为网关工作。移动终端用户直接从AP或从多跳AP访问互联网。图1  WMN 的体系结构2.2  传输干扰: IEEE 802.11 DCF在有线网络中，因为各节点是独立的，所以链路上的任何传输都不会干扰其他链路上

5、的传输。然而，在无线网路中，如果他们在彼此的干扰范围内，一个无线链路上的传输就有可能干扰其他的链路。IEEE 802.11 DCF子程序利用一个简单的载波侦听多路访问(CSMA) 算法。当一个分组想要传输时，它通过传输分组占用介质。如果侦听到介质是空闲的，那么分组将会被传输。否则，在当前冲突窗口大小内任意选择的退避计算器工作，并且让退避计算器开始倒计时，直到媒体空闲。当它感觉媒体忙碌时，节点中止计算器的倒计时窗口。这称为二进制指数退避。当一个节点传输一个分组时，它需要为可能的重传将发送的分组存在缓冲器中。当分组被确认收到时，缓冲器中的分组才被移去。如果有任何传输失败，缓冲器会为重传保护丢失的分

6、组。因此缓冲器不空的时候将会增加。由于如果一个分组仍然存在缓冲器中，节点会试着占用媒体，所以这会影响在它的干扰范围内的节点的传输。2.3  预期传输时间 (ETT)在提出预期传输时间 (ETT)前，我们首先简短地描述 ETX 准则。ETX 度量准则用于测量传输的预期数量，包括重传（需要在链路上发送一个单播分组）。ETX 的推导开始于前向和反向的分组损失概率的测量，分别用 pf 和 pr 表示，然后计算预期传输数量。我们从计算分组传输不成功概率开始。因为802.11 协议需要的是传输成功，所以分组必须成功地被应答。让 p 表示从 x 到 y 的分组传输不成功的概率：（1）802.11

7、MAC将会重传一个传输不成功的分组。让 S（K）表示分组从 x 到 y 经 k 次尝试后成功发送的概率。（2）最后，从 x 到 y 成功地传送一个分组的必需的预期传输数量用ETX表示：（3）ETX 准则用于路由选择。它将选择最低的积累 ETX的路径。但是ETX 准则不一定能为WMN选择较高吞吐量的路径。例如，它可能选择 802.11b 链路，但不选损失概率比较低的802.11a链路。在文章3中，作者给出了一个信道差异性优先选择，提供了一种新的准则，称为预期传输时间 (ETT)。它定义为“带宽修正 ETX”。让 S 表示分组的大小(例如 1024个字节)，B 表示链路的带宽 (原始数据率)。那么

8、 ETT 表示为：（4）根据方程 (3) 和 (4)来计算 ETT，需要知道向前和反向损失率 (pf 和 pr)以及每个链路的带宽。有两种方法可以获得每个链路的带宽。一种方法是每个 802.11网卡给定值的固定带宽，但是固定速率不可能适合实际传输。另一个方法是让网卡自动地为每个分组选择带宽，这也是不现实的。3  SMETT: 激励预期传输时间总数3.1  传输感染因子 (TIF)在前面，我们解释了802.11DCF 如何工作，说明了节点的缓冲器能影响链路上的传输。如果缓冲器是空的,只要它接受，节点能发送分组。那么它不影响其他传输。然而，如果节点缓冲器长时间不空，就不会传输刚

9、刚收到的分组。因此节点缓冲器不空的时间会影响链路上其它的传输。我们定义一个链路传输感染因子 (TIF)如下。TIF不但解释了一个链路上最初的传输负载，而且解释了因丢失分组重传而增加的负载。例如，传输时间是方程（4）ETT的2倍，如果链路的损失率是0，即ETX =1，那么TIF =0.5，因为节点的缓冲器一半时间不空，节点的传输是忙碌的。然而，如果链路的损失率是 0.5，缓冲器由于重传不会是空的。那么，TIF =1。由于ETT表示链路的损失概率，因此TIF与它有关。现在我们假设链路K-1和链路K是连续的链路，他们的ETT分别是ETXK-1和ETXK。当ETXK / ETXK-1小于1.0时，链路

10、K会比链路K-1有较多的空闲时间，那么TIFK可表示为TIFK-1*EK/EK-1。当 大于1.0 时，意味着节点K缓冲器是充满的，一些分组可能被丢弃。因此，TIFK可以表示为：        (5)3.2 激励预期传输时间METT激励预期传输时间考虑了传输干扰。它是一种“干扰调整的ETT ”。首先，我们假设路径的源节点是处于无干扰理想状态。因此，首先我们设定TIF 初值为 TIF1=1。然后，让 ETXk表示链路 k 预期的传输次数，S 是分组的大小(例如 1024字节)，而Dk 是链路 k发送数据速率。因此，链路 的干扰

11、调整k 定义为：(6)因为干扰，如果缓冲器不空，所有的分组将会竞争占用媒体。如 TIF定义，如果真正的传输时间是方程 (4) 的2倍，那么TIF=0.5 。因此 TIF与 METT是反比，且最初的 ETT被定义为(4)，链路的激励 ETT（METT）必须分开 TIFk。因为TIF 能表示真正的传输，所以使用 B(链路的带宽) 是不必要的。我们改为使用 Dk  (链路 的发送速率)。根据方程 (3) 、(5) 和 (6) 计算 METT，我们需要了解正向和反向的损失概率 (pf 和 pr)、传输率、每个链路的传输感染因子 (TIF )。pf 和 pr的值可通过用广播分组技术来估计，每个

12、节点定期地 (每秒一次) 送出广播探测分组。广播分组不由 802.11 MAC转发。节点跟踪从每个相邻节点在滑动时间窗口期间 (十秒)收到的探测分组数，包括他们自己的探测信息。节点能从相邻节点在时间窗口内收到的探测分组数直接计算 pr，还可以使用从相邻节点收到的最后一个探测分组有关他们自己的信息来计算 pf。然后计算 ETX。我们也能使用方程(5) 计算 TIF。3.3  路径准则(SMETT)通过计算，我们得到所有链路的 METT。这部分提出如何计算在源节点上所有的METT 。我们的路径准则称为SMETT  (激励 ETT的总和)。它是路径的预期传输时间。因此我们能设定S

13、METT 是路径上所有单跳的 METT 的总和。(7)同时，SMETT 需要考虑信道差异性的影响。只是增加METT 不能保证这个特性，因为我们不能区别在不同的频道上的单跳。为了反映这一点，我们的准则定义了附加项 Xi 。(8)Xj是信道 j上单跳的传输时间总和，总吞吐量受瓶颈频道支配，瓶颈频道有最大的 Xj。另外，我们引入一个可调参数 用来计算 SMETT。(9)4  结论本文提出了一种新的多网卡多信道无线MESH网络的路由准则 。这个路由准则避免了计算网络带宽，而且考虑可能是整个传输的瓶颈的干扰。它更适合真实的世界。路由仿真显示这个新的路由准则工作得很好: 与单跳计数准则和 WCE

14、TT准则相比较。平均吞吐量比单跳计数准则改进了20%以上，比WCETT改进了10%以上。整个丢失概率也已经减少。参考文献1 Richard Draves,  Jitendra Padhye,  Brian Zill，“Routing in Multi-Radio, Multi-Hop Wireless Mesh Networks”, Microsoft Research, September 20052 Ashish Raniwala，Kartik Gopalan，and Tzi-cker Chiueh，“Centralized Channel Assignment and Routing Algorithms for Multi-Channel Wireless Mesh Network”，Mobile Computing and Communications Review，vol. 8，no. 2，pp. 50-65，April 20043 Ashish Raniwala and Tzi-cker Chiueh，“Architecture and Algorithms