指导老师舒炎泰教授课件

WirelessMeshNetworks

Issuesateachlayer指导老师：舒炎泰教授(jiàoshòu)学生：刘春贵©2006第一页，共三十八页。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第二页，共三十八页。PhysicalLayer(PHY)WishlistPerformanceBandwidthRobustmodulationSensitivityShortpreambleFastswitchbetweenchannelsFastswitchfromTx/RxandbackExtrasMobility(potentiallyhigh-speed)LinkadaptationVariabletransmissionpowerMultiplechannelsLinkqualityfeedback第三页，共三十八页。

在一个大的范围内实现高的传输率，需要新的宽带传输方案(除OFDM和UWB之外)；

研究多天线系统，但复杂性和成本太高还不能被商业广泛接受；

Frequency-agile技术仍处于早期阶段,在被商业接受之前还需要大量的研究努力；虽然已经建议的Adaptive/smart天线等的多天线系统,以及MIMO系统能增加容量和减轻由于衰退、通道干扰引起(yǐnqǐ)的损害，但对WMNs而言，开发这种技术是一个更具挑战的问题；为了更好的利用物理层提供的先进技术，尤其MAC层协议需要和物理层交互的工作。因此，设计物理层的一些组件时，应使高层能访问或控制它们。这就使得硬件的设计更具挑战性,同时,也触发低成本软件radio技术的创新。PHY-OpenResearchIssues第四页，共三十八页。PHY-ModulationExistingmodulationsworkwell(OFDM,DSSS,etc.).UWBmaybeaninterestingalternativeforshortdistances(WPANs)SpreadspectrumsolutionsarepreferredastheytendtohavebetterreliabilityinthefaceofFading(veryimportantformobileapplications)Interference(moreofafactorthaninanyotherwirelesssystem)第五页，共三十八页。M,N,K,L的值不同会产生各种多天线系统；接收方有多个天线接受，发送方是单个通道(K=1,M=1以及或

L>1或N>1)的设计已经被建议，接受方能够收到至少(zhìshǎo)一个好信号的概率是很高的。PHY-MIMS第六页，共三十八页。PHY-SmartAntennasAdvantagesLowpowertransmissionsBatterynotabigconcerninmanyapplicationsEnablesbetterspatialreuseand,hence,increasednetworkcapacityBetterSNRBetterdataratesBetterdelaysBettererrorratesAdvantagesDisadvantagesSpecializedhardwareSpecializedMAC(difficulttodesign)Difficulttotrackmobiledatausers第七页，共三十八页。TransmissionPowerControlToolowToohighJustrightGWGWGW第八页，共三十八页。TransmissionPowerControl(cont)OptimizationCriteriaNetworkcapacityDelayErrorratesPowerconsumptionTheidealsolutionwilldependonNetworktopologyTrafficload第九页，共三十八页。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第十页，共三十八页。

ScalableMAC为使MAC协议真正扩展,必须建议新的分布式和协作方案以保证网络的性能(如吞吐率、甚至像延迟和延迟抖动的QoS参数)不会由于网络的增大而降低。多通道MAC协议比单通道MAC协议能实现更高的吞吐率是明显的。但开发一个可扩展的多通道MAC协议是一个更有挑战性的任务。

MAC/PhysicalCross-LayerDesign当使用(shǐyòng)像MIMO以及有感知的radios等先进技术的时候，需要建议新的MAC协议,尤其multi-channelMAC协议。

NetworkIntegrationintheMACLayer在MAC层必须开发先进的网桥功能，使得不同的无线radios技术,诸如802.11,802.16,802.15,等能够在一起无缝的工作。对于这些网桥功能，最终要解决再配置/软件radios以及相关的radio资源管理技术。MAC-OpenResearchIssues第十一页，共三十八页。

ModifyingExistingMACProtocols例如,在一个802.11mesh网中,MAC层协议(xiéyì)可以通过调整CSMA/CA的参数得到改善(如CW的大小,修改backoff程序)。但该方法仅能实现低的端到端的吞吐率,因为它不能大量的减少邻居节点间竞争的概率。

Cross-LayerDesignDesign

ApproachesofaSingle-channelMACprotocol基于有向天线的MACs。如果能保证天线波束很好，就可以消除暴露节点。但由于有向传输,就会产生更多的隐蔽节点。该方案也面临其它诸如成本、系统复杂性以及有向天线的实用性等的困难;具有功率控制的MACs。能够减少暴露节点，尤其在密集(mìjí)的网络，使用低的传输功率，因而改善WMNs的频谱空间的重用。然而，由于传输功率低导致减少探测潜在的干扰节点的可能性，从而使隐蔽节点的问题可能变的更遭。第十二页，共三十八页。ProposingInnovativeMACProtocols在多跳网络中，由于可怜的可扩展性，像CSMA/CA的随机接入协议不是一种有效的解决方法(fāngfǎ)。因而,再访基于TDMA或CDMA的MAC协议的设计是必要的。目前,几乎还没有TDMA或CDMA的MAC协议对WMNs可用。Design

ApproachesofaSingle-channelMACprotocol考虑开发具有TDMA或CDMA的分布和协作的MAC协议的复杂性和成本；是具有现有MAC协议的TDMA(或CDMA)MAC的兼容性。如在802.16中,原来的MAC协议是一个(yīɡè)集中的TDMA方案,但对于802.16mesh，一个分布式的TDMAMAC仍然是空缺。在802.11WMNs中,如何设计一个覆盖CSMA/CA的分布式的TDMAMAC协议是一个有趣但具有挑战的问题。第十三页，共三十八页。Design

ApproachesofaMulti-channelMACprotocolMulti-ChannelSingle-TransceiverMAC如果考虑成本和复杂性,在一个radio有一个transceiver是首选的硬件平台。因只有一个transceiver可用,所以在每个节点在某一时间只有一个通道是活动的。但不同节点可能同时在不同通道起作用。为了协调这种情形下节点间的传输,像多通道MAC协议是需要的。

Multi-ChannelMulti-TransceiverMAC.一个radio包括多个平行的RF前端芯片和基带处理模块以支持几个同时的通道。在物理层上部需要一个MAC层模块协调多通道的功能。至今还没有建议多通道多收发器的MAC协议。

Multi-RadioMAC节点有多个radios,且具有自己的MAC和物理层。在这些(zhèxiē)radios中通信完全独立。因而,在MAC上部需要一个虚拟的协议,像多radio一致协议在所有通道协调通信。事实上，在这种情况,一个radio可能有多个通道。但为了设计和应用的简单性,在每个radio通常应用单个通道。第十四页，共三十八页。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第十五页，共三十八页。Scalability分层路由协议由于其管理的复杂性和困难(kùnnɑn)可能只有部分解决了这个问题。地理路由依赖于GPS的存在或类似定位的技术,增加了WMNs成本和复杂性。因而需要开发新的可扩展路由协议。BetterPerformanceMetrics需要开发新的性能机制。集成多性能机制在一个路由协议是需要的，这样能实现最优的整体性能。Routing/MACCross-LayerDesign路由协议需要和MAC层相互作用以改善其性能。二者间的相互关系是如此靠近以至仅仅交换其参数是不够的。合并二者的某些功能是一种所希望的方法。EfficientMeshRouting由于WMNs具有基础设施,因此需要开发一个比adhoc网络协议更简单和更有效的路由协议NetworkLayer-OpenResearchIssues第十六页，共三十八页。

MultiplePerformanceMetrics许多现有的路由协议使用最小跳数作为选择路径的性能机制。在许多情况已经证明是效率低的。

Scalability在一个很大的无线网络中建立或维护一条(yītiáo)路径可能化很长时间。因而，在WMNs中有一个扩展的路由协议是关键。

Robustness为了避免服务崩溃,WMNs对于链路失效或拥塞必须是健壮的。路由协议也需要执行负载均衡。EfficientRoutingwithMeshInfrastructure在mesh网中,由于移动性小以及功率消耗不受限制,期望路由协议比adhoc网络更简单。对meshclients的路由协议应该比由meshrouters提供基础设施的网络更简单。然而现有协议还没有都考虑。Routing–OptimizedFeatures第十七页，共三十八页。RoutingProtocolswithVariousPerformanceMetrics已有文献研究路由协议性能机制的影响(yǐngxiǎng)，如LQSR根据链路质量机制选择路径。如ETX、per-hopRTTandper-hoppacketpair三个性能机制已经实现。与使用minimumhop-count方法相比。对于静止节点,ETX性能更好；对于运动节点，最小跳数方法更好。

“ComparisonsofRoutingMetricsforStaticMulti-HopWirelessNetworks,”证明LQSR在节点移动时仍不够好。（Sigcom）

Multi-RadioRouting

“RoutinginMulti-Radio,Multi-HopWirelessMeshNetworks,”(Mobicom)提出MR-LQSR,叫WCETT的一种新的性能机制。它考虑了链路质量和最小跳数机制以及在延迟和吞吐率之间实现好的权衡。

Multi-PathRouting

主要目标是执行较好的负载均衡和提供高的故障忍受力。即使一条新的路由路径还没有建好，也可能改善端到端延迟、吞吐率、以及故障承受力。然而，多径路由的缺点是它的复杂性。Routing–OptimizedFeatures(cont)第十八页，共三十八页。HierarchicalRouting

“Multi-levelHierarchiesforScalableadhocRouting”

(WINET)，采用自组织方案把节点分成簇。每个簇有一个或多个簇头。一些节点可能和多个簇进行通信或作为一个网关工作。节点密度大时,分层路由协议由于开销小会实现更好的性能,平均路由路径越短，路径建立的过程就越快。然而，维护分层的复杂性可能影响路由协议的性能。而且，mesh_client要避免成为簇头,因为它有限的容量会成为一个瓶颈。

GeographicRouting

“ScalableGeographicRoutingAlgorithmsforWirelessAdHocNetworks,”

通过仅使用附近节点和目的节点的位置信息转发包。在早期的算法中,包的转发决定是基于当前(dāngqián)转发节点、邻居节点、目的节点的位置信息的单径贪梦路由。然而,即使在源目间存在路径传递也得不到保证。为保证传递,文章建议planar-graph-basedgeographic路由算法。但它们比前者有较高的通信开销。Routing–OptimizedFeatures(cont)第十九页，共三十八页。Routing–WishListScalabilityOverheadisanissueinmobileWMNs.FastroutediscoveryandrediscoveryEssentialforreliability.MobileusersupportSeamlessandefficienthandoverFlexibilityWorkwith/withoutgateways,differenttopologiesQoSSupportConsiderroutessatisfyingspecifiedcriteriaMulticastImportantforsomeapplications(e.g.,emergencyresponse)第二十页，共三十八页。Routing-OptimizationCriteriaMinimumHopsMinimumDelaysMinimumErrorRatesMaximumDataRatesMaximumRouteStabilityPowerConsumptionCombinationsoftheaboveUseofmultipleroutestothesamegatewayUseofmultiplegateways第二十一页，共三十八页。Cross-LayerDesign传统协议要求彼此间是透明的，因而协议的开发和实现比较简单和可升级；在无线环境中，物理通道在容量、误码率等方面是变化的。尽管不同的编码、调制以及错误控制方案可以用于改善(gǎishàn)物理通道的性能，但没有办法保证高层所期望的固定的容量、零丢包率，或可靠的连通性；高层协议将不可避免的受不可靠物理通道的影响。为改善无线网络的性能，MAC,routing,transport层协议必须和物理层一起工作；MAC,routing,transport层协议也需要协作工作，这种相互作用要求在不同协议之间进行跨层设计；在AdHoc网络中，由于移动性和链路失效，网络拓扑会不断发生变化，这种动态拓扑会影响(yǐngxiǎng)多协议层；为了改进协议效率，跨层设计是必要的。例如，对于WMNs，一个MAC协议可能包括对于网络拓扑控制和自组织的一个机制。这种信息能够直接被路由协议共享。为了避免在路由协议中出现广播风暴，MAC协议可以优化由路由协议发起的传输信息的程序。第二十二页，共三十八页。Cross-LayerDesign跨层设计(shèjì)的方法：第一个方法优点是没有完全放弃协议层之间的透明性；第二个方法将完全失去了这个优点，而是通过考虑协议层之间一种最优化的相互作用以实现更好的性能。跨层设计能极大改善网络性能，然而，设计时必须要考虑一些问题：跨层设计具有一定的冒险性，如协议层提取的丢失、和现有协议的不兼容、在网络的未来设计方面无法预料的影响，以及(yǐjí)维护和管理的困难等。通过考虑其它协议层的参数来改进协议的性能。把底层协议的参数报告到高层(如把MAC层的丢包率报告到传输层，使得TCP能够区分由于丢包产生的拥塞。再如，物理层把链路质量报告到路由协议作为对路由算法(suànfǎ)的一个附加的性能机制)。把几个协议合并在一起。例如把MAC和路由协议合并成一个协议,为了接近地考虑它们的相互作用。评价第二十三页，共三十八页。Routing–Cross-LayerDesignRouting–PhysicalLinkqualityfeedbackisshownoftentohelpinselectingstable,highbandwidth,lowerrorrateroutes.Fadingsignalstrengthcansignalalinkabouttofail→preemptiverouterequests.Cross-layerdesignessentialforsystemswithsmartantennas.

Routing–MACFeedbackonlinkloadscanavoidcongestedlinks→enablesloadbalancing.Channelassignmentandroutingdependoneachother.MACdetectionofnewneighborsandfailedroutesmaysignificantlyimproveperformanceatroutinglayer.第二十四页，共三十八页。Routing–Cross-LayerDesign(cont)Routing–TransportChoosingrouteswithlowerrorratesmayimproveTCP’sthroughput.EspeciallyimportantwhenmultipleroutesareusedFreezingTCPwhenaroutefails.Routing–ApplicationEspeciallywithrespectofsatisfyingQoSconstraints第二十五页，共三十八页。Network–FairnessProblemSourceConflictbetweenlocallygeneratedtrafficandforwardedtraffic.Athighloadsthenetworklayerqueuefillsupwithlocaltrafficandtraffictobeforwardedarrivestoafullqueue.Consequence:nofairnesspoorefficiencySolutions:ComputethefairshareforeachuserandenforceitNetworklayerMAClayerGW第二十六页，共三十八页。QoSSupportrequiredateverylayerPhysicalLayerRobustmodulationLinkadaptationMACLayerOfferprioritiesOfferguarantees(bandwidth,delay)NetworkLayerSelect“good”routesOfferprioritiesReserveresources(forguarantees)TransportAttemptend-to-endrecoverywhenpossibleApplicationNegotiateend-to-endandwithlowerlayersAdapttochangesinQoS第二十七页，共三十八页。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第二十八页，共三十八页。TransportlayerCrosslayeroptimizationisrequiredforincreasingTCPperformanceThenewenhancedTCPshouldworkwiththeexistingTCPAdaptivetransportprotocolsrequiredforanintegratedWMNAdaptiveRateControlProtocol(RCP)isneedforrealtimedelivery.第二十九页，共三十八页。Cross-layerSolutiontoNetworkAsymmetry

它被定义(dìngyì)为一个网络的转发方向的带宽、丢失率、延迟会完全不同于反向的情况,因而影响ACKs的传输。由于TCP是依赖与于ACK的,其性能会由于网络不对称急剧下降。虽然ACKfiltering,ACK拥塞控制有助于解决该问题，但应用到WMNs还需要研究。

AdaptiveTCPWMNs也将与Internet和各种无线网络(802.11,802.16,802.15,etc)集成。在不同的网络应用不同的TCPs是一个复杂且有代价的方法。因此，adaptiveTCP是最可取的方法。对于实时传输，根据WMNs的特性需要开发新的RCPs。也需要开发新的丢失区分方案和RCPs一起工作。因为WMNs将和各种无线网络及Internet集成,因此需要开发适应性速率控制协议。OpenResearchIssues目前还没有针对WMNs的传输协议,然而，研究adhoc网络的传输协议对研究设计(shèjì)WMNs有帮助。对实时和非实时流需要不同的传输协议。第三十页，共三十八页。Non-CongestionPacketLossesTheclassicalTCPs不区分拥塞(yōngsè)和非拥塞(yōngsè)丢失。当后者发生时，由于不必要的拥塞避免,网络吞吐率很快降低。另外,当通道回到正常操作时,classicalTCP不能很快恢复。反馈机制可用于区分不同的丢包。UnknownLinkFailure在MANET,链路失效会频繁发生。但有基础设施的WMNs不关心链路失效。但在meshclients会发生链路失效。探测链路失效可改进TCP性能。NetworkAsymmetryLargeRTTVariations考虑WMNs的移动性、变化的链路质量、波动的流负载以及其它因素,路由路径的变化可能会频繁并可能引起大的RTT变化。这会降低TCP性能,因为TCP的正常操作依赖于RTT的平稳度量。ReliableDataTransport—TCPVariations第三十一页，共三十八页。“ATP:AReliableTransportProtocolforad-hocNetworks,”(MOBIHOC)建议(jiànyì)了一个ATP。ATP没有重传超时,减弱拥塞控制和可靠性。ATP比TCPvariants能实现更好的性能(延迟,吞吐率,公平性)。然而,对于WMNs，一个全新的传输协议是不可取的方法。WMNs将与Internet和其它无线网络集成,因而传输协议协议和TCPs兼容。ReliableDataTransport—NewTPReal-TimeDelivery支持实时流的端到端传递，RCP需要和UDP一起工作，有线网介绍的RCPs不适合WMNs。“ATransportProtocolforSupportingMultimediaStreaminginMobileadhocNetworks,