多信道无线网络研究现状分析

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大纲多信道mesh网络的体系结构负载均衡的路由算法自适应流量的信道分配算法性能评估原型系统相关研究问题我们的思考2005infocom“Architecture and Algorithms for an IEEE 802.11-Based MultiChannel Wireless Mesh Network” Copyright©2006 YAN Wei. All rights reserved.

多信道无线网络研究现状分析 (下)2006.11.27

WMN与MANET的差别 WMN与 MANET的差别节点固定、拓扑变化缓慢节点因故障/关机离开节点加入

完整的WMN体系完整的WMN体系完整的多信道无线mesh网络体系拓扑发现流量profiling信道分配路由

流量特征变化不大可进行基于网络测量的优化

流量分布不均衡主要流量在移动节点和网关之间

常采用主动路由降低延迟

多信道的困难同时做到必须和通信范围内的邻居共享公共信道为降低干扰应最小化共享信道的邻居数

信道分配问题的分解Neighbor– interface binding确定在哪个网卡与邻居建立通信所用的虚拟link

Interface– channel binding确定上述接口所用的信道

Connectivity

Optimal

Capacity

一个接口要与多个邻居通信

必须采用不同的信道

信道分配的约束条件可分配的信道数受限于可用的网卡数不能归为edge-coloring formulation

Hyacinth——基于802.11的 Hyacinth——基于802.11的多信道无线mesh网络体系结构与算法多信道无线mesh网络体系结构与算法

两个直接通信的节点必须至少共享一个信道不能归为node-multicoloring formulation

干扰范围内的无线电信道容量有限就算第一个条件成立，也无法满足此约束条件

Samir R. Das副教授

Hyacinth体系结构 Hyacinth体系结构

Hyacinth的目标 Hyacinth的目标高容量的无线mesh网络多信道技术采用现成的商品无需修改MAC

Multi-channel Wireless Backbone

主干网采用多信道技术Wired Network 4 5 3 1 5 1 3 2 Virtual link operating on Channel 2 4 2 2 1

主要研究问题信道分配算法的设计目标

将每个网卡邦定到一个信道，

使得每个虚拟link的可用带宽与流量负载成正比路由决策

路由算法的作用确定端-端路径均衡网络负载提高网络应对节点故障的容错性

Link容量 Link容量

信道分配

Mesh router operating on Channel 1 and Channel 3

虚拟link负载虚拟link负载

评估metric评估metricGoal: Maximize network cross-section goodput cross-

Goodput number of bytes it can transport between the traffic aggregation devices and the wired connectivity gateways within a unit time

负载平衡的路由算法

假设分布式路由的依据局部拓扑局部流量负载考虑K (= R/ r)+1跳邻居R

基于生成树的负载平衡算法每个网关是一棵生成树根每个WMN节点可加入一棵或者多棵生成树可将负载均衡在多棵树或者作为link故障的备份树

所有的生成树通过有线网络连接

消息通信机制更新路由表信息在构造树的同时

添加指向 Y的路由项

路由“cost”metrics路由“ cost”接收为子节点删除指向 Y的路由项

Hop-count快速收敛、静态路由不能均衡网络负载

Gateway link capacity解除父子关系通告到达网关的cost申请加入树

树的根与有线网络连接uplink的剩余容量根据流量均衡网关负载动态 route flaps

动态metric对路由稳定的影响动态metric对路由稳定的影响网关link容量和路径link容量都和

当前的负载有关动态变化路由摇摆T IN JOPT CE AC

JOINT消息应 JOINT消息应该包括申请节点的带宽需求

自适应硫量负载的信道分配

信道分配的目的Wired network

信道依赖问题问题的根源节点网卡数目有限每个网卡必须与多个邻居通信60 70

110 30 40 30 20

信道依赖问题无法预测局部信道的重新分配后造成的后果30

如何解决信道依赖问题将每个节点的网卡分成两类UP_NICs连接父节点 DOWN_NICs连接子节点

信道分配原则基本思想根据邻居范围内所有信道的使用情况来分配信道信道j的聚合流量=信道j∑使用信道j的负载使用信道j

i∈干扰邻居

信道j的总负载=信道j加权(信道j的聚合流量，使用信道j的节点数)加权(信道j的聚合流量，使用信道j

信道分配原则选择一组干扰范围内使用最少的信道选择优先级比自己高的节点未用的信道

距离网关的跳数

信道分配算法每个节点根据(k+1)跳邻居通报的信道使用情况估算每个信道的聚合流量和总负载；为DOWN_NIC选择使用最少的一组信道；进入信道load-balancing阶段周期性地重新评估当前的信道分配若发现有低负载的信道则切换信道并通知子节点和(k+1)跳邻居如果切换失败，则快速信道使用更新避免其它节点同时选择该信道

消息通信机制CHNL_USAGE消息用来通告本节点的信道使用情况每隔Ta发给(k+1)跳邻居

CHNL_CHANGE消息用来通告本节点网卡的信道变化情况发给子节点和(k+1)跳邻居发送间隔至多每Tc

为什么是(k+1)跳？为什

么是(k+1)跳？

故障恢复

k= R/rRA的父节点/子节点

都在

影响传输的节点

故障恢复后FAILURE

A A (k+1) (k+1)跳之内

广播机制控制消息每Ta:HELLO、ADVERTISE JOINT、ACCEPT、REJECT、LEAVE、RT_ADD、RT_DEL每Tc:CHNL_USAGE、CHNL_CHANGE

性能评估对NS-2进行了扩展：

广播需求将控制消息发给c(1~ k+1)跳邻居

广播机制物理控制网络：采用固定在专用信道上的额外NIC虚拟控制网络：与邻居通过多跳连接(用第三层路由来达到第二层通信)

1.支持多网卡 2.支持动态信道分配

多信道对吞吐量的提升Simulation Setup60 nodes with 4 gateway nodes 2 NICs/node, 12 channels 30 random flows to wired net集中式信道分配机制不比分布式信道分配机制好多少； Cross-section goodput X

多信道对Web用户响应时间的减少多信道对Web用户响应时间的减少Simulation Setup64 nodes with 4 gateway nodes 2 NICs/node, 12 channels HTTP traffic requests/response Traffic intensity:0, X, 2X, 3X, 4X

→分布式带来的性能代价很小双网卡多信道(12)能将信能提升6~7倍 Results双网卡多信道(12)能将信能提升6~7倍 1.无线传输冲突域分割成多个冲突域Baseline: Single-channel net Single-NIC Multi-channel: 2.减少了同一路径上相邻节点以及相邻路径之间的干扰 Marginal improvements Identical CA: 2x improvement Centralized CA: 6-7x gains Distributed CA: 6-7x gains

单信道网络随着流量强度的增加延迟很快增大； Results饱和状态下，多信道能支持4倍于单信道的流量饱和状态下，多信道能支持4支持更多的用户Reduced average delay Saturation point: 4x users with multi-channel networking

系统参数对性能的影响

算法参数对信能的影响

9*9 grids

8*8 grids 4 gateways

NICs= 2,非重叠信道为6达到饱和； NICs= 2,非重叠信道为6 NICs= 4,非重叠信道为12达到饱和； NICs= 4,非重叠信道为12达到饱和；每增加一个网关用于relay往来于有线网络的容量也随之增加每增加一个网关用于relay往来于有线网络的容量也随之增加 Co

信道使用优于共享信道的节点数是否考虑优先级性能差不多考虑优先级能实现fat-tree

原型系统基本配置OS:windowsXP NICs:2 ad hoc

原型系统的软件体系Network Driver Interface Specification

节点的IP地址分配： 1.获得一个临时地址 (192.168.254.x) 2.经多跳从有线网络的 DHCP服务器获得一组地址

Orinoco 802.11a/b/g PCI Netgear 802.11a/b/g PCINODEs:9 Gateways:2外接天线：相距2 feet

信道使用测量如果两个信道的使用率相差>10%,则选择负载轻的信道；否则取共享信道的干扰节点数少的信道

原型系统的性能FTP吞吐量(从有线网络下载数据)多信道的聚合吞吐量是单信道的5倍随着网络规模的增大信能有望提高7倍

下一步可能的研究问题“Optimal” centralized load-balancing routing? Distributed channel assignment for general wireless mesh? Capacity of multi-radio wireless mesh networks? Applications to IEEE 802.16a mesh networks?

节点6故障，节点3没能与节点2建立父子关系；

故障恢复延迟故障恢复时间600~700ms故障检测时间150ms路由变化的传播时间约为1ms其余时间都用来更新路由表

Mesh网络的相关研究问题 Mesh网络的相关研究问题传输层协议比TCP在多跳无线网络上的性能和鲁棒性好透明于节点的移动管理支持端用户在WMN内移动(无需预先安装任何软件)安全路由协议防止收到恶意路由器的攻击定向天线协议降低干扰并获得更好的信道空间重用度小型化移动无线网络实验床提供可管理的可配置的可控制的多跳无线实验平台

我们的思考技术路线与体系结构相关论文的发表和应用必须有吸引人的成果模型结论(分析、模拟、试验)

实际环境下的实验设计很有讲究做事情的目的要明确我们如何开展这方面的研究重复别人的工作？

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qyjm.html

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