无线-Mesh-网络关键技术与应用研究-硕士论文.doc

上海海洋大学硕士学位论文上海海洋大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海海洋大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海海洋大学硕士学位论文无线 Mesh 网络关键技术与应用研究摘 要在各种无线网络技术竞相发展的同时，作为一种新兴的无线网络技术无线Mesh 网络(Wireless Mesh Network,WMN)正逐渐成为人们关注的焦点之一。WMN 即无线网状网络,也被称为无线多跳网络, 是一种多跳无线网状拓扑网络，属于无线宽带接入网络领域的范畴。WMN 可以和多种无线宽带接入技术如 WLAN、WiMAX 以及第三代移动通信等技术相结合,构成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。在传统的 WLAN 中，终端用户都是借助一条与 AP 直接相连的无线链路来访问网络，每个终端用户若想进行与外界通信的话，应该首先访问接入点 AP,我们称这种网络架构为单跳网络系统。在 WMN 中，任何节点既可以是一个 AP，也可以是路由器，因此，在该网络系统中各个节点都可以收发信号，而且每个节点既可以和一个节点直接通信，也可以和多个其他节点进行通信。那么这种网络系统架构有很大的好处是：假如最近的接入点 AP 因为流量过大造成交通拥塞，那么数据就能够自动路由到一个流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据流量还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地。这种接入方式就是多跳接入。基于无线 Mesh 网络这种新型的网络架构，传统的 WLAN一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题由此迎刃而解，由此可以可见，无线 Mesh 网络技术的出现，代表着无线网络技术的又一大跨越，有着极为广阔的应用前景。首先本文介绍了无线 Mesh 网络技术发展历史及其主要应用领域，由于无线Mesh 网络主要应用定位于无线宽带多媒体业务，同时分析了无线 Mesh 网络自身固有的缺点。并在此基础上提出保障 QoS 技术和无线 Mesh 网络路由协议必须解决的问题。其次本文给出无线 Mesh 网络 QoS 保障研究与 OSI/RM 比较对照模型，并提出解决无线 Mesh 网络 QoS 路由问题的思路，同时给出了无线 Mesh 网络模型中执行QoS 路由算法的数学函数模型，并根据近几年国内外无线 Mesh 网络路由协议的研究现状及无线 Mesh 网络 QoS 路由算法的研究热点进行了归纳总结与比较分析，得出本文在解决该问题上归类和新颖性。然后本文改进一种启发式算法，该算法是建立在基本蚁群算法的基础上，总1上海海洋大学硕士学位论文结了蚁群算法的优缺点，并在此基础上提出了改进蚁群算法，而后根据无线 Mesh网络架构特点，给出基于改进蚁群算法的无线 Mesh 网络 QoS 路由算法，通过将基于网络拓扑路由构造和路由算法改进相结合，有效低降低延迟和丢包率，此外通过仿真实验研究发现改进后的 QoS 路由算法在路由费用上的平均值及最优值明显有所改进。最后本文就无线 Mesh 网络在海岸环境监测上应用作了深入分析，21 世纪是海洋的世纪，传统海岸环境监测网络技术存在着建设成本高、体积庞大、系统复杂、不便于快速配置等缺点，而无线 Mesh 网络的成本低、易配置、易维护、易扩展以及健壮性网络拓扑结构非常有利于部署海洋环境监测网络系统，通过分析比较，本文提出了基于无线 Mesh 网络的海岸环境监测系统架构。关键词 服务质量(QoS), 无线网状网(WMN), 蚁群算法(ACA)2上海海洋大学硕士学位论文Research on Key Technologies and Application of WirelessMesh NetworksABSTRACTWith the high development of a variety of wireless network communicationtechnology in recent years, a new wireless networking technologywireless meshnetworks are becoming the focus of peoples attention. Wireless mesh network, alsoknown as multi-hop wireless network, which is a wireless multi-hop mesh networktopology, and belongs to broadband wireless access areas. Wireless Mesh networks canbe combined with a variety of broadband wireless access technologies, such as 3Gmobile communications,802.11, 802.16,802.20 and so on ,and forms wireless multi-hoplinks wireless mesh networks. In traditional wireless LAN (WLAN), each client areconnected via a wireless link with the AP to access the network, users who want tocommunicate with each other, they must first visit a fixed access point (AP), which iscalled single-hop network. In wireless Mesh network, any wireless devices node can beboth AP and router, each node in the network can send and receive signals, andcommunicate directly with one or more of the other nodes .The greatest benefit of thisstructure is: If the nearest AP has heavy traffic congestion, then the data can beautomatically rerouted to a more smaller neighboring nodes to be transmited. And so on,according to network, the packet can be continued routing to the nearest next node fortransmission, until it reaches the final destination. This access method can be called themulti-hop access. Based on this new network architecture of wireless mesh networks,there has been a traditional WLAN with low scalability 、 low robustness and so on,which can be solved. Wireless mesh network technology represents another a largeacross, which has a very broad application prospects.First, the article describes the history of wireless mesh network technology and itsmajor application areas, the main applications of wireless Mesh networks located in thewirelessbroadbandmultimediaservices,meanwhile,analyzedtheinherentshortcomings in wireless mesh network. On that basis, addresses the protection3上海海洋大学硕士学位论文technology of wireless mesh network QoS routing.Second, this paper studied QoS guarantee andOSI / RM compare model inwireless mesh network, and propose solutions to the wireless mesh network QoSrouting problem , and gives a wireless mesh network model of mathematical functionsperforming QoS routing algorithms. According to recent domestic and internationalfindings, arrives at this classification and novelty of resolving the issues.Then, based on the basic ant colony algorithm, this paper summarizes theadvantages and disadvantages and improves the heuristic algorithm. According tocharacteristics of wireless mesh network architecture, gives based on improved antcolony algorithm for wireless Mesh network QoS routing algorithm, and combinesnetwork topology-based routing with routing algorithms, effectively reduces latency andlow packet loss rate. In addition, by way of improved routing algorithm simulationstudy, comes to the conclusion that the optimal value and the average is significantlyimproved.Finally, the paper analyses in depth applications of wireless mesh network in themarine environment monitoring. on the 21st century, which is the century of the ocean,the traditional coastal environment monitoring network building technology, there are alot of shortcomings, such as high cost, bulky and complex systems, not easy to quicklyconfigure and so on. But wireless Mesh networks is low cost, easy to configure, easy tomaintain, easy to expand and robust network topology, which is very conducive to thedeployment of marine environmental monitoring network. Through analysis andcomparison, this paper puts forward a coastal environmental monitoring systemarchitecture based on the wireless mesh networks.KEY WORDSquality of service(QoS),wireless mesh network(WMN),ant colonyalgorithm(ACA)4上海海洋大学硕士学位论文目录摘 要. 1ABSTRACT. 3第一章 引言. 71.1 研究背景. 71.2 研究内容. 81.3 本文结构. 9第二章 基于无线 Mesh 网的 QoS 路由. 102.1 无线 Mesh 网技术原理. 102.2 WMN 的路由协议. 112.3 WMN-QoS 控制技术. 132.4 WMN-QoS 数学模型. 142.5 WMN-QoS 路由分类. 152.6 本章小结. 17第三章 基于改进蚁群算法的无线 Mesh 网 QoS 路由算法. 183.1 蚁群算法机制原理. 183.2 蚁群算法模型特征. 193.2.1 TSP 问题描述. 193.2.2 蚁群算法数学模型. 193.3 蚁群算法的优缺点. 213.3.1 蚁群算法优点. 213.3.2 蚁群算法不足. 213.4 局部最优解判断. 223.5 算法改进思路. 233.6 基于改进蚁群算法的 QoS 路由算法. 243.7 本章小结. 25第四章 实验仿真与结果分析. 254.1 仿真实验环境. 254.2 网络拓扑与参数设定. 254.3 实验仿真结果及分析. 264.4 本章小结. 31第五章 无线 Mesh 网络在海洋环境监测上典型应用. 325.1 传统海岸环境监测网络技术. 325.2 无线 Mesh 网络与其他三种网络比较. 335.3 基于无线 Mesh 网络的海岸环境监测系统架构. 345.4 本章小结. 36第六章 总结与展望. 37参考文献. 39附录 攻读硕士学位期间发表学术论文情况. 435上海海洋大学硕士学位论文致谢. 446上海海洋大学硕士学位论文第一章 引言1.1 研究背景从 20 世纪 90 年代中期无线 Mesh 网络的概念提出到现在，已经有十几年的时间了，但它真正受到人们的关注却始于最近几年。说到 WMN 就不得不提到另一个概念，即 Ad Hoc 网络，因为一般理论认为，WMN 是以 Ad Hoc 网络为基础开始产生的。Ad Hoc 网络是始于美国战场通信使用的目的而研发出来的，其使用环境的特定性、技术复杂性以及成本高昂等因素直接限制了它在民用方面发挥自己作用的能力，从实际使用角度来看，民用通信最大的业务是包括 VOIP 在内的 Internet业务，而且民用通信对移动性的要求也较 Ad-Hoc 网络低，因此基于 Ad-Hoc 网络技术开发出适用于民用业务通信的无线网络技术是必然趋势，在这种技术背景和民用通信需求的刺激下，无线 Mesh 网络技术应运而生。与传统的无线网络不同，WMN 是一个动态的自组织、自配置网络；换句话说，Mesh 网络中的各个节点自动建立并维持网络的连接。WMN 的研究探索趋向于 IP 技术和移动通信技术的结合，更多的研究集中在允许多个网络同时存在一个小型区域范围内、异构网络的自动区分、拓扑结构动态可变、具有多跳和动态路由能力的自组织网络结构形式1。其实 WMN 就是一种特殊的 WLAN，如果不考虑它比较低2WMN 源于一九九七年美国军方机构 DARPA 为加强战术通信系统的可靠性，与ITT 公司合作研究的最新集无线组网、路由和定位一体化的先进战术通信系统(ATCS)，相关技术正式被推向商业和民用领域是在 2002 年初。Mesh Networks 公司于 2000 年初购买了当时美军方研发的战术移动通信的部分技术专利，并由此开发了一系列的 WMN 民用产品，最后由于这些产品成功打入市场而被 Motorola 看好，于是 Motorola 于 2005 年收购该公司。在这期间，Nokia、Tropos 和 Firetide 等多家3期。高容量、高速率分布式新型无线网络架构成就了 WMN 具有传统无线网络远不能及的强可靠性、更大辐射范围、网络部署简单方便、成本低等优点，另外，国际化标准组织 IEEE 鉴于无线 Mesh 网络架构的优越性和发展迅速，积极考虑在现有47移动性外，那么从本质上来说，WMN也可以看成是AdHoc网络的一种。公司开发的WMN产品并相继推入市场。由此，WMN进入了一个快速发展的黄金时无线网络标准中支持无线Mesh组网技术，比较重要的国际标准有：802.16a、IEEE上海海洋大学硕士学位论文5 6线 Mesh 网络的快速发展和广泛应用。然而，无线 Mesh 网络毕竟是一个新的研究领域，它自身仍然面临着许多需要解决的课题，而这些课题又都是非常具有挑战性的。由于宽带多媒体业务是无线Mesh 网络首要承担的任务，因此 WMN 必须具有比其他的无线网更高的 QoS 支持能力。然而，WMN 自身所具有的一些脆弱性如：无线信道的复杂性和随机性、移动终端的局限性以及网络的异构特性等，这都使得其端到端的 QoS 保证是十分困难。如果这个问题解决不好，将成为 WMN 今后发展道路上的主要障碍。因此，在 WMN中研究 QoS 路由保障等技术具有重要的理论价值和实际意义。1.2 研究内容本文的研究工作主要包括以下几个方面：(1) 分析了无线 Mesh 网络 QoS 保障技术的层次性设计，从开放式系统互联参考模型(OSI/RM)角度看，目前相关研究主要集中在下三层以及跨层设计。其中,无线 Mesh 网络层采用网际协议(IP),研究主要集中在路由协议方面，于是本文就从无线 Mesh 网络的网络层来介绍 WMN 的 QoS 路由保障技术。在分析已有 QoS 保障技术基础上，提出了无线 Mesh 网络模型中执行 QoS 路由算法的数学模型，在介绍和分析无线 Mesh 网络的多判据路由、多信道路由、多径路由、分级路由、地理信息路由、热量路由协议、跨层路由等 WMN 已有的路由协议基础上，本文归纳出无线Mesh 网络三类 QoS 路由技术：基于单优化指标的 QoS 路由、基于多优化指标的 QoS路由、基于策略的 QoS 路由，本文阐述的路由技术属于基于多优化指标的 QoS 路由。(2) 提出了一种基于改进蚁群算法的无线 Mesh 网络 QoS 路由保障机制，先介绍基本蚁群算法陷入局部最优解的原因及判断方法，然后根据判断方法自适应调整蚁群算法的信息素强度 Q 和信息素残留系数 来高概率跳出局部最优，然后根据改进的思路方法将其应用于网络 QoS 路由，其中源节点和目的节点分别当作蚁穴和食物，数据包视为蚂蚁，使用路由表替代路径上留下的信息素，信息素强度以概率值表示，并要求路由节点维持一个路由表。蚂蚁以一定的周期更新信息素表，通过节点转移概率来选择下一步要走的路径，经过多次迭代后找，满足 QoS 约束条件信息素强度最高的路由就是本路由算法要求的解。(3) 基于无线 Mesh 网络拓扑结构，将基本蚁群算法和改进后的蚁群算法分别应用于无线 Mesh 网络 QoS 路由保障，经过固定无线 Mesh 网络节点数目 100 组实验和变化无线 Mesh 网络节点数目多组实验，实验数据比较分析表明改进后的蚁群8802.15、802.11s。这些无线Mesh网络技术国际标准的制定更进一步推动了无上海海洋大学硕士学位论文算法较基本蚁群算法在多约束 QoS 性能参数费用代价、延迟、丢包率方面都有一定程度的改进，同时,通过后期仿真实验图示也清楚地可以看出：改进后的蚁群算法可成功适用于无线 Mesh 网络的多约束 QoS 路由算法，且对传统蚁群算法收敛速度慢、容易陷入局部最优的特点有所改进与优化。(4) 最后本文就无线 Mesh 网络的应用前景进行展望，众多的行业应用必然是大势所趋,这些应用包括家庭宽带网络、小区和城域网络、企业和公共场所、智能传输系统等。但无线 Mesh 网络在海洋环境监测上的应用目前还是属于实验阶段，经过与其他无线网络的分析和比较，本文第七章分析传统海洋环境监测网络技术优缺点，比较得出无线 Mesh 网络的健壮性、易配置、易维护、易扩展性及多跳机制等特性是非常适合海洋环境监测的一种网络架构系统，必将在将来海洋环境监测领域扮演着重要特色。1.3 本文结构本文后续章节安排如下：第二章，本章研究了无线 Mesh 网络技术原理；分析给出了无线 Mesh 网络 QoS路由保障技术研究思路，提出了基于无线 Mesh 网络架构执行 QoS 路由算法的数学模型，在介绍和分析无线 Mesh 网络已有的路由协议基础上，归纳出无线 Mesh 网络三类 QoS 路由技术。第三章，研究了基本蚁群算法的原理，给出了蚁群算法的优缺点比较；结合第二章提出的无线 Mesh 网络 QoS 路由数学模型，基于基本蚁群算法的改进研究和无线 Mesh 网络架构，提出基于改进蚁群算法的无线 Mesh 网络的 QoS 路由保障技术第四章，基于第三章提出的算法设计程序，搭建实验环境及仿真平台，多组实验并记录实验结果数据。第五章，基于传统海岸环境网络监测技术的不足及 WMN 独特的技术特点，提出基于无线 Mesh 网络的海岸环境监测系统架构。第六章，总结与展望，总结本文的研究成果，指出其中存在问题及进一步研究的方向。9上海海洋大学硕士学位论文第二章 基于无线 Mesh 网的 QoS 路由2.1 无线 Mesh 网技术原理无线 Mesh 网络一种低功率的无线多跳通信系统，属于一种网状网拓扑结构，但又与传统网状网不同，它处理信息的方式是直传递的，它把数据包从一个节点传递到另一个节点，直到该数据包到达目的节点。而以往点到点通信网络中各个节点仅仅留下本节点的数据包，而过滤掉所有不属于自己的数据包，也就是说无线 Mesh 网络中各个节点接收属于其他节点的数据包，并将其转发，这种节点既可以作为接入终端又可以具有路由转发功能组网方式是具有极高的自由度。在运行方式上，因特网就是一个典型的 Mesh 网络应用例子，二者极其相似。但 WMN 还能够提供多条到达目的地的冗余通信路径。因此，在这种网络系统架构中，即便是由于链路故障或者是由于外界干扰而停止工作，WMN 都能将数据包自动重新路由到另外一条路径，最终将数据包送达目的地，这样明显提高了网络数据传输的可靠39WMN 又可以认为是由一组具有无线电收发转置的活动节点构成的一个多跳临时自治系统32。无论在任何时候，在任何节点之间都可以通过无线通道连接，形成一个任意 Mesh 拓扑结构33。由于节点可以移动，这也将使无线网络拓扑发生变化。在这样的环境中，若两个用户不能直接通信，那么无线通信终端可以突破有限的覆盖范围，借助其他终端转换进行信息交换。如 2-1 无线多跳 Mesh 网络图 2-1 多跳无线 Mesh 网络Figure 2-1.Multihop wireless mesh network主机 H3 不在主机 H2 的辐