無線Mesh網絡中基于負載平衡的自適應擁塞控制路由策略

黃麗芬

HUANG Li-fen

(廣西工業(yè)職業(yè)技術學院 計算機與信息工程系，南寧 530001)

0 引言

傳統(tǒng)意義上的無線接入技術主要采用一種由點至點或者多點的拓撲結構。在此結構中往往只有一個中心節(jié)點，比如WLAN中的AP，或者移動通信系統(tǒng)中的基站都屬于這種情況。它們的工作原理是：中心節(jié)點一方面通過單挑無線鏈路與其他各個無線端點相連，另一方面又通過有線鏈路提供到有線骨干網的鏈接。而無線Mesh網絡采用的是網狀的Mesh拓撲結構，即由多點至多點的網絡結構。它能夠提供典型的Internet接入場景，通過一個或多個網關節(jié)點完成網絡中的節(jié)點和外部網絡的互聯(lián)。在它的主要骨干網路中的節(jié)點大部分是靜止的或具有很不明顯的移動性。

1 Mesh網絡的介紹

1.1 無線Mesh網絡技術簡介

隨著各種無線通信技術的蓬勃發(fā)展，一種新的無線網絡技術——無線Mesh網絡也逐漸發(fā)展起來，在用戶群中產生了重大的影響，受到了人們的熱烈追捧。無線Mesh網絡（Wireless Mesh Networks ,簡稱WMNs），即無線網狀網，亦稱無線多跳網，通過與其他寬帶無線接入技術如802.11、802.16以及3G移動通信等技術相結合，從而組成一個高速率大容量多點對多點的分布式無線網狀網絡，此網絡的一大特色是含有多跳無線鏈路。有了這種無線網狀網路，就可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋面，同時又能提高無線寬帶容量和通信的可靠性，因此是一種非常有發(fā)展前景的寬帶無線接入手段。基于以上特點，無線Mesh網絡成為社區(qū)、企業(yè)內部以及城域網絡的理想選擇。

無線Mesh網絡一般由Mesh路由器和Mesh終端兩種網絡節(jié)點組成。Mesh路由器在具備傳統(tǒng)的無線路由器的網關/中繼功能的基礎上，又增加了支持Mesh網絡互連的路由功能。這種路由器通常具有多個無線接入點，這些接入點是運用相同的接入技術建立的，同時也支持不同的無線接入技術。與傳統(tǒng)的無線路由相比，Mesh路由器具有極大的優(yōu)越性。它能夠通過無線多跳通信用比傳統(tǒng)無線路由低很多的發(fā)射功率獲得同樣范圍的無線覆蓋。在無線Mesh網絡中，互連的Mesh路由器構成骨干網，骨干網再運用其中的網管Mesh與Internent相連。相較于Mesh路由器，Mesh終端一般不具有網關橋接能力。即使它也具有一定的網絡互聯(lián)和分組轉發(fā)功能，但通常只擁有一個無線接口，因此它的復雜程度很較小。Mesh終端是多種多樣的，它可以是筆記本電腦，掌上電腦，甚至是手機等。各Mesh終端之間的互連構成一個小型的對等通信網絡。Mesh路由和終端之間混合組網的情況并不復雜。如圖1所示。

1.2 無線Mesh網絡的特點

無線Mesh網絡與傳統(tǒng)的無線接入技術相比，有以下六個新特點：

1）多類型網絡的接入

無線Mesh網絡既允許無線終端接入骨干網，同時又支持與其相對等的無線終端設備的網絡通信。一方面它可以與其他無線網絡相結合，另一方面又通過為無線終端設備的用戶提供無線接入服務。

2）無線多跳網絡

無線Mesh技術的開發(fā)目標除了在充分拓展信道容量的情況下，對現(xiàn)有無線網絡的覆蓋范圍進行擴展之外，還有一個目標是為遠距離的無線鏈路用戶提供非視距連接。這就使得多跳網絡的應用成為必要。多跳網絡的無線鏈路距離更短、節(jié)點干擾較少和頻率的重復利用率高等特點，這樣就使得Mesh網絡在獲得更高的系統(tǒng)容量的同時又不影響信道的正常容量。

3）支持Adhoc方式網絡連接

因為具有結構靈活、易于部署和網狀連接多點對多點通信等特點，無線Wesh網絡可以根據(jù)用戶的實際需求進行逐漸容量擴展。它的自組織自愈能力使其可以自動探索到新的節(jié)點，自動完成配置升級，而不用管理員親自動手。這樣一來，在出現(xiàn)節(jié)點或者鏈路故障時也可以通過自動的調整排除故障。

4）集成性

無線Mesh網絡可以運用Mesh路由器的網關功能，將現(xiàn)有的多種無線網絡技術進行整合。如此一來，無線骨干網就形成了。多種無線網絡連接在一起就形成了“無線互聯(lián)網”。身為用戶終端自組網的Adhoc網絡就不具備這種網關功能。

5）相對穩(wěn)定的拓撲結構

傳統(tǒng)的Adhoc網絡的終端用戶具有不可靠性和移動性，導致網絡拓撲和連接的變化相對較大，這就給路由協(xié)議和網絡配置問題面臨更大的技術挑戰(zhàn)。而在無線Mesh網絡中，Mesh路由器一般是靜止不動的設備。這樣就比終端用戶具有更大的可靠性。

6）專門化的路由和配置功能

在無線Mesh網絡中，即使Mesh終端本身具有路由轉發(fā)功能，但Mesh路由器還是承載了主要的路由和配置功能，這樣就大大減輕了Mesh終端的壓力。

圖1 無線Mesh網絡結構

2 一種負載平衡混合路由協(xié)議

LB-HWMP，IEEE802.11s中提出一種混合式無線Mesh網絡路由協(xié)議(HybridW irelessMesh Protoco,l HWMP) 將MA-NET路由協(xié)議中的按需式路由和先應式路由的思想接合起來，該協(xié)議既具備按需式路由的靈活性又具備先應式路由的迅速性，適應無線Mesh網絡這種基干網結構和Ad hoc自組織網結構接合的網絡拓撲結構。HWMP中有按需路由形式(On-DemandRouting)和基于樹形結構的路由形式(Tree-Based Routing)兩種路由辦法.按需路由形式和傳統(tǒng)的AODV路由辦法相同,而基于樹形結構的路由形式是在樹的樹立和保護中吸收了傳統(tǒng)AODV協(xié)議中的RREQ、RREP、RRER等機制。

IEEE802.11s草稿僅給出HWMP的基本思想和主要框架，那里面的成功實現(xiàn)細節(jié)仍在不斷完備當中，現(xiàn)階段已經顯露出來一點針對HWMP改進的路由協(xié)議，在HWMP基礎上提出了一種新的多途徑路由協(xié)議。WMRP，它接合散布式和集中式路由，將數(shù)值鏈路層的最簡單的面路由辦法拉伸成大致相似于IP路由的多級路由框架，增長了HWMP的執(zhí)行速率。研究中有一種管用的先驗式和反響式接合的路由算法，利用HWMP中先驗式和反響兩種路由方式的長處來補救各自的欠缺,管用減不多時延和吞吐量，經過對HWMP以及現(xiàn)存改進協(xié)議在負載平衡方面的剖析，發(fā)現(xiàn)有以下五個不足之處：

1）HWMP是混合路由協(xié)議，但它沒有將按需求路由和先應式路由形式美好地接合起來，只供給了一個送出和收繳信息的框架。

2）HWMP是基于MANET網絡中AODV協(xié)議施行改進，AODV協(xié)議本身在負載扼制方面存在不充足，因為這個HWNP在WMN負載較重時，會導致較大的路由發(fā)覺時延。

3）HWMP在路由發(fā)覺和路由保護過程中，只依據(jù)最小跳數(shù)作為途徑挑選根據(jù)，沒有思索問題節(jié)點的負載事情狀況，有可能顯露出來途徑的部分負載過大，因此造成的整個網絡的吞吐量的減退。

4）處于基干WMN核心的節(jié)點(即mesh路由器)是網絡負載的瓶頸。在節(jié)點負載過重時，仍不斷收繳轉發(fā)的煩請響應信息，進一步導致信道堵塞，針對上面所說的剖析中提出的問題，本文對HWMP路由發(fā)覺和路由保護過程施行改進，成功實現(xiàn)了一種具備負載平衡機制的混合路由協(xié)議LBHWMP(Load Balancing HWMP)。

該協(xié)議的主要改進思想是：運用節(jié)點負載約束機制和節(jié)點信息扼制機制，經過預設負載約束權值函數(shù)對路由發(fā)覺和路由保護過程施行改進，路由挑選時同時思索問題節(jié)點負載和跳數(shù)兩個因素，對重擔載節(jié)點跳數(shù)加以惡罰。同時，在重擔載時扼制半中腰節(jié)點接收和轉發(fā)數(shù)值包,緩解信道的運用率。

3 負載行數(shù)的設計

因為HWMP路由發(fā)覺和路由保護過程以AODV協(xié)議為基礎，所以在路由樹立過程中都是以最小跳數(shù)為挑選依據(jù)，這會造成當一點負載過大的節(jié)點還是處于主途徑中，這就造成了部分負載過大，減低網絡吞吐量。我們運用以下函數(shù)對負載連續(xù)不斷增加的節(jié)點施行一定的方式，防止再次選中重擔載節(jié)點，設負載約束權值函數(shù)為f( )，節(jié)點nodei的現(xiàn)時負載為load,i約束因數(shù)為α，節(jié)點跳數(shù)為hopcounti。用以下公式來表示：

load_metrici=f(hopcounti，α，loadi)

首先，依據(jù)路由協(xié)議本身的獨特的地方，節(jié)點本身跳數(shù)為一跳，即經過本次節(jié)點路由路數(shù)加1，參加線性約束因數(shù)α后，節(jié)點約束權值和節(jié)點負載成正比，對于節(jié)點負載loadi樹立以下節(jié)點負載板型：

load_metrici=1+loadi×α

其次，權值函數(shù)計算出load_metrici代替節(jié)點原有的hopcounti值，即可計算出節(jié)點nodei的約束權值，每個節(jié)點轉發(fā)數(shù)值包時,需求將自身節(jié)點負載約束權值load_metrici累加到了目的節(jié)點后則構成了整條途徑的約束權值。

loadMetricpath=∑i=desti=srcload_metrici

最后，在實際施行途徑挑選時，每個節(jié)點會優(yōu)先挑選loadMet-ricpath最小的途徑樹立路由。

4 無線Mesh節(jié)點負載的勘測機制

現(xiàn)階段計算節(jié)點可用帶寬有兩類典型機制，一類是測量MAC層信道利用率，另一類是勘測網絡層單位時間的吞吐量。因為Mesh基干網中路由器移動性很低，網絡流量大，不易計算節(jié)點吞吐量，而對于信道利用率沒有確認的計算辦法，因為這個要通不為己甚析影響無線信道相關的相關參數(shù)，來計算節(jié)點負載：

1）MAC層信道品質指數(shù)(ChannelQuality Index, CQI)是無線信道的通信品質的勘測標準。CQI由信道強度指使信息(RSSI)、送出包不正確率(TxPER)、送出包重傳率(TxPRR)表決，固然可以在經過鏈路品質反映節(jié)點的負載體積，但卻不充分，若節(jié)點A的負載輕，不過與重載的節(jié)點CQI細小，則其他節(jié)點會覺得A一樣是重載節(jié)點。因為這個不可以單獨運用CQI作為節(jié)點負載判據(jù)。

2）MAC緩存區(qū)占用率。無線網絡負載平衡可以運用MAC層緩和沖突區(qū)中的數(shù)值包個數(shù)對節(jié)點負載施行描寫，但一樣不可以單獨運用。由于它沒有絕對思索問題無線信道的共享事情狀況。如果有節(jié)點A兩個鄰舍節(jié)點B和C，假如A的緩存區(qū)是空的，而B和C的辦公量非常大,一直占用信道，由于A、B、C三個節(jié)點并肩運用信道,其它節(jié)點就覺得A也是負載過重的。

3）鄰舍節(jié)點的個數(shù)。因為Mesh節(jié)點共享無線信道，在一定程度上鄰舍節(jié)點的數(shù)目能反映出信道的空程度，如果覺得鄰舍節(jié)點多的節(jié)點信道占用率就高。信道比較空，建立路由的時刻就應當防止此節(jié)點顯露出來在主路由中，但只用鄰居節(jié)點的個數(shù)一樣不可以正確地反映節(jié)點負載，若節(jié)點A有許多鄰舍節(jié)點，這些個節(jié)點的負載都是0，則覺得A處于輕載狀況，不過假如依照以上的分辨斷定負載體積的辦法。

5 協(xié)議仿真和結果分析

因為實際的網絡流量是突發(fā)流，所以為保障實驗的嚴密謹慎性，首先設立如下的一些背景：

1）WMN中全部數(shù)值包傳道輸送出錯只是因為碰撞造成的，即無線信道是理想信道；2）數(shù)值包的保存生命時間(TTL)和重傳回數(shù)都為無限大，即數(shù)值包不會由于TTL到時或是重傳敗績而沒有辦法到了目標節(jié)點；3）數(shù)值包被準確的收繳的幾率大于0，即WMN是一個連通網絡，不存在離合局部和孤立節(jié)點；4）LB-HWMP協(xié)議在有限的時間內可以為源節(jié)點供給一條管用地到了目標節(jié)點的途徑，源節(jié)點也可以將數(shù)值包發(fā)送到目標節(jié)點。

本次研究就是運用網絡仿真軟件NS2來構建WMN仿真平臺。配備布置如下所述：1）仿真場景:在1500x1000的長方形拓撲圖中，安放50個Mesh路由器和10個移動站點STA，那里面MP節(jié)點可以作為Mesh接入點,也可以作為Mesh節(jié)點。MP靜止不動，STA慢速移動。2）節(jié)點的MAC層參變量：認為合適而使用802.11規(guī)范,帶寬為1Mbps，通

訊半徑為200m，擴頻形式:DSSS(直接序列擴頻)，接收天線及無線信道參變量認為合適而使用NS2中供給的默許值。3）節(jié)點鏈路層參變量:認為合適而使用CSMA /CA協(xié)議施行無線電視臺過訪扼制.認為合適而使用散布式協(xié)調功能(DCF)。

[1] 張樹勇,基于MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧的無線檢測網絡[J].福建電腦,2010,03.

[2] 尹安,汪秉文,胡曉婭,湯強.無線傳感器網絡負載均衡路由協(xié)議[J].華中科技大學學報(自然科學版),2010,01.

[3] 胡淮楊,鄭康鋒.一種基于網絡處理器的IPTV負載均衡方案[A].2010通信理論與技術新發(fā)展——第十五屆全國青年通信學術會議論文集(上冊)[C],2010.

[4] 尹安,汪秉文,胡曉婭,湯強.無線傳感器網絡負載均衡路由協(xié)議[J].華中科技大學學報(自然科學版),2010,01.