WLAN-Mesh网络加权公平性保证机制设计与建模研究

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WLAN-Mesh网络是一种多跳的网格状拓扑网络,能够为移动终端提供普遍存在的无线连接和宽带因特网接入。IEEE已于2011年9月正式发布了WLAN-Mesh组网技术的标准协议IEEE802.11s。IEEE802.11s最主要的特征是在媒质访问控制层(MAC)实现路由转发功能,并采用IEEE802.11e中定义的增强型分布式信道接入(EDCA)功能作为其信道接入控制协议。然而,EDCA协议最初是针对单跳独立基本服务集设计的,应用到多跳WLAN-Mesh网络环境时存在严重的加权公平性问题。本文的研究目标即在EDCA协议的基础上,研究能够有效解决多跳WLAN-Mesh网络加权公平性问题的新方法,从而为数据、话音、视频等多种优先级业务提供可靠的加权公平性保证。围绕该研究目标,本文的主要创新点包括:(1)根据对EDCA协议应用于多跳WLAN-Mesh网络中存在的加权公平性问题的仿真与分析,定义了接收节点的瞬时冲突区域和持续冲突区域,并总结出接收节点持续冲突区域内干扰发送节点的信号干扰引起的冲突是导致多跳WLAN-Mesh网络严重不公平的主要原因。然后在此基础上,提出了一种可用于正确建模分析多跳WLAN-Mesh网络EDCA协议加权公平性问题的三维马尔可夫链模型。在该模型中,通过引入“伪状态”来有效区分由RTS帧冲突和data帧冲突导致的两种不同的退避过程。通过模型的求解,发现在不同网络拓扑条件下适当调整信道竞争参数可以有效地解决多跳WLAN-Mesh网络的加权公平性问题。这为EDCA协议的性能改进和优化提供了理论基础。理论结果和QualNet网络仿真环境下的仿真结果的比较证明了该模型的有效性。(2)在对多跳WLAN-Mesh网络中EDCA协议的加权公平性建模与分析的基础上,将节点协作的策略引入WLAN-Mesh网络协议栈的设计,提出了一种基于节点协作策略的多跳WLAN-Mesh网络分布式加权公平信道接入机制。针对前面总结的导致多跳WLAN-Mesh网络严重不公平的主要原因,该机制根据RTS/CTS控制帧发送成功的概率对RTS/CTS控制帧的发送功率进行自适应调整,从而保证节点数据分组的可靠传输。同时,该机制在RTS/CTS控制帧头部额外添加了业务流当前占用信道指数COI字段,通过RTS/CTS控制帧的传输,可捎带向邻居节点广播业务流当前占用信道指数信息。网络中各业务流根据自身的业务权重和邻居业务流对信道带宽的占用情况,综合判断当前业务流是否占用了过多的信道带宽。然后采用发送节点合作调整退避竞争窗口的方法实现多个优先级业务流根据自身业务权重公平地共享信道带宽。QualNet网络仿真环境下的仿真实验证明了该机制的有效性。
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