WirelessMeshNetworks

Issuesateachlayer指導老師：舒炎泰教授(jiàoshòu)學生：劉春貴?2006第一頁，共三十八頁。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第二頁，共三十八頁。PhysicalLayer(PHY)WishlistPerformanceBandwidthRobustmodulationSensitivityShortpreambleFastswitchbetweenchannelsFastswitchfromTx/RxandbackExtrasMobility(potentiallyhigh-speed)LinkadaptationVariabletransmissionpowerMultiplechannelsLinkqualityfeedback第三頁，共三十八頁。

在一個大的范圍內實現高的傳輸率，需要新的寬帶傳輸方案(除OFDM和UWB之外)；

研究多天線系統，但復雜性和成本太高還不能被商業廣泛接受；

Frequency-agile技術仍處于早期階段,在被商業接受之前還需要大量的研究努力；雖然已經建議的Adaptive/smart天線等的多天線系統,以及MIMO系統能增加容量和減輕由于衰退、通道干擾引起(yǐnqǐ)的損害，但對WMNs而言，開發這種技術是一個更具挑戰的問題；為了更好的利用物理層提供的先進技術，尤其MAC層協議需要和物理層交互的工作。因此，設計物理層的一些組件時，應使高層能訪問或控制它們。這就使得硬件的設計更具挑戰性,同時,也觸發低成本軟件radio技術的創新。PHY-OpenResearchIssues第四頁，共三十八頁。PHY-ModulationExistingmodulationsworkwell(OFDM,DSSS,etc.).UWBmaybeaninterestingalternativeforshortdistances(WPANs)SpreadspectrumsolutionsarepreferredastheytendtohavebetterreliabilityinthefaceofFading(veryimportantformobileapplications)Interference(moreofafactorthaninanyotherwirelesssystem)第五頁，共三十八頁。M,N,K,L的值不同會產生各種多天線系統；接收方有多個天線接受，發送方是單個通道(K=1,M=1以及或

L>1或N>1)的設計已經被建議，接受方能夠收到至少(zhìshǎo)一個好信號的概率是很高的。PHY-MIMS第六頁，共三十八頁。PHY-SmartAntennasAdvantagesLowpowertransmissionsBatterynotabigconcerninmanyapplicationsEnablesbetterspatialreuseand,hence,increasednetworkcapacityBetterSNRBetterdataratesBetterdelaysBettererrorratesAdvantagesDisadvantagesSpecializedhardwareSpecializedMAC(difficulttodesign)Difficulttotrackmobiledatausers第七頁，共三十八頁。TransmissionPowerControlToolowToohighJustrightGWGWGW第八頁，共三十八頁。TransmissionPowerControl(cont)OptimizationCriteriaNetworkcapacityDelayErrorratesPowerconsumptionTheidealsolutionwilldependonNetworktopologyTrafficload第九頁，共三十八頁。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第十頁，共三十八頁。

ScalableMAC為使MAC協議真正擴展,必須建議新的分布式和協作方案以保證網絡的性能(如吞吐率、甚至像延遲和延遲抖動的QoS參數)不會由于網絡的增大而降低。多通道MAC協議比單通道MAC協議能實現更高的吞吐率是明顯的。但開發一個可擴展的多通道MAC協議是一個更有挑戰性的任務。

MAC/PhysicalCross-LayerDesign當使用(shǐyòng)像MIMO以及有感知的radios等先進技術的時候，需要建議新的MAC協議,尤其multi-channelMAC協議。

NetworkIntegrationintheMACLayer在MAC層必須開發先進的網橋功能，使得不同的無線radios技術,諸如802.11,802.16,802.15,等能夠在一起無縫的工作。對于這些網橋功能，最終要解決再配置/軟件radios以及相關的radio資源管理技術。MAC-OpenResearchIssues第十一頁，共三十八頁。

ModifyingExistingMACProtocols例如,在一個802.11mesh網中,MAC層協議(xiéyì)可以通過調整CSMA/CA的參數得到改善(如CW的大小,修改backoff程序)。但該方法僅能實現低的端到端的吞吐率,因為它不能大量的減少鄰居節點間競爭的概率。

Cross-LayerDesignDesign

ApproachesofaSingle-channelMACprotocol基于有向天線的MACs。如果能保證天線波束很好，就可以消除暴露節點。但由于有向傳輸,就會產生更多的隱蔽節點。該方案也面臨其它諸如成本、系統復雜性以及有向天線的實用性等的困難;具有功率控制的MACs。能夠減少暴露節點，尤其在密集(mìjí)的網絡，使用低的傳輸功率，因而改善WMNs的頻譜空間的重用。然而，由于傳輸功率低導致減少探測潛在的干擾節點的可能性，從而使隱蔽節點的問題可能變的更遭。第十二頁，共三十八頁。ProposingInnovativeMACProtocols在多跳網絡中，由于可憐的可擴展性，像CSMA/CA的隨機接入協議不是一種有效的解決方法(fāngfǎ)。因而,再訪基于TDMA或CDMA的MAC協議的設計是必要的。目前,幾乎還沒有TDMA或CDMA的MAC協議對WMNs可用。Design

ApproachesofaSingle-channelMACprotocol考慮開發具有TDMA或CDMA的分布和協作的MAC協議的復雜性和成本；是具有現有MAC協議的TDMA(或CDMA)MAC的兼容性。如在802.16中,原來的MAC協議是一個(yīɡè)集中的TDMA方案,但對于802.16mesh，一個分布式的TDMAMAC仍然是空缺。在802.11WMNs中,如何設計一個覆蓋CSMA/CA的分布式的TDMAMAC協議是一個有趣但具有挑戰的問題。第十三頁，共三十八頁。Design

ApproachesofaMulti-channelMACprotocolMulti-ChannelSingle-TransceiverMAC如果考慮成本和復雜性,在一個radio有一個transceiver是首選的硬件平臺。因只有一個transceiver可用,所以在每個節點在某一時間只有一個通道是活動的。但不同節點可能同時在不同通道起作用。為了協調這種情形下節點間的傳輸,像多通道MAC協議是需要的。

Multi-ChannelMulti-TransceiverMAC.一個radio包括多個平行的RF前端芯片和基帶處理模塊以支持幾個同時的通道。在物理層上部需要一個MAC層模塊協調多通道的功能。至今還沒有建議多通道多收發器的MAC協議。

Multi-RadioMAC節點有多個radios,且具有自己的MAC和物理層。在這些(zhèxiē)radios中通信完全獨立。因而,在MAC上部需要一個虛擬的協議,像多radio一致協議在所有通道協調通信。事實上，在這種情況,一個radio可能有多個通道。但為了設計和應用的簡單性,在每個radio通常應用單個通道。第十四頁，共三十八頁。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第十五頁，共三十八頁。Scalability分層路由協議由于其管理的復雜性和困難(kùnnɑn)可能只有部分解決了這個問題。地理路由依賴于GPS的存在或類似定位的技術,增加了WMNs成本和復雜性。因而需要開發新的可擴展路由協議。BetterPerformanceMetrics需要開發新的性能機制。集成多性能機制在一個路由協議是需要的，這樣能實現最優的整體性能。Routing/MACCross-LayerDesign路由協議需要和MAC層相互作用以改善其性能。二者間的相互關系是如此靠近以至僅僅交換其參數是不夠的。合并二者的某些功能是一種所希望的方法。EfficientMeshRouting由于WMNs具有基礎設施,因此需要開發一個比adhoc網絡協議更簡單和更有效的路由協議NetworkLayer-OpenResearchIssues第十六頁，共三十八頁。

MultiplePerformanceMetrics許多現有的路由協議使用最小跳數作為選擇路徑的性能機制。在許多情況已經證明是效率低的。

Scalability在一個很大的無線網絡中建立或維護一條(yītiáo)路徑可能化很長時間。因而，在WMNs中有一個擴展的路由協議是關鍵。

Robustness為了避免服務崩潰,WMNs對于鏈路失效或擁塞必須是健壯的。路由協議也需要執行負載均衡。EfficientRoutingwithMeshInfrastructure在mesh網中,由于移動性小以及功率消耗不受限制,期望路由協議比adhoc網絡更簡單。對meshclients的路由協議應該比由meshrouters提供基礎設施的網絡更簡單。然而現有協議還沒有都考慮。Routing–OptimizedFeatures第十七頁，共三十八頁。RoutingProtocolswithVariousPerformanceMetrics已有文獻研究路由協議性能機制的影響(yǐngxiǎng)，如LQSR根據鏈路質量機制選擇路徑。如ETX、per-hopRTTandper-hoppacketpair三個性能機制已經實現。與使用minimumhop-count方法相比。對于靜止節點,ETX性能更好；對于運動節點，最小跳數方法更好。

“ComparisonsofRoutingMetricsforStaticMulti-HopWirelessNetworks,”證明LQSR在節點移動時仍不夠好。（Sigcom）

Multi-RadioRouting

“RoutinginMulti-Radio,Multi-HopWirelessMeshNetworks,”(Mobicom)提出MR-LQSR,叫WCETT的一種新的性能機制。它考慮了鏈路質量和最小跳數機制以及在延遲和吞吐率之間實現好的權衡。

Multi-PathRouting

主要目標是執行較好的負載均衡和提供高的故障忍受力。即使一條新的路由路徑還沒有建好，也可能改善端到端延遲、吞吐率、以及故障承受力。然而，多徑路由的缺點是它的復雜性。Routing–OptimizedFeatures(cont)第十八頁，共三十八頁。HierarchicalRouting

“Multi-levelHierarchiesforScalableadhocRouting”

(WINET)，采用自組織方案把節點分成簇。每個簇有一個或多個簇頭。一些節點可能和多個簇進行通信或作為一個網關工作。節點密度大時,分層路由協議由于開銷小會實現更好的性能,平均路由路徑越短，路徑建立的過程就越快。然而，維護分層的復雜性可能影響路由協議的性能。而且，mesh_client要避免成為簇頭,因為它有限的容量會成為一個瓶頸。

GeographicRouting

“ScalableGeographicRoutingAlgorithmsforWirelessAdHocNetworks,”

通過僅使用附近節點和目的節點的位置信息轉發包。在早期的算法中,包的轉發決定是基于當前(dāngqián)轉發節點、鄰居節點、目的節點的位置信息的單徑貪夢路由。然而,即使在源目間存在路徑傳遞也得不到保證。為保證傳遞,文章建議planar-graph-basedgeographic路由算法。但它們比前者有較高的通信開銷。Routing–OptimizedFeatures(cont)第十九頁，共三十八頁。Routing–WishListScalabilityOverheadisanissueinmobileWMNs.FastroutediscoveryandrediscoveryEssentialforreliability.MobileusersupportSeamlessandefficienthandoverFlexibilityWorkwith/withoutgateways,differenttopologiesQoSSupportConsiderroutessatisfyingspecifiedcriteriaMulticastImportantforsomeapplications(e.g.,emergencyresponse)第二十頁，共三十八頁。Routing-OptimizationCriteriaMinimumHopsMinimumDelaysMinimumErrorRatesMaximumDataRatesMaximumRouteStabilityPowerConsumptionCombinationsoftheaboveUseofmultipleroutestothesamegatewayUseofmultiplegateways第二十一頁，共三十八頁。Cross-LayerDesign傳統協議要求彼此間是透明的，因而協議的開發和實現比較簡單和可升級；在無線環境中，物理通道在容量、誤碼率等方面是變化的。盡管不同的編碼、調制以及錯誤控制方案可以用于改善(gǎishàn)物理通道的性能，但沒有辦法保證高層所期望的固定的容量、零丟包率，或可靠的連通性；高層協議將不可避免的受不可靠物理通道的影響。為改善無線網絡的性能，MAC,routing,transport層協議必須和物理層一起工作；MAC,routing,transport層協議也需要協作工作，這種相互作用要求在不同協議之間進行跨層設計；在AdHoc網絡中，由于移動性和鏈路失效，網絡拓撲會不斷發生變化，這種動態拓撲會影響(yǐngxiǎng)多協議層；為了改進協議效率，跨層設計是必要的。例如，對于WMNs，一個MAC協議可能包括對于網絡拓撲控制和自組織的一個機制。這種信息能夠直接被路由協議共享。為了避免在路由協議中出現廣播風暴，MAC協議可以優化由路由協議發起的傳輸信息的程序。第二十二頁，共三十八頁。Cross-LayerDesign跨層設計(shèjì)的方法：第一個方法優點是沒有完全放棄協議層之間的透明性；第二個方法將完全失去了這個優點，而是通過考慮協議層之間一種最優化的相互作用以實現更好的性能。跨層設計能極大改善網絡性能，然而，設計時必須要考慮一些問題：跨層設計具有一定的冒險性，如協議層提取的丟失、和現有協議的不兼容、在網絡的未來設計方面無法預料的影響，以及(yǐjí)維護和管理的困難等。通過考慮其它協議層的參數來改進協議的性能。把底層協議的參數報告到高層(如把MAC層的丟包率報告到傳輸層，使得TCP能夠區分由于丟包產生的擁塞。再如，物理層把鏈路質量報告到路由協議作為對路由算法(suànfǎ)的一個附加的性能機制)。把幾個協議合并在一起。例如把MAC和路由協議合并成一個協議,為了接近地考慮它們的相互作用。評價第二十三頁，共三十八頁。Routing–Cross-LayerDesignRouting–PhysicalLinkqualityfeedbackisshownoftentohelpinselectingstable,highbandwidth,lowerrorrateroutes.Fadingsignalstrengthcansignalalinkabouttofail→preemptiverouterequests.Cross-layerdesignessentialforsystemswithsmartantennas.

Routing–MACFeedbackonlinkloadscanavoidcongestedlinks→enablesloadbalancing.Channelassignmentandroutingdependoneachother.MACdetectionofnewneighborsandfailedroutesmaysignificantlyimproveperformanceatroutinglayer.第二十四頁，共三十八頁。Routing–Cross-LayerDesign(cont)Routing–TransportChoosingrouteswithlowerrorratesmayimproveTCP’sthroughput.EspeciallyimportantwhenmultipleroutesareusedFreezingTCPwhenaroutefails.Routing–ApplicationEspeciallywithrespectofsatisfyingQoSconstraints第二十五頁，共三十八頁。Network–FairnessProblemSourceConflictbetweenlocallygeneratedtrafficandforwardedtraffic.Athighloadsthenetworklayerqueuefillsupwithlocaltrafficandtraffictobeforwardedarrivestoafullqueue.Consequence:nofairnesspoorefficiencySolutions:ComputethefairshareforeachuserandenforceitNetworklayerMAClayerGW第二十六頁，共三十八頁。QoSSupportrequiredateverylayerPhysicalLayerRobustmodulationLinkadaptationMACLayerOfferprioritiesOfferguarantees(bandwidth,delay)NetworkLayerSelect“good”routesOfferprioritiesReserveresources(forguarantees)TransportAttemptend-to-endrecoverywhenpossibleApplicationNegotiateend-to-endandwithlowerlayersAdapttochangesinQoS第二十七頁，共三十八頁。OverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayer第二十八頁，共三十八頁。TransportlayerCrosslayeroptimizationisrequiredforincreasingTCPperformanceThenewenhancedTCPshouldworkwiththeexistingTCPAdaptivetransportprotocolsrequiredforanintegratedWMNAdaptiveRateControlProtocol(RCP)isneedforrealtimedelivery.第二十九頁，共三十八頁。Cross-layerSolutiontoNetworkAsymmetry

它被定義(dìngyì)為一個網絡的轉發方向的帶寬、丟失率、延遲會完全不同于反向的情況,因而影響ACKs的傳輸。由于TCP是依賴與于ACK的,其性能會由于網絡不對稱急劇下降。雖然ACKfiltering,ACK擁塞控制有助于解決該問題，但應用到WMNs還需要研究。

AdaptiveTCPWMNs也將與Internet和各種無線網絡(802.11,802.16,802.15,etc)集成。在不同的網絡應用不同的TCPs是一個復雜且有代價的方法。因此，adaptiveTCP是最可取的方法。對于實時傳輸，根據WMNs的特性需要開發新的RCPs。也需要開發新的丟失區分方案和RCPs一起工作。因為WMNs將和各種無線網絡及Internet集成,因此需要開發適應性速率控制協議。OpenResearchIssues目前還沒有針對WMNs的傳輸協議,然而，研究adhoc網絡的傳輸協議對研究設計(shèjì)WMNs有幫助。對實時和非實時流需要不同的傳輸協議。第三十頁，共三十八頁。Non-CongestionPacketLossesTheclassicalTCPs不區分擁塞(yōngsè)和非擁塞(yōngsè)丟失。當后者發生時，由于不必要的擁塞避免,網絡吞吐率很快降低。另外,當通道回到正常操作時,classicalTCP不能很快恢復。反饋機制可用于區分不同的丟包。UnknownLinkFailure在MANET,鏈路失效會頻繁發生。但有基礎設施的WMNs不關心鏈路失效。但在meshclients會發生鏈路失效。探測鏈路失效可改進TCP性能。NetworkAsymmetryLargeRTTVariations考慮WMNs的移動性、變化的鏈路質量、波動的流負載以及其它因素,路由路徑的變化可能會頻繁并可能引起大的RTT變化。這會降低TCP性能,因為TCP的正常操作依賴于RTT的平穩度量。ReliableDataTransport—TCPVariations第三十一頁，共三十八頁。“ATP:AReliableTransportProtocolforad-hocNetworks,”(MOBIHOC)建議(jiànyì)了一個ATP。ATP沒有重傳超時,減弱擁塞控制和可靠性。ATP比TCPvariants能實現更好的性能(延遲,吞吐率,公平性)。然而,對于WMNs，一個全新的傳輸協議是不可取的方法。WMNs將與Internet和其它無線網絡集成,因而傳輸協議協議和TCPs兼容。ReliableDataTransport—NewTPReal-TimeDelivery支持實時流的端到端傳遞，RCP需要和UDP一起工作，有線網介紹的RCPs不適合WMNs。“ATransportProtocolforSupportingMultimediaStreaminginMobileadhocNetworks,