【文章內(nèi)容簡介】 持能力。然而，WMN 自身所具有的一些脆弱性如：無線信道的復(fù)雜性和隨機性、移動終端的局限性以及網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)特性等，這都使得其端到端的 QoS 保證是十分困難。如果這個問題解決不好，將成為 WMN 今后發(fā)展道路上的主要障礙。因此，在 WMN中研究 QoS 路由保障等技術(shù)具有重要的理論價值和實際意義。 研究內(nèi)容本文的研究工作主要包括以下幾個方面：(1) 分析了無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) QoS 保障技術(shù)的層次性設(shè)計，從開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI/RM)角度看，目前相關(guān)研究主要集中在下三層以及跨層設(shè)計。其中,無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)層采用網(wǎng)際協(xié)議(IP),研究主要集中在路由協(xié)議方面，于是本文就從無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層來介紹 WMN 的 QoS 路由保障技術(shù)。在分析已有 QoS 保障技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)模型中執(zhí)行 QoS 路由算法的數(shù)學(xué)模型，在介紹和分析無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的多判據(jù)路由、多信道路由、多徑路由、分級路由、地理信息路由、熱量路由協(xié)議、跨層路由等 WMN 已有的路由協(xié)議基礎(chǔ)上，本文歸納出無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)三類 QoS 路由技術(shù)：基于單優(yōu)化指標(biāo)的 QoS 路由、基于多優(yōu)化指標(biāo)的 QoS路由、基于策略的 QoS 路由，本文闡述的路由技術(shù)屬于基于多優(yōu)化指標(biāo)的 QoS 路由。(2) 提出了一種基于改進蟻群算法的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) QoS 路由保障機制，先介紹基本蟻群算法陷入局部最優(yōu)解的原因及判斷方法，然后根據(jù)判斷方法自適應(yīng)調(diào)整蟻群算法的信息素強度 Q 和信息素殘留系數(shù) 來高概率跳出局部最優(yōu)，然后根據(jù)改進的思路方法將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò) QoS 路由，其中源節(jié)點和目的節(jié)點分別當(dāng)作蟻穴和食物，數(shù)據(jù)包視為螞蟻，使用路由表替代路徑上留下的信息素，信息素強度以概率值表示，并要求路由節(jié)點維持一個路由表。螞蟻以一定的周期更新信息素表，通過節(jié)點轉(zhuǎn)移概率來選擇下一步要走的路徑，經(jīng)過多次迭代后找，滿足 QoS 約束條件信息素強度最高的路由就是本路由算法要求的解。(3) 基于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將基本蟻群算法和改進后的蟻群算法分別應(yīng)用于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) QoS 路由保障，經(jīng)過固定無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目 100 組實驗和變化無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目多組實驗，實驗數(shù)據(jù)比較分析表明改進后的蟻群、。這些無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)國際標(biāo)準的制定更進一步推動了無上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文算法較基本蟻群算法在多約束 QoS 性能參數(shù)費用代價、延遲、丟包率方面都有一定程度的改進，同時,通過后期仿真實驗圖示也清楚地可以看出：改進后的蟻群算法可成功適用于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的多約束 QoS 路由算法，且對傳統(tǒng)蟻群算法收斂速度慢、容易陷入局部最優(yōu)的特點有所改進與優(yōu)化。(4) 最后本文就無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景進行展望，眾多的行業(yè)應(yīng)用必然是大勢所趨,這些應(yīng)用包括家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)、小區(qū)和城域網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)和公共場所、智能傳輸系統(tǒng)等。但無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)在海洋環(huán)境監(jiān)測上的應(yīng)用目前還是屬于實驗階段，經(jīng)過與其他無線網(wǎng)絡(luò)的分析和比較，本文第七章分析傳統(tǒng)海洋環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)缺點，比較得出無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的健壯性、易配置、易維護、易擴展性及多跳機制等特性是非常適合海洋環(huán)境監(jiān)測的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)，必將在將來海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域扮演著重要特色。 本文結(jié)構(gòu)本文后續(xù)章節(jié)安排如下：第二章，本章研究了無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理；分析給出了無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) QoS路由保障技術(shù)研究思路，提出了基于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)執(zhí)行 QoS 路由算法的數(shù)學(xué)模型，在介紹和分析無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)已有的路由協(xié)議基礎(chǔ)上，歸納出無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)三類 QoS 路由技術(shù)。第三章，研究了基本蟻群算法的原理，給出了蟻群算法的優(yōu)缺點比較；結(jié)合第二章提出的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) QoS 路由數(shù)學(xué)模型，基于基本蟻群算法的改進研究和無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出基于改進蟻群算法的無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的 QoS 路由保障技術(shù)第四章，基于第三章提出的算法設(shè)計程序，搭建實驗環(huán)境及仿真平臺，多組實驗并記錄實驗結(jié)果數(shù)據(jù)。第五章，基于傳統(tǒng)海岸環(huán)境網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)的不足及 WMN 獨特的技術(shù)特點，提出基于無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的海岸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)。第六章，總結(jié)與展望，總結(jié)本文的研究成果，指出其中存在問題及進一步研究的方向。9上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 基于無線 Mesh 網(wǎng)的 QoS 路由 無線 Mesh 網(wǎng)技術(shù)原理無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)一種低功率的無線多跳通信系統(tǒng)，屬于一種網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，但又與傳統(tǒng)網(wǎng)狀網(wǎng)不同，它處理信息的方式是直傳遞的，它把數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點，直到該數(shù)據(jù)包到達目的節(jié)點。而以往點到點通信網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點僅僅留下本節(jié)點的數(shù)據(jù)包，而過濾掉所有不屬于自己的數(shù)據(jù)包，也就是說無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點接收屬于其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包，并將其轉(zhuǎn)發(fā)，這種節(jié)點既可以作為接入終端又可以具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能組網(wǎng)方式是具有極高的自由度。在運行方式上，因特網(wǎng)就是一個典型的 Mesh 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用例子，二者極其相似。但 WMN 還能夠提供多條到達目的地的冗余通信路徑。因此，在這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)中，即便是由于鏈路故障或者是由于外界干擾而停止工作，WMN 都能將數(shù)據(jù)包自動重新路由到另外一條路徑，最終將數(shù)據(jù)包送達目的地，這樣明顯提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽縖39]WMN 又可以認為是由一組具有無線電收發(fā)轉(zhuǎn)置的活動節(jié)點構(gòu)成的一個多跳臨時自治系統(tǒng)[32]。無論在任何時候，在任何節(jié)點之間都可以通過無線通道連接，形成一個任意 Mesh 拓撲結(jié)構(gòu)[33]。由于節(jié)點可以移動，這也將使無線網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化。在這樣的環(huán)境中，若兩個用戶不能直接通信，那么無線通信終端可以突破有限的覆蓋范圍，借助其他終端轉(zhuǎn)換進行信息交換。如 21 無線多跳 Mesh 網(wǎng)絡(luò)圖 21 多跳無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)Figure wireless mesh network主機 H3 不在主機 H2 的輻射區(qū)域 Area02 中,主機 H2 也不在 H3 的輻射區(qū)域Area03 中, 如果主機 H2 和主機 H3 之間需要通信，就需要區(qū)域 Area01 中的主機為它們轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)，因為主機 H1 的輻射區(qū)域 Area01 在主機 H3 和 H2 的無線輻射范圍之內(nèi)，此時 Area01 中的主機 H1 就在為 Area02 中的主機 H2 和 Area03 中主機10性。上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文H3 的通信中扮演著路由器的角色。 WMN 的路由協(xié)議無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議是無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)，研究具有邊際成本的無線網(wǎng)狀路由協(xié)議，為促進無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為客戶提供適合他們的需要 QoS 保證的服務(wù)是非常必要的的。無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，可以以多跳的方式連接，與其他網(wǎng)絡(luò)這是最顯著的差異，這也決定了它的 MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和其他網(wǎng)絡(luò)是非常的不同。目前研究 WMN 路由協(xié)議主要是從這兩個方面著手的。下面本節(jié)將就無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究情況作簡要介紹和比較。(1) WMN 多判據(jù)路由協(xié)議傳統(tǒng)路由協(xié)議更多的是使用跳數(shù)作為路由判決的標(biāo)準，但是事實上并非如此[1011]絡(luò)吞吐量有可能變得更差。此外，這條路線在鏈接中遇到干擾，往往不是最佳路線。為此，我們?yōu)槊總€指標(biāo)設(shè)計一個適當(dāng)?shù)逆溌焚|(zhì)量標(biāo)準，來反映了新的路由準則的影響。在文獻[12]中對學(xué)術(shù)上幾種典型路由判據(jù)標(biāo)準進行了分析和比較，在一個節(jié)點完全固定時，ETX 將得到最佳的性能，RTT 和 PPL 由于沖突影響性能較差。然而，當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點時，Hop 是優(yōu)于其他三個判斷標(biāo)準，這是因為鏈路質(zhì)量的變化無法及時反映移動節(jié)點鏈接的變化。(2) WMN 多信道路由協(xié)議在文獻[12]中對多收發(fā)器和多信道進行了分析和比較，分析結(jié)果表明，它們可以大大提高 WMNA 網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在不需要修改 MAC 協(xié)議的基礎(chǔ)上，使用多收發(fā)器可以 提 升 網(wǎng) 絡(luò) 性 能 。 文 獻 [11] 從 該 觀 點 出 發(fā) ， 提 出 了 MRLQSR(MultiRadioLinkQuality Source Routing，多射頻鏈路質(zhì)量源路由)協(xié)議。MRLQSR 協(xié)議采用WCETT(Weighted Cumulative Expected Transmission Time，加權(quán)的累積傳輸時間)為新的路由性能判斷標(biāo)準，MRLQSR 綜合考慮了帶寬等鏈路性能參數(shù)以及最小跳數(shù)等因素，所以該協(xié)議可以在鏈路延時和吞吐量間見獲得平衡解。(3) WMN 分級路由協(xié)議隨著計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)模的增大，傳統(tǒng)的路由機制使用會消耗很多網(wǎng)絡(luò)資源。同時建立大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)路徑將需要相當(dāng)長的的時間，產(chǎn)生較大的端到端延遲，而一旦路徑建立，若路徑中的變化，他們又需要消耗大量的網(wǎng)絡(luò)資源才能夠重建路由。對于這樣的問題，我們通?？梢圆捎梅旨壜酚蓞f(xié)議的機制來解決，通過分級技術(shù)，集群內(nèi)和集群之間使用不同的路線，分別發(fā)揮各種路由的優(yōu)勢，以實現(xiàn)大規(guī)模的 WMN 的路由。如果通過簇頭來轉(zhuǎn)發(fā)所有的數(shù)據(jù)服務(wù)，那么簇頭將成為整個11。由于其他因素的干擾，對于滿足兩個節(jié)點之間最小跳數(shù)路徑，鏈路性能和網(wǎng)上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，如果數(shù)據(jù)流量不是由簇頭轉(zhuǎn)發(fā)，路線的設(shè)計將變得更加復(fù)雜。在參考文獻[13]中作者提出了一種分級路由協(xié)議機制，該機制在集群內(nèi)和集群之間使用不同的路由協(xié)議。集群內(nèi)路由協(xié)議為基于 DSR 路由協(xié)議，它可以很好地適應(yīng)集群內(nèi)用戶移動動作快特征；集群之間使用先應(yīng)式路由協(xié)議是為了適應(yīng)集群間移動性較小的特點。(4) WMN 地理信息路由協(xié)議WMN 地理信息路由協(xié)議與基于拓撲的路由協(xié)議有很大的不同，基于地理信息路由協(xié)議機制在轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時，它主要是依據(jù)位置，也就是說基于鄰近節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點的位置信息。因此，可以說與其它的 WMN 的路由協(xié)議相比，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓撲的變化對地理信息路由協(xié)議的影響是非常的小?？墒?，基于地理信息路由協(xié)議需要依靠 GPS 或類似的定位設(shè)備，在一定的程度上增加了成本與復(fù)雜性，而且由于該路由機制需要獲得目的節(jié)點的位置信息，從而給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來了很大開銷。(5) WMN 熱量路由協(xié)議基于熱量的 WMN 路由協(xié)議[15]，它的原理就是依據(jù)溫度域來轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。我們把網(wǎng)關(guān)比作熱源，那么距離網(wǎng)關(guān)越近的節(jié)點溫度高，反之則溫度低。根據(jù)此原理，可以把網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點賦予不同的溫度值，假如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點需要接人 Internet 時，那么該路由機制就以多跳的方式向溫度高的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，要轉(zhuǎn)發(fā)出去的數(shù)據(jù)包將最終到達網(wǎng)關(guān)。(6) WMN 跨層路由協(xié)議無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)跨層路由機制的提出是基于以往的研究都集中在網(wǎng)絡(luò)第三層以上，但是對于 WMN，因為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)的時變特性，其路由協(xié)議性能并不是很理想，所以，我們可以從網(wǎng)絡(luò)七層參考模型中的第二層提取一些狀態(tài)參數(shù)信息來作為路由。除此之外，我們還可以考慮合并 MAC 層與路由層之間的一些功能?；诳鐚勇酚稍O(shè)計思想，文獻[16]、[17]和[18]提出了從底層采集路由判斷標(biāo)準的方法來進行路由選擇，考慮 MAC 層的沖突、包括成功的數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸成功率以及其他參數(shù)。在跨層路由協(xié)議里，根據(jù)這些標(biāo)準可以選擇具有沖突更少，可靠的數(shù)據(jù)包傳輸和高速數(shù)據(jù)傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸路徑進行傳輸?；诳鐚勇酚稍O(shè)計機制允許路由協(xié)議收集到節(jié)點底層的實際數(shù)據(jù)傳輸信息，從而作出正確的路徑選擇，它打破了傳統(tǒng)的各層之間透明的原則。這一機制將對提高網(wǎng)絡(luò)性能有很大的意義。(7) WMN—QoS 路由協(xié)議在計算機通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域里，對于網(wǎng)絡(luò)路由的研究主要是通過兩種方法來提高服務(wù)質(zhì)量：一種方法是整網(wǎng)絡(luò)或局部網(wǎng)路控制，一種方法是節(jié)點控制。12上海海洋大學(xué)碩士學(xué)位論文通過對路由與信令的控制達到對業(yè)務(wù)流或業(yè)務(wù)連接在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹苯涌刂?，這種控制方式我們稱為整網(wǎng)絡(luò)或局部網(wǎng)絡(luò)控制；節(jié)點控制主要是控制業(yè)務(wù)對單節(jié)點共享資源的占用，它是在單節(jié)點或單鏈路完成的。之所以要要研究 QoS 路由協(xié)議，原因是 QoS 路由協(xié)議直接關(guān)系到計算機網(wǎng)絡(luò)通信的性能，也是解決 QoS 問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，這也是當(dāng)今計算機網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的研究熱點之一。通過在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中尋找到一條路徑，使其能滿足用戶對帶寬、延時以及費用等的需求，這就是 QoS 路由的主要任務(wù)。Wang Z 等專家學(xué)者[41]提出如果 QoS 路由至少包含兩個限制時，它是一個 NPC 問題。鑒于此 NP 的問題，那么傳統(tǒng)的路由算法就很難有效地解決它，后來，隨著蟻群算法等智能算法的興起，一些學(xué)者基于蟻群等智能算法就提出了很多行之有效的解決方案[4249]。本文就基于基本蟻群算法，在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了基于改進蟻群算法解決 WMNQoS 路由問題的方案。 WMNQoS 控制技術(shù)Quality of Service(簡稱 QoS)標(biāo)準定義是用戶對服務(wù)性能滿意程度的綜合服務(wù)因素。在電話網(wǎng)及計算機通信網(wǎng)系統(tǒng)中 QoS 技術(shù)就是通過控制線路的傳輸時延、包丟失率以及傳輸費用來為終端用戶提供滿意的服務(wù)業(yè)務(wù)。當(dāng) 前 ， 無 線 Mesh 網(wǎng) 絡(luò) QoS 控 制 技 術(shù) 研 究 非 常 熱 點 ， 從 Open SystemInterconnection/Reference Model(簡稱