指導(dǎo)老師舒炎泰教授課件

WirelessMeshNetworks

Issuesateachlayer指導(dǎo)老師：舒炎泰教授學(xué)生：劉春貴?20061WirelessMeshNetworks

IssuesOverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayerOverviewofResearchTopicsPhyPhysicalLayer(PHY)WishlistPerformanceBandwidthRobustmodulationSensitivityShortpreambleFastswitchbetweenchannelsFastswitchfromTx/RxandbackExtrasMobility(potentiallyhigh-speed)LinkadaptationVariabletransmissionpowerMultiplechannelsLinkqualityfeedbackPhysicalLayer(PHY)Wishlist

在一個大的范圍內(nèi)實現(xiàn)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(tǒng)，但復(fù)雜性和成本太高還不能被商業(yè)廣泛接受；

Frequency-agile技術(shù)仍處于早期階段,在被商業(yè)接受之前還需要大量的研究努力；雖然已經(jīng)建議的Adaptive/smart天線等的多天線系統(tǒng),以及MIMO系統(tǒng)能增加容量和減輕由于衰退、通道干擾引起的損害，但對WMNs而言，開發(fā)這種技術(shù)是一個更具挑戰(zhàn)的問題；為了更好的利用物理層提供的先進技術(shù)，尤其MAC層協(xié)議需要和物理層交互的工作。因此，設(shè)計物理層的一些組件時，應(yīng)使高層能訪問或控制它們。這就使得硬件的設(shè)計更具挑戰(zhàn)性,同時,也觸發(fā)低成本軟件radio技術(shù)的創(chuàng)新。PHY-OpenResearchIssues在一個大的范圍內(nèi)實現(xiàn)高的傳輸率，需要新的寬帶傳輸方案PHYPHY-ModulationExistingmodulationsworkwell(OFDM,DSSS,etc.).UWBmaybeaninterestingalternativeforshortdistances(WPANs)SpreadspectrumsolutionsarepreferredastheytendtohavebetterreliabilityinthefaceofFading(veryimportantformobileapplications)Interference(moreofafactorthaninanyotherwirelesssystem)PHY-ModulationExistingmodulM,N,K,L的值不同會產(chǎn)生各種多天線系統(tǒng)；接收方有多個天線接受，發(fā)送方是單個通道(K=1,M=1以及或

L>1或N>1)的設(shè)計已經(jīng)被建議，接受方能夠收到至少一個好信號的概率是很高的。PHY-MIMSM,N,K,L的值不同會產(chǎn)生各種多天線系統(tǒng)；PHY-MIPHY-SmartAntennasAdvantagesLowpowertransmissionsBatterynotabigconcerninmanyapplicationsEnablesbetterspatialreuseand,hence,increasednetworkcapacityBetterSNRBetterdataratesBetterdelaysBettererrorratesAdvantagesDisadvantagesSpecializedhardwareSpecializedMAC(difficulttodesign)DifficulttotrackmobiledatausersPHY-SmartAntennasAdvantagesLTransmissionPowerControlToolowToohighJustrightGWGWGWTransmissionPowerControlTooTransmissionPowerControl(cont)OptimizationCriteriaNetworkcapacityDelayErrorratesPowerconsumptionTheidealsolutionwilldependonNetworktopologyTrafficloadTransmissionPowerControl(coOverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayerOverviewofResearchTopicsPhy

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

MAC/PhysicalCross-LayerDesign當使用像MIMO以及有感知的radios等先進技術(shù)的時候，需要建議新的MAC協(xié)議,尤其multi-channelMAC協(xié)議。

NetworkIntegrationintheMACLayer在MAC層必須開發(fā)先進的網(wǎng)橋功能，使得不同的無線radios技術(shù),諸如802.11,802.16,802.15,等能夠在一起無縫的工作。對于這些網(wǎng)橋功能，最終要解決再配置/軟件radios以及相關(guān)的radio資源管理技術(shù)。MAC-OpenResearchIssuesScalableMACMAC-OpenResearch

ModifyingExistingMACProtocols例如,在一個802.11mesh網(wǎng)中,MAC層協(xié)議可以通過調(diào)整CSMA/CA的參數(shù)得到改善(如CW的大小,修改backoff程序)。但該方法僅能實現(xiàn)低的端到端的吞吐率,因為它不能大量的減少鄰居節(jié)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(jié)點。但由于有向傳輸,就會產(chǎn)生更多的隱蔽節(jié)點。該方案也面臨其它諸如成本、系統(tǒng)復(fù)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(jié)點，尤其在密集的網(wǎng)絡(luò)，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(dǎo)致減少探測潛在的干擾節(jié)點的可能性，從而使隱蔽節(jié)點的問題可能變的更遭。ModifyingExistingMACProtocProposingInnovativeMACProtocols在多跳網(wǎng)絡(luò)中，由于可憐的可擴展性，像CSMA/CA的隨機接入?yún)f(xié)議不是一種有效的解決方法。因而,再訪基于TDMA或CDMA的MAC協(xié)議的設(shè)計是必要的。目前,幾乎還沒有TDMA或CDMA的MAC協(xié)議對WMNs可用。Design

ApproachesofaSingle-channelMACprotocol考慮開發(fā)具有TDMA或CDMA的分布和協(xié)作的MAC協(xié)議的復(fù)雜性和成本；是具有現(xiàn)有MAC協(xié)議的TDMA(或CDMA)MAC的兼容性。如在802.16中,原來的MAC協(xié)議是一個集中的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(shè)計一個覆蓋CSMA/CA的分布式的TDMAMAC協(xié)議是一個有趣但具有挑戰(zhàn)的問題。ProposingInnovativeMACProtDesign

ApproachesofaMulti-channelMACprotocolMulti-ChannelSingle-TransceiverMAC如果考慮成本和復(fù)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(jié)點在某一時間只有一個通道是活動的。但不同節(jié)點可能同時在不同通道起作用。為了協(xié)調(diào)這種情形下節(jié)點間的傳輸,像多通道MAC協(xié)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(xié)調(diào)多通道的功能。至今還沒有建議多通道多收發(fā)器的MAC協(xié)議。

Multi-RadioMAC節(jié)點有多個radios,且具有自己的MAC和物理層。在這些radios中通信完全獨立。因而,在MAC上部需要一個虛擬的協(xié)議,像多radio一致協(xié)議在所有通道協(xié)調(diào)通信。事實上，在這種情況,一個radio可能有多個通道。但為了設(shè)計和應(yīng)用的簡單性,在每個radio通常應(yīng)用單個通道。DesignApproachesofaMulti-cOverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayerOverviewofResearchTopicsPhyScalability分層路由協(xié)議由于其管理的復(fù)雜性和困難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(shù),增加了WMNs成本和復(fù)雜性。因而需要開發(fā)新的可擴展路由協(xié)議。BetterPerformanceMetrics需要開發(fā)新的性能機制。集成多性能機制在一個路由協(xié)議是需要的，這樣能實現(xiàn)最優(yōu)的整體性能。Routing/MACCross-LayerDesign路由協(xié)議需要和MAC層相互作用以改善其性能。二者間的相互關(guān)系是如此靠近以至僅僅交換其參數(shù)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(chǔ)設(shè)施,因此需要開發(fā)一個比adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更簡單和更有效的路由協(xié)議NetworkLayer-OpenResearchIssuesScalabilityNetworkLayer-Open

MultiplePerformanceMetrics許多現(xiàn)有的路由協(xié)議使用最小跳數(shù)作為選擇路徑的性能機制。在許多情況已經(jīng)證明是效率低的。

Scalability在一個很大的無線網(wǎng)絡(luò)中建立或維護一條路徑可能化很長時間。因而，在WMNs中有一個擴展的路由協(xié)議是關(guān)鍵。

Robustness為了避免服務(wù)崩潰,WMNs對于鏈路失效或擁塞必須是健壯的。路由協(xié)議也需要執(zhí)行負載均衡。

EfficientRoutingwithMeshInfrastructure在mesh網(wǎng)中,由于移動性小以及功率消耗不受限制,期望路由協(xié)議比adhoc網(wǎng)絡(luò)更簡單。對meshclients的路由協(xié)議應(yīng)該比由meshrouters提供基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)更簡單。然而現(xiàn)有協(xié)議還沒有都考慮。Routing–OptimizedFeaturesMultiplePerformanceMetricsRRoutingProtocolswithVariousPerformanceMetrics已有文獻研究路由協(xié)議性能機制的影響，如LQSR根據(jù)鏈路質(zhì)量機制選擇路徑。如ETX、per-hopRTTandper-hoppacketpair三個性能機制已經(jīng)實現(xiàn)。與使用minimumhop-count方法相比。對于靜止節(jié)點,ETX性能更好；對于運動節(jié)點，最小跳數(shù)方法更好?！癈omparisonsofRoutingMetricsforStaticMulti-HopWirelessNetworks,”證明LQSR在節(jié)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(zhì)量和最小跳數(shù)機制以及在延遲和吞吐率之間實現(xiàn)好的權(quán)衡。

Multi-PathRouting

主要目標是執(zhí)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(fù)雜性。Routing–OptimizedFeatures(cont)RoutingProtocolswithVariouHierarchicalRouting

“Multi-levelHierarchiesforScalableadhocRouting”

(WINET)，采用自組織方案把節(jié)點分成簇。每個簇有一個或多個簇頭。一些節(jié)點可能和多個簇進行通信或作為一個網(wǎng)關(guān)工作。節(jié)點密度大時,分層路由協(xié)議由于開銷小會實現(xiàn)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(fù)雜性可能影響路由協(xié)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(jié)點和目的節(jié)點的位置信息轉(zhuǎn)發(fā)包。在早期的算法中,包的轉(zhuǎn)發(fā)決定是基于當前轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、鄰居節(jié)點、目的節(jié)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)HierarchicalRoutingRouting–Routing–WishListScalabilityOverheadisanissueinmobileWMNs.FastroutediscoveryandrediscoveryEssentialforreliability.MobileusersupportSeamlessandefficienthandoverFlexibilityWorkwith/withoutgateways,differenttopologiesQoSSupportConsiderroutessatisfyingspecifiedcriteriaMulticastImportantforsomeapplications(e.g.,emergencyresponse)Routing–WishListScalabilityRouting-OptimizationCriteriaMinimumHopsMinimumDelaysMinimumErrorRatesMaximumDataRatesMaximumRouteStabilityPowerConsumptionCombinationsoftheaboveUseofmultipleroutestothesamegatewayUseofmultiplegatewaysRouting-OptimizationCriteriCross-LayerDesign傳統(tǒng)協(xié)議要求彼此間是透明的，因而協(xié)議的開發(fā)和實現(xiàn)比較簡單和可升級；在無線環(huán)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(diào)制以及錯誤控制方案可以用于改善物理通道的性能，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(xié)議將不可避免的受不可靠物理通道的影響。為改善無線網(wǎng)絡(luò)的性能，MAC,routing,transport層協(xié)議必須和物理層一起工作；MAC,routing,transport層協(xié)議也需要協(xié)作工作，這種相互作用要求在不同協(xié)議之間進行跨層設(shè)計；在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，由于移動性和鏈路失效，網(wǎng)絡(luò)拓撲會不斷發(fā)生變化，這種動態(tài)拓撲會影響多協(xié)議層；為了改進協(xié)議效率，跨層設(shè)計是必要的。例如，對于WMNs，一個MAC協(xié)議可能包括對于網(wǎng)絡(luò)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(xié)議共享。為了避免在路由協(xié)議中出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，MAC協(xié)議可以優(yōu)化由路由協(xié)議發(fā)起的傳輸信息的程序。Cross-LayerDesign傳統(tǒng)協(xié)議要求彼此間是透明Cross-LayerDesign跨層設(shè)計的方法：第一個方法優(yōu)點是沒有完全放棄協(xié)議層之間的透明性；第二個方法將完全失去了這個優(yōu)點，而是通過考慮協(xié)議層之間一種最優(yōu)化的相互作用以實現(xiàn)更好的性能?？鐚釉O(shè)計能極大改善網(wǎng)絡(luò)性能，然而，設(shè)計時必須要考慮一些問題：跨層設(shè)計具有一定的冒險性，如協(xié)議層提取的丟失、和現(xiàn)有協(xié)議的不兼容、在網(wǎng)絡(luò)的未來設(shè)計方面無法預(yù)料的影響，以及維護和管理的困難等。通過考慮其它協(xié)議層的參數(shù)來改進協(xié)議的性能。把底層協(xié)議的參數(shù)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(qū)分由于丟包產(chǎn)生的擁塞。再如，物理層把鏈路質(zhì)量報告到路由協(xié)議作為對路由算法的一個附加的性能機制)。把幾個協(xié)議合并在一起。例如把MAC和路由協(xié)議合并成一個協(xié)議,為了接近地考慮它們的相互作用。評價Cross-LayerDesign跨層設(shè)計的方法：第一個方Routing–Cross-LayerDesignRouting–PhysicalLinkqualityfeedbackisshownoftentohelpinselectingstable,highbandwidth,lowerrorrateroutes.Fadingsignalstrengthcansignalalinkabouttofail→preemptiverouterequests.Cross-layerdesignessentialforsystemswithsmartantennas.

Routing–MACFeedbackonlinkloadscanavoidcongestedlinks→enablesloadbalancing.Channelassignmentandroutingdependoneachother.MACdetectionofnewneighborsandfailedroutesmaysignificantlyimproveperformanceatroutinglayer.Routing–Cross-LayerDesignRoRouting–Cross-LayerDesign(cont)Routing–TransportChoosingrouteswithlowerrorratesmayimproveTCP’sthroughput.EspeciallyimportantwhenmultipleroutesareusedFreezingTCPwhenaroutefails.Routing–ApplicationEspeciallywithrespectofsatisfyingQoSconstraintsRouting–Cross-LayerDesign(Network–FairnessProblemSourceConflictbetweenlocallygeneratedtrafficandforwardedtraffic.Athighloadsthenetworklayerqueuefillsupwithlocaltrafficandtraffictobeforwardedarrivestoafullqueue.Consequence:nofairnesspoorefficiencySolutions:ComputethefairshareforeachuserandenforceitNetworklayerMAClayerGWNetwork–FairnessProblemSouQoSSupportrequiredateverylayerPhysicalLayerRobustmodulationLinkadaptationMACLayerOfferprioritiesOfferguarantees(bandwidth,delay)NetworkLayerSelect“good”routesOfferprioritiesReserveresources(forguarantees)TransportAttemptend-to-endrecoverywhenpossibleApplicationNegotiateend-to-endandwithlowerlayersAdapttochangesinQoSQoSSupportrequiredateveryOverviewofResearchTopicsPhysicalLayerMACLayerNetworkLayerTransportLayerApplicationLayerOverviewofResearchTopicsPhyTransportlayerCrosslayeroptimizationisrequiredforincreasingTCPperformanceThenewenhancedTCPshouldworkwiththeexistingTCPAdaptivetransportprotocolsrequiredforanintegratedWMNAdaptiveRateControlProtocol(RCP)isneedforrealtimedelivery.TransportlayerCrosslayeropCross-layerSolutiontoNetworkAsymmetry

它被定義為一個網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)用到WMNs還需要研究。

AdaptiveTCPWMNs也將與Internet和各種無線網(wǎng)絡(luò)(802.11,802.16,802.15,etc)集成。在不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不同的TCPs是一個復(fù)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(jù)WMNs的特性需要開發(fā)新的RCPs。也需要開發(fā)新的丟失區(qū)分方案和RCPs一起工作。因為WMNs將和各種無線網(wǎng)絡(luò)及Internet集成,因此需要開發(fā)適應(yīng)性速率控制協(xié)議。OpenResearchIssues目前還沒有針對WMNs的傳輸協(xié)議,然而，研究adhoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議對研究設(shè)計WMNs有幫助。對實時和非實時流需要不同的傳輸協(xié)議。Cross-layerSolutiontoNetwoNon-CongestionPacketLossesTheclassicalTCPs不區(qū)分擁塞和非擁塞丟失。當后者發(fā)生時，由于不必要的擁塞避免,網(wǎng)絡(luò)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(fù)。反饋機制可用于區(qū)分不同的丟包。UnknownLinkFailure在MANET,鏈路失效會頻繁發(fā)生。但有基礎(chǔ)設(shè)施的WMNs不關(guān)心鏈路失效。但在meshclients會發(fā)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(zhì)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(wěn)度量。ReliableDataTransport—TCPVariationsNon-CongestionPacketLossesR“ATP:AReliableTransportProtocolforad-hocNetworks,”(MOBIHOC)建議了一個ATP。ATP沒有重傳超時,減弱擁塞控制和可靠性。ATP比TCPvariants能實現(xiàn)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(xié)議是不可取的方法。WMNs將與Interne