无线Mesh网络中基于负载平衡的自适应拥塞控制路由策略

黄丽芬

HUANG Li-fen

(广西工业职业技术学院 计算机与信息工程系，南宁 530001)

0 引言

传统意义上的无线接入技术主要采用一种由点至点或者多点的拓扑结构。在此结构中往往只有一个中心节点，比如WLAN中的AP，或者移动通信系统中的基站都属于这种情况。它们的工作原理是：中心节点一方面通过单挑无线链路与其他各个无线端点相连，另一方面又通过有线链路提供到有线骨干网的链接。而无线Mesh网络采用的是网状的Mesh拓扑结构，即由多点至多点的网络结构。它能够提供典型的Internet接入场景，通过一个或多个网关节点完成网络中的节点和外部网络的互联。在它的主要骨干网路中的节点大部分是静止的或具有很不明显的移动性。

1 Mesh网络的介绍

1.1 无线Mesh网络技术简介

随着各种无线通信技术的蓬勃发展，一种新的无线网络技术——无线Mesh网络也逐渐发展起来，在用户群中产生了重大的影响，受到了人们的热烈追捧。无线Mesh网络（Wireless Mesh Networks ,简称WMNs），即无线网状网，亦称无线多跳网，通过与其他宽带无线接入技术如802.11、802.16以及3G移动通信等技术相结合，从而组成一个高速率大容量多点对多点的分布式无线网状网络，此网络的一大特色是含有多跳无线链路。有了这种无线网状网路，就可以大大增加无线系统的覆盖面，同时又能提高无线宽带容量和通信的可靠性，因此是一种非常有发展前景的宽带无线接入手段。基于以上特点，无线Mesh网络成为社区、企业内部以及城域网络的理想选择。

无线Mesh网络一般由Mesh路由器和Mesh终端两种网络节点组成。Mesh路由器在具备传统的无线路由器的网关/中继功能的基础上，又增加了支持Mesh网络互连的路由功能。这种路由器通常具有多个无线接入点，这些接入点是运用相同的接入技术建立的，同时也支持不同的无线接入技术。与传统的无线路由相比，Mesh路由器具有极大的优越性。它能够通过无线多跳通信用比传统无线路由低很多的发射功率获得同样范围的无线覆盖。在无线Mesh网络中，互连的Mesh路由器构成骨干网，骨干网再运用其中的网管Mesh与Internent相连。相较于Mesh路由器，Mesh终端一般不具有网关桥接能力。即使它也具有一定的网络互联和分组转发功能，但通常只拥有一个无线接口，因此它的复杂程度很较小。Mesh终端是多种多样的，它可以是笔记本电脑，掌上电脑，甚至是手机等。各Mesh终端之间的互连构成一个小型的对等通信网络。Mesh路由和终端之间混合组网的情况并不复杂。如图1所示。

1.2 无线Mesh网络的特点

无线Mesh网络与传统的无线接入技术相比，有以下六个新特点：

1）多类型网络的接入

无线Mesh网络既允许无线终端接入骨干网，同时又支持与其相对等的无线终端设备的网络通信。一方面它可以与其他无线网络相结合，另一方面又通过为无线终端设备的用户提供无线接入服务。

2）无线多跳网络

无线Mesh技术的开发目标除了在充分拓展信道容量的情况下，对现有无线网络的覆盖范围进行扩展之外，还有一个目标是为远距离的无线链路用户提供非视距连接。这就使得多跳网络的应用成为必要。多跳网络的无线链路距离更短、节点干扰较少和频率的重复利用率高等特点，这样就使得Mesh网络在获得更高的系统容量的同时又不影响信道的正常容量。

3）支持Adhoc方式网络连接

因为具有结构灵活、易于部署和网状连接多点对多点通信等特点，无线Wesh网络可以根据用户的实际需求进行逐渐容量扩展。它的自组织自愈能力使其可以自动探索到新的节点，自动完成配置升级，而不用管理员亲自动手。这样一来，在出现节点或者链路故障时也可以通过自动的调整排除故障。

4）集成性

无线Mesh网络可以运用Mesh路由器的网关功能，将现有的多种无线网络技术进行整合。如此一来，无线骨干网就形成了。多种无线网络连接在一起就形成了“无线互联网”。身为用户终端自组网的Adhoc网络就不具备这种网关功能。

5）相对稳定的拓扑结构

传统的Adhoc网络的终端用户具有不可靠性和移动性，导致网络拓扑和连接的变化相对较大，这就给路由协议和网络配置问题面临更大的技术挑战。而在无线Mesh网络中，Mesh路由器一般是静止不动的设备。这样就比终端用户具有更大的可靠性。

6）专门化的路由和配置功能

在无线Mesh网络中，即使Mesh终端本身具有路由转发功能，但Mesh路由器还是承载了主要的路由和配置功能，这样就大大减轻了Mesh终端的压力。

图1 无线Mesh网络结构

2 一种负载平衡混合路由协议

LB-HWMP，IEEE802.11s中提出一种混合式无线Mesh网络路由协议(HybridW irelessMesh Protoco,l HWMP) 将MA-NET路由协议中的按需式路由和先应式路由的思想接合起来，该协议既具备按需式路由的灵活性又具备先应式路由的迅速性，适应无线Mesh网络这种基干网结构和Ad hoc自组织网结构接合的网络拓扑结构。HWMP中有按需路由形式(On-DemandRouting)和基于树形结构的路由形式(Tree-Based Routing)两种路由办法.按需路由形式和传统的AODV路由办法相同,而基于树形结构的路由形式是在树的树立和保护中吸收了传统AODV协议中的RREQ、RREP、RRER等机制。

IEEE802.11s草稿仅给出HWMP的基本思想和主要框架，那里面的成功实现细节仍在不断完备当中，现阶段已经显露出来一点针对HWMP改进的路由协议，在HWMP基础上提出了一种新的多途径路由协议。WMRP，它接合散布式和集中式路由，将数值链路层的最简单的面路由办法拉伸成大致相似于IP路由的多级路由框架，增长了HWMP的执行速率。研究中有一种管用的先验式和反响式接合的路由算法，利用HWMP中先验式和反响两种路由方式的长处来补救各自的欠缺,管用减不多时延和吞吐量，经过对HWMP以及现存改进协议在负载平衡方面的剖析，发现有以下五个不足之处：

1）HWMP是混合路由协议，但它没有将按需求路由和先应式路由形式美好地接合起来，只供给了一个送出和收缴信息的框架。

2）HWMP是基于MANET网络中AODV协议施行改进，AODV协议本身在负载扼制方面存在不充足，因为这个HWNP在WMN负载较重时，会导致较大的路由发觉时延。

3）HWMP在路由发觉和路由保护过程中，只依据最小跳数作为途径挑选根据，没有思索问题节点的负载事情状况，有可能显露出来途径的部分负载过大，因此造成的整个网络的吞吐量的减退。

4）处于基干WMN核心的节点(即mesh路由器)是网络负载的瓶颈。在节点负载过重时，仍不断收缴转发的烦请响应信息，进一步导致信道堵塞，针对上面所说的剖析中提出的问题，本文对HWMP路由发觉和路由保护过程施行改进，成功实现了一种具备负载平衡机制的混合路由协议LBHWMP(Load Balancing HWMP)。

该协议的主要改进思想是：运用节点负载约束机制和节点信息扼制机制，经过预设负载约束权值函数对路由发觉和路由保护过程施行改进，路由挑选时同时思索问题节点负载和跳数两个因素，对重担载节点跳数加以恶罚。同时，在重担载时扼制半中腰节点接收和转发数值包,缓解信道的运用率。

3 负载行数的设计

因为HWMP路由发觉和路由保护过程以AODV协议为基础，所以在路由树立过程中都是以最小跳数为挑选依据，这会造成当一点负载过大的节点还是处于主途径中，这就造成了部分负载过大，减低网络吞吐量。我们运用以下函数对负载连续不断增加的节点施行一定的方式，防止再次选中重担载节点，设负载约束权值函数为f( )，节点nodei的现时负载为load,i约束因数为α，节点跳数为hopcounti。用以下公式来表示：

load_metrici=f(hopcounti，α，loadi)

首先，依据路由协议本身的独特的地方，节点本身跳数为一跳，即经过本次节点路由路数加1，参加线性约束因数α后，节点约束权值和节点负载成正比，对于节点负载loadi树立以下节点负载板型：

load_metrici=1+loadi×α

其次，权值函数计算出load_metrici代替节点原有的hopcounti值，即可计算出节点nodei的约束权值，每个节点转发数值包时,需求将自身节点负载约束权值load_metrici累加到了目的节点后则构成了整条途径的约束权值。

loadMetricpath=∑i=desti=srcload_metrici

最后，在实际施行途径挑选时，每个节点会优先挑选loadMet-ricpath最小的途径树立路由。

4 无线Mesh节点负载的勘测机制

现阶段计算节点可用带宽有两类典型机制，一类是测量MAC层信道利用率，另一类是勘测网络层单位时间的吞吐量。因为Mesh基干网中路由器移动性很低，网络流量大，不易计算节点吞吐量，而对于信道利用率没有确认的计算办法，因为这个要通不为己甚析影响无线信道相关的相关参数，来计算节点负载：

1）MAC层信道品质指数(ChannelQuality Index, CQI)是无线信道的通信品质的勘测标准。CQI由信道强度指使信息(RSSI)、送出包不正确率(TxPER)、送出包重传率(TxPRR)表决，固然可以在经过链路品质反映节点的负载体积，但却不充分，若节点A的负载轻，不过与重载的节点CQI细小，则其他节点会觉得A一样是重载节点。因为这个不可以单独运用CQI作为节点负载判据。

2）MAC缓存区占用率。无线网络负载平衡可以运用MAC层缓和冲突区中的数值包个数对节点负载施行描写，但一样不可以单独运用。由于它没有绝对思索问题无线信道的共享事情状况。如果有节点A两个邻舍节点B和C，假如A的缓存区是空的，而B和C的办公量非常大,一直占用信道，由于A、B、C三个节点并肩运用信道,其它节点就觉得A也是负载过重的。

3）邻舍节点的个数。因为Mesh节点共享无线信道，在一定程度上邻舍节点的数目能反映出信道的空程度，如果觉得邻舍节点多的节点信道占用率就高。信道比较空，建立路由的时刻就应当防止此节点显露出来在主路由中，但只用邻居节点的个数一样不可以正确地反映节点负载，若节点A有许多邻舍节点，这些个节点的负载都是0，则觉得A处于轻载状况，不过假如依照以上的分辨断定负载体积的办法。

5 协议仿真和结果分析

因为实际的网络流量是突发流，所以为保障实验的严密谨慎性，首先设立如下的一些背景：

1）WMN中全部数值包传道输送出错只是因为碰撞造成的，即无线信道是理想信道；2）数值包的保存生命时间(TTL)和重传回数都为无限大，即数值包不会由于TTL到时或是重传败绩而没有办法到了目标节点；3）数值包被准确的收缴的几率大于0，即WMN是一个连通网络，不存在离合局部和孤立节点；4）LB-HWMP协议在有限的时间内可以为源节点供给一条管用地到了目标节点的途径，源节点也可以将数值包发送到目标节点。

本次研究就是运用网络仿真软件NS2来构建WMN仿真平台。配备布置如下所述：1）仿真场景:在1500x1000的长方形拓扑图中，安放50个Mesh路由器和10个移动站点STA，那里面MP节点可以作为Mesh接入点,也可以作为Mesh节点。MP静止不动，STA慢速移动。2）节点的MAC层参变量：认为合适而使用802.11规范,带宽为1Mbps，通

讯半径为200m，扩频形式:DSSS(直接序列扩频)，接收天线及无线信道参变量认为合适而使用NS2中供给的默许值。3）节点链路层参变量:认为合适而使用CSMA /CA协议施行无线电视台过访扼制.认为合适而使用散布式协调功能(DCF)。

[1] 张树勇,基于MSSTATE_LRWPAN协议栈的无线检测网络[J].福建电脑,2010,03.

[2] 尹安,汪秉文,胡晓娅,汤强.无线传感器网络负载均衡路由协议[J].华中科技大学学报(自然科学版),2010,01.

[3] 胡淮杨,郑康锋.一种基于网络处理器的IPTV负载均衡方案[A].2010通信理论与技术新发展——第十五届全国青年通信学术会议论文集(上册)[C],2010.

[4] 尹安,汪秉文,胡晓娅,汤强.无线传感器网络负载均衡路由协议[J].华中科技大学学报(自然科学版),2010,01.