无线Mesh网络的跨层设计概述

无线Mesh网络的跨层设计概述
钱新蕾
(信息科学与技术学院,2004(1)班,04261106号)
[摘要]无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络，它越来越受到人们的重视。

由于无线Mesh网络在拓扑、传输和业务上的特性,传统的用于有线网络的分层协议设计方法已不能保证其服务质量(QoS)。

跨层设计这一项热门技术，将自适应技术引入其中，可以适应信道变化实现对资源的自适应优化配置、增加Qos保障，在无线资源利用率和多媒体业务的QoS需求两方面都达到了较好的折衷。

本文在搜集了一定资料的基础上，从跨层设计的背景、跨层信息交互、实例分析以及发展前景几方面做了概述。

[关键词]无线Mesh网络自适应跨层设计
1 引言
无线Mesh网,即无线网状网（WMN），也称为无线多跳网。

较之传统无线接入技术，WMN具有成本低、支持无线接入且与无线终端之间可以实现对等网络通信、扩展了现有无线网络的覆盖范围等特点。

无线Mesh网的结构如图1所示[1]。

图1 无线mesh网结构
但由于无线通信环境具有快速变化的特性，而基于分层结构的协议栈只能在相邻的层之间以固定的方式进行通信,这使得现有的协议栈无法灵活地适应无线移动环境的变化，从而使得在设计协议栈时只能考虑其在通信条件最为恶劣的情况下进行工作，进而导致了协议栈无法对有限的频谱资源及功率资源进行有效的利用。

为了解决这个问题，人们提出了跨层设计的思想，即通过在协议栈的各层之间传递特定的信息来协调协议栈各层之间的工作过程，使之与无线通信环境相适应，从而使系统能够满足不同业务的不同需求，实现对资源的自适应优化配置。

2 跨层设计的背景
2.1跨层设计的必要性
由于无线信道的物理特性(信道传播的开放性和信道参量变化的时变性等)使无线信道成为一种非常不稳定的媒介，增加了无线通信网络设计的难度，所以人们往往只按照信道性能最差的情况和最低要求进行设计,这在信道质量较好的情况下则会造成频谱、功率等资源的浪费。

传统的无线通信系统设计对各层进行单独的设计和优化，简化了整体网络设计的复杂性,满足了软件设计的信息隐藏原则,因而得到广泛应用。

但若遵循OSI设计理念必然摒弃协议层之间跨层交互,而且不同协议层中存在一定的信息冗余。

因此,OSI严格分层的参考模型不能对无线网络资源进行整体管理,网络性能不能得到整体优化。

而跨层思想就很好的解决了这些问题。

2.2跨层设计的基本要求
2.2.1物理层对跨层设计的要求
物理层的BER(每一位的出错概率)对物理层性能来说是关键因素。

但计算BER是相当复杂的,实际中是将BER性能要求映射为信噪比(SNR)的要求。

一般决定包是否正确的解码是通过接收到的SNR值来衡量的。

提高SNR就可以提高正确接收的机率,一个重要的技术是功率控制。

功率控制是在不影响通话质量的前提下,通过控制接入终端的输出功率,在保证高质量的反向链路的同时使得干扰最小化。

当平均的每个用户反向链路信噪比达到最小时,通信质量达到“可接受”标准,从而使得容量最大化。

2.2.2MAC层对跨层设计的要求
MAC层使用物理层提供的传输信道向无线链路层提供逻辑信道。

它定义了对实时声音、视频和可信的数据传输的支持,在有限的无线带宽有效公平的共享中起着重要作用。

因为无线网络中无线链路的共享特性,所以带来了竞争。

MAC层需要调度功能来解决竞争问题。

所谓调度就是协调用户共享无线信道资源(带宽、时延等),如规定用户何时、以何种方式发送数据。

2.2.3网络层对跨层设计的要求
网络层将数据分成一定长度的分组,并在分组头中标识源和目的节点的逻辑地址,这些地址就像街区、门牌号一样,成为每个节点的标识；网络层的核心功能便是根据这些地址来获得从源到目的的路径,当有多条路径存在的情况下,还要进行路由选择。

当路径的预留资源得到满足时,请求被接纳,否则被拒绝,这一操作过程称为接纳控制[6]。

不同的业务需要不同的QoS 需求,需要接入控制进行区别对待。

2.2.4多媒体业务QoS保证对跨层设计的需求
QoS保证机制涉及所有协议层,即每个协议层的相应参数设置都涉及到QoS能否得到保
证。

从应用层的角度粗略分为非实时业务和实时业务。

对于非实时业务，在传输层可以采用TCP 协议，根据接收器窗口大小和网络拥塞情况自适应地调整业务流速率；实时业务因其对延时要求比较高，若实时业务的数据包到达接收器时已经超出预先确定的期限,将无利用价值,因此对于实时业务,传输层常采用TCP/ UDP 协议。

在网络层,路由选择与链路跳数、链路稳定性等有关,这些参数同样会对QoS 产生影响。

链路层对各个业务流优先级的设置、调度以及信道选择等也会影响端到端的QoS (如延时等)。

在物理层选择不同的调制方式和传输功率,同样会使QoS 中的误码率、吞吐量、发送速率等发生变化。

由于多媒体业务对QoS 的要求不同,因此对于各层选择的策略也不同。

如何综合利用各层之间的依赖关系和交互信息,有效实现多媒体业务的动态QoS 保证,将成为跨层设计的重要目的之一。

因此,有必要考虑层与层之间的依赖关系,加强层与层之间的信息交互和共享,使网络性能得到整体优化。

3 跨层信息交互
3.1各协议层与其上层的信息交互
一般来说，跨层设计可由两种方法实现。

第一种方法是在某一协议层进行优化时，不仅考虑本层的相关参数，同时也把其他协议层的相关参数考虑进来。

第二种方法是把依赖关系密切的两个或多个协议层合并为一体。

如图2所示为跨层设计理论模型[7]。

图2 跨层设计理论模型
3.1.1物理层与其上层协议的交互
链路层：物理层采用的发射方式（主要参数有传输功率、调制与编码、天线波约束参数等）不同，对接收器能否对信号成功接受产生影响，从而影响到链路层的无线信道接入问题。

另一方面，在链路层进行功率控制来降低满足速率和误码率要求时的传输功率，减少邻接点
设计 实现
跨层自适应
系
统
约
束
物理层 应用层
链路层
网络层
传输层
间的干扰；通过增加传输功率来对抗多径衰落引起的信道变化，在链路层采用更强的差错控制机制来降低误码率。

网络层：在WMN中，从源节点到目的节点存在多条路由，可根据物理层的信道质量信息，自适应地选择或改变传输路由，使用信道质量最佳的路由将有效提高网络性能；各个物理接口上的误比特率能够用来引导网络层在不同的物理接口上进行切换和数据转发[8]。

另一方面，网络层根据不同链路的物理层的调制方式选择、功率控制等来进行不同的路由选择。

传输层：物理层误码率的过大是非链路拥塞造成丢包的原因之一，如果在传输层能感知物理层的误码率，就可以在传输层采用适当的拥塞控制机制。

应用层：物理层信道状态信息能够被应用层用来改变其信源编码方式生成业务，例如数字视频这样的多媒体业务可根据其从物理层获得的信道状态信息对编码速率进行调整。

3.1.2链路层与其上层协议的交互
网络层：链路层的传送调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，从而可能导致网络层路由性能的恶化。

另一方面，如果网络层能够感知链路层的性能的变化，就可以以自适应的方式改变路由，改善网络性能。

传输层：为了避免信道条件较差时导致连接超时利用TCP的往返时间（RTT）及重传定时器（RTO）来控制链路层的重发机制。

同样，链路层的重发机制也能用来对RTO的取值进行调整。

应用层：链路层可通过满足应用层不同业务对QoS相关参数的不同需求，对业务队列提供不能的优先级，进行相应的调度、处理。

另一方面，应用层也可利用链路层的相关信息来调整自身的参数设置。

3.1.3网络层与其上层协议的交互
传输层：网络层把传输层的链路拥塞信息作为路由判据之一，可有效地对传输层的链路拥塞进行调节。

应用层：网络层根据应用层对QoS的不同需求，将数据分组路由到不同的物理接口上。

另外，网络层移动IP的切换信息对应用层/传输层而言十分重要，因为利用它能够节省功耗，提高吞吐量。

3.1.4传输层与其上层协议的交互
应用层：根据传输层提供的丢包率及吞吐量等信息，应用层可调整发送速率等。

同样，应用层也能将业务的QoS需求传递给传输层，传输层可以据此选择适当的传输协议，并调整相关参数等。

3.2跨层信令交互方式
3.2.1利用数据包头信息
在IPv6中,跨层信息可以被编码并加入到额外的IP数据包头信息里，通过跨层信令管道传输，而且这个方法不需要专门的内部信息协议。

但是，IP数据包只能逐层处理，高层难于访问IP包头信息。

此外，在多数情况下，自底到顶的这种信令管道往往只是过剩的，因此效率较低。

3.2.2利用ICMP报文
因特网控制报文协议[9,10]是一种基于IP网络的信令交互控制协议。

ICMP报文可以在任何层产生并在高层终止,利用ICMP报文在层与层之间的类似于协议栈内部的“洞”来传播跨层信息。

这种层层传输的方法也不牵涉到中间层的参与。

3.2.3 WCI服务器
曾有文献提出一种基于无线信道消息（WCI）的特殊接入网络服务的方法[11]。

WCI服务器收集、提取和管理物理层和链路层的信道与链路信息。

不同的应用可以根据各自需要来访问WCI服务器，获取它们所需要的参数。

这种方法并未采用跨层设计，但是对前面两种方法的补充。

3.2.4基于信令缩减的跨层设计模型(CLASS)
从上面的讨论，可从现有的方法中看出一些缺点：
首先，信号通过协议栈传输的路径不是很有效的。

层与层之间的传输路径只跟随数据传播模式。

因此，尽管只涉及到资源层和目标层，但中间层也必须包括进去考虑。

这将导致不必要的处理开销和传递时延。

其次这种信令格式在向下和向上两方向上对于活动信号可行性不够，而且不能区别对待MH（mobile host）内部和外部的不同信令。

因此，我们提出一个有效可行，全面的方法CLASS。

其特点如下。

1）非邻接层直接信令交互
基本思想就是保持分层结构不变的情况下，打破分层的排序约束，使跨层信息在本地任意层之间进行交互。

这种方法只出现在特殊情况下，而且不是为了一般的管理功能设计的。

其概念模型如图3所示[12]。

应用层
传输层
网络层
链路层
物理层
图3 CLASS的概念模型
2）小开销的内部信息格式（在协议栈中引入本地信令机制）
对于内部消息，无需采用开销太大的标准协议。

例如：A.如果采用ICMP消息作为内部信令，除了IP包头外（IPV4为20字节），还需加上8字节的ICMP公共头。

B.CLASS采用一种缩减的消息字段来简化内部消息格式，只需要3个字段：目的地址（包括目的层及目的协议或应用）、事件类型（通过相关参数来表示）和事件内容（相关参数的取值）。

如果分别用1字节标示目的地址和事件类型，事件内容为2字节，则CLASS方法信令消息总长度为4字节；而A方法内容为2字节，包头8字节，总长度为30字节，是CLASS方式的7.5倍。

3）标准的外部信息机制
对于外部信息，当TCP/IP包头作为短期告示时，ICMP可以用来处理一般的大部分信息。

事实上，各层之间的实际交互作用是任务独立、协议明确的。

CLASS的设计是为了对于不同的应用而设想不同的服务方案。

4 跨层方案分析
4.1基于干扰、分组成功率和数据速率的路由跨层协议方案
该方案是由巴黎皮埃尔和玛丽·居里大学的研究者提出的，它引入了一种采用物理层受到的干扰、分组成功率以及原始数据传输速率为路由准则的跨层路由设计方案。

并且，该方案还提出了根据下一跳的状态优化分组成功率，从而使网络吞吐量达到最大化，即解决了网络中最大值-最小值问题：使干扰最小化，容量最大化。

首先，在跨层设计上，该方案以多跳无线网络所支持的平均业务传输容量为基础，该平均业务传输容量λ(r)可表示为λ(r)≤16AR/π△2nLr[13]。

其中，A表示网络总的面积，每一次传输的最大速率为R，n为网络中的节点总数,L是源到目的节点的平均距离，r为传输半径。

方案中还假设，在一个传输节点传输时，其半径为r的范围内不发生其他节点的传输。

显然，从该式中可以得出这样的结论：如果要增加网络吞吐量，就必须尽可能地增加传输速率R，并且尽可能地降低传输分组数据时的干扰。

也就是说，因为数据传输速率和干扰都是取决于RF(射频）发射功率的，所以功率控制是改善网络吞吐量的关键因素。

同时，由于物理层干扰和数据传输速率虽然可以用于描述链路质量，但是并不充分，所以在此基础上该方案又提出了加入一个FSR（packet success rate）判据，即路由层沿整个路径监视FSR，如果信道条件恶化，则迅速变换到另一个能够到达目的节点的路径上继续传输。

该方案综合了3种均来自物理层的路由准则来进行路由协议的设计，并可以通过网络层的需求来设置物理层的参数，如传输功率等。

虽然优化了功率控制，提高了网络吞吐量；然而具有成本较昂贵，路由算法较复杂等缺点。

另外要想在现实的网络中也能够正常运行，还需
要作进一步的改进。

4.2自适应MAC协议、IEEE802.11协议和最小跳路由
跨层设计也可能导致意想不到的负面作用。

例如，当信道质量处于良好的状态时，基于速率自适应的MAC协议的概念来说就是以高速率传输数据。

这种高速率可以通过改变调制方法得到。

但是这些方法会给上层带来不合需要的结果。

特别指出的是，大部分路由协议都有最小跳路由，当最小跳路由结合起来时，以上这些方法在性能上就要比原始系统的性能差。

其不利因素如下：最小跳路由选择稍长的距离，其信号强度就会变弱，因此从信道获得的数据率就会低。

如果用于最小跳路由协议的时候，有可能会漏出其不利的一面，这种情况的出现，也有可能是使用了其他计量方法的路由选择协议或者负荷自适应路由选择协议。

因此，在考虑跨层设计的时候需要注意。

不过，考虑与更高层的相互作用,我们使用最小跳路由选择，那么这个协议就如同目的序号距离矢量(DSDV)协议。

DSDV通过发送hello包到相邻节点以建立路由表，Hello包是一种广播包，它包含累计的路由信息(即信息是从所有其他相邻节点收集过来的)，它们的传输都是基于基本速率的，因此其辐射范围很大。

最小跳路由选择在路程上尽可能长跳，将会导致接收到的信号强度低，反过来还意味着低数据传输率，如图4所示。

图4 DSDV选择少数长跳，当使用MAC时有较低数据传输率
这时，为了提高数据传输速率，我们避开速率自适应MAC协议，使用清楚的具有高速数据传输率的IEEE 802.11协议,就可以得到更多更好的端到端的流量。

这样的话,更长的路由跳则完全不存在了，因此最小跳路由被迫使用许多短跳,以提高数据传输率,如图5所示。

图5 IEEE802.11导致高速率短跳的使用
有学者通过NS2仿真[14]来证实上述的内容。

方案1是随机安排使用速率自适应MAC协议，Tworay-Ground传播模型被用于信道，这将会导致在距离和接收到信号之间r - 4衰减，并且在
NS2 方面使用了相对简单的干扰模型。

方案1提出了这种级别为0. 28W 的固定传输功率，一个长度在0～99米接收端-传输端距离能够产生的数据率是11Mb/s ，100～198米的距离产生的数据率是5.5Mb/s ，然而如果距离在199～255米可能只有2Mb/s 的数据率。

超过了250米就不能通信了。

将一份时间均等的分配给每个数据传输率，这样一个简单的策略也可以被实现,因此最多5个包可以11Mb/s 的速率传输，3个包是5.5Mb/s ，在信道好的条件下，如果仅有一个包传输也只能有2Mb/s 的传输速率。

方案2是有着数据率为11Mb/s 的IEEE 802.11协议。

换句话说,如果接收端-传输端距离少于100米，一个包能以11Mb/s 速度传输；否则，不能进行通信。

因此,当信道不够好时，信道的充分使用不能满足更低的数据率在其传输的需要。

(1)线性拓扑——对第一个实验来说，18个节点平均等分在1500×200米的区域内成一条直线。

一条TCP 链路穿过这18个节点。

使用DSDV 路由协议，并且在路由表建立之后，一条TCP 链路就建立好并开始运作。

两个方案接收的流量如图7所示。

像预计的那样，方案2要比方案1好。

方案1的端到端平均吞吐量是226kb/s ，而方案2的是455kb/s ，没有任何自适应。

图6 比较方案1 (MAC )和方案2 ( IEEE 802. 11)的18节点线性拓扑
(2)随机拓扑——在第二个实验中，50个节点随机的位于1000×200米的矩形范围内，对于方案2的拓扑之间的连接是可以保证的(也就是当传输范围是100米以内的时候) 。

5个TCP 链路在相隔较远的节点之间开始运作。

DSDV 路由协议如以前一样，如图7所示的结果。

方案2再一次明显的优于方案1 (即没有自适应的)，方案1中总的流量是349kb/s ，而方案2是583kb/s 的流量。

因此，方案2的流量是方案1流量的1.68倍，而传输能力后者是前者的1.9倍。

4.3跨层设计现阶段的不足
通过上面对跨层设计反馈理论和实现方法的介绍我们可以发现这种设计理念的理解和实现依然存在诸多问题。

首先，跨层设计打破了传统网络分层间的独立性的同时也必然失去网络设计的规律性、结构化, 使得全网络设计和优化极其复杂。

其次，各层之间显然暂时不可能同时达到最优化，所以优化时就需要注意一个尺度, 或者为它们排出优先级。

第三，当允
20 40 0
60
100 140 120 流量
(kb/s) 接收的流量(kb/s)
时间(s) 80
许适应跨层功能时, 网络控制问题该如何解决该由谁来执行。

第四，跨层涉及到整个系统的设计，而又存在着某些为了短暂使用而设计的跨层，这使得系统将难于维护、网络难于改进。

最后，在动态优化时在网络层间传递的信息不能太复杂, 以致产生很大时延或大量优化过程的计算，但也不能太简单以致传递的信息太少。

图7 比较方案1(MAC )和方案2(IEEE 802.11)的50节点线性拓扑
5 跨层设计发展分析
分析其今后的发展方向,可归纳为如下几个方面。

1）协议栈进一步标准化。

随着人们对跨层思想的不断研究与改进，必将会形成一种新的、有利于网络进一步优化的分层机制。

2）充分利用其它层的消息，使达到单层的最优化。

各个应用层面必然按照自己的需求,在满足外部接口标准的同时, 充分利用跨层设计方法形成更个性化的跨层设计方案，优化本层功能，使现有网络实现最优。

3）在专网和局域网方面，充分利用跨层设计，使网络服务达到最优。

专网和应用范围有限的局域网不受制于全网设计可最大限度利用跨层设计, 并发挥其优势。

如在战场环境下传感器网络跨层设计方案可以解决能量节省、节点数众多等问题。

用AAL3/4适配的数据业务通过在地面部分对信元做适当的修改来支持ECTD 方案, 实现卫星下网络中星上缓存管理优化。

6 小结
本文首先描述了跨层设计的背景，并对跨层设计思想在无线Ad hoc 网络和WLAN 方面的
500 400 300 200 100 0 700 90 方案1
方案2 600 80 100 110 120 130 140 150 时间(s )
流量(kb/s ) 总流量(kb/s ),随机拓扑
应用进行了概述，接着概括了跨层信令交互及其方式，从两方面例证了现有跨层技术的好处与缺陷，从案例中，我们了解到，跨层设计目前还处于理论研究阶段尚存在许多不足。

但随着研究的不断深入解决好其中存在的问题,跨层设计必将取得丰硕的成果。

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盐城师范学院毕业论文
第11页，共11页 The Summarization of the Design of Cross-layer in Wireless Mesh Network
Qian Xinlei
[Abstract] Wireless mesh networks is a new kind of broadband wireless network, it attracts more and more peoples ’s attention.As
the characters of WMN in transmission, operation and topology, the traditional method used in the design of layered
protocol has already couldn’t promise the Qos . Cross-layer makes use of adaptive technology which can adapt the
change of channel, it satisfied both the using of wireless rescource utilization and the Qos needs of multimedia services.
The background, signalling Interactions, cases and development are included in this paper.
[Keywords ] Wireless mesh network Ad Hoc Cross-layer Adaptive protocol。