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多天线、多信道无线Mesh网络的MAC与路由协议研究
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无线Mesh网络(Wireless Mesh Networks，简称WMNs)是一种基于多跳路由、对等技术的新型无线网络结构，通常是由多个Mesh路由器节点通过无线多跳、自组织的方式相互连接而成。与传统的无线局域网络技术相比，它具有覆盖范围广、鲁棒性能好、易扩展、低成本以及管理维护方便等优点，适合用来构建大规模、高带宽的无线接入网络，为终端用户提供无所不在的宽带无线互联网接入服务。因此，无线Mesh网络从刚一出现，就立即在全世界范围内引起了学术界和工业界的广泛关注，被认为是构建下一代无线网络的关键支撑技术之一。
互联网技术的持续快速发展对无线Mesh网络的传输性能提出了严峻的考验。一方面，激增的接入用户数量以及大量高带宽应用的不断涌现都要求接入网络能够提供更大的网络带宽；另一方面，无线接入网络规模的不断扩大以及节点之间的相互干扰都会严重影响无线Mesh网络的传输性能。为了解决这个问题，人们常在路由器上配置多个天线接口、利用多个独立信道进行数据的并发传输。多天线、多信道技术的应用极大地改善了无线Mesh网络的传输性能，但同时也对原来的网络协议造成了一定的冲击，尤其是对链路层和路由层的协议。在这种情况下，本论文着眼于多天线、多信道技术所带来的挑战，并试图提出有效的解决方案。为此，本论文围绕“提高无线Mesh网络的容量”这一核心议题，从信道的分配、信道的访问控制以及路由的选择等三个方面展开研究工作。本论文的主要创新性工作具体描述如下：
1.结合无线Mesh网络的流量分布特征，提出了一种混合的单向信道分配策略—HUCAS；为了避免多信道环境下的“暴露终端”问题，本论文首次提出了基于“单向链路”模型进行信道分配的思想
通过对无线Mesh网络的流量分布特征进行分析，本论文提出了一种混合的单向单向信道分配策略—HUCAS(Hybrid Unidirectional Channel Assignment Strategy):对引起干扰比较严重的“重”负载链路采用静态的方式分配信道，并从全网范围内对这些链路的信道分配进行优化，以维持较低的整体干扰水平；而对其他“轻”负载链路则采用动态的方式临时分配信道。此外，通过定时更新链路的负载信息以适应网络的流量变化情况。为了准确描述链路之间的干扰，论文提出了一种新的干扰模型—概率模型(probabilitymodel)。
静态分配部分：在网络拓扑和链路负载情况已知的前提下，选择一个网关节点作为信道分配服务器(Channel Assignment Server，简称CAS)，从全网范围内对大负载链路的信道分配问题进行优化，以找出一个最优的信道分配方案使得全网的整体干扰最低。针对该信道分配最优化问题，本论文给出了形式化的描述，并给出了一个改进的冲突图模型-WDCG(Weighted Directed Conflict Graph)来描述网络中各个链路之间的干扰情况，从而将最优信道分配问题转化成一个色数受限的顶点染色问题。容易证明该问题是一个NP难问题；因此本文给出了一个宽度优先的顶点染色算法-BFVC(Breadth-FirstVertex Coloring)来实现信道的分配工作。
动态分配部分：对负载较小的链路，论文采用动态的方式分配信道，信道的选择由通信双方节点通过RTS/CTS握手机制协商解决，信道的选择最终由接收节点决定。
为了避免多信道环境下的“暴露终端”问题，提高信道资源的空间复用度，本论文首次提出了基于“单向链路”模型进行信道分配的思想。
2.结合前面的单向信道分配方案，提出了一种适用于多天线、多信道环境的单向MAC协议-UMMAC
UMMAC(Uludirectional Multi-radio MAC)协议对信道和天线接口的规定如下：有多个独立的信道，其中一个为控制信道，其余的为数据信道；每个节点都配置多个天线接口，其中一个固定地工作在控制信道，称作控制接口，其余接口则通过相应的算法分配到不同的数据信道用于数据的传输，称作数据接口。UMMAC协议采用CSMA/CA的方式访问信道，并利用RTS/CTS/RES/ACK/RACK来实现数据信道的选择以及冲突的避免。
为了配合前面的单向信道分配方案，需要在数据信道建立单向的无线链路，因此所有的控制报文都在控制信道中传输。为了降低控制报文的开销，避免控制信道成为MAC协议的“瓶颈”，在UMMAC协议中，每次发送一个“报文串”(Packet Train)而不是单个报文(Single Packet)。
3.针对无线Mesh网络的流量分布特征，提出一个新的路由选择参数-MIV，并在此基础上，设计了一种适用于单向链路环境、具有流量自动聚合功能的路由协议-TAR
文献[MD005]研究发现，无线Mesh网络中的“活跃链路”越密集，信道分配的效果就越差，网络中的干扰问题也就变得越严重。为了解决这个问题，论文提出了一种新的路由选择参数-MIV，并据此设计了一种适用于单向链路环境、具有流量聚合功能的路由协议-TAR(Traffic Aggregation Routing)。TAR协议能够有效地将网络流量聚合到相对“稀疏”的链路上，从而改善了信道分配的效果，降低了网络的整体干扰，从而提高了网络的容量性能。
作者：殷昭印,
关键词：无线Mesh网络, 信道分配, 介质访问控制, 概率模型, 路由协议, 多跳路由, 传输性能,
互联网技术的持续快速发展对无线Mesh网络的传输性能提出了严峻的考验。一方面，激增的接入用户数量以及大量高带宽应用的不断涌现都要求接入网络能够提供更大的网络带宽；另一方面，无线接入网络规模的不断扩大以及节点之间的相互干扰都会严重影响无线Mesh网络的传输性能。为了解决这个问题，人们常在路由器上配置多个天线接口、利用多个独立信道进行数据的并发传输。多天线、多信道技术的应用极大地改善了无线Mesh网络的传输性能，但同时也对原来的网络协议造成了一定的冲击，尤其是对链路层和路由层的协议。在这种情况下，本论文着眼于多天线、多信道技术所带来的挑战，并试图提出有效的解决方案。为此，本论文围绕“提高无线Mesh网络的容量”这一核心议题，从信道的分配、信道的访问控制以及路由的选择等三个方面展开研究工作。本论文的主要创新性工作具体描述如下：
1.结合无线Mesh网络的流量分布特征，提出了一种混合的单向信道分配策略—HUCAS；为了避免多信道环境下的“暴露终端”问题，本论文首次提出了基于“单向链路”模型进行信道分配的思想
通过对无线Mesh网络的流量分布特征进行分析，本论文提出了一种混合的单向单向信道分配策略—HUCAS(Hybrid Unidirectional Channel Assignment Strategy):对引起干扰比较严重的“重”负载链路采用静态的方式分配信道，并从全网范围内对这些链路的信道分配进行优化，以维持较低的整体干扰水平；而对其他“轻”负载链路则采用动态的方式临时分配信道。此外，通过定时更新链路的负载信息以适应网络的流量变化情况。为了准确描述链路之间的干扰，论文提出了一种新的干扰模型—概率模型(probabilitymodel)。
静态分配部分：在网络拓扑和链路负载情况已知的前提下，选择一个网关节点作为信道分配服务器(Channel Assignment Server，简称CAS)，从全网范围内对大负载链路的信道分配问题进行优化，以找出一个最优的信道分配方案使得全网的整体干扰最低。针对该信道分配最优化问题，本论文给出了形式化的描述，并给出了一个改进的冲突图模型-WDCG(Weighted Directed Conflict Graph)来描述网络中各个链路之间的干扰情况，从而将最优信道分配问题转化成一个色数受限的顶点染色问题。容易证明该问题是一个NP难问题；因此本文给出了一个宽度优先的顶点染色算法-BFVC(Breadth-FirstVertex Coloring)来实现信道的分配工作。
动态分配部分：对负载较小的链路，论文采用动态的方式分配信道，信道的选择由通信双方节点通过RTS/CTS握手机制协商解决，信道的选择最终由接收节点决定。
为了避免多信道环境下的“暴露终端”问题，提高信道资源的空间复用度，本论文首次提出了基于“单向链路”模型进行信道分配的思想。
2.结合前面的单向信道分配方案，提出了一种适用于多天线、多信道环境的单向MAC协议-UMMAC
UMMAC(Uludirectional Multi-radio MAC)协议对信道和天线接口的规定如下：有多个独立的信道，其中一个为控制信道，其余的为数据信道；每个节点都配置多个天线接口，其中一个固定地工作在控制信道，称作控制接口，其余接口则通过相应的算法分配到不同的数据信道用于数据的传输，称作数据接口。UMMAC协议采用CSMA/CA的方式访问信道，并利用RTS/CTS/RES/ACK/RACK来实现数据信道的选择以及冲突的避免。
为了配合前面的单向信道分配方案，需要在数据信道建立单向的无线链路，因此所有的控制报文都在控制信道中传输。为了降低控制报文的开销，避免控制信道成为MAC协议的“瓶颈”，在UMMAC协议中，每次发送一个“报文串”(Packet Train)而不是单个报文(Single Packet)。
3.针对无线Mesh网络的流量分布特征，提出一个新的路由选择参数-MIV，并在此基础上，设计了一种适用于单向链路环境、具有流量自动聚合功能的路由协议-TAR
文献[MD005]研究发现，无线Mesh网络中的“活跃链路”越密集，信道分配的效果就越差，网络中的干扰问题也就变得越严重。为了解决这个问题，论文提出了一种新的路由选择参数-MIV，并据此设计了一种适用于单向链路环境、具有流量聚合功能的路由协议-TAR(Traffic Aggregation Routing)。TAR协议能够有效地将网络流量聚合到相对“稀疏”的链路上，从而改善了信道分配的效果，降低了网络的整体干扰，从而提高了网络的容量性能。
作者：殷昭印,
关键词：无线Mesh网络, 信道分配, 介质访问控制, 概率模型, 路由协议, 多跳路由, 传输性能,
