无线mesh网络跨层设

无线mesh网络跨层设计IanF.Akyildiz,Fellow,IEEE,andXudongWang,Member,IEEE翻译南通大学肖锴摘要：传统的分层协议结构不能给无线mesh网络提供客观的性能。用最优化方法将堆栈协议分层，可以带来理想的网络性能。这种方法往往会形成层次分明的协议结构，这与无线mesh网络的协议结构是不同的。这种不同恰好论证了跨层设计的必要性。适用于无线mesh网络的特性也同样展示了在不同协议层之间跨层优化的必要。在本文中，首先介绍了wmn跨层设计的缘由。此外，介绍了不同协议层之间最优化跨层设计和算法的现存问题以及新成果。本文同样提出了wmn跨层设计的指南。关键字：控制，跨层设计，媒体介入，最优化分解，路由，无线Mesh网络1、绪论一个无线mesh网络（WMN）由mesh路由器和多跳无线网络mesh客户端组成。它通常连接到互联网并为用户提供回程接入。在很多应用场景中，WMN融合了Adhoc和基础设施网络以及与其他无线网络连接。WMN有很多特性与无线传感器网络和移动Adhoc网络不同。此外，它更加关注可扩展的端到端的吞吐量以及在不同信道条件下令人满意的服务质量（QoS）。正因如此，要想提高网络的整体性能，对各个协议层的优化提出更加严格的要求。分层协议设计和跨层协议设计哪个对WMN的性能最优目前还是正在研究的问题。分层设计的方法从协议透明的角度带来了优势。例如，某层上的协议可以在不与其它层冲突的情况下进行设计，加强或者更换。然而，这种方法不能在不同协议层之间提供性能最优方案，而这是提升网络性能的关键。这一点特别适用于WMN因为其需要可扩展的网络性能但是这受到诸如异构QoS约束，无线多跳通信和链路容量可变等问题的挑战。研究者建议考虑一种通过分解整体网络性能优化的新型协议分层。只要这种优化分解顺利实现，每一层上的每一个协议都可以工作在理想的模式下，从而获得最好的网络性能；结果跨层优化在协议分层中被考虑了。然而，实现最优化分解，仍然有很多问题没有解决。一个典型的例子就是缺少一个模型，可以捕捉在不同时刻诸如数据包，会话连接，拓扑结构水平等动态信息。另一方面，优化分解的协议分层不需要匹配现有的广泛适用于WMN的协议堆栈。根据优化问题的不同表示，可能会推导出不同的分解结构，这可能会导致不同的协议分层结构。然而，WMN中的协议堆栈延续了传统的TCP/IP协议堆栈。传统的TCP/IP协议堆栈与新型基于优化分解的协议分层之间的不匹配，确切的说明如果要想取得最优的网络性能跨层设计需要高度的重视。这样，有理由相信，跨层优化设计将继续成为WMN协议设计的重要任务之一。然而，跨层设计的重大问题需要认真考虑，因为这将会背负很大风险，诸如协议分层抽象损失，与现有协议不融合，与未来网络设计的未知冲突，维护和管理的难度。如此，在提出我们的跨层设计时，需要服从一个确定的指南。本文其他的内容组织如下。在第二部分分析跨层设计的必要性，针对WMN所面临的挑战在此处一并提出。在第三部分，我们研究了不同协议层的跨层设计方案和算法。本文的结论在第四部分给出，同时给出了WMN跨层设计的指南。2、跨层设计的动机跨层设计已被广泛用于提高网络性能，特别在无线网络中。在本章节，我们从两个方面说明WMN需要跨层设计：协议设计的理论框架和实际要素。A．跨层设计的理论框架1)按优化分解分层：分层的协议框架是网络取得成功的最重要因素之一。然而，目前还缺少分析按协议分层是否最佳的系统观点结论。“按优化分解分层”填补了协议设计中理论方法和实际层面间的鸿沟。通过这种方法，各种协议层被融合成一个单独的相干理论。在网络之上的异步同步计算用于解决一个形如广义网络效用最大化（NUM）的整体最优化问题。“按优化分解分层”的关键思想在于将优化问题分解为多个子问题。每个子问题对应一个协议层和原始或拉格朗日双重变量函数，协调这些子问题相当于层间接口。因为不同的分解方式会形成不同的分层计划，在此条件下的最优分层亦不损失需要加以研究,以及分层方案的灵敏度。这些条件和敏感度可以帮助鉴别不同分层计划的性能差异。基本的NUM往往作为协议层优化性能的公式表征，同时，广义的NUM需要捕捉全部的协议堆栈。一个广义NUM方程已经给出：最大值：约束条件为：此NUM试图在网络元素为j时取用户效用函数U（）和资源Vj（）的最大值。Xs和Wj分别表示资源s利用率和网络元素为j下物理层资源利用率。R为路由矩阵，x表示链路容量，功能类似于物理层资源w和解码后的期望误码率Pe。所有物理层要素，例如干扰，功率控制等等，都要用函数c表征。这样，早期NUM的第一步约束表示了路由层动作感知。编码和错误率制机制都用函数C1（）表示，同时基于竞争的MAC和基于调度的MAC分别用函数C2（）和Π来表示，F为竞争矩阵Π为可编程约束集。这样，第二行的约束条件代表已经被考虑到物理层的作用中的链路层动作。从早期广义的NUM中，我们可以看到传输层的网络性能在服从路由层，MAC层，物理层的约束时可以得到优化。上面的公式基于一个确定的流动模型，而这个模型不能捕获详细的数据包等级和微观动态排队。这样，随机NUM是个首选的方程。随机NUM已经是一个积极的研究领域，在这一领域中还有很多挑战性的问题没有得到解决。无论是确知还是随机广义NUM中的哪一个，优化分解的提出往往遵循下面三个步骤：1)广义NUM的制定不依赖于分层。2)一个遵循特殊分解的分布式模块化解决方案正在被发展用于优化。3)对不同的分解模式空间进行探索，如此就得出了分层协议堆栈的选择。在广义的NUM，目标函数由两部分组成：用户目标函数和操作者目标函数。这两部分可以融合在一起得到一个加权和。另外一个选择是多目标优化，它是在用户目标和操作者目标之间用帕雷托最优权衡建模。博弈论同样可以应用到制定NUM中。广义NUM的优化分解由水平分解和垂直分解组成。1）垂直分解：整个网络的功能是解耦成不同的模块,如拥塞控制、路由、调度、MAC、功率控制、误差控制等等。不同的模块可以分到不同层的协议栈。2）水平分解：这旨在为个体模块设计一个分布式计算解决方案。更详细的说这一步将为拥塞控制协议、调度、MAC等层设计出一个分布式原理和算法。正如[2]中所展示的，优化分解给跨层设计奠定了理论基础。1）优化分解更好洞察了现存的分层协议。例如，通过比较现存协议栈的优化结果我们可以得出那些层需要跨层优化和怎样优化层间接口。2）优化分解为优化协议结构的设计提供了系统的方法。在这个结构下，层间的优化已经被考虑，这样，跨层设计的最小作用也是需要的。然而，这样一个层次分明的协议结构往往不能与现存的协议栈匹配，例如广泛适用于WMN的TCP/IP协议栈。优化分解和现存的协议栈的不匹配表明跨层设计对于那些急于传统协议分层的网络是十分必要的。3）优化分解不会消除对跨层设计的需要。例如，垂直分解将功能分解到不同层中的不同模块。然而，分解可能还是要保持层与模块之间的耦合。这些耦合恰好证明对网络的跨层设计的本质需要。2）多次反射是优化规则：从“按优化分解分层”中独立出来，[5]中对无线多跳网络传输容量的研究也表明分层设计是最佳的。给出一个二维平面网络，两个节点的距离为ρij,如果节点i发送一个信号电平Xi(t),则接收信号等级为：这里Zi(t)代表高斯噪声，常量δ为路径损耗指数，γ为吸收常数。在[5]中，我们得到如下结论：1）指数衰减情形：假设吸收存在于介质中（γ＞0）或者路径损耗ρij大于3，传输容量，定义为距离的加权和，按Θ(n)增长。传输容量按n增长。此外，如果每个节点的发送负载可以被均衡，则多跳前向解码策略，将冲突看作噪声，就是关于传输容量的最佳准则。2）低衰减情形：如果γ=0或者路径损耗指数很小（δ＜3/2）则衰减很低。在这个情形中，其他类似带有干扰减法的连续多级中继可以根据传输容量的优化法则进行优化。这个结论暗示信息传输或许需要不同于传统分层结构的新型协议结构。在WMN中，正常的情形是指数衰减。在[3]中论述了基于多跳最优化准则前向解码策略可以得到最佳的性能（考虑网络容量为一个常数时）。在[3]中同样指出，一种实现前向解码策略的自然方法就是分层协议结构。因此，得到结论，跨层设计最多只能在恒定参数条件下提高吞吐量，而不能无线提升网络性能。然而，这样的结论在很多情形中非常有说服力，特别是我们的对协议设计感兴趣而不是制定出一个渐进分析。正如如下的解释，在[3]和[5]中的结论不能够真正的证明跨层设计是不必要的。1）理论上得出的结论仅仅是基于简单的网络模型，具有有限的意义。在现实的无线网络中，由于适当的网络规模（不是趋于无穷大）以及不理想的网络模型，渐进缩放法不能够准确的反应网络容量的真实范围。再次考虑跨层设计和分层设计它们实际的网络容量有显著的不同，即使渐进容量保持一致。2）前向解码策略不能准确的暗示出一种分层协议设计。几乎所有现存的多跳无线网络都是基于前向解码策略设计的，但是我们仍然看到很多通过跨层设计来提高网络性能的例子。例如，现有的适用于802.11WMN的协议堆栈明确的基于前向解码策略，但是同样提出了MAC层/物理层或者MAC层/路由层跨层设计来提高网络性能。B．跨层设计的特点有几个适用于WMN的特点使得跨层设计对于WMN相比于其他诸如移动Adhoc或者无线传感器网络更加不可或缺。1）没有严格分层协议结构：通过优化分解，与现有标准协议栈完全不同的新的协议机构将会得出。著名的TCP/IP协议栈已经广泛的适用于WMN的大部分应用中。这样如何制定一个由优化分解到处的分层协议结构并且与TCP/IP协议栈相互匹配是目前遇到的技术难题。很有可能因为各种原因得不到匹配。如此，为了在不放弃TCP/IP协议的情形下进一步提升网络性能，跨层设计变的不可或缺。2）先进的物理层技术：为了支持WMN中高带宽的应用，很多先进的物理层技术已经应用其中。这些技术分为几个大类。a）多速率发送技术：它是通过一个调制，编码和功率控制多选择方案得到的。不同的发送速率会导致不同的发送范围和不同的干扰范围。应用多速率发送技术，同样一个物理层根据链路质量和环境可以支持多种不同的发送速率。在单跳无线网络中，一种典型的简单跨层设计方案----链路自适应协议可以满足对最大吞吐量的需求。然而在WMN中，仅仅有链路自适应是不够的，因为多跳的链路群是相互联系的。正因如此，WMN中，链路自适应变为整个网络范围而不是一个单跳的网络。这样，链路自适应不可避免的和路由以及拓扑机构控制想关联。这种不同协议之间的跨越式关联反映了对跨层设计的需要。b）先进的天线技术：定向天线和新的智能天线可以显著的减小码间干扰。这种技术可以提升网络容量而且需要上层的附加算法来调整天线和波束的方向。在单跳无线网络中，一个位于MAC层的MAC/物理层跨层互动控制算法就足够了。然而，在WMN中，路由选择需要一起考虑，因为不同的波束或天线方向影响路由路径选择反之亦然。换句话说，路由层，MAC层和物理层都需要一起工作。一种更加先进的技术是多输入多输出（MIMO）。在一个节点使用MIMO技术，先进的信号处理技术可以用于实现链路可靠性和链路容量的最佳平衡。点到点和点到多点的MIMO设置已经被很好的研究。然而，在WMN中利用MIMO往往需要一个网络范围调度计划。c）多信道多模技术：多信道操作（无论单模还是多模）可以显著降低多跳网络中节点间的干扰。为了利用这个技术，一个额外的算法（动态信道分配）必须要在MAC层建立。这个算法同样要意识到外部网络的干扰。因为不同跳跃的变化信道潜在的影响可选择的最佳路由路径，所有MAC和路由协议必须一起工作才能利用多信道技术。需要注意的是，上述三种物理层技术往往融合在一起，这样更加增强了高层协议设计的挑战。例如，多速率发送可以发生在使用MIMO和多信道作业的物理层。对于一个拥有很多先进物理层特征的WMN，对MAC和路由选择的复优化更有挑战性。3）MAC不完善：MAC是无线网络最重要的部分。有很多可得的解决方法。然而，没有一种是完美的，因为如下两个主要因素：1）自然界中的无线介质总是不完美的2）MAC