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1、基于综合判据的无线Mesh网路由协议作者简介：沈 呈（1982），男，博士生，研究方向为移动通信与无线网络技术。联系方式：Email: snimmiey， 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划项目(90604003)、国家自然科学基金项目(60603067)、高等学校博士学科专项科研基金资助课题(20090092120029)。沈呈1,2，陆一飞1,2，夏勤1,2（1东南大学计算机网络和信息集成教育部重点实验室，江苏南京 210096；2东南大学计算机科学与工程学院，江苏南京 210096）摘 要： 为用户提供高质量，高性能的通信链路是无线Mesh网路由协议所面临的重要挑战，而当前从Ad H
2、oc网络沿袭下来的路由协议并不能够满足无线Mesh网的性能要求。本文以OLSR协议为原型，结合跨层优化理论，为基础设施架构的无线Mesh网提出了一种新颖的、基于综合判据的路由协议。该协议通过跨层操作机制综合考虑无线链接的长度及通信效率对链接性能的影响，从而达到优化路由选择的效果。仿真结果表明，所提出的路由协议能够有效地提高网络中分组的递交率，降低端到端的延时，并且能够在一定程度上达到负载均衡的路由效果。关键词： 无线Mesh网；路由协议；跨层设计；先验式路由1 引言无线Mesh网（Wireless Mesh Network，简称WMN）是一种新型的分布式宽带无线网络架构，能够实现家庭宽带个域网
3、、楼宇自动化网络、社区组网、交通医疗系统网络、校园组网、企业组网以及城域组网等多层次、大范围的无线应用。当前，国内外的许多研究机构和相关厂商都对无线Mesh网技术进行了广泛的研究，相关的标准也在积极制定中1。通常来说，无线Mesh网有三种拓扑架构，分别为基础设施/骨干WMN架构、客户端WMN架构和混合WMN架构。其中，最常见的，也是应用最多的，是基础设施/骨干WMN架构，它被广泛地应用在无线城域网的建设中，本文中所有的论述都是针对这种架构进行的。图1显示了基础设施/骨干WMN架构的无线Mesh网的组成。从图中可以看出，这种架构被分为三层，最低一层为终端用户层，各种终端用户设备，如手机、笔记本电
4、脑、PDA等通过各种标准接入技术接入到无线Mesh网；中间一层为无线Mesh层，由无线接入点（Mesh Access Point，MAP）和超网关节点（Super Gateway，SGW）组成，这些节点相互连接形成一个自组织、自配置的无线骨干网。终端用户可以通过该层接入到核心网络，也可以通过该层进行彼此间的通信。为了达到这个目标，需要为该层设计一个高效可靠的路由协议，这也正是本文所关注的问题；最上面一层是核心网络层，主要提供各种网络互联服务2。图1 基础设施/骨干WMN网络架构如前面所述，基础设施/骨干WMN架构的无线Mesh网大多被运用在社区组网、城域组网等交互性强、普适性高、性能敏感的应用
5、场合。而且随着互联网的发展，网络服务呈现多元化趋势，特别是具有实时性要求的多媒体业务，如语音、视频等近几年得到了迅猛的发展。这样复杂的应用场景和多样的业务需求也就给无线Mesh网，特别是其中无线Mesh层的路由协议设计提出了更为苛刻的性能要求3。近年来的研究表明，传统的网络分层设计方法，对于无线Mesh网这样的无线网络来说，并不是有效的设计方法。这主要是由于无线信道的开放性和信道参数的时变性使得分层设计方法无法保证网络资源的利用率和用户业务的QoS需求。而且传统的路由协议基于“最小跳数”的选路机制，存在许多不足之处，例如无法有效地控制拥塞现象、公平性很差、不能实现负载均衡等等。因此，利用跨层设
6、计的思想来实现新的路由协议，改进上述不足之处，从而进一步提高无线Mesh网的性能，是本文的主要出发点。本文结合跨层优化理论，提出了一种适用于无线Mesh环境的综合判据，并以此为基础，为无线Mesh网的无线Mesh层设计了基于综合判据的自适应路由协议IMAR（Integrated Metrics based Adaptive Routing）。论文的后续部分安排如下：第2部分讨论了相关的研究工作；第3部分给出了综合判据的定义，并且详细介绍了IMAR协议的实现；第4部分对协议进行了仿真实验及结果分析；最后部分对全文的研究工作进行了总结。2 相关工作2.1 网络层路由协议当前，无线Mesh网作为一种
7、新兴的网络技术，其路由协议的研究和设计尚未形成统一的标准，大多数现有的无线Mesh网路由协议都是从Ad Hoc网络的路由协议发展而来的。因此，和Ad Hoc类似，目前无线Mesh网的路由协议根据路由的生成时间可以分为先验式和反应式两大类，根据分组的转发机制又可以分为逐跳（hop-by-hop）和源路由两大类。在无线Mesh网的无线Mesh层中，网络节点相对固定，只有无线接入点的故障、加入和退出以及无线链路的一些不确定性会造成网络拓扑的变化，网络拓扑变化的速率要远远低于数据流的到达速率，并且无线Mesh网中的主流业务为存在一定延迟要求的Internet业务。基于这样的网络环境，Yaling Ya
8、ng等人在文献4中给出论证：先验式的逐跳路由协议最适合无线Mesh网。OLSR5（Optimized Link State Routing）就是一种典型的先验式逐跳路由协议，其融合多点转播技术6，对传统的链路状态路由协议做了两方面的改进：一是在节点构造拓扑控制分组的时候，对所包含的局部拓扑信息进行有效的压缩，可以减少传输拓扑控制分组所需的带宽开销；二是在拓扑控制分组的广播过程中采用多点转播技术来代替泛洪，能够在达到相同广播效果的同时，大大降低广播操作所造成的开销。这两点改进都旨在减少路由维护操作给网络带来的额外开销，能够在很大程度上减少路由协议所占用的网络资源。然而，OLSR路由协议在进行路由
9、选择时主要考虑“最小跳数”这个约束条件，却忽略了无线链路的可靠程度以及路径上节点的繁忙程度，这样容易导致如下的问题：（1）协议倾向于选择跳数少的路径以减少其中的转发次数，这样容易导致每跳的距离相应增大，对于无线传输来说，对端节点间的距离一定程度上决定了单跳链接的质量，过大的传输距离势必会导致无线干扰增大，数据传输率降低，所以，好的路由判据需要在跳数和每跳距离间作出权衡；（2）网络中的流量容易集中于某些链路，从而形成一些“热区”，在这些“热区”中容易出现网络拥塞，导致经过这些区域的数据包经历严重的延迟甚至被丢失，而与此同时，网络中的其它一些节点和链路可能长期处于空闲状态，这些潜在的网络资源没有得
10、到有效的利用。因此，对于无线Mesh网来说，OLSR路由协议的性能还达不到理想的要求。近几年，有不少学者对OLSR协议进行了深入的研究，并针对无线Mesh网络的特点对其进行了优化。例如：文献7提出了一种新的路由判据，叫做信号噪音比，并将其运用于OLSR协议，实验表明，和最小跳数相比，该判据能够提高无线Mesh网的整体性能；文献8设计了一种OLSR扩展路由协议，其中包含了一套节点信誉管理框架，协议采用节点信誉作为路由判据，能够缩短网络中的端到端延时；文献9对OLSR协议进行了改进，使其支持多信道多收发器配置，并在路由选择过程中融入了对路径质量的考量，从而提高了协议的综合性能和可扩展性。上述的这些
11、OLSR改进方案，大多已经跳出了以最小跳数作为路由判据的传统套路，且或多或少地引入了跨层设计的思想，但是也存在着一些不足之处，例如：路径的评判标准相对单一；没有考虑节点处理能力对路径质量的影响；缺乏对网络负载平衡特性的关注等。因此，针对这些不足之处进行改进，从而进一步提高无线Mesh网路由协议的性能，成为下一步研究的一种可行思路。2.2 跨层优化设计网络协议跨层设计的核心思想在于：维持层间分离准则的同时，放松对分层结构的严格要求，允许不同层的算法共享网络的状态信息，这样有利于层内和层间操作的优化，从而使得网络的整体性能，如运行效率、资源利用、QoS保证、安全协作和能量管理等，有较大程度的促进（
12、如图2（a）所示）。 (a) 网络协议的跨层设计 (b) IMAR协议中的跨层设计图2 跨层设计示意图至于跨层设计思想在网络层路由协议中的应用，主要体现在网络层与数据链路层之间的跨层设计上，映射到实际应用中，这种跨层设计又直接反映到跨层路由判据的设计上来。如前面所述，在无线Mesh网中，采用传统的“最小跳数”作为路由判据，不足以达到良好的路由效果，即网络吞吐量、端到端延时和可靠性等性能指标达不到理想的要求。原因在于“最小跳数”路由判据没有考虑到物理层无线信道参数的变化对MAC层接入性能的影响，造成所选路径无法适应链路质量和节点状态的变化，从而导致路由性能的衰减。而融合了跨层设计的路由判据，由于
13、其收集了低层的链路质量信息来作为路由决策时的依据，所以和“最小跳数”相比，有较为明显的性能优势。例如：文献10利用IEEE802.11的自适应速率切换机制，节点建立路由时以物理层的数据传输速率作为判据，从而建立高速率、低延时的路由；文献11通过减少干扰来找到高吞吐量的路径，并通过最优化传输功率的方法增加路径的可靠性；文献12，13综合考虑节点的剩余带宽，当前负载，以及缓冲队列饱和度等因素，对无线Mesh网络中的反应式路由协议进行优化，从而提高网络的吞吐率和负载均衡能力；文献14将跨层设计的思想扩展到多信道无线Mesh网络中。以上的方法有一个共同特点：它们在进行跨层设计时，都是从“节点”的角度出
14、发，对单个节点的性能指标进行衡量和优化。但是，在实际的数据传输过程中，单跳传输的质量和性能是由发送方和接收方两者共同决定的，因此，从“链接”的角度来优化跨层设计，是一个值得探索的研究方向。3 基于综合判据的自适应路由协议IMAR如前面所述，OLSR协议具有较高的运算效率，但是路由判据先天的不足使得其无法满足无线Mesh网的性能需求，而跨层优化机制在改进算法机理，提高协议性能方面有着显著的效果。因此，本文基于OLSR协议的优点，融合跨层设计思想，为无线Mesh网的无线Mesh层提出了一种易于实现、性能优良并能够动态处理网络变化的基于综合判据的自适应路由协议IMAR。首先给出网络模型：考虑一个由N
15、个无线接入点组成的无线Mesh层，在这里，为了简化模型，讨论路由问题时，将超网关节点（SGW）当作普通的无线接入点来对待，忽略其网关作用。同时，在路由计算过程中，只考虑具有双向性的无线链接，忽略其它不对称的单向链接。对应到图论中，该无线Mesh层可以用二维平面内的无向图G（V，E）来表示，其中V为图中的顶点集合，vV表示网络中的一个无线接入点，E为图中边的集合，eE表示网络中v和v之间的一条无线链接。我们假设网络中的无线接入点均是同构的，对于每个无线接入点都增加了两个跨层模块，如图2（b）所示。参数采集模块负责在数据链路层上收集无线接入点的状态信息，例如负载情况等。参数调用模块负责为网络层路由
16、协议提供各种统计信息的数据接口。3.1 综合判据从节点层面来看，无线接入点的负载情况反映了其当前的繁忙程度，网络流量应该尽量选择相对空闲的无线接入点，从而避免出现网络拥塞；从链接层面来看，对端无线接入点之间的距离决定了通信链接的质量，距离过大会加剧链接上的信道干扰并导致较低的数据传输率，另一方面，对端无线接入点都相对空闲的通信链接将会拥有较高的传输保障，从而表现出更高的通信效率。因此，无线Mesh网路由协议应该采纳自适应负载均衡设计，尽量选择对端无线接入点距离近且相对空闲的通信链接组成路由。IMAR路由协议中提出了一种描述无线接入点v和v之间通信链接性能优劣的综合判据，其值越小，表示链接的综合
17、性能越好。给出启发式的定义，如公式（1）所示： （1）其中，、为预设的指数，表示v和v之间的距离，和分别表示v和v的空闲度，其反映了无线接入点当前的繁忙程度，它的启发式定义借鉴了文献15中对于节点空闲度的定义，如公式（2）所示： = （2）其中，称为无线接入点的发送率（Transmission Rate），代表无线接入点MAC层数据帧的发送速率；称为无线接入点的接收率（Receiving Rate），代表无线接入点MAC层数据帧的接收速率。由于接收是发送的前提，所以在公式（2）中赋予更高的阶数以体现这种主导作用。在算法中，这两个参数是通过跨层操作机制获得的，每隔T秒的采样时间，协议计算无线接入
18、点发送和接收数据帧的速率。在我们的工作中，T被设置为6s。在实际的应用场景中，可以使用指数加权移动平均法对和进行平滑处理，如公式（3）和（4）所示： （3） （4）为了更好地反映无线接入点的当前状态，上式中的设置为0.3，从而给当前的采样值更高的权重。由公式（1）可知，综合判据由和两部分组成，前者间接反映了链接上的通信干扰及数据传输率，后者表述了无线接入点之间链接的通信效率。在本文中，当一条链接的两端无线接入点的空闲度处于较高或平衡的状态时，我们认为这两个无线接入点当前的处理能力都较强或者至少相互匹配，这样的链接拥有较高的传输保障，从而表现出较高的通信效率。反之，如果链接两端无线接入点的空闲度
19、差异过大，由于传输质量由发送方和接收方共同决定，所以空闲度大的节点会被空闲度小的节点所拖累，导致资源的浪费，链接的通信效率降低。从下面定理1的证明可知表达式确实能够用来表示本文所定义的链接通信效率。定理1当一条链接的两端无线接入点的空闲度处于较高或平衡的状态时，的值较大。证明：假设网络中存在两条链接分别为（v，v）和（v，v），分别比较以下两种情况下两条链接所对应的取值，分别用和表示：(a) 当且时，令。在此前提下，也即。将无线接入点对的空闲度乘积视为新的参数，显然有，此时，可以表示为函数，由于其一阶导数在定义域内取正值，所以呈单调递增，由此可知必有。这说明：当链接两端的无线接入点空闲度的平衡
20、状态（这里体现为两者的差值）一定时，空闲度较高的链接对应的值较大。(b) 当且时，令。与（a）部分类似，可以得到。同样，将无线接入点对的空闲度乘积视为新的参数，此时，可以表示为函数，由其一阶导数可知 在区间呈单调递增，因此有。这说明：当链接两端的无线接入点空闲度的高低水平（这里体现为两者之和）一定时，空闲度较为平衡的链接对应的值较大。综合上述（a）、（b）两种情况可知：当一条链接的两端无线接入点的空闲度处于较高或平衡的状态时，其所对应的的值较大。定理1得证。对于图G（V，E）中的任何一条路径，定义该路径的判据值为路径上所有链接的判据值之和，如公式（5）所示： （5）我们的路由选择机制可以描述为
21、：对于给定的源节点S和目的节点D，有一个所有可能的路由组成的集合R，如果R，我们选择满足的路由r作为S到D的路由。3.2 IMAR协议实现描述IMAR协议采用完全分布式的操作模式，无线Mesh层中的每个无线接入点通过分布式的协作机制实现与其它无线接入点的信息交互，然后利用这些信息独立地进行路由路径的计算。图3显示了单个无线接入点上IMAR路由协议的大致执行过程。图3 单个无线接入点上IMAR路由协议的执行示意图从图中可以看出，每个无线接入点产生两种输出，用于和网络中的其它无线接入点进行必要的信息交互：1) HELLO分组：包含了该无线接入点当前所知道的所有一跳邻居的信息，另外，HELLO分组中
22、还记录了该无线接入点当前的空闲度（通过跨层操作得到）。2) 拓扑控制分组（Topology Control，简称TC）：包含了该无线接入点当前的MPR Selector（Multipoint Relay Selector6）集合的信息，并且，对于该集合中的每个MPR Selector节点，TC都记载了当前无线接入点与该MPR Selector节点之间的链接的综合判据权值。相应的，每个无线接入点也会接收到周围一跳邻居发送的HELLO分组和网络中其它无线接入点广播的拓扑控制分组作为输入。同时，每个无线接入点上还保存了四张表，用于在协议执行过程中保存网络中的相关信息：1) 邻居表：保存了该无线接入点
23、周围两跳链接范围内的邻居节点信息，此信息是通过与周围一跳邻居节点交互HELLO分组得到的。2) MS（Multipoint relay Selector）表：保存了该无线接入点当前所有的MPR Selector节点的信息。此信息是通过对接收到的HELLO分组进行分析得到的。3) 拓扑表：保存了网络中所有无线接入点的MPR Selector集合信息，这些信息组成了一个经过压缩的全局子网拓扑，是实际全局子网拓扑的一个重要框架，此信息是通过对接收到的拓扑控制分组进行分析得到的。4) 路由表：保存了协议计算所得到的到达网络中任意目标无线接入点的下一跳路由信息。如图3所示，整个IMAR路由协议的执行过程
24、大致可以分为邻居发现、MPR选择、MPR信息分发和路由计算四个子操作，下面就分别针对这四个子操作进行描述。3.2.1 邻居发现邻居发现子操作如图3中标有记号1的箭头所示，每个无线接入点定期根据当前的邻居表构造并广播一个HELLO分组（其中也包含了当前自身的空闲度），处在发送节点无线电范围内的邻居节点可以接收到此HELLO分组，但不再对其进行继续转发。相应的，经过上面的HELLO分组发布过程，每个无线接入点都能够接收到周围一跳邻居节点发送的HELLO分组，通过对这些分组进行综合分析，该无线接入点不断地对自己的邻居表进行更新调整，更新调整后的邻居表又作为下一轮将要发布的HELLO分组的基础。这样可
25、以形成一个持续的邻居信息更新和发布过程，使得无线接入点上的邻居表保持最新。与此同时，每个无线接入点接收到其周围一跳邻居节点发送的HELLO分组时，都会获得该邻居节点当前的空闲度，这样，结合自身的空闲度就可以计算出两无线接入点之间的链接的综合判据权值，并将此信息保存在邻居表相应的表项内。3.2.2 MPR选择MPR选择子操作如图3中标有记号2的箭头所示，其本质是对多点转播机制提供结构上的支持，具体操作为：网络中的每个无线接入点根据自身的邻居表信息，从其一跳邻居节点中选择一组无线接入点作为它的MPR，只有这组MPR节点对该无线接入点传输过来的广播分组进行转发，其它的邻居节点只对广播分组所包含的内容
26、进行读取和处理，而不再对其做进一步的转发操作。当然，为了保证多点转播机制的完备性，MPR节点的选择必须满足下面的条件：一个无线接入点的所有MPR节点所组成的MPR集合必须能够覆盖（无线电传输范围）该无线接入点的所有两跳邻居节点，也就是说该无线接入点的MPR集合和它的每个两跳邻居节点之间都必须存在双向链接，当然，所选择的MPR集合越小，多点转播的优化效果越明显。下面的图4显示了网络中无线接入点N的一种可能的MPR选择结果。图4 MPR选择示例传统的MPR选择机制通常采用基于贪婪策略的启发式算法6，这样的算法存在以下的问题：1.算法中没有考虑链接性能的优劣；2.为了得到较小的MPR集合，算法优先选
27、择邻居节点多的一跳邻居节点作为MPR，但这样操作容易导致流量的集中从而引起网络拥塞等问题。针对上述问题，本文提出了一种新的MPR选择策略，在进行MPR选择时，综合考虑所选无线接入点与原点（进行MPR选择操作的无线接入点）之间链接的综合判据权值，以及该无线接入点对于两跳邻居集合（操作过程中，可能是两跳邻居集合的子集）的连通度。假设原点为，对于一个特定的两跳邻居集合的子集，定义一跳邻居节点的优先选择因子如公式（6）所示： （6）其中，表示对于集合的连通度，也就是中与存在双向链接的无线接入点的个数，表示无线接入点和之间链接的综合判据权值。按公式（6）计算所得的值越大，无线接入点越是优先考虑。MPR选
28、择算法的伪代码表示如下：MPR选择算法：MPR_selection（n，N1，N2）输入：n：任意无线接入点；N1：n的一跳邻居节点的集合，它们与n之间存在双向链接；N2：n的两跳邻居节点的集合，它们与N1中的无线接入点存在双向链接，且N2不包含N1中的无线接入点。输出：无线接入点n的MPR集合1 Begin2 MPR初始化为空3 如果N1中存在这样的节点a：它是N2中某个节点的唯一一跳邻居，将a加入 MPR4 从N1中删除a，从N2中删除与a存在双向链接的所有两跳邻居节点5 while N2非空6 从N1中选择节点b，满足：对于当前的N2来说，b的优先选择因子最大，将b加入MPR7 从N1中
29、删除b，从N2中删除与b存在双向链接的所有两跳邻居节点8 End实际上，上一小节的邻居发现子操作还有一个重要的附带功能，那就是实现了MPR节点的指派。基于邻居表中的邻居拓扑信息，无线接入点进行了MPR集合的选择，选择的结果又将作用于邻居表上，相应的链接将被标记为MPR，并且这种选择结果会随着下一轮发送的HELLO分组传播出去。所以每个无线接入点只需要对接收到的HELLO分组进行分析，就可以获知哪些邻居节点选择了自己作为它的MPR节点，并将这些信息保存在MS表中。这里需要注意的是：MS表的每个表项中也记录了与之对应的链接的综合判据权值。3.2.3 MPR信息分发MPR信息分发子操作如图3中标有记
30、号3的箭头所示。经过邻居发现和MPR选择两步操作，无线接入点的MS表中保存了当前最新的MPR Selector集合信息，可以认为这个集合是该无线接入点周围局部拓扑信息的一个经过压缩的子集。无线接入点定期地根据MS表中的这些信息构造一个拓扑控制分组，并利用多点转播机制在全网中进行广播以确保网络中的每个无线接入点都能够接收到一个副本。每当网络中的无线接入点接收到其它无线接入点发送的拓扑控制分组，它就根据分组中包含的信息对拓扑表进行更新，并依据自身的MS表决定是否对其进行进一步的转发。这里需要说明的是：由于拓扑控制分组中记载了链接的综合判据信息，所以拓扑表的每个表项中也记录了与之对应的链接的综合判据
31、权值。3.2.4 路由计算路由计算子操作如图3中标有记号4的箭头所示。经过前面三步子操作，网络中的每个无线接入点上都保存了对自己来说最新的邻居表和拓扑表，其中，邻居表保存了该无线接入点周围详尽的局部拓扑，拓扑表保存了网络中精简的全局拓扑，而且，这两个表中也都记录了相应链接的综合判据信息。无线接入点定期根据这两个表中的拓扑信息，以链接的综合判据作为路由的选择标准，利用Dijkstra算法计算出路由路径，并将这些路由信息保存在路由表中。3.2.5 路由减震机制IMAR协议采用综合判据作为路由选择的标准，而众所周知，这类对网络负载敏感的路由判据容易导致路由表的不稳定，即所谓的路由震荡问题。为此，需要
32、在IMAR协议中引入路由减震机制，这样可以在充分利用网络资源的同时，从很大程度上消除负载敏感的路由判据所带来的这种副作用。本文中的路由减震机制分为两个层面，第一个层面如公式（3）和（4）所示，在计算无线接入点的空闲度时，使用指数加权移动平均法对和进行了平滑处理，这样可以消除网络中流量的突发性和偶然性，缓和了链接的综合判据权值变化的灵敏度，从而在一定程度上削弱负载敏感的路由判据所容易导致的路由震荡现象；至于第二个层面，我们对无线接入点上的拓扑表的更新操作进行控制。每当无线接入点接收到网络中的其它无线接入点发送的拓扑控制分组，它就根据分组中包含的信息对拓扑表进行更新（包括了链接的综合判据权值的更新
33、），在这里，我们规定：对于拓扑表中的某条链接，只有当此链接当前的综合判据权值较原先的综合判据权值的变化超过一个预先设置的阈值，才对此链接的综合判据权值进行更新，否则，保持原先的值不变。这样的更新机制，使得网络中微小的负载变化所带来的影响被限制在节点周围的局部范围内，而只有当负载的变化达到一定程度时，这种影响才会在全网范围中体现出来，从而进一步缓和了负载敏感的路由判据所容易导致的路由震荡现象。3.3 IMAR协议性质分析Sobrinho在文献16，17中给出证明：路由判据的可加性是Dijkstra算法能够成功执行的充要条件。IMAR是基于Dijkstra算法的路由协议，所以，为了确保IMAR协议
34、的可行性，需要证明综合判据满足可加性。性质1 综合判据满足可加性，也即路由判据IM满足：对于网络中任意合适的路径、和，如果成立，则可以推出和同时成立，其中表示路径和路径按序串联所形成的新路径，其它同理。证明：假设路径和路径满足：，则显然可得： （7）而由公式（5）的定义，可知：路径的综合判据权值为路径上所有的链接的综合判据权值之和，进而可得： （8） （9）将(8)、(9)两式代入(7)式，可得： （10）同理可证： （11）综上所述可知，综合判据满足：如果成立，则和同时成立，所以综合判据满足可加性。性质1得证。性质2 IMAR路由协议所选择的路由路径是无环的。证明：Sobrinho在文献16
35、中给出证明：如果路由判据M和采用Dijkstra算法的逐跳路由协议结合使用，则M满足可加性是该路由协议满足无环性的充要条件。而由性质1可知，综合判据满足可加性，且IMAR为采用Dijkstra算法的逐跳路由协议，所以IMAR路由协议所选择的路由路径是无环的。性质2得证。同时，为了证明IMAR协议的优越性，我们针对分组成功递交率和端到端平均延时两个指标对IMAR协议的性能进行分析。对于分组成功递交率PDR，它的定义为单位时间内网络中接收端成功接收的数据分组数量与发送端发送的数据分组总量的比值，即： （12）其中表示节点数据发送的平均速率，表示节点数据分组发送的平均成功率。在无线网络中，有两个因素
36、可能会造成数据分组的丢失，分别为无线链路的不可靠性和网络拥塞。由于IMAR协议采用了启发式的路由选择机制，综合考虑节点空闲度和链接长度对路由质量的影响，尽量选择对端无线接入点距离近且相对空闲的通信链接来组成路由。从而使得选择的路由能够尽量避开繁忙的节点和传输质量差，对周围网络干扰大的无线链接。前者使得数据包可以自动绕开网络中的热点区域，从而减少网络拥塞的发生概率，后者使得数据分组途经的无线链接具有较高的可靠性。所以，综上所述，IMAR协议能够有效降低分组传输的丢包率，从而使得式（12）中增大，进而网络总的分组成功递交率也随之增大。对于端到端的平均延时D，它的定义为数据分组在中间节点接口队列中的
37、等待延时、节点处理延时以及网络传输延时等所有可能延时之和，即： （13）其中表示观测时间内网络中成功发送的数据分组的数量，表示第个数据分组所经过的路径，表示分组在路径中节点上所停留的时间，包括等待延时和处理延时等，表示分组在路径中链接上的传输延时。由前面的分析可知，IMAR协议选择的路由能够尽量避开繁忙的节点和传输质量差，对周围网络干扰大的无线连接。前者可以减小分组在中间节点队列中的等待延时及处理延时（由于网络的不确定性，这里指的是平均效果），即减小，后者可以减小链接的传输延时（平均效果），即减小。所以，综上所述，IMAR协议能够降低端到端的平均延时。4 协议仿真与性能分析为了评价和分析本文所
38、提出的IMAR路由协议的性能，我们利用Network Simulator 2（version 2.29）对IMAR协议进行了取值仿真实验和性能仿真实验。在性能仿真实验中，我们将IMAR协议与OLSR协议，以及文献13所提出的MODVWLS（Mesh On-demand Distance Vector based on Weighted Link State）协议在分组成功递交率、端到端平均延时和标准化路由负载三个方面进行了性能比较。4.1 仿真场景描述图5 仿真拓扑测试采用的仿真拓扑如图5所示，为一个77的网格，共有49个网络节点，其中节点n、n、n和n为超网关节点，而其它的节点均为无线接入点
39、，图中的所有节点都是静止的，这也和无线Mesh层拓扑相对静态的基本特征相吻合。仿真中节点的传输范围为250m，干扰范围为550m，相邻节点之间的距离为170m（如图中n和n之间的距离为170m，这样，对角线的节点，如n和n正好处在相互的无线电传输范围内），无线链路带宽为2Mbps，节点缓冲区最多可容纳64个数据包，每个数据包的最大缓冲周期为30s，在缓冲队列中滞留30s以上的数据包将被自动丢弃。另一方面，为了模拟无线Mesh网络中偶尔出现的拓扑变化，测试中，向网络中加入了3个移动的无线接入点（图5中没有画出）。这3个节点采用Random Waypoint运动模型，最大运动速度为20m/s，停留
40、时间为20s，运动范围为1000m1000m。基于上述仿真场景，我们对IMAR协议进行了取值仿真实验和性能仿真实验。取值仿真实验的目的是为了获得综合判据定义中预设指数、的最佳取值。在取值仿真实验结果的基础上，我们分别针对无线Mesh网络中的两种业务模式进行了性能仿真实验。实验中，随机产生一定数量的CBR数据流，数据包大小为512字节，发送强度从2packet/s一直增长到28packet/s，将数据包的发送强度作为衡量网络负载的参数，以此来测试不同的网络负载情况下协议的性能。4.2 取值仿真实验本实验观察综合判据定义中的预设指数、的取值对IMAR协议性能的影响。实验中，随机产生14条CBR的数
41、据流，数据包大小为512字节，发送强度取平均值14packet/s。对（，）进行多次取值并通过仿真获取网络的分组成功递交率和端到端平均延时，用IMAR（，）来标识不同取值时的性能曲线，性能曲线的变化如图6和图7 所示。图7 (,)不同取值时端到端平均延时的变化曲线图6 (,)不同取值时分组成功递交率的变化曲线从图6可以看出，当或取值为0，即仅考虑链接长度或链接通信效率中的单一因素时，IMAR协议的分组成功递交率相对较差。而当综合考虑链接长度和链接通信效率时，确定=2，随着增大，IMAR协议的分组成功递交率呈现先升后降的趋势，在=0.22附近分组成功递交率达到最大值。同理，从图7中可以得出类似结
42、论：当=2，=0.24时，IMAR协议的端到端平均延时达到最优。所以，综合上述结果，以下实验均使用（2，0.23）作为（，）的取值。4.3 性能仿真实验4.3.1 Internet业务模式对于Internet业务模式，仿真实验在该网络中随机生成12条指向超网关节点的CBR数据流，数据包大小为512字节，改变数据流的发送速率，从2packet/s一直增长到28packet/s，将数据包的发送强度作为衡量网络负载的参数，分析上述三个性能指标随网络负载的变化情况，仿真时间为400s。实验结果如图8图10所示。图9 端到端平均延时对比（Internet业务模式）图8 分组成功递交率对比（Interne
43、t业务模式）图11 分组成功递交率对比（互访业务模式）图10 标准化路由负载对比（Internet业务模式）图13 标准化路由负载对比（互访业务模式）图12 端到端平均延时对比（互访业务模式）从图8和图9中可以看出，随着数据流的发送强度加大，也即网络的负载增加，IMAR、 OLSR和MODVWLS的分组成功递交率降低，端到端平均延时增大。这是由于网络负载的增加使得数据包在节点缓冲队列中的等待延时变大，同时，信道上的无线干扰和冲突也相应加剧，导致丢包率增大。从图中还可以看出，在不同的网络负载情况下，三者的分组成功递交率关系为：IMARMODVWLSOLSR，而端到端平均延时关系为：IMARMOD
44、VWLS22 packet/s），其标准化路由负载超过了IMAR和OLSR。4.3.2互访业务模式对于互访业务模式，仿真实验在该网络中随机生成16条CBR的数据流，数据包大小为512字节，改变数据流的发送速率，从2packet/s一直增长到28packet/s，同样，将数据包的发送强度作为衡量网络负载的参数，分析上述三个性能指标随网络负载的变化情况，仿真时间为400s。实验结果如上面的图11图13所示。从图中可以看出，互访业务模式下的仿真结果和Internet业务模式下的仿真结果一致，在网络负载较重时，IMAR的分组成功递交率和端到端平均延时两个性能指标较OLSR和MODVWLS有较大幅度的提升。5 结论本文在OLSR路由协议的基础上，结合跨层优化理论，为基础设施/骨干WMN架构的无线Mesh网设计了一种易于实现、性能优良并能够动态处理网络变化的基于综合判据的自适应路由协议IMAR。该协议在路由计算过程中通过跨层操作机制综合考虑了无线链接的长度及通信效率对链接性能的影响，从而优化了路由选择的效果。仿真实验的结果也验证了IMAR对网络性能确实有较大幅度的提升，能有效地增加网络中分组的递交率，降低端到端的平均延时，同时也具备了更好的容错能力以及对网络冲突的适应能力，能够从一定程度上达到负载均衡的路由效果。我们下一步
