本文是信息网络专业博士论文范文，主要研究无线Mesh网络中网络编码感知路由技术。

第一章 绪 论

1.1 研究背景

无线通信由于具有灵活、快捷、方便的特点一直是通信领域的一个重要研究方向。1968年美国夏威夷大学研制成功一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络，也是最早最基本的无线数据通信协议，取名 ALOHA[1]，解决了夏威夷各岛上的通信问题。ALOHA 网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。1972 年，美国国防部高级研究计划署 DARPA （Defense Advanced Research Project Agency）启动了分组无线网（PRNET, Packet Radio NETwork）项目[2]，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。1983 年，DARPA 启动了可存活自适应网络项目SURAN（Survivable Adaptive Network）[3]，研究如何将 PRNET 的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1994 年，DARPA 启动了全球移动信息系统 GloMo（Globle Mobile Information Systems）项目[4]，旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。1991 年 IEEE802.11 标准委员会采用了“Ad hoc 网络”[5]一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Ad hoc 网络就此诞生。因特网工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）将Ad hoc网络称为MANET（MobileAd hoc NETwork）[6]。Ad hoc 网络是一种无中心、自组织的无线多跳网络，具有组网快捷、方便的特点，受到研究领域的重视，并取得丰硕成果。20 世纪 90 年代开始，Ad hoc 网络技术逐步从军用领域向民用领域发展，众多高校和科研机构投身 Ad hoc 网络技术的研发。但是在广泛和深入的研究之后，学术界发现 Ad hoc 网络由于其应用领域和技术成本等原因，不适合直接应用到民用通信领域，无法提供成熟可靠、高带宽的无线接入服务。为此需要基于Ad hoc 网络的技术基础，开发一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术。基于此需求，无线 Mesh 网络[7][8][9]（Wireless Mesh Networks, WMNs）技术应运而生。无线 Mesh 网络又称无线网状网，G. Held[10]对无线 Mesh 网络给出了如下的定义：“无线 Mesh 网络是一种骨干节点静止的分组交换网络”。无线 Mesh 网络本质上是一种 Ad hoc网络，与 Ad hoc 网络的区别在于，其骨干节点静止，带宽和容量大，能够为用户提供稳定、高效的宽带接入服务。因此研究无线 Mesh 网络路由技术，提高无线 Mesh 网络的服务性能，对促进无线 Mesh 网络的实用，满足人们日益增长的对高性价比的无线网络服务的应用需求，具有重要的意义。

1.2 无线 Mesh 网络概述

无线 Mesh 网络[11]是一种定位于高容量、高速率的新型宽带多跳无线网络, 在部署目标、网络结构和流量特征方面与移动 Ad Hoc 网络、无线传感器网络等传统多跳无线网络相比均存在诸多差异。其骨干路由节点准静止、能量无约束等特征使无线 Mesh 网络在增加网络容量、扩大无线覆盖范围、支持多频段无线设备、提高网络可靠性和鲁棒性方面显示出很大的优势。无线 Mesh 网络部署代价小、组网方式灵活简单，被认为是无线宽带接入的有效方式，非常适合为城市、乡村、校园等不同规模和环境下的业务提供宽带无线接入，而且可以为物联网等提供高效的无线接入，因此具有广阔的应用前景。

1.2.1 无线 Mesh 网络组成

无线 Mesh 网络中，节点之间通过无线链路自组织构成无线多跳网络。网络节点依据其性能和所承担的作用。

第二章 无线 Mesh 网络路由技术研究现状

2.1 无线 Mesh 网络路由分类

目前无线 Mesh 网络的路由主要分为五类：反应式路由、先应式路由、混合式路由、机会路由和基于网络编码的路由。其中前三种路由直接由 Ad hoc 网络路由借鉴而来。后两种路由是近年来专门针对无线 Mesh 网络高带宽、无线多跳的特点而提出。图 2-1 给出了无线 Mesh 网络路由的分类示意图。本节将对前四类具有代表性的路由进行介绍，而基于网络编码的路由将在 2.3 节介绍。

2.1.1 先应式路由

DYMO 路由于 2005 年提出，被认为是一种继承自 AODV 的反应式路由。DYMO 路由的目标是设计一种中间节点开销小、实现简单的路由。DYMO 沿用了 AODV 路由中的序列号机制以避免环路和标识路由新旧程度。DYMO 也对 AODV 协议进行了一些改进。DYMO 借鉴了源路由的路径发现机制，使得中间节点在收到路由应答报文 RREP 时获取路径信息。而在发送数据的头部保存有路径信息，中间节点依据路径进行转发，也可据此路径得到路由信息。此外，DYMO 放弃了 AODV 中的局部修复机制，增加了路径收集机制。在节点转发 RREQ 和 RREP 报文时，将其地址信息添加进控制信息中。当其他节点收到这些报文，可以缓存自身没有的一些路径信息。HWMP 路由是 IEEE 802.11s 默认使用的路由协议，在 AODV 协议的基础上改进得到。HWMP 路由有两种工作模式：先应式模式和反应式模式。在先应式模式中，网络需要选举出一个节点作为根节点，并将网络拓扑转换为树状拓扑。该根节点周期性地泛洪发送路由请求消息，建立并维护从根节点到网络中其他节点的路由。当网络中任意两个节点需要通信时，则采用反应式模式。反应式路由模式中，源节点向目的节点发送 RREQ 报文，而目的节点在收到 RREQ 后向源节点泛洪 RREP 报文。源节点收到 RREP 报文后，将建立到目的节点的路由信息。

第三章 负载均衡的编码感知多径路由.......41

3.1 问题提出...... 41

3.2 相关工作...... 42

3.3 相关定义与节点结构.... 43

3.4 负载均衡编码感知路由度量 LCRM.... 44

3.5 网络编码条件.... 49

3.6 LCMR 路由描述....... 54

3.6.1 路由请求......... 55

3.6.2 路由应答......... 55

3.6.3 复杂度分析..... 57

3.7 仿真实验与分析...... 57

3.7.1 仿真参数......... 58

3.7.2 仿真结果......... 58

3.8 本章小结...... 62

第四章 QoS 保证的编码感知路由.........64

4.1 问题提出...... 64

4.2 相关工作...... 65

4.3 问题描述...... 65

4.4 节点结构...... 66

4.5 节点可用带宽计算........ 67

4.6 QoS 带宽约束的网络编码条件....... 69

4.7 跨层编码感知度量 QCRM ....... 71

4.8 QCAR 路由描述....... 72

4.9 仿真实验与分析...... 75

4.9.1 仿真参数......... 75

4.9.2 仿真结果分析....... 76

4.10 本章小结.... 79

结论

网络编码技术允许网络节点对收到的数据包进行编码操作。在无线网络环境下，利用网络编码，可以减少数据传输次数、节省带宽消耗、提高网络吞吐量。编码感知路由将网络编码技术与路由技术相结合，提高路由算法的性能。因此，开展无线 Mesh 网络编码感知路由技术的研究具有重要的理论意义和现实意义。但是当前的无线 Mesh 网络编码感知路由存在负载分配不均、不支持 QoS、多播可靠性低和重传开销大等问题。针对这些问题，本文以骨干型无线 Mesh 网络为研究对象，提出了负载均衡的编码感知多径路由、QoS 保证的编码感知路由、基于遗传算法优化的编码感知路由、混合编码感知的多播路由、基于 NS2 的编码感知路由仿真系统，并取得了以下研究成果：

提出了负载均衡的编码感知多径路由 LCMR解决当前编码感知路由容易引起流量分配不均的问题。当前已经提出的无线 Mesh 网络编码感知路由，大多单纯以增加网络编码机会，提高网络吞吐量为单一目标，容易引起路由向存在编码机会的区域汇聚，导致部分节点负载过重，引起网络负载分配不均，影响编码感知路由的性能，以及无线 Mesh 网络的可用性。在详细分析了网络编码条件下路由度量设计需求的基础上，本文提出了节点编码指示参数、干扰指数、负载指数，分别反映节点的编码机会、负载和干扰情况。基于这 3 个定义，本文设计新型跨层路由度量 LCRM。LCRM 综合考虑节点的编码机会、负载、干扰等因素，引导路由避开负载和干扰较重区域，避免负载不均的问题。在计算节点负载指数时，特别提出了网络编码条件下的节点实际队列长度计算算法，提高节点负载指数的计算准确度。

参考文献

[1] 陈林星. 移动Ad Hoc网络:自组织分组无线网络技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006:9-20.

[2] John Jubin, Janet D.Tornow. The DARPA Packet Radio Network Protocols[C]. Proceeding of the IEEE,1987,75(1):21-32.

[3] Prasant Mohapatra, Srikanth Krishnamurthy. Ad Hoc Networks: Technologies And Protocols[M]. USA:Springer Science Business Media, 2005.

[4] Barry M.Leiner, Robert J. Ruth, Ambatipudi R.Sastry. Goals and Challenges of the DARPA GlomoProgram[J]. IEEE Personal Communications, 1996,3(6):34-43.

[5] IEEE 802.11 Standards[S]. 2012 Edition.

[6] MANET Working Group[EB/OL]..

[7] 张勇,郭达. 无线网状网原理与技术[M]. 北京:电子工业出版社,2007:7-12.

[8] 方旭明. 一代无线因特网技术:无线Mesh网络[M]. 北京:人民邮电出版社,2006:3-18.

[9] Ekram Hossain, Kin K.Leung. 易燕,李强,刘波,卢兴顺,译. 无线Mesh网络架构与协议[M]. 北京:机械工业出版社, 2009.

[10] Gilbert Held. Wireless Mesh Networks[M]. Boston: Auerbach Publications, 2005.