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无线网状网络的速率限制机制

什维塔德赛* 1，马诺·查拉2
  1. CSE, VTU/CMRIT/班加罗尔，卡纳塔克邦，印度
  2. CSE, VTU/CMRIT/班加罗尔，卡纳塔克邦，印度(电子邮件保护)
通讯作者:什维塔德赛,电子邮件:(电子邮件保护)
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

在基于IEEE 802.11的网状网络中，节点间的吞吐量分配不公平。来自直接与网关通信的节点的流量获得的吞吐量高于其他所有流量。单跳节点充分利用gatewayâ的资源，因此所有与同一网关通信的其他节点获得的吞吐量非常小。在本文中，我们证明了仅仅限制单跳节点的速率来给所有其他节点提供传输机会是不够的。如果我们只是限制单跳节点的速率，它就不能扩展到更大的网络，并且在分配带宽时没有考虑负载。目前的速率限制机制也仅限于单个基于无线电的节点，我们的方法也适用于多个基于无线电的无线节点。本文采用基于频率的分配和基于需求的分配两种算法来消除偏差。此外，我们使用模拟来评估所提出的速率限制机制。

关键字
近年来，基于802.11的Mesh网络已经成为一种成功的体系结构，可以在各种不同的环境中提供经济有效、快速部署的网络访问。无线网状网络(WMN)是由以网状拓扑结构组织的无线电节点组成的通信网络。无线网状网络可以由网状客户端、网状路由器和网关[1]组成。无线网状网络是一种特殊类型的无线自组织网络。网状路由器是可移动的，它们可以根据网络[10]中出现的特定需求进行移动。与网络中的其他节点相比，网状路由器通常可以访问无限的资源，因此可以期望执行更多的资源密集型功能[2]。在802.11中，这些分布式网格节点争夺无线介质的访问权。这种对介质访问的争夺在网络中产生了结构上的不对称。来自多跳流的数据必须在每个中间跳争夺介质，与来自网关附近的流的数据相比。靠近网关节点的数据优先级高于其他节点的数据。 This means that current WMNs based on the IEEE 802.11 MAC and standard network-layer protocols cannot provide fairness to each node in the network.[4] In particular, it has been demonstrated that nodes close to the gateway can starve those that are more hops away[3]. A number of studies have described the uneven distribution of bandwidth among flows in multi-hop wireless networks [6, 7, 8].
虽然已经有大量研究解决单跳内的公平性问题，但很少有研究解决多跳无线网络中的公平性问题。已经证明，通过知道每个节点可以接收的公平共享带宽，并将节点限制在该速率[5]，可以实现网络层公平。然而，虽然这种方法是可能的，但它需要修改所有的网状路由器来操作相关的源速率限制协议。本文提出了一种消除无线网状网络中偏差的速率限制机制。这里的速率限制机制考虑了网络负载。它首先找出网络的拓扑结构。它根据我们的基于频率的分配方案，从一个可用频率范围内为所有节点分配一个频率。
其次，它等待数据请求。它根据之前分配的频率转发数据请求。现在它用来衡量网络的性能。网络会显示出一些偏见。有些节点有很多数据请求，有些则较少。一些节点请求更大的数据。因此，根据不同的请求，而不是像许多算法那样将数据转发到最近的路由器，这里实现了基于需求的分配方案。最后对网络性能进行了测试，并通过图表证明该网络性能优于先前的偏置分配方案。本文的其余部分组织如下。接下来我们将看到网络模型，在下一节中我们将回顾相关工作。 After that we propose our rate limiting mechanism. Next, we evaluate the performance of the proposed scheme through graphs. Finally we conclude the paper.

网络模型
在我们的论文中，我们考虑了非移动和多跳的无线网络。无线路由器在网关节点之间转发流量。网状网络的物理拓扑不需要显示任何特定的结构。转发拓扑结构是一组树的结构，树的根是网关节点。因此，我们考虑具有无约束物理拓扑的网络，其中每个网关嵌入N≥1次和D≥2深度的转发树。我们特别关注单网关网格，其中路由协议建立了一组转发链路，产生树状结构。需要注意的是，由于网关容量为几十Mbps量级，由于802.11的最大传输速率，D的典型值为2 ~ 3,N≤10，以保证每个节点有足够的资源。
对于特定的树，除了网关节点之外的网格节点可以分为两组:一组是直接连接到网关的N个节点，另一组是剩余的不直接连接的节点R。图1描述了数据转发树网络拓扑结构的示例。我们考虑配备了多个无线电的无线节点。两个集合N和R中的节点通过共享的无线接口竞争网关访问。我们可以在逻辑上将网络分解为无线收发器组，无线路由器具有相同的频率，其余所有节点都独立频率。我们假设网格内不允许点对点通信，即所有非网关节点只能与网关或远程Internet节点打开。由于我们只对起源于网状网络的那些性能因素感兴趣，所以我们不考虑网关和任何其他远程Internet节点之间的连接路径的影响。因此，为了简单起见，我们将所有下游流建模为起源于网关，所有上游流建模为终止于网关节点。然而，在本文的其余部分，我们只关注上游流的性能。这个假设的动机是，先前的工作已经表明，UDP情况下不会出现下行流量损害，TCP在上游和下游[2]中执行非常相似。
图像
图1。网络模型。

相关工作
GAP框架基于两个基本理念。首先，它们让空间优势节点集中的所有节点都同意，它们本地生成的流量(不包括转发流量)的合并网关通话时间利用率被限制在特定的阈值，而不是整个网关通话时间。因此，处于空间劣势的节点的流量总是可以使用剩余的网关通话时间来成功地进行数据传输(无论是从M中的两跳节点到S中的节点，还是S中的节点将多跳数据包转发到网关)。由于S中的所有节点都知道它们的流量不应该超过预定义的阈值，因此S中的节点将多余的网关通信时间利用率解释为仅由于多跳流量[9]的传输。因此，S中的节点需要的唯一信息是网关airtime利用率是否超过阈值。此信息可能被编码到1位消息中，当超过流量阈值时，该消息为高消息，否则为低消息。该消息可以从网关发送到S中的所有节点，例如，通过在802.11 ACK的帧控制字段中将比特编码为当前未使用的子类型值，或者通过在网关定期传输的信标中包含流量指示字段，或者也可以通过允许网关传输新定义的流量指示的新型管理帧。另一种获得网关通话时间使用相同信息的方法可能包括让单跳节点通过偷听网关的ack来估计网关活动。这种方法原则上在单跳节点上是可行的，但由于帧碰撞和解码某些ack失败而特别容易产生估计错误，例如，由于信噪比的变化，并非所有单跳节点都能够解码网关以最高调制速率传输的ack。每个单跳节点都有一个网关利用率指标IU，如果有多跳流量预留的带宽被占用，IU的二进制值为高。
他们定义了劣势流信令带宽，BD = γ u， γ << 1，作为系统资源的一小部分，s中的节点协作同意不将其本地生成的流量传输到网关。相反，该带宽将专门由一组空间不利的流使用。任何发源于M中的节点的流都将使用该带宽传输数据，从而表示其当前的需求在可能的情况下希望将更多带宽传输给空间优势的节点集S。因此，分布式单跳代理控制器将使S中的所有节点协作调整其速率以实现速率控制目标。GAP框架的第二部分是防止在空间上处于不利地位的流在积压的情况下滥用BD以获得超过其最低保证费率的费用。事实上，如果他们允许单跳节点无限制地降低他们的速率，只要BD部分被充分利用，积压的多跳节点可以使用BD独占系统的资源，而不管系统的近似优先级行为。因此，他们将GAP设计为如果S中的节点的网关利用率没有超过最小保证速率，则不允许节点降低它们的速率。最小保证单跳速率US*定义为节点集S在饱和负载条件下实现特定网关通话时间分布所保证的最小带宽。对S中的节点采用最小保证速率，不仅可以防止处于不利地位的流滥用BD，而且可以根据M中的节点的利用率来调整有效的信令预留带宽。实际上，M中的节点接收到的带宽越多，表示未服务需求所需的带宽就越少。因此，即使在高度利用的网络中，最大未利用带宽为BD，但一旦满足更多的不利需求，实际未利用带宽就可以减少。US*最小保证是他们用来允许信号带宽被起源于m的数据流部分使用的工具。例如，在饱和负载条件下，系统的所有资源都被充分利用，两种流量类型都将收到其保证速率。， S中的节点将接收它们的最小保证速率US，而M中的模式将占用所有剩余的速率——并且没有带宽留给额外的信令。 The above approach works well with single radio, but our proposed approach works well with multiple radio. The entire algorithm here is based on allocating bandwidth to the nodes 1 hop away and n hops away. Some of the bandwidth is reserved for n hop nodes. The major drawback of this approach is that they did not consider the load on the nodes. It may happen that some nodes have very heavy load and some may have less load. Our approach takes this into consideration and hence increases the efficiency.

算法
我们提出的速率限制算法有多个无线电接口。这里的主要问题是负载分配不均，因此我们开发了一种简单的方法来解决这个问题。
图像
图2:系统架构
查看器是系统的前端。用户使用查看器配置系统以及查看输出结果。用户将配置模拟的节点数量和向网关分配BW的时隙。节点之间使用无线无线电信道进行通信。节点必须使用网关分配的无线信道和网关分配的带宽。网关为每个节点分配无线电信道使用，以避免干扰。它使用频率分配器模块来完成这项工作。它还处理来自节点的带宽请求，并使用带宽分配器模块进行分配。
提出的算法如下:
a .构造一棵树
B.为所有节点分配频率。
C.为所有节点分配带宽。
D.测量网络性能
E.重新分配节点带宽。
最后，我们再次测量了网络的性能，并通过使用我们的算法用图来显示网络性能的改善，证明网络的性能有所改善。所创建的初始网络如图3所示，其具有路由器/网关和节点。所有节点都必须连接到网关才能发送数据。

a .构造一棵树
在分配频率和带宽之前，我们首先构建一个树。路由器作为根节点。由于我们已经给出了所有节点的无线电范围，路由器会找到邻近的节点。这些被认为是叶节点。
图像
图3:带有路由器和节点的网络
对于每个叶子节点，找到相邻节点，将叶子节点作为父节点或中间节点，将相邻节点添加为叶子节点。现在，再次选择父节点或中间节点中的一个，并找到尚未到达的邻近节点。对所有节点继续上述过程，直到没有剩余节点为止。
图像
图4:使用算法的最终树
我们现在有一个树，其中路由器是根节点，一些节点是中间节点，其他节点是叶节点，如图4所示

B.为所有节点分配频率
频率分配算法用于为所有节点分配频率。使用5个频率的范围。无线网状网络可以在5.2 GHZ到5.8GHZ之间工作。所以我们可以从中选择任意5个频率。整个树有很多级别，路由器位于级别0。此外，连接到路由器的节点处于1级，依此类推。所有级别1的节点分配相同的频率，级别2的节点分配另一组频率，依此类推。该算法的使用在于，由于不同节点的频率不同，因此不存在冲突，所有节点都可以同时接收和发送数据。
整个树有很多级别，路由器位于级别0。此外，连接到路由器的节点处于1级，依此类推。所有级别1的节点分配相同的频率，级别2的节点分配另一组频率，依此类推。该算法的使用在于，由于不同节点的频率不同，因此不存在冲突，所有节点都可以同时接收和发送数据。

C.为所有节点分配带宽
分配频率后的下一步是分配带宽。总带宽在所有节点之间平均分配，而不考虑它们与路由器的距离。求出一级路由器上连接的节点数，将value设为n。如果总带宽为B，则分配给一级路由器上的n个节点或父节点或中间节点的带宽“BW”为:
BW = B/n
如果父节点没有子节点，则不对该节点进行进一步的划分。如果节点有叶节点，则找出直接子节点的数量，并再次在直接子节点之间平均分配带宽。继续相同的过程，直到算法到达所有的叶节点。
图像
图5:带宽分配，总带宽为1000mb。
带宽分配算法如图5所示。不是所有带宽都分配给与网关直连的节点。所有节点都从整个带宽频谱中获得一些带宽，并且由于它们具有不同的频率，因此可以轻松地在分配的带宽上发送数据。

D.测量网络性能
最后，我们测量网络的性能。可以看出，由于分配给它们的带宽较少，一些叶节点的带宽不足。我们需要将带宽重新分配给这些叶节点，这是下一步。

E.重新分配节点带宽
在评估性能日志后，我们可以看到，即使叶节点分配了一些带宽，但它更少。所以他们可以以较低的速率发送数据。而中间节点或父节点可以以更高的速率发送数据。所以分配给它们的带宽又重新分配给了叶节点，叶节点现在有了更高的带宽。重新分配算法根据叶子节点的需求不断分配，减少无数据发送节点分配的带宽。

评估性能
实验设置使用Java作为编程语言。JProwler是一个离散事件模拟器，类似于Prowler，但用Java编写。该模拟器支持可插拔无线电模型和MAC协议以及多个应用程序模块。JFreeChart用于以图形方式显示结果。对整个算法进行编码并使用50个传感器节点进行仿真，结果如图6所示。结果是所有节点与网关的距离无关，无论是1跳还是n跳。从图中可以看出，所有的节点都请求一些带宽来发送数据，并且最初分配了一些带宽给它们。在一段时间内，可以看到分配给他们的带宽大于或等于他们所要求的带宽。尽管并非所有节点都能在需要时立即获得所请求的带宽，但在几秒钟的时间内，它们就能获得所需的带宽。该图证明了我们的算法在一段时间内提高了网络的性能，并消除了对1跳节点的偏向。
图像
图6:带宽请求与分配图。

结论
我们提出了一种速率控制机制，在该机制中，在网关访问方面具有空间优势的节点集与其他空间劣势节点本地共享网关源。我们提出了一个简单的算法来消除这种偏差。最后，我们使用模拟来证明我们的算法在这种偏差下获得了相当的性能，并将带宽平均分配给所有请求它们需求的节点。我们使用多个无线电节点实现了这一点。即使这些结果是在50节点的网络上被证明的，它也可以在更大的网络上被证明。该算法对节点没有额外的开销，只有路由器有一些开销，用于分配频率和带宽。
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_mesh_network
K.G.S. Venkatesan和V. Khanaa“包含流量管理的自动和动态路由发现系统的ARS”在国际计算机科学和软件工程高级研究杂志，2012年12月
[3] J. Jun和M. L. Sichitiu。“无线网状网络的名义容量。”IEEE无线通信，2003年10月。
[4] K. Jamshaid, L. Li, P. A. Ward。无线网状网络的网关速率控制。《WiMeshNets》2006年8月编。
[5]李良、雅库扎克、刘安泰和沃德。“在基于802.11的无线网状网络中实现公平。”AdHoc网络，2006年5月。

参考文献










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