南邮毕业设计模版.docx
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南邮毕业设计模版
南京邮电大学
毕业设计（论文）
题目
认知协作中继通信MAC设计
专业
通信工程
学生姓名
梁原
班级学号
B080209B08020930
指导教师
田峰
指导单位
通信工程系
日期：
年月日至年月日
毕业设计（论文）原创性声明
本人郑重声明：
所提交的毕业设计（论文），是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。
论文作者签名：
日期：
年月日
摘要
无线Mesh协作中继网是一种基于无线Mesh网的网络结构，它通过引入协作中继通信的概念来优化其结构、提升其性能。
本文在该类网络中提出了一种新的MAC协议设计方案，该方案研究了Mesh协作中继通信中中继节点的选取问题。
在该MAC协议中，当目的节点接受数据出现差错时，它向各个中继节点广播发送重传帧（Retran），中继节点根据相应算法设置计时器，竞争产生最佳机会中继节点，之后该最佳机会中继节点向目的节点重新传送数据信号。
仿真表明，当网络中选取合适的中继节点数时，该MAC协议可有效改善网络的误比特率和吞吐量，提高通信质量。
关键词：
无线Mesh网络；协作中继；MAC协议
ABSTRACT
WirelessMeshcooperativerelayingnetworkisanetworkstructurewhichbasesonwirelessMeshnetwork.Itoptimizesitsstructureandenhancesitsperformancebyusingcooperativerelaying.ThispaperproposesanovelcooperativeMACdesignwhichdiscussestheselectionofrelayingnodesinWirelessMeshcooperativerelayingnetwork.Inthisnewprotocol,thedestinationnodewillbroadcastRetranframestorelayingnodeswhenitcan'treceivedatafromthesourcenodecorrectly.Afterthat,thoserelayingnodeswillsettheirtimersaccordingtotheselectionalgorithmtocompeteforthebestopportunisticrelayingnodewhichwillsendcorrectdatatothedestinationnode.ExperimentalresultsshowthatthisnewMACprotocoldistinctlyimprovestheperformanceofthenetworkwhenthenumberofrelayingnodesisproper.
Keywords:
WirelessMeshNetwork;CooperativeRelaying;MACProtocol
第一章绪论
1.1无线Mesh网的发展背景和概况
无线Mesh网络，英文全称WirelessMeshNetwork（WMN）,又称无线网状网，随着无线宽带接入Internet业务需求的迅速增长，凭借其易组网、高速率、成本低、性能稳定等优点，已日益引起人们的注意。
早在上个世纪90年代中期，人们就已提出无线Mesh网络的概念，可以说，无线Mesh网络是在移动Adhoc网络的基础上产生发展的。
移动Adhoc网络是美国军方为了在战场上通信而研发的，近年来随着一些保密技术相继被公开而转为民用，并逐渐成为移动通信领域的研究热点。
但是，移动Adhoc网络的应用环境和技术成本等因素决定了它并不适合直接应用于民用通信领域：
最大的民用通信业务应该是包括VoIP业务在内的因特网业务，民用通信用户的移动性也远远低于军事通信用户。
因此需要一种基于移动Adhoc网络基础，并且是用于民用通信的无线多跳网络技术，于是，无线Mesh网络应运而生。
MeshNetworks公司于2000年初购买了美国军方研发的战术移动通信系统的部分专利技术，由此开发了一系列具有自主知识产权的WMN民用产品，在市场上获得了极大的成功，2005年摩托罗拉成功收购该公司。
期间，诺基亚、北电网络、Tropos、SkyPilot、RadiantNetworks和Firetide等多家公司纷纷开发WMN产品并相继推入市场。
无线Mesh网络进入了飞速发展期。
鉴于无线Mesh网络的迅速发展，许多国际标准化组织也积极考虑在各种无线网络标准中加入对Mesh组网方式的支持。
IEEE802.16标准组在2003年4月颁布的IEEE802.16a宽带无线城域网标准中设计了对点到多点和Mesh两种拓扑结构的支持。
IEEE802.15无线个域网工作组在2003年11月成立了Mesh研究组TG5，研究利用短距离、低成本设备通过Mesh方式来覆盖一个较大的环境，如客厅、校园、医药等。
IEEE802.11无线局域网工作组在2004年初也成立了Mesh研究组，编号为802.11s,主要研究支持无线分布系统的协议，以便实现无线局域网的多个AP之间通过自动配置拓扑的方式组网。
此外，国际电信联盟（ITU）、3GPP以及IETF等机构也将无线Mesh网络加入到工作计划中。
1.2协作中继通信的发展背景和概况
随着IT技术的飞速发展，无线通信的到了广泛的应用，极大推动社会进步。
随着因特网的普及和移动通信的发展，用户对移动通信的要求已突破传统业务的局限，扩展到更加广阔的高速数据业务领域。
与此同时，各种新的物理层传输技术层出不穷，极大提升了移动通信的数据速率。
但是，系统构架上的一成不变使得移动通信系统的发展出现了瓶颈。
因此，人们需要对传统无线蜂窝覆盖在结构上进行升级和补充。
引入协作中继（CooperativeRelay）的网络结构可以较好地解决该问题。
协作中继的概念最早应用于卫星和微波中继通信，其目的是为了提升信号的传输能力。
在网络没有固定接入点的条件下，中继可以为网络提供一种运行的手段，最早应用在AdHoc网络中。
在发射机和接收机间设立中继节点来辅助传输，以降低传输损耗，提高小区容量和覆盖范围。
由于中继的众多优点，其概念已经被广泛引入到下一代移动通信系统中，如欧盟早在2004年1月就启动了WINNER（WirelessWorldInitialiveNewRadio）项目，其中无线网络中的中继传输模式是该项目的研究重点之一，初步考虑了如何有效利用中继传输来解决传统蜂窝网络中小区容量受限、高速传输时开销过大的问题；WiMax在802.16j草案中明确了中继的作用，以及相应的物理层与MAC层解决方案；在IMT-Advanced系统标准征集过程中，中继也成为大家关注的热点之一。
1.3本文的结构与安排
本文各章节内容安排如下：
第一章概述了无线Mesh网络以及协作中继通信的研究背景及发展现状。
第二章详细介绍了Mesh网络的结构、分类、特点和应用以及协作中继通信原理、分类、特点和优缺点，并介绍了无线Mesh协作网。
第三章介绍了Mesh网络中MAC协议的种类和优缺点，以及其发展方向。
第四章设计了一种新的无线Mesh网络中协作中继的MAC协议，包括了理论设计以及结果分析，并提出改进方案。
结束语中对本文所进行的设计研究进行了总结。
第二章Mesh网络与协作中继通信
2.1无线Mesh网络概述
无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。
在传统的无线局域网（WLAN）中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点（AP），这种网络结构被称为单跳网络。
而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。
这种结构的最大好处在于：
如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。
依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。
这样的访问方式就是多跳访问。
其实人们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。
例如，当我们发送一份E-mail时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。
在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。
与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。
在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。
添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。
2.1.1无线Mesh网络的特点
无线Mesh网络由包括一组呈网状分布的无线AP构成，AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统WLAN中的无线"热点"扩展为真正大面积覆盖的无线"热区"，它具有以下特点：
高带宽：
将传统WLAN的"热点"覆盖扩展为更大范围的"热区"覆盖，消除原有的WLAN随距离增加导致的带宽下降。
另外，采用Mesh结构的系统，信号能够避开障碍物的干扰，使信号传送畅通无阻，消除盲区。
高利用率：
高利用率是Mesh网络的另一个技术优势。
在单跳网络中，一个固定的AP被多个设备共享使用，随着网络设备的增多，AP的通讯网络可用率会大大下降。
而在Mesh网络中，由于每个节点都是AP，根本不会发生此类问题；一旦某个AP可用率下降，数据会自动重新选择一个AP进行传输。
自配置：
无线Mesh网中AP具备自动配置和集中管理能力，简化了网络的管理维护。
自愈合：
无线Mesh网中AP具备白动发现和动态路由连接，消除单点故障对业务的影响，提供冗余路径。
兼容性：
Mesh采用标准的802.11b/g制式，可广泛地兼容无线客户终端。
除此之外，无线Mesh还提供更好的移动漫游能力，以及端到端的安全连接等等。
2.1.2无线Mesh网络的结构分类
基于节点功能，可以把无线Mesh网络体系结构分成三类。
第一类是基础设施／主干无线Mesh网络。
网状路由器之间形成自配置与自愈合链路网。
网状路由器具备网关／网桥功能，可连接现有无线网络，可接入Internet。
网状路由器构成无线Mesh网络基础设施／主干，供客户机连接。
无线Mesh网络基础设施／主干可以采用多种不同类型无线电技术构建。
典型情况下，网状路由器使用两种无线电，一种用于主干通信，一种用于用户通信。
典型应用在小区网络中。
第二类是客户机无线Mesh网络。
客户机组成实际网络，支持客户机之间的P2P联网，执行路由和配置功能，不需要网状路由器。
它的特点是分组可能需要通过多个中间节点转发才能到达目的节点。
通常基于同一种无线电技术构成，同基础设施／主干无线Mesh网络相比，对客户机的要求提高。
第三类是混合无线Mesh网络，它是前两者的结合，网状客户机可以通过网状路由器访问网络，也可以直接与其他网状客户机联网，尽管无线Mesh网络主干提供对其他网络的连通性，如Internet、Wi-fi、WiMAX、蜂窝和传感器网络等，但是客户机的路由能力可以改善无线Mesh网络内的连通性和覆盖能力，从这个角度来看，混合结构最有应用前景。
2.1.3无线Mesh网络的优势
与传统的WLAN相比，无线Mesh网络具有几个无可比拟的优势：
（1）快速部署和易于安装。
安装Mesh节点非常简单，直接将设备接上电源运行就行了。
用户可以很方便地增加新的节点来扩大无线网络的网络容量和覆盖范围。
Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低，因此大大降低了总拥有成本和安装时间，仅这一点所节省的成本就是非常可观的。
无线Mesh网络的配置和其他网管功能与传统的WLAN相同，用户使用WLAN的经验可以很容易应用到Mesh网络上。
（2）非视距传输（NLOS）。
利用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置，因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。
与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。
按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。
这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。
无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。
（3）健壮性。
实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。
如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。
Mesh网络比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。
在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。
而在Mesh网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。
如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
（4）结构灵活。
在单跳网络中，设备必须共享AP。
如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。
而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。
Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。
（5）高带宽。
无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。
因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是Mesh网络的优势所在。
在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。
此外，因为每一跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。
既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。
比如在高密度的城市网络环境中，Mesh网络能够减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰，大大提高信道的利用效率。
2.1.4无线Mesh网中存在的问题
尽管无线Mesh联网技术有着广泛的应用前景，但也存在一些影响它广泛部署的问题。
（1）互操作性。
由于目前无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准，这极大影响了无线Mesh技术迅速普及。
用户现在基本上只能选择同一个厂商的无线Mesh产品，否则将要面临如何将各种不同类型的嵌入式无线设备互连的问题，这个问题是影响无线Mesh技术推广最重要的因素。
因此想要推广Mesh网络并彻底解决互操作性问题，需要业界制定统一的无线Mesh技术标准。
（2）通信延迟。
既然在Mesh网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，随着无线Mesh网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。
一些对通信延迟要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临无法接受的延迟过长的问题。
目前解决这一问题主要是通过增加Mesh节点以及合适的网络协议。
（3）安全。
与WLAN的单跳机制相比，无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。
而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。
Internet本身即是使用Mesh方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周知的。
尽管有线网络中使用的各种端到端安全技术，如虚拟专用网（VPN）同样可以用来解决无线Mesh的安全问题。
但正如Internet一样，无线Mesh网络的安全是一个不容忽视的问题。
2.1.5无线Mesh网络的应用
从本质上说，Mesh网络是一种类似于点对点的无线网络架构，这种架构可以大大减少网络的基础设施成本（例如AP，无线路由器数量），同时也可为无线网络服务供应商（WISP）减少70%~75%的营运、安装成本。
基于Mesh网络的优势，它还可以在不同异构的环境下提供多种服务；当用户在高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过3G或2.5G传输语音、数据；在局部的范围内可通过WLAN提供宽带网络服务，例如视频点播等。
随着Mesh网络的进一步发展，它最终可在企业的办公环境中将办公室电话或者手机进行整合。
Mesh网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。
1．家庭Mesh
技术的一个重要用处就是用于建立家庭无线网络。
家庭式无线Mesh联网可以连接台式PC机、笔记本和手持计算机、HDTV、DVD播放器、游戏控制台，以及其他各种消费类电子设备，而不需要复杂的布线和安装过程。
在家庭Mesh网络中，各种家用电器既是网上的用户，也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。
当家用电器增多时，这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。
Mesh技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中的应用，如高清晰度视频等。
2．企业
目前，企业的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式无线链路，为用户提供点到点和点到多点传输。
无线Mesh网络则不同，它允许网络用户共享带宽，消除了目前单跳网络的瓶颈，并且能够实现网络负载的动态平衡。
在无线Mesh网络中增加或调整AP也比有线AP更容易、配置更灵活、安装和使用成本更低。
尤其是对于那些需要经常移动接入点的企业，无线Mesh技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓扑结构的调整和升级。
3．学校校园无线网络
与大型企业非常类似，但也有自己的不同特点。
一是校园WLAN的规模巨大，不仅地域范围大，用户多，而且通信量也大，因为与一般企业用户相比学生会更多地使用多媒体；二是网络覆盖的要求高，网络必须能够实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所等之间的无缝漫游；三是负载平衡非常重要，由于学生经常要集中活动，当学生同时在某个位置使用网络时就可能发生通信拥塞现象。
解决这些问题的传统作法是在室内高密度地安装AP，而在室外安装的AP数量则很少。
但由于校园网的用户需求变化较大，有可能经常需要增加新的AP或调整AP的部署位置，这会带来很大的成本增加。
而使用Mesh方式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。
4．医院
Mesh还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。
由于医院建筑物的构造密集而又复杂，一些区域还要防止电磁辐射，因此是安装无线网络难度最大的领域之一。
医院的网络有两个主要的特点。
一是布线比较困难：
在传统的组网方式中，需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线，这显然不利于网络拓扑结构的变化。
二是对网络的健壮性要求很高：
如果医院里有重要的活动（如手术），网络任何可能的故障都将会带来灾难性的后果。
采用无线Mesh组网则是解决这些问题的理想方案。
如果要对医院无线网络拓扑进行调整，只需要移动现有的Mesh节点的位置或安装新的Mesh节点就可以了，过程非常简单，安装新的Mesh节点也非常方便。
而无线Mesh的健壮性和高带宽也使它更适合于在医院中部署。
5．旅游休闲场所Mesh
非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济上不合算，而又需要为用户提供宽带无线Internet访问的地方，如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。
Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。
6．快速部署和临时安装
对于那些需要快速部署或临时安装的地方，如展览会、交易会、灾难救援等，Mesh网络无疑是最经济有效的组网方法。
比如，如果需要临时在某个地方开几天会议或办几天展览，使用Mesh技术来组网可以将成本降到最低。
2.2协作中继通信概述
中继传输的研究最早起源于人们对中继信道的研究。
在20世纪70年代，一些学者对中继信道的容量进行了研究，但在此之后，人们并没有对中继的研究有进一步的认识，其发展缓慢。
近年来，随着AdHoc网络的发展，人们逐渐开始关注无线中继信道的研究。
Sendonaris等学者最早提出了协作中继的概念。
他们对两用户的协作分集模型进行了研究，发现协作能减小信道变化对系统的影响，并能提高系统的吞吐量以及小区的覆盖范围。
与此同时，Laneman等学者通过研究提出了三种不同的协作分集协议：
固定中继（fixedrelaying）,选择中继（selectionrelaying）以及增量中继（incrementalrelaying）。
并且还提出了两种不同的中继转发方式：
放大转发（AF）和译码转发（DF）。
在协作中继网络中，通过在基站与移动台之间引入中继，使其传输信道既有直传链路又包含通过多个中继的中继转发链路，因而能够实现更高分集增益的协作通信，提高小区边缘信号质量，扩大小区覆盖面积。
更重要的是，中继节点可以为基站提供到核心网的无线自回传，从而解决了传统蜂窝网络中的有线连接成本高、维护频繁、部署不便等问题，大大降低了网络布设成本。
另外协作蜂窝网络中的基站可以共用目前运营商的站址，中继可以灵活架设，从而降低工程建设投入。
中继信道的优势在于通过中继来提升源节点和目的节点间通信的可靠性。
根据中继节点的移动特性可将其分为移动中继节点和固定中继节点。
移动中继节点便是指网络中的那些无线终端，而固定节点是指位置固定的中继节点。
通过合理的网络布设可以保证它们和基站之间的链路质量，以保证整个网络的性能。
2.2.1协作通信的理论原理
在网络通信系统中，当信道条件不理想，不能满足网络性能需求时，传统的方式往往是加大节点发射功率以满足质量要求。
但发射功率的增加必将引人链路间干扰增加、节点能量消耗过快等问题。
当节点A与B之间的直达链路无法保证通信质量时，此时如果正好节点C空闲或有能力帮助A转发数据，则C可以作为A与B之间的中继节点;另外，如果AB和ACB两条链路可以同时通信，节点B将从节点A和C分集接收并加以处理，以提高接收数据的正确率。
可见，节点A没有加大发射功率但仍能与B进行通信，这就是协作通信的思想，协作通信如图2-1所示。
图2-1协作通信原理
2.2.2协作通信的特点
协作中继具有以下特点：
1.有效提高网络容量
通过规划网络结构，可以在多个中继之间合理分配资源，通过合适的协同空时码，可以最大程度上实现资源复用，为更多用户提供服务，增加网络容量。
2.提升小区边缘性能，扩展小区覆盖面积
处于蜂窝网络边缘用户的发射信号通过与其相邻的中继节点实现两跳或多跳接入基站。
随着用户发射功率降低，大大降低相邻小区间同信道干扰。
另外，传统蜂窝网络中可能存在的“阴影区域”或者“覆盖空洞”也可以通过中继节点的中转作用来消除。
3.节约移动终端能量，降低移动终端成本
终端能耗问题是4G的一个瓶颈。
而协作中继技术由于能够有效的提高性能，从而减小单个节点的能耗。
通过合理的资源共享，可以延长各个终端节点的使用寿命，这无疑也延长了整个网络寿命。
通过合理选择中继节点的个数与分布，构成虚拟天线阵列，将大大减轻对移动终端成本与尺寸的限制。
4.提高频谱效率
使用协作中继传输系统之后，通过采用发送分集增益
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