矿井WMN多媒体应急通信系统多跳传输性能改进.docx

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矿井WMN多媒体应急通信系统多跳传输性能改进

矿井WMN多媒体应急通信系统多跳传输性能改进

摘要:

由于矿井无线mesh网络（wmn）多媒体应急通信系统的多跳传输存在基准带宽较低、多跳传输带宽衰减率较大的问题,对其多跳传输性能进行改进。

提出了一种矿井wmn多媒体应急通信系统骨干传输链路的网络结构,并建立了其传输模型,研究了对其传输性能产生影响的主要因素。

提出了基于802.11n的多跳mesh骨干传输网络的多模mesh节点结构,解决了矿井wmn多媒体应急通信系统多跳传输的两个难题。

实验结果表明其具有超过165mbps的基准带宽,并且在60mbps的限速应用环境下,每跳的带宽衰减小于1%,基本满足了矿井多媒体业务传输的应用需求。

关键词:

802.11n;应急通信系统;多模;无线mesh网络;多跳传输性能improvementonmultihopperformanceofundergroundmineemergencycommunicationsystembasedonwmnzhuquan1,2*,jiangxinhua1,zoufumin2,xushaofeng1（1.schoolofinformationscienceandengineering,centralsouthuniversity,changshahunan410075,china;2.researchcenterfornextgenerationinternettechnologyandapplications,fujianuniversityoftechnology,fuzhoufujian350108,china）abstract:

themultihoptransmissionofmultimediaemergencycommunicationsystembasedonwirelessmeshnetwork（wmn）inundergroundminehavetwoproblems:

lowbasisbandwidthandhighmultihoptransmissionattenuation.thispaperaimedtoimprovethemultihoptransmissionperformanceforthesystem.inthispaper,atrunklinenetworkstructureofmultimediaemergencycommunicationsystembasedonwmninundergroundminewasproposed.theauthorsestablisheditstransmissionmodel,andthenhadaresearchonthemainfactorsthataffectedthetransmissionperformance.themultiradionodestructureofmultihopmeshbackbonenetworkbasedon802.11nwasproposedandsolvedthetwoproblemsofmultihoptransmission.theexperimentalresultsshowthatithasmorethan165mbpsbasisbandwidth,andunderthelimited60mbpsenvironment,thebandwidthattenuationofperhopislessthan1%,basicallysatisfyingtheapplicationrequirementsofmultimediatransmissioninundergroundmine.keywords:

802.11n;emergencycommunicationsystem;multiradio;wirelessmeshnetwork（wmn）;multihoptransmissionperformance0引言无线宽带网络，特别是无线mesh网络（wirelessmeshnetwork,wmn）、无线传感器网络（wirelesssensornetwork,wsn）技术由于其投资省、组网方便灵活等一系列优点,不仅在地面无线宽带通信领域得到广泛应用,而且在矿井通信系统中也得到了业界的广泛关注和高度重视[1-7]。

根据我国煤矿井下多媒体应急通信的迫切需求,文献[1]在煤炭科学研究总院国际合作基金等项目资助下,利用最新的多跳wmn技术建立了矿井wmn多媒体应急通信系统,并部分解决了多跳传输难题。

但是,文献[1]的实验结果表明,该系统的基准带宽最高仅为47.7mbps,特别是多跳传输的带宽衰减依然十分严重,经过10跳传输时其多跳带宽仅为1.4mbps,带宽衰减率高达97%。

显然,该系统还不能满足我国煤矿井下多媒体应急通信的需求。

为此,本文将基于文献[8-9]的研究基础,融合榕树型拓扑、多模mesh节点结构和802.11n等技术,实现基于802.11n的无线mesh路由器原型系统,提高矿井wmn多媒体应急通信系统骨干链路的基准传输带宽,降低其多跳传输带宽衰减率,使其达到t3级别通信系统标准,满足矿井多媒体应急通信的实际应用需求。

1矿井wmn多媒体应急通信系统1.1多出口wmn体系结构首先,本文提出一种矿井wmn多媒体应急通信系统骨干传输链路的网络结构,其网络拓扑结构如图1所示,它对组网的灵活性和多跳传输的可靠性等起着至关重要的作用[1]。

矿用多媒体应急wmn骨干传输链路由沿矿井巷道部署的系列无线mesh路由器（meshrouter,mr）组成,实现整个矿井巷道的完整无线覆盖,为部署在井下的mesh应用终端（meshclient,mc）提供无缝的无线宽带接入。

当mr与有线网络出口直接连接时,它就成为无线mesh网关（meshgateway,mg）节点,将各种应用数据汇聚到地面应急通信指挥中心的交换控制中心。

该中心是矿用多媒体应急wmn的核心,通过它实现对网络的集中式控制管理,并可以根据节点故障概率的动态变化实时调整网络的拓扑结构。

1.2wmn骨干链路的多跳传输由于矿用wmn是一种沿矿井巷道呈链状分布的多跳无线mesh网络,与传统的无线mesh网络相比存在如下两个主要的不同点:

多跳传输在传统无线mesh网络中,多跳传输一般都不超过3跳,而在矿用wmn中,为实现大跨度的无线网络覆盖,其多跳传输跳数往往都会超过3跳。

骨干传输链路传统无线mesh网络由于一般呈网状分布,因此并没有明显的无线骨干传输链路;而矿用wmn是一种总线型拓扑结构,各种多媒体及其他应用数据均需要通过骨干传输链路（无线多跳链）汇聚到有线网络出口（网关节点）,从而骨干传输链路必须提供高带宽传输。

矿用多媒体应急wmn中包含多个回路,通过动态最小生成树算法[8]可以得到其中一条无线多跳链,其拓扑结构如图2所示,实际部署中将是沿矿井巷道呈线状分布的多跳无线mesh网络的骨干传输链路。

需要指出的是,本文讨论的内容适合于整个矿用多媒体应急wmn,只考虑其中一条无线多跳链是为了方便问题的描述。

在图2所示的无线多跳链中,具有1个mg节点和n（n≥1）个mr节点,总共经过了n跳无线传输。

这种多跳无线mesh网络目前还存在两个关键难题:

其基准带宽不高,且随着无线跳数n的增加,其传输带宽将急剧下降而传输延迟快速增长。

在传统的wmn中,其多跳传输带宽呈1/n甚至是1/2n的趋势下降;文献[1]中的实验测试结果也表明,骨干链路经过10跳无线传输后,其带宽衰减率高达97%。

显然,其多跳传输带宽将会难以满足应急通信系统多媒体及其他应用数据传输的需要。

1.3wmn骨干链路传输模型wmn可以用无向图g（v,e）表示[10-11],相关变量的定义如下:

1）网络节点i∈v表示无线mesh网络接入点（mr或mg）;er为承载数据的通信链路集,对于线状网络拓扑结构来说,则有er=e。

2）节点j与流向网关节点的下一跳节点i间存在双向无线传输链路,用边ej=（j,i）表示,g（j,i）=g（i,j）=1。

3）sj为节点j向网关方向传输的链路最大有效速率,sj∈s,s为网络中链路速率的集合;链路的基准带宽为sbase,且sbase∈s。

4）fj为节点j与网关之间的数据流流量。

5）链路衰减因子θj表示节点j受邻接节点的影响程度,节点衰减因子δj表示节点j对链路带宽的影响程度。

显然节点衰减因子δj与邻接节点无关但与节点的传输速率sj相关,而链路衰减因子θj是与邻接链路相干的但与传输速率无关。

在wmn骨干传输链路中,链路ej=（j,i）∈er上承载的流量为链路上的后续节点的数据总量[12],即:

fej=fj∑i,j∈vg（j,i）

（1）对于链路ej=（j,i）∈er,完成其承载流量发送所需的时间为:

tj=fejsj（1-δj）

（2）在保证公平性的前提下,链路ej的冲突域传输数据流量所需要的时间为:

t*j=ti1-θi（3）网络中承载最多数据流的冲突域为瓶颈冲突域（bottleneckcollisiondomain,bcd）,则bcd传输流量数据时间是所有链路冲突域中最大的,即:

tbcd=max（t*j）=maxti1-θi=maxfejsi（1-δi）（1-θi）=maxfi∑h,i∈vg（i,h）si（1-δi）（1-θi）=fimax∑h,i∈vg（i,h）si（1-δi）（1-θi）（4）令tbcd=1,则节点吞吐量为:

fi=maxsi（1-δi）（1-θi）∑h,i∈vg（i,h）（5）对于线状网络拓扑结构而言,式（5）可以简化为:

fi=si（1-δi）（1-θi）（6）其中s0=sbase。

可见,对wmn骨干链路的传输性能产生影响的因素主要包括:

链路基准带宽、节点衰减因子以及链路衰减因子。

其中节点衰减因子主要受节点处理能力、发送功率等因素的影响,链路衰减因子则主要是由于无线信道干扰等原因造成的[13-14]。

综合考虑矿用wmn的实际应用环境及矿井wmn多媒体应急通信系统的业务需求,提高多跳传输的基准带宽、降低每跳传输的带宽衰减率,将是本文对矿用wmn多跳传输性能进行改进的重点。

文献[9]指出影响骨干链路性能的一些关键因素包括mesh节点间的干扰、数据转发和cpu的处理能力等。

通过采用混合频道复用方案和非对称带宽分配机制、增强mesh路由器节点的处理能力,可以部分解决多跳传输带宽急剧下降的问题,降低wmn多跳传输的带宽衰减率。

通过采用802.11n技术可以提高骨干传输链路的基准带宽,从而可以提高整个网络的多跳传输性能。

因此,本文将基于802.11n技术,针对矿井wmn多媒体应急通信系统的带宽传输需求,对其骨干传输链路进行改进,进一步提高其骨干链路的多跳传输带宽,降低其多跳传输的带宽衰减率。

2基于802.11n的多模mesh节点结构矿用wmn骨干传输链路中,mr是进行无线传输的主体,它承担着mc接入、ingress和egress数据回传3项主要任务,在传统mesh节点结构中,这3项任务是以串行方式工作的。

显然,为提高无线mesh网络的性能,应尽可能使mr的3项任务可以并发执行。

同时,mr需要为无线多跳链的后续mr提供数据回传,在传统mesh节点结构中,回传链路的带宽与接入链路相等,显然将是矿用wmn的瓶颈所在,为此需要尽可能提高传输链路的基准带宽。

为此,可设计mr的多模mesh节点结构如图3所示。

多模mesh节点由3个无线模块和1个有线模块构成,其中3个无线模块分别负责mc接入、ingress和egress数据回传任务,当该节点作为网关节点时,由有线模块负责与交换控制中心的数据传输任务。

由于多模mesh节点结构采用独立无线模块分别负责各自任务,这3项任务的并发执行成为可能。

为方便描述,本文称前述的3个无线模块分别为access、ingress和egress模块。

为避免多模mesh节点内和节点间的无线干扰,各个无线模块需要工作在正交频道上。

根据矿井巷道的无线环境及相关应用实践,2.4ghz和5ghz的都是适合矿井wmn无线传输的工作频段[15]。

由于目前无线应用终端一般都是采用工作在2.4ghz频段的802.11g技术,所以接入模块必须支持2.4ghz频段。

而ingress和egress模块只是负责mesh节点间的数据传输,故可以使用工作在5ghz频段的wifi标准,如802.11a或802.11n。

相对于802.11g标准,其正交频道较多,既可以避免节点内和节点间的无线干扰,同时还可以大幅提高矿用wmn的基准带宽。

通过采用混合频道复用方案和非对称带宽分配机制,多模mesh节点最大限度地降低甚至消除了节点内和节点间的无线干扰,从而mr可以并发执行mc接入、ingress和egress数据回传任务。

802.11n技术标准[16]于2009年9月正式批准,通过采用多输入多输出（multiinputmultioutput,mimo）技术和正交频分复用（orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,ofdm）技术提高了无线传输质量,其传输速度理论值可高达300mbps,相比802.11a或802.11ta,其基准带宽有了很大的提高;同时也增强了传输功率,从而可以达到更远的覆盖距离。

使用802.11n技术进行骨干链路的无线传输,可以极大提高骨干回传链路的基准带宽。

综上所述,多模mesh节点设计为一个两层网络设备,采用bridge网桥模块将4个网络模块连接在一起,实现数据包的线速转发。

同时为提高骨干链路的基准带宽,使用802.11n标准进行无线传输,其理论传输速度最高可达300mbps,实际可达到100mbps以上。

3实验测试及结果分析基于上述的多模mesh节点设计方案,本文完成了基于802.11n技术的无线mesh路由器原型系统设计,使之符合矿井wmn多媒体应急通信系统的应用需求。

为了测试矿井wmn多媒体应急通信系统多跳传输性能,本文在室外建立了8跳mesh骨干传输网络仿真实验床如图4