以鏈結層模型解法建立一個高效能無線網狀網路---參數分析、演算法設計、及雛型系統實作

Abstract

由於單點跳躍無線區域網路的固有覆蓋範圍限制及高部署費用(來自於有線主幹下的每一個有效的存取點的硬體需求)，在過去十年的期間，大家開始注意無線多點跳躍協力(wireless cooperative multi-hop)的無線隨意網路(ad hoc networking)，並且認為是一個可行的架構。定義上，一個無線隨意網路可視作使用非固定的寬頻網路架構(no fixed infrastructure)或中央控管機制(centralized)的一群無線主機來合力建立通訊。而近興起的無線網狀網路(wireless mesh network)則被視為無線隨意網路在應用層面所提出的無線網際網路最後一哩(last-mile)可行的解決方案，無線網狀網路的確打開了新的研究方向及可觀的數量在研究協定設計上，不過許多有關效能的問題仍尚待解決。過度的封包遺失(packet loss)、不可預測的通道行為(unpredictable)導致無法找出一個穩定且高流量的路徑(high-throughput paths)、內部資料流量(intra-flow)和資料間的互相干擾(inter-flow interference)導致網路流量的下降，都屬於尚未被完全解決的問題。 在三年的計畫中，我們打算針對鏈結層潛藏的效能問題做一系列的深入分析，並且提出可能問題解法之協定及效能改進的演算法，朝著優化無線鏈結的定義/特性以及本身上層協定設定最佳化的方向來提昇系統效能。我們希望可以(i)瞭解無線鏈結如何影響實體層(PHY)/媒體存取層(MAC)屬性和影響範圍以及其他環境因素的影響，(ii)實現一個嚴謹的分析和理論來描述無線鏈結的行為，和(iii)明確定義實體層/媒體存取層相關效能控制因素，使得網路容量能夠最佳化。具體來說，我們規劃為期3年的計畫其相關研究設計要點的步驟如下： .. 第一年：我們將研究以延伸卡利模型和設計一個分析模型來描述在IEEE 802.11 的分散式協調功能機制 (DCF)的單一通道、多重速率、多點跳躍無線網路傳輸活動表現。初步研究結果發現，當傳輸功率為一固定的常數值，系統的流量將會是載波偵測臨界值(carrier-sensing threshold)、訊號干擾雜訊比(SINR)和其他實體層/媒體存取層的系統參數(例如退讓機制計時器)的一個模型函數。 .. 第二年：我們合併藉由調整電波傳輸功率(radio transmit power)來影響空間重複使用(spatial reuse)的變化程度。基於實體的電波傳播模型下，我們藉由同時傳輸和對應的SINR以理論的方式來估計潛在累積干擾分佈，由一個SINR數值，我們可以決定維持傳輸的適當資料傳輸率(data rate)。在我們初步分析結果指出系統流量不是只有單一載波偵測臨界值/傳輸功率影響而增加/減少，反而展現轉移點轉換載波偵測臨界值/傳輸功率有數種可能的選擇可以實現效能提升。 .. 第三年：第三個效能控制關鍵是通道的多樣化(channel diversity)。基於我們先前在多重電波多通道(multi-radio multi-channel)結合通道分配及繞徑協定和提出本計畫前兩年努力的研究結果，在這個計畫的最後一年我們打算建立一個實際測試雛形系統並確實將前兩個計畫成果推導出協定和演算法，將其實作並來執行在基於linux核心/使用者空間來分析確證和協定的可行性。