802.11s wireless mesh network 的草案(draft)[1]具有諸多特點,如佈建快速(fast deployment)、高擴展性(highly expandability)、節省佈線成本(wiring cost)[2-3],由於這些 特點,彌補了傳統 802.11 無線網路不適用於有線網路不易佈建的環境的缺點,使得無線 網路更適用於網路基礎建設較不完善的環境。雖然本標準目前尚在草案階段,仍未定案,
已經吸引許多國際大廠投入研發符合草案(draft)規格的產品。
802.11s 的標準相較於傳統 802.11 無線網路,兩者主要的差別在於:傳統 802.11 無 線網路由 access point(AP)以及 stations(STAs)所組成;而 802.11s 無網網路,是由 mesh portal(MPP)、mesh point (MP)、mesh access point(MAP)以及 station(STAs)所組成,其中 MAP、MPP 以及 MP 之間,透過封包轉送(forward)的機制,達成封包在 mesh networks 中的傳遞,而 STAs 透過對 MAP 的連結,藉由 MAP 所提供的連結服務,對 mesh networks 中的其它 STAs 傳遞封包;或將封包送達至 MAP 之後,再由 MAP 將封包轉送到 MPP,
利用 MPP 與 Internet 連結。傳統 802.11 無線網路的存取點(AP),只需負擔連結的該存取 點之 station 的封包傳輸,並將所有封包轉送至有線網路;而 802.11s 中的節點,在傳送 自己的封包工作之外,還必須協助轉送其它節點所傳送過來的封包,以達到將封包送達 到 mesh networks 中的 STAs;或送至 MPP,以連結至 Internet。透過上述的封包轉送機制,
使 mesh networks 得以降低對有線網路的需求。
然而如此的封包轉送的設計概念,造成了額外的問題,也就是“公平性問題”
(unfairness problem)。圖 1.2 (a)、 (b)分別為圖 1.1 中的串列及樹狀的無線網路拓撲,發 生了“公平性問題”的結果。從圖 1.2 (a)可看出,在此網路拓撲中,所有的節點,都發送
1.2 (b),其中 N1 的流量,導致 N2、N3 及 N4 無法取得傳送封包的機會,最終餓死 由該節點自行產生,或是該節點所服務的 STAs 藉由獨立的無線頻道(a separated wireless channel)所傳送過來的封包;第二種為使用共通頻道(common channel)轉送其它節點所傳 送過來的轉送封包(forward packets)。前者的封包產生速率通常快於後者,以至於若僅使 用單一佇列(single queue)先到先服務(FCFS)的實作方式,此節點的封包傳送 (packet transmission)比例,本地封包會大於轉送封包,亦即造成不公平現象。其次為連結競爭,
造成連結競爭現象的主因,在於無線訊號僅具有有限度傳送距離的特性。由於遠端節點 無法聽到接收方附近的頻道使用狀況,而進行錯誤的傳輸嘗試,增大自身的競爭視窗 (contention window)區間,降低競爭無線資源的機率,造成不公平現象。
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針對“公平性問題”,在目前已被提出來的解決方法中,主要區分為兩大類,分別針 對網路設備的封包管理機制[4-5]以及無線網路的 MAC layer[6-8]作修改。其中封包管理 機制的部份,主要針對佇列的管理方式,修改佇列機制,使用一個或多個佇列的方式,
透過佇列的管理,降低佇列分配不公平的問題,以減緩公平性問題所造成的現象。針對 於 MAC 層協定的修改方式,[6-8]提出修改標準 back-off window 機制,也有作者提出採 用 802.11e 的機制[10]或修改基本 DCF 機制[11],藉此調整各節點之間取得傳送機會的機 率,也有作者提出全面性的 rerouting 的機制[12],以達成負戴平衡及提高整體網路的公 平性。
如果只採用單一種解決方案,會有其適用性的問題。在節點的佇列中實作多重的佇 列機制,若沒有配合 back-off window 的調整,只能解決節點內的節點競爭問題,而無法 有效解決節點與節點之間的連結競爭問題。相對地,若只使用 back-off window 的調整 機制,只能解決在小量的封包傳輸的情況,並無法完全解決因佇列分配不公平所造成的 contention)問題,使用 RTS/CTS 機制及 CWA (Contention Window Adjustment) 機制,解 決連結競爭(link contention)問題,合併使用上述三種機制,解決 mesh networks 中的“公 平性問題”,並透過 NS2 網路模擬程式的模擬方式,觀察在串列以及樹狀的網路拓撲之 下,各解決方式的成效。最後證明在三個解決方式同時使用的環境下,可以有效的改善 mesh networks 中的“公平性問題”,提高整體無線網路的公平性。
本篇論文其餘章節組織如下: 第二章說明 mesh networks 的網路概念,以及 mesh networks 中造成”公平性問題”的主要原因。第三章說明本論文所提出之 FLNC 演算法及 其細節,第四章描述模擬的參數、環境、及模擬結果數據,最後第五章為總結。