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【摘 要】随着无线网络的飞速发展，由于无线Mesh网络具有大容量、低成本、覆盖范围广、扩展性好等优点，发展较快，但亦有不足，由于无线Mesh网络具有开放性、时变性、节点移动性等特点，QoS保障十分困难，面临许多挑战。
【关键词】无线Mesh；WNMs；QoS；服务质量
0.引言
近年来，Internet的发展使人们越来越容易的获得更多的信息和服务，而无线网络技术的发展为Internet的进一步发展提供了强有力的支持，促进了移动互联网的快速发展。以3G、4G为代表的无线网络接入技术相继出现，为扩大网络覆盖范围、降低网络成本提供了有效的解决方案。但在上述的无线网络接入技术中，网络的部署往往存在价格较高、受地理环境限制等问题。为了解决用户的接入问题，造价低廉、灵活性更高的大规模接入Internet的网络结构WMNs（Wireless Mesh Networks）开始出现。
WMNs是从移动Ad hoc网络分离出来的一种多跳、具有动态自组织和自配置能力的新型宽带无线组网模式。作为“最后一公里"宽带无线接入的关键技术之一，WMNs可以和多种无线网络，如WLAN、WPAN以及WMAN等相结合，提高网络的覆盖范围，改善无线网络的性能。作为一种新型无线网络结构，WMNs已被纳入到IEEE 802.16.2004、IEEE 802.16e和正在制定的IEEE 802.11S标准中。
WMNs具有大容量、低成本、覆盖范围广、扩展性好等优点。通过路由器的网关、桥接功能，WMNs可以与现有多种无线网络技术相结合，覆盖不同网络之间的服务盲区，为各种终端用户提供无线接入服务。
1.无线Mesh网络QoS存在的问题
无线Mesh网络与其它无线网张比有一定优势，但亦有不足，由于无线Mesh网络具有开放性、时变性、节点移动性等特点，QoS保障十分困难，面临许多挑战：
（1）容量限制：无线带宽是十分稀缺的资源。并且，在WMNs中，通常客户端节点只配置单射频网络接口，限制了网络节点的通信容量。
（2）不可靠及不可预测的信道质量：由于干扰及多径衰减的影响，多跳无线网络的通信媒介很不稳定，使得提供任何可靠的数据传输都是十分困难的。
（3）缺少集中QoS控制：在多跳无线网络中，没有记录客户端节点位置以及QoS信息的中心控制节点，QoS保障必须基于分布式方式实施。由于缺少网络全局信息，不能够在全局范围内以最合理的方式分配网络资源。
（4）共享无线媒体引起的资源竞争：在无线网络中，節点的数据传输不仅使用本地资源，而且要占用竞争范围内邻居节点的带宽。这样，支持QoS需求的资源分配变得十分复杂。
（5）有限的电池能量和生命期：移动通信设备通常依靠有限能量的电池供电。能量使用量越高，传输性能越好，设备的生命期也越短。所以，资源分配与QoS优化应该考虑剩余的生命期和能量的消耗速度。
（6）节点移动性以及动态拓扑：多跳无线网络客户端节点一般是移动的，导致路由信息时效性较差。并且，电池供电客户端随时有可能由于电力耗尽关闭，这种拓扑变化可能会引起QoS路径的重新确定。
另一方面，以宽带网络技术为主导的多媒体数据通信近年来在通信业务总量中的比重迅速上升。与传统业务相比，多媒体业务如视频会议、可视电话等具有数据量大、传输质量敏感性强等特点，对带宽、时延、时延抖动等提出了更高的要求。
无线接入网络，WMNs必须能够支持实时多媒体业务的传输。为了保证多媒体等高QoS要求网络业务的用户体验，WMNs必须基于网络特点进行合理、高效的无线资源分配与QoS性能优化。WMNs作为下一代无线网络的关键技术之一，提供较高的QoS是必然要求。然而，现有WMNs并不能完全满足应用业务的QoS需求，这成为宽带网络技术发展的主要障碍之一。因此，WMNs资源分配与QoS优化是目前国内外关注的热点。
2.无线Mesh网络QoS的优化
无线网络传输媒介的开放性和无线信道质量的时变性等物理特性使无线接入信道成为一种非常不稳定的媒介。无线接入信道的这种动态特性增加了无线通信网络设计的难度。从WMNs发展的过程看，由于现有的以有线网络为背景设计的QoS保障机制大都强调在协议栈的某一层上设计与实现，并不能反应其它层参数对QoS的影响。如果按照传统网络协议层设计，保持各层之间的透明性和独立性，人们为了保证物理层的可用性，往往只按照信道性能最差的情况和系统最低要求进行保守设计，这使得在信道质量较好的情况下造成频谱、功率等资源的浪费。所以，传统的严格分层OSI参考模型不能对无线网络资源进行整体管理，不能使网络性能得到整体优化。
因此，为了优化WMNs的性能，必须突破原OSI参考模型中严格分层的束缚，笔者提出跨层设计的思想，即在一个整体框架内，获取与QoS性能相关的关键因素，根据无线通信环境的动态变化在各层相关模块快速地选择最优的参数、算法和策略，以充分利用网络资源，达到系统吞吐量最大化、总传输功率最小化、QoS最优化等目的。
跨层设计技术是在协议层之间引入交互和依赖，使原来相邻的层之间通过以前没有的接口进行通信，或者让不相邻的层也可以通信。在无线环境中，传输层、网络层、链路层和物理层之间可以通过跨层协同工作来进行网络资源的整体管理，改善网络性能。所以，从无线因特网协议栈演进的角度讲，采用跨层设计技术是优化无线WNMs资源分配和QoS的有效方法。
基于跨层设计的资源分配与QoS优化的重点是如何在协议栈的各层之间交互相关信息，以及交互相关层的哪些信息。对于无线网络的物理层，其主要功能是使用合适的功率实现以最小错误率来传输原始比特，物理层中影响网络QoS的主要参数有传输功率、调制与编码等，通过在物理层改变传输功率和调制编码方式，可以影响MAC层和路由层的决定；对于无线网络的MAC层，其主要功能是进行无线信道的调度和分配。MAC层调度策略的好坏会直接影响数据包的时延、链路可用带宽等性能，而时延和可用带宽可能会影响路由层的路径选择，导致网络路由性能的变化。同时，MAC层的链路质量信息可以为传输层的拥塞控制提供支持。另一方面，如果MAC层能从应用层获得不同业务对QoS的要求，则可以对数据包队列采取相应的调度算法进行处理；对于无线网络的网络层，其主要功能是进行路由选择和接入控制。如果网络层知道MAC层相关的性能参数，就可以自适应调整业务流的传输路径，改善网络的性能。另一方面，如果网络层可以从传输层获得链路拥塞信息，根据拥塞程度选择合理的路径，可以有效地缓解链路拥塞。网络层也可以根据应用层业务对QoS的要求，例如时延、丢包率等，自适应调整路由算法选择路径以满足业务的QoS需求；对于无线网络的传输层，其主要功能是进行速率控制和拥塞控制。传输层通过跨层交互从MAC层获得链路状态、分组调度队列等消息来调整相关参数以改善网络性能。传输层也可以根据应用层业务的QoS需求调整相关参数，选择合适的传输协议；对于应用层，其可以根据传输层的吞吐量、丢包率和链路拥塞等信息或者链路层的吞吐量等信息调整自身的发送速率，从而达到优化数据传输质量的目的。
3.结束语
为了适应当前无线Mesh网络业务流的多样化要求，在无线环境中，打破传统协议层的束缚，把传输层、网络层、链路层和物理层之间通过跨层协同工作来进行网络资源的整体管理，从而改善网络性能。因此采用跨层设计技术是优化无线WNMs资源分配和QoS的有效方法，希望跨层设计思想能促进无线Mesh网络的进一步发展。
【参考文献】
[1]林闯，单志广，任丰原.计算机网络的服务质量（QoS）.清华大学出版，2004.4.
[2]张晖，董育宁，杨龙样等.无线Mesh网络QoS保障技术综述[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2009.
[3]石胜林.基于无线Mesh网QoS关键技术研究[D].华中科技大学，2011.
【关键词】无线Mesh；WNMs；QoS；服务质量
0.引言
近年来，Internet的发展使人们越来越容易的获得更多的信息和服务，而无线网络技术的发展为Internet的进一步发展提供了强有力的支持，促进了移动互联网的快速发展。以3G、4G为代表的无线网络接入技术相继出现，为扩大网络覆盖范围、降低网络成本提供了有效的解决方案。但在上述的无线网络接入技术中，网络的部署往往存在价格较高、受地理环境限制等问题。为了解决用户的接入问题，造价低廉、灵活性更高的大规模接入Internet的网络结构WMNs（Wireless Mesh Networks）开始出现。
WMNs是从移动Ad hoc网络分离出来的一种多跳、具有动态自组织和自配置能力的新型宽带无线组网模式。作为“最后一公里"宽带无线接入的关键技术之一，WMNs可以和多种无线网络，如WLAN、WPAN以及WMAN等相结合，提高网络的覆盖范围，改善无线网络的性能。作为一种新型无线网络结构，WMNs已被纳入到IEEE 802.16.2004、IEEE 802.16e和正在制定的IEEE 802.11S标准中。
WMNs具有大容量、低成本、覆盖范围广、扩展性好等优点。通过路由器的网关、桥接功能，WMNs可以与现有多种无线网络技术相结合，覆盖不同网络之间的服务盲区，为各种终端用户提供无线接入服务。
1.无线Mesh网络QoS存在的问题
无线Mesh网络与其它无线网张比有一定优势，但亦有不足，由于无线Mesh网络具有开放性、时变性、节点移动性等特点，QoS保障十分困难，面临许多挑战：
（1）容量限制：无线带宽是十分稀缺的资源。并且，在WMNs中，通常客户端节点只配置单射频网络接口，限制了网络节点的通信容量。
（2）不可靠及不可预测的信道质量：由于干扰及多径衰减的影响，多跳无线网络的通信媒介很不稳定，使得提供任何可靠的数据传输都是十分困难的。
（3）缺少集中QoS控制：在多跳无线网络中，没有记录客户端节点位置以及QoS信息的中心控制节点，QoS保障必须基于分布式方式实施。由于缺少网络全局信息，不能够在全局范围内以最合理的方式分配网络资源。
（4）共享无线媒体引起的资源竞争：在无线网络中，節点的数据传输不仅使用本地资源，而且要占用竞争范围内邻居节点的带宽。这样，支持QoS需求的资源分配变得十分复杂。
（5）有限的电池能量和生命期：移动通信设备通常依靠有限能量的电池供电。能量使用量越高，传输性能越好，设备的生命期也越短。所以，资源分配与QoS优化应该考虑剩余的生命期和能量的消耗速度。
（6）节点移动性以及动态拓扑：多跳无线网络客户端节点一般是移动的，导致路由信息时效性较差。并且，电池供电客户端随时有可能由于电力耗尽关闭，这种拓扑变化可能会引起QoS路径的重新确定。
另一方面，以宽带网络技术为主导的多媒体数据通信近年来在通信业务总量中的比重迅速上升。与传统业务相比，多媒体业务如视频会议、可视电话等具有数据量大、传输质量敏感性强等特点，对带宽、时延、时延抖动等提出了更高的要求。
无线接入网络，WMNs必须能够支持实时多媒体业务的传输。为了保证多媒体等高QoS要求网络业务的用户体验，WMNs必须基于网络特点进行合理、高效的无线资源分配与QoS性能优化。WMNs作为下一代无线网络的关键技术之一，提供较高的QoS是必然要求。然而，现有WMNs并不能完全满足应用业务的QoS需求，这成为宽带网络技术发展的主要障碍之一。因此，WMNs资源分配与QoS优化是目前国内外关注的热点。
2.无线Mesh网络QoS的优化
无线网络传输媒介的开放性和无线信道质量的时变性等物理特性使无线接入信道成为一种非常不稳定的媒介。无线接入信道的这种动态特性增加了无线通信网络设计的难度。从WMNs发展的过程看，由于现有的以有线网络为背景设计的QoS保障机制大都强调在协议栈的某一层上设计与实现，并不能反应其它层参数对QoS的影响。如果按照传统网络协议层设计，保持各层之间的透明性和独立性，人们为了保证物理层的可用性，往往只按照信道性能最差的情况和系统最低要求进行保守设计，这使得在信道质量较好的情况下造成频谱、功率等资源的浪费。所以，传统的严格分层OSI参考模型不能对无线网络资源进行整体管理，不能使网络性能得到整体优化。
因此，为了优化WMNs的性能，必须突破原OSI参考模型中严格分层的束缚，笔者提出跨层设计的思想，即在一个整体框架内，获取与QoS性能相关的关键因素，根据无线通信环境的动态变化在各层相关模块快速地选择最优的参数、算法和策略，以充分利用网络资源，达到系统吞吐量最大化、总传输功率最小化、QoS最优化等目的。
跨层设计技术是在协议层之间引入交互和依赖，使原来相邻的层之间通过以前没有的接口进行通信，或者让不相邻的层也可以通信。在无线环境中，传输层、网络层、链路层和物理层之间可以通过跨层协同工作来进行网络资源的整体管理，改善网络性能。所以，从无线因特网协议栈演进的角度讲，采用跨层设计技术是优化无线WNMs资源分配和QoS的有效方法。
基于跨层设计的资源分配与QoS优化的重点是如何在协议栈的各层之间交互相关信息，以及交互相关层的哪些信息。对于无线网络的物理层，其主要功能是使用合适的功率实现以最小错误率来传输原始比特，物理层中影响网络QoS的主要参数有传输功率、调制与编码等，通过在物理层改变传输功率和调制编码方式，可以影响MAC层和路由层的决定；对于无线网络的MAC层，其主要功能是进行无线信道的调度和分配。MAC层调度策略的好坏会直接影响数据包的时延、链路可用带宽等性能，而时延和可用带宽可能会影响路由层的路径选择，导致网络路由性能的变化。同时，MAC层的链路质量信息可以为传输层的拥塞控制提供支持。另一方面，如果MAC层能从应用层获得不同业务对QoS的要求，则可以对数据包队列采取相应的调度算法进行处理；对于无线网络的网络层，其主要功能是进行路由选择和接入控制。如果网络层知道MAC层相关的性能参数，就可以自适应调整业务流的传输路径，改善网络的性能。另一方面，如果网络层可以从传输层获得链路拥塞信息，根据拥塞程度选择合理的路径，可以有效地缓解链路拥塞。网络层也可以根据应用层业务对QoS的要求，例如时延、丢包率等，自适应调整路由算法选择路径以满足业务的QoS需求；对于无线网络的传输层，其主要功能是进行速率控制和拥塞控制。传输层通过跨层交互从MAC层获得链路状态、分组调度队列等消息来调整相关参数以改善网络性能。传输层也可以根据应用层业务的QoS需求调整相关参数，选择合适的传输协议；对于应用层，其可以根据传输层的吞吐量、丢包率和链路拥塞等信息或者链路层的吞吐量等信息调整自身的发送速率，从而达到优化数据传输质量的目的。
3.结束语
为了适应当前无线Mesh网络业务流的多样化要求，在无线环境中，打破传统协议层的束缚，把传输层、网络层、链路层和物理层之间通过跨层协同工作来进行网络资源的整体管理，从而改善网络性能。因此采用跨层设计技术是优化无线WNMs资源分配和QoS的有效方法，希望跨层设计思想能促进无线Mesh网络的进一步发展。
【参考文献】
[1]林闯，单志广，任丰原.计算机网络的服务质量（QoS）.清华大学出版，2004.4.
[2]张晖，董育宁，杨龙样等.无线Mesh网络QoS保障技术综述[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2009.
[3]石胜林.基于无线Mesh网QoS关键技术研究[D].华中科技大学，2011.