无线Mesh网络中基于定向天线的关键技术研究

Wireless mesh networks(WMN) is one of most promising technology in wireless networks. How to achieve deployment, channel assignment and network fairness problem are some important challenges in WMN. The directional antenna can reduce the interference and increase the spatial reuse and potential capacity of wireless network, therefore being regarded as an effective approach to improve the performance of wireless mesh network. This project researches the related key problems of the WMN based on directional antenna technology from a new perspective. The main research contents are as follows:(1) studying the Delaunay triangle-based directional antenna WMN gateway deployment problem, aiming at solving the little angle, long edge problems of traditional Delaunay topology, so as to decrease the deployment cost and interference by using less antennas and promote the network performance at the same time;(2) researching the power regulation-based topology control method for wireless mesh networks using directional antennas, so that solve new interference and energy loss problem after adjusting Delaunay triangle to achieve a gateway deployment of wireless mesh network using directional antenna;(3)studying the max-flow theory-based WMN channel assignment algorithm of the directional antenna by analyzing the interference model of the directional antenna and WMN traffic characteristics; (4) exploring the directional antenna-based WMN fairness problem, the construction of WMN fairness evaluation system and the design of fairness scheduling algorithm, with a aim to balance the fairness and network resource utilization. This project can provide new thinking and technical means, for popularizing the application of directional antenna technology to promote the WMN performance， and has practical significance and theoretical instruction value.

无线Mesh网络(WMN)是目前最具发展前景的无线网络技术之一，面临着网关部署、信道分配、网络公平性评价等挑战性问题。定向天线可以降低干扰，有效地增加无线网络的空间复用率,显著提高无线网络的性能和容量，因此被认为是提升WMN网络性能的有效手段之一。本项目从新的角度研究采用定向天线的WMN网络相关关键技术问题，主要内容包括：（1）基于Delaunay三角的定向天线WMN网络部署问题研究，解决传统Delaunay拓扑的小角、长边问题，减少天线数量，降低部署成本和干扰，提高WMN网络性能；（2）基于功率调节的定向天线拓扑结构研究，通过功率控制方法进行拓扑结构控制，解决采用Delaunay三角进行定向天线WMN网络部署后产生的新的干扰和能耗浪费问题；（3）结合定向天线的干扰模型和WMN网络的流量特征分析，研究基于最大流理论的定向天线WMN网络信道分配问题；（4）基于定向天线WMN网络公平性问题研究，建立WMN网络公平评价机制，设计相应公平调度算法，能够有效地在公平性和网络资源利用率之间折中。本项目的研究对推动利用定向天线特性提升WMN网络性能提供了新的思路和技术手段，具有重要的理论和现实意义。

本项目从新的角度，对基于定向天线的无线Mesh网络（WMN）骨干网络部署方案和拓扑控制方法、干扰模型和流量特征分析、信道分配和资源分配、网络公平性问题、无线网络能源优化技术等相关关键技术进行研究，取得了较好的研究成绩。研究成果主要体现在以下方面：.⑴利用Delaunay图形的特性，提出了基于Delaunay三角的定向天线WMN骨干网络部署优化模型和基于功率调节的网络拓扑控制方法，解决了采用多个定向天线的WMN网络部署成本问题，降低了干扰和能耗，提高了WMN网络的空间复用率。.⑵建立了基于M/M/1模型的定向天线WMN网络网关分析模型，提出了面向WMN的非抢占式有限优先权M/M/n/m排队论模型及其优化方案，基于有限优先权的WMN网络信道分配算法；构建了基于IEEE 802.11e EDCA协议的WMN网络非合作博弈资源分配模型，提出了基于纳什均衡解的WMN网络资源分配算法。这些模型和算法保证了信道资源的公平分配，提高了网络资源的利用率和网络的效能。.⑶设计实现了WMN网络中基于定向天线的公平性模型及其相关的上下行带宽公平性调度算法，保证了业务间的公平性，提高了WMN网络的服务效率，提升了网络的吞吐量。.⑷以LET网络为研究对象，从物理层、MAC层、传输控制层、应用层等角度研究无线网络的能源效率及其节能问题，建立了用户QoE分析模型，提出了一些分别适用于物理层、MAC层、传输控制层、应用层的无线网络节能方案和节能机制，提高了LET网络的运行效率，降低了设备的能耗。.⑸研究云迁移架构下的XMPP节能方法，建立了多持久连接的能耗模型，提出了一种基于云迁移的XMPP协议节能改进方法和一种支持多持久连接低负载快速节能XMPP云迁移扩展协议，较好解决了智能移动终端承载多条持久连接所带来的负担，减少了发送次数，加快了消息编码与解码性能，达到节能效果。.本项目的研究成果为丰富WMN网络理论分析领域的内容，推动利用定向天线特性提升WMN网络性能提供了新的思路和技术手段，对于推动WMN网络的实际应用有着较大的现实意义，在理论上也有极强的研究与学术价值。.本项目培养了硕士研究生14名。课题组成员共发表了学术论文35篇，其中被SCI收录3篇，EI收录9篇，ISTP收录1篇。承办了国内学术会议2次，资助参加国内外学术会议23次。申请国家发明专利3项；撰写完成专著1部。