本文是一篇计算机应用论文，本文针对多接口多信道无线 Mesh 网络中的多播树构建、信道选择以及路由环路问题进行研究，提出了如正文部分所述的研究方案，获得了 MRMC-WMN网络性能的有效提升。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
无线 Mesh 网络（Wireless Mesh Network，WMN）起源于 Ad Hoc 网络，又被称为无线自组织网络，是下一代无线网络的关键技术之一，自出现以来就广受业界内的关注。无线 Mesh 网络可以提供接入到 Internet 网络的宽带无线服务，为需要高连通性的孤立区域提供无处不在的覆盖[1]，能够有效解决 Internet 网络的“最后一公里”瓶颈问题。无线 Mesh 网络因其具有组网灵活、安装简单、可靠性高和易于维护等特点，被广泛用于校园、工业、都市区域和传输系统等各种应用场景中[2]。无线 Mesh 网络中的节点分为三类：Mesh 网关、Mesh 路由器和 Mesh 客户端。Mesh 网关主要用于连接无线 Mesh 网络与其它多种类型的网络，如 Internet 网、无线局域网、WiM AX 网、蜂窝网和 WSN 等，提供网关和无线路由的功能。Mesh 路由器主要用于汇聚其连接的 Mesh 客户端产生的流量以及作为中继转发其它 Mesh 路由器产生的数据，具有无线路由的功能。Mesh 客户端通常是产生流量的笔记本电脑、带 WIFI 功能的手机以及 PDA 等终端设备，也具有一定的分组转发能力，但自身业务才是其主要功能[3]。
无线 Mesh 网络可以通过单播、多播和广播的方式进行数据传输。随着用户数量的急剧增加，客户端产生的流量也随之增长，对网络性能的要求也更高，多播传输作为一种能够满足多用户需求、提高报文利用率、网络效率以及增加网络容量的关键技术而受到广泛关注[4]。在多播通信条件下，允许源节点同时向一组接收节点发送数据分组，并且这组接收节点相互之间不会产生干扰，多播通信的这种特性叫做无线广播优势（Wireless Broadcast Advantage，WBA）。正是由于 WBA 的作用，使得多播通信比单播通信更加的节省带宽，也能更好的利用网络资源[5]。因此，在无线 Mesh 网络中有许多基于多播通信的应用，比如视频会议、远程学习、线上游戏等[6]。由于多播通信所具有的优势和重要性，使其成为无线 Mesh 网络中的重要研究领域之一[7]。
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1.2 国内外研究现状
近年来，已有大量工作致力于 MRMC-WMN 网络中多播路由算法的研究。文献[16]提出了一种编码感知且负载均衡的多播路由算法，在编码感知多播路由的基础上，考虑了路径上所有节点的通信密集程度与网络拥塞程度，大大提高了多播吞吐量，基本实现了负载均衡。但是该算法对多链路同步传输时的同信道干扰问题考虑欠缺。文献[17]研究了 MRMC-WMN 网络中的多播联合路由选择与信道分配问题，提出了一种最小化冲突负载的路由选择与信道分配算法，有效地减少了接口浪费，提高了网络的多播吞吐量。但是该算法在多播树构建过程中没有充分考虑干扰，同时也忽略了路由环路问题。文献[18]提出了一种为新到达多播会话进行负载与干扰感知的多播信道分配算法，优先为负载干扰权重大的节点分配信道，以达到让更多客户端能够成功接收多播分组的目的，提高了网络的平均吞吐量。文献[19]提出了干扰功率和负载均衡多播路由算法以及基于干扰功率的多播信道分配算法，在多播路由与信道分配过程中，利用干扰功率来精确地衡量干扰，综合考虑节点负载、干扰功率和链路数的影响，在源节点和接收节点之间建立合理的路径，构建有效的多播树，最终达到了提升无线 Mesh 网络性能的目的。
为了进一步改善网络性能，众多学者研究了定向天线技术在 MRMC-WMN网络中的应用，并取得了一定的成果。文献[20]的研究将定向天线应用在MRMC-WMN 网络中，并通过实验证明使用定向天线能够有效减少干扰，增加网络容量。文献[21]的研究也发现，相比全向天线来说，在 MRMC-WMN 网络中使用定向天线能够实现更高的网络吞吐量，获得更好的网络性能。文献[22]提出了一种使用定向天线并考虑干扰的功率控制方案，并通过实验证明该方案降低了能耗，提高了 MRMC-WMN 网络的吞吐量。文献[23]提出了基于传统的流言扩散机制的随机选择算法和基于贪婪策略的最大差异度优先算法，解决了使用定向天线的 MRMC-WMN 网络中的快速广播算法设计问题。上述研究虽然都在减少干扰方面取得了明显效果，但是缺乏了对使用定向天线会引起传输次数增加问题的考虑。文献[24]证明了 MCMT（Minimum Cost Multicast Tree)是一个 NP 难问题，并用 ILP（Integer Linear Programming）模型将其优化，提出了WCTB（Wireless Closest Terminal Branching）算法，该算法充分利用 WBA 减少了多播树中的传输次数，减小了网络资源浪费。为了减小了多播会话之间的干扰，该文献作者还提出了 MIMCR（Minimum Interference Minimum Cost Routing）算法，使 MRMC-WMN 网络性能又获得进一步的提升。文献[25]提出了 IRMT（Interference and Rate-aware Multicast Tree）算法和 IRBT（Interference and Rate-aware broadcast Tree）算法，这些算法不仅减少了多播树中的传输次数和干扰，还平衡了不同信道上的流量负载，改善了网络的带宽消耗，节约了网络资源，实现了增加网络多播吞吐量的目标。
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第 2 章 相关知识介绍
2.1 无线 Mesh 网络
无线Mesh网络是近年来兴起的一种经济高效的替代传统有线接入网络的下一代无线网络技术，结合了无线局域网和无线 Ad Hoc 网络的优点，网络的形成具有自组织和自配置特性，节点在网络中可以自我创建和维护链路。无线 Mesh网络可以和多种接入技术相结合，组成一个具有多跳链路的无线网状网络，它的出现与发展极大地提高了移动通信网络容量。无线 Mesh 网络因其快速部署，易于维护，并能在恶劣地形中提供通信服务而受到人们的青睐，在实际生活中得到了广泛的应用。
2.1.1 无线 Mesh 网络概述
在传统的无线局域网中，用户之间如果要进行彼此通信，必须先访问一个固定的 AP，这种网络称之为“单跳网络”。这种网络有一个致命的缺点，即容易出现单点故障或单点失效，导致整个网络瘫痪。而无线 Mesh 网络是通过无线链路将众多 Mesh 节点连接起来构成的多跳自组织网络，与传统的无线网络完全不同[26]。无线 Mesh 网络中的节点包括 Mesh 客户端和 Mesh 路由器。Mesh 客户端可以是位置固定的，也可以从一个地方移动到另一个地方。而 Mesh 路由器一般是静止的，即使可以移动，其移动性也非常小，众多 Mesh 路由器相互连接就构成了无线 Mesh 网络的主干[27]。
在无线 Mesh 网络中，每个节点都具有路由功能和分组转发功能，可以同时接收和发送信号，与一个或多个对等节点进行直接通信。并且 Mesh 节点之间能够动态地建立和保持连接，保障健壮可靠的网络覆盖，为终端用户提供高质量的网络服务，很好的满足业务需求。除此之外，无线 Mesh 网络中一般不会出现单点故障的问题，因为当网络中的某一节点因流量过大而发生拥塞时，分组可以自动重路由到一个流量较小的邻节点继续转发。分组以这种方式在网络中逐跳传输，直到到达最终的接收节点。这种访问网络的方式叫做“多跳访问”，无线 Mesh 网络也因此被叫做“多跳网络”。
图 2-1 骨干 Mesh 网络结构示意图
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2.2 无线 Mesh 网络多播技术
2.2.1 多播技术基础
IPv4 中定义了三种类型的 IP 地址：单播地址、多播地址和广播地址，分别对应单播、多播和广播三种分组传送方式[31]。单播方式中源节点一次只能给一个接收节点传送分组；多播方式中源节点能够一次有效地把分组发送给本网络中的一组节点，只有相关路由器和客户端参与多播分组的发送和接收；广播方式中源节点可以一次将分组发送给本网络中的所有节点。
在某些具有特殊要求的应用场景中，网络中某些节点需要同时给一组节点发送相同的分组，比如视频会议、线上游戏等。在这种情况下，若采用单播方式会导致网络负载加重，节点之间时延差异加大，无法满足业务对时延的要求；若采用广播方式又会占用大量带宽，浪费网络资源。而采用多播方式可保证待发送的分组只被发送一次，并且只有属于多播组成员的接收节点才能接收该分组。采用单播、多播和广播实现多播传送功能如图 2-4 所示。
图 2-4 采用单播、多播和广播实现多播传送功能
在移动通信网络中，IP 通过 D 类地址支持多播，每个 D 类地址都代表一个多播组地址，图 2-5 示意了多播地址空间的划分情况。当网络中的路由器在进行分组转发时，如果发现分组的目的 IP 是 D 类地址，就会先查看多播路由表，然后再将该分组转发给它的多播接收节点。顺利进行多播分组的传输需要完成两项基本工作：一是对成员节点的加入和离开进行管理；二是建立有效的多播路由表，让多播分组能够正确地到达每个多播接收节点。
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第 3 章 干扰感知波束信道选择多播路由算法................
