信息通信专业资料无线MESH网络1(word版).doc

小组人员以及各自工作略无线MESH网络一、 无线MESH网络（WMN）简介：无线网格网（Wireless Mesh Network WMN）是一种全新的无线网络技术，是移动Ad Hoc 网络的一种特殊形态。其核心是让网络中的每个节点都发送和接收信号，使普通无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性差等问题迎刃而解。网络中大量终端设备能自动通过无线连成网状结构，网络中的每个节点都具备自动路由功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种自组织、自管理的智能网络，不需主干网即可构筑富有弹性的网络WMN它主要由移动互联交换控制中心、智能接入点、无线路由器、WR无线终端网卡四部分组成，整个网络以移动互联交换控制中心为中心建立。移动互联交换控制中心通过网线与智能接入点直接相连，在智能接入点的周围相应位置安装若干个无线路由器，以扩展通信范围。整个网络由下列组成部分构成智能接入点（AIP/AP）、MESH路由器（MR）、终端用户/设备（Client），如下图所示：图1 无线Mesh的网络体系结构无线网状网有很多优点。采用了直接序列扩频技术在发送端直接用具有高码率的扩频编码去扩展信号的频谱，优点是：因信号扩展到很宽的频带上，单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。这样，信号将淹没在噪声之中，对方难于发现信号的存在，加之对方不知道扩频编码，就更难提取有用信号。在相距较远的节点间通信时，数据包将通过多个节点的转发，逐步传递到目的节点。这样，无线链路长度将被缩短，对天线的性能要求以及所需发射功率也将降低，从而减少了信号间干扰。无线网状网具备不依赖卫星定位系统GPS的定位功能。网络中的无线路由器和智能接入点等固定设备可作为定位用的固定参考点。这些固定参考点通过测量无线终端反馈回来的无线电信号可计算出终端的位置，再通过三个以上的固定参考点的测量结果对其位置进行修正，最终得出终端的准确位置。该定位系统的误差在时速200km的情况下1 秒钟之内不超过10m。二、WMN的物理层协议：传统网络的物理层主要以有线为主，包括光纤、同轴电缆、双绞线为主。主要在信道上传输原始的比特流，并且传输带宽要受传输介质的制约。传输过程之中容易受到传输介质的状况的控制。无线网状网络的不同之处在于它将原始的比特流经过调制成为信号波，然后再经过扩频等处理，将信号以微波的形式发出，经过接受方天线接收，并进行与发送方相反的处理，将信号还原如解频、解调制并进行采样、量化、编码得工作。将信号还原为比特流信号。这也是大多数无线网络的运用的共同方式。而WMN网络又有不同之处，为了增大无线网络的容量，多种不同的高速有效的物理层技术被使用。无线网状网的核心是移动跳接式路由技术(Mobile Ad Hoc)，这是它能实现移动宽带的根本。在一些厂家的产品中还采用了QDMA (Quad Division Multiple Access，是频分多址、时分多址、码分多址、带有避免冲突的载波侦听多路存取协议的结合技术)专利技术，提高了它的频谱利用率和抗干扰特性。无线网状网的物理层关键技术要求：网状网节点收发器的功耗足够低。网状网是多跳系统，传输距离近，节点数量多，整个网络功耗要控制在一定数量以下，其节点收发器功耗必须足够低。组网能力强，网络容量大。由于网状网节点数量众多，要形成网状拓扑结构，节点设备必须具备相当的组网能力。组网成本低。一种技术是否具有良好的应用前景，成本高低是能否被客户和市场接受的重要因素。在家庭娱乐场所应用时还要求有较高的数据传输数率，以支持多媒体数据流的传输。目前，可以作为网状网的物理层关键技术有IEEE802.11b/a/g、ZigBee和UWB技术，网状网和UWB这两种技术有最终融合的趋势。1、 基于IEEE802.11b/a/g的网状网技术802.11b工作于2.4GHz的公共频段，物理层支持5.5Mbit/s和11Mbit/s两个新速率。802.11b的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化，802.11b工作于5GHz频带，物理层速率可达54Mbit/s，802.11a采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。802.11g也工作于2.4GHz频带，无线网络传输速率可达54Mbit/s，比现在通用的802.11b要快出5倍，并且与802.11b完全兼容。使用基于IEEE802.11a/b/g的网状网技术的优势在于传输数率较高，传输距离远，其产品能够与现有的无线网（WLAN）产品兼容。其缺点在于产品功耗较大，价格较高，相邻频道存在相互干扰，整个网络的容量有限，802.11b速率太慢，不适合传输视频数据；54Mbit/s速率的802.11a标准可以处理视频数据，但费用昂贵，功耗大，组网成本高，协议开销大，需要接入点。基于IEEE802.11b/a/g的网状网技术优缺点如表1所示。表1 基于IEEE802.11b/a/g的网状网技术优缺点工作频率传输速率适合业务功耗组网能力组网成本802.11b2.4 GHz11 Mbit/s数据，图像额定传输功耗约为50 mW每个设备可支持多达254个设备，组网能力强单片网卡需要几十到上百美元，组网成本高802.11a5 MHz54 Mbit/s语音，数据，图像802.11g2.4 GHz54 Mbit/s语音，数据，图像2、.基于ZigBee的网状网技术一直以来，低成本、低速率、低功耗的无线传输技术在很多领域有极大的需求。ZigBee正是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（ZigBee的峰值数率为250kbit/s）、低成本的无线传输技术，它是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术提案。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点。而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee工作于868MHz、915MHz或2.4GHz，（其中2.4GHz是一个开放的频率），在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，主要用于近距离（如网状网等）无线连接。基于ZigBee的网状网技术优势和缺点如表2所示。表2 基于ZigBee的网状网技术优缺点工作频率传输速率适合业务功 耗组网能力组网成本868 M z(欧洲)，915 M Hz(美国)或2.4 GHz峰值速率为250 kbit/s只适合传感器和控制领域低速数据传输待机功耗340A，两节普通5号电池可用6个月到两年每个ZigBee设备可支持多达254个设备，组网能力强ZigBee芯片单片目标成本几美分，组网成本低一是低功耗、电池寿命长，这一点对ZigBee作为网状网技术特别是用在工业控制领域至关重要。ZigBee的待机功耗比蓝牙还要低12个数量级（ZigBee为340A）。二是组网成本低，容易被市场接受。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；三是网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每ZigBee 设备可以另外254台设备相连接。工作频段灵活，使用的频段分别为2.4GHz、868、MHz（欧洲）及915MHz（美国），它们均为免执照频段。基于ZigBee的网状网的缺点在于它只适合数据传输较低的如控制等方面的应用，而不适合传输大量视频数据。3、基于UWB的网状网技术超宽带技术UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，又称脉冲无线技术。它占有的频谱范围很宽，其中心频率大于500MHz，相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于25%。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十纳秒）直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。基于UWB的网状网技术优势和缺点如表3所示。表3 基于UWB的网状网技术优缺点工作频率传输速率适合业务功 耗组网能力组网成本3.1-10.6GHz500 Mbit/s(传输范围为10米以内)只适合近距离的多媒体数据流毫瓦以下组网能力极强目标价格几美元UWB技术的特点决定了整个网络的功耗可以很低。UWB技术使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.201.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在调整通信时系统的耗电量仅为几百微瓦几十毫瓦。基于UWB技术的网状网成本很低。由于UWB本身的技术特点，即UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要用放大器与混频器，因此，UWB允许采用费用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB收发系统结构实现比较简单，整个网络成本可以很低。网络数据传输速率高，系统总容量大。民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，其传输速率可达500Mbit/s，UWB以非常宽的频率带宽来换取调整的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。超宽带无线电具有极强的穿透能力，冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，因此特别适合于家庭的不同房间、企业不同部门间建立无线网状网。UWB作为网状网系统的物理层技术具有极佳的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。UWB作为网状网系统的关键技术，多径分辨能力高，抗信道衰落能力强。由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多长信号在时间上是可分离的。于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达1030dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。基于UWB的网状网技术缺点为，由于UWB技术功率限制，单跳传输距离短，只有10多米的距离。此外，由于UWB系统占用的带宽很大，UWB系统可能会对其他无一通信系统造成干扰，而且UWB本身标准还未统一，势必影响市场的占领。UWB本身的技术优势决定了UWB的网状网技术主要适用于近距离室内等密集多径场所。通过以上3种网状网的物理层关键技术的分析，作为一种理想的网状网物理层技术，UWB和网状网技术的融合将是未来网状网技术发展不可避免的趋势。三、WMN的MAC层协议：WMN中的MAC和传统的无线网络中的MAC不一样：它更关心多跳的通信；它是分布式的，需要多点合作共同为多点到多点的通信服务；为了在邻居节点之间和多跳节点之间更好的合作，它需要是一个自组织网络；尽管WMN是一个无线网络，但是网络的移动性仍然影响其MAC的性能，虽然这种影响很小。WMN的MAC协议分为单信道模式和多信道模式，WMN的MAC协议可以设计成同时工作在单信道或者多信道模式，本文主要介绍了多信道MAC协议的设计。1、 多信道无线Mesh网络MAC协议设计面临的问题多信道的MAC协议与单信道的MAC协议相比，设计上更加复杂。由于WMN的多跳性，缺乏集中式控制、网络拓扑时变等特点，使多信道MAC协议的设计面临诸多问题，设计上更加困难。主要有以下问题。(1) 多信道的隐藏终端问题：在单信道的MAC协议中，隐藏终端与暴露终端问题始终困扰着我们。虽然采用RTS与CTS握手方式，但仍不能完全避免隐藏终端的发生。在多信道的MAC协议中，同样也存在隐藏终端问题， 即多信道下的隐藏终端。图1是一个WMN多信道MAC协议下的隐藏终端问题。4个节点A、B、C、D ，假如每个节点有一个收发器，同时网络中有N个信道可用，一个信道专门用作控制信道，其他信道传输数据。当节点没有数据发送和接收时，它一直在监听控制信道。当A要向B传输数据时，通过控制信道，交换RTS和CTS消息，实现信道的预留。当A发送RTS时，附带一个可以使用的信道表。当B收到RTS后，选择一个信道，同时将选择结果附加在CTS上传给A。当A收到CTS后，A B将它们的信道切换到已协商的数据信道上，进行数据传输和ACK。数据传输结束后，A和B立即将信道切换到控制信道。若A又有数据向B发送，A 在信道1上(控制信道)向B发送一个RTS包。B选择信道2进行数据传输，向A发送CTS包。RTS和CTS消息在A和B的传输范围内，预留了信道2作为数据传输信道实现冲突避免。然而，当B向A发送CTS时，C在另一个信道上接收数据，不可能听到B发送的CTS。由于不知道B要在信道2上接收数据，C可能会和D在相同的信道上传输数据，结果与B发生冲突。图 2 上面情况的发生是因为节点不能使用虚拟载波侦听，不能像有线网络那样避免冲突的发生。但假如每个节点都在一个公共信道上侦听，则C就会听到在公共信道上传输的CTS包，为自己选择不同的信道进行传输。我们称上面的冲突问题为多信道隐藏终端问题。在设计多信道的MAC协议时，要尽量避免隐藏终端的情况发生。(2) 接收端忙问题：当一个发送者将它的信道切换到接收者的信道时，接收者此时是否还停留在原来的信道，若此时接收者正好切换到别的信道，发送者以原信道来切换，则接收者不能侦听到广播信号或者是RTS。(3) 广播消息问题：传统的WMN及Ad hoc网络是依靠广播信号来实现网络的操作，包括路由发现、路由维护、地址解析等信息的传送。由于终端的移动性、网络拥塞和无线信道的不可预知性，一个节点可能失去它的连通性，频繁更新路由信息。在设计多信道MAC协议的过程中，必须考虑必要的广播消息，保证这些消息准确及时的传送。对于一个节点来说，如果使用切换的方式，有可能遗漏一些广播消息。因此，在设计过程中，如何有效保证广播信息的接收是非常重要的。2、多信道无线Mesh网络MAC协议近几年来，在多信道MAC协议上有很多成果，主要有以下几种:按控制信道分有专用控制信道的多信道MAC协议、无专用控制信道的多信道MAC协议。前者采用专用的射频(在控制信道上) 来传递控制信息，能更有效的传递控制信息，但信道的利用率不高;后者不能有效的传递控制信息。按节点射频分有多射频多信道MAC协议、单射频多信道MAC协议。前者每个节点有多个射频，节点可以同时在多个信道上传输数据，在多个信道上实现“边说边听”的功能，更有效的控制节点的传输(1) 动态信道分配(DCA)多信道MAC协议：动态信道分配(DCA)多信道MAC协议是有专用的控制信道、2个射频的多信道MAC协议。在DCA多信道MAC协议中，假定有1个控制信道，N个数据信道，每个信道具有相同的带宽。控制信道用来解决信道的冲突和为每个终端分配信道的问题;数据信道用来传输数据。每个终端有两个半双工的收发器，即控制收发器和数据收发器:控制收发器在控制信道上与其他终端交换控制信息，得到接入数据信道的权力;数据收发器动态地切换到一个数据信道上传输数据。每个终端设备包括两个数据结构:CUL和FCL。CUL称为信道使用表。每个表的条目CUL i 保存着邻居节点和它本身的一个记录。CUL i 有三个域:CUL i .host是它的邻节点号、CUL i . ch是CUL i . host使用的信道、CUL i . rel_time 是信道释放的时间。每个节点分布式的保存一个CUL表，实时更新。但由于网络延时，记录的信息可能不准确; FCL为空闲信道表，是依据CUL动态计算出来的。对于节点A要与B进行通信，A发送RTS到B ，RTS附带A的FCL。B收到RTS、FCL后，与它自己的CUL对比，找到一个可用的数据信道，然后回复CTS。A到B的CTS后，发送一个RES(Resource)包，以防止邻节点使用此信道。同样，B用CTS抑制它的邻节点使用此信道。所有这些数据交互都是通过控制信道来传送的。DCA多信道MAC协议是一种简单的多信道MAC协议，它提高了网络的吞吐量，降低了网络时延，通过使用专用的控制信道，使路由发现、路由维护、地址解析等广播信息有效地传输。但由于使用了专用控制信道，信道的利用率不高。(2) MMAC多信道MAC协议：MMAC ( Multi channel MAC)多信道MAC协议是没有专用控制信道、1个射频的多信道MAC协议。在MMAC协议中，每个节点配置一个半双工收发器，且是同步的。每个节点维持一个PCL (Preferable channel list)表。表中的数据记录了这个节点可以使用的最优信道。基于这个信息，信道分成三个状态：高优先(HIGH)表示此信道在当前的信道内正在被节点使用。如果信道在这个状态，则节点在下一次传输的时候，优先选取这个信道作为数据信道。这样，发送端就不用调节射频到新的频率，延迟减小；中优先(MID)表示此信道在节点传输范围内还没有被使用；低优先(LOW)表示此信道已被至少一个邻节点选取。在节点初始化时，PCL表中所有的信道都置为MID状态，如果在源端与目的端协商了一个信道，在双方的PCL表中将相应的信道记录为HIGH 状态。通过动态改变信道的状态，实现信道的选择。由于没有专用控制信道，每个节点在每个信标周期的开始，都在公共信道上监听，通过发送或接收控制信息，实现控制信道的信息传输。MMAC多信道MAC协议采用单射频的方式进行工作，因此信道利用率较高。但由于使用了同步，且对同步的要求较为严格，实现起来较复杂，同时，对广播数据支持较差。(3) 基于主信道分配的( PCAM)多信道MAC协议：PCAM多信道MAC协议是有专用控制信道、3个射频的多信道MAC协议。在PCAM协议中，每个节点配置三个半双工收发器。其中主收发器和第二收发器用来传输数据，第三收发器用来传输和接收广播消息。在特殊情况下，第三收发器也可用来传输数据。第二个收发器主要用作发送数据，它的信道分配是不固定的。图3描述了一种可能的通信情况。信道1作为广播信道，当两个节点分配了不同的主信道(Pch) 时，发送者将第二个接口卡切换到接收者的主信道上，与接收者进行数据传输。当两个节点有相同的主信道时，节点使用主接口卡来进行数据传输。同时，第二接口卡不能在相同的信道上传输数据，因为会将与主接口卡发生冲突。在接收者使用广播信道作为主信道时，接收端第三个收发器是不能使用的，发送端使用第三个信道接收端的主收发器通信。因为主信道是提前分配的，这个方案不需要任何的专门控制信道来动态进行信道的协商。与其他方案不同，这里需要进行频繁的信道分配，节点要在一个公共信道上守候。在这种方案中，第三个收发器主要用来实现广播数据的收发。系统分配公共信道，所有的第三个收发器都使用这个信道。这种机制可以实现数据信号与控制信号的分离，且路由信息比数据优先级高。该方案广播数据支持性较好，路由发现、路由维护等信息能够较好的传送。节点通过广播信道发送路由请求和接收路由信息。能够避免隐藏终端的发生，减小网络时延，为信道性能最差的情况和最低要求进行保守设计：但由于每个节点的网络接口卡过多， 因此成本高、信道利用率低。图 3 在MAC层中还有一个急待解决的问题就是能量问题，这是很多无线网络目前都没有很好解决的问题。也有很多人提出在MAC层解决这个问题的算法，基本上从两个方面考虑，减少结点的侦听时间，让暂时不工作的结点处于休眠状态；设计算法来动态的更改结点发送数据的功率。四、路由层l 路由层研究的背景及其特点WMN的网络层与Internet集成紧密，因此和很多无线网络一样使用IP协议。但是，WMN的路由协议与传统有线网的路由协议有很大区别，所以WMN网络层的问题主要是路由问题。WMN是adhoc网络的一种特殊形态,继承了adhoc网络的特点,具有自配置、自组织与自管理等特性,所以部分传统的adhoc网络路由协议在WMN中仍然可用,但需要在WMN路由协议设计中考虑其特殊性。基于已有的ad hoc网络的路由协议以及WMN的特殊需求，一个理想的WMN路由协议应该具备以下特点：(1) 路由判据：许多已有的路由协议均以最小跳数作为路由判据。研究表明,在大多数情况下,该路由判据的性能并不是最优的。假设网络上两个节点之间最小跳数路径的链路质量很差，如果采用最小跳数作为路由判据，这两个节点之间的端到端吞吐量、误码率等性能将变得非常差。因此，新的路由判据必须能正确反映出链路质量对各指标的影响。另外，如果拥塞发生的话，最小跳数同样无法正确度量链路的性能。通常采用节点往返时间延迟RTT(Roundtrip Time Latency)作为额外的路由判据。(2) 路由容错:配置WMN时，必须考虑到链路失败发生时网络的健壮性。当链路断裂时，路由协议必须能够快速的选择另一条路径来防止服务中断。一般有两种重建方法:一种是利用缓存路由进行数据发送;另一种是通过重新执行路由查找过程实现路由重建。在WMN中,由于Mesh路由器移动性小,路由错误往往是由数据冲突造成的,并非实际链路断裂造成。有两种方法可以解决该矛盾:利用跨层设计机制,在MAC层,对因冲突而发送失败的数据报文进行二次处理;通过对节点增加路由缓存功能,对暂时不能发送的数据报文进行缓存,待无线信道质量变好时再次尝试发送(3) 负载均衡：在WMN中,所有节点通过路由协议共享网络资源。因此,WMN路由协议必须满足负载均衡的这一要求。如当网络中某些节点发生拥塞,并成为整个网络的瓶颈节点时,新的业务流应能绕过该节点。可以从两个方面来解决该问题:通过路由发现机制在业务流建立阶段绕过网络中的拥塞区;利用路由维护机制在链路发现拥塞时,自动选择其他路径进行数据传输。此外,以节点往返时间延迟RTT(Roundtrip Time Latency)作为性能判据在一定程度上达到负载均衡的目的。但由于RTT受链路质量影响,并不对所有情况都有效。总之,路由判据需要在一定程度上满足负载均衡的要求。(4) 网络容量：随着网络规模的增大,利用广播机制进行路由查找的方法会消耗很多网络资源。同时,由于大规模网络建立路径时将花费很长时间,使端到端的延时变大。而且，即使路径已经建立,节点状态也有可能发生变化，导致又需要消耗很大的网络资源进行路由重建。(5) 路由效率：设计路由协议必须考虑到协议的效率，应该尽可能简单。由于mesh路由器具有最小的移动性、没有能量约束，其路由协议应该比普通adhoc网络的路由协议要简单的多。而对于mesh终端而言，路由协议必须具有adhoc路由协议的全部功能，与普通adhoc网络协议不同的是，可以利用mesh路由器提供的mesh基础设施来简化相关的协议。总之，为WMN设计一个能够自适应的支持mesh路由器和mesh终端的有效的路由协议是非常必要的。l 路由协议分类及其应用1. 多判据路由Dickman在其文章中对不同路由判据进行比较，并基于DSR(dynamic source routing)提出了一种新的路由协议链路质量源路由LQSR(,Link-Quality Source Routing),该协议的目的是选择能够保证整个网络最佳性能的最优路径。该协议分别独立实现了平均传输次数ETX(Expected Transmission Count)、节点往返时间延迟RTT(Roundtrip Time Latency)和数据对延迟时间PktPair(Packet -pair Latency)这三个路由判据。该文章把以上三种路由判据的性能与最小跳数HOP(HopCount)判据进行了对比。当节点完全静止时,ETX获得最好的性能。RTT与PktPair由于冲突的影响,性能稍差。但在网络节点移动时，最小跳数判据则优于其他三种判据。这是因为节点移动时,ETX不能及时反映出链路质量的变化。研究表明,以ETX为判据的路由协议在WMN中加入移动节点时性能还不够完善,需要提出更优的性能判据，新的判据必须能够集成多个路由判据的影响。2. 多射频路由在WMN中，可以通过为每个节点配置多射频的方式在不修改MAC协议的前提下提升网络容量。Richard Draves在其文章中提出了一种多射频路由协议MR-LQSR，该协议同样是基于DSR路由协议，假设WMN中所有的mesh路由器均为静态节点，每个节点有多个不同且互不干扰的无线收发器。MR-LQSR协议采用一种新的路由性能判据,称为加权累计传输时间WCETT(Weighted Cumulative Expected TransmissionTime)。WCETT综合考虑了带宽等链路性能参数以及最小跳数等因素，为了获得最佳路径，不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关状态信息,而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣，因此该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。在文章中，还提出了通过为单射频配置多信道来提升容量的路由方式，但是由于多信道节点和多射频节点的巨大差异性，这些方案在实际中很难实现。3. 多路径路由多路径路由技术可以很好地避免单路径时的网络震荡影响,在充分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡、路由迂回和容错等。在源节点和目的节点之间选择多条路径，使用其中一条路径传送数据报文。在其中某条链路因为信道质量恶化不能正常工作时,其他链路可以继续使用,因此,也可以在路由故障时,避免路由重建等操作。多路径路由比较复杂,尤其对于仅靠路由表驱动的路由协议，因此多路径路由有其应用的局限性。另外，采用多路径技术后数据报文到达的顺序可能得不到保证。此时,上层协议是否需要作相应的改动等问题还有待研究。由于多路径路由可以很好地满足负载均衡与路由容错这一特点,所以它的研究是个热点。4. 分级路由在分级路由中，网络通过自组织的方式将网络节点分组成不同的簇。每一个簇都有一个或多个簇头。为了保证网络的连通性，一些节点能够与非本簇节点通信，作为网关工作。通过分级技术,在簇内与簇间使用不同的路由,分别发挥其优点,从而实现大规模WMN路由协议。如果节点密度比较高，采用分级路由可以大大降低网络的能量消耗，缩短平均路由路径，加快路由路径的建立，从而提高网络的性能。但是，维护网络分级的复杂性很有可能会降低路由协议的性能。由于选择的簇头不一定是具有更高处理能力和通信能力的节点，如果所有的数据业务都需要通过簇头转发,簇头将成为整个网络的瓶颈；若数据业务不通过簇头转发,该路由的设计变得更加复杂。分级路由是一种用于提升网络容量的路由方案，但是，能否真正的解决网络容量问题还需要时间的考验。5. QOS路由如何为用户提供QoS保证是当前路由研究的热点问题。特别是对于实时业务,如何提供QoS支持更是迫切需要解决。QoS路由的主要思想是首先需要选择满足用户各种QoS要求的到达目的节点的路径;其次,在路径建立后,若当前路径已经不能满足用户QoS需求,则节点需要寻找新的路由。Lei Chen提出的路由协议通过对网络剩余带宽进行估计,选择满足用户需求的路径,为用户提供特定带宽要求的QoS保证。Imad Jawhar在TDMA的基础上,提出一种QoS路由机制:在路由寻找阶段,对资源进行预约,从而保证在路由建立后能够获得足够的带宽资源来满足用户的需求。6. 预测路由Tropos公司提出了一种应用于Wi-Fi蜂窝网络户外系统的预测路径优化协议，该协议能够改进终端用户的吞吐量并通过连续的优化网络性能来补偿变化的无限射频环境。该协议被称为预测无线路由协议PWRP(Predictive Wireless Routing Protocol)，和传统的有线路由协议（例如OSPF）类似。但是，RWRP并不使用路由表，也不基于跳数来选择传输路径。它通过比较数据报文错误率及其他网络条件来选择在特定环境下的最优路径。RWRP协议选择可达到最大吞吐量的路径来传输到达有线网关的业务,通过选用性能最佳的路径,减小了射频干扰、路径故障以及业务载荷等因素的影响，适用于大规模网络,具有路由开销小等优点。7. 链路质量路由该协议是SRIKRISHNA于2004年1月申请的Mesh路由专利,拓扑结构下图所示。该协议以到达因特网接入点的路径质量为判据选择最优路径。所有节点接收来自接入点的路由数据报文,该数据报文记录了到达接入点的路由信息。在一段时间(T1)后,节点将收集在此T1时间内节点间的数据传输成功率,并以此作为路由选择的判据,具有最大数据传输率的路由将被选中,所有节点继续接收来自接入点的路由数据报文。在T2(T2T1,T2足够长)时间内,若某路由拥有更大的数据成功传输率,则该路由将作为第二次路由选择时选中。在第二次选择的路由中,若某路由能带来最大的吞吐量,它将被第三次选中。最佳路由将在第三次选择中产生。图1 基于链路质量选择路由的路由协议拓扑图8. 跨层路由路由协议与MAC协议之间的跨层设计是是路由研究的一大课题,以往的研究都集中在网络第三层上,结果并不理想。可以从第二层提取一些参数信息作为路由判据,仅仅在MAC层与路由层之间进行数据交换也许还不够,还可以考虑合并MAC与路由层之间的一些功能。对于多射频和多信道的无线mesh节点而言，由于路由协议不仅需要在源节点和目的节点之间选择一条路径，还需要选择合适的信道或射频，而且，路由路径的变更也报文括节点的信道和射频的切换，所以，如果不使用跨层设计，WMN的性能将会大大降低。LuigiIannon在其文章中基于跨层设计思想提出了从底层采集路由判据的方法进行路由选择,考虑了MAC层冲突、报文成功传输率与数据成功传输率等参数。在路由协议中,根据这些判据选择具有较少发生冲突、可靠数据报文传输和高数据传输率的路径进行数据传输。研究表明,跨层设计可以使路由协议收集到节点底层的实际数据传输情况,做出正确的路径选择,对网络性能的提高有很大的意义。9. 基于地理的路由与基于拓扑的路由方案不同，基于地理的路由方案使用源节点附近节点和目的节点的位置信息进行报文转发。因此，拓扑结构的变化对路由协议的影响很小。早期的基于的地理的路由算法实际上是一种单路径贪心算法，报文的转发取决于当前转发节点、当前节点的邻居节点以及目标节点的位置信息。不同贪心路由算法的优化准则不同。不过，所有的贪心算法都有一个共同的问题：即使源节点和目的节点之间有路径存在，传输仍然有可能不会成功。部分洪泛和保存过去的路由信息能够保证成功传输，但是这些方法会增加通信开销，并破坏单路径贪心算法的状态无关性。为了保持状态无关性和成功传输，基于平面图的地理路由算法被提出。但是，由于基于地理的路由需要依靠GPS或类似的定位设备,增加了成本与复杂性,而且获得目的节点的位置信息给网络带来很大开销，因此基于地理的路由协议的应用有一定的局限性。l 部分协议详细介绍：1、EXOR协议Biswas在其论文中提出了EXOR，它是一个集成了mac层和路由层，用于在大型多跳无线网络中增加单播传送吞吐量的路由协议。EXOR由接收到报文的结点决定报文的下一步转发，通过延迟使得每次传输都有多次机会进行。因此EXOR可以使用在传统路由协议中避免使用的错误率高的长波射频链路。与传统路由协议相比，EXOR在不使用多余的网络容量的情况下增加了连接的吞吐量。EXOR的设计面临以下挑战。收到每个报文的节点必须知道彼此的身份并且决定一个转发节点。协商协议的开销必须足够小，同时还要保证足够健壮以避免不转发报文或是将一个报文转发多次的情况。最后，EXOR必须选择一个到最终目的节点花费最少的转发节点。通过使用38个基于802.11b的节点测试表明EXOR与传统路由相比，节点对之间的吞吐量大大增加。对于传统的单跳或多跳单播路由而言，EXOR的健壮确认减少了不需要的重传，将吞吐量增加了接近35%。对长一点单播，EXOR利用转发这选择的优势使得吞吐量增加了2到4倍。1.1、介绍多跳无线网络和有线的网络在路由技术上有很多相同点。传统的有线网络路由在源节点和目的结点之间选择最佳路径，将每个报文沿着这条路径转发。协作分集(cooperative diversity)传统的路由方法并不是最好的方法。协作分集利用了广播传输消息的优点来多点协作来转发消息。目的结点能够选择在接替信号中选择最好的信号，或者在众多的消息中联合信息。这些方案需要具有同步重复信号的无线装置，或者增加信道用于中继。EXOR是一个综合了路由层和MAC层的路由协议，目地是在标准的硬件上（例如802.11）实现协作分集的某些功能。EXOR广播每个数据报文，当确认真正接收到报文的节点后，在从他们中间选择一个作为转发节点。节点推迟转发直到接收方允许EXOR并发的尝试多条远距离并且丢报文率高的链接。与协作分集方案不同的是，只有一个EXOR结点转发每个报文，因此EXOR可以使用已有的无线设备。实现EXOR的关键挑战是使每一个报文都能投递到“最好”的转发结点，避免转发重复。为了帮助在报文转发之前尽可能少的通信，ExOR进行一批报文的操作。源节点的报文都有一个转发结点的优先级列表，根据到目的结点的距离排列。接收结点成功接收到报文，存入缓存，并且等待报文发送结束。然后最高优先级的转发结点将自己缓存中的报文广播，并将自己的batch map的备份放入每个报文中。Batch map中报文含了发送节点的对最高优先级接收结点的最好的猜测。然后剩下的转发结点只按顺序转发batch map中不属于优先级高于自己节点的报文。转发节点按照优先级列表进行循环直到90%的报文到达目的节点，剩下的报文使用传统路由传输。EXOR的贡献是首次设计和实现了一个完整的使用标准无线硬件的链路/网络层分集路由技术，它证明了很大程度上的吞吐量的改进和洞察资源的能力。1.2、基本思想一个简化的EXOR工作如下：假设一个源节点具有一个需要发送到一个较远距离的目的节点的报文。在原节点和目的节点之间有一些加入EXOR的中间节点。源节点广播报文，一些中间节点收到报文，中间节点通过运行一个协议确定那些节点收到了报文，收到报文的节点协商选择出距离目标节点最近的节点，由该节点广播报文。接着，从在第二次传送中收到报文的节点中选出一个距离目的节点最近的节点广播报文。这个过程一直持续直到目的节点收到全部的报文。为什么EXOR的吞吐量要比传统路由更大。一个原因是每个节点都有更多的机会被接收和转发。考虑下图的情况。从原节点到每一个中间节点的传送概率只有10%，从中间节点到目的节点的传送概率是100%。传统的路由可能会将所有的数据经过同一个中间节点传送，高丢包率可能导致每个数据包需要传送10次才能到中间节点，加上到达目的节点的一次，吞吐量是额定的0.09倍。EXOR可以达到0.5倍的吞吐量，因为每个源节点的传送至少被一个中间节点收到。吞吐量大另一个原因是EXOR能够在解决意料不到的远处和意料不到的近处的问题上占有优势。在下图中，源节点与目的节点之间有一列中间节点。传输概率随着距离降低。传统的路由可能会根据一列的子序列传送，例如源-B-D-目的。如果一个从源节点发出的报文无法到达B，只能到达A，则在传统的路由中这次传输就浪费了，源节点必须重传报文。如果传送能够到达比B更远的节点，例如到达D,传统的路由无法利用这些优势。然而，EXOR可以在这两个方面都占有优势。在前一种情况中，A将会重传报文，保证源节点可以继续传送其他报文。在后一种情况中，D能够转发报文，减少了一次传送。这些情况都是比较普遍的，因此传统的路由必须在选择下一跳时必须折衷以下两种情况：下一跳必须足够远以减少传送次数（从而增加丢包率），必须足够近保证低的丢包率（增加传送的跳数）。以上的讨论假设不同节点的接收是相互独立的，传送概率随着距离的减少逐渐降低。这些假设是否成立取决于传播和干扰环境的具体情况。例如，EXOR在接受者只有局部干扰的环境中要比在全局干扰的环境中发挥更大的效果。EXOR在增加网络容量的同时增加了单个连接的吞吐量，传送数据包的次数大大少于传统路由。1.3、设计EXOR的设计面临四个关键挑战。首先，节点必须协商到底有那些节点接收到了那些报文。由于协商包含通讯，协商协议的开销必须足够小以保证不会影响到EXOR的吞吐量。协议必须有健壮性以保证数据包丢失概率足够低，防止重复的转发。第二，在收到报文的所有节点中选择离最终目的节点最近的节点来转发报文。因此EXOR必须有一个用于度量将一个数据包从一个节点发送到目的节点的开销的尺度。第三，在一个大型的稠密网络中，使用过多的节点作为候选转发节点会造成性能损失，因为协商的开销随着参与者的增加而增加。因此，EXOR必须选择最有用的节点作为参与者。最后，EXOR必须避免不同节点的同时传送以减少冲突。EXOR将报文以batch的方式操作。源节点有一张候选转发节点的列表，转发节点的优先级由到达目的节点的估计开销决定。接收节点缓存成功接收的报文等待batch的结束。最高优先级的转发节点将自己缓存中的报文转发，这些传送被成为batch的fragment。每一个报文包含一个发送节点的batch map的备份，其中包含发送节点关于接收每个报文的优先级最高节点的最佳估计，然后剩下的转发结点只按顺序转发batch map中不属于优先级高于自己节点的报文。转发节点按照优先级列表进行循环直到90%的报文到达目的节点，剩下的报文使用传统路由传输。a、节点状态节点在收到单个报文后开始维持状态。报文缓存保存了当前batch中成功收到的报文。本地转发节点列表包含了一份节点的优先级列表，这份列表从报文缓存中的某个报文中获得。对于给定的batch，所有的节点使用相同的转发节点列表，最初由原节点生成。转发时钟用于指示节点开始从转发缓存中转发报文的时刻。节点设置转发时钟使得更高优先级的节点能够具有足够的时间发送报文。传送跟踪器记录当前发送节点的发送速率和还需要发送的报文数目。节点使用这些信息来调整转发时钟。Batch map用于为每个batch中报文记录收到该报文备份的最高优先级的节点。b、报文格式下图为EXOR的报文头格式。EXOR头部跟在以太网头部后，其后是报文数据。所有的EXOR报文都是广播的。VER域表示当前EXOR版本，由于协议变更的情况。HdrLen和PayloadLen与表示EXOR头部和载荷的长度。BatchID域表示报文属于哪个batch。PktNum是当前报文在batch中的偏移。这个偏移对应于报文中的batch map条目。BatchSz表示当前batch中报文数目。FragSg表示当前发送节点在报文中的偏移，FragNum表示当前报文在分片中的偏移。FwdListSize域表示表中的转发节点数目，ForwarderNum是当前发送节点在表中的偏移。发送节点列表是发送节点本地发送节点列表的备份。源节点和目的节点在转发节点列表中表示。Batch map是发送节点的batch map,为了节省空间，每个条目都是一个转发节点列表的索引而不是完整的IP地址。c、 转发节点列表源节点按照优先级顺序确定转发节点列表，节点优先级基于将报文从列表中每个节点传送到目的节点的期望开销。开销度量是将一个报文从源节点沿着最好的传统路由传输到目的节点所需的传输次数，包括跳数和重传数。这个数量和ETX相似，不同的是EXOR只使用转发概率。EXOR利用节点间的丢包率来计算这些ETX值。下图中右显示了左图中的每个节点到节点E的ETX值。每个节点的ETX值是沿着最低ETX路径到E的链路ETX值的和。一个链路的ETX值是链路的在传输方向上的传输概率的倒数。例如，B到E的ETX值是链路B-C和C-E的ETX值的和。如果网络中的节点数目过大，任何一个节点在一个batch的负责转发的报文数目可能会接近0.在那种情况下EXOR的协商协议可能会有很大的开销，因为其开销是与节点的数目成正比的。因为这个原因，EXOR源节点只选择转发节点列表中一部分节点。源节点基于链路丢包概率运行EXOR模拟，然后只选择能够承担至少10%传输量的节点加入batch。源节点利用全网络的节点间丢包率来选择转发节点列表。源节点可以通过周期性的洪泛每个节点的链路状态度量来获取这些信息。EXOR对于不精确和过时的度量并不敏感，因为一个节点的真实路由是由传送时的环境决定的。错误的度量会通过引起转发列表的顺序出错或是引起转发节点列表中节点的错误加入排除转导致性能下降。d、报文接受节点检查每个成功解码的报文，如果转发节点列表包含这个节点，这个节点将报文加入相应batch的报文缓存。节点将报文中batch map的每一个条目和本地的相应条目比较，如果后者的节点优先级较高，用本地条目替换报文中的条目。这个batch map的更新算法和在每次传送中包含发送节点的batch map的方法使得每个节点的batch map几乎相同。报文的batch map工作于闲话机制，将高优先级节点的接收信息运送到低优先级的节点。结果是低优先级的节点不会转发已经被高优先级节点收到的报文。e、传输调度ExOR尝试调度节点发送他们fragment的时间使得在同一时段只有一个节点发送。这个调度允许高优先级的节点首先发送，快速完成并更新低优先级节点的batch map。调度能够避免冲突。每个节点等待自己传输的顺序：在源节点发送完整个batch后，目的节点发送只有batch map的报文，然后参与节点按在转发节点列表中顺序发送，高优先级的节点先发。节点收到报文后，更新自己的传输记录。接受节点记录最后收到的片号，用于计算从上一次收到的报文以来有多少个报文被发送，这个数目被时间除得到传输速率。节点将当前速率通过一个参数为0.9的EWMA滤波器得到估计发送速率，让后节点将转发时钟设置为当前时间加上估计估计