计算机网络课程设计-宽带无线城域网.doc

西华大学课程设计说明书 1 前言随着通信技术和新业务的部署，市场与技术的相互作用，未来通信领域一些新的特点逐渐显现出来。一方面，传统宽带 固定接人用户已经不能满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽带接入移动服务。另一方面，传统的移动用户也不能满足于简单的语音、 短信和低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接人服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化 也逐渐成为两个领域技术发展的方向，并互为补充、互相促进。在移动宽带化方面，3GPP/3GPP2已经制定了1xEV-DO，HSDPA/HSUPA等技术标准，在移动环境下实现宽带数据传输。在宽带移动化方面，IEEE802工作组先后制定了WLAN和WiMAX等技术规范，意图能沿着固定、游牧/便携、移动这样的演进路线逐步实现宽带移动化，其中IEEE 802.16WiMAX是宽带移动的重要里程碑，促进了移动宽带的演进和发展。1.1 WiMAX产业链与商业化状况WiMAX 是IEEE802.16技术在市场推广方面采用的名称，其物理层和MAC层技术基于在1EEE802.16工作组中开发的无线城域网（WMAN）技 术，WiMAX也是IEEE802.16d/e技术的别称。802.16d的商用或试验大都基于3.5GHz频段，规模较小。802.16e设备的正式认 证工作还未开始，但是已有少数大型运营企业开始提供商用业务，如韩国SKT公司，美国的sprint公司准备2008年中开始推出移动WiMAX业务。1.2 WiMAX产业链向移动WiMAX倾斜趋势明显 WiMAX 的整个产业链在近两年迅速成长，WiMAX论坛成员数量从2004年初的46家增长到现在的400余家。其中，35为业务提供商，20以上为系统厂家 和20左右为芯片厂家。这些成员大多数都对移动WiMAX非常感兴趣。在Intel，三星，摩托罗拉等主要厂家的大力推动下，移动WiMAX的芯片已经 基本准备就绪，基站和终端设备也在加紧研发，移动WiMAX的整个产业链已经基本成熟。2007年底经过认证的设备可以正式上市后，预计2008年移动 WiMAX市场将全面启动。从WiMAX产业自身来看，全球的大型电信设备厂家更加倾向于研发802.16e设备。国内尤其是中兴、华为等公司已经基本放弃了原来研发固定WiMAX设备的计划。1.3 WiMAX宽带移动技术的主要应用场景1.3.1 固定应用场景：固定接人业务是802.16运营网络中最基本的业务模型，包括用户因特网接入、传输承载业务及Wi-Fi 热点回程等。1.3.2 游牧应用场景游牧式业务是固定接人方式发展的下一个阶段。终端可以从不同的接人点接入到一个运营商的网络中。在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入；在两次不同网络的接人中，传输的数据将不被保留。在游牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。1.2.3 便携应用场景在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展，从这个阶段开始，终端可以在不 同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当终端进行切换时，用户将经历短时间（最长为2s）的业务 中断或者感到一些延迟。切换过程结束后，TCP/IP应用对当前IP地址进行刷新，或者重建 IP地址。1.3.4 简单移动应用场景在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端 移动速度达到60120km/h时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围， 最差的情况下，TCP/IP会话不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，QoS将重建到初始级别。简单移动和全移动网络需要支持休眠模式、空 闲模式和寻呼模式。移动数据业务是移动场景（包括简单移动和全移动）的主要应用，包括目前被业界广泛看好的移动 E、mail、流媒体、可视电话、移动游戏、移动VolP （MVolP）等业务，同时它们也是占用无线资源较多的业务。1.3.5 全移动应用场景在这一场景下，用户可以在移动速度为120km/h 甚至更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。 1.4 小结 WiMAX技术 在数据带宽支持能力上的优势是各方都承认的，但是否能够提供一些特色业务，目前各方都在探索中。目前，从韩国的发展来看，WiBro的建网成本与3G系统 相当，但由于系统的数据容量较大，因此相同容量下用户的成本则较低。由于缺乏特色业务，WiBro相对于3G的高速承载能力的优势，目前只体现在低成本的 用户接入和更高的接入带宽上，在业务类型上还没有体现出优势。由于目前终端类型、网络成熟度的限制，WiMAX初期还是作为无线接人的方式来使用，并不能 提供比3G系统更多的业务和应用，也就是说，WiMAX是否真正具有生命力还有待市场的进一步检验。2 总体方案设计2.1各种网络技术介绍2.1.1 WCDMA技术WCDMA 是英文Wideband Code Division Multiple Access（宽带码分多址）的英文简称，是一种第三代无线通讯技术。W-CDMAWideband CDMA 是一种由3GPP具体制定的，基于GSM MAP核心网，UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release6等版本。目前中国联通采用的此种3G通讯标准W-CDMA（宽带码分多址）是一个ITU(国际电信联盟)标准，它是从码宽带码分多址。图2.1WCDMA技术的网络结构WCDMA（宽带码分多址）以其技术优势成为3G的主流技术之一，并且就目前看来，将要采用WCDMA技术作为第三代通信标准的国家是最多的。HSDPA/HSUPA（高速下行上行分组接入）技术是WCDMA的增强版，可以提供更高的链路传输能力。2.1.2 Wi-Fi技术 全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。今夏最流行的笔记本电脑技术迅驰技术就是基于该标准的。IEEE（美国电子和电器工程师协会）802.11b无线网络规范是IEEE 802.11网络规范的变种，最高带宽为11 Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。Wi-FiWirelessFidelity，无线保真，技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。WIFI突出优势：其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300英尺接近100米的通信距离扩大到4英里约6.5公里。其二，虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可达11mbps，符合个人和社会信息化的需求。其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。不足之处：目前使用的IP无线网络，存在一些不足之处，如带宽不高、覆盖半径小、切换时间长等，使得其不能很好地支持移动VoIP等实时性要求高的应用；并且无线网络系统对上层业务开发不开放，使得适合IP移动环境的业务难以开发。此前定位于家庭用户的WLAN产品在很多地方不能满足运营商在网络运营、维护上的要求。2.1.3 WiMax技术MSSNAPVisited NSPASNCSNR1R2Another ASNR8ASP网络或InternetGWBSBSR8Home NSPCSNR5R2ASP网络或InternetR6R3R4R7图2.2WiMax技术的一般构架 WiMAX是全球微波接入互通 (Worldwide Interoperability forMicrowave Access)的简称，是一种关于标准的技术，可以替代现有的有线和DSL连接方式，提供固定、移动、便携形式的无线宽带连接，并最终能够在不需要直接视距基站的情况下提供最后一英里的无线宽带接入。WiMAX技术的出现，弥补了Wi-Fi传输距离短的缺陷，同Wi-F一样，它也须要创建一个“热点”，但同Wi-Fi相比，WiMAX的覆盖范围要大得多，其最大传输速度75Mbps、最大传输距离可达50公里，可高速实现远距离传输。对于须要随时随地高速接入互联网的朋友，WiMAX无疑是一种很好的技术解决方案。该技术以IEEE 802.16 的系列宽频无线标准为基础。一如当年对提升802.11使用率有功的Wi-Fi 联盟，WiMAX 也成立了论坛，将提高大众对宽频潜力的认识，并力促供应商解决设备兼容问题，借此加速WiMAX 技术的使用率，让WiMAX 技术成为业界使用IEEE 802.16 系列宽频无线设备的标准。虽然WiMAX 无法另辟新的市场目前市面已有多种宽频无在线网方式，但是有助于统一技术的规范，有了标准化的规范，就可以以量制价，降低成本，提高市场增长率。短期而言2004年，WiMAX 论坛将在年底之前，着手开发认证流程，为最后一步的产品测试预作准备。2005年左右，大型供应商将推出拥有WiMAX 认证的产品，多数产品的频率不超过11GHz.长期而言，WiMAX 将进步到可以支持最后一哩，回程、私人企业应用。2006/07 年左右，WiMAX 解决方案将内建于笔记本电脑，可直接进行客户端发送，递送真正的便携式无线宽频，不需外接的客户端设备(CPE)。WIMAX四大优势：优势之一，实现更远的传输距离。WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。 优势之二，提供更高速的宽带接入。据悉，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。对无线网络来说，这的确是一个惊人的进步。 优势之三，提供优良的最后一公里网络接入服务。作为一种无线城域网技术，它可以将WiFi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。WiMax可为50公里线性区域内提供服务，用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。优势之四，提供多媒体通信服务。由于WiMax较之WiFi具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。2.2 方案选择综合上述各个技术的优缺点比较，最终因为WiMax的优势和实用性，从而选择以WIMax来构建所需的城域网系统。 3 总体方案设计图3.1 WiMax的系统结构CPE：用户驻地设备，属于用户的设备，比如PC机或者电话等。通过SS连接到业务提供商网络或核心网络。SSRT：也就是远程终端。该设备提供RF接口连接到BS，同时提供本地接口连接到CPE。对于CPE而言，SS可以被看作是一个接入设备或者是网关。SS通常采用固定天线。BS：对于用户来讲，这是无线链路的终点。从数据业务角度讲，BS用于在核心网络和SS之间交换口包。为了实现这一功能，它需要维护远程终端的路由表。对上行数据包，BS要汇聚语音包和IP数据包到WAN接口。需要根据不同的业务类型实现QoS机制。BS通常采用扇形定向天线或全向天线。3.1各单元模块功能介绍及核心技术介绍WiMax的MAC层采用高性能的MCU实现，PHY层采用高处理速率的DSP实现，空中接口采用RF单元实现。如图3-2所示图3.2 系统硬件设计3.1.1 BS设备 MCU: 用于完成WiMax MAC协议栈及其上层协议的处理。应该采用高性能的芯片，比如主频应该高于12GHz。向上MCU应该提供以太网接口(包括业务口和调试口)MIIRMII与MACPHY转换芯片(见图中Ethemet PHY)连接，从而通过路由器连接到骨干网或者Intemet上。向下MCU应该提供与DSP的接口，即MAC与PHY的接口，通常使用PCI总线接口，利用PCI DMA实现快速的数据传输。此外，MCU还必须提供与FLASH和以太网控制器的接口，通常使用CPU总线(exp)接口。 DSP: 实现WiMax的物理层工作，通过PCI总线与MCU相连，通过EDMA工作方式完成与MCU之间的数据交互，应该有较快的数据处理能力。比如实现快速的FFTIFFT、CRC校验、维特比编解码、(de)puncture、交织和去交织、高阶调制解调、物理信道传送的符号(如OFDM符号)的形成和分解。至少可以实现10ms帧的双向通信，支持TDD和FDD的双工模式选择。Ethemet PHYEnet Debug(M-AC+PHY): 以太网芯片和以太网控制器。系统通过该芯片提供的网口连接到核心网络或者用户驻地网络。其中Enet PITY通过MIIRMII接口连接到MCU。而EnetDebug通过CPU总线与MCU相连。ABB&RF: 空中接口单元。BS透过该单元与SS建立无线通信信道。SDRAM: 用作数据外部存储器。主频可以低于MCU的主频，可以采用32bit存储器或者其他。E2PROM: 用于存放系统启动时的基本配置信息。通过12C总线连接到MCU。FLASH: 用于存储VxWorks操作系统和程序映象，引导系统。同时用于存放系统数据库。通过CPU总线连接到MCU。3.1.2 SS设备 如果是CPE或者非手持式终端，则MCU可以处理能力稍低，要求功耗比较低。硬件设计与BS相同。如果是手持终端，比如PDA和手机，则需要另外提供多媒体接口、Voice接口、LCD接口、Keyboard接口等。硬件设计需要增加Voice、LCD、Keyboard。3.2 WiMax关键技术介绍WiMAX的关键技术-OFDMOFDMA，HARQ，AMC，MIMO，QoS机制，睡眠模式，切换技术等等，下面来看下他们各自的优势和原理：3.2.1 OFDM/OFDMA技术OFDM（正交频分复用）是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统下一代蜂窝移动系统的关键技术之一，3GPP已将OFDM技术作为其LTE研究的主要候选技术。在WiMAX系统中，OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种：OFDM物理层和OFDMA物理层。无线城域网OFDM物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支持TDD和FDD双工方式，上行链路采用TDMA多址方式，下行链路采用TDM复用方式，可以采用STC发射分集以及AAS自适应天线系统。无线城域网OFDMA物理层采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以采用STC发射分集以及AAS。 OFDMA系统可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。虽然OFDM技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了ScalableFFT，可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。图3.3 OFDM技术与传统技术的比较3.2.2 HARQ技术 HARQ，作为物理层前向纠错和链路层自动冲传相结合的差错控制技术，提高了频谱效率，明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。在16e的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码（CC）、卷积Turbo码（CTC）和低密度校验码（LDPC）编码，但是对于HARQ方式，根据目前的协议，16e中只支持CC和CTC的HARQ方式。具体规定为：在16e协议中，混合自动重传要求（HARQ）方法在MAC部分是可选的。 HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中用消息SBC被确定和协商的。HARQ是基于每个连接的，它可以通过消息DSADSC确定每个服务流是否有HARQ的功能。 HARQ是将ARQ和FEC相结合的一种差错控制方案。 ARQ具有高可靠性、低复杂度的特点，但它的效率低、时延大；FEC则有效性较高，但可靠性比ARQ低，而且复杂度也较高；将二者结合起来，优势互补，就产生了混合型ARQ，即HARQ技术。 HARQ技术是在ARQ(自动重复请求)系统中嵌人一个FEC（前向信道纠错编码）子系统，发送端发送的码不仅能检错，还具有一定的纠错能力，这在一定程度上避免了FEC要求复杂的译码设备和ARQ信息连贯性差的缺点，并能达到较低的误码率。3.2.3 AMC技术AMC在WiMAX的应用中有其特有的技术要求，由于AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。与CDMA技术不同的是，由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。 WiMAX标准定义了多种编码调制模式，包括卷积编码、分组Turbo编码（可选）、卷积Turbo码（可选）、零咬尾卷积码（ZeroTailbaitingCC）（可选）和LDPC（可选），并对应不同的码率，主要有1/2、3/5、5/8、2/3、3/4、4/5、5/6等码率。 3.2.4 切换技术 802.16e标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为HO（handover），实际上就是我们通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：MDHO（宏分集切换）和FBSS（快速BS切换）。802.16e中规定必须支持的是硬切换，协议中称为HO。移动台可以通过当前的服务BS广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小区。 切换既可以由MS决策发起也可以由BS决策发起。在进行快速基站切换（FBSS）时，MS只与AnchorBS进行通信；所谓快速是指不用执行HO过程中的步骤就可以完成从一个AnchorBS到另一个AnchorBS的切换。支持FBSS对于MS和BS来说是可选的。进行宏分集切换（MDHO）时，MS可以同时在多个BS之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。支持MDHO对于MS和BS来说是可选的。3.2.5 睡眠模式 802.16e协议为了适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于减少MS的能量消耗并降低对ServingBS空中资源的使用。Sleep模式是MS在预先协商的指定周期内暂时中止ServingBS服务的一种状态。从ServingBS的角度观察，处于这种状态下的MS处于不可用（unavailability）状态。Idle模式为MS提供了一种比Sleep模式更为省电的工作模式，在进入Idle模式后，MS只是在离散的间隔，周期性地接收下行广播数据（包括寻呼消息和MBS业务），并且在穿越多个BS的移动过程中，不需要进行切换和网络重新进入的过程。 Idle模式与Sleep模式的区别在于：Idle模式下MS没有任何连接，包括管理连接，而Sleep模式下MS有管理连接，也可能存在业务连接；Idle模式下MS跨越BS时不需要进行切换，Sleep模式下MS跨越BS需要进行切换，所以Idle模式下MS和基站的开销都比Sleep小；Idle模式下MS定期向系统登记位置，Sleep模式下MS始终和基站保持联系，不用登记。4软件设计 基站和用户站的软件体系结构基本相同，如下图所示：OAM&PManagerSNMPAgentMIBMgmt Entity NetwokMgmt Entity MACMgmt Entity DriverMgmt Entity PHYNetwokFTP/SNMPHTTPROTS(VxWorks)TCP/UDPARPIPIICMPOSPFMACCS SublayerCPSSublayerPrivacy SublayerBSPDriverBootLoaderPHYDSPABBRF图4.1 系统软件设计PHY：硬件支持的符合80216d标准的0FDMA物理层。BSP：提供bootloader和各种驱动，负责目标板启动。同时提供MAC和PHY的接口。MAC：符合80216d标准的MAC层。NetWork：提供到外网的接口，现各种协议转换功能。NMS：网管系统，802.6F MIB库为基础实现基于Manager/gent的WiMax网管系统。5网络规划5.1无线网状网络的结构类型5.1.1 架构/骨干式WMN（Infrastructure/backbone WMN）在这种结构中，mesh路由器构成mesh网络的主干，mesh客户通过mesh路由器接入WMN，部分mesh路由器作为网关与其它类型的网络连接（包括接入因特网），如图5.2所示。除最常见的IEEE 802.11以外，mesh主干也可以使用其它无线技术建立。使用以太网接口的用户可通过以太网链路连接到mesh路由器，与mesh路由器具有相同无线接口的用户可直接连接到mesh路由器，使用不同无线接口的用户首先接入各自的基站，这些基站通过以太网链路连接到mesh路由器。5.1.2对等式WMN（Client WMN）这种结构仅由mesh客户组成，如图4.1所示。所有mesh客户通过无线链路形成对等网络，每个mesh客户要执行路由及配置功能，并向客户提供终端应用。由于节点不需要具有网关或中继功能，所以不需要Mesh路由器。对等式WMN通常使用一种类型的无线技术，因此实际上和常规移动自组网是一样的。相比于架构式WMN中的mesh客户，对等式WMN中的mesh客户需要更强的功能。图5.1对等式WMN5.1.3 混合式WMN（Hybrid WMN）这种结构是架构式WMN和对等式WMN的结合，mesh客户可以通过mesh路由器或其它mesh客户接入网络，如图4.3所示。在这种结构中，mesh主干提供了到其它网络（如因特网、Wi-Fi、WiMax、蜂窝网络及无线传感器网络）的连接，而mesh客户在WMN内部进一步改进了连接性和覆盖性。图5.2 架构/骨干式WMN图5.3 混合结构的WMNWMN的特性概括如下（由于混合式WMN具有WMN的全部优点，因此这里考虑的是混合式WMN）：l WMN支持自组织组网，具有自形成、自愈合和自组织的能力。l WMN虽说是一种多跳无线网络，但它有一个无线骨干。l Mesh路由器较少移动且专门执行路由与配置功能，从而大大减轻了mesh客户与其它终端节点的负担。l 通过无线骨干很容易支持终端节点的移动。l Mesh路由器可集成包括有线网络和无线网络在内的异构网络，因此WMN可支持多种类型的网络接入。l Mesh路由器和mesh客户具有不同的电源使用限制，mesh路由器通常不移动且有持久的电源供应，而mesh客户则一般是移动的且由电池供电。l WMN并不是独立运行的，需要与其它无线网络相兼容和互操作。因此，WMN并不仅仅是另一种类型的移动自组网，与常规移动自组网相比增加了很多功能，而实现这些新的功能需要新的算法和设计。5.2一个架构式mesh网络的实例5.2.1 网络结构描述了一个可自配置的、安全的架构式mesh网络的设计与实现。其设计称为MeshCluster，如图5.4所示。图5.4 MeshCluster参考结构MeshCluster架构由中继节点和网关节点两种网络节点组成，中继节点是支持接入和中继两种无线网络接口的多射频系统（有多个射频电台，支持不同的无线技术），而网关节点支持中继和因特网回程（back-haul，up-link）接口。端用户移动节点（Mobile Node，MN）使用接入接口接入网络。中继接口用于在中继节点和网关节点之间构造一个自配置的包转发骨干。接入链路可以基于3G或802.11，中继链路可以基于802.16或802.11。网关通过有线（以太网）或无线（如802.16）上行链路连接到因特网。中继节点和网关节点的放置取决于部署的场景。比如，向端用户提供宽带接入的城域网，中继节点可以安放在电杆上，网关节点放置在市区的数据中心。建筑物（如会议中心、博物馆）内的mesh网络可以采用类似的放置方法。在以上场景中，中继节点是固定的。在为灾难恢复、户外事件而临时建立的mesh网络中，中继节点可以任意放置且是准静态的。在军事应用中，汽车里的战士使用中继节点通过远程网关节点与指挥控制中心通信，中继节点的移动性可能很大。5.2.2 自动配置有一个MeshCluster-Manager实体（可以和网关放在一起），执行管理和监控功能，如为接入链路和中继链路分配频率和功率、平衡中继簇的负载、支持移动和鉴别等。节点使用一个安全注册和自动配置协议向MeshCluster-Manager注册。中继节点启动时初始化一个自动配置代理，该代理使用一个或多个中继接口监听其所在区域中所有自组网的ESSID广播。对于每一个ESSID广播，代理首先发送BSSID广播加入相应的自组网，然后从零配置地址空间169.254.*.*中选择一个IP地址，加入到中继骨干中。中继节点然后监听由已加入MeshCluster的中继节点周期性接收和重广播的网关通告消息，消息中包含了网关能力信息（如因特网回程链路速度）、中继节点容量以及经过该中继节点的最佳路由等。代理与一个或多个选定的网关进行配置会话，网关的选择可以按照距离最近（跳数最少）、负载最轻或容量最高等原则来选择。自动配置协议支持鉴别，代理可以使用安全信任状（如数字证书或保存在节点防窜改硬件中的对称密钥等）与网关进行相互鉴别。中继节点向网关传送自己的能力信息（如射频接口的数量及类型）及观察到的环境信息（如不同频段上可见的邻居、干扰等），这些信息对网关分配频率非常有用。网关向中继节点传送配置参数，如接入的ESSID、中继和接入接口上使用的频率、功率水平、移动方法、编址方案、任何路径特定信息等。配置会话结束后，释放零配置地址，但安全参数保留以便用于将来的重配置。（SSID是Service Set Identifier的缩写，意为服务集标识。SSID技术可将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每个子网络都需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入本网络。SSID也可以写成ESSID，用来区分不同的网络。SSID通常由AP广播出来，通过XP自带的扫描功能可以查看当前区域内的SSID。无线网卡设置了不同的SSID就可以进入不同网络，只有设置了相同SSID的节点才能互相通信。BSS是Basic Service Set的缩写，是一种特殊的自组织局域网的应用，一群计算机设定相同的BSS名称即可自成一个group，而此BSS名称即为BSSID。零配置联网是IETF零配置工作组正在做的一项工作，希望能够方便一群节点组网，实现：1）不需要DHCP服务器来分配IP地址；2）不需要DNS服务器进行域名和IP地址的转换；3）不需要目录服务器来搜索服务；4）不需要MADCAP服务器来根本多播地址。5.2.3 路由协议路由协议采用增强的AODV，称为AODV-ST（spanning tree）。AODV-ST是一种混合路由协议，它采用主动策略积极维护中继节点到每个网关节点（常见的通信情形）的最佳路由，大大减小中继节点和网关节点之间的路由发现延迟，而采用按需路由发现策略建立中继节点之间（不常见的通信情形）的路由。图4.5是有7个中继节点和两个网关节点的简单拓扑，以每个网关节点为根形成一棵最佳生成树，中继节点位于两棵树上，并选择可获得最佳性能（取决于所用的路由测度）的网关作为自己的缺省网关。图5.5 网关特定的生成树5.2.4关键设计要素影响WMN性能的关键设计要素概括如下：（1）无线技术近些年提出了多种提高无线系统容量及灵活性的方法，如有向和智能天线、多输入多输出（MIMO）系统、多无线电/多信道系统等。为进一步提高无线通信的性能及高层协议对无线通信的控制能力，更先进的无线技术被应用到通信中，如可重配置无线电（reconfigurable radios）、频率敏捷/认知无线电（frequency agile/cognitive radios）、软件无线电（software radios）。尽管这些无线技术尚在发展初期，但由于它们突出的动态控制能力而被认为是未来无线网络的平台。这些先进的无线技术均要求高层协议进行革命性的设计，尤其是MAC层和路由协议。（2）可扩放性扩放性是对WMN的一个基本要求，否则当网络规模增大时性能会有极大下降，如路由协议可能找不到可靠的路径、传输层协议可能丢失连接、MAC层协议可能导致严重的吞吐量下降等。为保证WMN的可扩放性，从MAC层到应用层的所有协议都必须是可扩放的。（3）网状连接WMN的许多优点来自于网状连接。为确保可靠的网状连接，需要网络自组织和拓扑控制算法。拓扑感知（topology aware）的MAC协议和路由协议能够极大提高WMN的性能。（4）宽带和QoS不同于常规的移动自组网，WMN的大多数应用是具有不同QoS要求的宽带业务，因此除了端到端延迟和公平性之外，通信协议必须考虑更多的性能参数，如延迟抖动、集合吞吐量和每节点吞吐量、丢包率等。（5）安全尽管近些年来针对无线局域网已经提出了多种安全方案，但这些方案不能完全适用于WMN。比如，由于采用分布式系统架构，WMN中没有一个集中式的认证权威可以分发公开密钥。针对移动自组网而提出的安全方案可以用于WMN，但大多数这样的安全方案还不够成熟，而且由于移动自组网与WMN架构上的差异，这些方案应用到WMN中是低效的。（6）易于使用所设计的协议必须使得网络尽可能自治。除此之外，需要开发网络管理工具来有效地维护WMN的运行、监视WMN的性能、配置WMN的参数。这些管理工具以及网络协议中的自治机制允许人们快速部署WMN。（7）兼容性和互操作性在WMN中，同时支持常规用户和mesh客户是一个缺省的要求。因此，WMN需要向后兼容常规客户节点，这要求mesh路由器能够集成异构无线网络。6 网络安全及管理措施（1）移动管理移动管理涉及mesh客户在不同mesh路由器之间的切换、连接的迁移等。Mesh骨干的存在使得WMN的移动管理比一般的移动自组网要简单一些，但是如何充分利用mesh骨干来设计一个轻量级的分布式移动管理方案还需要进一步研究。移动管理与协议栈的多个层次都有关系，因此研究多层移动管理方法是又一个研究课题。位置服务是WMN想要的一