（信号与信息处理专业论文）无线mesh网络的跨层设计研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着无线通信技术的进步和业务需求的爆炸式增长，通过无线方式获得语音和数据业 务，特别是高速i n t e r n e t 接入的需求将日渐增多。但同时由于无线链路不稳定，长距离 的通信所支持的数据速率是有限的。为了提供更大的带宽，可以考虑使用多跳的无线中继 方式进行宽带传输。用户节点可以通过无线路由器多跳接入i n t e r n e t ，于是无线多跳m e s h 技术应运而生，它解决了传统无线网络一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题，另 一方面也对传统的无线资源分配技术提出了更高的要求。跨层技术主要研究无线m e s h 网 络各层的关键技术和它们之间的影响，尤其是m a c 层协议和网络层路由协议之间的影响。 事实上，在这些新型的无线网络中，跨层联合优化是不可或缺的，也是未来无线网络协议 设计的必然趋势。 本文首先简单介绍了无线多跳m e s h 网络的基本概念、基本结构和关键技术，重点介 绍了现有的无线m e s h 网络的路由技术，提出了有待研究的问题。然后探讨了w m n 跨层设 计的基本要求、一般原则和方法，并归纳了目前w m n 跨层优化的分类和研究进展。第三， 分析了w m n 典型的m a c 协议i e e e8 0 2 11 m a c 协议的不足之处，在此基础上，提出一种新 的竞争退避机制和自适应调整m a c 最大重传次数的方法。第四，针对w m n 中传统d s r 协议 路由判据单一从而导致路由性能较差的缺陷，提出一种多判据d s r 跨层路由优化机制 m d s r ，综合考虑了链路可用带宽和节点可用剩余负载率以及链路质量等状态信息，并对其 在不同网络状态下的性能进行了仿真分析。实验结果表明，m d s r 路由协议通过跨层采集 底层的真实链路状态信息，调整了m a c 层最大重传次数和退避机制，减少了路由误判链路 失效的次数，从而提高了网络的平均吞吐率，降低了端到端平均时延和路由维护开销。 关键词：跨层设计；路由判据；d s r ；无线m e s h 网络 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dh e t e r o g e n e i t yt e c h n i q u e s ，t h e r ew i l l b em o r ea n dm o r ed e m a n do fw i r e l e s sv o i c ea n dd a t as e r v i c e s ，e s p e c i a l l yh i g h d a t a - r a t ei n t e r n e t s e r v i c e s a tt h es a n l et i m e ，d a t ar a t eo f l o n g - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i sv e r yl i m i t e d b e c a u s eo ft h ei n s t a b i l i t ya n da t t e n u a t i o no fw i r e l e s sc h a n n e l t og e tab i g g e rb a n d w i d t h ，a c c e s s i n t e m e tt h r o u g hm u l t i - h o pw i r e l e s sr o u t e rc o u l db ea d o p t e d u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e ，w i r e l e s s m u l t i h o pm e s hn e t w o r k sa p p e a ra san e wt e c h n i q u e t h i sn e wt y p eo fn e t w o r k sh a ss o l v e d m a n yp r o b l e m st h a te x i s ti nt h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s ，e g ，l a c ko fs c a l a b i l i t ya n d r o b u s t n e s s h o w e v e r , t h e s en o v e la n dp o w e r f u lt e c h n i q u e sa l s oc h a n g et h ew a yo fu t i l i z i n g w i r e l e s sr e s o u r c e ，a n db r i n gac h a l l e n g ef o r t h et r a d i t i o n a ll a y e r e dr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h m c r o s s l a y e rd e s i g nt e c h n i q u e sf o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa r et h u sd e s i r e d ，e s p e c i a l l yh o w m a c p r o t o c o la f f e c t i n gr o u t i n gp r o t o c o lp e r f o r m a n c ei nn e t w o r kl a y e r i nf a c t ，c r o s s l a y e r d e s i g ni sn e c e s s a r yi nt h e s en e wn e t w o r k sa n d i st h ed i r e c t i o nf o rf u t u r en e t w o r kp r o t o c o ls t a c k f i r s t l yt h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i ci d e a , s t r u c t u r ea n dk e yt e c h n i q u e so fw i r e l e s s m u l t i - h o pm e s hn e t w o r k s ，a n dt h e nm a i n l ya n a l y z e se x i s t i n gr o u t i n gt e c h n i q u e sa n dp r o b l e m s t ob er e s e a r c h e d s e c o n d l y , t h eb a s i cd e m a n do nc r o s s l a y e rd e s i g n ，g e n e r a lp r i n c i p l e sa n d m e t h o d s ，k e yt e c h n o l o g i e st ob ed e e p l yr e s e a r c h e da r es u m m a r i z e d ，t h ep r e s e n tr e s e a r c ho f c r o s s - l a y e rd e s i g na n df u t u r er e s e a r c hf i e l d sa b o u tc r o s s l a y e rd e s i g na r ed i s c u s s e di nt h i sw o r k t h i r d l y , i e e e8 0 2 11m a c ，t h et y p i c a lm a cp r o t o c o li nw m n ，i sa n a l y z e da n dt h e d i s a d v a n t a g eo fi ti sd i s c u s s e d b a s e do nt h e s ea n a l y s e s ，an e wc o n t e n t i o nm e c h a n i s ma n d a d a p t i v ea d j u s t m e n tm e c h a n i s mf o rm a cm a xr e 时l i m i ti sd e v e l o p e d f o u r t h l y , i nc o n t r a s tt o t h et r a d i t i o n a lm e t r i co fm i n i n u mh o p ，an e w c r o s s l a y e rh y b r i dm e t r i cf o rd y n a m i cs o u r c e r o u t i n g ( d s r ) i nw q v l ni si n t r o d u c e d ，b a s e do nt h ei n f o r m a t i o no fl i n kq u a l i t y , a v a i l a b l e r e s i d u a ll i n kb a n d w i d t ha n dl o a dq u e u eo b t a i n e df r o ml o w e r l a y e r s s i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a tt h en e wm e t r i cc a nr e m a r k a b l yi m p r o v ed s r r o u t i n gp e r f o r m a n c ei nt e r m so f t h r o u g h p u t ，e n d t o 。e n dd e l a ya n dr o u t i n go v e r h e a d ，b yo b t a i n i n gl o w e rl a y e ri n f o r m a t i o na n d r e d u c i n gf a l s ef a i l u r ea d j u s t m e n t s k e y w o r d ：c r o s s l a y e rd e s i g n ；r o u t i n gm e t r i c ；d s r ；w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：卜导师签名： 日期：堋q - 尹 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 随着现代网络技术日新月异的发展，人们的需求也越来越趋于便捷化、即时化、无线 化，手机、笔记本电脑的普及更把网络的无线化进程推向一个前所未有的高峰。各个国家 都对无线组网的研究表现出了极大的兴趣，纷纷投入此研究领域【l 。8 】。 近年来，w l a n 在接入领域中得到了迅速发展，依其所具有的巨大数据传输速率， w l a n 也被认为是3 g 或3 g 后移动数据通信部分的一个主要竞争对手。但w l a n 也有 其不足之处，其中最主要的一个便是接入点( a p ) 的覆盖范围较为有限，若要在一个相对较 大的区域提供无线覆盖，就需要在该地区内配置多个接入点，因而增加了建设基于w l a n 的公共宽带网的成本。虽然人们对此提出了一些解决方法，如通过多种无线技术的共存来 提高无线的覆盖和位置的适应性等等，但这些方法中大多是以增加接入点或降低网络运行 效率为代价。于是人们把目光转向了另一种网络结构：w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ( 无线网状 网) ，希望通过这种全新的网络结构来克服传统无线网络中所存在的固有缺点，实现无线 宽带领域中的一次变革 9 1 。 m e s h ( 网状) 架构是下一代无线互联网络的核心组网架构，主要用于解决较大区域内的 大规模无线互联，增强系统容量和连通覆盖能力，提高系统抗毁性和自愈能力，在构建城 域、校园、社区、现代化场馆等较大规模无线接入、监控和其它专用网络等方面具有广阔 的应用前景。目前己经成为m e s hw i f i ( i e e e 8 0 2 1 l s ) 、w i m a x 以及典型无线传感器网络 ( i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e ) 等无线网络系统的基本应用模式之一，也是4 g 无线移动通信系统 的主要组网方式之一。 无线m e s h 网络由呈网状分布的无线节点构成，通过自动的节点发现、拓扑维护和多 跳的路由转发来实现节点间的互通和到核心网络基础设施的接入，能够将传统无线网络 ( w l a n ) q b 孤立的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。与传统无线网络相比， 无线m e s h 网络具有动态扩展，自组网、自管理，自动修复的能力，可以方便、快捷的构 建具有一定规模的无线接入网络。目前，无线m e s h 网络主要应用在无线接入网络的构建， 国外的无线网络设备提供商，如n o k i a 、m o t o r o l a 、n o r t e l 和i m e l 都纷纷推出自己的无线 m e s h 网络产品，其目标定位在解决目前基于8 0 2 1 1 b 儋的单个节点的无线接入覆盖问题。 典型的系统如m e s hw i f i 等目前已经得到较快的发展和应用，开始应用于区域覆盖和图 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 像监控等；而基于w i m a x 的m e s h 网络正在得到进一步研究和发展，将在全球大规模地应 用于构建“无线数字城市”。 随着宽带多媒体业务的发展，尤其是可扩展视频编码以及错误恢复编码技术的发展， 为无线网络上的视频传输提供了支持；同时用户迫切希望可以通过无线网络随时随地的享 受互联网上的音视频服务( 如视频点播、v o i p 、视频电话等) 。如何在无线m e s h 网络上开 展实时音视频服务己成为目前的研究热点和商业应用的亮点。但目前无线m e s h 网络相关 技术研究还尚不成熟，难以支持带宽要求大、实时性要求高的视音频应用。它主要面临如 下关键技术问题： ( 1 ) 吞吐量与可扩展性的要求：随着覆盖区域的m e s h 节点数量增加，整个网络的吞吐 率和性能急剧下降，这对无线m e s h 网络的架构提出了要求，即它必须具有一定的可扩展 性，满足不断变化的用户分布及流量需求。特别在未来网络融合的条件下，如何采用m e s h 架构来进行互联互通，将是一个重要的问题。 ( 2 ) 目前的无线m e s h 网络架构下的m a c 层协议和路由协议尚不提供任何的q o s 保 证，在多跳的无线网络环境下带宽波动大、传输延迟具有很大的不确定性、网络丢包也呈 现突发特性，仅仅通过鲁棒的视频编码算法和应用层的优化难以获得好的效果。 ( 3 ) m e s h 网络主要应用于接入系统，必须提供适当的连通与覆盖能力，现有的方法难 以适应多跳连通和覆盖的要求，必须结合物理层传输、链路层资源分配、分布式调度、路 由等技术进行跨层协同的设计才能有效地提高系统容量和覆型1 0 。15 1 。 无线m e s h 网络的跨层设计和优化是为了综合利用各个协议层的特性，进行联合的跨 层优化，以充分利用网络资源。目前，这方面的研究主要集中在如何利用跨层优化来为上 层的应用提供q o s 保证【1 2 , 1 3 】。由于影响无线m e s h 网络的视频传输的涉及多个层面的因素， 包括：编码层的算法和错误恢复编码工具的使用；传输控制层的网络延迟、拥塞丢包以及可 用带宽等；网络层的路由选择和队列管理算法；物理与链路层的信道编码、信号调制以及错 误控制机制等；从单一的协议层进行优化存在一定的局限性。因此，跨层传输控制优化成 为近期非常活跃的研究方向【1 4 】。由于跨层优化需要综合考虑多个层面的影响，增加了计 算复杂度，如何设计高效的寻优算法还有待更多的研究。 1 2 论文主要创新点与组织结构 本文的主要创新点： ( 1 ) 将剩余带宽作为竞争窗口调整的参数，重新调整节点竞争退避机制，使得剩余带 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 宽大的节点以较大概率优先接入信道； ( 2 ) 基于链路质量，提出了自适应调整m a c 层最大重传次数的修改方案； ( 3 ) 综合了m a c 层链路质量、剩余带宽、剩余负载率等参数，提出了一种改进的路 由判据，并将其应用到d s r 协议上进行了仿真。 论文的内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍了无线m e s h 网络的相关背景和研究现状，综述了跨层联合 设计的意义，最后简述了本文的章节安排和主要创新点。 第二章全面分析了无线m e s h 网络，包括它的组网方式，技术特点，以及各项关键技 术与研究现状，最后还重点分析了现有的能应用到无线m e s h 网络的路由协议。 第三章研究无线网络跨层设计的现状，主要有跨层的思想，跨层的原则以及现存的跨 层方案。 第四章针对8 0 2 1 1 m a c 层协议，提出了基于剩余带宽的竞争窗口调整机制和基于链 路质量m a c 层最大重传次数自适应调整的修改方案。 第五章是在前一章的基础上，提出了综合考虑剩余带宽、剩余负载率和链路质量等因 素的一种新的路由判据，并将其使用到m d s r ( m o d i f i e dd s r ) 协议中进行仿真，最后分别 分析了新的路由算法在( 准) 静态、动态网络中的性能。第六章是全文的总结和展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络相关技术介绍 第二章无线m e s h 网络相关技术介绍 2 1 无线m e s h 网络技术概述 w m n 是一个动态自组织、自配置的无线网络，在网络中，每个节点自动建立和维 持他们之间的m e s h 连接性，这实质上相当于一个a dh o e 网络【2 】【7 】【1 6 郴】。这个特点为w m n 带来诸多好处，如降低前期投资、方便的网络维护、健壮性和可靠的服务区覆盖这对于 那些需要健壮的和可靠的无线宽带服务连接，并且希望前期投资最小的用户来说，非常具 有吸引力。因为其自组织和自配置能力，w m n 可以做到增量部署，如需要的话，一次可 以只增加一个节点。而当安装越来越多的节点后，可靠性和连接性也相应地增加。部署 w m n 不是很难，因为所需要的部件都己经以a d h o c 网路由协议、i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议 等形式所提供。然而为了使w m n 真的可以拥有我们所期望的那些特性，还需要做很多 研究。比如，现有的应用于w m n 的m a c 和路由协议没有足够的扩展性，当w m n 中 的节点和跳数增加时，吞吐量显著下降。类似的问题还存在于其它的网络协议中。所以， 所有现存的从物理层、网络m a c 、传输层到应用层的协议都应重新进行改造或加强。 2 1 1 无线m e s h 网络的组网方式 w m n 是从m a n e t 网络分离出来，并继承了部分w l a n 技术的新的网络技术。严 格来讲，它是一种新型的宽带无线分布式接入网络，与传统的无线网络有较大的区别。 m e s h 是一种网内所有节点可随意分布并可与相邻节点通信的拓扑。传统的无线接入网络 拓扑一般是采用p 2 p 或p 2 m p 的的形式，一般存在中心节点，中心节点一方面与各无线 终端通过单跳无线链路相连，控制各终端对无线网络的访问；另一方面，又通过有线链路 接入有线骨干网。而w m n 采用的是m p 2 m p 拓扑，各节点通过相邻节点以无线多跳方式 进行通信。 w m n 中的节点分为两种：m e s h 路由器( m r ) 和m e s h 客户端( m c ) 。m e s h 路由器的移 动性很小( 一般情况下可以视为固定) ，它们组成m e s h 网的骨干中继网，供m e s h 用户节 点或传统用户节点的接入，为它们的通信提供高速的分组转发和路由选择。通过网关和路 由器的桥接作用，m e s h 网络可以与其他网络如i n t e m e t ，c e l l u l a r ，和基于i e e e8 0 2 11 ， i e e e8 0 2 1 5 ，i e e e8 0 2 1 6 的网络互连互通。m c 是无线用户终端，比如笔记本、手机、 4 镕京邮电大学硕研究生学位论文 第二章无线m e s h 日络相关技术舟目 p d a 等等，可以是静止的，也可以是移动的，它们自己也可以组成用户端m e s h 网络，此 时要求用户节点具有分组转发功能，网络是节点动态自组和自配置的，网络中的节点自发 地根据一定的算法寻找适当的路由，建立并保持连接。根据各个节点功能的不同，w m n 分为：骨干网结构( 分级结构) 、客户端结构( 平面结构) 、和混合结构 2 1 6 1 。 骨干网由m r 组成，是一个可以自配置和自愈的网络，通过m r 的网关功能与因 特网相连，普通客户端和已有无线网络可以通过m r 的网关或中继功能接入w m n ，网 络如图2 1 所示。 ，茸、每一每、 警( q - 鲥- 7 0 _ 尊薯箩7 。i j ，一_ = _ ：= f _ 、 一一 i i ：。i - 一龇? 矿、 * d i - 一一1 、”，董7、= 、 ， 箩、 。矗毒户端i 蔓乒 一岁一l ， 图2 2 客户端m e s h 结构 南京邮电大学碗研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络相关技术舟镕 这种网络结构中的客户端通常只使用一种无线技术。任意节点发出的数据包可以经过 多个节点的转发抵达目的节点，虽然节点不需要有网关和中继功能，但路由和自组织能 力是必需的。 吖7 一i i 、 媾斟媾 鼍銎一妒誊 ，斟卜、 ：、m e s h 客户端 j ，口 i j 图2 3 混合结构的m e s h 网络 综合以上两种结构，构建一种混合结构，客户端可以通过m r 接入骨干网络，如 图3 所示。这种结构提供了与其它一些网络结构的连接，立u 因特网、w l a n 、w i m a x 、 蜂窝网和传感器网络。在这种结构中，可以利用客户端的路由能力为w m n 增强连接性、 扩大网络覆盖范围。 2 12 无线m e s h 网络的特点 w m n 是在a d - h o c 网络的基础上发展起来的，它继承了a d h o c 的优点，又有它自身 的特点。与传统无线网络相比有许多优势”1 1 3 1 1 6 9 1 9 j 川。 ( 1 ) 可靠性大大增强 w i v l n 采用的网格拓扑结构避免了点对多点星型结构，如8 0 21 lw l a n 和蜂窝网等 由于集中控制方式而出现的业务汇聚、中心网络拥塞以及干扰、单点故障，从而带来额外 可靠性保证成本投资。 r 2 ) 具有冲突保护机制 w m n 可对产生碰撞的链路进行标识同时可选链路与本身链路之间的央角为钝角，减 轻了链路间的干扰。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络相关技术介绍 ( 3 ) 简化链路设计 w m n 通常需要较短的无线链路长度，这样降低了天线的成本( 传输距离与性能) ， 另一方面，降低了发射功率，也将随之降低不同系统射频信号间的干扰和系统白干扰，最 终简化了无线链路设计。 ( 4 ) 网络的覆盖范围增大 由于w r 与i a p 的引入，终端用户可以在任何地点接入网络或与其他的节点联系， 与传统的网络相比接入点的范围大大的增强，而且频谱的利用率提高，系统的容量增大。 ( 5 ) 组网灵活、维护方便 由于w m n 网络本身的组网特点，只要在需要的地方加上w r 等少量的无线设备， 即可与已有的设施组成无线的宽带接入网。w m n 网络的路由选择特性使链路中断或局部 扩容和升级不影响整个网络运行，因此提高了网络的柔韧性和可行性，和传统网络相比功 能更强大、更完善。m e s h 路由器具有较小的移动性，便于供电，这样在设计物理层、m a c 层和路由层协议时，不需要过于考虑路由器的功率问题。 ( 6 ) 投资成本低、风险小 w m n 网络初建成本低，a p 和w r 一旦投入使用，其位置基本固定不变，因而节省 了网络资源。w m n 具有可伸缩性、易扩容、自动配置和应用范围广等优势，对于投资者 来说在短期之内即可获得盈利。w m n 具有多跳性和大容量，它最大作用就是在不牺牲现 有无线网络的频率资源的同时扩大它们的覆盖范围。多跳还可以充分实现频率再用，提高 频谱利用率，借此提高网络的容量。 尽管w m n 技术有着广泛的应用前景，但也存在一些影响它广泛部署的问题 2 l 】【2 2 1 。 ( 1 ) 互操作性 目前影响无线m e s h 技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性，无线m e s h 网络现 在还没有一个统一的技术标准，用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线m e s h 产品， 要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题。 ( 2 ) 通信延迟 既然在m e s h 网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟， 随着无线m e s h 网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。一些对通信延迟要 求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临延迟过长而无法接受的问题。目前解决这 一问题主要是通过增加m e s h 节点以及合适的网络协议。 ( 3 ) 安全性 与wl a n 的单跳机制相比，无线m e s h 网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二苹无线m e s h 网络相关技术介绍 的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。i n t e r n e t 本身即是使 用m e s h 方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周知的。尽管有线网络中使用的各种 端到端安全技术，如虚拟专用网p n ) 同样可以用来解决无线m e s h 的安全问题。但正如 i n t e m e t 一样，无线m e s h 网络的安全是一个不容忽视的问题【8 】。 ( 4 ) 分散管理问题 由于w m n 的分散性，很难实现象有线网络那样的集中管理，即使对于低移动性的 w m n ，网络配置与管理仍然是一个不易解决的问题 9 1 。 ( 5 ) 干扰问题 对于非许可证频段的w m n 必然存在与其他共存网络的无线干扰问题。 虽然w m n 存在一些不足之处，但它能满足多方面的应用，是一项很有发展前景的 无线通信技术，m e s h 网络和其他各种网络兼容地使用，是无线网络通信发展的必然趋势， 这样与现有网络的兼容性和通用性的研究就会十分重要 9 1 1 2 2 1 。 2 1 3 无线m e s h 网络与同类技术的区别与联系 1 与蜂窝移动通信系统的区别 第三代数字蜂窝移动通信( 3 g ) 业务要包括第二代蜂窝移动通信可提供的所有的业务 类型和移动多媒体业务，即2 g 己有的话音业务、补充( 增值) 业务、数据业务，也包括3 g 网络特有的流媒体( 如手机电视等) 等新业务。3 g 业务的主要特征是可提供移动宽带多媒 体业务，其中高速移动环境下支持1 4 4 k b i t s 速率，步行和慢速移动环境下支持3 8 4 k b i t s 速率，室内环境支持2 m b i t s 速率的数据传输，并保证高可靠的服务质量。但目前实际运 行当中的3 g 数据传输速率还不理想，且巨额的牌照费，技术、终端问题使3 g 的发展任 重而道远，运营商需要投入大量的资金、人力来建设和完善。再加上无线i p 城域网( w i m a x 等) 的出现，与3 g 业务定位上有一定的重叠，将会造成一定的竞争。这些因素都会给3 g 的发展带来巨大的挑战口3 】【2 5 1 1 2 6 1 。 w m n 与3 g 业务相近，但二者定位不同：3 g 定位在广域网，依赖大规模布网，周期 长。而w m n 是基于i p 的，定位于城域网，组网灵活，可先在小范围使用，然后逐渐发 展起来，更适合于各垂直行业的专网应用。与3 g 相比，w m n 大大提高了带宽( 理论上能 达到5 4 m 甚至更高) ，大大降低了骨干网建设成本。同时它又具有很强的兼容性，便于将 来与3 g 兼容，解决3 g 末端接入的问题。总结区别如下： ( 1 ) 可靠性提高 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络相关技术介绍 在w m n 中，链路为网格结构，如果其中的某一条链路出现了故障，节点便可以自 动转向其他可接入的链路，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高；但是在采用星型结 构的蜂窝移动通信系统中，一旦某条链路出现故障，可能造成大范围的服务中断。 ( 2 ) 传输速率大大提高 在采用w m n 技术的网络中，可融合其他网络或技术( 如w i f i 、u w b 等) ，速率可 以达到5 4 m b i t s ，甚至更高。而目前正在发展的3 g 技术，其传输速率在高速移动环境中 仅支持1 4 4 k b i t s ，步行慢速移动环境中支持3 8 4 k b i t s ，在静止状态下才达到2 m b 州s 。 ( 3 ) 降低成本 在w m n 中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p 、1 r 等基础设备比起蜂窝移 动通信系统中的基站等设备便宜得多。 2 与a d h o c 网络的区别 w m n 与a dh o e 网络均是点对点网络。a dh o c 网络中的移动节点都兼有独立路由和 主机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式。 w m n 把a dh o c 网络技术应用到移动节点同时又使移动节点可通过i a p 连接到其他网络， 因此可以把w m n 看成是a dh o c 网络技术的另一种版本。但w m n 与移动a dh o e 网络 的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务，而对于后者， 节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。虽然人们对a dh o c 网络的研究已经有相 当长的时间，但是主要还是在理论上，而且主要应用在军事上，还未进行大规模的商用 【2 3 1 1 2 4 1 。 3 与w l a n 的区别 从拓扑结构上讲，w l a n 是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因而数据不 可转发。w l a n 可在较小的范围内提供高速数据服务( 8 0 2 1 1 b 可达1 1 m b i t s ，8 0 2 1 1 a 可达5 4 m b i t s ) ，但由于典型情况下w l a n 接入点的覆盖范围仅限于几百米，因此如果想 在大范围内应用w l a n 的这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于w m n ，则可 以通过w r 对数据进行不断转发，直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务 延伸到几公里远。w m n 的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 4 与w i m a x 的区别 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 微波存取全球互通，是一项 定位于无线i p 城域网的新兴技术，该技术以i e e e 8 0 2 1 6 的系列宽频无线标准为基础，包 含8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 a 的标准已经制定，只支持视距固定点接入；8 0 21 6 e 标准尚 处在开发阶段，将会支持非视距传输，具有较小的移动性。w i m a x 可以替代现有的有线 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络相关技术介绍 和x d s l 连接方式，来提供最后一公里的宽带无线接入j 。 w i m a x 系统可以有两种组网方式：点到多点( p 2 ) 模式和网状网( m e s h ) 模式。前者基 站承担移动台的接入与数据转发，业务流只发生在基站和移动台之间：在m e s h 模式中， 用户站之间以及用户站和基站之间均可以进行无线通信，这种多点到多点( m p 2 m p ) 结构 的组网方式更加方便灵活。w m n 与w i m a x 融合将带来如下的性能改进：提高系统吞吐 量、拓展通信覆盖率、更高的频谱效率、更高可靠性与稳定性、更低的运营维护成本。 2 2 无线m e s h 网络关键技术和问题研究 在w m n 的设计中，不仅需要解决无线传输中底层( p h y 和m a c 层) 的各种问题，如 天线设计、频道分配、多址接入控制、信道等问题，还要考虑路由协议性能以及传输层数 据传输可靠性和实时性问题，此外为使w m n 网络性能达到最优还要考虑各层功能的实 现以及上下层之间的相互影响，故w m n 的设计远比传统无线接入网复杂。 现有的m a c 层协议和路由协议应用于无线多跳m e s h 网时，不能很好地支持扩展性， 网络的吞吐量随着跳数和节点数的增加，会快速下降，这就是m e s h 网络的扩展性问题。 因而，需要对现有网络特别是i e e e8 0 2 1 1 无线局域网、a dh o e 网络、无线传感网络等网 络的各层协议，如应用层、传输层、m a c 层以及物理层的协议作很大的修改甚至要重新 设计，以便适应无线m e s h 网络的特剧2 1 。 2 2 1 物理层和m a c 层协议研究现状和问题 无线m e s h 网络节点分布在很大的范围内，为了提高网络的整体性能，增加频率的空 间利用率，提供宽带业务和满足不同的q o s 需求，提高物理层的传输速率，可以采用当 今最先进的技术。典型的代表有方向性阳和智能天线口羽、软件无线电、m i m o 系统、o f d m 或u w b 以及多天线技术等【2 9 1 。智能无线电( c o g n i t i v e r a d i o s ) 也是一个很有前景的研究 方向，基于c o g n i t i v e r a d i o 的无线m e s h 网络能够获得很好的性能。若要很好地使用物理 层的先进技术，高层协议尤其是m a c 层和网络层的设计必须与之相配合。如，为了适应 方向性天线和智能天线，已经提出了很多相应的a d h o e 网络m a c 层协议 2 9 1 1 3 0 】【3 1 1 。在多 跳网络中，方向性天线可以减少暴露终端但会增加隐藏终端，因此就要改动m a c 协议以 便适应底层【3 2 1 。当使用了软件无线电之后，还需要更强的m a c 协议，如可编程m a c 。 现有成熟的无线m e s h 系统底层的设计可以分为三种：第一种是底层完全基于 i e e e 8 0 2 u 标准，这种方式的产品目前占市场的绝大多数，包括t r o p o s 、n o r t e l 、b e l a i r 1 0 塑室坚皇奎兰堡圭至窒竺兰垡堡奎笙三童垂垡竺! 些塑竺塑羞垫查坌塑 和f i r e t i d e 公司。这种方式可以利用一些己有的标准模块，大大降低每个节点的成本，并 可以实现与现有的w l a n 产品兼容。第二种是底层采用全新的传输技术如q d m a 技术。 第三种是底层部分采用i e e e 8 0 2 11 标准。 新兴的物理层无线电技术如定向智能天线、自适应调制编码、o f d m ( 正交频分多路 复用) 、m i m o ( 多进多出) 技术、超宽带( u w b ) 以及多无线电多信道系统己经成为下一代 无线接入系统的不可或缺的关键技术。此外，为了进一步改善无线射频性能以及高层协议 的控制，更先进的可重配置无线电、感知无线电、甚至软件无线电技术都己开始在无线系 统中有所运用。这些高级物理层无线电技术的开发设计不仅对物理层性能起着决定性作 用，而且要求进行整合物理层、m a c 层和网络层进行整体设计，以便最大限度的提高整 个网络性能。 w m n 是分布式无线多跳网状网，需要在w m n 中实现网络自组织和拓扑控制算法， 设计具有拓扑感知能力的m a c 协议。现有的无线网络m a c 机制大多都是针对单跳无线 网络设计的，并不适于w m n 网络，如8 0 2 1 l 的m a c 机制在无线链路跳数达到4 跳时， 性能下降非常大。同时，在w m n 中，由于实现时间同步和码管理困难，采用t d m a 和 c d m a 多址接入也比较复杂。此外，还要求能够有效的进行空间频率复用，以提高网络 容量。因此m a c 层机制设计将成为影响w m n 性能和成功与否的关键技术因素之一。目 前采用多信道m a c 协议和q d m a ( 正交分割多址接入) 技术是研究的重点。采用多射频收 发器多信道可以非常明显地增大网络吞吐量，而且能有效降低数据冲突和隐终端暴露终端 的干扰。q d m a 技术使用直接序列扩频( d s s s ) 调制技术，工作在2 4 g h z 频段，在m a c 层使用多信道方式( 3 个数据信道和1 个控制信道) ，适合高密度的w m n 终端设备，同时 有很强的纠错和抗干扰能力，支持高速移动并有精确定位功能。 现有的m a c 层解决方案中，主要通过两个途经实现可扩展的m a c 协议。第一是增 强现有的m a c 协议，或者当网络节点只有一个信道时，提出新的m a c 协议以增加端到 端的吞吐量【2 】；第二是在每个网络节点上用多个信道传输 3 3 】【3 4 1 。 2 2 2 路由协议的研究现状和问题 在现有的无线m e s h 网络的初级应用中，一般都采用a d h o c 路由协议。w m n 网络节 点的移动性使得网络拓扑结构不断变化，传统的基于因特网的路由协议无法适应这些特 性，需要有专门的应用于无线m e s h 网络的路由协议。现有的具体路由方案将在2 3 小 节中具体阐述。w m n 的很多技术特点和优势来自于其m e s h 网状连接和寻路，路由协议 堕室塑皇奎堂堡主婴壅皇堂垡丝奎墨三至垂垡坚! 垩堕竺塑羞垫查坌丝 的设计是一个关键，其路由机制的好坏直接影响网络的性能。首先，在无线多跳m e s h 网 络中，路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指 标来进行路由选择。其次，m e s h 路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线 链路失效时迅速选择替代链路避免业务提供中断。第三，m e s h 路由协议要能够利用流量 工程技术，在多条路径间进行负载平衡，尽量最大限度利用系统资源。第四，路由协议要 求能同时支持m r 和m e s h 终端。对于静止不动的m r ，由于没有功耗限制，可以采用比 现有m a n e t 路由协议简单得多的路由协议；而m c 一般由电池供电且可移动，则需要 采用类似m a n e t 的路由协议。这样，就需要一种行之有效的路由协议能够自适应支持 m r 和m e s h 终端。第五，路由协议与m a c 协议之间的跨层设计是另一个研究课题，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m a c 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m a c 与路由层之间的一些功能。 然后还有多路路由，为了很好地适应无线m e s h 网络，发挥m e s h 网络高速性和健壮 性的特点，良好的路由协议必须很好的实现网络的负载平衡和排除链路故障。为此，人们 提出使用多路路由【3 8 】，提高每条链路的故障容忍度，同时也有利于平衡各链路负担。这 样一条路径出了故障，可以选其他的。多路路由的缺点是太复杂。至于是否实用，还有待 真正在网络中应用时检验。扩展性是无线多跳网络难以解决的问题，在一个很大的无线多 跳网络中启动一条路由需要很长的时间，这样端到端时延将会很大。即便路径建立了，上 面的节点状态也可能随时变化。此外，多跳的路由带来了接入公平性等一系列的问题。所 以在无线m e s h 网络中，路由协议对扩展性的支持非常重要。 m e s h 路由器不需要太多考虑移动性和功率控制，所以a d h o e 网络路由协议用到m e s h 网络时，可以简化。这样无线m e s h 网络路由协议必须具有自适应性，便于同时适应路由 器和用户节点。另外，还可以考虑由于供电的方便，在每个路由器上使用多电台，多信道。 这样，路由选择考虑m a c 层信息，不需要改变m a c 协议就能提高系统的容量。 2 2 3 其他方面关键技术研究 ( 1 ) 智能天线 wmn 中的天线设计对整个系统的性能和使用有着重大的影响。采用智能天线技 术，可以在提高系统性能的同时简化其安装和使用。智能天线是具有测向和波束成形能力 的天线阵列。使用智能天线技术，用户节点可以根据周围节点的状况，在软件控制下调整 波束方向，分别对应多个相邻节点，起到充分复用的作用，提高了系统的容量。另外，当 1 2 南京邮