（信号与信息处理专业论文）无线mesh网络中多媒体通信的mac协议研究.pdf

南京邮电大硕士研究生学位论文 摘要 摘要 无线网状网( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) 作为一种新的网络结构，在异构无线网络的回 程骨干网以及无线i n t e r n e t 最后一公里接入等应用中有着很明显的优势，其多跳性、高带 宽高容量、灵活性好、健壮性强的特点可以作为现有无线通信技术的一种很好的补充。同 时无线网络中多媒体通信的需求正在日益增长。但是由于对无线m e s h 网络的研究以及标 准制定还并不是很成熟，过去的路由层协议及m a c 层协议都不能很好的适应无线m e s h 网络的特性。因此虽然目前已经有很多支持m e s h 模式的a p 产品，但是无线m e s h 网络还 没有获得像w l a n 一样的大规模应用。相关的研究尤其是针对无线m e s h 多跳网络的路由 算法及m a c 协议的研究还有待进一步深化。 论文首先分析了基于i e e e8 0 2 1 l e 协议的无线m e s h 多跳网络中的多跳业务流积聚问 题。对c s m a c d 接入机制以及8 0 2 1 l ee d c a 中的无竞争周期( c f b ) 功能进行了深入研究， 并在其基础上提出了一种实现无竞争周期的分布式r m a c 协议，该算法以很小的额外代 价来为节点传递无线信道的预约信息，该预约信息只针对高等级业务类别。之后在预约周 期内各节点按照预约信息进行顺序的无竞争传输，这种无竞争传输类似于e d c a 中的c f b 功能，不同的是它通过一种分布式算法来实现。 其次，论文对m e s h 网络传输视频业务的特点进行分析，尤其是对h 2 6 4 视频编码数据 分割技术部分进行了深入研究，针对h 2 6 4 视频在无线m e s h 网络中的传输采取了一种保 护等级的跨层映射方案。在跨层方案中在m a c 层采用本文提出的r m a c 协议，进一步 改善跨层方案对低等级视频数据的冲击，在部分降低高等级数据发送时延的同时，提高低 等级数据的成功发送概率。 最后，论文采用n s 2 网络仿真工具软件实现了h 2 6 4 视频数据网络传输的试验，并开 发了预约r - m a c 协议的n s 功能模块。仿真结果表明，映射方案对重要数据的保护是以 放弃了低等级保护数据为代价的。在此基础上在m a c 层采用r - m a c 协议进行仿真，在 两种拓扑下均验证了该协议在跨层映射方案的基础上进一步降低了高等级数据包约 2 0 5 0 的发送时延并且降低了高等级数据包对低等级数据包的竞争冲突，提高了低等级 数据包约3 0 的成功发送概率。对于视频数据在基于i e e e8 0 2 1 1 的无线m e s h 网络中的传 输性能有了较大的提高。 关键字：无线网状网、m a c 协议、跨层设计、分布式算法、n s 2 仿真 南京邮电大硕十研究生学位论文摘要 a b s t r a c t a san o v e ln e t w o r ks t r u c t u r e ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n ) h a sa no b v i o u sa d v a n t a g ei n t h ea p p l i c a t i o no ft h eb a c k h a u ln e t w o r k so ft h ei s o m e r o u sw i r e l e s sn e t w o r k sa n df o r t h el a s t m i l e a c c e s sn e t w o r k so ft h ew i r e l e s si n t e r n e t t h ef e a t u r e so ft h i sk i n d o fn e t w o r k ss u c h a s ， b r o a d b a n d ，h i g hc a p a c i t y , f l e x i b i l i t ya n dr o b u s t ，i sa ne f f e c t i v ec o m p l i m e n tf o rt h ee x i s t e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y m e a n w h i l e ，r e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni n t h ew i r e l e s sn e t w o r k si sg r o w i n gd a yb yd a y b e c a u s eo ft h er e s e a r c ho nt h ew m na n dt h e s t a n d a r di ss t i l lp r i m i t i v e ，a n dt h ee x s i t e n tr o u t ep r o t o c o la n dm a c l a y e rp r o t o c o lp e r f o r mp o o r i nt h ew m n s o ，a l t h o u g ht h e r ea r em a n yp r o d u c t st h a ts u p p o r tt h em e s hf u n c t i o n ，b u tw m n h a sn o tb e e nd e p l o y e dw i d e l y r e l a t e dr e s e a r c hs h o u l db er e i n f o r c e d ，e s p e c i a l l yt h ew m n r o u t e p r o t o c o la n dm a cp r o t o c 0 1 i nt h i st h e s i s ，t h em u l t i h o ps e r v i c ea c c u m u l a t i o np r o b l e mi nt h ei e e e8 0 2 11b a s e dw m n i sf i r s t l ya n a l y z e d t h ew o r ks t u d i e dt h ec s m a c da c c e s sm e c h a n i s ma n dt h ec f bm e t h o do ft h e 8 0 2 1iee d c af u n c t i o n b a s e do nt h e s er e s e a r c h e s ，i tp r o m p tad i s t r i b u t e da l g o r i t h mt o i m p l e m e n tt h ec o m p e t i t i o nf r e ep e r i o d ，n a m e dr e s e r v a t i o np e r i o d ，w h i c hi ss i m i l a rw i t ht h e c f b f u n c t i o no ft h ee d c a t h ea l g o r i t h mt r a n s m i tt h er e s e r v a t i o nm e s s a g ef o rt h em e s h p o i n tw i t ha n e g l e c t a b l ee x t r ab u r d e n ，r e s e r v a t i o ni so p e r a t e df o rt h et w oh i g hp r i o r i t ya c c e s sc a t e g o r y ( a c ) o n l y a n dl a t e ri nt h er e s e r v a t i o np e r i o d ，m e s hp o i n t st r a n s m i ti nt u r na c c o r d i n gt ot h eo r d e rt h e y h a v er e s e r v e d s e c o n d l y , t h et h e s i sd i s c u s s e dt h eh 2 6 4v i d e oc o d i n gs t a n d a r d ，e s p e c i a l l yf o rt h ed a t a p a r t i t i o n ( d p ) t e c h n o l o g y , a n da d o p t e dac r o s s l a y e rp r i o r i t ym a p p i n gs c h e m ef o rt h eh 2 6 4 v i d e ot r a n s m i s s i o no nt h ew m n t h e nt h er m a cp r o t o c o li su s e di nt h em a c l a y e rf o rt h e c r o s s l a y e rs c h e m e ，t or e d u c et h ed e l a yo ft h ei m p o r t a n td a t af u r t h e r , a n dd e c r e a s et h e p r o b a b i l i t yo ft h ea c c e s sc o l l s i o n ，i n c r e a s et h es u c c e s s f u lt r a n s m i s s i o no ft h ev i d e od a t am a p p e d t ot h el o w e rp r i o r i t y l a s t l y , s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ，t h ec r o s s - l a y e rs c h e m er e i n f o r c e st h ep r o t e c t i o no f t h ei m p o r t a n tv i d e op a r t i t i o nw h i l e g i v e su pt h ep r o t e c t i o nt ot h ei n e s s e n t i a lv i d e op a r t i t i o n t h e n r - m a cp r o t o c o li su s e di nt h em a c l a y e ri nt w ok i n do ft o p o l o g y b o t ho ft h e ms u p p o r tt h a t ， c o m p a r e dw i t h8 0 2 11m a cp r o t o c o l ，t h es c h e m er e d u c e st h et r a n s m i s s i o nd e l a yo ft h ev i d e o d a t af o ra b o u t2 0p e r c e n tt o5 0p e r c e n t ，a c c o m p a n yw i t ht h ed e c r e a s eo ft h ed r o po ft h e i i 南京邮电大硕上研究生学位论文摘要 i m p o r t a n tv i d e of r a m ef o ra b o u t3 0p e r c e n t ，t o t a l l yi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo ft h er e a l t i m e m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n ) ，m a cp r o t o c o l ，c r o s s l a y e r , d i s t r i b u t e d a l g o r i t h m ，n s 2s i m u l a t o r i i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塑日期 j 厕柄l 酗 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：导师签名：参、 爱p日期：2 丝塑缯 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 随着人们生活质量的不断提高，大量的媒体信息需要在互联网络中进行传播。无线网 络由于其接入灵活、成本低廉以及易于扩展等特性，近年来在多媒体通信中的应用得到了 飞速发展【1 翻。无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 、移动自组织网络( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ，m a n e t ) 以及无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 等形式的无线 网络在近几年得到了广泛的研究，特别是w l a n 已经进入商业化推广阶段。无线m e s h 网 络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k , w m n ) 作为一种能够提供更大范围无线接入的新技术己经成为 了新的研究热点【3 4 】。本论文将通过对i e e e8 0 2 1 1m a c 协议在无线m e s h 多跳网络应用的 关键问题的研究，提出改进方案以提高w m n 的传输性能。本章将对相关的研究背景以及 全文的主要安排进行简要介绍。 1 1 研究背景 无线网络通信尤其是无线局域网，已经成为我们生活的一部分，但日益增加的对网络 容量以及网络通信质量的要求也带来了更多的问题。各大电信运营商己经推出了以w l a n 技术为基础的无线宽带接入业务，众多企业、学校内部也建立了自己的无线局域网。w l a n 是单跳无线网络，终端通过无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 接入有线网络。由于无线信号传 输的范围十分有限，所以w l a n 所能覆盖的范围较小，且只能架设在有线网络的边缘，因 此部署成本仍然较高。 无线多跳网络能够通过多个站点的中继传输来提供更大范围的无线网络搜盖，降低网 络部署成本。m a n e t 和w s n 是无线多跳网络的典型代表。m a n e t 最初是为军事用途而设 计的，它不依赖于任何固定基础设施，十分适用于战争、救援等特殊的紧急场景。这种网 络具有移动性、临时性、多跳性、动态性、自组织性、分布性和开放性等特征。m a n e t 网络中不存在任何站点对整个网络进行集中管理，每个站点自主管理自身的各项功能，站 点间的交互往往需要通过站点之间的相互协作才能完成，任何一个站点都可以随时自由地 加入或者退出网络。m a n e t j f h 关研究集中在移动、定位、节能及自组织等特殊需求上。 随着电子感应技术的发展，传感器在生产、生活、科研以及军事等各种领域都有着广泛的 应用。传感器可以被散布于所监控范围之内，用以收集各点的信息。w s n 正是希望利用廉 价便捷的无线多跳技术，实现对大量传感器站点所收集数据的汇集。如何组织w s n 中规模 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 庞大的站点、如何合理利用站点上极其有限的i t 以及计算资源，如何实现大量的数据聚集 是w s n 研究中最为关心的问题。 无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线多跳网络结构，即一种高容量、高速率的分布式 网络，不需要网络基础设施，每个用户节点都是骨干网络的一部分，可以转发其他用户的 信息。它与m a n e t 和w s n 的设计初衷不同，w m n 所希望提供的是高质量的i n t e r n e t 接入服 务，因此需要能够承载i n t e r n e t 上所提供的各种业务。它可以看成是无线局域网和移动a d h o c 网络的融合，发挥了两者的优势，具有可靠性、自组织、自愈合的特点。w m n 可以支 持多种类型的网络接入，可以兼容现存的无线网络。w m n 可以看成是因特网的无线版本， 和传统的无线网络相比，有很大的优势，这些在后面的章节中将要详细介绍。 w m n 的应用领域十分广泛，可用于构建数字化家庭，互联家庭通信设备，实现家庭 i n t e m e t 接入，在家中任意地方都可自由上网，为城市地铁、轻轨等通勤车辆提供移动w i f i 接入，使旅客在行程中仍可享受上网乐趣。应用于临时集群通信系统，为警察、消防、通 信基础设施遭到破坏的突发事件现场提供应急通信服务。扩大校园网的覆盖范围至校外， 向身处校外的教师和学生提供无处不在的接入等。 1 2 研究目标及思路 无线m e s h 网络是一种新型的无线宽带接入方式，目前所达到的传输性能还远远不能满 足宽带i n t e m e t 通信的需求，而且随着多媒体技术的发展，实时多媒体数据流在i n t e r n e t 通信 中所占的比重也在迅速增加，因此对于w m n 网络，尤其是作为骨干回程网络时，在网络 吞吐量以及传输质量保障方面的要求还不能得到满足。因此，本论文的研究工作将致力于 通过m a c 协议的分析和改进提高w m n 中多媒体通信的q o s 保障。 作为i n t e m e t 接入网，w m n 所承载的业务具有多样性，不同的业务对带宽、延迟等传输 质量有着不同的需求。视频会议业务流要求较低的延迟，视频点播则需要较高的带宽，而 文件传输则希望保证数据的准确性。这些不同类型的数据流在网络传输中应该区别对待， 以满足其各自对传输质量的需求。此外w m n 中由于多条链路共享无线传输信道，容易造 成网络局部拥塞的状况，本文中称为多跳业务流积聚问题。为了给多媒体数据流，尤其针 对h 2 6 4 视频流提供更完善的传输质量保证，同时尽量避免多跳业务流积聚问题，论文采取 一种应用层与m a c 层之间的跨层方案，并在m a c 层采用改进的m a c 协议来改善基于i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议的w m n 的传输性能。 2 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文第一章绪论 1 3 本文的组织架构 本文的研究工作针对基于i e e e8 0 2 1 1 的w m n 中多媒体通信的传输性能改进展开， 主要是m a c 协议的改进以及针对视频通信的跨层设计改进两方面进行。全文分为七章， 具体安排如下： 第一章是绪论部分，介绍本课题的研究背景及意义。 第二章从定义、体系结构、特征以及应用等方面介绍了无线m e s h 网络。介绍了无线 m e s h 网络的标准化进程，并对当前无线m e s h 网络的主要研究课题进行了综述。 第三章分析比较了现有的无线m e s h 网络m a c 层协议，包括i e e e8 0 2 1 1m a c 协议以 及改进的单信道、多信道的m a c 层协议，并按照改进的思路对其进行了分类。 第四章针对i e e e8 0 2 1 lm a c 协议在无线m e s h 网络中应用的多跳业务流积聚问题， 提出了一种基于预约机制的改进m a c 协议，从改进思路、新特性以及接入进程改进等方 面对这种新的m a c 协议进行了全面的阐述。 第五章综合考虑了h 2 6 4 视频编码技术以及i e e e8 0 2 1 l e 增强m a c 协议的q o s 保障 技术，在应用编码层与m a c 层采用了一种细致的保护等级映射方案。然后对这种方案仍 然存在的问题采用论文提出的新的m a c 协议进一步改善w m n 中视频通信的q o s 保障。 第六章采用n s 2 网络仿真工具软件对视频传输跨层方案以及结合改进的m a c 协议方 案进行了通信仿真，对仿真结果进行了分析。 第七章总结本文的研究工作，提出未来的工作展望。 最后是致谢和参考文献。 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章无线m e s h 网络研究背景 第二章无线m e s h 网络研究背景 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 作为i n t e r n e t 接入网，提供高质量的传输 服务是其核心问题，但是现有的协议还不能满足用户对w m n 传输质量的需求。本文研究 的目的正是分析w m n 中进行多媒体视频数据通信影响传输性能的原因，并对现有m a c 机制进行改进，以提高w m n 中多媒体信息的传输性能。本章将介绍文中所涉及的相关背 景知识及其w m n 的研究现状。 2 1 无线m e s h 网络 2 1 1 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网络是一种多跳、具有自组织和自愈合特点的新型宽带无线网络结构，是一 种高容量、高速率的分布式网络。它一度曾是一项军方技术，随着人们对w l a n 、a dh o e 网络( m a n e t ) 技术的深入了解，w m n 才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点。w m n 是从移动a dh o c 网络中分离出来的，并承袭了部分w l a n 技术的新型网络，可以看成是 w l a n 和a dh o c 移动网络的融合，发挥了两者的优势。 目前有些观点认为，w m n 是一种由无线链路连接路由器和终端设备的多跳无线网络， 网络中的任何无线设备节点都可以同时作为a p 和路由器，每个节点都可以发送和接收信 号，与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于，如果最近的a p 由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据包可以自动路由到一个通信流量较小的邻近节点 进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点 进行传输，直至到达最终目的节点为止。 目前人们熟知的i n t e r n e t 架构就是一个m e s h 网络结构的典型例子。接入i n t e m e t 的用户位 于网络边缘，他们通过网络内部的路由器和节点相互连接，当任意两个节点之间的一条链 路失效后，路由器会经由一个或多个其他路由器找到一条替代路径。例如，当我们发送一 封电子邮件时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器 转发到另外一个服务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中，路 由器一般会选择效率最高的传输路径，以便电子邮件能够尽快到达用户信箱。因此，无线 m e s h 网络可以看作是i n t e m e t 的一种无线版本。 带有无线网卡的传统终端设备( 如台式电脑，笔记本电脑，p d a 等) 可以与无线m e s h 4 南京邮电大学硕十研究生学位论文第二章无线m e s h 网络研究背景 路由器直接相连，而没有无线网卡的用户则可通过以太网与无线m e s h 路由器连接，从而接 入w m n 。这样，w m n 可以提供给用户随时随地“永远在线的网络接入服务。此外， m e s h 路由器的网关网桥功能使得w m n 能连接到多种网络，如蜂窝网、无线传感器网、 w i f i 、w i m a x 等网络。因此，通过一个综合的无线m e s h 网络，现有网络用户能享受到更 多样化的服务。 2 1 2 无线m e s h 网络的体系结构 w m n 中各站点间通过多跳无线连接形成网状拓扑，按站点的功能可分为m e s h 路由器、 m e s h 终端和m e s h 网关三类。 m e s h 路由器( m e s hr o u t e r ) ：具有路由功能的m e s h 站点。它具有一个或多个无线收发 器，构成w m n 的主干网络，负责终端的接入和数据的转发。 m e s h 终端( m e s hc l i e n t ) ：用户直接使用的设备，可通过m e s h 路由器访问i n t e m e t 。某 些m e s h 终端也具备路由功能，在特殊情况下能够为其他不能直接接入w m n 的终端提供路 由转发。m e s h 终端设备具有多样性，可以是普通p c ，笔记本电脑、p d a ，i p 电话等等。 m e s h 网关( m e s hg a t e w a y ) ：是w m n 与有线网络的连接点，提供路由和网关功能。 w m n 中可以有多个网关，数据流可以选择通过最合适的网关来获得与有线网络之间的通 信。 w m n 的站点可以构成三种不同的网络结构，分为架构式、对等式和混合式三类 4 1 。 ( 1 ) 架构式w m n 架构式w m n 中所有路由和转发功能都由呈网状互联的m e s h 路由器和m e s h 网关完 成，m e s h 终端通过a p 直接接入w m n 中，形成主干网络和终端接入的严格划分，其结构 如图2 1 所示。架构式w m n 由于存在专用的主干路由结构，其传输质量能够得到较好的 保障，更适用于需要高带宽、高稳定性的i n t e m e t 连接的场合。 5 南京邮电 学研究学论女 第= 章无线m e s h h 络研究背景 图2 - 1 架构式w m n 体系结构 ( 2 1 对等式w m n 对等式w m n 中各无线终端之问对等地连接起来形成无线网状网络，其结构如图2 - 2 所示。可以看出该类型的w m n 与a d h o c 网络类似，所以a d h o c 嘲络也可以看做为w m n 的一种特殊形式。对等式w m n 中为了能够形成白组织、a 愈合的无线m e s h 网络，终端 跬备需要具备蹄由以及网关等功能。对等式w m n 结构灵活，更适台于临时应急场合，但 是终端设备间处理能力差异较大，设备位置变化频繁，通信质量难以得到较好的保障。 摹黟| | 笃 - 一受篓b m c s h 终： 圈2 - 2 时等式w m n 体系结构 ( 3 ) 混合式w m n 该类哩的w m n 结合了梨构式和对等成w m n 两种体系结构的特 ，任混合式w m n 中m e s h 终端既i l ，以直接接八m e s h 甘f 网络，也【】j 以通过其他m e s h 终端接入，其结构如 m m 蝼国 m 塑皇些生茎芏堡! 堑蔓圭堂丝堡兰苎三至主垫坚望! 塑堑竺篁笪墨 图2 - 3 所示，混台式w m n 兼具架构式w m n 的稳定性和对等式w m n 的灵活性，将成为 未来w m n 发展的方向。但是其结构的复杂性也带来丁更多需要研究的问题。 兰：三之竺：j 辔。攀， 墨 ! 二堂攀：燮爹 ，蓼_ 笈掌爵 警“逦4 氇：7 7 2 13 无线m e s h 网络的特征 1 湖“i 。 面蕊 从前面的介绍可以知道，m a n e t 是w m n 的一种特殊形式所以w m n 与m a n e t 有许多相似点，如多跳删状拓扑、自组织能力等。但是两者的设计定位不同w m n 的设 计目标是提供高质量、稳定的i n t e m e t 接入服务，有固定且电源充足的基础设施，更关心 网络的吞吐i 晕、带宽等服务质量的保证：而m a n e t 则主要定位于军事、紧急救援等临时 场合中的应用，受设备移动性及处理能力等限制更关心网络的可用性问题。因此传输性 能的优化是w m n 中所研究的主要问题，而移动性和能耗问题则在m a n e t 中更受关注。 w m n 主要具有以f 的特征。 ( 1 1 快速部署和易于安装 安装m e s h 甘点非常简单，将设备从包装盒早取出来，接上f 也源就行了。由于安装简单， 用户很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。在无线m e s h 网络中，不 是每个m e s h 节点都需要有线电缆连接，这是它与_ 仃线a p 最大的不同。w m n 的设训目标就 是将有线设备和有线a p 的数量降至最低，因此人大降低了总成本和安装叫f u j 。无线m e s h 网络的配置和其他刚管功能与忙统w l a n 十h 同，用，可以将使用的w l a n 经验轻松应用到 蠢。 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二二章无线m e s h 网络研究背景 无线m e s h 网络 ( 2 ) 非视距传输( n l o s ) 利用无线m e s h 技术很容易实现n l o s 配置，因此在室外和公共场所有着广泛的应用前 景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视 距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户， 并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的 邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线m e s h 网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线 宽带的应用领域和覆盖范围。 ( 3 ) 健壮性 w m n 具有与a dh o c 网络类似的自组织自愈合能力。网络的健壮性通常利用多路由器传 输数据来实现。如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。无线m e s h 网络比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果 某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在无线m e s h 网络结构中，每个节点都储 存一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路 由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。 ( 4 ) 结构灵活 w l a n 是单跳网络，网内设备必须共享a p 。如果几个设备要同时访问网络，就可能产 生通信拥塞并导致系统运行速度降低。而在多跳的无线m e s h 网络中，设备可以通过不同的 节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。 ( 5 ) 通信负载平衡 无线m e s h 网络中的每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负 载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。而目前单跳网络并不能 动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。 ( 6 ) 高带宽 无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短，就越容易获得高带宽，因为随着无 线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素也随之增加。因此选择经多个短 跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是无线m e s h 网络的优势所 在。 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络研究背景 2 1 4 无线m e s h 网络的应用 ( 1 ) 骨干网 无线m e s h 网络的骨干一般是指网络中构成主要数据传输线路的那些高速链路。传统上， 骨干网是使用光纤或铜轴电缆线将各个边缘网络相互连接起来。在m e s h 网络中只需要有一 个节点连接到有线网络上，所有的m e s h 节点就都可以接入到有线网络了。当然出于冗余度 和流量的考虑，可能会需要更多的节点与有线网络相连。 骨干m e s h 网络可以布置在室内也可以在室外，室外设备往往附着在街灯上或者是建筑 物外表面上有电力可用的地方。由于线路上m e s h 设备的出现，每一个节点都能与其它节点 进行联系，因而，很多户外系统就不仅仅起到数据回程作用了，它们也可以包含集成的接 入点供客户端使用。这种解决方案往往包含两套无线电，其中i e e e8 0 2 1 l a 作为回程用， i e e e8 0 2 1 l b g 给客户端用，这大大减轻了回程和用户对流量的争夺问题。 ( 2 ) 接入网 无线m e s h 网络是一个全新的网络结构，迎合了无线接入网络的发展趋势，相对于传统 的宽带接入方式来说，有很大的优势，不管在家庭宽带接入还是公司宽带接入都有很大的 市场。 ( 3 ) 传感器网络 传感器是一种构造相对简单、体积较小的装置，具有一个简单的处理器。它经常被用 来收集一些数据，例如湿度、压力、温度和振动等，并把这些数据传递给其它的传感器。 由于体积小，所以它们一般没有用户界面，甚至可以被视为数据传送器。传感器还可以嵌 入到设备当中，对压力、流量和温度进行监控。 2 2 无线m e s h 网络研究现状及相关标准 无线m e s h 网络进入人们视野的时间并不长，但目前已经有大量的研究机构设立了w m n 相关研究项目，一些知名公司也投入了w m n 的研发，提出了部分解决方案。此夕b l e e e 标 准组织的几个工作组正在制定相关的标准。 2 2 1m e s h 网络解决方案 目前国际上已有一些有影响力的w m n 研究项目及解决方案，下面分别预以扼要介绍： ( 1 ) r o o f n e t 9 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线m e s h 网络研究背景 r o o f n e t 5 】是美国麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , m r r ) 所开展的研究 项目。这是一个基于i e e e8 0 2 1 1 的非统一部署的( u n p l a n n e d ) 城域w m n 网络。由3 0 - 5 0 个站 点组成，每一个r o o f n e t 站点都是一台运行l i n u x 的计算机，配备了运行在a dh o e 模式的 8 0 2 1 1 b 网卡以及专门的全向天线，站点能够自动寻找路由。图2 4 为r o o f n e t 的结构示意图。 该项目组已经开发出一套开源的商业无线m e s h 网络解决方案l o c u s tw o r l dm e s ha p ，在 r o o f n e t 试验床上针对此类无统一部署的m e s h n j 络性能进行了相关的测量研辩引，发现超过 4 跳的t c p 吞吐量已经只能达到4 7 3 k b y t e s s ，延迟达到4 3 0 m s 。这些实验数据说明i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议在w m n 这样的多跳无线网络中存在严重的问题。该项目的开展对于w m n 的研究有着重要的影响。 图2 _ 4r o o f n e t 结构示意图 ( 2 ) h y a c i n t h 该项目是纽约州立大学石溪分校( s t o n yb r o o ku n i v e r s i t y ) 所研究的基于i e e e8 0 2 1 1 的 多信道w m n 7 1 ，提出了用i e e e8 0 2 1 1 a b g 或者i e e e8 0 2 1 6 a 技术构建的多信道w m n 体 系结构h y a c i n t h 。该项目主要研究接口、信道分配以及路由问题。h y a c i n t h 系统原型由l o 个站点构成，每个站点上配备两个8 0 2 1 l a 网卡，可以同时使用两个互不干扰的信道，整 个网络共使用5 个信道，如图2 5 所示。信道分配算法需要平衡维持网络连接和增加网络 容量之间的矛盾。实现结果显示这样的结构能够比单信道的无线多跳网络增加6 至7 倍的 吞吐量。 ( 3 ) b w n m e s h 1 0 南京邮电 学顾十研究生学惶论文 帮$ 无线m h 网络研究背景 削2 - 5h y a c i n t h 结构示意1 冬| b w n m e s h 是由乔治亚j 二学院( g e o r g i ai n s t i t u t eo f n 曲n o l o g y 】宽带与无线网络实验室 架设的w m n 实验床。该项目组的日标定位在与多种网络虹联的w m n 的传输层、蹄由以 及m a c 挑议上吼该实验床山15 个基于8 0 2l l b g 的m e s h 路由器组成，这些路由器分布 往同楼层卜的不同房阃咀，b w n m e s h 已经与该_ 妾验室的下一代互联网实验床以及b w n 传感器网络实现了互联。吱；验测试了蹄由器问距离、主干位置等对性能的影响以及现有的 协9 5 ( ( t c p 、a o d v 、i e e e8 0 21 1 ) 在w m n 中的性能。 ( 4 1m i c r o s o f tw m n 项目 m i c r o s o f t 网络研究缉的w i i n 研究关注于自组织邻居域场景p i 。该研究组利用m c l ( m e s hc o n n e c t i v i t yl a y e r ) 软件模块实现了a dh o c 路由与链路质量测量。m c l 足可装载的 w i n d o w s 驱动程序，在数据链路层与网络层之，日j 增加一个插入层求实现虚拟网络适配器 其路使用l q s r ( l i n kq u a l i t ys o u r c er o u t i n g ) 方案。m c l 非常适用丁有稳定电源供应， 对移动性要求小高的小范围嘲络。这样的设计使高层软件不需要任何修改即可使用。 m i c r o s o f t 的虚拟m c l 网络适配器能够实现对i e e e8 0 2 i l 、i e e e8 0 23 等类以太嘲的物理 链路的支持，其a dh o c 路由能够运行存异构的无线链路之上。该研究组还开发了一套供 w m n 研究适用的上具集m e s h n e t w o r k i n g a c a d e m i c r e s o u r c c t o o l k i t2 0 0 5 。 ( 5 ) i n t e l w m n i 虫日 i n t e l 州络体系结构实验窀丌发了低成本、低功耗的访问点原) 理，h j 以进一步研究w m n p 的流量特征、动态路山与配置、q o s 以及安争等司题。i n t e l 利用基于i x p 4 2 5 叫络处理 器的跚由器及c e n t f i n o 笔旧本电脑搭建的文验眯运行在i e e e8 0 21 1 bm a c 协议以及 a o d v 路山之。实验测试也证实r8 0 21 1m a c 小能很好地发挥无线多跳网络的能力。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线m e s h 网络研究背景 为此，他们提出了通过载波侦听阈值的调节来提高空间重用度，以增加无线多跳网络吞吐 量的方案【1 1 1 。 ( 6 ) n o r t e lw m n 解决方案 n o r t e l 推出了w m n 的商用解决方案1 2 1 。w a p ( w i r e l e s sa c c e s sp o i n t ) 装备智能天线，是 一个双r a d i o 系统，能够支持2 a g h z 的接入链路和5 g h z 的主干传输链路。用户采用i e e e 8 0 2 1 l b g 设备接入w a p ，主干传输采用i e e e8 0 2 1 1 a 链路，避免了两者间的同频干扰。 另外n o r t e l 提出了一种创新的公共无线区域网架构c a n ( c o m m u n i t ya r e an e t w o r k ) ，主干 站点均采用对等式的工作方式，在系统组成上采用w i r e l e s sg a t e w a y + c a n 的结构，g a t e w a y 主要提供移动性和安全性方面的功能，c a n 则负责用户终端的接入，并将用户数据信息通 过无线方式汇聚到n a p r ( n e t w o r ka c c e s sp o i n tr o u t e r ) ，即c a n 接入到有线网络的站点。 n o r t e l 解决方案还进一步考虑了数据加密、认证等安全措施。 ( 7 ) m e s h n e t w o r k 的w m n 研究 m e s h n e t w o r k 提 了q d m a ( q u a d r a t u r ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) r a d i o 平台【1 3 】用以推进 m e s h 技术的商业化。它采用多信道m a c 与物理层来克服移动系统中存在的多普勒频移、 r a l e i g h 衰落以及多径问题。m e s h n e t w o r k 在q d m a 上实现了可扩展路由协议以及a t p ( a d h o et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) , 传输协议。m e s h n e t w o r k 还提供了可供客户端安装的m e s h 模式软件 以及硬件防火墙等安全措施。 ( 8 ) t r o p o sn e t w o r k 的w m n 实现 t r o p o sn e t w o r k s 使用了运行在i e e e8 0 2 1 1 标准的软硬件基础上的三层网络操作系统 t r o p o ss p h e r e ，利用c e l l u l a rw i f i 网络结构实现了架构式m e s h 网络m e 仰m