（信号与信息处理专业论文）无线mesh网络路由协议的跨层设计与分析.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着移动通信技术的不断发展，通过无线方式获得语音和数据业务，特别是高速 i n t e m e t 接入的需求日渐增多。由于链路衰减的原因，长距离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 m e t ，于是，无线多跳, 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 ，无线网状网或无线网格网) 应运而生。但是，由于无线m e s h 网络在拓扑结构、传输 方式和业务应用上的不同特性，传统的用于有线网络的分层协议设计方法已不能保证其服 务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 。探索、开展基于物理层、m a c 层、路由等协议层的无线 m e s h 网络跨层设计方法以便在无线资源利用率和多媒体业务的q o s 需求两方面都能达到 较好效果的研究迫在眉睫。跨层路由技术就是其中一个突出的方面。本文的主要工作便是 对无线m e s h 网络的路由协议的跨层设计所采用的技术进行研究、分析和仿真。 本文首先介绍了无线m e s h 网络的基本概况，分析了现有无线m e s h 网络中的路由协议， 详细探讨了无线m e s h 网络跨层路由设计的必要性和方法，并对业界现有的几种路由协议跨 层设计方案的优缺点进行了比较。 其次，论文针对现有的d s r 路由协议没有考虑最短路径上的“拥塞中心区域”和传输 的公平性问题，提出了一种具有拥塞感知的跨层路由协议算法c a s r 。通过m a c 层和网络 层之间的跨层设计，为网络层提供可以感知网络拥塞情况的两个路径质量信息：路径的期 望传输成功率和路径的剩余负载率，并联合这两种路径质量信息生成路由决策函数，根据 该路由决策函数来决策路由。0 c a s r 算法是对c a s r 的两种路径质量信息进行优化的改进 算法。通过仿真分析表明，在网络层c a s r 和0 c a s r 根据路由决策函数进行路由选择，充 分利用了网络的空闲节点以及选择拥塞较少的路径，使得数据流可以避开无线m e s h 网络中 的“拥塞中心区域 ，减少包的丢失，提高网络的吞吐量，明显地改善网络延时，满足了 无线m e s h 网络的负载均衡的要求以及改善了多业务流传输的公平性。 最后针对无线m e s h 网络传输多媒体业务要求网络支持服务质l ( q o s ) 的应用需求， 提出了一个支持q o s 的源路由协议算法q s s r ，q s s r 综合考虑了路径的延迟，链路信号 的好坏，链路性能的稳定性以及带宽是否满足应用等因素。支持q o s 的多径源路由协议算 法m p q s s r 是在q s s r 的基础上结合多路径进行优化后的改进算法。当网络中无法找到一 条路由满足数据流带宽需求时，就考察当前网络多条路由的带宽之和能否满足数据流带宽 需求，如是，则采用多条路径同时传输。其中在估算节点的可用带宽时通过跨层设计利用 童室坚皇丕堂堡主婴窒生堂堡垒塞 塑鐾 m a c 层的虚拟载波监听( 即n a v 方法) 感知节点传输信道的忙闲状态得到的。通过仿真 分析表明，q s s r 和m p q s s r 在网络吞吐量和平均端到端延时方面都比d s r 表现优秀， 有效地提高了网络利用率，更好地满足业务的q o s 需求，并且具有更强的适用性和可扩展 性，而m p q s s r 的各方面性能又比q s s r 获得了较大的改善。 关键词：无线m e s h 网络路由协议跨层设计拥塞感知q o s i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fm o b i l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h e r ew i l lb em o r ea n d m o r ed e m a n d so 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 ts e r v i c e s d a t ar a t eo fl 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 ni sv e r yl i m i t e db e c a u s eo fa t t e n u a t i o n w t r e l e s sm u l t i h o pc o m m u n i c a t i o nc a np r o v i d em u c hb i g g e rb a n d w i d t ha n ds u b s c r i b e rc a l l a c c e s si n t e r a c 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 r 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 sm u l t i h o p m e s hn e t w o r k ( w m n ) a p p e a r s 嬲an e wt e c h n i q u e b u t ，d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s m e s hn e t w o r k ，i nt e r m so ft o p o l o g y ，t r a n s m i s s i o nl i n ka n dt r a f f i c ，t h ec o n v e n t i o n a ll a y e r e d p r o t o c o ld e s i g nm e t h o d sf o rw i r e dn e t w o r k sc a n n o tg u a r a n t e et h eq o s p e r f o r m a n c ef o rw i r e l e s s m e s hn e t w o r k t or e a c hat r a d eo f fb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fr a d i or e s o u r c e sa n dq o s r e q u i r e m e n t st om u l t i m e d i at r a f f i c ，i ti sr e q u i r e dt oe x p l o r en e wc r o s s - l a y e rd e s i g nm e t h o df o r w i r e l e s sm e s hn e t w o r k , b a s e do np h y s i c a ll a y e r ，m a cl a y e r ，r o u t i n gl a y e r , e t o c r o s s - l a y e r r o u t i n gt e c h n i q u e i so n eo u t s t a n d i n ga s p e c to ft h e m t h em a i nt a s ko ft h i sp a p e ri st od e s i g nt h e c r o s s l a y e rs c e n a r i oo fr o u t i n gp r o t o c o li nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k , a n a l y z ei t 、砘t l lt h er e s u l t so f s i m u l a t i o na n dm a k e s o m es i g n i f i c a n tc o n c l u s i o n s t h i sp a p e rf n s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cs i t u a t i o n so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r ka n da n a l y z e st h e m u t i n gp r o t o c o l si nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h eb a s i cd e m a n do nc r o s s - l a y e rr o u t i n gd e s i g ni n w i r e l e s sm e s hn e t w o r ka n dm e t h o d sa r ed e s c r i b l e di nd e t a i l ，a n dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fs o m ee x i s t i n gr o u t i n gc r o s s l a y e rd e s i g ns c h e m e sa r ec o m p a r e d s e c o n d l y ，ac o n g e s t i o n - a w a r er o u t i n gp r o t o c o la l g o r i t h mc a s ri sp r o p o s e da i m i n ga tt h e e x i s t i n gd s rr o u t i n gp r o t o c o la l g o r i t h mw i t h o u tc o n s i d e r i n g c o n g e s t i o nc e n t e rr e g i o n o ft h e s h o r t e s tp a t ha n dt h ef a i r n e s so fm u l t i - t r a f f i ct r a n s m i s s i o n t h r o u g hc r o s s l a y e rd e s i g nb e t w e e n n e t w o r kl a y e ra n dm a cl a y e r ，c a s rp r o v i d e st h en e t w o r kl a y e r 、i t l lt h et w op a t hq u a l i t y i n f o r m a t i o nw h i c hc a nb ea w a r eo fn e t w o r kc o n g e s t i o ns t a t u s ：t h ee x p e c t e dt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c ya n dt h er e s i d u a l l o a do fp a t h , i n t e g r a t e st h e mt of o r mr o u t i n gd e c i s i o n m a k i n g f u n c t i o n , a n dd e t e r m i n e sr o u t i n gb a s e do nt h i sf u n c t i o n 0 一c a s ra l g o r i t h mo p t i m i z e st h et w o p a t hq u a l i t yi n f o r m a t i o no fc a s r t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h er e s u l t ss h o wt h a tc a s ra n d 0 一c a s rc h o o s er o u t e sb a s e d0 1 1r o u t i n gd e c i s i o n - m a k i n gf u n c t i o ni nn e t w o r kl a y e r ，w h i c ht a k e s f u l la d v a n t a g eo ft h el e i s u r en o d e so ft h en e t w o r ka n dt h ep a t h sw i t hl e s sc o n g e s t i o na n dm a k e s i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t d a t as t r e a m sa v o i d “c o n g e s t i o nc e n t e rr e g i o n ”。t h ea l g o r i t h m sr e d u c et h el o s so fp a c k e t s ， i n c r e a s en e t w o r kt h r o u g h p u t , i m p r o v en e t w o r kd e l a yo b v i o u s l y , s a t i s f yt h ed e m a n do fl o a d b a l a n c ei nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k , a n di m p r o v et h ef a i r n e s so fm u l t i t r a f f i ct r a n s m i s s i o n l a s t l y ，a sm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sr e q u i r et h en e t w o r k t og u a r a n t e eq u a l i t y - o f - s e r v i c e ( q o s ) i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，aq o s - a w a r es o u r c er o u t i n gp r o t o c o la l g o r i t h mn a m e dq s s ri s p r o p o s e d ，w h i c hs y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r sp a t hd e l a y ，g o o do rb a dl i n ks i g n a l ，l i n ks t a b i l i t y ，a n d w h e t h e rt h eb a n d w i d t hs a t i s f i e sa p p l i c a t i o no rn o t b a s e do nq s s r , aq o s - a w a r em u l t i p a t h s o u r c er o u t i n gp r o t o c o ln a m e dm p q s s ri sp r o p o s e dc o m b i n i n gw i t hm u l t i p a t h w h e nt h e r ei s n o tar o u t es a t i s f y i n gt h eb a n d w i d t ha p p l i c a t i o n , m p q s s rw i l lc o n s i d e rc u r r e n tn e t w o r k s i t u a t i o n , i ft h es u mo ft h em u l t i - r o u t e s b a n d w i d t hs a t i s f i e st h eb a n d w i d t ha p p l i c a t i o n , m p q s s rw i l la d o p tm u l t i p a t h t ot r a n s m i td a t aa tt h es a m et i m e t oc o m p u t ea v a i l a b l e b a n d w i d t ho fn o d e ，t h ep a p e ru t i l i z e sv i r t u a lc a r r i e rs e n s ev i an a vt ob ea w a r eo fb u s ya n df r e e s t a t e so fn o d ei nt r a n s m i s s i o nc h a n n e lt h r o u g hc r o s s - l a y e rd e s i g n t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s ， t h er e s u l t ss h o wt h a tq s s ra n dm p q s s rp e r f o r mb e t t e rt h a nd s ri nt h r o u g h p u ta n da v e r a g e e n dt oe n dd e l a y , i m p r o v et h ee f f i c i e n c y , s a t i s f yt h eq o so fa p p l i c a t i o nb e t t e ra n dh a v es t r o n g e r a p p l i c a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , a n dm p q s s rg e t sb e t t e ri m p r o v e m e n ti ne v e r ya s p e c tt h a n q s s r k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；r o u t i n gp r o t o c o l ；c r o s s l a y e rd e s i g n ；c o n g e s t i o n - a w a r e ； q o s i v 南京邮电大学学位论文原创性l 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：随l 蜕蜒、同期：一力趱! 年。毕 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：匣夏蘧。蓬 导师签名： 同期： 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 随着信息技术的不断发展，人们对移动通信的需求越来越强。近年来，移动通信技术 得到了飞速发展和普及。蜂窝移动通信系统，无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 和h i p e r l a n ) ，蓝 牙技术( b l u e t o o t h ) ，家庭无线网( h o m e r f ) 等移动通信新技术也纷纷涌现。这些技术的出现， 推动了无线通信技术的发展。w l a n 在接入领域得到迅速发展，因其所具有的巨大数据传 输速率，w l a n 被认为是3 g 或3 g 后移动通信部分的一个主要竞争对手。但w l a n 有其 不足之处，其中最主要缺陷便是接入点( 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。虽然人们对此提供了一些解决方法，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和降低网络运行 效率为代价。于是人们把目光转向了另一种网络结构无线网状网( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k ) ，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。 1 1 无线m e s h 网络的背景与起源 1 9 9 7 年，美国d a r p a ( 美国国防部高等研究计划局) 开始组织战场鲁棒技术移动通 信系统的研发。在投入大量资金持续六年多的研发之后，有关移动a dh o e 网络( m a 套i e t ) 的一些理论与技术问题得以解决，从而彻底改变了过去构建无线网络的规则。d a r p a 的 目标是：无线传统的基础设施；采用多跳转发的传输机制；宽带数据效率：端到端的口 支持；除了支持数据业务以外，还要支持话音和视频业务；内置定位系统；能支持2 5 0 英 里d , 时的车辆移动速度。特别是近几年，美国通过一些大型国防项目，攻克了a dh o e 网 络的一些关键技术。其中，i t t 持有了其中核心的自主产权技术。可是除了战术无线通信 以外，真正的商业应用在哪里? 这是业务一直困惑的一个问题。2 0 0 0 年初，i t t ( 国际电 话电报公司) 将专有技术转让给了美国m e s h n e t w o r k s ，用于商业化产品的开发，至此， a dh o e 网络的商业化进程开始显现。2 0 0 2 年，i n t e l 开始关注并认可a dh o e 网络技术， m e s h n e t w o r k s 和t r o p o s 等公司开始相继开发出适用于商业应用的相关产品。这些产品和 方案主要定位于移动性较小或静止的a dh o e 网络无线m e s h 网络。于是，无线m e s h 网络的概念得到人们的关注。值得一提的是，自2 0 0 0 年3 月m e s h n c t w o r k s 成立以后，它 成功的开发了一系列相关产品，基于其良好的成长性，目前被m o t o r o l a 收购。另一方面， 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 2 0 0 2 年8 月，美国f c c 宣布停止c d p d ( c e l i u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) x _ l k 务，一些采用c d p d 的企业开始寻求其替代技术，如w i f i ( 8 0 2 1 1 ) 等技术，因此基于w i f i 的多跳网络技术进 入人们的视野。 1 2 无线m e s h 网络及其特点 1 2 1 无线m e s h 网络的定义 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 ，无线网状网或无线网格网) 是一种与 传统的无线网络完全不同的网络，传统的无线网络必须首先访问集中的接入点( a p ) 才能 进行无线连接。这样的话，即使两个i e e e8 0 2 1 1 b 的节点实际上是互相挨着，它们也必须 通过接入点才能进行通信。而在无线m e s h 网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等 节点进行直接通信。“m e s h 这个词原来的意思就是指所有的节点都互相连接，m e s h 网络 技术一度曾是一项军方技术，随着人们对i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 l g 等 w l a n 技术了解的深入，m e s h 网络才逐步成为企业界和消费者注意的焦点。 因特网的构架其实就已经是一个m e s h 网络的结构。众所周知，接入因特网的用户位 于网络的边缘，它们通过网络内部的路由器和节点相互连接，而这些路由器和节点的连接 方式是这样的：当任意两个节点之间的一条链路失效后，路由器会经过一个或多个别的路 由器找到一条替代路径，这体现了m e s h 网络的思想。 通常认为，无线m e s h 网络是点对点网络的一种，把它看成是移动a dh o c 技术的一种 简化版本。但两者有一定的区别，主要的不同在网络结构的连接上，即无线m e s h 中的接 入点既可以作为m a n e t 中一种对等的数据转发实体，又可以作为一种连接到其他有线网 络的桥接器。无线m e s h 网络是一种新型的无线宽带网络结构，即一种高容量，高速率分 布式网络。它不同于任何一种有线或无线网络，具有一些独特的优点。无线网状结构作为 一种可以解决“最后一公里”网络接入瓶颈接入问题的方案，已被写人了i e e e8 0 2 1 6 ( 俗 称w i m a x ) 无线宽带接入网络标准中，目前也纳入i e e e8 0 2 1 5m e s h 和正在制定的i e e e 8 0 2 1 l sm e s h 标准中。从技术特点来看，无线m e s h 网络将成为未来无线城域网( w m a m 核心网理想的组网方式，极有可能挑战3 g 技术，成为构建b 3 g 4 g 的潜在技术之一，也 是迄今为止唯一一种建设商用移动a dh o c 网络的可行技术【l - 1 5 1 。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 2 2 无线m e s h 网络的结构与特点 通常可以把无线网络结构分成两种：一种是点到多点的星型网络，如i e e e8 0 2 1 1 传 统的无线局域网；一种是点对点的网状网络，如移动a dh o e 网络。实际上，无线m e s h 网 络吸收了星型与网状两种网络的优点，是对两者的一种融合，这种融合是通过在网络节点 上执行无线m e s h 路由( w i r e l e s sm e s hr o u t i n g ) 协议来完成的。无线m e s h 与传统的无线 星型网络的差别在于：无线m e s h 采用了对等式的网络拓扑，需要在一种分布式网络环境 中进行构建，如图1 1 所示【1 6 j 。 ， 无线m e s h 网络由两类节点组成：m e s h 路由器和m e s h 客户端。m e s h 路由器具有网关 q = 继功能以及m e s h 网络的路由功能。无线m e s h 路由器通常有多个使用相同无线访问技 术或者不同无线访问技术的无线接口。无线m e s h 网络由m e s h 路由器为连接到它们上的客 户端形成了一个基础结构。除了最常用的i e e e8 0 2 1 1 技术外，无线m e s h 网络的基础结构 可以使用各种不同的无线电技术。m e s h 路由器在它们自己之间形成了一个自组织、自愈合 的m e s h 网络。m e s h 路由器可以通过网关功能与i n t e m e t 相连，为客户端提供骨干网并使 无线m e s h 网络通过m e s h 路由器的网关网桥功能与现有的无线网络的融合成为可能。有 以太网接口的客户端可以通过以太网链路与m e s h 路由器连接。对于那些与m e s h 路由器使 用相同无线电技术的客户端，它们可以直接与m e s h 路由器通信。如果它们使用不同的无 线电技术，客户端必须通过与m e s h 路由器有以太网连接的基站进行通信。从以上介绍可 以看出，无线m e s h 在组网与选路等特征上与传统无线网络存在着明显的区别。由于节点 只和其邻近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据无线m e s h 路由协议的配置逐跳传 递到目的节点。这种结构与传统点对多点网络结构相比具有较多的优势，主要表现在下列 几个方面： ( 1 ) 快速部署和易于安装。安装m e s h 节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接 上电源就行了。由于极大地简化了安装，用户可以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 它与有线a p 最大的不同。m e s h 的设计目标就是将有线设备和有线a p 的数量降至最低，因 此大大降低了总建设成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。无线 m e s h n 络的配置和其他网管功能与传统的w l a n 相同，用户使用w l a n 的经验可以很容易 应用至u m e s h 网络上。 3 南京邮电大学硬士研究生学位论文 第一章绪论 j ? ，一蕊： 妙 ， 舞拳蚰7 一 点。f ，。， ”畿等 、瓣：黼 ，且 篷二菱嫠晏： 妒卫点皂溉 一溅 图1 1 无线m e s h 网络结构 ( 2 ) 对非视距传输的支持。利用无线m e s h 技术可阻很容易实现n l 0 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 因非视距传输的特性太大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。 ( 3 ) 健壮性强。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。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。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m e s h 网络结构中，由于每个节点都有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 ) 网络结构灵活。在单跳同络中，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的运行速度降低。而在多跳的网络中。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。m e s h 网络还提供了更大的冗 余机制和通信负载平衡功能。在无线m e s h 网络中，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。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一覃绪论 ( 5 ) 高带宽无线网络。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m e s h 网 络的优势所在。在m e s h 网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附 近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增 加。 1 2 3 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络在家庭、企业、公共场所、智能交通等诸多领域都具有广阔的应用前景。 ( 1 ) 家庭无线网络。m e s h 技术的一个重要用处就是用于建立家庭无线网络。家庭式 无线m e s h 联网可以连接台式p c 机、笔记本和手持计算机、h d t v 、d v d 播放器、游戏 控制台，以及其他各种消费类电子设备，而不需要复杂的布线和安装过程。在家庭m e s h 网络中，各种家用电器既是网上的用户，也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供 接入服务。当家用电器增多时，这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。m e s h 技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中的应用。 ( 2 ) 企业无线网络。目前，企业的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式无线链路， 为用户提供点到点和点到多点传输。无线m e s h 网络则不同，它允许网络用户共享带宽， 消除了目前单跳网络的瓶颈，并且能够实现网络负载的动态平衡。在无线m e s h 网络中增 加或调整a p 也比有线a p 更容易、配置更灵活、安装和使用成本较低。尤其是对于那些 需要经常移动接入点的企业，无线m e s h 技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓 扑结构的调整和升级。 ( 3 ) 学校无线网络。校园无线网络与大型企业类似，但也有自己的不同特点。一是校 园w l a n 的规模巨大，不仅地域范围大，用户多，而且通信量也大，因为与一般企业用 户相比学生会更多地使用多媒体；二是网络覆盖的要求高，网络必须能够实现室内、室外、 礼堂、宿舍、图书馆、公共场所等之间的无缝漫游；三是负载平衡非常重要，由于学生经 常要集中活动，当学生同时在某个位置使用网络时就可能发生通信拥塞现象。 解决这些问题的传统做法是在室内高密度地安装a p ，而在室外安装的a p 数量则很少。 但由于校园网的用户需求变化较大，有可能经常需要增加新的a p 或调整a p 的部署位置， 这会带来很大的成本增加。而使用m e s h 方式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整， 而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 ( 4 ) 医院无线网络。m e s h 还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。 由于医院建筑物的构造密集而又复杂，一些区域还要防止电磁辐射，因此是安装无线网络 难度最大的领域之一。医院的网络有两个主要的特点，一是布线比较困难：在传统的组网 方式中，需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线，这显然不利于网络拓扑结构的变化。二是对 网络的健壮性要求很高：如果医院里有重要的活动( 如手术) ，网络任何可能的故障都将会 带来灾难性的后果。采用无线m e s h 组网则是解决这些问题的理想方案。如果要对医院无 线网络拓扑进行调整，只需要移动现有的m e s h 节点的位置或安装新的m e s h 节点就可以了， 过程非常简单，安装新的m e s h 节点也非常方便。而无线m e s h 网络的健壮性和高带宽也使 它更适合于在医院中部署。 ( 5 ) 旅游休闲场所无线网络。m e s h 非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济 上不合算，而又需要为用户提供宽带无线i n t e m e t 访问的地方，如旅游场所、度假村、汽 车旅馆等。m e s h 能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。 ( 6 ) 快速部署和临时安装无线通信网络。对于那些需要快速部署或临时安装无线通信 网络的地方，如展览会、交易会、灾难救援等，m e s h 网络无疑是最经济有效的组网方法。 比如，如果需要临时在某个地方开几天会议或办几天展览，使用m e s h 技术来组网可以将 成本降到最低。 1 3 无线m e s h 网络中的主要研究课题 无线m e s h 网络在几个关键技术问题需要进一步研究解决。 ( 1 ) 天线技术 无线m e s h 宽带网络中一个重要的问题就是天线的使用，因为每个节点必须和多个方 向上的多个节点通信，很简单的一种方式就是采用全向天线，但是这样覆盖范围有限，并 会带来干扰，导致频谱利用率下降，网络容量减小，所以不建议采用全向天线。美国s k yp i l o t 公司将智能天线技术应用于无线m e s h 网络，允许频谱重复使用，从而大大提高了频谱的 利用率，同时减d , y 干扰。在i e e e8 0 2 1 6 a 宽带无线接入标准中也建议把智能天线技术应 用到无线m e s h 网络中。 ( 2 ) 路由选择技术 无线m e s h 宽带接入网络中另一个很重要的问题就是路由选择，例如从节点a 到节点 b ，可以经过不同的用户站中转，存在多条路径，于是选择哪条路径就成为个关键的问 题，这将直接影响系统性能。而且，当节点增加或是减少时，无线m e s h 网络的拓扑结构 6 雨京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 将会发生变化，路由选择问题变得更加复杂，采用无线m e s h 还会带来“隐藏终端”问题， 这些都需要进一步研究解决。 ( 3 ) 动态带宽分配技术 宽带无线接入系统的频谱资源有限，因此必须使信道资源尽可能被充分利用。在i e e e 8 0 2 1 6 标准中规定的点到多点宽带无线接入网络中采用了动态按需时分多址 d a m at d m a 方式，在这种网络中资源的管理和分配由基站负责。而在i e e e8 0 2 1 6 a 标 准中规定，对于基于无线m e s h 技术的宽带接入网络，带宽的分配可以采用集中调度方式， 或者采用分布调度方式。如果采用集中调度方式，由m e s hb s ( b a s es t a t i o n ，基站) 节点 收集所有m e s hs s ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，用户站) 节点的资源请求信息，分别为它们分配一 定数量的带宽资源。如果采用分布调度方式，包括m e s hb s 和m e s hs s 在内的所有节点都 应该相互协调，充分利用资源。任何一个节点发送数据时，不能和两跳以内的临近区域的 其他节点发送的数据产生碰撞。 1 4 无线m e s h 网络路由协议研究现状 国内外对无线m e s h 网络路由协议的研究主要在两个方面上：一方面是将应用于传统 a dh o e 的路由协议进行修改使其符合无线m e s h 网络的特性。由于无线m e s h 网络在某些 情况下可以看作是移动版a dh o e 网络的一种特殊形态，所以将应用于传统a dh o e 的路由 协议进行修改后应用在无线m e s h 网络是目前的研究热点。关于这方面的研究主要集中在 将新的路由参数应用到传统的路由协议中，例如文献【1 7 】中就研究了一种将改进的m e t x 参数应用到无线m e s h 网络中来解决高移动性的问题。文献 1 8 贝j j 研究了如何将链路状态参 数应用到a o d v ( a d - h o eo nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 协议中。文献 19 】利用修正的 期望传输次数m e t x 和有效传输次数e n t 作为路由度量，从而可以在无线m e s h 网络信道 条件剧烈变化的情况下选择平均丢包率和即时丢包率均较低的路由。文献 2 0 】在d s d v 的 基础上提出了一种新的跨层路由参数e e t d ( e n h a n c e de x p e c t e dt r a n s m i s s i o nd e l a y ) ，该参数 感知m a c 层状态信息并利用了p h y 的多速率性能，通过该参数，数据包能够选择高速率、 低延时的链路同时避免了网络中的瓶颈区域。 无线m e s h 网络路由协议研究的另一个方面就是研究专用于无线m e s h 网络路由协议。 文献 2 l 】介绍了m i c r o s o f t 研发的应用于无线m e s h 网络的专用路由协议m r - l q s r ( m u l t i r a d i ol i n k q u a l i t ys o u r c er o u t i n g ) 。t r o p o s 公司开发的应用于、i f i 蜂窝网络户外 系统的私有路由协议p w r p t 2 明( p r e d i c t i v ew i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 针对w i f i 无线网格小 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 区应用而设计，通过比较数据包错误率及其他网络条件来选择在特定环境下的最优路径。 以上是国际知名公司在无线m e s h 网络的专有路由协议方面进行的研究，这些研究往 往需要团队开发，而且研发的周期也很长，对于刚刚开始从事无线m e s h 网络研究的机构， 从修改a dh o c 路由协议入手是开始进行无线m e s h 网络路由协议研究的最佳切入点。 1 5 无线m e s h 网络跨层技术 无线m e s h 网络的作用就是有效改善传统网络如a dh o e 网络、无线局域n ( w l a n ) 、 无线个人n ( w p a n ) 和无线城域n ( w m a n ) 等网络的局限性，扩展它们的覆盖范围，因而近 年得到了快速的发展。最近i e e e8 0 2 1 1 工作组8 0 2 1 l s ，为无线m e s h 网络的物理层和m a c 层规范协议，以增强更好的无线局域网覆盖。在这种网络中，8 0 2 1 1 接入点a p 可以为另 一个接入点做中继。随着接入点的增加，网络容量也随之增加。除了8 0 2 1 l s ，其他协议也 在原有的基础上增加了m e s h 功能，如基于8 0 2 1 5 5 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 2 0 等协议的网络。但 是，尽管无线m e s h 网络技术有较大的发展，但在无线网络中，由于无线环境的不确定因 素，导致无线信道容量和误比特率等特性发生时变，传统的分层设计方法无法保证网络的 最佳资源利用率和用户业务的q o s 需求。为了改善无线网络的性能，我们采用跨层设计 的概念，m a c 、路由协议和传输协议，甚至应用层必须与其下各层进行有效的信息交互， 以适应其下层特性的变化。而跨层路由技术就是综合分析m e s h 网络层和其他层之间的影 响，在设计m e s h 路由协议时，将路