（信号与信息处理专业论文）基于wlan的mesh网络接入点mac协议研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 垂壬坠趔鲍竖曲匾缝篷厶盛! 堑垫堡塑塞 基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 摘要 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 ) 是一种高容量高 速率的新型网络结构，它融合了w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 和a dh o c 网络特点，具有很高的可靠性和灵活性。近年来 随着w m n 研究的深入及在商业应用的进展，在w m n 上提供必要的服务 质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 保证显得越来越重要。但由于w m n 自身的特点，比如其多跳性、分布性、自组性以及移动性，导致在这 种网络下信道利用率降低，网络容量下降，不能提供更有效的o o s 保 证。媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议是w 确定共 享无线信道带宽效率的主要技术，i e e e8 0 2 儿e 标准主要是解决基于 i e e e8 0 2 1 1 面临的q o s 问题。 本文着重研究接入点如何在w 删的环境和有限的带宽情况下提供 q o s 保证的问题。以支持多媒体业务及区分本地业务和转发业务为目 标，对基于i e e e8 0 2 1 1 的媒体接入o o s 机制进行了性能分析，系统 地研究了w m n 的接入点的多信道m a c 协议，并提出了一些新的改进方 案。 首先，详细介绍了w 心的结构，与其它通信网络的区别，应用方 案以及网络优势。详尽分析了w m n 的m a c 层协议，针对w m n 的多信道 m a c 方案进行了研究。 接着，介绍了8 0 2 1 l ee d c a ( e n h a n c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e l a c c e s s ) 机制，并在e d c a 机制的基础上提出了针对w m na p 的d - e d c a 机制，定义了新的优先级类别映射方法，增加了区分本地业务和转发 业务的功能。 最后，对w m n 上采用d e d c a 机制进行了性能分析。通过仿真比较发现， d e d c a 机制在性能上优于e d c a 。同时提出了通过限制实时性业务重传时间来改 进d e d c a 机制的初步方案，并对该方案进行了仿真与分析。 关键词：无线m e s h 网络，i e e e 8 0 2 11 ，e d c a ，多信道，优先级 北京邮电大学硕士学位论文 茎壬世h 鲍坠韭围缝蕉厶直堂生垃丝塑蛊 i n v e s t i g a t i o n o fw l a nb a s e dm a c p r o t o c o lo f a pf o r m e s hn e t w o r k s a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) i s an e wt y p eo fb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r kt h a tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fw l a n a n dt h ea dh o cn e t w o r k s i th a sh i g hr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y - i n r e c e n ty e a r s ，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sa r em o r ea n dm o r ep o p u l a r ， a n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa r ew i d e l yu s e di nc o m m 。c l a l e n v i r o n m e n t s t h e r e f o r e ，i ti sc r u c i a l f o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s t os u p p o r tq u a l i t y o f - s e r v i c e ( q o s ) h o w e v e r ，s o m ed i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，s u c ha st h em u l t i - h o p ， d i s t r i b u t i o n ，s e l f - o r g a n i z a t i o na n dm o b i l i t y ，s i g n i f i c a n t l yi m p a 。t t h ed e r f o r m a n c eo ft h em a cp r o t o c o li st h em a i nf a c t o 。t o d e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo ft h es h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l a n e n h a n e e dm e c h a n i s me d c a ( e n h a n c e d d i s t r i b u t e dc h a n n e l a c c e s s lh a db e e np u tf o r w a r di nt h ei e e e 8 0 2 1le ，w h i c hi sa n i m p r o v e da l g o r i t h m t os u p p o r tq o s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nh o wt op r o v i d et h eq o s i n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，w h e r et h et o p o l o g yi sd y n a m i c a n dt h e b a n d w i d t hi sc o n s t r a i n e d t o w a r d st op r o v i d i n gm u l t i m e d l a t r a f f i ca sw e l la sd i f f e r e n t i a t i n gl o c a la n df o r v c a r dt r a f f i 。，t h e w o r ki n v e s t i g a t e st h em u l t i - c h a n n e lm a c f o rw i r e l 。8 sm e 5 n n e t w o r k sb a s e do ni e e e8 0 2 1l e ，a n ds o m eo r i g i n a ls c h e m e s a r e p r o p o s e d 一5 - f i r s t l y ，t h ea r c h i t e c t u r e ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nw m na n d o t h e rn e t w o r k s ，a p p l i c a t i o n sa sw e l la ss o m ea d v a n t a g e so f w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d t h em a c p r o t o c o li n w m na n di n v e s t i g a t e st h em u l t i c h a n n e lm a cm e c h a n i s m sa r e a n a l y z e da n ds u m m a r i z e d s e c o n d l y ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e sh o w8 0 2 11ew o r k s a n dp r o p o s e sa ni m p r o v e da l g o r i t h mn a m e dd e d c a d e d c ai s am o d i f i e ds c h e m e sb a s e do ne d c a d e d c ap r o v i d e san e w d e f i n i t i o ni nw h i c hu s e rl e v e lt r a f f i cm a pt ot h en e w p r i o r i t y ， m e a n w h i l ei th a sa “d i f f e r e n t i a t i n gl o c a la n df o r w a r dt r a f f i c ， f u n c t i o n t h i r d l y ，w es i m u l a t e dt h et h r o u g h p u to fd e d c ab yc h a n g i n g t h ei m p a c tf a c t o r ss u c ha sa i f s ，c wp fa n dt h en u m b e ro f s t a t i o n s t h ep a r a m e t e r so fd e d c an e e dt ob em o d i f i e dt o a c h i e v eb e s tp e r f o r m a n c e i n c r e a s i n gt h ea i f s ，c w m i na n dp f o fl o wp r i o r i t yt r a f f i cc a ni m p r o v et h et h r o u g h p u to fh i g h p r i o r i t yt r a f f i c f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c eo fd e d c ai nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k si si n v e s t i g a t e d t h r o u g han u m b e ro fn e t w o r k s i m u l a t i o n s ，w ef i n dt h a td e d c ah a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a t e d c a t h er e v i s e dd e d c ai sp r o p o s e db yr e s t r i c t i n gt h e r e t r a n s m i t t e dt i m e so ft h er e a l t i m et r a f f i c s f u r t h e r m o r et h e p e r f o r m a n c eo ft h er e v i s e dd e d c as c h e m e si sa n a l y z e db r i e f l y k e yw o r d s ：w ir e l e s sm e s hn e t w o r k ；i e e e 8 0 2 11 ：e d c a ；m u l t i c h a n n e l ；p r 6 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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。 申请学位论 本人签名： 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和 借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或 其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 用本授 日期： 日期： 韭基鲣盥盔堂亟堂僮熊塞差曼丛! 塑坠韭圆缝撞直咝缝这受益 第一章绪论 1 1 论文背景与国内外研究现状 随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时，何地，与何人 都能够进行快速，准确地通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的 缺点，达到通信的“无所不在”，最近，人们提出了一种新型的宽带无线网络 结构无线m e s h 网w m n i 2 。 w m n 是移动a dh o c 网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动a d h o c 网络的研究与开发，它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的 无线网络，可以看成是一种w l a n 和a dh o c 网络的融合，且发挥了两者的优 势，作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构，w m n 被写 入了i e e e8 0 2 1 6 ( 目pw o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r oa c c e s s ，w i m a x ) ，无线城域 网( w i r e l e s s m u n i c i p a l a r e a n e t w o r k ，w m a n ) 标准中。 2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p 正式专门成立了网状研究组 ( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了网状任务组( m e s ht a s kg r o u p ) ， 标志着w m n 技术正式迈上了广泛标准化道路。另外，其它标准如 8 0 2 1 5 3 a , 8 0 2 1 5 4 和专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ， d s r c ) 也开始探索如何通过网状嵌入式设备来改进其现有技术，i e e e8 0 2 1 6 已经将网状技术纳入其m a c 层协议标准中 3 】。 在应用基础理论与技术研究中，近1 0 年来，包括移动a dh o e 网络和w m n 在内，已经取得了众多成果，主要有以下方面：( 1 ) 路由协议的研究。协议的 核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征。代表成果有d s d v ，a o d v ， d s r ，t o r a 等 1 1 ，1 2 ，2 1 1 。最近，微软公司也提出了一种多无线收发器，多 跳无线网络的路由协议m r - l q s r ，主要思想便是在d s r 协议的基础上采用最 大吞吐率准则，已经开始考虑w m n 的特征【1 5 】。( 2 ) m a c 协议的研究。主 要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题，如m a c a 协议，控制信道和数据信 道分裂的双信道方案和基于定向天线的m a c 协议等【l l ，1 2 ，2 l 】。( 3 ) 在网 北京邮屯人学硕士学位论文基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心是节点密度与 分布问题 2 6 ，2 s 。 ( 4 ) 在多播组播协议，t c p 协议，地址和带宽等网络资源 分配，功率( 节能) 控制，安全性问题，分布式算法，q o s 等方面有一些研究 成果，但各部分的数量相对较少 2 1 1 。( 5 ) 在一些协议和系统仿真与实验研究 上，特别针对w m n ，最近有一些新的结果 1 5 ，1 6 】。在短距离a dh o c 网络的 构建上，最近些学者正在研究蓝牙散射网管建技术【l l ，1 2 】。 在专利技术上，目前主要掌握在一些美国公司及研究机构中。例如 m e s h n e t w o r k s 公司在2 0 0 2 年6 月获得专利“为端到端和端到基础设施的通信 网络提供无线业务消息存储转发的系统和方法”【1 7 】。该专利提出了一种是先 不在彼此传输范围内的移动节点和无线基础设施部件间进行无线通信的系统和 方法，基本思想是利用了中闯移动节点所具有的存储转发信息的能力。2 0 0 4 年 4 月，该公司获得专利“无线端到端a dh o c 网络路由中队i p 地址到m a c 地址 映像及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”【1 8 】。该专利的主要思想 是采用一个h a s h 函数将i p 地址变换为一个6 字节的m a c 地址，并附加在路由 广播中主动传输给其它节点。此外，摩托罗拉公司在2 0 0 3 年1 0 月获得专利 “在a dh o cm e s h 网络中提高服务效率的方法和设备”，其中涉及在w m n 中 增强业务有效性的通信系统与设备。c a l y 公司于2 0 0 2 年3 月获得专利“网状无 线网络中包数据通信协议”。其中主要涉及网状无线网络节点之间包数据的通 信方法。 在应用系统集成上，近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导 体，计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一 个快速发展的阶段，w l a n 技术，蓝牙技术，移动a dh o c 网络技术和超宽带 ( u l t r a - w i d e b a n d ，u w b ) 技术等取得了令人瞩目的成就【1 9 】。一般认为，未 来的4 g 系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成，其中包括未来的蜂窝移动 通信网络，卫星网络，公共电话交换网络，w l a n ，移动a dh o e 网络等，这些 网络均集成到因特网骨干网或通过w m n 集成到因特网中，而w m n 可看作 “因特网的无线版”。可见，无线m e s h 网将是未来无线通信领域重大技术革 新。 j e 鏖噬血盘堂亟堂焦墟塞差坠m 鲍堕业匦缉撞厶盘丛丝垃邀受宝 在商业与军事系统应用上，w m n 技术可以应用于军事指挥通信网1 1 3 1 ， w m a n ，无线传感器网络 2 0 1 ，w l a n 等“最后公里”无线覆盖等众多领 域，同时，w m n 的构建涉及移动通信，计算机网络和微电子技术等多项领 域，从某个侧面体现出一个国家的综合实力，尤其是在3 g 陷入标准之争的中 国，w m n 技术更是备受广大运营商，设备供应商以及无线增值业务集成商等 极大关注。所以世界各主要发达国家均在投入大量的人力和物力进行研究，以 期在未来的高科技和无线产品市场竞争中占有一席之地。然而，与蜂窝通信网 类似，w m n 除了面临技术标准化道路以及部分企业的专利技术保护限制以 外，还有组网模式以及无线网状多址接入技术及智能路由选择等复杂的关键理 论和技术问题，导致其在我国要大面积商用还有一段路要走。值得庆幸的是， 目前w m n 的商用实验网络已经在部分国家和地区开展，如北电网络的应用解 决方案，另外其它一些公司也成功地实现了w m n 技术的商用。例如日本偏远 城市高知k c n a 网，它用无线路由器和8 0 2 1 1 接入点组成一个城市范围的内联 网，连接了1 4 所小学，4 所中学和1 8 栋市政大楼【l 】，美国的s k y p i l o t 公司在 w m n 中使用智能天线技术，并实现了频率复用，大大提高了频谱的利用率。 近年来，国内也开始关注w m n 技术的发展。 目前w m n 已经引起国内外的广泛关注，由于m a c 协议对于无线m e s h 网 的性能有着非常重要的作用，因此w m n 的m a c 协议研究也成为研究的热点 【7 】。 对于w m n 网络m a c 层协议研究主要集中在对w l a n 和a dh o e 的相关研 究上，对w l a n 的研究处理关注8 0 2 1 1 协议本身，主要在i e e e8 0 2 1 l e 的基 础上进行改进，如调整竞争窗口大小，d 1 f s 和最大的帧长度以及保证不同业务 q o s 等。而对于a dh o c 网络带宽资源分配与调度策略的研究以节省a dh o c 网 络节点电池消耗为主要目的的研究比较多，为多媒体业务提供q o s 保证的研究 也得到很多关注。8 0 2 1 1 虽然具有很多优势，但覆盖范围一直是他的弱点，为 了解决这个问题，m e s h 网技术应运而生，它可以通过接入点a p 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 的显着特点就是可以在大范围内实现高速通信。 北京邮i 乜大学硕士学位论文 基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 i e e e8 0 2 1 1 标准是目前移动网络中引用最广泛的m a c 层协议之- 1 5 1 ， 由于w m n 是一种融合了w l a n 和a dh o e 的新型网络结构，因此现有的 8 0 2 1 lm a c 层的相关算法，及8 0 2 1 i s m e s h 标准只提出了草案还没有制定最终 的标准，以上因素给m a c 层协议研究带来了极大的发展机会。因此研究w m n 接入点的m a c 层协议对于w m n 的整体性能分析，研究，设计以及推动w m n 的应用具有重要意义。 1 2 论文研究内容与组织结构 本论文旨在对w m n 多信道m a c 协议进行探讨与研究，对目前无线通信 网络的m a c 层协议进行了系统的分析总结，并研究在w m n 这种新型的组网 结构下m a c 层协议的发展方向。在具体研究过程中，主要以i e e e8 0 2 1 1 e d c a 6 $ 彩x 机制为研究对象。研究方法主要为利用n s 2 【9 仿真软件对协议进 行仿真。 本文各个章节内容组织如下： 第1 章介绍了论文的研究背景，研究内容以及组织结构。 第2 章具体介绍w m n 的结构，与其它通信网络的区别，网络优势及应用。 第3 章针对w 的m a c 层协议，进行了全面深入的分析，并研究现有的m a c 层 协议并对他们的特点进行了比较，采用理论分析的方法，集中研究了基于 多信道删的m a c 协议。 第4 章针对i e e e8 0 2 1 l e d c a 协议中存在的问题，提出了对其进行改进与扩展 的新的接入机制d - e d c a 。 第5 章对d - e d c a 方案进行仿真与分析，并得出结论该方案在性能比较上优于 e d c a 。 第6 章全文总结并展望今后的工作。 韭复鲤皇左堂亟堂焦迨童 茎王坠趔鲍堂堂圆堡捶直坠g 垃邀塑宜 第二章无线m e s h 网络相关背景及应用 2 1 无线m e s h 网络的结构 在使用w m n 技术建设的网络中，其拓扑结构成栅格状，如图2 1 所示为 一典型结构。整个网络由下列组成部分构成： 智能接入点( i n t e l l i g e ma c c e s sp o i n t ，a p ) 无线路由器( w i r e l e s sr o u t e r ，u r ) 终端用户设备( c l i e n t ) 图2 - 1 一种w 州结构 在图2 1 中，一个a p 能够在几十至上百米的范围内连接多个无线路由器， i a p 的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要将各个与无线路由器相连的 无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备通过a p 共享核心网的资 源。i a p 是在a p 的基础上增加了a d h o c 路由选择功能。除此之外，a p ，【a p 还 具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理，把传统交换机的智能性 分散到接入点( a p i a p ) 中，大大节省了骨干网建设的成本，提高了网络的可延 展性。在智能接入点的下层，配置无线路由器w r ，从而为底层的移动终端设 备( 即用户) 提供分组路由和转发功能，并且从智能接入点下载并实现无线广播 软件更新。转发分组信息的路由根据当时可使用的节点配置临时决定，即实现 动态路由。在该网络结构中，通过使用无线路由器w r 可以实现移动终端设备 与接入点间通信范围的弹性延展。 北京邮电大学硕士学位论文基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 终端用户设备( c l i e n t ) 兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机 运行相关的应用程序：另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议， 参与路由发现，路由维护等常见的路由操作。 基于以上的结构，w m n 有两种典型的实现模式。 基础设施网状模式( i n f r a s t r u c t u r em e s h i n g ) 该模式在接入点与终端用户之间形成无线的回路。移动终端通过w r 的路 由选择和中继功能与i a p 形成无线链路，i a p 通过路由选择及管理控制等功能 为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径，从而形成无线的回路。同时移动 终端通过i a p 可与其它网络相连，从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了 系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性。 终端用户网状模式( c l l e n tm e s h i n g ) 终端用户自身配置无线收发装置通过无线信道的连接形成一个点到点的网 络，这是一种任意网状的拓扑结构，节点可以任意移动，可能导致网路拓扑结 构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个 无法直接通信的用户终端可以借助其它终端的分组转发进行数据通信。在任一 时刻，终端设备再不需要其它基础设施的条件下可独立运行，它可支持移动终 端较高速率的移动，快速形成宽带网络，终端用户模式事实上就是一个a dh o c 网络，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支 撑环境。 由于两种模式具有优势互补性，因此同时支持两种模式的网络将在一个广 阔的区域内实现多跳的无线通信，移动终端即可以与其它网络相连，实现无线 宽带接入，又可以与其它用户直接通信，并且可以作为中间的路由器转发到其 它节点的数据，送往目的节点。w m n 不仅可以看作是w l a n 与a dh o c 融合的 一种网络，又可看作是因特网的一种无线版本。 2 2 无线m e s h 网络与其它通信网络的区别 j e 盛鲤皇丕堂熊堂焦j 金塞 差世_ 的堕曲回缝撞直坠地这瑟宝 2 2 1与蜂窝移动通信系统的区别 可靠性提高：在w m n 中，链路为网状结构，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它可接入的链路，因而对网络可靠性有了很 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。 传输速率大大提高：在采用w 州技术的网络中，可融合其它网络或技术 ( 如w i f i ，u w b 等) ，速率可以达到5 4 m b p 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 p s ，步行慢速移 动环境中支持3 8 4 k b p s ，即使在静止状态中也仅达到2 m b p s 。 降低成本：在w i n 中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p ，i 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 2 2 与a dh o e 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 e 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 e 网络技术应用到移动节点同时又是移动节 点可通过i a p 连接到其它网络，因此可以把w m n 看成是a dh o e 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，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 d h o e 网络的研究已经有相当长的时间了，但是 主要还是在理论上，而且主要应用在军事上，还未出现大规模的商用。 2 2 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 1l b 可达 1 1 m b p s ，8 0 2 1 l a 可达5 4 m b p s ) ，但由于典型情况下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 的显着特点就是可以在大范围内实现高速通信。 北京邮电大学硕t 学位论文基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 2 3 无线m e s h 网的优势 w m n 与传统的无线网络相比有许多优势： 可靠性大大增强：w m n 采用的网络拓扑结构避免了点对多点星型结构，如 8 0 2 1 1 w l a n 和蜂窝网等由于采用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。 具有冲突保护机制：w 可对产生碰撞的链路进行标识同时可选链路与本 身链路之间的夹角为钝角，减轻了链路间的干扰。 简化链路设计：f f 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，减低了发射功率，也将随之降低不同 系统射频信号间的干扰和系统自干扰，最终简化了无线链路设计。 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 接入网络或与其它的节点联系，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，系统地容量增大。 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。 投资成本低，风险小：l i r 删网络初建成本低，a p 和非一旦投入使用，其 位置基本固定不变，因而节省了网络资源。w 具有可伸缩性，以扩容， 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。 2 4 无线m e s h 网络的应用 1 )加拿大北电网络技术方案 由图2 2 可以看出，该网络是基于w m n 的架构模式，它包括一个具有智 能天线，综合路由器，适应性路由机制以及安全容量机制的点到点的结构，终 端用户没有路由功能，它们通过r f 方式与无线智能接入点联系，然后接入网 毡夏唑皇占生亟望丝盈塞墨王坠趔鲍堕业圆绪捶厶盛坠璺地丝塑殛 络。该网不受网线限制，可以随时建立和拆除，它允许用户在一定范围内任何 时候都可以访问网络，不需要指定明确的接入地点，用户可在网络中漫游。 图2 2 北电网络w m n 结构 北电网络的w m n 解决方案由三个主要的网络元素组成 无线接入点7 2 2 0 ( w i r e l e s sa p ) 无线a p 在网络中传输数据并对网络传输路径进行收集和分配，它具有路 由和无线传输的功能，并且通过控制终端用户的无线接入对已确认的其它无线 a p 有安全保障机制。无线a p 还具有低成本的先进天线设计，扩大了它所能覆 盖的范围。由于它自身的特点使它易于配置，可靠性高。 无线网关7 2 5 0 w l a n 用户以及其它的网络实体作为口子网，无线网关7 2 5 0 会为他们广 播到达率，此外，无线网关隐藏这种特殊的w l a n 的移动性，并且为a p 之间 的无线网状链路提供保护机制。 网络管理系统 网络管理系统集中控制和管理无线网络的操作，包括发现无线a p 7 2 2 0 和 无线网关7 2 5 0 ，并使他们可视化，发现并改正管理错误等。 北电网络无线m e s h 网技术方案的优势包括以下几个方面： 北京邮电大学硕士学位论文 基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 利用8 0 2 1 l 技术中的高速无线数据接口为高速的无线数据业务提供增 值业务。 增大高速无线数据接入的覆盖范围。 利用现有的技术以及与原有的有线网络相组合，使首次投入成本非常 小。从长远看，从安装到日后维护都有很大的经济优势。 w 州自身的组织自管理的特性以及集中的操作维护管理降低了管理费 用。 通过加入更多的无线接入点可以灵活的提高系统的容量，覆盖率以及有 效性。 2 ) 美国p a c k e t t t o p 公司技术方案 图2 - 3p a c k e t h o pw m n 结构 l i g p r sg 钮广域同 一：| 渤 直 该公司给出的这种网状结构，其最大应用意义在于：可以利用网状技术覆 盖不同网络之间的服务盲区，从而非常方便的实现移动终端在衣兜网之间的无 缝漫游。 在异构网之间的服务盲区中，利用智能路由器或具有路由功能的移动终端 自动形成网状网，使两个处于不同结构网络里的节点可通过网状网进行通信 【2 2 】。这一方案已经被美国金门大桥成功应用。w m n 有着非常广泛的应用环 境，如军事基地无线数据网和战场临时通信网，校园高速无线接入覆盖，家庭 韭复蛭虫厶坐亟生焦盐塞 墨王坠些鲍竖业囤络捶直坠鱼垫丝鲤殛 娱乐和无线传感器网络扩展，特殊行业无线企业网，电信业扩大无线增值业务 覆盖，交通行业的高速无线宽带接入网络，为公公服务和安全行业及执法机构 等提供客户即时信息，数据可访问及移动办公业务。 另外其它的一些公司也成功地实现了无线网状技术的商用。例如日本偏远 城市告知k c n a 网，它用无线路由器和8 0 2 1 1 接入点组成一个城市范围的内联 网，连接了1 4 所小学，4 所中学和1 8 幢市政大楼。 w m n 有着非常广的应用环境，如军事基地无线数据网和战场临时通信 网，校园高速无线接入覆盖，家庭娱乐和无线传感器网络扩展，特殊行业无线 企业网，电信业扩大无线增值业务覆盖，交通行业的高速无线宽带接入网络， 为公共服务和安全行业及执法机构等提供客户即时信息，数据库访问及移动办 公业务。总之，w m n 市场目前还处于萌芽期，有非常大的市场潜力，随着 w m n 技术研究的不断深入，应用范围会越来越广泛。 北京邮电大学硕士学位论文基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 第三章无线m e s h 网m a c 层协议分析与研究 3 1 基于单信道的m a c 协议 单信道方式每一个接入点只有一个无线收发器，在任一时刻他只能有一个 业务流，如何安排业务刘，从而避免业务冲突，提高网络资源利用效率以及保 证q o s ，就成为单信道策略必须解决的问题。因此在w m n 中需要一种调度机 制来控制智能接入点在与之自身信号覆盖范围之内终端设备以及其它接入点通 信的协调工作，保证接入点能够根据时分的方式在不同的设备间交换数据。对 于单信道m a c 协议除了解决隐藏终端和暴露终端问题，主要考虑解决多种业 务和多优先级业务的公平接入信道问题，以提高系统的综合接入能力和q o s ， 以及解决系统调度策略对于实时性要求较高的业务端到端q o s 保障问题。对于 w m n 单信道的m a c 协议有以下三种方案： 3 1 1 改进现有的m a c 协议 目前的m a c 层协议研究集中在通过改变c s m a c a 协议来提高多跳网络 的性能。这些方案一般是调整c s m a c a 协议的参数，例如竞争窗口大小，退 避过程等，但这只会增加一跳通信的吞吐率。对于多跳网，例如w m n ，这样 的方法只能得到低的吞吐率，因为并不能降低临节点间的竞争程度。由于多条 路径积累的影响，因此只要频繁竞争，接入点的吞吐率就会降低。 3 1 2 跨层设计 跨层设计是这打破原o s i 参考模型中严格分层的束缚，在层与层之间进行 信息传递和共享，针对各层相关模块和协议的不同状态和要求，在一个整体框 架内，利用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行整体优化。 与m e s h 网m a c 层有关的跨层设计主要是物理层技术，这方面主要有两种 方案，基于定向天线的m a c 层协议【2 4 】和基于功率控制的m a c 层协议 4 l 】。 前者假设天线波束很完美，可以减少暴露终端，但由于定向的传输，会产生更 多的隐减终端问题，而且还会遇到其它的一些问题例如，损耗，系统复杂性 等。后者也降低了暴露终端问题，尤其在密集型网络里，但增加了w m n 中空 j e 瘟衄皇盔堂亟堂僮监塞墨王曼l 丛数竖出圆蟹毽厶虚坠曼垃遗亟宜 间上的可重复使用的频谱因素。但是，隐藏终端问题依然存在并且变得更严 重，因为低的传输功率降低了发现潜在干扰节点的可能性。 3 1 3 研究新的m a c 协议 为了从根本上解决多跳网络中低的吞吐率，我们需要提出新的解决方案， 考虑到多跳网络的相对差的可测量性，随即接入协议例如c s m a c a 并不是有 效的解决方案，因此设计新的基于t d m a ，c d m a 或者两者融合的m a c 层协 议是目前非常重要的一个研究方向。但就目前来看，基于分布式的t d m a m a c 与c d m am a c 的方案还很少，有两个主要原因，一个是开发这种分布协 调使得t d m a 与c d m a 的m a c 协议有一定的复杂性并且成本较高，另一个是 要考虑与现有m a c 协议的兼容性。例如在i e e e8 0 2 1 6 中原有的m a c 协议是 集中式的t d m a 机制，8 0 2 1 6 中的分布式的t i ) m a 还在研究中，对于基于 i e e e8 0 2 1 1 的w m n ，如何设计一个分布式的t d m a ，c d m a 或者两者融合的 m a c 协议是一个有趣并且有挑战性的问题。 3 2 多信道m a c 协议的需求 现有的w m n 基本上都是采用单信道m a c 协议，这种技术限制了整个网 络的数据传输速率与网络容量。因为根据无线信道特点，当一个节点向另一个 节点传输数据的时候，为了避免冲突，两个节点的所有邻节点都不能够进行数 据传送( 如图3 1 ) ，这就极大地限定了整个网络的容量。尽管现有的 8 0 2 11 a b g 与8 0 2 1 6 协议在物理层技术上有了很大的进步，如采取了一些有效 的功率控制方法，但仍然不能从根本上满足今天人们对网络带宽日益增大的需 求。8 0 2 1l a g 标准标称的带宽为5 4 m b p s ，但这只是在峰值速率，而在真正应用 过程中，由于用户接入是会发生多用户冲突，丢包错误等，因此真正的可达带 宽几乎只有标称值的一半【2 5 】。另外，随着接收双方通信距离的增大，数据传 输速率会显着下降。而在多跳w m n 中，由于多跳的原因，数据在收发过程中 面临节点冲突的可能性会增加，另外，由于隐藏终端与暴露终端问题，网络吞 吐率也会大幅度下降。 北京邮电大学硕t 学位论文基于w l a n 的m e s h 网络接入点m a c 协议研究 幸运的是，8 0 2 1 l b g 标准和8 0 2 1 l a 标准分别提供了3 个和1 2 个没有交 迭的信道，使相邻的节点可以同时使用不同的信道。如果网络中的节点能够同 时使用多个信道( 如图3 - 2 ) ，就可以提高网络吞吐率。 o 一竺o 一翼：一。 图3 - 1 单信道m a c 协议下节点数据传输 o ! 苎o 竺 图3 - 2 多信道m a c 协议下节点数据传输 实际上，早在移动a dh o c 网络的设计中，人们就开始研究多信道技术来提 高网络的传输速率与网络容量 3 3 3 8 。w m n 是a dh o c 网络的一种特列，因 此，我们仍然可以采用这种多信道m a c 机制，来设计w m n 的多信道m a c 协 议。 3 3 多信道m a c 协议面临的问题 多信道m a c 协议与单信道m a c 协议相比，设计上更加复杂。由于w m n 的多跳性，同时加上缺乏集中式控制，网络拓扑时变等特点，使多信道m a c 协议的实际面l 临诸多问题，设计上更加困难。主要问题包括： 3 3 1 多信道隐藏终端问题 在8 0 2 11 标准中，物理层上可以支持多个信道，但在m a c 层上只有一个 信道，因此在多个信道的环境下单信道的方案并不适用。因为存在多信道的隐 藏终端问题。以下通过一个例子来描述多信道隐藏终端问题。 如图3 3 所示，协议假设有n 个信道，但只有一个收发器。一个信道是控 制信道，设为信道1 ，其它n 1 个信道为数据信道。当节点既不接受也不发送 数据时，都监听控制信道l 。当节点a 和节点b 通信时，为了避免冲突，在控 制信道上进行r t s c t s 握手，即节点a 发送r t s 给节点b ，节点b 用c t s 应 韭立塑生盔堂亟堂僮迨童 基曼丛m 塑生业围缝