（信号与信息处理专业论文）基于多信道的无线mesh网络关键技术研究.pdf

南京邮电人学硕上研究生学位论文 摘要 摘要 无线m e s h 网络是下一代无线互联网的一种核心组网技术，主要用于解决即时组网或 较大区域内的大规模无线互联，以增强无线通信系统吞吐量和覆盖能力，提高系统的自愈 能力，在构建城域、社区、学校和其他专用网络等方面具有广阔的应用前景。如何利用多 信道技术来提高无线m e s h 网络的容量，如何减小信道间干扰，如何满足用户日益增加的 多媒体业务需求是近年来无线通信技术研究的热点和难点。 本文就基于多信道的无线m e s h 网络信道分配、组播以及o f d m 等关键技术进行研究， 分别提出了相应的解决方案并进行了模拟仿真试验。论文的主要研究内容和贡献如下： 首先研究了无线m e s h 网络的多信道技术。对原有的多信道支持方案，多信道m a c 协议做了详细的分析和比较。然后研究了一种不用修改现有的m a c 协议的多信道多接口 无线m e s h 网络框架结构，并针对其路由和信道分配作了详细说明，最后基于n s 2 仿真平 台对该实现方案进行反正实现。结果表明，多信道多接口的无线m e s h 网络不但支持现有 的m a c 协议，支持现有的硬件设备，而且网络吞吐量比单信道无线m e s h 网络有了大大 的提高。 其次，本文研究了基于多信道的无线m e s h 网络的信道分配技术。在分析比较现有的 多信道无线m e s h 网络信道分配的基础上，针对无线m e s h 网络对组播的需要，提出了一种 新的支持组播的多信道多接口无线m e s h 网络的信道分配方案，这种信道分配方案是首先 建立一棵组播树，然后按照信道间最小干扰的原则对其进行信道分配，当信道间隔大于5 的时候选择信道间隔绝对值相差最小的信道。这种信道分配方案不但支持组播，克服了之 前的支持组播的无线m e s h 网络信道分配不能达到最优化的问题。相比较以前提出的支持 组播的信道分配方案，网络吞吐量有了很大提高，传输延时也相应地减小。 最后，基于无线m e s h 网络的信道干扰问题提出了o f d m 非线性补偿技术。正交频分 复用技术( o f d m ) 是一种多载波传输技术，其主要的优点是抗频率选择性衰落或窄带干 扰，同时又提高频谱利用率。无线m e s h 网络的物理层可以采用o f d m 技术，但是当信号 经过非线性系统时，由于线性动态范围有限，会造成非线性失真，除了造成频谱扩散引起 临近信道干扰( a c i ) 之外，还会造成自身信道干扰，从而导致系统性能下降。本文通过 提出一种非线性补偿算法，降低了误码率，提高无线m e s h 网络的系统性能。 本论文对无线m e s h 网络的多信道方案进行了仿真和实验，并基于多信道的无线m e s h t 南京邮电大学硕上研究生学位论文 摘要 网络的信道分配技术，组播技术和o f d m 技术做了深入的分析，提出了新的改进算法。结 果表明，文中提出的算法能大大提高网络q o s 。增强网络性能，在理论和实践中都是可行 的。 关键词：无线m e s h 网络，多信道，信道分配，o f d m ，组播 a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r ki san e x t g e n e r a t i o nw i r e l e s si n t e r n e tn e t w o r ks t u c t u r eo ft h ec o r en e t w o r k , m a i n l yt oa d d r e s st h el a r g e rr e g i o no ft h el a r g e s c a l ew i r e l e s s i n t e r n e tt oe n h a n c es y s t e mt h r o u g h p u ta n d i m p r o v et h ea b i l i t yt os e l f - h e a l i n g i nb u i l d i n gam e t r o ，c o m m u n i t y , c a m p u s ，a n do t h e rl a r g e - s c a l ew i r e l e s s a c c e s s ，m e s hn e t w o r kh a sb r o a dp r o s p e c t s h o wt oi m p r o v ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k s c a p a c i t yt om e e tg r o w i n g u s e rd e m a n df o rb a n d w i d t h ( s u c ha sr e a l t i m ea u d i o ，v i d e od o w n l o a d i n g ) ，h o wt od e c r e a s ec h a n n e li n t e r f e r a c e ， a n dh o wt os u p p o r tm u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o na r eh o tt o p i c si nr e c e n ty e a r s i nt h i st h e s i s ，w er e s e a r c ht h ek e yt e c n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o n so fm u l t i c h a n n e lw r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，a n d a c c o r d i n g l yp r o p o s et h ei m p r o v i n gs c h e m e s t h ef o l l o w i n ga r et h ek e yr e s e a r c ha n dc o n t r i b u t i o n s ： t h et h e s i sf i r s td e e p l yi n v e s t i g a t eo nt h em u l t i c h a n n e lt e c h o l o g yf o rw i r e l e s sn e t w o r k ，t h e nf i n daw i r e l e s s n e t w o r ka r c h i t e c t u r ec a l l e dm u l t i c h a n n e lm u l t i i n t e r f a c ew i t h o u tm o d i f y i n gt h eo r i g i n a lm a cp r o t o c o l s a n d t h e ng i v ead e t a i l e de x p l a n a t i o no nr o u t i n ga n dc h a n n e la s s i g n m e n t i nt h el a s t ，w es i m u l a t ei tw i t hn s 2 i t s p r o v e dt h a tm u l t i c h a n n e lm u l t i - i n t e r f a c e w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sn o to n l ys u p p o r tt h eo r i g i n a lm a c p r o t o c o l s ，b u ta l s oh a v el a r g e rt h r o u g h p u tt h a ns i n g l ec h a n n e lm e s hn e t w o r k s e c o n d l y ，t h et h e s i sa l s oe x p l o r et h ec h a n n e la s s i g n m e n to f t h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k a f t e rc o m p a r i n ga n d a n a l y s i s i n gt h ec u r r e n tc h a n n e la s s i g n m e n t s ，w ep r o p o s ean o v e lc h a n n e la s s i g n m e n tf o rm u l t i c a s ti n m u l t i c h a n n e lm u l t i i n t e r f a c ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k s i tf i r s tb u i l dam u l t i c a s tt r e e ，a n dt h e na s s i g n sc h a n n e l s a c c o r d i n gm i m i m u mc h a n n e li n t e r f e r a c ep r i n c i p l e t h ea l g o r i t h mc a ns u p p o r tm u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o n s ，a n d t ob ei m p o r t a n t ，i th a sa ng o o dn e t w o r kt h r o u g h p u t ，a n da l s or e d u c e st h et i m e d e l a y l a s t l y , t h et h e s i sg i v e sa no f d mn o n l i n e a r - c o m p e n s a t i o nt e c n o l o g y o r t h o g o n mf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i sak i n do fm u l t i c a r r i e rd i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y o f d mi sh i g h l yr o b u s ra g a i n s t i n t e r - s y m b o li n t e r f a c e ( i s i ) ，m u l t i p a t hf a d i n ge f f e c t ，a n dc a n a l s oi m p r o v e st h eu t i l i z a t i o no ff r e q u e n c y s p e c t r u m o f d mc a na p p l y st ot h ep h y s i c a ll a y e ro fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k w h e nt h es i g n a l st r a n s m i ti nt h e n o n l i n e a rs y s t e r r n ，b e c a u s eo ft h el i m i t e dl i n e a rr a n g e ，i tw i l lc a u s en o n l i n e a rd i s t o r t i o na n di n t e r - c h a n n e l i n t e r f a c e ( i c i ) ，t h u sl e a dt ot h eb a dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e r r n t h i sp a p e rp r o p o s e san o n l i n e a rc o m p e n s a t i o n m e t h e db a s e do no f d m s y s t e r mt oi m p r o v et h eq o si nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k t h et h e s i s d e e p l yi n v e s t i g a t e s o nm u l t i c h a n n e lt e c n o l o g y , c h a n n e la s s i g n m e n tt e c n o l o g y , m u l t i c a s t t e c n o l o g ya n do f d mt e c n o l o g y , a n dp r o p o s e sn e wa l g o r i t h m sa c c o r d i n g l y t h er e s u l t sa r ep r o v e dt h a tt h e y i i i 南京邮电大学硕t 研究生学位论文 a b s t r a c t c a ni m p r o v en e t w o r k sq o s ，a n di t sf e a s i b l eb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c e k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，m u l t i c h a n n e l ，c h a n n e la s s i g n m e n t ，o f d m ，m u l t i c a s t i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词 缩略词表 兄a n a c i a p a t p b f s c c a d c a d s r c f c c f d p s k i a p i c i i s i l c a l q s r m a p m c l m c m m i m o m r m s r o f d m p a p r p m p q d m a r f w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k a d j a c e n tc h a n n e li n t e r f e r e n c e a c c e s sp o i n t a d a p t i v e b r e a d t hf i r s ts e a r c h c o m m o nc h a n n e la s s i g n m e n t d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n t 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 f e d e r a lc o m u m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n f r e q u e n c yd i v i s i o np h a s es h i f tk e y i n g i n t e l l i g e n ta c c e s sp o i n t i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e i n t e r - s y m b o li n t e r f e m c e l e v e lc h a n n e la s s i g n m e n t l i n kq u a l i t ys t a t er o u t i n g m e s ha c c e s sp o i n t m e s hc o n n e c t i v i t yl a y e r m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n m u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t m e s hr o u t e r m e s hs c a b l e a l er o u t i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p e a k - t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p o i n tt om u l t i p o i n t 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 of r e q u e n c y 6 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 s i r t d p s k v c a v p n 礓僵n s i g n a l - t o i n t e r f e r e n c e - r a d i o t i m ed i v i s i o np h a s es h i f tk e y i n g v a r i o u sc h a n n e la s s i g n m e n t v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s 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： 耸 日期：珥生! 竺 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：谭导师签名： 研究生签名： 歪鹭 导师签名： 眺弓醴盟， 南京邮电大学硕 j 研究生学位论文 绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 依其所具有的较大数据传输 速率，作为高效率、低成本的无线解决方案已经成为当今的主流技术之一，w l a n 也一直 被认为是3 g 或4 g 移动数据通信部分的一个主要竞争对手。基于w l a n 的无线m e s h 网 络的移动性为用户创造了高效灵活的工作环境，大大提高了工作效率，其价值己被越来越 多的人们所认同。对于服务提供商，无线局域网的无线宽带接入能力与漫游能力可以提供 给用户随时随地“永远在线”的网络接入服务，为i s p 带来了新的商机。但在传统w l a n 中，节点在进行无线连接之前必须首先访问集中的接入点a p ( a c c e s sp o i n 0 ，由于a p 的覆 盖范围有限，传统w l a n 在大面积开放区域覆盖方面显得力不从心。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 这些方法大多是以增加接入点或降低网络运行效率为代价的。于是人们把目光转向了另一 种网络结构一无线m e s h 网w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) ，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 2 国内外研究现状 从国外的研究情况来看，2 0 0 4 年1 月，i e e e 8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p 专门正式成立了网 状网研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ，标志着m e s h 技术正式迈上了统一和标准化道路。同时， 其他标准( 如8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 4 和专用短程通信( d s r c ) ) 也开始探索如何通过网状 网嵌入式设备来改进其现有技术，i e e e 8 0 2 1 6 已经将网状网技术纳入其m a c 层协议标准 中。随着无线网络带宽的增加和融入更多的安全性，无线m e s h 技术会越来越显示出其优 势，成为无线宽带领域中的生力军。 国内的m e s h 技术市场推广工作也在逐步展开，个别大学进行了校园无线网状网接入 的尝试。上海针对m o t o m e s h 技术系统进行的性能研究是目前国内搭建规模最大、技术测 试最深入的一次技术试验，初步摸清了m o t o m e s h 系统的容量、传输吞吐率、多级跳接、 移动性能等性能指标，对自组织对等网、虚拟专用网络( v p n ) 管理能力、多业务接入能 力以及系统安全性方面功能也进行了验证。 南京邮电大学硕上研究生学位论文 绪论 无线m e s h 网络的标准化进程仍在进行中。目前投入建设的无线网状网均是该领域处 于前沿地位的企业的私有解决方案。这些解决方案代表了该领域最新的研究结果，也是标 准化工作开展的基础。主要的解决方案有以下几类： 1 ) 摩托罗拉公司通过收购m e s h n e t w o r k s 公司，掌握了成熟的无线m e s h 网络解决方 案和相关技术。摩托罗拉公司商用无线m e s h 网络技术的最初尝试是q d m a ( q u a d r a m r e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 无线电平台。q d m a 无线电系统是为广域移动m e s h 网而设计的。 它采用多信道m a c 层和物理层( 3 个数据信道和一个控制信道) ，来克服移动系统中多普勒 频移、快速瑞利衰落和多径的影响。q d m a 采用内置的定位技术，能够对通信设备进行精 确定位而不依赖于全球定位系统。 摩托罗拉公司的无线m e s h 产品采用可扩展路由协议m s r ( m e s hs c a b l e a l er o u t i n g ) 。 m s r 利用一个混合路由算法，包括先应式和反应式路由技术。为了使路由协议适用于已有 的无线电平台，采用了自适应传输协议( a t e ) 。这实际上是一种跨层设计的解决方案， m s r a t p 技术根据链路稳定性、传输功率和数据速率进行联合优化，来减少功耗和系统 干扰。同时，m s r a t p 可以最大数据吞吐量和频谱效率。 2 ) 微软实验室开发了一种称为m e s h 连通层( m e s hc o n n e c t i v i t yl a y e r ，m c l ) 的软件模 块，实现了a dh o c 路由和链路质量测量。从结构上说，m c l 是一个可加载的w i n d o w s 驱动器。它位于链路层和网络层之间，实现了一个虚拟网络适配器，因此a dh o c 网络看 起来是对系统附加了一个虚拟的网络连接。对于更高层软件，m c l 看上去仅仅是以太网连 接。对于低层软件，m c l 看上去仅仅是另一个在物理连接之上的链路层协议。这个设计有 两个显著的优点。第一，高层软件可以不经过修改直接使用；第二，a dh o c 路由协议可以 在不同链路层规范运行。 m c l 使用链路状态源路由协议l q s r 。该路由协议基于d s r 协议改进而来，主要思 想是提供了在网络2 5 层实现了链路质量判据，可以支持单向路由。 3 ) 北电无线m e s h 网络解决方案建立了一种创新的公共无线区域网架构，提供了整套 端到端的网络体系结构( 包括智能天线，集成路由器，自适应路由选择和安全认证功能) ， 可以将大量的用户数据信息通过无线方式汇聚到有线骨干网中。北电网络的无线m e s h 网 络解决方案由无线接入点、无线网关和网络管理系统3 个主要的网络元素组成。该网络基 于无线m e s h 网络的架构模式，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，然后接入网络。该网不受网线控制，可以随时建立和拆除，它允许用户在 2 南京邮电火学硕十研究生学位论文 绪论 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。 北电无线m e s h 网络的解决方案最大的特点是它采用多射频技术，将移动用户终端的 接入部分和无线a p 之间的中继部分从空间和频率上进行了划分；在无线a p 与移动用户 终端间采用基于2 4 g h z 的i e e e8 0 2 1l b g ，而在无线a p 之间则采用基于5 8 g h z 的i e e e 8 0 2 1 1 a ，避免了两者间的射频干扰。同时，考虑到i e e e8 0 2 1 1 a 的传输特性，无线接入点 a p 间可以通过增加外置高增益定向天线来提高无线中继的距离。 4 ) 阿德里亚( a d r i a ) 是一个在美国硅谷建立的，以开展无线m e s h 网络技术和无线 m e s h 设备研发为主要业务的公司，在中国设有研发团队。其无线m e s h 产品采用自使用无 线路由协议，支持更复杂的应用，随时随地根据需要进行自动组网、自管理、自修复和自 优化。在网络规划和建设方面，其解决方案使用多射频、多频段、多频道无线电规划，可 以降低自身信号干扰，提高网络可用性能，提高布网的灵活性和规模经济性。更为特别的 是，阿德里亚的无线m e s h 解决方案可以提供电信运营级别的漫游机制，支持大量并发应 用下的高速漫游，并支持跨i p 子网的无线漫游。为提供电信级运营水准，其产品还提供了 一定q o s 保证，为不同类型业务优化分配系统资源。 1 3 课题来源及本文工作 本课题主要有以下两个来源： 一、江苏省高校自然科学重大基础研究项目( 0 7 k j a 5 1 0 0 6 ) “移动多媒体m e s h 网络 架构及其q o s 自适应控制体系研究 。 二、校企合作项目( 0 8 外4 5 ) “多媒体w l a nm e s h 网络架构及其q o s 控制”。 本文首先对目前的多信道技术进行了研究，介绍了一种多信道多接口无线m e s h 网络 体系结构的技术方案并且仿真实现；针对无线m e s h 网络支持组播的特性，研究了多信道 多接口无线m e s h 网络支持组播的信道分配技术，并验证了它良好的性能特征。 接下来，针对多信道无线m e s h 网络的特点以及存在的一些问题如多径传输、信道衰 落和空间射频干扰等，在无线m e s h 网的物理层选择一种性能优越的调制技术，即o f d m 调制技术。对于o f d m 技术方案，我们在原有技术上进行改进，采用一种o f d m 非线性 补偿技术来减小信道间干扰，降低误码率，从而提高无线m e s h 网络的性能。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 绪论 1 4 本文的结构安排 本章简单介绍了无线m e s h 网络的国内外研究现状，课题来源以及本文主要工作以及 本文的结构安排。以下各章的组织安排如下： 第二章介绍了无线m e s h 网络的概念，框架结构，优缺点及相关应用，并且重点介绍 了无线m e s h 网络的关键技术：多信道技术，正交频分复用技术，以及信道分配技术。 第三章首先介绍了多信道无线m e s h 网络协议的研究现状，主要描述了现有多信道 m a c 协议以及存在问题。接着提出了多信道多接口的无线m e s h 网络的体系结构，并对结 构中的路由算法和信道分配方案进行了详细的介绍和分析，然后对其正确性和性能进行了 分析和仿真实验验证。 第四章介绍了无线m e s h 网络应用组播的必要性，并且在现有技术的基础上提出了一 种支持组播的多信道多接口的无线m e s h 网络的信道分配方案。并通过n s 2 仿真实验证明 了其有效性和可行性。 第五章介绍了无线m e s h 网络的o f d m 技术方案，然后在现有技术的基础上提出了一 种非线性补偿算法，来减少信道间干扰，提供网络性能，最后仿真实验证明了其可行性。 第六章对全文进行了总结，并展望后续需要深入研究的工作。 4 南京邮电人学硕 二研究生学位论文 第二章无线m e s h 嘲络研究背景和关键技术 第二章无线m e s h 网络研究背景和关键技术 2 1 研究背景 2 1 1 无线m e s h 网络的概念 无线m e s h 网络( w m n ，w i r e l e s s ，又称无线网状网、无线网格网等) ，是一种新型的 宽带无线网格结构，一种高容量，高速率的分布式网格。在网络拓扑结构上，无线m e s h 网络与a dh o c 网络相似，但是无线m e s h 网络的用户终端相对来说移动性较低，网络大多 数节点基本静止不动，不用电池作为动力，拓扑变化较小。再者，无线m e s h 网络一般不 是作为一个独立的网络形态存在，而是因特网核心网的无线延伸，无线m e s h 网络的节点 的主要业务来往于因特网网关的业务。通常，会有一个或者多个网关节点( g a t e w a y ，也 称为n e i g h b o r h o o da c c e s sp o i n t ，邻居接入点) 与因特网高速相连，家庭或办公室等用户通 过自身的接入点与网关节点相连。对于网关节点信号覆盖之外的区域，用户节点负责来往 业务的中继或者转发，从而实现大范围的廉价和快速信号覆盖。而a dh o c 网络节点的主要 业务是任意一对节点之间的业务流。无线m e s h 网络省去了网络建设初期昂贵的基础设施 建设投资，比传统的点到多点的无线接入网络有很多无可比拟的优点。由于无线m e s h 网 络具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本，因此无线m e s h 网络作为一种可 以解决无线接入“最后一公里”瓶颈问题的新的方案，被写到i e e e8 0 2 1 6 ( 俗称w i m a x ) 无线城域网标准中【1 3 】，目前也开始纳入到i e e e8 0 2 1 5m e s h 4 , 5 1 和正在制定的i e e e 8 0 2 1l s m e s h 标准中【6 ，7 1 。有一位美国经济学家声言：m e s h 网络和智能天线、a dh o c 网络 以及超宽带技术一起，正在成为无线通信领域中压到一切的技术，它们将很可能使所谓的 3 g 网络技术落伍，甚至可能会影响4 g 的发展。这句评价毫无疑问将无线m e s h 网络放在 了一个很高的层次上。 2 1 2 无线m e s h 网络的架构 传统的无线接入技术中，主要采用的是点到点或者点到多点的拓扑结构，这种拓扑结 构一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、i e e e8 0 2 1 l 无线局域网中的 a p 等等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连，依次来控制无线终端 对无线网络的访问；另一方面，中心节点又通过有线链路与有线骨干网络相连，提供骨干 5 堕塞墅鱼查堂堕土丛塞圭兰壁堡塞 苎! 垂垫型! 也型堡里塞堕墨翌差堡垫垄 网的连接。实际上，无线m e s h 网络吸取了星型和网状两种网络的优点，是对两者的一种 无缝融合f ”。在无线m e s h 网络中，采用网状m e s h 拓扑结构，各个网络节点就可以通过邻 居节点，以多跳的方式与其他网络的节点相连。 无线m e s h 网络的典型拓扑如图2 - 1 所示： 例2 - 1 无线m e s h 阿络拓扑目 无线m e s h 网络主要由两种嘲络节点组成：无线m e s h 路由器( m e s h r o u t e r ) 和无线 m e s h 终端( m e s he n dd e v i c e ) wj 。无线m e s h 网络的终端是m e s h 客户端( m e s hc l i e n t ， m c ) ，具有一定的m e s h 网络互连和分组转发功能，但是一般不具有网关桥接的功能。无 线m e s h 终端只有一个无线接口。无线m e s h 终端可以是笔记本电脑、掌上电脑、手机以及 p d a 等终端设备，无线m e s h 终端之间可以构成小型的对等通信网络。无线m e s h 终端连 接到一种特殊的节点，称为m e s h 路由器( m e s h r o u t e r ，m r ) 。这些节点本身并不产生流 量，它们唯的作用就是传递m c 送来的数据包( p a c k e t ) 。此外，有些m r 还能拥有连 接到i n t e m e t 的有线连接，它们被称为m e s h 接入点( m e s ha c c e s sp o i m ，m a p ) ，可作为 接八i n t e r n e t 的网关。无线m e s l l 路由器通常具有多个无线接口，这些无线接如可以是基于 相同的无线接八技术构建的，也可以是基于不同的无线接八技术构建的。个m a p 在和 i n t e r n c t 有线连接的同时和所有其它的m r 都有无线连接，这种连接是多跳的。与此相反， 一个m c 只能和与它相连的那一个m r 相互连接。这种连接方式f 的m r 的形式常常被称 为无线m e s h 的骨干网，它可以在物理上覆盖一个很大的范围。 21 3 无线m e s h 网络的优缺点 无线m e s h 网络与传统无线网络相比有以下优点u - i s ： 1 ) 多跳无线网络。在不牺牲当前信道容量的情况下，扩展当前网络的覆盖范围是无 6 南京邮电大学硕_ l 研究生学位论文 第二章无线m e s h 网络研究背景和关键技术 线m e s h 网络的重要目标之一。无线m e s h 网络的另一个目标是为处于非视距传输范围的用 户提供非视距连接【1 0 】。通过m e s h 方式的网络连接，只需要短距离的链路，经受较少的干 扰，就可以为网络提供较高的吞吐量，以及较高的频谱利用效率。 2 ) 健壮性。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。e m a i l 就是这样一个例子，邮件信息被分 成若干数据包，然后经多个路由器通过i n t e m e t 发送，最后再组装成到达用户收件箱里的 信息。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。 3 ) 可靠性大大增强。无线m e s h 网络采用的拓扑结构避免了点对多点的星型结构， 如8 0 2 1 1 无线局域网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 干扰等而需要额外的可靠性投资成本。 4 ) 具有冲突保护机制。无线m e s h 网络可对产生碰撞的链路进行标识，同时选择可 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。 5 ) 简化链路设计。无线m e s h 网络通常需要较短的单跳无线链路，所以不需要安装 天线塔，天线通常安装在屋顶、电线杆或灯柱上，这样降低了天线的成本( 传输距离和性 能) ，另一方面降低了发射功率，也将随之减小了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。 6 ) 网络的覆盖范围增大。由于无线路由器w r 和i a p ( i n t e l l i g e n t a p ) 的引入，终端 用户可以在任何地点接入网络或者与其他节点联系。与传统网络相比，接入点的范围大大 增加，而且频谱利用率也大大提高，系统的容量也随之增大。 7 ) 组网灵活，维护方便。由于无线m e s h 网络自身的组网特点，只要在需要的地方 加上无线路由w r 等少量的无线设备，即可以与已有的设施组成无线的宽带接入网。无线 m e s h 网络的路由选择特性使链路中断或者局部扩容和升级不影响整个网络的运行，于是提 高了网络的柔韧性和可行性。与传统网络相比，功能更强大，更完善。 8 ) 投资成本低、风险小。无线m e s h 网络的初建成本低，a p 与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。无线m e s h 网络具有可伸缩性、易扩展型、 自动配置和应用范围广等优势。这样，对于投资者来说，在短期内即可获得盈利。 不过， 目前来说，无线m e s h 网络也存在以下一些问题： 7 南京邮电大学硕上研究生学位论文第_ 二章无线m e s h 网络研究背景和关键技术 在无线电射频接入方面，有针对单一射频信道的无线m e s h 网络，也有针对多个射频 信道的无线m e s h 网络。对于不同射频信道的无线m e s h 网络的研究还处于试验研究阶段， 性能改善总体来说还不太满意。 在无线m e s h 网络准则和选择算法等方面，目前提出的特别适用于无线m e s h 网络的 路由协议寥寥无几，m i c r o s o f tr e s e a r c h 虽然提出了一种线性组合优化路由准则【l 引，但优化 变量的物理意义并非十分明显和直观，且引入的非线性运算算法使计算复杂度大大增加。 另外，也没有完全考虑全网带宽( 有效吞吐量) 开销，路由算法没有考虑网络干扰。 在无线m e s h 网络连接性和多路支持方面，每个节点链路连接度也是一个至关重要的 问题，并非使用射频信道数越多，网络性能越好，射频信道数增加会带来设备开销和成本 上升，同时可能会带来更多的干扰问题。目前的o f d m 技术能有效地减少信道间的干扰 1 7 】。 在无线m e s h 网络带宽利用和资源分配算法方面，目前的带宽利用率还远远达不到人 们所期待的水平。目前的多信道的实现方法可以有效地提高带宽利用率【1 8 】。 2 1 4 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都有广阔的应用自仃景。按应用范 围大致可分为无线园区、无线城市以及应急通信1 9 ，2 0 1 。 令无线园区 无线m e s h 网络可在园区范围内为用户提供室内外一体的无线网络覆盖，能够实现无缝 漫游，并提供语音、数据和视频等多种业务。其典型的应用场景包括：工业园，校园，港 n 码头货场，高速公路，度假村游乐场，油田，社区，体育场馆等等。需要支持的基本 业务技术包括：数据采集，i p 视频监控，v o w l a n 等。营运模式拟采用企业自行建设级 营运或运营商做管理服务。 令无线城市 利用城域覆盖的无线m e s h 网络提供市政服务及为市民提供廉价免费无线上网服务及 多媒体应用。无线m e s h 网络可以实现城市街区社区覆盖，应用于公共交通，医疗，消防， 公共安全等市政公共服务。典型应用场景包括城市公园和休闲设施维护、执法、市容维护、 交通监控、社区监管和其他公共安全职责、自动抄表系统。需要支持的基本业务技术包括： 无线上网，数据采集，i p 视频监控，实时上行视频传送等。营运模式拟考虑为市政自行建 设及营运或营运或运营商做管理服务。 夺应急通讯 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二二章无线m e s h 网络研究背景和关键技术 无线m e s h 网络可作为公共安全及城市监管部门应急指挥的通讯平台特种行业特定 应用。典型应用场景包括：特定区域的公共安全，应急通讯，军队特种部队的相关应用， 警察局、消防部门、国土安全局等建立的专网，采用2 4 g 4 9 g 双频点。需要支持的基本 业务技术包括：提供指挥、调度、监控、定位、数据采集，i p 视频监控，实时上行视频传 送，a d h o c 应用。运营模式拟采用由特种行业自行建设和维护。 在公共安全和紧急救助行业中，大多数工作人员都处于移动状态，因此在通信方面必 须依赖于无线网络解决方案。无线m e s h 网络可以满足其对数据调度、移动视频监控、车 辆人员定位、移动指挥车应急通信等业务需求。应急指挥车辆或现场工作人员只要有一台 笔记本电脑或者手持终端就可以通过无线m e s h 网络实时在现场人员之间及与总部保持视 频、数据、语音通信。无线m e s h 网络无疑是需要快速部署或临时安装的场景最方便经济 有效的组网方法，应急通讯也是无线m e s h 网络设计的最初出发点。 应急通讯可分为如下几大类：发生自然灾害时的通信保障：洪水、地震、台风、泥石 流、雪灾等；发生公共卫生突发事件时的通信保障：重大疫情、重大伤亡救治等；举行重 大活动时的通信保障：国事会议、大型体育运动会、大型展览、军事演习等；因电信运营 企业自身运营事故导致企业自身网络发生重大一场或中断情况时的通信保障。 2 2 无线m e s h 网络的关键技术 2 2 1 正交频分复用( o f d m ) 技术 无线m e s h 网络物理层可以采用正交频分复用( 0 f d m ) 技术。o f d m 技术是将高速 的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干个正交子信道中，在每个子信道 上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小 于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干 扰。所采用的数字信息调制有时间差分移相键控( t d p s k ) 和频率差分移相键控( f d p s k ) ， 以快速傅里叶变换( i f f t 和f f t ) 算法实施数字信息调制和解调功能。由于无线信道的频 率选择性，所有的子信道不会同时处于深的衰落