（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络的跨层协议研究与设计.pdf

c r o s s l a y e rp r o t o c o l ss t u d ya n dd e s i g ni nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k b y z h a n g g u a n y a n g b e ( h u a n g h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o l l e g e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry us h i c a i m a y ，2 0 11 m 9川3 肌9删野m 8 胛8舢1 胛y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：多乞冠嘏日期：为f 年6 月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：沙f f 年 日期：劢，侔 6 月7 日 、 二月- j 日 ， 吣1 两时 冠鞫q 茏，一 乡 硕士学竹论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 附表索引i v 第一章绪论1 1 1 课题背景与研究意义l 1 2 论文主要工作内容3 1 3 论文结构安排3 第二章无线m e s h 网络的简介一5 2 1 无线m e s h 网络的背景与定义5 2 1 1 无线m e s h 网络的背景5 2 1 2 无线m e s h 网络的定义5 2 2 无线m e s h 网络的网络结构6 2 3 无线m e s h 网络的特点及研究现状8 2 3 1 无线m e s h 网络的特点8 2 3 2 无线m e s h 网络的研究现状8 2 4 无线m e s h 网络与同类技术的比较一9 2 4 1w m n 与w l a n 的比较9 2 4 2w m n 与w i m a x 的比较1o 2 4 3w m n 与无线a dh o c 网络的比较1o 2 4 4w m n 与蜂窝移动通信技术的比较1 l 2 4 5w m n 与3 g 的比较1 l 2 5 无线m e s h 网络的应用1 2 2 6 无线m e s h 网络巾的主要研究课题1 3 2 7 结论1 4 第三章无线m e s h 网络路由协议的分析1 5 3 1 无线m e s h 网络路由协议分析氟1 5 3 1 1 表驱动路由协议l5 3 1 2 按需驱动路由协议1 6 3 1 3 混合式路由协议l7 3 1 4 三类路由协议的比较1 8 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 3 2 无线m e s h 网络路由协议设计基础l8 3 2 1 无线m e s h 网络路由的特点1 8 3 2 2 无线m e s h 网络路由协议设计要求一1 9 3 3 具有代表性的无线m e s h 网络路由协议2 0 3 - 3 1m r - l q s r 协议2 0 3 3 2s r c r r 仂、议2 0 3 3 3r a r p 协议2 0 3 3 4p w r p 仂议2 0 3 4 结论2 l 第四章无线m e s h 网络的跨层设计研究2 2 4 1 跨层设计的概念2 2 4 2 跨层路由技术的必要性一2 3 4 2 1 无线m e s h 网络跨层设计的必要性2 3 4 2 2 无线m e s h 网络跨层设计的原理和方法2 4 4 2 3 无线m e s h 网络路由协议设计对跨层设计的要求2 4 4 3 现有的路由协议跨层设计方案一2 5 4 3 1 多速率、物理层m a c 层关联的路由协议p r a m a 2 6 4 3 2 无碰撞的跨层路由设计方案c f p r 2 6 4 3 3 基于干扰、分组成功率和数据传输速率的跨层路由协议设计方案2 7 4 3 4 多r a d i o 无线m e s h 网络跨层路由协议2 8 4 4 结 念一2 9 第五章一种w m n 的跨层路由协议c d s r - i m 一3 0 5 1d s r 概j 苤3 0 5 1 1d s r 的主要思想3 0 5 1 2d s r 的主要工作秽l , t j 3 0 5 2 基于综合准则的跨层路由协议3 2 5 2 1m a c 层参数的选取3 2 5 2 2 期望传输次数的计算3 2 5 2 3 平均端到端时延的计算3 2 5 2 4 路由决策函数3 3 5 3c d s r i m 路由协议的实现3 3 5 3 1c d s r - i m 协议的跨层设计结构3 3 5 3 2 路由发现机制3 3 5 3 3 路由维护机制3 5 5 3 4c d s r i m 与d s r 协议设计对比3 6 硕十学位论文 5 4 结j 沧一3 6 第六章网络的仿真与分析一3 7 6 1n s 2 简介3 7 6 1 1n s 2 的层次结构3 7 6 1 2n s 2 模块概述3 8 6 1 3n s 2 各组成部分3 9 6 2 协议仿真与性能评价4 0 6 2 1 仿真场景设置4 0 6 2 2 仿真过程分析4 l 6 2 3 仿真结果及分析4 4 6 3 结论4 6 总结与展望4 7 参考文献4 8 致谤 5 3 附录a 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 4 硕十学位论文 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 ) 是一种多跳、具有自 组织性和自愈特点的宽带无线网络结构，也是一种高容量、高速率的分 布式网络。w m n 作为一种新型网络结构形态，可以看成是i n t e r n e t 的无 线版本，成为构建b 3g 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 e 网络的可行技术。但是，由于w m n 在拓扑、传输和业 务上的特性，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 os ) 。因此探索基于物理层、m a c 层等协议 层的跨层路由技术成为w m n 研究的热点和难点。 本文根据无线m e s h 网络的网络特点，按照其路由协议的要求，分析 了路由协议d s r ( d y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 的优缺点，采用跨层 设计的方法，建立了一种适用于w m n 的基于综合准则的d s r 跨层路由 协议c d s r i m ( c r o s s - l a y e rd y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o lb a s e d o n i n t e g r a t e dm e t r i c s ) ，该方法综合考虑了路径帧投递率、期望传输次数与 平均端到端时延的因素。分析与仿真结果显示，该方法极大地提高了网 络吞吐率，并且达到了负载均衡的目的。 关键词：无线m es h 网络；跨层设计；路径帧投递率；期望传输次数；平 均端到端时延 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 a bs 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 sak i n do fn e w l y d e v e l o p e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c h a r a c t e r i z e d b ys e l f - o r g a n i z a t i o n a n ds e l f - r e c o v e r y ，w m ni s am u l t i - h o pb r o a db a n dw i r e l e s sn e t w o r ka n dad i s t r i b u t i n gn e t w o r kw i t hh i g hc a p a c i t ya n dh i g hs p e e da sw e l l a san e wn e t w o r k c o n f i g u r a t i o n ，w m nc a nb ec o n s i d e r e da saw i r e l e s sv e r s i o no fi n t e r n e t ， a n di so n eo ft h ep o t e n t i a lt e c h n i q u e so fc o n s t r u c t i n gb3g 4 g h o w e v e r ， b e c a u s eo ft h ew m n sp r o p e r t i e so nt o p o l o g y ，t r a n s m i s s i o na n db u s i n e s s ， t h et r a d i t i o n a ll a y e r e dp r o t o c o ld e s i g nm e t h o df o rt h ew i r e dn e t w o r kc a nn o t g u a r a n t e et h eq o s s oe x p l o r i n gc r o s sl a y e rr o u t i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hi s b a s e do np h y s i c a ll a y e ra n dm a c l a y e r ，i sb e c o m i n gah o t s p o ta n dd i f f i c u l t o fw m n i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sn e t w o r km e s hn e t w o r k ， i na c c o r d a n c ew i t hi t s r o u t i n gp r o t o c o l ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft h ed y n a m i cs o u r c er o u t i n gp r o t o c o l s ，t h ei n t r o d u c t i o no f c r o s s l a y e rd e s i g n m e t h o di se s t a b l i s h e dw h i c hc o n s i d e r s p a t h f r a m e d e l i v e r yr a t e ，e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nc o u n ta n da v e r a g ee n d - t o e n dd e l a y t h e nam e t h o do fi n t e g r a t e dm e t r i c sb a s e dc r o s s - l a y e rd y n a m i cs o u r c e r o u t i n g ( c d s r i m ) p r o t o c o li sp r o p o s e d t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc d s r i mp r o t o c o li m p r o v e st h et h r o u g h p u t o fw m ns i g n i f i c a n t l y ，w h i c hr e a c h e st h e t a r g e t o fl o a db a l a n c e s i m u l t a n e o u s l y 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 ：c r o s s l a y e rd e s i g n ：p a t hf r a m ed e l i v e r r a t e ；e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nc o u n t ；a v e r a g ee n d - t o - e n dd e l a y h 硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 插图索引 骨干网m e s h 结构6 客户端m e s h 结构7 混合结构的m e s h 网络7 表驱动路由协议16 按需驱动路由协议1 6 跨层设计的思想2 2 跨层设计理论模型2 4 基于w m r 的无线m e s h 协议栈2 5 路径碰撞检测流程图2 7 基于链路质量和业务需求的m e s h 路由策略跨层设计框架2 9 跨层设计协议结构3 3 路由发现过程3 4 路径质量结构3 4 n s 2 内核的层次结构3 8 仿真拓扑4 1 二条连接时的网络吞吐率分析4 4 二条连接时的平均端到端时延分析4 4 十条连接时的网络吞吐率分析4 5 十条连接时的平均端到端时延分析4 5 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 附表索引 表3 1表驱动和按需驱动路由协议的比较18 表5 1c d s r i m 与ds r 的特点对比36 表6 1仿真场景参数表4 l i v 硕十学位沦文 第一章绪论 1 1 课题背景与研究意义 随着现代网络技术的不断发展，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。各个国家都在无线组网的研究上表现出了极大的兴趣，纷纷投入此研究 领域。 近年来，因其数据传输速率较大，在接入领域中得到了快速发展的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 s ) ，被认为是3 g 或3 g 后移动数据通信部分的 一个主要的竞争对手。但是w l a n 也有一些不足的地方，其中最主要的不足 便是接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的覆盖范围较为有限，如果需要在一个相对较 大的区域提供无线覆盖，就要在该地区内配置多个接入点，因此增加了建设基 于w l a n 的公共宽带网的成本。虽然电信业界提出了一些解决方法，比如使 多种无线技术的共存来增强无线的覆盖和位置的适应性等等，但这些方法中大 多仍是以增加接入点的个数或降低网络的运行效率为代价。于是人们把目光转 向了另一种新的网络结构：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( 无线网状网) 1 2 j ，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。 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，增强无线通信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 h w 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 15 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 动通信系统主要的组网方式之一l j j 。 无线m e s h 网络是由呈网状分布的无线节点构成的，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，可以将传统无线网络( w l a n ) r f l 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，w m n 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，w m n 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 、n o r t e l 、i n t e l 和m o t o r o l a 都推出了自己的w m n 产品，其目标定位 无线m e s h 网络n 勺跨层协议珂f 冗与设计 在解决目前基于8 0 2 1 1 a b g 的单个节点的无线接入覆盖问题。目前已经得到 较快的发展和应用的典型系统如m e s hw i f i 等，开始应用于区域覆盖和图像 监控等；而基于w i m a x 的w m n 正在得到进一步研究和发展，将应用于在全 球大规模地构建“无线数字城市” 4 1 。 随着宽带多媒体业务的不断发展，特别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很大的支持；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 l p 、视频电话等) 。而目前的研究热点和商业应用的亮点是如何在无线m e s h 网络上开展实时音视频服务。但是由于目前w m n 相关技术研究还不成熟，很 难支持带宽要求大、实时性要求高的音视频应用。它主要面临如下关键技术问 题【5 】： l 、吞吐量与可扩展性的要求：整个网络的吞吐率和性能随着覆盖区域的 m e s h 节点数量增加而急剧下降，这对无线m e s h 网络的架构提出了要求，即网 络必须具有良好的可扩展性，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，一个重要的问题是如何采用m e s h 架构来进行互联互通。 2 、目前的无线m e s h 网络架构下的m a c 层协议和路由协议还不能提供任 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 的优化很难获得较好的效果。 3 、无线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，而要有效地提高系统容量和 覆盖就必须结合物理层传输、链路层的资源分配、分布式调度、路由等技术来 进行跨层协同的设计。 无线m e s h 网络跨层设计和优化的目的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，如何利用跨层优化来 为上层的应用提供q o s 保证是这方面主要的研究目的。由于影响w m n 的视 频传输涉及到多个层面的因素，包括：编码层的算法和使用错误恢复编码工具； 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 的协议层进行优化都存在一定的局限性。 因此，跨层传输控制优化成为最近非常热门的研究方向1 6 1 。由于需要综合 考虑多个层面的影响，跨层优化增加了计算复杂度，如何设计高效的寻优算法 还有待进一步的研究。 2 硕十学位论文 1 2 论文主要工作内容 本论文的主要工作在于根据无线m e s h 网络的网络特点，按照其路由设计 原则，考虑到d s r 应用在w m n 中的不足，通过跨层设计等方法对d s r 进行 改进，设计出适应于w m n 路由协议c d s r i m ，并对c d s r i m 与d s r 进行 仿真比较，证实c d s r i m 的性能较d s r 有了很大的提高。 1 、通过对w m n 与其它网络的比较，分析w m n 的优缺点。 2 、研究w m n 的路由协议设计的特点与设计要求，着重研究了路由协议 的跨层设计。 3 、详细分析了路由协议d s r ，深入理解其主要思想、工作机制与实现。 4 、根据w m n 的特点，探讨d s r 在w m n 中的适用性，并研究相应解决 方案及改进措施。 5 、对d s r 协议进行改进，将各种解决方案结合到d s r 中，设计出适应 于w m n 的路由协议c d s r i m 。 6 、在n s 2 中实现c d s r i m ，并与d s r 进行仿真比较。用不同业务下的 仿真证实c d s r i m 在吞吐率、时延等性能上都比d s r 有明显的提高。 1 3 论文结构安排 论文共分六章。 第一章，绪论。介绍了课题背景与研究意义，阐述了跨层设计的意义，最 后对本文的章节安排和主要创新点进行了简述。 第二章，全面分析了无线m e s h 网络，包括它的背景、定义、结构、特点 及研究现状，并与其它同类无线网络分析对比。最后简介w m n 的应用情况。 第三章，无线m e s h 网络的路由协议设计。先介绍路由协议的基本概况， 以及有线因特网与a dh o c 网络的基本路由协议。再通过对w m n 路由协议的 要求进行分析，得出w m n 路由协议设计的原则和方法。最后着重介绍了具有 代表性的w m n 路由协议。 第四章，研究无线m e s h 网络跨层设计的现状，主要有跨层设计的概念、 必要性、原则与方法，以及现存的路由协议跨层设计方案。 第五章，一种w m n 路由协议c d s r i m 。本章是论文的重点部分。首先 着重介绍了d s r 路由协议，并分析其应用于w m n 中的不足。然后按照w m n 路由协议的要求，采用跨层设计等方法对其进行改进。最后重点介绍了改进后 的路由协议c d s r i m 。 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 第六章，网络仿真与分析。首先详细介绍了网络仿真软件n s 2 。然后通过 对c d s r i m 与d s r 进行仿真比较，分析比较了不同业务下的仿真结果，并得 出结论。 最后，结束语。对全文进行了总结，并提出论文的不足及进一步的研究方 向。 4 硕十学位论文 第二章无线m e s h 网络的简介 2 1 无线m e s h 网络的背景与定义 2 1 1 无线m e s h 网络的背景 19 9 7 年，美国国防部高等研究计划局( d a r p a ) 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、并且持续六年多的研发之后，解决了 一些有关移动a dh o c 网络( m a n e t ) 的理论与技术问题，因此从彻底改变了 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i p 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 0m i l e s h o u r 的车辆 移动速度。尤其是最近几年，美国通过一些大型的国防项目，攻克了a dh o c 网络的一些关键技术。其中，国际电话电报公司( 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，a dh o c 真正的商业应用在哪里? 这 是业务界一直困惑的一个问题。2 0 0 0 年初，i t t 把专有技术转让给了美国 m e s h n e t w o r k s ，应用于商业化产品的开发，至此，a dh o c 网络的商业化进程 才开始屁现。2 0 0 2 年，i n t e l 开始关注并认可了a dh o c 网络技术，m e s h n e t w o r k s 和t r o p o s 等公司开始陆续开发出定位于移动性较小或静止的a dh o c 网络 无线m e s h 网络。于是，人们开始关注无线m e s h 网络。值得一提的是， m e s h n e t w o r k s 自2 0 0 0 年3 月成立以来，它成功的开发了一系列的相关产品， 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，2 0 0 2 年8 月，美国 f c c 宣布暂停c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 业务，一些采用c d p d 的 企业不得不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【_ 卜9 1 。 2 1 2 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网络是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构， 即一种高容量、高速率的分布式网络【1 0 j 。w m n 是一种由无线链路连接路由器 和终端设备构成的静态无线网络，是i n t e r n e t 的无线版本。w m n 不同于传统 的无线网络，可以把它看成是w l a n ( 单跳) 和无线a dh o c 网络( 多跳) 的 融合，并且发挥了两者的优势。作为一种新型网络结构形态，m e s h 结构已被 纳入到i e e e8 0 2 1 6 和i e e e8 0 2 1 1s 标准中【l 。w m n 可以通过一些中间节点 一 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 连接互相远离不能直接连接的无线路由器，作为一利- 可以解决“最后一公里 瓶颈问题的新型网络结构。 2 2 无线m e s h 网络的网络结构 根据无线m e s h 网络实际需求和应用场景的不同，其体系结构大致上可分 为三种不同类型：骨干设施型w m n 、对等客户型w m n 和混合型w m n 1 2 14 1 。 骨干设施型w m n 由m e s h 路由( m e s hr o u t e r ，m r ) 组成的一个具有自 配置和自愈功能的网络，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 ，网络结构如图2 1 所 示。 图2 1骨干网m e s h 结构 其中实线和虚线分别表示有线和无线连接，使用包括i e e e s 0 2 1 l 在内的 多种无线技术，通过以太网接口，具有以太网接口的普通客户端直接接入m r 。 若普通客户端采用的无线技术与m r 相同，则可以直接建立通信；如果采用不 同的无线技术，则不同的客户端要先接入具有以太网接口的基站然后再与m r 相连。 对等客户型w m n 是由m e s h 终端( m e s hc l i e n t ，m c ) 组成的具有在用户 设备间提供点到点的无线服务功能的w m n 。客户端组成一个能提供路由和配 置功能的网络，可以支持用户的终端应用。因为组成网络的节点不需要具有网 关或中继功能，所以这种无线网络中不需要m r ，网络结构如图2 2 所示。 6 硕十学位沦文 图2 2客户端m e s h 结构 在这利- 网络结构中的客户端往往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，虽然网关和中继功能是节点不需 要的，但是必需具有路由和自组织能力。 混合型w m n 是由以上两种网络结构混合形成，如图2 3 。这种结构和第 一种网络结构类似。所不同的是，如果某些m e s h 客户节点( 如距离过远) 不 能直接通过m e s h 路由节点接入网络，可以通过自己通信范围内的其他m e s h 客户节点接入w m n 。这种混合结构兼具骨干设施型w m n 的稳定性和对等客 户型w m n 的灵活性，将是w m n 未来的发展方向。然而，由于网络体系结构 上的复杂性，也带来了更多研究上的困难。 ，。，一一一、- - - ，、 j w i - f i 、w i m a x 、传 孚嚣眄 、 、 络蜂留喇等其饱跚络 ， 、，、，- 一，_ - _ ，r ， 图2 3混合结构的m e s h 网络 7 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 2 3 无线m e s h 网络的特点及研究现状 2 3 1 无线m e s h 网络的特点 1 、多跳无线网络【1 5 1 在不牺牲当前信道容量的情况下，无线m e s h 网络的最重要的目标之是 扩展当前无线网络的覆盖范围。为处于非视距范围的用户提供非视距连接是 w m n 的另一个目标。通过m e s h 方式的网络连接，只需要短距离的链路，所 受的干扰较少，因此就可以为网络提供较高的吞吐量和较高的频谱复用效率。 2 、支持a dh o e 网络结构，具有自形成、自愈和自组织能力 无线m e s h 网络大大提升了现有网络的性能是由于w m n 灵活的网络结 构、便利的网络配置、容错能力和网格连通性。在前期投资较少的情况下， w m n 可以根据需要逐步扩展。 3 、移动性取决于节点的类型 无线m e s h 网络通常有几类节点，分别具有不同的移动特征。m e s h 网关和 路由器的移动性较低，但m e s h 客户终端则既可以是任意移动节点，也可以是 静态的节点。 m e s h 路由器往往有外部供电，不严格地受功耗限制，但m e s h 客户终端就 如同蜂窝移动通信网络的手机一样，需要有效的节能机制。目前的为m e s h 路 由器设计的媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议和路由协议等， 并不一定适用于m e s h 客户终端。 2 3 2 无线m e s h 网络的研究现状 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 正式专门成立了网格研究组 ( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了网格任务组( m e s ht a s kg r o u p ) ， 标志着无线m e s h 网络技术正式迈上了广泛标准化道路。另外，其他标准如 i e e e8 0 2 1 l s ，i e e e8 0 2 1 6 和专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g e c 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格嵌入式设备来改进其现有 技术，网格技术已经被i e e e8 0 2 16 纳入其m a c 层协议标准中【1 6 】。 1 、应用基础理论与技术研究 近10 年来，包括移动a dh o e 网络和无线m e s h 网络在内的很多研究，已 经取得了众多成果，主要有以下方面：( 1 ) 路由协议的研究。适应网络无中心 控制和网络时变的特征是协议的核心；( 2 ) 媒体接入控制协议的研究。隐藏终 端和提高接入能力等是主要解决问题，如控制信道和数据信道分离的双信道方 案和基于定向天线的m a c 协议等；( 3 ) 在网络连接性方面，主要的背景是无线 传感器网络，探讨问题的核心足节点密度与分布问题；( 4 ) 在组播协议、传输 8 矽! 士学位论文 控制协议( t r a n s p o r tc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 、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、服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ， q o s ) 保证等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少【1 7 】；( 5 ) 在一些针 对w m n 的协议和系统仿真与实验的研究上有了一些新的结果。 2 、专利技术 与无线m e s h 网络相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手 中。例如m e s h n e t w o r k s 公司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”。该专利提出了一种 实现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间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 网络路由中对i p 地址到 m a c 地址映射及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”。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他节点。此外，摩托罗拉公司在2 0 0 3 年1o 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【1 8 l 。 3 、应用系统集成 近年来，在无线数据通信需求的推动下，还有半导体、计算机等相关电子 技术领域的迅速发展的情况下，短距离无线通信技术也经历了一个迅速发展的 阶段，蓝牙技术、w l a n 技术、移动a dh o c 网络技术和超宽带技术等取得了 令人瞩目的成就。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，这其中包括未来的蜂窝移动通信网络、公共电话交换网络、卫星网络、 w l a n 、移动a dh o c 网络等，这些网络均集成到因特网骨干网或通过无线m e s h 网络集成到i n t e r n e t 中，而w m n 可看作“i n t e r n e t 的无线版”。可见，w m n 将是未来无线通信领域重大的技术革新。 2 4 无线m e s h 网络与同类技术的比较 2 4 1w m n 与w l a n 的比较 1 、从拓扑结构上讲，无线局域网作为典型的点对多点网络，且采取单跳 方式，因而数据不可转发。w l a n 可以在较小的范围内提供高速的数据服务 ( 8 0 2 1 1 b 能达到1 1 m b i t s ，8 0 2 1 1 a 能达到5 4 m b i t s ) 。但是由于典型情况下 w l a n 接入点a p 的覆盖范围只限于几百米，因此如果想在大范围内实现 w l a n 的这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于无线m e s h 网络，则 可以通过无线路由器( w i r e l e s sr o u t e r ，w r ) 对数据进行不断转发，直至把它 9 无线m e s h 网络的跨层协议研究与设计 们送至目的节点，从而把接入点的覆盖范围延伸到几公里远。可以在大范围内 实现高速通信就是w m n 的显著特点【l9 1 。 2 、从协议上看，无线m e s h 网络与无线a dh o c 网络基本上相似。w l a n 的m a c 协议完成的是本地业务的接入，而w m n 则有两种可能，除了完成本 地业务的接入以外，还支持其他节点业务的转发【2 0 1 。对于路由协议，w l a n 是静态的i n t e r n e t 路由协议加移动i p ；但w m n 主要是动态的按需发现的路由 协议，只具有比较短暂的生命周期。 2 4 2w m n 与w i m a x 的比较 w i m a x 是当前市场较为看好的技术，定位于无线i p 城域网，包含i e e e 8 0 2 16 a 和8 0 2 16 e 。8 0 2 16 a 的标准已经制定，只支持视线范围传输，固定点 接入，支持点对点或点对多点组网；8 0 2 16 e 标准还处在开发阶段，将支持非 视线传输和具有一定的移动性。目前市场上还没有推出w i m a x 成熟的商用化 产品。非常有意思的是，m e s h 是先有了商用化产品，标准刚刚开始制定，而 w i m a x 却是先有了标准，但还没有商用化产品。从市场角度上讲，无线m e s h 网络与8 0 2 16 a 虽然都是应用于城域网，但是不会产生任何竞