（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络跨层技术研究.pdf

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，长距离的通信所支持 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 技术应运而型。跨层技术主要研究无线m e s h 网络各层的关键技术和它们 之间的影响，尤其是m a c 层协议和网络层路由协议之间的影响。 本文首先简单介绍了无线多跳m e s h 网络的基本概念、基本结构、应用和关键 技术，提出了有待研究的问题。其次，重点介绍w l a nm e s h 网络的关键技术和 解决w l a nm e s h 网络关键问题。由于现有的无线多跳网络的m a c 层协议大多是 8 0 2 1 1m a c 协议，而8 0 2 1 1m a c 协议是针对一跳设计的，无线多跳网络基于 8 0 2 1 lm a c 的路由协议在支持上层应用如t c p 连接时，会产生不稳定性、不公平 性、不共存性问题。我们用实验结果表明，这些问题的根源在于8 0 2 1 1m a c 协议 所带来的“隐藏节点”、“暴露节点”等问题。在无线多跳网络的情况下，“隐 藏节点”、“暴露节点”产生的影响更为严重。根本原因在于，多跳范围之内的 节点在同一个信道上收发，相互之间造成了更为严重的干扰，影响同时传输，造 成无线多跳网络很难支持扩展性。随着跳数的增加，网络整体性能下降。我们接 着介绍了多信道的概念，选择多信道，相邻节点能够同时无相互干扰地传输，仿 真结果表明，随着跳数的增多，网络性能没有受到太大的影响。最后，我们利用 跨层路由设计的理念，在设计w l a nm e s h 路由协议时，充分考虑前面分析的 8 0 2 1 1m a c 层的影响，使用多信道技术。在路由选择时，利用下层信息，选择具 有不干扰信道的路由，使之适应无线多跳网络。然后在此基础上，充分考虑w l a n m e s h 网络的具体情况，如路由节点的移动性较小等特点，设计路由表和按需路由 相结合的路由协议。并用实验分析了所设计的路由协议的性能。 关键词：无线多跳札州u o s h 多信道跨层路由 a b s t r a c t a b s t r a c t w i 也t 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 ib e m o r ea n dm o r ed e m a n do 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 e i 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 s v e r y1 i m i t e d b e c a u s eo fa t t e n u a t i o n w i 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 r b a n d w i d t ha n ds u b s c r i b e rc a na c c e s si n t e r n e tt h r o u g h m u l t i - h o pw i r e l e s sr o u t e r u n d e r s 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 pm e s hn e t w o r k sa p p e a ra san e v ft e c h n i q u e c r o s s l a y e rt e c h n i q u e sm a i n l yi n v o l v e sk e yt e c h n i q u e sa n dt h e i re f f e c to ne a c ho t h e ri n e v e r yl a y e ro fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k , e s p e c i a l l yh o wm a cp r o t o c o la f f e c t sr o u t i n g p r o t o c o lp e r f o r m a n c ei nn e t w o r kl a y e r w ef i r s t l yi n t r o d u c et h eb a s i ci d e a , s t r u c t u r e ，a p p l i c a t i o n ，k e y t e c h n i q u ea n d p r o b l e mt ob er e s e a r c h e do fw i r e l e s sm u l t i h o pm e s hn e t w o r k s s e c o n d l y ，w em a i l l l y a n a l y z ek e yt e c h n i q u ea n ds o l v ek e yp r o b l e m so fw l a nm e s hn e t w o r k s m o s tm a c p r o t o c o l su s e di nw i r e l e s sm u l t i h o pn e t w o r k sa r ei e e e8 0 2 1lb a s e d ，w i t c hi sd e s i g n e d e s p e c i a l l yf o rs i n g l eh o pn e t w o r k s + w ep r e s e n tp r o b l e m ss u c ha si n s t a b i l i t y ，u n f a i r n e s s ， i n c o m p a t i b i l i t ye n c o u n t e r e dw h e ni e e e8 0 2 1 1 m a c p r o t o c o lw o r k sw i t ht c pi na w i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r k r e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h o s ep r o b l e m sa r e r o o t e di nt h e h i d d e nn o d e ”a n d “e x p o s e d n o d e ”p r o b l e m se n c o u n t e r e di ni e e e 8 0 2 11m a cp r o t o c 0 1 i nw i r e l e s s m u l t i - h o pn e t w o r k “h i d d e nn o d e a n d “e x p o s e d n o d e p r o b l e mw i l lb r i n gm u c hm o r ei n f l u e n c e s ，b e c a u s ei nt h eb i gr a n g eo fm u l t i p l e h o p s ，a l ln e t w o r kn o d e sw i l lr e c e i v ea n dt r a n s m i ti no n ec h a m a e l ，t h e yd i s t u r be a c ho t h e r v e r ys e v e r e l y s i m u l t a n e o u sc o m m u n i c a t i o nw i l lb eb l o c k e d ，w h i c hm a k e si td i f f i c u l t f o rw i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r kt oe x p a n d n e t w o r kp e r f o r m a n c ew i l ld e c l i n ew h e n n u m b e ro fh o p si n c r e a s e w es e c o n d l yi n t r o d u c em u l t i c h a n n e l ，w h i c hm a k en e t w o r k n o d e sr e c e i v ea n dt r a n s m i ts y n c h r o n o u s l ya n d 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 ，n e t w o r k p e r f o i t f l a n c ew i l lb en o tm u c hi n f l u e n c e dw h e nn u m b e ro f h o p si n c r e a s e f i n a l l y ，w i t h c r o s s l a y e r d e s i g ni d e n , w et a k et h ee f f e c to f8 0 2 11m a ci n f o r m a t i o nf r o mm a c l a y e r i n t oa c c o u n t ，c h o o s er o u t i n go nn o n i n t e r f e r e n c ec h a n n e l ，w h i c ha d a p t st ow i r e l e s s m u l t i h o pn e t w o r k t h e nw ec o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw l a nm e s hn e t w o r k s u c h a si m m o v a b i l i t y ，p r e s e n tc r o s s l a y e rt a b l e d r i v e nr o u t i n gc o m b i n e dw i t ho n - d e m a n d r o u t i n g 。w ev a l i d a t eo u ri d e aw i t hs i m u l a t i o na tt h ee n do f t h i sp a p e r k e y w o r d s ：w i r e l e s sm u l t i - h o pw l a nm e s hm u l t i - c h a n n e l c r o s s l a y e rr o u t i n g 独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的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中所罗列的内 容以外，论文中不包含其他人已经发表成撰写过的研究成果；也不包含为获得谣安电子科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一褥工作静同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与瓷料若有不实之处，本人承担一切的法德责f l 王。 本人签名： 玉翘生豳期2 生垒2 ：f ：兰圣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有荧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匿安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复窜件， 允诲悫阅耪倦耀论文；学校可疆公毒论文的全部或郭分内容，可以竞许采用影e p 、缭印或其 它复制手段保存论文。周时本人保证，毕业后结合学使论文研究谋题撰写的文章一律署名单 位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名i 至盘垂日期兰! ! z ：f ：兰三 导师签名：o 刘女b 量一譬期薹璺婴z 二! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线m e s h 嚼络技术概述 熬簧移动通信技术豹不断发鹱，逶过无线方式获褥语蠢秘数据业务，转爨是 高速i n t e r a e t 的接入的需求日渐增多。因簏，下代无线瓣络发展的霹标楚为用户 提供熙高的速率以便支持各种宽带业务的撩入【5 】。由于链路衰减的原因，长距离的 通信魇支持的数据速率是有限的，为了提供受大的带宽，w 以考虑使用雾跳的无 线申熬方式透露窕蘩传赣。蘧声带熹霹戳逶避笼线籍峦器多魏接入i n t e r a c t ，于是， 无线m e s h 技术应邀而生f l j 4 1 1 6 1 。 圈1 1 竞缓m e s h 鄹终姥麴銎嘲 1 1 1 觅线m e s h 网络的组网方式 熬霆1 1 掰示，笼线多魏m e s h 遐终主要蠢爨m e s h 薅巍嚣羁曩户节点缀残嘲。 m e s h 路由器的移动性很小( 一般情况下可以视为固定 ，它们组成m e s h 网的骨 干中继网，供m e s h 用户节点或传统用户节点的接入，为它们的通信提供高速的分 组转发霉日籍由选择。通过赠关期黯由器鹩桥按作用，m e s h 阏络可以与其他网络如 i n t e m e t , c e l l u l a r , 和蒸子i e e e8 0 2 1 1 ，i e e e 8 0 2 1 5 ，i e e e 8 0 2 1 6 豹弼络互涟嚣遥t z 2 j 。 m e s h 用户可以是静止的，也可以是移动的，t 葭们自己也可以组成用户端m e s h 网 络，此时要求用户节点具有分缎转发功能，髑络是节点动态自组和自配鼍的，网 2 无线m e s h 网络跨层技术研究 络中的节点自发地根据一定的算法寻找适当的路由，建立并保持连接钮。 1 1 2 无线m e s h 网络的特点 从上一节我们可以看出，无线m e s h 网络是在a d - h o c 网络的基础上发展起来 的，它继承了a d - h o e 的优点，又有它自身的特点。它和a d - h o c 网络的不同之处在 于： ：1 ) 如前所述，无线m e s h 路由器通过无线连接组成网络骨干，实现大范围的 覆盖和互连。而a d - h o c 网络中，用户节点直接连接组网，可靠性不太高【5 2 】。 2 ) 无线m e s h 网络支持与m e s h 路由器使用相同射频技术的传统节点。因为 m e s h 路由器具有主机路由功能。无线m e s h 网还能与现有的各种网络兼容，如前 面所述。这样，一个网络中的用户通过无线分层结构可以获得其他网络的服务， 这是一个很有前景的应用【5 2 】。 3 ) 在a d - h o c 网中所有节点都有移动性和功率控制的要求，而在无线m e s h 网 络中，路由器移动性和功率控制功能要求降低。另外，现有路由协议认为m a c 协 议是透明的，然而在无线m e s h 网络中，需要考虑层间协作以提高路由性能。另外， 无线m e s h 网络和a d h o c 网络在功率控制和移动性要求方面也略有不同1 5 2 1 。 4 ) 在a d - h o c 网络中，所有的用户节点可以为其他节点提供路由功能，但是无 线m e s h 网中，m e s h 路由器专门实现这些功能。这样用户节点的负担就会大幅度 减轻，就可以降低这些节点的功率开销，增加其待机时间。另外也降低了对用户 节点的功能要求和价格【5 2 】。 5 ) m e s h 路由器可以使用多电台或多网卡技术，以便增强路由和接入功能。 这样可以有效分离无线网络中的两种流量( 路由器的上行链路和下行链路) 。用 户可以以不同的电台接入，有效改善了网络的容量。而在a d - h o c 网络中，路由和 接入等功能都是在相同的信道内进行，限制了网络性能【5 2 j 。 6 ) 移动性方面，a d - h o c 网络用户节点实现路由功能，网络和互连都依赖于终 端节点的移动，增加了路由和配置实现的难度。 根据上面的这些与a d h o e 网络不同的特点，我们在讨论和解决无线m e s h 网 络的关键技术时，可以综合考虑无线m e s h 网络以下自身的优点p q ： 1 ) 无线m e s h 网络的具有多跳性和大容量，它最大作用就是在不牺牲现有无 线网络的频率资源的同时扩大它们的覆盖范围。多跳还可以充分实现频率再用， 提高频谱利用率，借此提高网络的容量【5 2 l 。 2 ) m e s h 路由器具有较小的移动性，便于供电，这样在设计物理层、m a c 层 和路由层协议时，不需要过于考虑路由器的功率问题。 3 ) 无线m e s h 网络的组网方式可以体现在不同类型的网络之中，下面的章节 第一鬻绪论 我们将会主要介绍它在无线局域网( w l a n ) 中的具体应用。 慧之，无线m e s h 瓣络戆满是多方瑟戆应臻，是一颈稷鸯发展蘸蓉豹无线逶穰 技术，m e s h 网络和篡他各种网络兼容地使用，是无线网络通信发展的必然趋势， 这样与现有网络的兼容性和通用彀的研究就会十分重要。 1 2 无线m e s h 溺络跨层技术 无线m e s h 网络的作用就是有效改善传统网络如a d - h o c 网络、无线局域网 ( w l a n s ) 、秃线令入潮( w p a n s ) 帮无线城域鼹( w m a n s ) 等瓣络鹣爨限豫，扩爱 宦们的裰盏范围，因硝近年得到了快速的发展【5 2 】。最近i e e e8 0 2 工作组8 0 2 1 1 s ， 为无线m e s h 两络的物理层和m a c 层规范协议，戳增强更好的无线局域两覆盖。 在这种网络中，8 0 2 1 1 接入点a pw 以为另一个接入点做中继。随着接入点麴增加， 网络容麓也随之增加。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 熊，黧蕤于8 0 2 1 5 ，5 ，8 0 2 1 6 a ，a n d8 0 2 2 0 等势议戆璃络。毽是，嚣警无线m e s h 网络技术有较大的发展，但仍然在网络的各层存在着很大的需要改进的地方。幽 予现有粒包撬无线m e s h 鬻络在蠢静茺线多虢霹络懿m a c 都怒基予w l a n 8 0 2 ，1 1 m a c 的，而8 0 2 1 1 m a c 协议鼹针对跳设计的，多跳觅线网络基于 8 0 2 1 1 m a c 的路由协议在支持上蕨应用如t c p 连接时，会产生公平性、共存性等 诸多方鞭豹闯题。必败我织提基跨层设计的壤念，综余分板m e s h 嬲络各艨之闯 特别是m a c 艨和网络层之间的影响，在设计w l a nm e s h 路由协议时，首先考虑 m a c 矮戆影穗，改遴m a c 痿协议，馒之适应蠢线多虢耀终，然嚣在就蘩链上， 充分考虑w l a nm e s h 网络的具体情况，如路由节点的移动性较小等特点，设计 稽应的鼹由协议。 1 3 本文的主要蠹容 本文主要分为两个方面： ( 1 ) 分耩茺线m e s h 弱络特爱是w l a nm e s h 逡终豹关键技本，辫基予8 0 2 。11 m a c 层协议对多跳网络的支持性和对m e s h 网络的路由设计产生的影响做分析， 夯绍裙荚懿解决方案。 ( 2 ) 在现有的光线多跳网络的路由协议的基础上，结仓w i , a nm e s h 网络 的具体特点，借鉴跨层路由设计的思想，在现有a r t 路由的基础上，设计自己的 鼹由方案。 本文共分驻章，具体安排如下： 第一、二章分绥了无线多虢m e s h 鼹络豹基本概念鞫基本络祷、瘟蕉帮关键接 4 无线m e s h 网络跨层技术研究 术，提出了有待研究的问题。重点介绍w l a nm e s h 网络的关键技术和解决w l a n m e s h 网络关键问题。尤其是和本文意图紧密相关的m a c 问题和网络层问题，介 绍了该相关问题的研究现状。 第三章我们介绍基于8 0 2 1 1w l a n 的无线m e s h 网络，由于现有的无线多跳 网络的m a c 层协议大多是8 0 2 1 1m a c 协议的，而8 0 2 1 1m a c 协议是针对一跳 设计的，无线多跳网络基于8 0 2 1 1m a c 的路由协议在支持上层应用如t c p 连接 时，会产生不稳定性、不公平性、不共存性问题。我们通过实验分析产生这些问 题的根源。 、 第四、五章介绍了无线m e s h 网络路由协议的研究现状，我们将在a d a p t i v e r o b u s t t r e e ( a r t ) 的基础上，实现m e s h 骨干中继网络结构。利用m e s h 路由器移动 性较小、骨干节点路由信息更新慢的特点，结合跨层路由设计的思想，提出基于 m a c 层信道使用信息的表驱动和按需路由相结合的w l a nm e s h 网络跨层路由设 计方案，并用仿真验证我们方案的可行性。 最后结束语提出了还有待解决的问题。 第二章滗线m e s h 网络若键技术和问题研究! 第二章无线m e s h 霹络关键技术和问题研究 笼线m e s h 麟络盼应用将十分广泛，翼餐缀大煞常场潜力p q 。近笨来，m e s h 技术研究取得了很大的进展，假仍有很多需要改进之处。现有的m a c 屡协议和路 由协议应用于无线多跳m e s h 嘲对，不能很好地支持扩展住，网络的吞姚量随着跳 数秘第点数熬增鸯羹，会侠速下辩，这就是m e s h 髓络豹扩麓经蠢题。嚣褥，需要霹 现有网络特别是i e e e8 0 2 1 1 无线局域网、a d h o e 网络、鬣线传感网络等网络的各 层协议，如应用层、传输层、m a c 层以及物理层的协议作很大的修改攥至要重新 设谤， = 乏倭适应无线m e s h 霹终戆特点p q 。零节我搬将介绥无线m e s h 瓣络戆握关 技术以及研究现状，并提出需黉解决的阎题。 2 1 无线m e s h 网络m a c 层协议研究现状和问题 由于无线m e s h 嘲络是一种多跳的网络，为了支持多跳的连接，它对信道接入 层( m a c ) 提出了更高的要求。重要的一点就是能很好的支持网络的扩展性，使 离路建器或网关较远熬苇点能够纛其拖节感一襻获褥公乎接入熬机会鞠公平熬吞 畦薰。在现有鳃解决方案中，童簧通过两个逡经实现可扩麓豹m a c 协议。第一是 增强现有的m a c 协议，或者獭网络节点只有一个信道时，提出新的m a c 协议以 增加端到端的吞政爨l ，z j ；第二怒在每个网络节点上用多个僖道传输。本带将分别 奔绥蒸予i e e e 8 0 2 1 l 静摹信莛 秘多信遂m a c 协议。 2 1 1 单信道m a c 层协议 梵了适应无线多跳两络，久销提出三种m a c 协议鼹决方案： 2 1 1 1 改善现有的m a c 协议 嚣前己经提磁了几种m a c 蘑协议。一静楚透过增强c s m a c a 协议 a 4 1 4 鬈。 该方案主要通过调整c s m a c a 的参数如竞争窗的大小和退避程序来实现。这种 方案能显著提高跳网的吞吐黛，但对于多跳m e s h 网，释吐量就会大幅度降低， 因兔它不麓缀努魏降低部节熹袋撞懿冒裁纛。翔栗不能避免磋蓬，箨么蠡手多鼹 的积累作用，很濉保证端到端的吞吐量。也可以利用先进的物理层技术实现跨层 协议设计，现在有两种基于方向性天线【3 9 】和带功率控制m a c 的设计方案 4 6 1 。但 6 无线m e s h 网络跨层技术研究 使用方向性天线虽然能够很好地消除“暴露终端”，由于信号方向性传播，增加 了“隐藏终端”的数目。另外，方向性天线也面临成本、系统的复杂度和实用操 作的难度等问题。另一点从降低功耗的方面寻找解决方案 4 7 1 ，该方案能减少“暴 露终端”的数量，尤其在节点比较密集的网络中，由此增加无线m e s h 网的频率再 用率，但是“隐藏终端”问题仍然存在。由于发射功率的减小降低了节点发现潜 在干扰的可能性，还会使“隐藏终端”问题更为严重。 2 1 1 2 新的m a c 层协议 由于基于8 0 2 1 1 的c s m a c a 的扩展性很差，它们对于无线m e s h 网络不是很 好的解决方案，为了有效提高无线m e s h 网络中节点端到端的吞吐量，很有必要提 出新的m a c 层协议。最近基于t d m a 和c d m a 的m a c 层协议成了研究的热点 【4 川。时至今日，还没有人提出完善的基于t d m a 或c d m a 的无线m e s h 网的m a c 层协议。主要是考虑到在分布式系统中实现基于t d m a 和c d m a 的m a c 层协议 的复杂性、成本以及与现有网路m a c 层协议的兼容性。如在i e e e 8 0 2 1 6 协议中， 最初的m a c 协议是基于集中式t d m a 的，现在基于分布式i e e e 8 0 2 1 6 的m e s h 网络的t d m am a c 层协议尚在研究之中。对于分布式t d m a 或c d m am a c 层 协议，必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络自组特性【5 2 1 。 2 1 2 多信道m a c 层协议 多信道m a c 层协议可以属于几种类型【5 2 1 。1 ) 多信道单收发机m a c 层协议： 这样不同的节点可以同时互不影响地工作在不同的信道以增加系统容量。这样为 了适应多信道，就需要设计新的的m a c 层协议，比如多信道m m a c f l 2 j 和 s e e d s l o t t e dc h a n n e lh o p p i n g ( s s c h ) t y 案e 1 4 1 。2 ) 多信道多收发机m a c 层协议：一 个电台包含了多个并行的射频芯片和基带处理模块，以支持多个并行信道。在物 理层之上只有一个m a c 层协调多信道功能。设计相应的m a c 层协议，还尚待解 决。3 ) 多电台m a c 层协议：一个网络节点有多个电台【1 3 1 ，这个我们将在第三章 详细介绍。对于多电台，m a c 层之上还需要一个虚拟m a c 机制如多电台联合协 议( m u p ) 阿，以协调多个信道内的通信。 在多信道m a c 协议中存在两个主要的问题：多信道m a c ( m m a c ) 1 2 】和多电 台联合协议( m u p ) t 3 j 。 m m a c 主要实现三个功能【5 e l ：维护每个节点所有信道的数据结构、在与其他 节点在一个公共的信道中协商建立通信的信道和选择一个从源节点到目的节点开 销最小的信道。但仍存在许多尚未解决的问题 5 2 1 ，如同步难以实现、需要信道转 第二章无线 l e s h 网络关键技术和问题研究 2 换开销。使用r t s c t s 在公共信邋上进行协商，产生了“暴露终端”。 在m u p 协议中，每个第点主经焉7 多令无线圈卡，瘸睾上豹镄遂舔是正交霸 劂定的。m u p 的功能主要包括【5 2 】；1 ) 发现邻节点，然后把这魑节点分成具有m o p 功能的常点和般的节点。2 ) 基予一跳两路时间( r t 1 3 弼量选择一个鼹卡，该隧 卡具有第点和邻近节点之间最短的r t t 。3 ) 改变信道。任意时闯之后，邋过一跳 搛测信息重新测试所有网卡，把信道切换到具有更好信道质髓的网卡上。 m u p 协议锈然存在着一些惩壤l 竭，鲡不戆薅决“隐藏终溃”翅题，冠卡转换 机制不公平，固定分鞲己信道缺乏灵活性，网卡转换后需要分缀重新排序，m u p 依 靠t c p 协议来实现，在无线多跳m e s h 掰络环凌下，徽难僳镊较高的吞畦麓。 从上面分析可以精出，现有的基于c s m a c a 的m a c 协议只能解决一都矜 问题。多跳无线网络的扩展性问麓至今述没有穰好地解决，有时会闯对产生新腑 瓣题。缀此怎榉拯底遮鳃凌多跳髓络约扩展性，是一个缀有挑战挫静闽题。分布 式基于t d m a 的m a c 层协议是很有研究价值的。因为如果能够解决t d m a 成 c d m a 难爨实蠛静鞠题，宅稍是缀适合痰震鬟燹线多魏躅孛戆。 另外，底层采用新的技术时，也会对现有的m a c 协议产生很多影响。比如， 靳果在物理层使用了如m i m o 等免迸技术，必须有更新的m a c 协议与之稻适应。 辫者，考虑到嚣线m e s h 网络的特点，对乎适用于无线m e s h 网的m a c 协议，还 需同时考虑到不同节点的区别。 2 2 无线m e s h 网络路由协议的研究现状和问题 现有的无线m e s h 网络的初级应用中，一般都采用m - h o e 路由协议。但如第 一章所述，无线m e s h 阏络裔其区捌于a d - h o e 弼络的特点，魏无线m e s h 网络的路 虹器移动性很小，一般甚至是固定的，对功率控制和移动性等方面黝要求降低7 。 可以把这些特征考虑在内，研究完金适应无线m e s h 网络的路由协议。 基等瑷毒鼹垂骆议和无线m e s h 耀终特点黪考虑，先了缀好邋慈应无线m e s h 网络，发挥m e s h 网络高速性和健斗士性的特点，良好的路由协议必须很好的实现网 终的负载平鬻帮舞 除链珞敖簿。为忿，入们提爨使用多路终凑辫】，据离每条链路 的故障餐忍度，同时也有利于平衡各链路负担。这样条路径出了敝障，可以选 熬他的。多路路由的缺点是太复杂。至予是否襄用，还有待真正在黼络中应用时 捡验。扩展性是无线多跳网络难以瓣决的姆题，在一个很大的无线多跳捌终中扇 动一条路由需要很长的时间，这样端到端时延将会很大。即使路径建立了，上面 懿苓轰状态也霹蕤穗辩交纯。魏终，多跳豹黪囊带来了接入凳平性簿一系裂静溺 题。所以在无线m e s h 网络中，路由协议对扩展性的支持非常重要。 近年来，范经撬疆7 裰多分缀路由秘议1 1 9 1 s 3 1 。我彳f 】将在4 2 3 节糖诧遴行详缎 光线m e s h 网络跨层技术研究 瓣分缓。势等级薅囊有鳃决无线多魏露终扩袋牲煞霉襞瞧，整爨未在安羧孛硷验。 另外，良好的m e s h 网络路由协议，成该具有综合的路由选择标准【l o 】f l l 】j ， 4 3 带将详细讨论这个问题。 m e s h 路由嚣誉震要太多考虑移动性秘功率控裁，所以a d - h o c 嬲终鼹出捺汲用 副m e s h 网络辩，可以简亿。这样无线m e s h 网络路由协议必须具有自适应性，便 于同时适应路由器和用户节点。另外，还w 以考虑由于供电的方便，在每个路由 器上使用多电台，多信道。这样，路由选择考虑m a c 艨信息，不需要改变m a c 秘汉就匏提离系统豹容量。壤雀已有铮砖多电台m e s h 瓣终搀壅了路垂凌议： w e i g h t e dc u m u l a t i v ee x p e c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e ( w c e t t ) 路由协议。w c e t t 协议综 合考虑链路质量和跳数，它能在时延和吞吐量上获得很好的折中。 2 3 无线m e s h 瓣络传输层溺题礤究现状 至今还没有专门用于无线m e s h 网络的传输层协议提出。在支持上层的应用 中，一毅壤曩萋予t c p 窝u d p 耱谈静改遴。由予熨p 耱议是铮霹毒线嚣络懿， 其根多特点不能遥应无线网络的特征和满砖无线网络的需簧。设计无线m e s h 网络 传输层方面的协议仍然是无线m e s h 网络的关键技术【5 2 】。 可靠豹传稔携议主要分为秀静，一静爨传统t c p 携议爨改进，另一静是全新 静健输协议 5 2 1 。 t c p 机制怒针对有线互联网络的，能磷改进t c p 机制，使之适虑光线m e s h 网络，是一个很黛要的问题。托p 协议的塞簧缺点是不熊区分分组丢失是因为网 络镄塞或者其毽琢因 2 4 1 豳。镑砖分缝丢失，它都会都按秘塞整理。毽凌无线圈络 中，分组的丢失往往是因为节点的移动造成的无线链路的断开。信邋修复之后， t c p 的慢启动会犬大降低网络的整体性能i l5 1 。针对这个问题，当在无线m e s h 网络 孛经焉t c p 镑议辩，琴弦增翱区爨分组丢失熬爱续祝剿渊， 另外，在无线m e s h 两络巾，由于节点的发射功率和地形等其谴原隘。存在着 单向链路或者不对称链路的问题，正向链路和反向链路的分组丢失率、带宽和时 延都有所不同。瓣t ( 包的发送依赖予目的节点返回的a c k ，所以它的性能会受 至送个溽题瓣严黧影嚷h 雄。鬟静，t c p 数攒毽葙t c p a c k 可能透过不蔺豹链貉， 经历很不同的链路特征。此外，m e s h 路由器和用户节点可以动态变化，造成无线 信邋严重的时受憔，路由也是动态变化，谶而引起r 1 r r 的较大波动，幽于t c p 是 基予r t t 豹孚澎溯定运终豹，这罄会造或t c p 整薅瞧戆瓣簿甄豳删。隽了瑟决 这个闯蹶，人们掇出了a c k 过滤、a c k 佣塞控制等方案6 1 。这些都楚传输层的 关键技术。因而克服t c p 协议中固有的弱点【3 i 】。设计念新的适用于无线m e s h 网 络的传输层协议成为近年来磷究的热点。 第二章无线m e s h 网络关键技术和问题研究 1 2 4 其他方面关键授术研究 以上几节我们分析了无线m e s h 网络在m a c 层、网络层和传输层涉及的关键 技术及研究现状，本节将对其他方面的相关问题做迸一步的分析 5 2 1 。 2 4 1 无线m e s h 丽络静扩展往 如在绪论中所述，随着无线多跳网络规模的扩大，网络的性能会显著降低。 路由秘议莓憝不能缀磐翡我魏爵纛携路凌，传 鑫蒺霉挠瑟秀连接，传统懿m a c 菇 协议将很难协调节点在多跳范围内的接入。各朦的综合因素将会造成网络整体性 能酶下降。贯矫，由予无线m e s h 黼络的分布式蠢组静绪梅特性，集中式静多缝谈 入方式如t d m a 和c d m a 将很鼹保证寇黠和弼步及扩频码的管理，m a c 层协议 最好得选用分布式多址接入方式如c s m a ，c a 。然而，c s m a c a 空间频率再用的 效率缀 氛，遴步簿低了基鼍：c s m a c a 熬多跳羁终戆扩震健。在第三章我襄将 看到，现有的心皂e 8 0 2 11m a c 协议应用于多跳( 4 跳戏更多) 传输时，不能满足 赣应静器睦量静要求，耪骶碧综念使焉辩，会产生吞醚量达零、不公平攘瘸苓稳 农性等多神问题。总之，当网络的规模扩大时，无线m e s h 网络的扩展性将成为最 太的闯趱。 2 4 2 蘩瑾层藕笑技术分耩 无线m e s h 网络节点分布在很犬的范围内，为了提高网络的整体性能，增加频 率豹空阕剽雳搴，提供宽带娩务彝满足琴围戆q o s 霉求，提懿纺理簇熬传竣速率， 可以采用当今最先进的技术。典型的代表有方向性【6 】和智能天线【i ”、软件咒线电、 m i m o 系统、o f d m 域u w b 淤及多天线技术等 2 | l 。餐麓无线泡( c o g n i t i v e r a d i o s ) 也是一个很有前景的研究方向田】，基于c o g n i t i v e - r a d i o 的无线m e s h 网络能够获得 缎好的饿能。糟要很好地使糟物理朦的先进技术，高层协议尤其是m a c 屡和网络 屡鳇设计必须与之楣起会。如，必了适应方囊燃天线翔智能天线，墨经提如7 缀 多相应的a d - h o c 网络m a c 层协议【3 6 】1 3 7 】【3 8 l 【3 孵。禚多跳网络中，方向性天线可以减 少“暴露终壤”僵会壤糖“隐藏终壤”，嚣兹裁要改动m a c 按谖器畿逶应痰漫 3 2 j 。 灏使用了软件无线电之后，还需要熙强的m a c 协议，如可编程m a c 。 2 4 3 兼容性和安全性 无线m e s h 网络嚣要同时支持m e s h 用户节点和一般节点的无线接入。因此它 l o 无线m e s h 网络跨层技术研究 需要向后与传统用户终端兼容。否则，m e s h 网的应用性将大打折扣。因此m e s h 路由器还需要具备与各种异构网络互连互通的能力。 因为无线m e s h 网络的多跳特性，用户很容易受到攻击和窃听。现存的用于 a d - h o c 网的安全方案虽然可以应用到m e s h 网中，但由于很多现有的a d - h o c 网络安 全协议本身还不成熟，并且m e s h 网络结构又和a d h o e 网有很大的差异。所以很 有必要重新设计包括安全m a c 、安全路由协议、入侵攻击探测、安全监视、加密 算法和安全密钥传送算法在内的安全方案。 总之，无线多跳m e s h 网络是一种复杂的网络体系结构，它既是一种网络，又 是一种独特的组网方式。两者共同决定了m e s h 网络一方面有自己的特征，需要完 全符合自己的各层通信协议，满足用户的需要；令一方面，它又综合了其他无线 网络的先进技术，需要和其他网络互连互通，这就增加了m e s h 网络设计的复杂性。 m e s h 网络技术研究在a d - h o c 网的基础上，取得了很大的进展，但是仍有很多问题 有待解决。鉴于该网络很好的应用前景，解决本章提出的问题，将成为m e s h 网络 研究的热点。 第三章纂于8 0 2 1 1w l a n 的无线m e s h 网络研究 第三章基于8 0 2 1 1w l a n 的无线m e s h 阏络研究 无线m e s h 组网方式，最好的体现是它在无线局域网w l a n 中的应用。传统 的w l a n 都愚基于一跳的网络，集中式的w l a n 用户遴过中心接入点a p 的协调， 安现无线宽带攮入，a p 通过有线的方式接入i n t e m e t ，每个a p 的覆蘸范围襁当小。 为了实现更大的无线覆盖范围，增加a p 的路由器转发功能，用户通过a p 路由器 多雾接入，多令a p 鼹由器缀菠嚣予转发溺终，便是w l a nm e s h 嚣络j 我爨本露 将针对w l a nm e s h 网络的关键技术和相关问鼷进行分析【”。 3 18 0 2 1 1m a c 层协议分析 i e e e $ 0 2 11 炙线媒体接入挽议成必“基予分布式盼无线媒体访问控制协议” ( d f w m a c ；d i s t r i b u t e df u n c t i o nw i r e l e s s ，m a c ) 。d f w m a c 支持a d - h o c 襄t n f i 鼍s t r u c t u r e 嚣静类型黪弱域嬲。d f w m a c 豹萋磁是c s m a c a 。它鸯嚣秘方 式，即分布式协调功能d c f 和集中式协调功能p c f 。根据本文的需要，遮里我们 麓重介绥一下d c f ( d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 。d c f 是壬】筑s 阮1l 协议 最基本的媒体访问方法，其核心悬c s m a 坨a 。它包括载波检测( c s ) 机制、帧 间隔( 礤s ) 和随机遇避( r a n d o mb a c k - o f f ) 规稳。每个节点使用c s m a 机制的分 露式接入算法，让备个节熙争曩僖道来获取发送投。为了鼹量避免碰攮，疆e 聪 8 0 2 1 l 的m a c 层规定，在所有节点发送乏后，必须等待一个很短的时间接着发遴 下椟，这袋辩阉或必犊润黼i f s ( i n t e r - f r a m es p a c e ) 。梭蠲疆戆长短取决手带 点打算发送的帧的类型，被分为短i f s ( s m s ) 、f c p 的i f s ( p i f s ) 和d c f 的 球s ( d 糟s ) 。 d c f 有两种工俘方式，种悬基本王作方式，即c s m a c a 方式；另一静悬 r t s ，c t s 机制。 e s 氛曩a 怒a 方式黪工据踉理热麴3 。l u j 。 c s m a 工作过程是这样的：节点在发送数据之前，先侦晰信道中有没有正在 滋行豹转输，磐栗倍遂茬，藏会接避等待一段葬重蓠；麴栗信邋空闲，立鄂发送。 这种方式在网络负载不太大的情况下效果很好。但是也有可能多个节点同时侦听 戮信道空闲，乎是立刻同时发送，造成了碰撞。碰撞造成了受大的送延，为了壳 月艮碰撞阅题，8 0 2 1 l 使用了多种j 申突避免机制，其中典型的怒带内技制信慰的c a 两次握乎协议，如图3 1 。节点侦听到信道忙就推迟发送，如果信道空闲，不立刻 发送，哭毒发现羡遵空舞一段薅阑( d i s t r i b u t e di n t e r - f r a m es 嚣d i f s ) 嚣，雳艉发 1 2 无线m e s h 网络跨层技术研究 送，这个空闲时间的长短根据要发送帧的类型而定。接收端收到分组时，发回一 个a c k ，为了和上层的a c k 区别，用m - a c k 标志。如果发送方没有接收到m - a c k , 就重传分组，多次失败后放弃，如果在多跳网络中，