（通信与信息系统专业论文）多天线无线mesh网络的mac层协议研究.pdf

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 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：疽盘 日期：兰! 丝：! ：! 兰 关】：论文使用授权的说明 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一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名：主塑盎 导师签名：了名囊吵立一 o 适用本授权书。 日期：兰竺! ：! ：! 兰 日期：尘虬专一斗一 北京邮电人学硕士研究生学位论文摘要 多天线无线m e s h 网络的m a c 层协议研究 摘要 近年来，随着越来越多的大规模无线网络的部署，无线m e s h 网 ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 越来越受到人们的重视，特别是宽带 无线m e s h 网络的出现更满足了社会的需要，它作为一种新的网络结 构，正在成为下一代无线接入研究中的一个热点。但是在实际的应用 中人们发现无线m e s h 网络存在一些阻碍大规模部署的问题，特别是 多跳的问题，由此而引发的带宽降低，无线干扰，网络时延等，这些 问题使得宽带无线m e s h 网络的性能下降很多。 由于无线m e s h 网络( w m n ) 的最终目的在于各个结点终端能 够接入外部网络，因此当所有的结点所产生的数据包都发往某个连接 外部网络的结点时，由于频率资源的限制，带宽受限，拥塞就会产生， 当数据量进一步加大时网络的瓶颈效应就会更加明显，冲突加大，丢 包率增大，网络吞吐量急速下降。 为了解决以上数据流量汇集而导致的网络性能下降的问题，我们 研究了采用多天线的无线m e s h 网络，这样做的好处在于能够并行的 收发数据包，从而极大的提高网络的吞吐量。为使无线m e s h 网络能 够充分的发挥多进多出( m i m o ) 技术，并且由于w l a n 的m a c 层 协议本身并不是设计用于实现多跳通信的，因此已有的8 0 2 1 l x 协议 在该网络下的性能、如何改进、或者如何设计种高效的m a c 层协 议来提高网络性能成为本文研究的一个关键问题。 本文分析了前人所提出的无线m e s h 网络的m a c 层协议，指出 了这些协议所存在的问题。在这之后提出了一种基于独立控制信道和 数据信道的m a c 层协议，该协议能很好的支持采用m i m o 链路的无 线m e s h 网络，能够充分发挥m i m o 链路空间复用的优势，从而能够 增大网络的吞吐量，降低网络时延。 关键词：多天线，无线m e s h 网络，m a c ，路由协议，m i m o ，s d m a 北京邮电人学硕士研究生学位论文 摘要 h 一 北京邮电大学硕仁研究生学位论文 m a cp r o t o c o lf o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k u 盯u z i n gm u l l 叮a n r e n n a a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a sm o t ea n dm o t ed e p l o y m e n to fl a r g e - s c a l ew i r e l e s s n e t w o r k s ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) h a sa t t r a c t e dm o t ea n dm o r e p e o p l e sa t t e n t i o n ，e s p e c i a l l yt h ee m e r g e n c eo fb r o a d b a n dw i r e l e s sm e s h n e t w o r k sg r e a t l ym e e tt h en e e d so ft h ec o m m u n i t y a san e wn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，i ti sb e c o m i n g ah o tr e s e a r c h s p o t o f n e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k h o w e v e r , i ti sf o u n dt h e r ea t es o m ep r o b l e m s h i n d e r i n gl a r g e - s c a l ew i r e l e s sm e s hn e t w o r kd e p l o y m e n ti np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l y i n m u l t i - h o pa s p e c t t h e s ep r o b l e m sr e s u l ti n b a n d w i d t hd e c r e a s i n g ，w i r e l e s si n t e r f e r e n c e ，n e t w o r kl a t e n c ya n ds oo n ， t h u sm a k eb r o a d b a n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s p e r f o r m a n c ed e g r a d e s i n c et h eg o a lo ft h ew i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w i n ) i sa l lt h e t e r m i n a ln o d e sc a na c c e s st h ee x t e r n a ln e t w o r ku l t i m a t e l y , s ow h e na l lt h e n o d e sg e n e r a t ep a c k e t st o w a r d st h en o d ew h i c hc o n n e c t st oa ne x t e r n a l n e t w o r k ，d u et ol i m i t a t i o no ff r e q u e n c yr e s o u r c e s ，b a n d w i d t hc o n s t r a i n e d ， c o n g e s t i o nw i l la r i s e 啪e nt h ev o l u m eo fd a t af u r t h e ri n c r e a s e ，t h e b o t t l e n e c ke f f e c to ft h en e t w o r kw i l lb em o t ee v i d e n t r e s u l t i n gi nc o n f l i c t i n c r e a s i n g ，p a c k e tl o s sr a t er i s i n g ，n e t w o r kt h r o u g h p u tr a p i d l yd e c l i n i n g i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fn e t w o r kp e r f o r m a n c ed e c l i n i n g w h i c hr e s u l tf r o md a t as t r e a m c o n c e n t r a t i n g ， w es t u d i e dt h e m u l t i a n t e n n aw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，t h eb e n e f i to f d e p l o y i n g m u l t i a n t e n n ai st h ea b i l i t yt os e n da n dr e c e i v em u l t id a t ap a c k e t si n p a r a l l e l ，t h e r e b yg r e a t l yi m p r o v en e t w o r kt h r o u g h p u t t oe n a b l e t h e w i r e l e s sm e s hn e t w o r kt a k i n gf u l lu s a g eo fm u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g y , a n da l s ob e c a u s eo f 。a n sm a cl a y e rp r o t o c o l i t s e l fi sn o td e s i g n e df o rm u l t i - h o pc o m m u n i c a t i o n s ，t h u st h ep e r f o r m a n c e o fc u r r e n t8 0 2 1 1 xp r o t o c o lu n d e rt h i sn e t w o r k ，h o wt oi m p r o v e ，o rh o w t o d e s i g n a ne f f i c i e n tm a cl a y e rp r o t o c o l t o i m p r o v e n e t w o r k p e r f o r m a n c eh a v eb e c a m e ak e yi s s u ei nt h i sr e s e a r c h i nt h i sa r t i c l e ，w ea n a l y z e st h ep r e v i o u sw o r ka b o u tm a cl a y e r p r o t o c o l u n d e rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，d i s c u s s e s t h ee x i s t d i s a d v a n t a g e so ft h e s ep r o t o c 0 1 a f t e rt h a t ，w ep r o p o s e dam a c p r o t o c o l w h i c hi sb a s e do ni n d e p e n d e n td a t ac h a n n e la n dc o n t r o lc h a n n e l i tc a n s u p p o r tm i m ol i n kw e l lu n d e rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，a n dc a ng r e a t l y t a k et h ea d v a n t a g e so fs p a t i a lr e u s ew i t hm i m ol i n k t h u s ，i tc a ng r e a t l y e n h a n c et h en e t w o r kt h r o u g h p u t ，a n dd e c r e a s et h en e t w o r kd e l a y k e y w o r d s ： m u l t i - a n t e n n a ， w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，m a c ， m u l t i c h a n n e l ，m i m o ，s d m a n 北京邮电大学硕+ 研究生学位论文目录 目录 摘要i 目录i 第一章：绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究状况2 1 3 本文的研究目的和论文结构3 1 4 小结4 第二章：无线m e s h 网络的研究5 2 1 无线m e s h 网络的起源与发展5 2 2 无线m e s h 网络的结构7 2 2 1 无线网络的拓扑结构7 2 2 2 无线m e s h 网的网络架构8 2 3 无线m e s h 网络的特点9 2 4 无线m e s h 网中的关键技术1 1 2 5 小结1 2 第三章：基于i e e e8 0 2 1 1 的无线m e s h 网络分析1 3 3 1i e e e 8 0 2 1 1 协议1 3 3 1 1 工作模式j 1 4 3 1 2 物理层协议1 4 3 1 3 链路层协议1 5 3 2 基于i e e e8 0 2 1 1 协议的无线m e s h 网络1 7 3 3 基于单信道和多信道的无线m e s h 网络2 l 3 3 小结2 2 第四章：多天线无线m e s h 网络的研究2 3 4 1 多天线技术和m i m o 的原理：2 3 4 1 1 空间分集2 3 4 1 2 空间复用2 4 4 2m i m o 技术在无线m e s h 网络中的应用2 6 4 3m i m o 的使用对于无线m e s h 网络m a c 层的影响2 8 4 48 0 2 1 1 m a c 协议与已提出m a c 协议性能分析2 9 北京邮电大学硕 研究生学位论文目录 4 4 1 传输效率问题2 9 4 4 2 暴露站和隐藏站问题2 9 4 4 3 资源分配问题3 l 4 4 4 同步以及数据传输域效率问题3 2 4 5 基于单信道和多信道考虑的m a c 协议分析3 3 4 6 小结3 4 第五章：基于数据控制信道分离的m a c 层协议研究3 5 5 1 数据控制信道分离m a c 层协议3 5 5 1 1 控制信道的协商机制3 5 5 1 2 信道协商的控制帧帧格式3 6 5 1 3 节点的信道协商处理3 7 5 2 仿真工具简介3 9 5 3 仿真模型的设计4 0 5 3 1n s 2 的基础无线模型4 l 5 3 2 无线模型的m i m o 链路仿真4 2 5 3 3 无线模型的双信道的仿真实现4 2 5 4 仿真环境设定4 4 5 5 仿真结果与分析4 6 5 6 小结5 0 第六章：总结和展望5 1 参考文献5 3 致谢5 5 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 北京邮电大学硕l 研究生学位论文 正文 1 1 研究背景 第一章：绪论 随着网络与无线通信的发展，人们对通信的需求越来越高，迫切要求无线网 络支持各种宽带业务特别是高速i n t e m e t 业务的接入。由此可见，无线宽带接入具 有广阔的发展前景。而无线m e s h 网络( w m n s ) 【1 】的兴起就是该应用需求直接 推动的结果。 目前，远距离无线通信系统大都采用蜂窝电话这种传统方式的无线链路，提 供点到点和点到多点传输，而短距离无线通信系统多数采用使用i e e e8 0 2 1 1 系列 协议的无线局域网。根据美国马萨诸塞州剑桥市的m r r 媒体研究所的研究表明， 传统远距离无线方式不适应高数据率应用，主要原因是结构死板，信号传输质量 不稳定；而短距离无线网络系统w l a n 则存在传输距离短，且需要一个无线接入 节点做为网络核心节点，网络没有冗余设计，a p 节点的瘫痪将导致整个网络的 瘫痪等缺点。为了弥补w i a n 网络的缺点，无中心节点的a dh o c 网络被提出。 a dh o c 网络与传统的基础设施w l a n 相比有两个显著的特点。 a dh o c 网络中，节点问的通信不需要一个中心节点，而是点对点的。并且所 有的节点都兼有路由器和主机的功能，即节点自身会主动的与其它节点通信，同 时也能够为其它节点转发路由的数据包。a d h o c 网络中的节点可以随时加入或离 开网络。当两个需相互通信的节点，由于其信号覆盖范围有限，不能直接通信时， 需要借助中间节点转发，即通过多跳路由实现这两个无彼此无线信号覆盖节点的 数据通信。 当某个路径上的一中继节点失效，或移动至别处导致无线信号的链路状态发 生改变，a dh o c 网络能够将路由切换到另一个可行路径上，从而始终保持网络的 连通。 虽然具有以上特点的a dh o c 网络可以应用于军事、传感器网络及一些临时场 合等，但并不适合应用于为无线提供i n t e m e t 服务的民用通信领域。无线m e s h 网 络就是在a dh o c 网络的基础上提出的适用于提供无线i n t e m e t 服务的无线网络结 构。 无线m e s h 网络与a dh o c 网络相同，都是无线自组织网络，但节点的类型有 北京邮电大学硕_ 上研究生学位论文正文 所不同从节点的移动性来说，a dh o e 网络中的节点通常具有较强的移动性，因 而链路状态不稳定，会随着节点的移动而变化，而无线m e s h 网络中的节点的移 动性较弱，甚至是固定的节点( 比如无线路由器节点) 从节点的类型上来说， a dh o e 节点间没有明显的区别，所有的节点都是平等的，而无线m e s h 网络中的 节点有多种：具有有线回程的网关、普通路由器和同时具有路由功能和主机功能 的节点。从数据流的流向上来说a dh o e 网络中，所有的数据流都是a dh o e 网络 节点问发生的。不同于a dh o e 网络，无线m e s h 网络中大部分数据流都是通向m e s h 网关的。 虽然a dh o e 网络与无线m e s h 网络同属一种类型的网络，但它们之间的不同， 使得a dh o e 网络的研究成果不能直接套用到无线m e s h 网络中去，而是应当根据 无线m e s h 网络的特点，完善a dh o e 网络的研究成果使其更加适合无线m e s h 网络。 1 2 国内外研究状况 无线m e s h 应用于无线接入网是从2 0 0 2 年开始，随着i n t e l 公司的推进以及国外 的m e s h n e t w o r k s 和t r o p o s 等公司产品的推出，m e s h 网络技术开始展示它的生命 力。和w i m a x 常规的点对多点( p m p ) 网络拓扑结构不同，m e s h 网络采取的是先 商业化后制定协议的模式。 在美国，开发无线网状网的公司包括m e s h n e t w o r k s 、t r o p o s 、p r o x i m 、 c o m w a v e n e t w o r k s 、b e l a i r n e t w o r k s 、f i r e t i d e s t r i x s y s t e m s ，a z a l e a 等新兴公司。 老牌公司如北电网络等也开始步入这一领域。无线网状网的首次应用是在社区接 入网中。例如在加州的c e r r i t o s ，采用t r o p o sn e t w o r k s 或g a r l a n d 的设备，由n e x g e n c i t y 建网，所用专用芯片来自m e s h n e t w o r k s 。无线网状网将首先应用于公共安全 和政府部门，以后再用家庭。美国m e s h n e t w o r k s 公司也已经开发了相关的无线硬 件和智能路由软件，其构建的w i r e l e s s m e s h 网络支持诸如手机和笔记本等移动终 端，这些终端可以自由接入或退出网络，当两个或更多终端退出网络范围时，还 可以组成自己的微型网。 二在日本，n a n k o k u 市已经使用w i r e l e s s m e s h 连接了1 3 个小学、4 个中学和1 8 个市政建筑。在芬兰，诺基亚公司推出的无线路由器可以安装在屋顶上，其产品 目前已经获得超过5 0 家运营商的青睐，他们将借此建立以用户为基础的高速无线 网络另外，w i r e l e s s m e s h 、智能天线和u w b 技术的融合更是将深刻影响无宽 带接入的未来 过去几年来，无线网状网的研究在世界各地大量的展开，在国外己经逐步进 入实用阶段。国内的研究人员也对无线网状网进行了初步的研究，但远没有达到 2 北京邮电人学硕士研究生学位论文正文 实用的地步，离世界先进水平还有很大的一段距离。在无线m e s h 网络研发方面， 国内高校以及科研院所等单位目前还在实验室这个层面开展研究，在中国的公司 市场上报道比较少现在在国内比较多的情况是行业用户在部署无线m e s h 网， 应用方案涉及无线城市市政，智能交通，制造及能源，公共安全，军队，医疗 卫生，教育，住宅区及酒店，临时网等，但都以使用国外产品为主导。美国的 s t r i x s y s t e m s ，a z a l e a ，p r o x i m ，m o t o r o l a ，n o r t e l 等都己经介入中国市场，开始 成为无线网状网的提供商。 无线m e s h 网络作为一项作为新的很有前景的无线宽带i n t e r n e t 接入技术，目 前国际和国内对其研究热情正在日益增加，它将是未来无线通信的必备核心技术 之一。 1 3 本文的研究目的和论文结构 由于无线m e s h 网络( w m n ) 的最终目的在于各个结点终端能够接入外部 网络，因此当所有的结点所产生的数据包都发往某个连接外部网络的结点时，由 于频率资源的限制，带宽受限，拥塞就会产生，当数据量进一步加大时网络的瓶 颈效应就会更加明显，冲突加大，丢包率增大，网络吞吐量急速下降。 为了解决以上数据流量汇集而导致的网络性能下降的问题，我们研究了采用 多天线的无线m e s h 网络，这样做的好处在于能够并行的收发数据包，从而极大 的提高网络的吞吐量。为使无线m e s h 网络能够充分的发挥多进多出( m i m o ) 技术，并且由于w l a n 的m a c 层协议本身并不是设计用于实现多跳通信的， 因此已有的8 0 2 1 l x 协议在该网络下的性能、如何改进、或者如何设计一种高效 的m a c 层协议来提高网络性能成为本文研究的关键问题。 全文内容安排如下： 第一章：介绍无线m e s h 网络的研究背景和研究现状。 第二章：介绍无线m e s h 网络的研究。包括：m e s h 网络结构、网络关键技术、 网络特点，以及多跳m e s h 网络的分析。 第三章：介绍了基于8 0 2 1 1 的无线m e s h 网络的实现以及存在的问题。包括 m a c 层协议、路由协议的实现。 第四章：多天线无线m e s h 网络的研究。结合已有协议和已提出的m a c 层协 议讨论其优劣，并分析存在的问题和需要解决的难题。 第五章：和模拟仿真。这里将提出一种灵活的m a c 层协议以适应多天线网络 的特性，从而提高网络的性能。本章通过仿真结果对比已有8 0 2 1 l 标准中的m a c 层协议与本文提出的m a c 层协议的优劣。 3 北京邮电人学硕士研究生学位论文正文 第六章：对本文的研究成果进行总结，展望未来 1 4 小结 本结介绍了无线m e s h 网络的研究背景，其最终目的在于各个结点终端能够 接入外部网络，并实现最大的吞吐量。为此我们采用了多天线技术，发挥多迸多 出( m i m o ) 技术的优势，实现网络的吞吐量的最大化，由于采用多天线，传统 的m a c 层协议就不能充分的发挥多天线的优势，这是本文的研究重点。 4 北京邮电大学硕七研究生学位论文 ， 正文 第二章：无线m e s h 网络的研究 2 1 无线m e s h 网络的起源与发展 2 0 0 0 年初，美国l t t 公司将其为美国军方研发的战术移动通信系统的一些专 利转让给了m e s h n e t w o r k s 公司，该公司借此开发了一系列具有自主知识产品的无 线多跳网络民用产品一无线m e s h 网络全套技术产品并在市场上获得了极大的成 功与此同时， n o k i a ，n o r t e l ，t r o p o s ，s k y p o l i t ，r a d i a n t n e t w o r k s 和f i r e t i d e 等多 家公司开发的无线m e s h 网络产品相继问世从此无线m e s h 网络进入了飞速发展 的时期，同时也给移动a dh o c 网络本身的发展注入了新的活力其间，摩托罗拉 公司极为关注m e s h n e t w o r k s 公司的发展，于2 0 0 5 年成功将其收购 无线网状网( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 是一种新型的无线宽带网络， 它融合了无线局域网和a dh o e 网络的优势，扩大了无线局域网的覆盖范围，且 具有a dh o c 网的组网灵活性强、支持移动性、易于迅速展开、系统整体抗毁能力 强的特点。是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，成为无线宽带接入的一 种有效手段。无线网状网应用极其广泛，可以应用于偏远地区的宽带接入、网络 语音通讯，政府机构、学校、企事业单位的无线宽带接入，远程医疗、安全监控、 交通监测、数字城市、军队战场通讯系统等各个方面。m e s h 技术最早由美国军 方斥资近$ 3 亿研发而成，应用于波斯湾和海湾战争的作战通信指挥系统，9 h 后 转为民用。该技术被美国( t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ) 杂志评选为2 0 0 4 年十大热门通 信技术之一。据国外权威机构预测，美国的w i r e l e s sm e s h 市场将在2 0 0 9 年超过3 5 亿美元，中国市场也将在最近几年中迅速达到1 6 亿元人民币的规模。 2 0 0 9 年，将注定是无线网络技术最热的年份，继最新最快的无线局域网标准 8 0 2 1 1 n 在今年9 月份正式定案。而又一新的无线网技术的标准也在制定中，它就 是“无线网状网”。i e e e 的一个工作小组正在推进8 0 2 1 l s 网状网络标准制定，而 且最后准备就绪，该标准也可能在明年获批准。8 0 2 1 1 s 提议已得到工作组的批准， 目前正在收集意见和建议。该项目的进展比计划要快，与其它8 0 2 1 l $ 1 j 定过程不 同，网状网络技术的标准批准过程相对单纯了许多，可能在一年内完成。 上述标准得到批准之后，将会使网状网络的概念无处不在。在8 0 2 1 1 s 标准最 5 北京邮电大学硕十研究生学位论文正文 终批准后，需求将会随之大增，并很快成为主流。基于网状网的产品将包括从市 区w i f i 到自行配置的无线家庭娱乐和电脑网络。如果w i f i 热点被“织起来”就会 成为一张强大的互联互通的大网无线网状网利用无线宽带接入，可覆盖校园、 市区或整个城市支持网状网的接入点不仅可以向用户提供w i f i ，而且可以充 当网络中其它接入点的路由器或中继器。结果是将产生自我生成、自我愈合的无 线宽带网，从而可以降低回程、开发和系统的工程成本。 无线m e s h 网络( w m n ，w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ) 出现的时间并不长，它的出现 是应用需求直接推动的结果与无线m e s h 网络最密切相关的技术有w l a n 和无线 宽带接入网技术在详细介绍无线m e s h 网络之前，我们有必要对目前蜂窝移动网 络，w l a n ，移动a dh o c 这三种网络作以了解，从而更好地认识无线m e s h 网络 与这三种网络的区别： 1 1 蜂窝移动通信网络 无线m e s h 网络区别与蜂窝移动通信网络的主要有以下几点： 可靠性提高，自愈性强 在无线m e s h 网络中，链路为网状结构，如果其中的某一条链路出现故障， 节点可以自动转向其他可接入的链路，因而对网络的可靠性有较好的保障，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 从传输速率角度来看，在采用无线m e s h 网络技术的网络中，理论上速率可 以达到5 4 m b i t s ，甚至更高当目前的移动通信系统过渡至1 3 g 的技术，其理论传输 速率 在高速移动环境中仅支持1 4 4 k b i t s ，步行慢移动环境中支持3 8 4 k b i t s ，即使 是在静止状态下才达至a 2 m b i t s 。 投资成本降低 从投资角度来看，无线m e s h 网络大大节省了骨干网络的建设成本，但是蜂 窝移动通信系统它适用于人口密集，有永久业务需求的地区，基站建设和维护费 用较高。 网络配置和维护更简便快捷 在无线m e s h 网络中，网络的配置更方便，基础设备易于安装和维护，无须 象蜂窝移动通信系统那样需要去维护建设基站，另外网络的扩展也比较方便，只 需要增加一些必要的小型设备即可 2 ) 无线局域网( w l a n ) 无线m e s h 网络与w l a n 的主要区别在于无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l 6 北京邮电丈学硕：上研究生学位论文正文 a r e an e t w o r k s ) 的发展目前已经进入技术成熟期，它有效延伸了因特网的覆盖范 围，赋予了用户一定的移动性，技术标准采用i e e e 8 0 2 1 l a b 8 ，w l a n 在技术上 的缺陷是很明显的，它无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖，从拓扑结 构上来看，w l a n 是典型的点对多点( p 2 m p ) 网络，而且采取单跳的方式，数据 不可以转发，w l a n 可在较小的范围内提供高速数据服务( 8 0 2 1 l b 可达l l m b i t s ， 8 0 2 1 l a 可达5 4 m b i t s ) ，但是由于典型情况下w i a n 接入点的覆盖范围仅限于几百 米，因此如果想在大范围内应用w l a n 的这种高速率服务模式，成本非常高昂 而且对于无线m e s h 网络，则可以通过无线路由器对数据进行智能转发，从而把 接入点服务的覆盖范围延伸到几公里远，无线m e s h 网络的显著特点就是可以在 大范围内实现高速通信。 3 ) 移动a d h o e 提到无线m e s h 网络，我们不得不提到无线局域网和移动a dh o e 网络。无线 m e s h 网络与移动a dh o e 网络很相似，可以把w m n 看成是移动a dh o e 网络技术 的另一个版本，或移动a dh o e 的特例，但两者仍然存在些各自的特点。 无线m e s h 网与同样采用多跳方式的移动a dh o e 网也有所区别。a dh o c 网是 由移动节点组成的无线分布式多跳网络，其中一般不包含静止的节点或设备，而 无线m e s h 网中的节点一般是静止的，由于节点的移动性， a dh o e 网络的拓扑结 构处于不定状态，而无线m e s h 网的拓扑结构只在出现链路干扰、节点加入或退 出时才发生变化，这种改变相对比较缓慢。另外一个重要的不同之处是两者的设 计目的不一样，移动a dh o e 网的设计目的是实现用户节点之间的交互通信，而 无线m e s h 网着重的是用户节点的接入功能。 2 2 无线m e s h 网络的结构 2 2 1 无线网络的拓扑结构 无线网络的拓扑结构分为以下三种： 1 ) 点到点的拓扑结构( p 2 p ) 在点到点结构中，一般应用于无线网桥，主要用做骨干无线链路的连接。 2 l 点到多点的拓扑结构( p 2 m p ) 在点到多点结构中，一般都有一个中心节点与骨干网直接相连，i ：t 女n 移动通 信系统中的基站、无线局域网中的妙，而其他用户节点均与中心节点相连。中心 节点负责控制各用户节点的接入和提供到骨干网的网络接口，功能上远较用户节 7 北京邮电大学硕上研究生学位论文 正文 点复杂，成本也比较高昂如下图2 - i 所示。 3 ) 多点到多点的拓扑结构( m p 2 m p ) 多点到多点( m p m p ) 结构称为无线m e s h 网采用网状结构，各用户节点可以通 过相邻的其他用户节点，以多跳方式实现到骨干网的连接。新用户可以通过它周 围的其他用户节点很方便地接入到网络中由于在网络扩展时，不再需要中心节 点，无线m e s h 网可以极大地减少整个网络的建设成本。 点到点 p ? ? 毽 点到多点 图2 - 1 无线网络拓扑结构 2 2 2 无线m e s h 网的网络架构 咿、，桐 ，1 ， i 故太 u 多点到多点 传统的无线接入网中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑 结构中一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、8 0 2 1 l w l a n 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，控制各 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 相连，提供到骨干网的连接。而在无线m e s h 网络中，采用网状m e s h 拓扑结构， 也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种m e s h 网络结构中，各网络节 点通过相邻的其他网络节点以无线多跳方式相连。 无线m e s h 网主要由两种网络节点组成：m e s h 路由器和m e s h 终端。m e s h 路 由器除了具有传统的无线路由器的网关中继功能外，还具有支持m e s h 网络互连 的路由功能。m e s h 路由器通常具有多个无线接口，这些无线接口可以是基于相 同的无线接入技术构建，也可以是基于不同的无线接入技术。与传统的无线路由 器相比，无线m e s h 路由器可以通过无线多跳通信，以低得多的发射功率获得同 样的无线覆盖范围。在无线m e s h 网络中，由m e s h 路由器互连构成无线骨干网， 这个无线骨干网再通过其中的网关m e s h 路由器与外部网络如i n t e r a c t 相连。m e s h 终端也具有一定的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功 能。通常，m e s h 终端通常只具有一个无线接口，实现复杂度远小于m e s h 路由 8 北京邮电大学硕十研究生学位论文正文 器。m e s h 终端可以是笔记本电脑、掌上电脑、p d a 以及手机等终端设备。m e s h 终端之间互连可以构成一个小型对等通信网络。 无线m e s h 网络一般是由下列组成部分构成：接入点( i a p a p ) ；无线路由器 似r ) ，客户设备( c l i e n t ) 。在无线m e s h 网络中，任何无线设备节点都可以发送和 接收信号，和路由器一样，可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。如笔记 本电脑或者掌上电脑等移动终端设备在装有m e s h 芯片之后，就可以作为路由器 或中继器。 2 3 无线m e s h 网络的特点 与传统的无线接入技术相比，无线m e s h 网络具有一些新的特点： 1 1 无线多跳 无线m e s h 网技术开发的目标是在不牺牲信道容量的情况下，扩展现有无线 网络的覆盖范围。另一个目标是在不具有直接视距无线链路的用户之间，提供非 视距连接。为了实现这些目标，不可避免的要采用多跳m e s h 网络。多跳m e s h 网络架构中，无线链路问更短、发射功率更小、节点问干扰更少和频率重用效率 更高，这样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。无线m e s h 网 通过降低无线节点的发射功率，实现了节点间的多跳传输，既可以有效降低节点 能耗，又降低了节点间的干扰，提高了无线信道的空间复用度，从而提高了网络 的容量。目前最先进的无线m e s h 设备可以支持5 1 0 跳。因此为无线城域网的建 设提供了可能。 2 ) 频谱效率 频谱效率是指每m h z 频带、每平方千米覆盖区域上系统传输的总业务量( 速 率) 。频谱效率受调制技术、多址技术和频率复用技术的影响。在无线m e s h 网中， 用户节点和邻近节点路径很短，其发射功率只要能满足该路径承载的业务q o s 要求即可，对其他用户节点造成的干扰很小。这意味着同一个频段几乎可以在无 线m e s h 网中无限制地重复使用。而在传统p m p 系统中，为避免基站问的干扰， 同一个频段必须间隔若干小区才可以重新使用，因此，无线m e s h 网可以获得更 高的频谱效率。 3 1 系统容量 系统容量是指在频带大小固定的情况下，每平方千米覆盖区域上系统提供给 用户的平均业务量。无线m e s h 网的系统容量需要综合考虑频谱效率、网络拓扑 和网关节点数目等多种因素的影响。首先，在无线m e s h 网中，由于用户业务是 以多跳方式接入到骨干网，系统带宽的一部分将被用来传递中继业务量，从而减 9 北京邮电人学硕上研究生学位论文 正文 少了最终提供给用户的业务量。通过增加网关节点也可以扩充无线m e s h 网的系 统容量。采用定向天线时，无线m e s h 网的容量可以达到同等条件( 覆盖范围、工 作频段等_ ) 下p m p 系统的1 0 - 5 0 倍 4 ) 覆盖率 在无线m e s h 网中，由于节点间距很短，每个节点只需保持较低的发射功率 就可以建立连接，这就意味着用户的加入像无线局域网那样受发射功率的影响； 同时，较短的节点间距也意味着传输受到障碍物阻挡的可能性降低，便于采用视 距或准视距传输。因此，无线m e s h 网能够提供很高的覆盖率，基于欧洲某城市 的仿真表明，每平方千米只需要两个用户节点就能够保证整个城市的覆盖率达到 9 0 。 5 ) 可靠性 传统的p m p 系统的基站负责控制一个小区内所有用户站节点的接人，一旦 发生故障，那么该小区内的所有用户节点都无法继续工作。在无线m e s h 网中， 每个用户节点存在多条路径与其他网关节点相连，某个网关或用户节点即使发生 故障，用户节点也可以通过其他节点实现接人。因此，无线m e s h 网具有很高的 可靠性，可以应用在一些特殊领域，如军事、工业控制等。 6 ) 支持a dh o c 方式网络互连，具有自组织、自组织，自修复能力 无线网状网组网方式灵活，易于配置，可自我修复，节点呈网状分布，网络 扩展性很强，可实现多点到多点的无线通信。网络结构灵活、易于部署和配置、 容错以及网状连接多点到多点通信等特点，使得无线m e s h 网的初始部署成本相 当低，并且可以根据需要逐步扩容。自组织自愈能力使得无线m e s h 网不需要网 络管理员来手工配置网络，而可以自动发现新节点，自动完成配置过程，自动维 护网络正常运行，在出现节点链路故障时也可自动调整完成网络自愈。 7 1 多种类型的网络接入方式 在无线m e s h 网中，既支持无线终端接入骨干网，又支持无线终端之间的对 等网络通信。此外，把无线m e s h 网技术与其他无线网络相结合，可以通过无线 m e s h 网给这些无线网络的终端用户提供无线接入业务。 8 1 兼容性与互操作性 与现存的无线网络兼容良好，互操作性强。 9 1 拓扑结构的相对稳定 a dh o c 网络中，由于终端用户的移动性和不可靠性，网络拓扑和连接的变化 较大，使得路由协议和网络配置和部署带来了很大的挑战。无线m e s h 网中，m e s h 路由器一般是静止不动设备且较用户终端可靠的多 1 0 ) x 叻耗限制减少 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文 正文 无线m e s h 网络中，m e s h