（通信与信息系统专业论文）无线mesh网络路由技术研究(1).pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 无线m e s h 网络不仅可以看成是w l a n ( 无线局域网) 与移动a dh o e 网络的 融合，也可看成是因特网的一种无线版本。无线m e s h 网络具有高速率、易组网、 成本低、性能稳定等优势，且可以实现多种异构无线网络的互联。路由协议是无 线m e s h 网络最重要的关键技术之一，提供高质量高效率通信的路由协议是确保网 络正确运行的关键。因此，研究与开发适合无线m e s h 网络的路由协议在理论和实 际应用中都具有重要意义。论文的主要内容包括： 1 ) 按照路由技术的发展历史，依次分析了因特网路由、a dh o e 网络路由和无 线m e s h 网络路由的特点和异同，并重点总结了多径路由技术的发展、优点、关键 问题。多径路由技术可以用于网络的负载均衡，路由容错以及带宽提高。 2 ) 借鉴o s p f ( o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 路由协议，设计一种适合某无线通 信系统的路由方案，该无线通信系统是一种客户端结构的无线m e s h 网络。该方案 根据网络的具体特点，从工程实现角度，将路由功能划分为l s d b ( l i n ks t a t e d a t a b a s e 链路状态数据库) 维护、d i j k s t m 路由计算和数据包转发三部分，三部分 分别在a r m l 、a r m 2 、f p g a 中实现。在方案实现上，又将路由细分为几个模块， 并对关键的d i j k s t r a 路由计算模块的实现进行了仿真测试，验证了模块实现的正确 性。 3 ) 以多接口无线m e s h 网络为背景，对8 0 2 1 l s 草案中提出的h w m p ( h y b r i d w i r e l e s sm e s hp r o t o c 0 1 ) 协议进行了两方面的改进。第一，将h w m p 中的按需路 由a o d v ( a dh o eo nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g ) 扩展为多路径路由协议 - 】r - a o d v - d m ( d e c o u p l e dm u l t i p a t h sa o d vi nm u l t i r a d i ow m n ) 。 m r a o d v - d m 利用多径路由提高端到端带宽，借鉴了a o d v - d m 算法寻找干扰 不相交多径。并指出a o d v - d m 算法较难找到多径和多条路径在源节点和目的节 点仍需竞争信道的问题。m r a o d v - d m 解决了a o d v - d m 的两个问题，仿真结 果表明，m r - a o d v i d m 多径路由算法在网络整体负载较轻时能够成倍提高端到端 吞吐量。第二，将h w m p 中的路由判据改进为带有负载均衡功能的期望传输次数 判据佃e t x ( 改进期望传输次数) 。m e t x 能够自动感知网络拥塞状况，新建 路径时避开拥塞节点。仿真结果表明，m e t x 在网络负载较重时能有效提高网络 的吞吐量。 关键词：无线m e s h 网络，d i j k s t r a 算法，多接口，多径路由，路由判据 重庆大学硕士学位论文英文摘要 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 ) n o tn o l yc a l lb ec o n s i d e r e da sa l li n t e g r a t i o no f 、觇a na n dw i r e l e s sa dh o en e t w o r k , b u ta l s oc a l lb ec o n s i d e r e d 嬲aw i r e l e s sv e r s i o n o ft h ei n t e r n e t w m nh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs p e e d ，e a s yc o n f i g u r a t i o n , l o w p r i c ea n ds t a b l ep e r f o r m a n c e i na d d i t i o n , h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k sc a l lb e i n t e r c o n n e c t e dv i am e s hn e t w o r k r o u t i n gp r o t o c o li so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n t h e w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s i n c eah i g h - e f f i c i e n c yr o u t i n gp r o t o c o lc o u l dg u a r a n t e e b e t t e rs e r v i c e ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs u i t a b l er o u t i n gp r o t o c o l sf o rw i r e l e s s m e s hn e t w o r ka c c o r d i n gt oi t so w nc h a r a c t e r i s t i c sh a s v i t a lt h e o r ya n dp r a c t i c em e a n i n g t h i sd i s s e r t a t i o n sm a j o rw o r ki ss h o w e d 嬲f o l l o w ： 1 ) a c c o r d d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fr o u t i n gt e c h n o l o g y , i n t e r a c tr o u t i n g ，a dh o e n e t w o r kr o u t i n ga n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r kr o u t i n ga r ei n t r o d u c e di nt u r n m o r e o v e r , t h ed e v e l o p m e n t s ，a d v a n t a g e sa n dk e yi s s u e so fm u l t i p a t h sr o u t i n gt e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e di nd e t a i l m u l t i p a t h st e c h n o l o g yc o u l db eu s e di nt h en e t w o r kl o a db a l a n c i n g ， r o u t i n ge r r o r - t o l e r a n c ea n db a n d w i d t he n h a n c e m e n t 2 ) ar o u t i n gd e s i g ns c h e m ei sp r o p o s e dw h i c hi ss u i t a b l ef o raw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m i sac l i e n tw m n a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r ka n de n g i n e r r i n gi m p l e m e n t a r y c u s t o m ，t h er o u t i n gi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t sw h i c ha r el s d bm a i n t e n a n c e ，d i j k s t r a r o u t i n gc a l c u l a t i o na n dp a c k e t sf o r w a r d i n g t h e s ep a r t sa r ei m p l e m e n t e do na r m l ， a r m 2a n df p g a i nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h es c h e m e ，r o u t i n gi sd i v i d e di n t os e v e r a l m o d u l e s t h ed i j k s t r ar o u t i n gc a l c u l a t i o nm o d u l ei ss i m u l a t e da n dt e s t e dt ov e r i f yt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h em o d u l e 3 ) o nt h eb a c k g r o u n d o fm 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 ，t w o i m p r o v e m e n t sa r em a d eo nt h eh w m pp r o t o c o lw h i c hi sp r o p o s e di nt h ed r a f to f 8 0 2 1 ls o nt h eo n eh a n d ，e x t e n d i n gt h e0 1 1 一d e m a n dr o u t i n ga o d vi nh w m pt o m u l t i p a t h sr o u t i n gp r o t o c o l m r - a o d v d m m r - a o d v - d mu t i l i z e sm u l t i p a t h s r o u t i n gt og n h a n c ee n d - t o - e n db a n d w i d t h ，s e a r c h e si n t e r f e r e n c ed i s j o i n tm u l t i p a t h s w h i c hr e f e rt oa o d v - d ma l g o r i t h m t w op r o b l e m si na o d v - d ma l g o r i t h ma r e p o i n t e do u tt h a tt h ea o d v - d ma l g o r i t h mi sd i f f i c u l tt of m dm u l t i p a t h sa n dm u l t i p a t h s s t i l lc o m p e t ef o rt h ec h a n n e li nt h es o u r c en o d ea n dd e s t i n a t i o nn o d e m r - a o d v - d m s o l v e dt h e s ep r o b l e m s 。s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm r - a o d v - d mc a ne n h a n c e 重壅奎兰堡主堂垡笙壅 茎奎垫垩 e n d - t o e n dt h r o u g h p u tm u l t i p l yw h e nt h en e t w o r k sw h o l el o a di ss l i g h t o nt h eo t h e r h a n d ，t h er o u t i n gm e t r i ci nh w m pi si m p r o v e dt o r n e t xw h i c hc o m b i n e sl o a d b a l a n c i n gi ne t x t h em e t xb ea b l e t oa u t o m a t i cs e n s i n gn e t w o r k sc o n g e s t i o n s i t u a t i o n , a n de s t a b l i s hn e wp a t h sa v o i d i n gt h ec o n g e s t e dz o n e t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tm e t xc o u l di n c r e a s et h en e t w o r kt h r o u g h p u te f f e c t i v e l yw h e nt h en e t w o r k s u f f e r e di nh e a v yl o a d k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k , d i j k s t r aa l g o r i t h m ，m u l t i r a d i o ，m u l t i p a t h s r o u t i n g ，r o u t i n gm e t r i c i i i 学位论文独创性声明 本人 声明所 呈交 的塑士 学位 论文 孟盛丛型k 盈主生迄垒鐾盖缉宣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。与我- 厦 - r 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。 学位论文作者签名：梅谥多k 签字日期：沙一7 争钢2 日 签字日期： 2 ，7 舌2 ， 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的銎学位论文：酗厶鱼皱圈链跷堕盔墨l j 衄宪提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：答逸 导师签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书兰陋装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景 无论从什么角度看，无线通信都是通信产业中发展最快的一部分t 1 1 。正因为如 此，无线通信受到媒体的普遍关注，公众对它充满了期待。在过去的1 0 年中，蜂 窝系统经历了指数性的快速增长，全球用户数已达2 0 亿，蜂窝电话已成为工作和 生活中不可或缺的工具。许多家庭、商务区和校园已经开通了无线局域网，它正 在补充甚至替代有线网络。无线传感器网络、自动化高速公路、自动化工厂、智 能家居、智能家电、远程医疗等新的应用正在从研究设想变为现实。 然而，随着蜂窝移动通信系统、w l a n 、移动a dh o e 网络等技术的发展，其 局限性也在实际应用中日益体现。蜂窝移动通信系统在应用上有它的局限性，从 投资收益角度看，它只适合于人口稠密，有永久用户业务需求的地区；w l a n 尽 管已经进入技术成熟期，有效延伸了因特网的覆盖范围并赋予了用户一定的移动 性，但是客观的说，w l a n 的商业化进程在很多地区并不是很成功，而且w l a n 在技术上也存在缺陷，w l a n 无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖；移 动a dh o e 网络由于其应用环境和技术成本等原因，也并不适合直接应用到民用通 信领域。于是人们把目光转向了另一种网络结构：无线网状网( w i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ：删) ，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。 m e s h 架构是下一代无线互联网络的核心组网架构，是未来无线通信融合的关 键技术之一【2 】。无线m e s h 网络技术主要用于解决较大区域内的大规模无线互联， 增强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的无线接入、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 hw i f i ( i e e e 8 0 2 1 l s ) 、w i m a x 以及典型的无线 传感器网络( i e e e s 0 2 。1 5 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 ( 3 无线移动通信系统的主要组网方式之一，是国家十一五“新一代宽带无线移动通 信网”重大专项以及i m ta d v a n c e d 重大项目的重点支持方向。 无线m e s h 网络由网状分布的无线节点构成，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，能够将传 统无线网络( 如w l a n ) 中孤立的无线“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，无线m e s h 网络具有动态扩展，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，无线m e s h 网络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 、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 n o r t e l 、m o t o r o l a 和i n t e l 都纷纷推出自己的无线m e s h 网络产品，其目标定位在 解决目前基于8 0 2 i ia b g 的单个节点的无线接入覆盖问题。典型的系统如m e s h w i f i 等目前已经得到较快的发展和应用，开始应用于区域覆盖和图像监控等；而 基于w i m a x 的m e s h 网络正在得到进步研究和发展，将在全球大规模地应用于 构建“无线数字城市”。 1 2 课题研究目的与意义 无线m e s h 网络作为一种新型的应用网络，因其自身优势在家庭、企业和公共 场所等诸多领域均有广阔的应用前景。然而要成功的实现无线m e s h 产品并最终组 成高效实用的网络，尚有一系列的关键技术问题需要解决。从通信网络分层的思 想来看，各层最关键的技术问题主要有：物理层的天线技术，由于每个节点必须 和各个方向上的多个节点通信，简单地采用全向天线覆盖范围有限，并会带来干 扰，导致频谱利用率下降，网络容量减小，所以需要研制适合无线m e s h 网络的新 型天线技术；m a c 层( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 的资源管理技术，宽带无线接入系 统的频谱资源有限，因此必须使信道资源尽可能被充分利用，目前各种标准组织 和国内外研究机构对m a c 层的研究主要集中在如何提高系统容量，吞吐量以及公 平性等方面；网络层的路由技术，路由协议是影响网络性能的一个重要因素，高 质量高效率的路由协议是确保网络高效正确运行的关键。本文即以无线m e s h 网络 的路由技术为研究对象，旨在提出高效的适用于无线m e s h 网络的路由协议。 无线m e s h 网络路由协议借鉴了近年来对a dh o c 网络路由的研究成剁3 1 ，但由 于a dh o c 网络路由协议的目标一般是为了适应快速变化的多跳拓扑【4 】，并以最短 跳数为准则，而无线m e s h 网络的性能需求主要是在网络吞吐量和q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保障方面，因此必须有针对性的设计新的路由协议。在无线m e s h 网络路 由协议的设计上，一般考虑路由判据、负载均衡、多径路由、跨层路由、路由容 错、q o s 保证等方面的问题。其中如何设计适用于无线m e s h 网络的路由判据，而 不是直接以最短跳数为准则，是无线m e s h 网络的路由协议的关键问题之一。 利用多径路由技术，在多条路径上同时传输数据，可以提高网络端到端吞吐 量。但多条路径间如果距离过近而存在干扰，将导致端到端吞吐量无法有效提高。 为了降低节点间干扰提高m e s h 网络的容量，一些研究者提出了多接口【l 儿5 】 ( m u l t i - r a d i o s ) 无线m e s h 网络的概念，多接口无线m e s h 网络中每个节点配备有 多个接口，每个接口都具有完整的物理层和介质访问控制层，独立工作互不影响。 通过给每个接口分配频率( 信道) 可以使同一无线冲突域内的节点对可以在不同 的信道上同时传输而不发生冲突，从而降低网络干扰并提高网络的吞吐量。利用 多接口技术降低网络干扰的优点，设计多径路由算法来提高网络吞吐量变的有实 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 际意义。 1 3 论文的主要内容和章节安排 针对某无线m e s h 网络的实际需求，设计一种适合该网络的路由协议和具体实 现方案。并在实际系统设计的基础上进行理论提升，以多接口无线m e s h 网络为背 景，对8 0 2 1 l s 草案中提出的h w m p 协议进行改进。 ( 1 ) 针对某客户端类型的宽带无线m e s h 网络，设计以o s p f 为基础的路由 协议。该协议通过“呼叫协议”来建立与邻居节点的连接关系，并以此建立网络的 l s d b ( l i n ks t a t ed a t a b a s e ) ，用“可靠泛洪”实现全网l s d b 的统一，然后根据l s d b 数据用d i j k s t m 算法计算最佳路由，除此外节点通过周期性的发送链路状态请求来 维护、更新本地l s d b 。 ( 2 ) 以多接口无线m e s h 网络为背景，从两方面对h w m p 协议进行改进。一 方面将h w m p 中的按需路由a o d v 扩展为多路径路由协议郴a o d v d m 。 m r a o d v 二d m 利用多径路由提高端到端带宽，借鉴了a o d v - d m 算法寻找干扰 不相交多径，指出a o d v - d m 算法较难找到多径和多条路径在源节点和目的节点 仍需竞争信道的问题，另一方面将h w m p 中的路由判据改进为带有负载均衡功能 的期望传输次数判据- m e t x 。m e t x 能够自动感知网络拥塞状况，新建路径时 避开拥塞节点，并对m r - a o d v i d m 算法和m e t x 判据进行了仿真。 论文的章节安排如下： 第一章：主要介绍本课题的研究背景，阐明研究意义及研究内容。 第二章：具体介绍无线m e s h 网络的概念、结构、特点及其与wl a n 和a dh o c 网络的区别，并总结无线m e s h 网络的研究和商用化进展。 第三章：按照路由技术的发展历史，依次介绍因特网路由、a dh o c 网络路由 和无线m e s h 网络路由，并重点分析多径路由技术的发展、优点、关键问题。 第四章：借鉴o s p f 路由协议，设计一种适合某无线m e s h 网络的路由方案， 并对关键算法所对应的模块进行仿真测试，验证模块实现的正确性。 第五章：将h w m p 路由协议进行两方面改进i 一是将h w m p 中的按需路由 a o d v 扩展为多路径路由协议郴a o d v - d m ；二是将h w m p 中的路由判据 改进为带有负载均衡功能的期望传输次数判据仰e t x 。 第六章：总结全文，阐述未来还需进行的改进工作和努力方向。 3 重庆大学硕士学位论文2 无线m e s h 网络 2 无线m e s h 网络 2 1 无线m e s h 网络概述 无线m e s h 网络不仅可以看成是w l a n 与移动a dh o e 网络的融合，也可看成 是因特网的一种无线版本【2 】。无线m e s h 网络由网状分布的无线节点构成，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问的互通和到核心网络基 础设施的接入，能够将传统无线网络中孤立的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的 无线“热区”。 无线m e s h 网络一般由两种节点构成【3 】：即m e s h 路由器( m e s hr o u t e r ：m r ) 和m e s h 客户端( m e s hc l i e n t ：m c ) 。m e s h 路由器除了具有传统无线路由器的网关 中继功能外，还支持m e s h 网络互联的路由功能。m e s h 路由器通常具有多个无线 接口，这些无线接口可以基于相同的无线接入技术构建，也可以基于不同的无线 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， 以更低的发射功率获得同样的无线覆盖范围。m e s h 终端也具有一定的m e s h 网络 互联和分组转发功能，但是一般不具有网关桥接功能。通常，终端只具有一个无 线接口，实现复杂度远小于m e s h 路由器。 2 1 1 无线m e s h 网络体系结构分类 按照体系结构划分，无线m e s h 网络可以分为三种，分别为：骨干网结构、客 户端结构和混合结构【3 j 。 骨干网结构 在无线m e s h 网络骨干网结构中，网络中的m r 互连构成骨干网络，如图2 1 所示。这些m r 可以分为两种：一种具有网关功能，如图2 1 中的m e s hr o u t e r 、) l ，i n l g a t e w a y b r i d g e ，负责连接终端节点，实现终端节点的网络接入，并能实现不同标 准通信子网之间的互联，如无线局域网，传感器网络，蜂窝通信网等，同时还负 责连接i n t e r n e t 网络，使网络节点能够访问i n t e m e t 资源；另一种不具备网关功能， 只负责数据的转发，如图2 1 中的普通m r 节点。 这种骨干网结构的无线m e s h 网络是目前应用较为广泛的一种体系结构，m r 一般被部署在屋顶或者较高建筑物上，其射频器件一般分为两类，其中发送半径 较短的射频器件用于与终端用户连接；发送半径较大的射频器件( 如方向天线) 用于骨干节点之间的数据传输。 4 重庆丈学硕士学位论文 2 无线m e s h 呵络 ：竺 ：= ： 蹦2 l 无线m e s h 网络骨干阿结构 f i g u r e 2i n f r a s t r u c 岫b a c k b o n e w m n s 客户端结构 客户端结构的无线m e s h 网络l ； 】对等的终端节点组成，如图2 2 所示。在该网 络中t 节点通过自组织、自配置方式纽网，为终端用户提供端到端的服务。因此 在这种结构中，是不需要h m 的。 在客户端结构的无线m e s h 网络中，当源节点发送数据包给目的节点时数据 包通过多跳方式传送，中间节点负责路由和数据的转发其功能相当于路由器。 可以说，这种组嗣结构实际上等同于a d h o c 网络，但在移动性上仍有所不同。 图2 , 2 无线m e s h 网络客户端结构 f i g u r e 22 c l i e n t w m n s 混合结构 如图2 3 所示，混合结构的无线m e s h 网络是骨干网结构和客户端结构的有机 重庆大学硕士学位论文 2 无线m e s h 网络 结合。m c 既可以通过m r 实现网络接入，也可以通过其它m c 多跳转发实现接入。 混合结构的无线m e s h 网络拥有更广的应用范围和更好的适应性，比如在紧急 救援行动中救援人员既可以用随身携带的m c 临时组网，相互之间进行通信， 又能够及时地将救援行动中的重要数据通过i n t e r n e t 发送到总部。 lr c f n 、l r h i c “ 图2 3 无线m e s h 网络混合结构 f i g u r e2 3h y b r i dv c ”m n s 2 1 2 多接口无线m e s h 网络 对于无线m e s h 网络来说，节点间的干扰会使网络的传输性能严重降级。为了 降低节点问干扰，提高m e s h 网络的容量，一些研究者提出了多接口无线m e s h 网 络的概念，即每个节点都配备有多个接口，每个接口都具有完整的物理层和介质 访问控制层，独立工作互不影响。通过给每个接口分配信道可以使同一无线冲突 域内的节点对可以在不同的信道上同时传输而不发生冲突，从而降低网络干扰并 提高网络的吞吐量。 但是在有限的频谱带宽内，可用信道的数量是有限的，i e e e8 0 21 l b g 和 8 0 21 1 a 分别提供了3 和1 2 个非重叠信道。有限的信道资源会使一些逻辑链路在可 选择的拓扑条件下复用同。个信道，例如图2 4 中逻辑链路( 口，d ) 和k g ) 同时使用 信道1 。此外，每个路出器的接口数也是有限的，这会造成同一路由器的些无线 链路共享同一个接口来发送和接收数据，且共享同一个接口的2 个逻辑链路不能 同时工作，例如图2 , 4 中逻辑链路( e ，h ) 和( e ，f ) 共享同个接口以维持网络连接。 无线m e s h 网络引入多接口技术后，降低了网络节点间的干扰，但是也没有完 全消除节点日j 干扰，这个特性是本文进行多接口无线m e s h 网络多路径路由算法设 重庆大学硕士学位论文2 无线m e s h 网络 计的基础和重要依据。 圈2 4 多接口无线m e s h 阿络 f i g u r e 2 4m u l t i r a d i o w m n s 2 2 无线m e s h 网络的特点及与其它网络的异同 无线m e s h 网络主要有以下特点 2 1 1 3 j 1 7 1 ： 多跳无线嘲络。在不牺牲信道容量的情况下，扩展当前无线网络的覆盖范 围是w m n 最重要的目标之一。w m n 的另一个目标是为处于非视距范围的用户提 供非枕距连接。通过m e s h 网络连接，只需要短距离链路，经受较少的干扰就可以 为网络提供较高的吞吐量和较高的频谱复用效率。 a d h o e 列络结构，具有自组织和自愈特性。由于w m n 灵活的网络结构、 便利的网络配置、较好的容错能力和网格连通性，使得w m n 大大提升了现有网 络的性能。在较低的前期投资下w m n 可以根据需要逐步扩展。 移动性取决于节点的类型。w m n 通常有两类节点，分别具有不同的移动 性特征。m e s h 网关和路由嚣通常移动性较低，而m e s h 客户终端则既可以是静态 的，也可以是任意的移动节点。 多种网络接八方式。在w m n 中，既可以支持到因特网的接入，也可以支 持端到端方式的通信。此外还可以通过w m n 与其他无线网络的集成，向终端 用户提供各种多媒体业务。 功耗限制取决于节点类型。m e s h 路由器通常由外部供电，受功耗限制不 严格，而m e s h 客户终端就如同蜂窝移动通信网络的手机一样，需要有有效的节能 机制。 与现有无线网络的兼容性及互操作性。基于现有网络技术或标准( 如8 0 2 1 1 ) 的w m n 必须在支持原标准上与这些标准相兼容，w m n 还需要与其他无线呵络( 如 w i m a x ，w i f i 和蜂窝网络等) 有互操作性。 表21 从需求等几个方面对无线m e s i l 网络和蜂窝网络、无线局域网、移动 重庆大学硕士学位论文 2 无线m e s h 网络 a dh o e 网络进行比较。 1 ) 无线m e s h 网络与移动a d h o e 网络比较 无线m e s h 网络起源于移动a dh o e 网络，理论上可以看作一种特殊形态的移 动a dh o e 网络，实际应用中可以看作移动a dh o e 网络的民用商业化版本，故无线 m e s h 网络继承了很多移动a dh o e 网络的特点，最本质的共同点是二者均是多跳无 线网络，但仍存在一些各自的特点：从网络结构上看，虽然二者均是自组织的多 跳网络，但无线m e s h 网络的骨干网结构提供了大范围的信号覆盖与节点连接，网 络健壮性较好，而所有移动a dh o e 网络的节点都兼有独立路由和主机功能，节点 地位平等，网络连通性是依赖端节点的平等合作实现的，故移动a dh o e 网络的健 壮性比无线m e s h 网络差。从业务模式上看，二者的业务模式不同，无线m e s h 网 络主要是作为i n t e m e t 或宽带多媒体通信业务的接入，故其节点的主要业务是来往 于i n t e m e t 网关的业务，而移动a dh o e 网络主要用于军事或其他专业通信，网络 中节点的主要业务大多是任意节点对之间的相对随机的业务流。 表2 1 无线m e s h 网络与其他无线网络的比较阴嘲 t a b l e2 1c o m p a r i s i o nb e t w e e nw m na n do t h e rn e t w o r k st v l 例 无线m e s h 网络 a dh o e 网络 无线局域网移动蜂窝网络 2 ) 无线m e s h 网络与无线局域网比较 从拓扑结构上看，w l a n 是典型的点对多点( p o i n tt om u l t i p l ep o i n t s ：p 2 m p ) 网络，所有终端通过单跳接入a p ( a c c e s sp o i n t ) 再接入有线以太网，因而数据不 可转发。而对于网状结构的无线m e s h 网络，数据可以通过m r 进行智能转发( 需 8 重庆大学硕士学位论文2 无线m e s h 网络 要对w l a n 传统的a p 功能进行扩展和改进) 。从覆盖范围看，尽管w l a n 可在 较小的范围内提供高速数据服务( 8 0 2 1 lb 可达1 1 m b i t s ，8 0 2 1 1 a 可达5 4 m b i t s ) ， 但典型情况下w l a n 的a p 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，成本将非常高昂。而无线m e s h 设备体积小巧且 价格低廉，其多跳特性可以扩大w l a n 的覆盖范围，使其可以在大范围内实现高 速通信。再从协议上看，w l a n 的m a c 协议主要完成本地业务的接入，而在无 线m e s h 网络中既要完成本地业务的接入，还要对来自其它节点的业务进行转发。 对于上层路由协议，w l a n 采用静态的i n t e m e t 路由协议加入部分移动伊协议， 而无线m e s h 网络则需要设计自己的路由协议。 3 ) 无线m e s h 网络与移动蜂窝网络比较 从拓扑结构上看，无线m e s h 网络为分布式的网状结构，而蜂窝移动通信系统 多采用集中式的星型结构。如果网络中的某一条链路出现故障，无线m e s h 网络中 的节点可以自动转向其他可接入的链路，而在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。故无线m e s h 网络与蜂窝移动系统相比， 可靠性更高，自愈性更强。从传输速率看，由于无线m e s h 网络可融合其他无线网 络技术( 如w i f i ，u w b 等) ，故理论上速率可以达到5 4 m b p s ，甚至更高。而目前 正在实施的3 g 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 p s ，步行慢 速移动环境中支持3 8 4 k b p s ，在静止状态下才可达到2 m b p s 。从网络配置上看，无 线m e s h 网络中的a p 、智能路由器( i n t e l l i g e n tr o u t e r ：i r ) 、无线路由器( w i r e l e s s r o u t e r ：w r ) 等基础设备体积小巧，相比蜂窝移动通信系统的基站等设备，其配置 和维护都相当简单，故无线m e s h 网络的扩展性相当好，投资成本也远低于蜂窝移 动通信系统。 2 3 无线m e s h 网络的研究及商业化应用进展 无线m e s h 网络可以应用于人们生活的多个方面。如政府与市政应用，为城内 ( 如公园等公共场所) 市民提供宽带无线接入；可以为旅游观光提供旅游信息的 宽带接入；可以为无线服务提供商( w i s p ) 提供热点地区服务覆盖的延伸，向移 动用户提供高性能的i n t e m e t 接入服务。在教育方面，可以将大学校园网覆盖延伸 到校外，向身处校外的学生和教职员工提供无处不在的宽带接入。还可以作为应 急通信临时网络( 临时集群通信系统) ，为警察、消防等提供应急通信服务，特别 是在通信基础设施遭受破坏的突发事件现场，其作用将显得更加重要。无线m e s h 网络还能为城市地铁、轻轨等通勤车辆提供移动w i f i 接入，通过站台无线a p 为 车内旅客建立移动w i f i 环境，站间信号可以通过安装多个无线a p 来延伸站内信 号。而在无线数字化家庭中，m e s h 网络能够轻松构成多媒体家庭无线网络，实现 9 重庆大学硕士学位论文2 无线m e s h 网络 家庭安全系统联网、家庭i n t e m e t 接入、家庭通信设备互联等。 近年来，无线m e s h 网络已经成为国内外研究热点，无论是高校实验室还是商 业公司都投入大量精力研究w m n 的体系结构、路由算法、m a c 信道接入控制和 调度等。其中m i t 的c s a i l 实验室( c o m p u t e rs c i e n c ea n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e l a b o r a t o r y , h t t p ：w w w c s a i l m i t e d u i n d e x p h p ) 的r o o f i a e t 项目以及佐治亚理工大学 ( g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 的宽带与无线网络实验室、c m u 电子与计算机 工程学院的w i s p e m e t 项目( h t t p ：w w w e c e c n l u e d u ) 、p u r d u ee n g i n e e r i n g 学院的 m a p 项目等都构建了基于8 0 2 1 lb 儋的无线m e s h 网络实验床，并开展路由算法、 多信道接入等方面的研究。微软美国研究院( h t t p ：r e s e a r c h m i c r o s o r c o r n m e s h ) 也构建了一个由3 2 个8 0 2 1 l a 无线m e s h 节点组成的实验网络，而北电网络 ( w w w n o r t e l c o r n ) 、s t r i x s y s t c m 等公司也提出了自己的无线m e s h 网络解决方案， 基于北电7 2 2 0 系列的无线m e s h 节点的组网方案己经在台北市和美国c o p p i n 州立 大学进行了实际组网。 表2 2 无线m e s h 网络商用产品比较【9 】 t a b l e2 2c o m p a r i s i o ni nc o m m e r c i a lp r o d u c t so fw m n 9 1 面对无线m e s h 网络的迅速发展，一些致力于其开发和应用的公司，如美国的 m e s hn e t w o r k s 、加拿大的n o r t e l 等，都推出了自己的无线m e s h 网络设备和相应 的组网技术，并已应用这些设备和技术成功地解决了一些热点地区的无线接入问 题，其中比较成功的解决方案有：m e s hn e t w o r k s 为俄勒冈警察局设计的应急通信 方案；为英格兰p o r t a l 智能交通系统提供的应用方案；n o r t e l 设计的移动城市应用 l o 重庆大学硕士学位论文2 无线m e s h 网络 方案等。除了m e s hn e t w o r k s 和n o r t e l 外，目前的无线m e s h 设备和解决方案的提 供者还有s k y p i l o t ，t r o p o s ，b e l a i r ，f i r e t i d e 和r a d i a n tn e t w o r k 等公司。对于这七 家公司的产品比较如表2 2 所示，从物理层m a c 层技术来说，大多数产品选择了 直接沿用8 0 2 1 1 系列的物理层和m a c 层规范，工作频段基本上为2 4 5 8 g ；从路 由协议来看，二层路由和二三层路由比例相当，产品的覆盖范围取决于用途，一 般用于骨干网和室外的节点覆盖范围远大于室内的节点覆盖范围，另外，目前商 业产品对q o