（通信与信息系统专业论文）多网卡无线mesh网络中多信道mac协议研究.pdf

北京邮电大学磺士研究生学位论文 多网卡无线m e s h 网络中多信道m a c 协议研究 多网卡无线m e s h 网络中多信道m a c 协议研究 摘要 无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线接入系统，由无线链路连 接路由器和终端设备的多跳无线网络。目前，无线m e s h 网络的研究 在全世界十分活跃，其中，信道资源的分配与管理对于无线m e s h 网 络的性能优化起着十分重要的作用，因此，该论文主要研究无线m e s h 网络的m a c 协议。 本文通过对无线m e s h 网络中m a c 协议的分析，将多信道m a c 协议作为研究重点，重点研究网络中节点配备多个网卡的情况。现有 的多信道m a c 协议大多是在a dh o c 网络中多信道m a c 协议的基础 上设计的，很少考虑无线m e s h 网络的特征和业务特点，本论文将考 虑无线m e s h 网络的业务特征，设计多信道m a c 协议。 首先，分析一种基于i e e e8 0 2 1 1 的多网卡无线m e s h 网络的业务 特征，大部分业务通过网关接入i n t e r n e t ，业务主要集中在网关附近， 在网络中引入了网关“热点”问题。并且，网络中的节点随机分布，不 同的无线链路负载也不同，需要区别对待。 考虑到网关“热点”问题和链路负载不均衡，本文提出一种基于链 路优先级信道分配的多信道m a c 协议( p c a m m a c ) 。该协议是在 i e e e8 0 2 1 1 标准的硬件基础上开发的具备多块网卡的多信道m a c 方案，扩展了原来的单信道m a c 协议，不需要修改现有的上层网络 协议和下层m a c 层，支持节点配置多个网卡的情况，主要实现对多 个网卡进行信道分配的功能。信道分配采用一种基于链路优先级的集 中式信道分配算法，该算法对网络中的链路设置优先级，根据优先级 进行信道分配。优先级根据距离网关的跳数和链路负载( 预估计) 来 定义，跳数少的链路优先级高，跳数多的链路优先级低，如果跳数相 同，链路负载大的优先级高。 并且，在o p n e tm o d e l e r1 0 0 上开发了进程模型和多网卡节点模 型，并做网络仿真和性能分析。仿真结果表明，使用p c a m m a c ， 网络容量有了很大提高。 关键字：无线m e s h 网络多网卡多信道m a c 协议p c a - m m a c 北京衄电大学硕士研究生学位论文多同卡无线m e s h 同络中多信道m a c 协议研究 r e s e a r c h0 n 缸t i c h a n n e lm a c p r o t o c o li nm l t i r a d i o w 1 1 r l e s sm 匝s hn e t w o r k 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 ( 、压n ) ，am u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r k c o n n e c t i n gr o u t e r sa n dt e r m i n a l sw i t hw i r e l e s sl i n k , i san o wt y p eo f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c c s ss y s t e m s n o w a d a y s r e s e a r c h e so nw m n s h a v eb e e nv e r yp o p u l a ra r o u n dt h ew o r d s i n c ec h a n n e la l l o c a t i o na n d m a n a g e m e n t i s a k e y f a c t o r i n f l u e n c i n g n e t w o r k p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n , m a cp r o t o c o l sf o rw m n sa r eg a i n i n gs i g n i f i c a n ta t t e n t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f c o n c e p t i o n s ，a r c h i t e c t u r e s , k e yt e c h n o l o g i e s a n dt h ee x i s t i n gm a cp r o t o c o l so fw m n s ，t h i st h e s i sf o c u s e so n m u l t i ，c h a n n e lm a c p r o t o c o l so f 、量仆s e s p e c i a l l yo nt h em u l t i p l e r a d i o sc o n d i t i o n e x i s t i n gm u l t i c h a 1 n e lm a cp r o t o c o l sa r c m a i n l y b a s e do na dh o cn e t w o r k , a n ds e l d o mc o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 协厦n sa n dc h a m c t e r i s t i c so ft r a f f i c s t h i st h e s i sw i l lr e s e a r c h m u l t i c h a n n e lm a cf o rw m n sb a s e d0 nt h ec o n s i d e r a t i o no ft r a f f i c c h a r a c t e r i s t i c s 。 f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st r a f f i cc h a r a c t e r i s t i ci na ni e e e8 0 2 1 1 b a s e dm u l t i - r a d i om e s hn e t w o r k m o s tt r a f f i cf l o w sa c c e s st oi n t e r n e t t h r o u g hg a t e w a y , a n dt r a f f i cf l o w sa g g r e g a t ea tr o u t e r sc l o s et ot h e g a t e w a y t h ea g g r e g a t i o no ft r a f f i c si n t r o d u c e sg a t e w a y h o ts p o t s ” p r o b l e m a n d ，s i n c et h en o d e si nn e t w o r k sa r er a n d o m l yd i s t r i b u t e da n d t h el o a d so f l i n k sa r ed i f f e r e n t t h el i n k sn x lb et r e a t e dd i f f e r e n t l y c o n s i d e r i n gg a t e w a y h o ts p o t s a n dl i n kl o a d s , t h i st h e s i sp r o p o s e s am u l t i - c h a n n e lm a cp r o t o c o lw i t hl i n k p r i o r i t y - a w a r e c h a n n e l a s s i g n m e n t ( p c a - m m a o p c a - m m a cd e v e l o p e do i lt h ei e e e 8 0 2 1 lh a r d w a r ea n di sam u l t i c h a n n e lm - 蛇s c h e m ew h i c hs u p p o r t m u l t i - r a d i o p c a m m a cc a nb eu s e di nt h en o d ee q u i p p e dw i t h 北京部电大学硕士研究生学位论文 多两卡无线m 酋h 弼络中多信道m a c 协议研究 m u l t i r a d i o sb a s e do ni e e e8 0 2 1lp r o t o c 0 1 i te x t e n d ss i n g l e - c h a n n e l m a cp r o t o c o l ，w i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o nt ot h eu p p e rl a y e r sa n dt h e l o w e l l a y e r so ft h en e t w o r kp r o t o c o ls t a c k i tm a i n l ya s s i g n sc h a n n e l f o rm u l t i p l er a d i o s c h a n n e la s s i g n m e n tu s c sal i n kp r i o r i t y - a w a r e c h a n n e la s s i g n m e ma l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h md i s t i n g u i s h e sp r i o r i t yo f l i n k si nt h en e t w o r k , a s s i g n sc h a n n e la c c o r d i n gt op r i o r i t y l i n kp r i o r i t y i sd e f i n e da c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c et og a t e w a ya n d1 0 a d so ff i n k s 1 1 1 e l e s st h en u m b e ro fh o p si s ，t h eh i g h e rt h ep r i o r i t yi s i ft h en u m b e ro f h o p si st h es a m e ，t h eh e a v i e rt h e1 0 a di s ，t h eh i g h e r t h ep r i o r i t yi s a n d 。w ed e v e l o p e dap m c 岱sm o d e ia n dam u l t i r a d i ow i r e l e s sn o d e m o d e lo n0 p n e tm o d e l e r1 0 0 a n dd i dn e t w o r ks i m u l a t i o n a n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec a p a c i t yo f n e t w o r k sc a nb eg r e a t l yi n c r e a s e db yt h ee m p l o y m e n to f p c a m n t a c k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r km u l t i r a d i o m u l t i - c h a n n e l m a cp c a n a c 2 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：殛垄垒：】 日期：至翌丕墨：丛 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解= i 匕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，适用本授权书。 本人签名： 轴! 塞三】 日期： 主生! 乙芝：丛 导师签名： 争爱身兰姜 一 日期：兰q q 互2 生l 北京邮电大学硕士研究生学位论文多同卡无线m e s h 罔络中多信道m a c 协议研究 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何 人都能够进行快速、准确的通信。近年来，无线网络有了快速的发展，取得了很 大的成功，但是同时也存在很多问题l ，需要一种新的网络技术来满足日益增长 的需求。 蜂窝移动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、有永久用户需求的地区。而且，蜂窝移动通信系统由于政治、经济和技术 的原因迟迟达不到人们期望的发展速度与规模。a dh o e 网络技术，由于军事通 信技术的特殊性，如同c d m a 等扩频通信技术一样，这一先进技术在相当长的 一段时间，并没有在民用通信中得到很好的应用，所以，需要考虑一些问题，例 如，除了军事通信应用之外，在民用领域，它的价值如何? 如何把该技术应用在 民用? w l a n 在技术上的缺陷是显而易见的，无法做到像蜂窝网络一样无处不 在的信号覆盖。那么，无线网络究竟如何发展? 下一代网络不再是一种全新的单一结构的网络技术，而是多种网络技术的融 合，是一种多极网络形态【“。无线m e s h 网络渐渐进入了人们的视线( 3 1 1 4 1 ，它以众 多无可比拟的优势开始挑战现有的无线网络技术，在世界范围内迅速引起学术界 与工程界的注意，成为一项热点技术。 无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的 分布式网络，不需要网络基础设施，每个用户节点都是骨干网络的一部分，可以 转发其他用户的信息。它不同于传统的无线网络，可以看成是无线局域网和移动 a dh o e 网络的融合，发挥了两者的优势，具有可靠性、自组织、自愈合的特点。 无线m e s h 网络可以支持多种类型的网络接入，可以兼容现存的无线网络。无线 m e s h 网络可以看成是因特网的无线版本，和传统的无线网络相比，有很大的优 势，这些在后面的章节中将要详细介绍。 无线m e s h 网络的应用领域十分广泛，可用于构建数字化家庭，互联家庭通 信设备，实现家庭i n t e r n e t 接入，在家中任意地方都可自由上网，为城市地铁、 轻轨等通勤车辆提供移动w i f i 接入，使旅客在行程中仍可享受上网乐趣。应用 于临时集群通信系统，为警察、消防、通信基础设施遭到破坏的突发事件现场提 供应急通信服务。扩大校园网的覆盖范围至校外，向身处校外的教师和学生提供 北京邮电大学硕士研究生学位论文多两卡无线m e s h 两络中多信道m a c 协议研究 无处不在的宽带接入，等等。值得庆幸的是，目前w m n 的商用实验网已经在部 分国家和地区开展，如北电网络的应用解决方案凡 信道资源的分配与管理是无线m e s h 网络的一个关键问题，它在很大程度上 影响了网络的性能。因此，无线m e s h 网络中m a c 协议的研究成为研究的热点。 现有的无线m e s h 网络的m a c 协议，基本上是采用单信道m a c 协议，不能 满足日益俱增的用户需求，限制了整个网络的数据传输速率与网络容量。根据无 线信道的特点，在一个干扰域内，只有一对节点可以进行通信，这样大大的限制 了整个网络的容量。虽然物理层技术已经有了很大的发展，但是仍然不能满足人 们对网络带宽日益增长的需求。i e e e8 0 2 1 l a 的带宽可以达到5 4 m b i t s ，但是这 只是峰值速率，在真正的应用中，由于用户接入会发生多用户冲突、丢包错误等， 真正的速率只有峰值的一半。另外，随着接受双方通信距离的增加，数据传输速 率会显著下降。而在多跳网络中，节点之间冲突的可能性会增加。由于隐藏终端 和暴露终端的问题，网络吞吐量也会大幅度下降。 幸运的是，i e e e8 0 2 1 l b g 标准和i e e e8 0 2 1 l a 标准分别提供了3 个和1 2 个 没有交迭的信道，相邻的节点之间可以使用不同的信道。很显然，如果网络中的 节点能够使用不同的信道，这样可以大大提高网络的吞吐量。在a dh o c 网络的 设计中，已经使用了多信道的设计思想。虽然无线m e s h 网络是由a dh o e 演进 过来的，但是还是有一定的区别，所以不能直接搬用a d h o e 网络中的多信道m a c 技术，需要根据无线m e s h 网络的特性，来设计m a c 协议。 1 2 论文研究内容与组织结构 本文通过对无线m e s h 网络和无线m e s h 网络m a c 协议现状的分析研究，将 多信道m a c 协议作为研究重点，重点研究网络中节点配备多个网卡的情况。 现有的多信道m a c 协议大多是在a dh o e 网络中多信道m a c 协议的基础上 设计的，很少考虑无线m e s h 网络的特征和业务特点，本论文基于无线m e s h 网 络的业务特征，设计一种多信道m a c 协议。 首先，分析一种基于i e e e8 0 2 1 1 的多网卡无线m e s h 网络的业务特征，大部 分业务通过网关接入i n t e m e t ，业务主要集中在网关附近，在网络中引入了网关 。热点”问题。并且，网络中的节点随机分布，不同的无线链路负载也不同，需要 区别对待。 考虑到上面提到的问题，这篇论文提出一种基于链路优先级信道分配的多信 道m a c 协议( p c a - m m a c ) 。该协议是在i e e e8 0 2 1 1 标准的硬件基础上开发 的具备多块网卡的多信道m a c 方案，扩展了原来的单信道m a c 协议，不需要 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文多用卡无线m e s h 同络中多信道m a c 协议研究 修改现有的上层网络协议和下层m a c 层，支持节点配置多个网卡的情况，主要 实现对多个网卡进行信道分配的功能。信道分配采用一种基于链路优先级的集中 式信道分配算法，该算法对网络中的链路设置优先级，根据优先级进行信道分配。 优先级根据距离网关的跳数和链路负载( 预估计) 来定义，跳数少的链路优先级 高，跳数多的链路优先级低，如果跳数相同，链路负载大的优先级高。这样可以 缓解网关“热点”问题和链路不公平问题。对于具体的信道分配算法，采用一种多 接口冲突图( m c g ) 模型，来模拟多接口m e s h 节点之间的干扰问题，通过设定 的受限条件来分配信道。 并且，介绍了在o p n e tm o d d e r1 0 0 上开发的简化的进程模型和多网卡节点 模型，并做简单的网络仿真和性能分析。仿真结果证明，使用p c a - m m a c ，网 络容量有了很大提高。 全文共分为六章，具体安排如下： 第一章是绪论部分，介绍研究背景及意义。 第二章介绍无线m e s h 网络的定义、结构、应用、标准化进程，以及m e s h 网 络和其他通信网络的区别，并且提出主要研究课题。 第三章介绍并分析现有的无线m e s h 网络中m a c 协议。包括以下内容：a dh o c 网络m a i c 协议；现有的无线m e s h 网络中的单信道和多信道m a c t 办议，比较其性 能和优缺点。通过分析发现，使用多信道m a c 技术能更好提高网络容量。 第四章介绍了一种基于8 0 2 1 1 的多网卡无线m e s h 网络，提出需要考虑的问 题：网关“热点”问题和链路负载不均衡。考虑到这两个问题，重点介绍了提出的 基于链路优先级信道分配的多信道m a c 协议( p c a - m m a c ) 。包括以下内容： p c a - m m a c 协议的介绍；p c a - m m a c 中的基于优先级的集中式信道分配算法 介绍、算法实现，以及实现该算法的协议。 第五章介绍在o p n e t 上开发的多网卡节点模型和简化的p c a - m m a c 模 块，并使用该节点模型做相应的网络仿真和性能分析。 第六章总结本文的研究工作，提出未来的工作展望。 最后是参考文献和致谢。 3 北京邮电大学硕士研究生学位论文多两卡无线m e s h 两络中多宿道m a c 协议研究 第二章无线m e s h 网络概述 无线网络技术的发展日新月异，各种标准不断被更新，新的无线网络架构和 技术也不断被提出。这一章将要允绍一种无线网络技术无线m e s h 网络，这 是一种能够实现灵活组网的技术，它的出现，代表无线网络技术的一大跨级，有 极为广阔的应用前景。 2 1 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网络是一种多跳、具有自组织和自愈合特点的新型宽带无线网络 结构，是一种高容量、高速率的分布式网络。它一度曾是一项军方技术，随着人 们对w l a n 、a dh o c 网络技术的深入了解，无线m e s h 网络才逐步成为企业界 和消费者瞩目的焦点。w m n 是从移动a dh o c 网络中分离出来的，并承袭了部 分w l a n 技术的新的网路，可以看成是w l a n 和移动a dh o e 网络的融合，发 挥了两者的优势。 目前有些观点认为，无线m e s h 网络是一种由无线链路连接路由器和终端设 备的多跳无线网络，网络中的任何无线设备节点都可以同时作为a p 和路由器， 每个节点都可以发送和接收信号，与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种 结构的最大好处在于，如果最近的a p 由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据 包可以自动路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还 可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输! 直至到达最 终目的节点为止。 目前人们熟知的i n t e m e t 架构就是一个m e s h 网络结构的典型例子。接入 i n t e m e t 的用户位于网络边缘，他们通过网络内部的路由器和节点相互连接，当 任意两个节点之间的一条链路失效后，路由器会经由一个或多个其他路由器找到 一条替代路径。例如，当我们发送一封电子邮件时，电子邮件并不是直接到达收 件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器，最后经过 多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高 的传输路径，以便电子邮件能够尽快到达用户信箱。因此，无线m e s h 网可以看 作是i n t e m e t 的一种无线版本。 带有无线网卡的传统终端设备( 如台式电脑，笔记本电脑，p d a 等) 可以与无 线m e s h 路由器直接相连，而没有无线网卡的用户则可通过以太网与无线m e s h 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文多同卡无线m e s h 网络中多信道m a c 协议研究 路由器连接，从而接入无线m e s h 网。这样，无线m e s h 网可以提供给用户的随 时随地“永远在线”的网络接入服务此外，m e s h 路由器的网关网桥功能使得无线 m e s h 网能连接到多种网络，如蜂窝网、无线传感器网、w i f i 、w i m a x 等网络。 因此，通过一个综合的无线m e s h 网，现有网络用户能享受到更多样化的服务。 2 2 无线m e s h 网络的网络结构 无线m e s h 网络包括两种类型的节点：m e s h 路由器和m e s h 终端用户设备 节点。m e s h 路由器除了具有传统无线路由器的功能外，还有额外的路由功能， m e s h 路由器通过多跳通信，以更低的发射功率即可获得同样的覆盖范围。为进 一步提高m e s h 网络的可伸缩性，m e s h 路由器通常配有多个基于同一种或不同 种无线接入技术的无线接口。m e s h 客户端也能作为m e s h 网络的路由器，但其 硬件平台和软件比m e s h 路由器要简单得多，比如：它没有网关，网桥功能，只有 一个无线接口等。 根据节点功能划分，无线m e s h l 嘲络有以下三种网络结构1 4 l ： 1 基础设施m e s h 网络 图2 - 1 基础设施m e s h 网络 如图2 - 1 所示，m e s h 路由器之间形成一个自组织，自愈合的网络基础设施， m e s h 客户通过它接入i n t e r n e t ，这样可以集成各种无线网络。以w i f i 为例，m e s h s 北京邮电大学硕士研究生学位论文多两卡无线m e s h 两络中多信道m a c 协议研究 网络延伸了i n t e r n e t ，在a p 与终端设备之间形成了无线回路。终端设备( 如i e e e 8 0 2 1 l b g 设备) 通过a p 或无线路由器( w r ) 的路由选择和中继功能，与无线网关 ( w g ) 形成无线链路。a p w r 通过路由选择及管理控制等功能为终端设备选择与 目标终端设备通信的最佳路径，从而形成无线回路。通过w g 连接其他网络， 即可实现无线宽带接入。传统的具有e t h e r n e t 接口的客户端，可以通过e t h e r n e t 链接直接和w r 通信。这种网络结构比较常用，可以用于集成不同的网络。 2 终端设备m e s h 网络 如图2 2 所示，终端用户配置无线收发装置，通过无线信道的连接形成一个 点到点的网络，这是一种任意网格的拓扑结构，节点可以任意移动，可能导致网 络拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限， 两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。在任 意时刻，终端设备在不需要其他基础设施的条件下可独立运行，它可支持移动终 端较高速率的移动，快速形成宽带网络，终端用户模式事实上就是一个a dh o e 网络，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑 环境。 图2 - 2 终端设备m e s h 网络 3 混合m e s h 网络 如图2 3 所示，混合m e s h 网络是前两种网络结构的合并，由于前两种m e s h 网络模式具有优势互补性，因此同时支持两种模式的混合m e s h 网将在一个广阔 的区域内实现多跳无线通信。终端设备既能与其他网络相连，实现无线宽带接入， 又可以与其他用户直接通信，并可作为路由器转发其他节点的数据，送往目的节 点。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文多罔卡无线m e s h 舟络中多信道m a c 协议研究 2 3 无线m e s h 网络的优势 围2 - 3 混a m e s h 网络 与传统的无线网络相比，无线m e s h 网络具有以下五个优势： ( 1 ) 快速部署和易于安装 安装m e s h 节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。由 于安装简单，用户很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。 在无线m e s h 网络中，不是每个m e s h 节点都需要有线电缆连接，这是它与有线 a p 最大的不同。m e s h 的设计目标就是将有线设备和有线a p 的数量降至最低， 因此大大降低了总成本和安装时间。无线m e s h 网络的配置和其他网管功能与传 统w l a n 相同，用户可以将使用w l a n 的经验轻松应用到m e s h 网络。 ( 2 ) 非视距传输( n i o s ) 利用无线m e s h 技术很容易实现n l o s 配置，因此在室外和公共场所有着广 泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的 信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断 从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有 直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无 线m e s h 网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范 围。 7 托京邮电大学颈士研究生学位论文 多两卡无线m e s h 两络中多信道m a c 协议研究 o ) 健壮性 网络的健壮性通常利用多路由器传输数据来实现。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。无线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。而在无线m e s h 网络结构中，每个节点都储存一条 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。 ( 4 ) 结构灵活 w l a n 是单跳网络，网内设备必须共享a p 。如果几个设备要同时访问网络， 就可能产生通信拥塞并导致系统运行速度降低。而在多跳的无线m e s h 网络中， 设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。 ( 5 ) 通信负载平衡功能 无线m e s h 网络中的每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节 点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。而 目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。 ( 6 ) 高带宽 无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短，就越容易获得高带宽，因 为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素也随之增加。 因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正 是无线m e s h 网络的优势所在。 2 4 无线m e s h 网络与其他通信网络的区别 1 与蜂窝移动通信系统的区别： ( 1 ) 可靠性提高，自愈性强。在w m n 中，链路为网格结构，如果其中的某 一条链路出现了故障，节点便可以自动转向其他可接入的链路，因而对 网络的可靠性有了很大程度的提高；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。 ( 2 ) 传输速率大大提高。在采用w m n 技术的网络中，可融合其他网络或技 术( 如w i f i 、u w b 等) ，速率可以达到5 4 m b i t s ，甚至更高。而目前正 在发展的3 g 技术，其传输速率在高速移动环境中仅支持1 4 4 k h i t s ，步 行慢速移动环境中支持3 8 4 k b i t s ，在静止状态下才达到2 m b i t s 。 ( 3 ) 降低成本。在w m n 中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p 、瓜 等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备便宜得多。 8 北京雕电大学硕士研究生学位论文多同卡无线m e s h 眄络中多信道m a c 辫议研究 2 与a d h o e 网络的区别： w m n 与a dh o e 网络均是点对点网络。a dh o e 网络中的移动节点都兼有独 立路由和主机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点小，节点的地位平等， 采用分布式控制方式。w m n 把a dh o e 网络技术应用到移动节点同时又使移动 节点可通过l a p 连接到其他网络，因此可以把w m n 看成是a dh o e 网络技术的 另一种版本。但是，w m n 与移动a dh o e 网络有一些不同： ( 1 ) 作为无线基础设施1 孚干网。w m n 包括了一个由m e s h 路由器组成的无线 骨干网，该无线骨干网可以提供大范围的无线覆盖、无线连通以及健壮 的无线通信。而a dh o e 网络的连通性却是依赖于可能并不可靠的终端用 户的个体贡献。 ( 2 ) 与传统无线网络的集成。w m n 支持与m e s h 路由器采用相同无线电技术 的传统客户端，这是通过m e s h 路由器的主机路由功能实现的。凭借m e s h 路由器的网关网桥功能，w m n 还可以集成各种现有网络，如w i f i 、互 联网、蜂窝网和传感器网络。 ( 3 ) 专用的路由和配置功能。在a d h o e 网络中，终端用户设备还要为所有其 他节点执行路由和配置功能。w m n 中采用了m e s h 路由器来完成这些功 能，因此大大降低了终端用户设备的负荷，使有可能移动但能量受限的 终端用户可以适合于低能耗和高端应用的场合。对终端用户设备的要求 不高，从而降低了设备成本。 ( 4 ) 移动性。由于a dh o e 网络通过终端用户设备来提供路由，因此网络拓扑 和连通性依赖于用户的移动，这给网络的配置、部署以及路由协议的设 计带来了更多的挑战。 ( 5 ) 对功耗的限制。w m n 中对功耗的限制取决于m e s h 节点的类型；m e s h 路由器通常没有严格的功耗限制，而m e s h 客户端可能有功耗限制。a d h o e 网络中各个节点对功耗的限制通常都是一样的。 3 与w ia n 的区别： 从拓扑结构上讲，w l a n 是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因 而数据不可转发。w l a n 可在较小的范围内提供高速数据服务( i e e e8 0 2 1 1 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 ) ，但由于典型情况下w l 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 的这种高速率的服务模 式，成本将非常高。而对于w m n ，则可以通过w r 对数据进行不断的转发，直 至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几公里远。w m n 的显 著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 多两卡无线m e s h 两络中多信道m a c 协议研究 2 5 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络可用于骨干网、接入网传感器网络等等。 ( 1 ) 骨干网： 无线m e s h 网络的骨干一般是指网络中构成主要数据传输线路的那些高速链 路。传统上，骨干网是使用光纤( 以前是铜线) 将各个边缘网络相互连接起来。在 m e s h 中只需要有一个节点连接到有线网络上，所有的m e s h 节点就都可以接入到 有线网络了。当然出于冗余度和流量的考虑，可能会需要更多的节点与有线网络 相连。 骨干m e s h 网络可以布置在室内也可以在室外。室外设备往往附着在街灯上 或者是建筑物外表面上有电力可用的地方。由于线路上m e s h 设备的出现，每一 个节点都能与其它节点进行联系，因而，很多户外系统就不仅仅起到数据回程作 用了，它们也可以包含集成的接入点供客户端使用。这种解决方案往往包含两套 无线电，其中m e e8 0 2 i l a 作为回程用，i e e e 8 0 2 1 l b g 给客户端用，这大大减轻 了回程和用户对流量的争夺问题。 ( 2 ) 接入网： 无线m e s h 网络是一个全新的网络结构，迎合了无线接入网络的发展趋势， 相对于传统的宽带接入方式来说，有很大的优势，不管在家庭宽带接入还是公司 宽带接入都有很大的市场。 ( 3 ) 传感器网络 传感器是一种构造相对简单、体积较小的装置，具有一个简单的处理器。它 经常被用来收集一些数据，例如湿度、压力、温度和振动等，并把这些数据传递 给其它的传感器。由于体积小，所以它们一般没有用户界面，甚至可以被视为数 据传送器。传感器还可以嵌入到设备当中，对压力、流量和温度进行监控。 2 6 无线m e s h 网络的标准化进程 i e e e 几个标准化小组都在积极制定w m n 技术的规范。这些标准制定的不同 之处在于所针对的网络类型。针对w p a n 、w l a n 、w m a n 都成立了特别任务 组。 1 e e8 0 2 1 1m e s hn e t w o r k s 髓e8 0 2 1 1w l a n i 作组包含几个标准化委员会，都是开发w l a n 环境下 的技术。标准化组织在各大公司和学术研究机构的推动下，开始了无线m e s h 相 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文多同卡无线m e s h 同络中多信道m a c 协议研究 关的标准化制定工作，包括8 0 2 1 l s ( e n h a n c e m e n t st ot h ec u r r e n t8 0 2 1 1s t a n d a r dt o p r o v i d ee s s m e s hn e t w o r k i n g ) 、8 0 2 1 l r ( e n h a n c e m e n t st ot h ec u r r e n t8 0 2 1 1s t a n d a r d t op r o v i d ef a s tb s s t r a n s i t i o n ) 2 0 0 4 年初，8 0 1 1 1 工作组正式开始l l s 标准化制定工作。这个任务组的范围 是扩展i e e e8 0 2 1 1 体系和协议，提供e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es t a t i o n ) 的m e s h 功能，也就是说，各接入点间可建立无线连接，从而实现拓扑的自动发现，路径 的动态配置。实际上就是要突破传统a p 功能上的限制，使之具有无线路由器的 功能，将业务流转发给邻近的a p ，并进行一系列的多跳传输。这一提案的思想 就是扩展8 0 2 1 1m a c 协议，建立i e e e8 0 2 1 1w l a n 的w d s ( w i r e l e s s d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，实现在m a c 层支持广播多播和单播分发。这种方式决定 了w m n 具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本等特点，而且业务 可以自动绕过故障节点、自行调节来实现流量负载平衡。 2 i e e e8 0 2 1 5m e s hn e t w o r k s i e e e8 0 2 1 5 项目组致力于建立小型固定手持移动计算设备群的无线连接， 像p c 、p d a 计算机外设、手机等。2 0 0 3 年1 1 月成立了8 0 2 1 5 5m e s hn e t w o r kt a s k g r o u p ，在w p a n 的p h y 层和m a c 层建立必要机制使w p a n 也能m e s h n e t w o r k i n g 。在w p a n 中使用m e s hn e t w o r k i n g ，主要是因为移动设备电源电力限 制的促使。应用m e s h 网络，可以增大w p a n 的覆盖范围，缩短链路，从而可提 供更高的吞吐量，保证更少的数据重传。问题是如何将m e s hn e t w o r k i n g 模式与 8 0 2 1 5 系列m a c 协议整合。 3 i e e e8 0 2 1 6m e s hn e t w o r k s 最近几年来宽带无线接入技术引起了人们的广泛关注，相对于其他宽带接入 技术，宽带无线接人系统投资少，建设周期短，提供业务快，具有很多优点。i e e e 委员会为此专门制定了i e e e8 0 2 1 6 标准，提出了一种采用p m p 网络结构的宽带 无线接入解决方案，但是采用p m p 结构，必须确保视距传输，对于人口密集的城 市，由于存在高楼、树木等许多障碍物，导致覆盖范围非常受限，所以在后来制 定的i e e e8 0 2 1 6 a 标准中，又提出了一种基于无线m e s h 技术的宽带无线接入解决 方案，无线m e s h 网络实际上是一种高容量高速率的多点对多点网络，它是一种 新型的可以解决“最后一公里”瓶颈问题的分布式网络。 1 1 北京邮电大学硕士研究生学位论文多碍卡无线m e s h 网络中多信道m a c 协议研究 2 7 无线m e s h 网络的关键研究课题 无线m e s h 网络是一种全新的无线网络，分布式网络结构对其性能的影响也 是巨大的。现阶段，无线m e s h 网络关键技术研究主要集中在物理层、m a c 层、 网络层和传输层，要根据无线m e s h 网络的实际应用设计合适的协议。 ( 1 ) 物理层 在新的网络中，采用o f d m 或u w b 等新技术可以提升网络的传输速率。多 天线系统的引入可以让网络获得更高的传输速率。但是现阶段，以上技术大规模 商用的复杂性和代价比较高，需要不断的完善和发展。为了更好的发挥以上物理 层技术的特点，需要m a c 层以及高层协议与物理层协议有很好的互操作性。物 理层也要提供功能利于高层协议的接入和控制。 ( 2 ) 采用灵活、跨层设计的m a c 协议 灵活可靠的m a c 协议依然是a dh o c 网络没有完全解决的问题。现有很多 m a c 协议解决了部分问题的同时，又引出了很多新的问题。真正的灵活m a c 协议，应该采用新的分布式协作机制，在网络规模增大的情况下，确保网络性能 不会下降。目前来看，多信道的m