（通信与信息系统专业论文）多速率无线mesh网络能耗分析模型及跨层优化研究.pdf

摘要 无线m e s h 网络是近年来无线通信领域兴起的一个新的研究热点。传统星型拓扑的无线网络结构简单。 覆盖范围小，链路冗余度差，可靠性低，拓扑扩展不便，无线m e s h 网络拥有网状拓扑结构，可以弥补星 型网络的这些不足。无线个域网是工作在个人操作环境，需要相互通信的装置构成一个无需任何中央管理 装置的无线网络。支持m e s h 扩展的无线个域网是当今的一个研究热点。m e s hw p a n 需要解决的问题主要 在m a c 层和网络层。由于无线个域网中的设备通常是移动的、基于电池供电的，存在着严格的能量约束。 因此，对于m e s hw p a n 来说，好的协议必须能够提供好的能量效率。现有的无线个域网协议需要进行改 进以适应无线m e s h 组网的要求，另外，一些跨层设计和优化的理论和方法也可以应用于m e s hw p a n 协 议。 本论文对以上无线网络领域热点问题作出性能分析和优化研究。主要包括一下内容： 首先。论文从无线通信网络发展现状出发，介绍了无线个域网和无线m e s h 网络的概念、相关背景及 其标准化现状。在此基础上详细阐述了面向低速w p a n 应用的i e e e8 0 2 1 5 4 协议以及i e e e8 0 2 1 5 5 协议 的低速部分。为后面的研究奠定基础。然后，论文对低速w p a n 网络的m e s h 扩展协议的路由发现和建立 中h e l l o 帧的r i n g s e a r c h 过程进行了深入的分析和研究。探讨了h e l l o 帧中的参数：m a x h o p s 与h e l l o c o u n t 对路由开销的影响。在对h e l l o 帧的作用和特性深入分析的基础之上，提出了一种优化的r i n g s e a r c h 方案。 改进方案引入了本地h e l l o ( l o c a lh e l l o ) 和全局h e l l o ( g l o b a lh e l l o ) 的概念，减少了冗余h e l l o 帧在网 络中的泛洪传播。仿真结果显示，在不影响数据转发成功率和平均包转发次数的基础之上，改进的方案降 低了r i n gs e a r c h 带来的开销，提高了效率。接着本文提出了一种估计e c m a 3 6 8 协议优先级竞争接入期 ( p c a ) 网络性能的分析方法。从吞吐率和能耗的角度。对不同的帧负载长度、不同数据传输速率下，站 点平均吞吐率和归一化能耗进行理论分析，为e c m a 3 6 8 协议优先竞争接入期提供了重要的性能预测估计 方法。通过理论结果和仿真结果的对比，验证了理论分析模型的正确性和准确性。再接下来，本论文提出 了一种适合与m e s h 结构l r w p a n 的改进型m a c 协议。在分析现有m a c 协议和相关算法在m e s h 结构 网络应用中存在的问题在此基础上，提出了一种改进的m a c 协议g c a p ( g u a r a n t e e dc o n t e n ta c c e s s p e r i o d ) 。仿真结果显示，改进的m a c 协议可以有效减少设备的空闲侦听能耗，提高了设备的能耗效率。 通过仿真的方法对该优化方案的正确性进行了验证。本论文还结合m e s hw p a n 网络的特点对其跨层优化 策略进行了探讨，并提出了优化的方案。 最后，总结了全文的工作，并对进一步工作做了展望。 【关键词】无线m e s h 网络：路由：媒体接入控制；载波侦听多址接入，冲突避免；吞吐率；能耗；超帧 优先竞争接入期 垒! ! 堡垒曼! a b s t r a c t w i r e l e s sm e s hn e t w o r ki sah o tr e s e a r c ha r e ai nr e c e n ty e a r s 1 r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k so fs t a rt o p o l o g y a r er e l a t i v e l ys i m p l e ，b u ti t sc o v e r a g e ，l i n kr e d u n d a n c y ，r e l i a b i l i t ya n dt o p o l o g ye x p a n s i o na b i l i t i e sa r ep o o r w i r e l e s sm e s hn e t w o r k si u s tt r e a tt h e s ep o i n t sa si t sa d v a n t a g e s w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r ko p e r a t e sw i t h i n ap e r s o n a ls p a c ea n dt h ed e v i c e $ c o m m u n i c a t i n gw i t h e a c ho t h e rc o i t i p o s eaw i r e l e s sn e t w o r kw i t h o u ta n yc e n t e r m a n a g e m e n td e v i c e i ti sa ni m p o r t a n ti s s u ef o rw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r kt oa b l et os u p p o r tm e s ht o p o l o g y e n e r g ye f f i c i e n c yi sa ni m p o r t a n tc o n s i d e r a t i o nf o rm o b i l ed e v i c e sw i t hb a t t e r yp o w e r e di nw i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k e a c hs u b 1 a y e ro fc u r r e n tp r o t o c o l sf o rw i r e l e s sp e o n a la l g an e t w o r kn e e dt of i tt h em e s h t o p o l o g y , e s p e c i a l l yt h em a cs u b - l a y e ra n dn e t w o r ks u bl a y e r a n da l s oc r o s s l a y e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o n t h e o r yc a nb ei n t r o d u c e dt ot h i sf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h e s et o p i c s f i b t t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h em e s he n a b l e dw i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k a sw e l la st h ec u r r e n tp r o g r e s so fr e s e a r c hi nm e s hn e t w o r k s a n dt h e ni ti n t r o d u c e ss t a n d a r d so fw i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s ，i n c l u d i n gi e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r da n di e e e8 0 2 1 5 5s t a n d a r df o rm e s he n a b l e d1 0 w - r a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k a f t e rt h i s ，i tp r e s e n t sao p t i m i z i n ge x p a n d i n gr i n gs e a r c hf o rm e s he n a b l e d l o w r a t ew i r e l s sp e r s o n a la r e an e t w o r k i ti n t r o d u c e sal o c a l h e l l op r o c e s st og a t h e ro n eh o pn e i g h b o r i n f o r m a t i o nb e f o r et h eg l o b e lh e l mp r o c e s si n v o k e d 。w h i c hr e d u c e sc h er e d u n d a n th e l l of r a m en u m b e ro nt h e n e t w o r k t h es i m u l a t i o nr e s u l tv a l i d a t e st h eo p t i m i z a t i o n t h e n ，a na n a l y t i c a lm o d e lf o rt h et h r o u g h p u ta n de n e r g y e f f i c i e n c yo ft h ee c m a 3 6 8p r i o r i t i z e dc o n t e n t i o na c c e s sm e c h a n i s mi sp r e s e n t e d i n t h i sd i s s e r t a t i o n i t a n a l y s i z st h et h r o u g h p u ta n de n e r g ye f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tl e n g t hp a y l o a df r a m ea n dd i f f e r e n td a t ar a t e ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts u p p o r t sa n a l y s i sb a s i c a l l y a n da l s ot h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sal l e wm e d i u ma c c e s sc o n t r o l a l g o r i t h mf o rm e s he n a b l e dl o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k g u a r a n t e e dc o n t e n da c c e s sp e r i o d t h e g c a pp r o t o c o ld i v i d e sc o n t e n da c c e s sp e r i o do ft h es u p e f f r a m ei n t om u l t i - g c a p s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e st h a tt h en e wm a c a l g o r i t h mi m p r o v e dt h ee n e r g ye f f i c i e n c yo fm e s hw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k i na d d i t i o n ，i td i s c u s s e st h ec r o s sl a y e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e si nt h em e s he n a b l e dw i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k a tt h ee n d i tg i v e st h ec o n c l u s i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dr e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s 】w i r e l e s s m e s h n e t w o r k s ；r o u t i n g ；m e d i u m a c c e s s c o n t r o l ；t h r o u g h p u t ；s u p e r f r a m e ；c s m a c a p r i o r i t i z e dc o n t e n t i o na c c e s s ； 缩略语 缩略语 w w a n ，w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ，无线广域网 w m a n 。w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，无线城域网 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 ，无线局域网 w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，无线个域网 m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，媒体控制接入 p h y ，p h y c a ll a y e r 。物理层 c s m a ，c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c e s s ，载波侦听多点接入 c s m a c a ，c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n a v o i d a n c e ，载波侦听多点接入，避免冲撞 p n c ，p i c o n e tc o o r d i n a t o r ，协调点 c a p , c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，竞争接入周期 c f p , c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，非竞争接入期 g t s ，g u a r a n t e e dt i m es l o t ，保证时隙 p c a ，p r i o r i t i z e dc o n t e n t i o na c c e s s ，优先竞争接入 d r p ，d i s t r i b u t e dr e s e r v a t i o np r o t o c o l ，分布式预留协议 g c a p ，g u a r a n t e e dc o n t e n t a c c e s sp e r i o d ，有保证的竞争接入期 b o p ，b e a c o no n l yp e r i o d ，信标期 m p n c ，m e s hp i c n e tc o o r d i n a t i o r ，m e s h 网络协调器 r t s ，r e q u e s tt os e n d ，发送请求 c t s ，c l e a rt os e n d ，清除请求 a c k ，a c k n o w l e g m e n t ，应答 l q i ，l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，检测接收数据包的链路质量指示 c c a ，c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，空闲信道评估 i v d ，f u l l f u n c t i o nd e v i c e ，全功能设备 r f d ，r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，精简功能设备 姗t ，m a ch e a d e r ，帧头 m f r ，m a cf o o t e r ，帧尾 m a c ，m a cs e r v i c ed a t au n i t ，服务数据单元 a c ，a c c e s sc a t e g o r y ，接入类型 v 东南大学硕士学位论文 p p d u ，p h y s i c a lp r o t o c o ld a t au n i t ，物理层协议数据单元 t x o p ，t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t y ，传输时机 p l c p ，p b y s i c a ll a y e rc o n v e r g e n c ep r o t o c o l ，物理层汇聚协议 a i f s ，a r b i t r a t i o ni n t e r - f r a m es p a c e ，给定帧问间隔 s i f s ，s h o r ti n t e r - f r a r ms p a c e ，短帧间间隔 d e v ，d e v i c e ，设备 a p ，a c c e s sp o i n t ，接入点 m a s 。m e d i u ma c c e s ss l o t ，媒体接入时隙 b a t ，b l o c ka d d r e s st a b l e ，块地址表 i _ s t ，“n ks t a t et a b l e ，链路状态表 r r l t i m et ol i v e ，生存期 c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ，信道状态信息 插图目录 插图目录 图1 - 1 无线通信系统速度距离示意图。2 图l 一2 星形拓扑和点对点拓扑3 图2 - 1l r - w p a n 网络组件和拓扑关系。8 图2 2 星型网络和点对点网络 图2 - 3 超帧结构 图2 4 设备向协调器发送数据 1 0 1 ： 图2 - 5 协调器向设备发送数据。1 2 图2 - 6c s m a c a 算法1 3 图2 - 7 每一枝节点数的计算过程1 6 图2 - 8 两跳链路状态( 以节点j 为中心) 1 7 图3 - 1h e l l o 帧接收处理流程图2 6 图3 - 2l r w p a nm e s h 网络仿真场景2 7 图3 - 3h e l l o 帧开销随h e l l o _ c o u n t 变化的曲线2 8 图3 4 端到端分组成功率随h e l l o _ c o u n t 变化的曲线2 8 图3 - 5 分组平均跳数随h e l l o _ c o u n t 变化的曲线2 9 图3 - 6h e l l o 帧开销随m a x h o p s 变化时的曲线3 0 图3 - 7 分组平均跳数随m a x h o p s 变化的曲线 图4 1e c m a 3 6 8m a c 协议超帧结构3 4 图4 - 2e c m a 3 6 8m a c 协议的p c a 退避模型3 6 图4 - 3 不同负载时的站点平均吞吐率性能 图4 _ 4 不同的数据传输速率下的站点吞吐率 图4 5 不同负载时的站点能耗效率 图“不同传输速率下的站点能耗效率4 2 图5 1 信标非使能的网络中采用的数据传输模式4 3 图5 2 多信标的超帧结构4 4 图5 3 点到点的应用场景4 5 图5 4 互相退避问题示意图” 图5 5g c a p 多信标超帧结构4 6 东南大学硕士学位论文 图5 - 6m e s h 结构拓扑图 图5 7c - c a p 分配示意图4 7 图5 8g c a p 数据转发算法 图5 9 归一化吞吐率随包生成速率变化的曲线 图5 1 0 归一化能耗随包生成速率变化的曲线5 0 图5 1 l 包平均接入时延随包生成速率变化的曲线。 幽5 1 2 跨层设计和联合优化示意图5 2 表格目录 表1 - 1 主流w p a n 技术一览 表格目录 表2 - 1 载波信道特性一览表 表2 2m e s h 帧的一般结构 表2 - 3m e s h 层数据帧结构 表2 - 4m e s h 层控制帧结构1 5 表2 5 控制帧子类型取值。1 5 表2 - 6 邻节点列表1 7 表2 7 连通性矩阵举例1 8 表2 - 8m e s h 路由选择和数据转发伪代码1 9 表3 - 1h e l l o 帧格式一。2 3 表3 2g l o b a lh e l l o 帧格式 表3 - 3l o c a lh e l l o 帧格式2 5 表3 - 4 仿真参数及取值 表4 1 接入类型用户优先级 表4 五不同a c 的p c a 参数3 5 表4 3 仿真参数和取值 表5 1 多信标超帧中的信标负载信息 表5 2 仿真参数和取值4 9 表5 - 3 各层次可以被交换的信息一5 2 6 7 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：酃盔逝日期：型金：! ：翌 i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着人们生活水平的提高和生活质量的改善，人们对信息通信技术提出了更高的要求。近些年来。通 信以爆炸式的速度发展，从有线到无线是通信发展中的一个飞跃。相对有线通信。无线通信最大的优点是 摆脱了有线连接，而付出的代价则是需要面对恶劣的无线信道环境和有限的频谱资源，因此，也面临更多、 更大的挑战。另外，现今的无线网络大多都采用的是点对多点的通信方式，无论是蜂窝通信的基站与终端， 还是无线局域网的a p 与终端都是这种形式。这样的通信方式或者说拓扑结构具有简单可靠的特点，但覆 盖范围和网络扩展的灵活性却很有限，为改善这一缺陷，无线通信领域兴起了一个新的研究热点无线 m e s h 网络。 本章将从无线通信网络发展现状出发，介绍本文所重点研究的m e s hw p a n 网络的相关背景，并提出 本文的研究安排。 1 2 无线通信发展现状 无线网络作为移动通信技术和计算机互联网结合的产物，将成为人们实现随时随地自由传递信息的主 要手段平信息社会人们赖以生存的必要条件之一。 根据无线网络的应_ j 范围，可以分成以一f j l 类： ( 1 ) 无线广域网( w w a n ，w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ) 连接某个国家或世界不同部分的设备，主 要指蜂窝移动通信系统。蜂窝移动通信经历了模拟阶段，窄带数字阶段，正进入宽带数字阶段第三代 移动通信时代。第三代移动通信主要包括三个国际移动通信标准：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 。 第四代移动通信的研究在i e e e 8 0 2 2 0 移动广带无线接入( m o b i l e b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ，m b w a ) t 作 组的领导下渐渐拉开序幕。在我国，第四代移动通信作为未来移动通信研究也已经被正式列入国家“8 6 3 ” 研究计划。 ( 2 ) 无线城域网( w m a n ，w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n , 6 k r e a n e t w o r k ) 是一种无线固定宽带接入网络，工 作在直径超过5 0 千米的区域，主要用于整个建筑楼或家庭与骨干通信网的无线接入，相应的标准规范由 i e e e 8 0 2 1 6 工作组指定。 ( 3 ) 无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) 最初定义为有线局域网的无线延伸，现在 则作为高速无线互联网接入技术，应用于机场、工厂、大厦、图书馆、学校等人口密集的热点地方。至少 能够支持大于1 0 0 米的距离，利用网络内部的物理层连接，还能支持至少2 k m 距离的通信。主要的标准 包括由i e e e 8 0 2 1 1 工作组制定的i e e e 8 0 2 1 l a b g 等。 ( 4 ) 无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是一种用于连接家庭各种家电、娱乐设 备的无线网络，作用距离在1 0 米范围内。w p a n 分低速和高速两种，i e e e 8 0 2 1 5 4 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 是低速w p a n 标准，而i e e e 8 0 2 1 5 3 1 2 1 则是高速w p a n 标准。 图1 1 【删是满足不同距离和速率的无线网络的速率距离示意图。 东南大学硕士学位论文 速率 1 0 1 0 0 图1 - 1 无线通信系统速度距离示意圈 从图中可以看出人们对无线产品的距离和速率需求呈现出多样性，因此任何单独一种无线两络都不能 满足所有的需求，因此最终期望的无线网络是由各种无线网络无缝连接的，与各种有线通信网络互通的， 可以在任何时间、任何地点、与任何人进行通信的全球统一的信息传输网络。 1 3 无线个域网简介 无线个域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 是无线通信领域的热点研究讽题之一，其目标是 解决如何让人们将网络随身携带的闯题。w p a n 是能在便携式电器和通信设备之间进行短距离特别连接 ( a dh o ec o n n e c t i v i t y ) 的网。w p a n 的覆盖范围一般是半径为l o 米左右的区域。特别连接”包含两层意 思。一是指设备既能承担主控功能、又能承担被控功能的能力；二是指设备具有加入或离开现有网的方便 性。 w p a n 和一般意义上的无线局域网( 如办公室局域网或家庭局域阿) 之间有一个非常大的区别。w p a n 是移动中的网络，只能采取无线接入，而且要求自动接入，而其它的局域网大多属于固定网络，既可以采 用无线，也可以采用有线方式互连。无线个人区域网的目的是“解决最后的几米电缆”的问题，同时“将无线 联网进行到底”。i e e e 组织对w p a n 的规范标准主要集中在8 0 2 1 5 中，主要研究用于w p a n 的无线媒体 接入控制( m a c ) 和物理层( p l a y ) 规范。目前国内外主流研究的w p a n 技术有：b l u e t o o t h 、i r d a 、h o m e r f 、 u w b 等，它们均有各自的影响力。如表i - i 网1 所示。 表1 - 1 主流w p a n 技术一览 速率蘧e e 工作组商业名称 低速 正髓8 0 2 1 5 1 正e e8 0 2 1 5 1 ab l u e t o o t h 高速 m 髓8 0 2 1 5 3 超高速 m e e8 0 21 5 3 a w i m e d i a m b o a u w bf o r u m 低速低功耗 正e e8 0 2 ，1 5 4 ，正e e8 0 2 1 5 4 a z i g b e e 2 第1 章绪论 1 4 无线m e s h 网络简介 分布式是短距离无线通信网络短距离无线通信的重要网络特征，有别于基于网络基础设施的无线通信 技术。基于网络基础设施的无线通信技术包括2 g 3 g 蜂窝移动通信、无线局域网、数字集群通信等，用户 终端需要集中式地接入网络才能享受通信服务。而短距离无线通信网络无线通信主要是终端之间的短距离 对等通信，如果要跨微微网通信则需要接入点进行中继，因此要求有相应的空中接口和高层协议设计的支 持，无线资源管理通常在微微网内采用竞争的方式，而在专用接入点和通用接入点间建议采用资源预留的 方式。 在分布式网络研究领域，近来发展的无线m e s h 网络技术有望给无线宽带领域带来重大变革在使用 无线多跳a dh o e 和m e s h 技术建设的网络中。网络中的每个节点都具备路由的功能，每个节点只和邻近节 点进行通信，因此是一种自组织和自管理的网络。实际上，无线多跳a dh o e 和m e s h 网络更像是i n t e r a c t 本身的一种无线版本，分包数据从一个路由到另一个路由进行传递直至到达其目的地，这些特点使无线多 跳a dh o e 和m e s h 网络比起传统的点对多点来具有诸如：话能、自动配置和易扩容等很多优势，很多公司如 诺基亚公司、北电公司等开始将无线多跳a dh o c 和m e s h 网络技术用以宽带网络接入( 口b 髓8 0 2 1 l n ) ，并 且相关的无线路由器等产品也已开始商用。而无线多跳a dh o e 和m e s h 网络技术与短距离无线通信网络接 入技术相融合，应用于泛在短距离无线通信网络，更将深刻影响无线宽带接入的未来l ”。 目前，无线m e s h 网络正处于研究与初步应用阶段，在i e e e8 0 2 各无线接入标准化组织中都有涉及， i e e e8 0 2 1 5 已成立了无线个域网m e s h 工作组( t g 5w p a n m e s hn e t w o r k i n g ) 。本论文关于m e s h 网络的 研究主要内容在i e e e8 0 2 1 5 标准化组织中正在积极的进行讨论和提出方案，而在短距离无线通信网络的 背景下研究m e s h 网络技术也是目前国际研究领域的一项空向1 7 j 【”1 。 1 4 1 拓扑结构 无线m e s h 网络也称无线网状网、无线网格网。传统的无线网络多是点到多点的星型网络，如 i e e e s 0 2 1 i t 6 1 无线l a n ，所有终端节点必须与中心节点交换数据。而m e s h 网络是一种点对点的网状网络， 在这一点上类似于移动a dh o e 网络( m a n e t ) ，但其结构相对后者更多样，移动性相对较小。星形拓扑 和点对点网络拓扑结构如图1 - 2 i s 】所示。 点 o 终墙节点 。半功艟点 图1 - 2 星形拓扑和点对点拓扑 无线m e s h 网络是种点对点网络，它代表一种拓扑结构由此引发m a c 层路由层等层的协议变化。 这种m e s h 结构可以用于不同种类的网络，如i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网，i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网，i e e e 5 0 2 1 5 3 东南大学硕士学位论文 无线个域网。在无线m e s h 网络中，全功能点之间构成网状结构。可以互相通信而不必通过中心节点。传 统星型网络在操作与维护的费用、安装与扩容的速度、位置的适应性、可测量性等均存在着诸多不足。而 点对点的网状网络对以上这些指标的性能将会有较大的提高。无线m e s h 与传统无线星型网络的差别在于： 无线m e s h 采用了对等式的网络拓扑，需要在一种分布式网络环境中进行构建。每个节点只与其临近节点 进行通信，并且具有数据的转发功能，可以向网络中的其它节点转发它所接收到的数据包因而无线m e s h 也是一种自组织和自管理网络。 1 4 2 无线m e s h 网络的优点 相比于传统的无线网络无线m e s h 网络具有以下一些优点”1 ： ( i ) 网络可靠性大大增强。无线m e s h 婀络的网格拓扑结构避免了点对多点的星型结构。如8 0 2 1 1 w l a n 和蜂窝网等由于集中控制方式而出现的业务汇聚，中心网络拥塞以及干扰，单点故障而需要额外的 可靠性投资成本。 ( 2 ) 简化链路设计。无线m e s h 网络需要较短的单跳无线链路，所以不需要安装天线塔，天线通常安装 在屋顶，电线杆和灯柱上，这样可以降低天线成本，另一方面降低了发射功率，也将随之减小了不同系统 射频信号问的干扰和系统白干扰，最终简化了无线链路的设计。 ( 3 ) 网络覆盖范同增大。传统的点对多点的网络拓扑结构。网络的覆盖仅限于单跳范丽内，如现在的 狮一f i 技术，引入m e s h 结构后，网络覆蔫范围通过多跳大大扩展。 ( 4 ) 组网灵活，维护方便。由于无线m e s h 网络本身的组网特点，只要在需要的地方加上m e s h 路由器， 即可与已有的设施组成无线网络。而其无线m e s h 网络的路由选择特性使得链路中断或局部扩容和升级不 影响整个网络的运行。 ( 5 ) 投资成本低，风险小。无线m e s h 弼络的初建成本低，具有可伸缩性，易扩展。并且无线m e s h 网 络一般使用非许可证频段，所以为用户节省了服务开支。 1 4 3 无线m e s h 网络与a dh o c 网络 至此，可能大家会想起熟悉的a d h o e 网络，两者都是点对点( p 2 p ) 的自组织多跳网络，那无线m e s h 两络和a d h o e 网络有什么不同呢? 无线m e s h 网络和a dh o e 网络很类似，可以把无线m e s h 网络看成是a dh o e 网络的另一个版本或移 动a d h o e 网络的种特例，他们的主要区别在于：首先，a d h o e 网络强调节点的移动性，网络拓扑结构 的快速变化性，而无线m e s h 网络中的节点移动性相对较小或静止，网络拓扑结构变化较慢。其次，在业 务功能上a d h o c 网络主要强调的是节点和节点之间的数据业务。而无线m e s h 网络强调的是其与本网络的 外部网络交互的业务。如在m e s h 结构无线传感器网络中，主要业务是将传感器节点收集到约数据通过多 跳传输汇聚到网关节点，再传送到远程数据库。而在m e s h 结构的w i f i 网络中，主要业务是节点的因特网 接入业务”j 。 4 第1 章绪论 1 5m e s hw p a n 网络及其标准化现状 所谓的m e s hw p a n 网络指的是支持m e s h 结构的无线个域网。当前对无线m e s h 网络的研究主要集中 在w l a n 和w m a n 领域，以w p a n 为背景对无线m e s h 网络展开研究是本文的一大特色。 无线个域网络标准规范i e e e8 0 2 1 5 提供了简单、低耗能、短距离无线连接的标准，是i e e e 工作组为 无线个域n ( w p a n ) 开发的，正发展成为包括便携式和移动计算设备的个域网( 队n ) 或短距离无线网络的标 准。表1 - 2 5 1 峪出了i e e e s 0 2 ，1 5 系列中的各项子协议。 表1 - 2i e e e 8 0 2 1 5 系列协议标准 i e e e8 0 2 1 5 子工作组定义内容 正e e8 0 2 1 5 1蓝牙1 1 正匣e8 0 2 1 5 1 a 蓝牙1 2 正e e8 0 2 1 5 2w l a n 与w p a n 的共存 正e e8 0 2 1 5 3 高速无线个域网 i e e e8 0 2 1 5 3 a ( 已解散)u w b 正e e8 0 2 1 5 4 低速无线个域网 强e8 0 2 1 5 5 w p a n 的m e s h 结构补充 由于本文的重点是i e e e 8 0 2 1 5 3 和i e e e 8 0 2 1 5 4 以及i e e e8 0 2 1 5 5 协议，下面主要对其做介绍。 i e e e8 0 2 1 5 3 f 2 1 定位为高速无线个域网( h r w p a n ) 。i e e e8 0 2 1 5 3m a c 标准从设计之初就力求支 持a dh o c 组网方式、多媒体q o s 保证和完善的功率管理。当网络运行在a dh o c 方式时，根据当时网络 的条件，设备可以自主选择是作为主设备运行，还是作为从设备运行。设备可以很方便的加入一个正在运 行的a d h o c 网，也可以很方便的离开其止在运行的a d h o c 网络( i e e e8 0 2 1 5 3 中称之为微微网，p i c o n e t ) 。 但是由于它仅仅是定义了物理层和m a c 层的一些规范，其本身并不支持m e s h 结构。后面要说的i e e e 8 0 2 1 5 5 中的前一部分正是对i e e e8 0 2 1 5 3 的改进使之支持m e s h 结构。 i e e e8 0 2 1 5 4 标准”1 为低速无线个域网( l r w p a n ) 制定了物理层和m a c 子层协议。由于低速个 域网( 1 0 w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，l r w p a n ) 的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很 多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准。l r - w p a n 网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信 网络，它使得在低电能和低吞吐量的应埘环境中使_ l j 无线连接成为可能。 但i e e e8 0 2 1 5 4 同i e e e8 0 2 1 5 3 一样，它仅仅是定义了物理层和m a c 层，所以其本身并不支持m e s h 结构。后面要说的i e e e8 0 2 1 5 5 中的后一部分正是对i e e e8 0 2 1 5 4 的改进使之支持m e s h 结构，具体在 后面章节描述。 i e e e8 0 2 1 5 5 p 1 目前还处于开发阶段，其定位为w p a n 的m e s h 支持，主要是对i e e e8 0 2 1 5 3 和i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层的改进和扩展。目前其最新的协议草案的i e e e 编号是 1 5 - 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