（通信与信息系统专业论文）bwa系统的mesh网络协议研究.pdf

摘要 摘要 在固定宽带无线接入的m e s h 网络中，每个节点都具备路由选择功能，只和邻近的节 点通信，构成自组织和有管理的网络。网络几乎是互联网的无线版本，数据报文从一条 路由到另一条路由进行传播，直至到达目的地。m e s h 技术与传统的点对多点相比，具有 节能、自动配置和易于扩展等许多优点。i e e e 于2 0 0 4 年发布的8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准支持m e s h 结构的网络。本文主要对支撑m e s h 结构的固定宽带无线接入系统的相关协议进行了研 究，对m e s h 网络进行了仿真，并在v c 6 0 并i m a t l a b 平台下仿真研究了这种网络中m e s h 节 点的路由选择问题以及相邻小区之间的干扰问题。 本文首先介绍了无线m e s h 网络，分析了它的优缺点。接着，介绍了宽带无线接入 标准i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，包括物理层和m a c 层规范，重点介绍了8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准中有关 m e s h 结构的一些规定。最后结合8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准，对m e s h 网络进行了仿真，并参考n o k i a 公司开发的r o o f t o p t m 无线网络，提出了一个基于m e s h 结构的宽带无线接入网络仿真方 案，研究了这种网络中m e s h 节点的路由选择问题以及相邻小区之间的同频干扰和异频干 扰，对仿真结果进行了分析。在论文的最后部分，总结了全文的工作，提出相关领域中 一些值得进一步研究的技术。 关键词：宽带无线接入系统、i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 、m e s h 网络、路由选择 a b s t r a c t a b s t r a c t i nf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sm e s hn e t w o r k ，e v e r yn o d ei sc a p a b l eo fs u p p o r t i n g s e r v i c eo fr o u t i n gw h i c ho n l yc o m m u n i c a t e sw i t hi t sn e i g h b o r sa n df o r m sak i n do f s e l f - o r g a n i z e da n da d m i n i s t r a t e dn e t w o r k t h en e t w o r ki sa l m o s tw i r e l e s se d i t i o no fi n t e r n e t ， w h e r eo n ed a t a g r a mt r a n s f e r sf r o mo n ep a t ht oa n o t h e rp a t h 吐ui tr e a c h e sd e s t i n a t i o n u n l i k e t r a d i t i o n a lp o i n tt om u l t ip o i n tm o d e ，m e s hn e t w o r ki sa l o n gw i t ht h em a n ya d v a n t a g e ss u c h a ss a v i n ge n e r g y , s e l fc o n f i g u r i n g ，e a s ye x p a n d i n ga n de t e t h es t a n d a r di e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 w a sa p p r o v e di na p r i l2 0 0 4 ，w h i c hs u p p o r t sm e s ht o p o l o g i e s t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h e s t a n d a r d ，t h e nt h ee x p e r i m e n t s ，b a s e do nac o m p l i c a t e ds i m u l a t i o nm e s hn e t w o r k ，w i l lh e i n t r o d u c e d w er e s e a r c ht h er o u t i n gs t r a t e g i e sa n dt h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e mi nt h ei n t e r - c e l lb y u s i n gv c 6 0a n dm a t l a b t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e s t h ec o n c e p to fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，a n da n a l y z e si t s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s e c o n d l yw ei n t r o d u c e sb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss t a n d a r d ， i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，i n c l u d i n gp h ya r c h i t e c t u r ea n dm a cs p e c i f i c a t i o n ，e m p h a s i so ns o m e s p e c i f i c a t i o n sa b o u tm e s hn e t w o r ki nt h e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4s t a n d a r d t h i r d l y , b a s e do nt h es t a n d a r d i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，a n dr e f e rt or o o f t o p t mo fn o k i ac o m p a n y ，w ep r e s e n tas i m u l a t i o n s c e n a r i ot os t u d yt h er o u t i n gs t r a t e g i e sa n dt h ei n t e r f e r e n c eo fi n t e r - c e l li nm e s hn e t w o r k ，a n d a n a l y z et h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , w cs u m m a r i z ef u l lw o r ko ft h et h e s i s ，a n dp r o p o s e s o m et e c h n i q u e sw h i c ha r ew o a hf u r t h e rs t u d y i n gi nt h er e l a t i v er e s e a r c h i n gf i e l d s k e y w o r d s ：b w a ，i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，m e s hn e t w o r k ，r o u t i n g 图表索弓 图表索引 图1 固定宽带无线接入( 删a ) 系统参考模型2 图2m e s h 网络应用示例，3 图3 无线m e s h 网的结构6 图4 无线m e s h 网与其他无线接入技术的结合1 3 表i8 0 2 1 6 标准体系一览表1 6 图5i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 协议栈参考模型1 6 图6m e s h 模式下帧结构1 8 图7m a cp d u 格式2 l 表2 姒c 头格式2 2 图8m a c 管理消息格式2 3 表3m a c 管理消息2 4 图9 网络接入中的消息传送序列( 没有重传和超时情况) 2 7 图1 0 三次握手过程2 9 图l l 数据报套接字服务的工作流程示意图3 3 图1 2 拓扑图生成算法流程图3 4 图1 3 基站路由管理程序顶层模块流程图3 6 图1 4 邻接表表头向量数组p a t h 实例3 8 表4 主机信息表e h o s t 3 9 表5 邻接点信息表g a 3 9 表6 最短路径表y o u t e 3 9 表7 最优路径表r o u t e f 3 9 图1 5 数据库内节点信息表4 2 图1 6 数据库内邻接矩阵表4 3 图1 7 数据库内最短路径信息表4 3 图1 8 用户站申请最优路径4 3 图1 9 基站计算的最优路径4 3 图2 0 数据库内最优路径信息表4 3 图2 l 多扇区m e s h 配置4 4 表8 不同环境下路径损耗指数4 7 表9 用户a c t i v i t yp r o f i l e 4 8 表1 0 数据包分布近似值4 8 图2 2r o u t i n g _ t yp e = m i n i m i z e _ h o p s 时的路径图( n o d e s = 6 0 ) 5 0 图2 3r o u t i n g _ t yp e = m i n i m i z e _ e p b 时的路径图( n o d e s = 6 0 ) 5 0 图2 4 对最近的节点造成的同频干扰累计分布函数曲线( n o d e s = 6 0 ) 5 l 图2 5 对最近的节点造成的异频干扰累计分布函数曲线( n o d e s = 6 0 ) 5 2 缩略语表 缩略语表 a p ( a c c e s sp o i n t ) 接入点 a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 自动重复请求 删( a s y n c h r o n o u st r a m f e rm o d e ) 异步传输模式 a t p c ( a u t o m a t i c t r a n s m i t p o w e r c o n t r 0 1 ) 自动发射功率控制 b s ( b u s es t a t i o n ) 基站 b w a ( b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ) 宽带无线接入 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 码分多址 c i d ( c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) 链路标识 c p s ( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 公共部分子层 c r c ( c y c 址f e d u n d a n c yc h e c k ) 循环冗余校验 c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 会聚子层 d a m a ( d e m a n da s s i g n e dm u r i p l ea c r o s s ) 按需分配多路接入 d f s ( d y n a m i cf r e q u e n c ys e l e c t i o n ) 动态频率选择机制 d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 动态主机配置协议 d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 密集波分复用 f d d ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 频分双工 f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e xa c c e s s ) 频分多址 g p c ( g r a n tp e rc o n n e c t i o n ) 每条链路授权 g p s s ( g r a n t p e r s s ) 每用户授权 g s m ( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) 群组专用移动通信体制 i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网际协议 l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 本地多点分布系统 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ) 媒体接入控制层 m p o a ( m u k i p r o t n c o lo v e ra t m ) 多协议在a t m 上运行 m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 多协议标签交换 o f d m ( o r t h o g o u a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 正交频分多址 o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 正交频分多址接入 l o s ( 1 i n e o f - s i g h t ) 视距 p b r ( p i g g y b a c kr e q u e s t ) 捎带请求 p d u ( p r o t o c o ld a t au 血) 协议数据单元 p h s ( p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n ) 净荷头压缩 p m ( p o l l - m eb i t ) 询我比特位 p m p ( p o i n tt om u l t i p o i n t ) 点对多点 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 服务质量 东南大学硕士研究生论文 s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 同步光纤接入技术 s d m a ( s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e x a c c e s s ) 空分多址 s d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) 业务数据单元 s n i ( s e r v i c e t o n o d ei n t e r f a c e ) 业务节点接口 s s ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 用户站 t d d ( t i m e d i v i s i o n d u p l c x ) 时分双工 t d m a ( i i m c d i v i s i o n m u l t i p l e x a c c 8 s ) 时分复用接入 u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 主动授权业务 u n i ( u s e r - t o - n c t w o f k i n t e r f a c e ) 用户网络接口 g r t m a x ( w o r l d i n t c r o p e r a b i h t y f o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 全球微波接入互操作系统 w l a n ( w t r e l e s sl o c a l a r c an c t w o r k s ) 无线局域网 w m a n ( w h - c l c s s m e u d p o l i t a n a r e a n e t w o r k s ) 无线城域网 w p a n ( w 】i c l c s s p e n o n a l a r e a n e t w o r k s ) 无线个域网 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：筮叁整 日期：型：主 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。 一躲一燧轹辫飙一 第一章绪论 第一章绪论 随着通信的发展及“信息高速公路”概念的提出。电信运营商不仅要提供基本的电话、传真、 数据等窄带业务，还需提供集视频、话音、数据于一体的宽带综合业务。随着以密集波分复用技术 ( d w d m ：d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、同步光纤接入技术( s d h ：s y n c h r o n o u sd i g i t a l h i e r a r c h y ) 为主的光纤骨干传输网和以异步传输模式( a t m ：a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e ) 、网际协 议( 1 p ：i n t e r n e tp r o t o c o l ，) 为主的交换平台的建成，核心网络的建设已具有相当规模，基本可满足 目前通信的需要，而瓶颈存在于接入网方面，接入网是影响通信网络面向宽带化、智能化和综合化 发展的关键。 接入网的分类方法有很多种，按传输媒介可分为有线接入和无线接入，按对移动性的支持可分 为移动接入和固定接入，按服务带宽可分为窄带和宽带接入等，本文隶属于固定宽带无线接入范畴， 下面先就宽带无线接入作简单介绍。 1 1 宽带无线接入( b w a ) 的发展及现状 最近几年来宽带无线接入( b w a ；b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 技术引起了人们的广泛关注，相 对于其它宽带接入技术，宽带无线接入系统具有投资少，建设周期短，提供业务快等优点。基于这 些优点，宽带无线接入技术得到了运营商的青睐。目前，在城域网已经得到广泛应用的宽带无线接 入技术包括3 5 g h z 固定无线接入技术和2 6 g h z 本地多点分布系统( l m d s ：l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 等，它们一般采用点到多点的拓扑结构，将需要提供服务的地区分为若干服务区， 每个服务区内设主站，采用扇区覆盖，主站设备经点到多点无线链路与服务区内的远端用户终端通 信。以上两种无线接入技术均属于固定无线接入技术，其用户站在工作时不能移动。因此无法满足 用户对移动数据业务的需求。此外，目前市场上这两种技术的产品的空中接口大都属于私有接口， 标准化程度很低，不同厂商的产品无法实现互通，这限制了无线接入产品的大规模商业化。因而针 对这些情况制定的i e e e 8 0 2 1 6 系列标准应运而生。 为了加大i e e e8 0 2 1 6 标准的市场化力度，2 0 0 1 年4 月，参与标准化工作的厂商发起成立了旨在“推 广遵循i e e e s 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 的宽带无线接入设备，并确保其兼容性及互用性”的非营利组织 全球微波接入互操作系统m 伽a x ：w o r l d i m c r o p c m b i l i t y f o r m i c r o w a v e a c c e s s ) 。目前w m i a x 的成员已经 扩展到1 0 5 家公司和组织，其中不乏英国电信、法国电信、三星、诺基亚、摩托罗拉、西门子、阿尔 卡特、英特尔这样的重量级企业，涵盖了包括运营商、通信设备制造商及半导体和部件制造商在内 的整个产业链。 实际上，目前包括阿尔卡特和西门子在内的设备制造商已开始生产w i m a x 设备，英国电信则 已在英国4 个城市开始了试运营。而英特尔在2 0 0 4 年后期开始生产用于固定无线宽带设备的w i m a x 东南大学硕士研究生论文 芯片组；2 0 0 5 年，为家庭和企业推出w l m a x 固定宽带无线接入服务；2 0 0 6 年，为笔记本用户推 出w i m a x 可携带宽带无线接入服务为了达到上述目标英特尔公司已经与国内的大连和成都市 政府签署了谅解备忘录。拟在两城市布设最新的w i m a x 宽带无线技术。 i e e e 8 0 2 1 6 协议的出现标志着宽带无线接入将作为一个新的主要途径，把各商业机构和家庭接 入全球电信核心网。b w a 作为解决接入网瓶颈的有效手段，对新兴运营商来说是一种有效成本的选 择，并且随着标准的完善和市场的成熟，在可预见的将来，b w a 将得到进一步的发展。 1 2b w a 系统组成和参考模型 b w a 系统通常指主要用来在用户终端和核心网间传递宽带业务的固定无线系统m2 。1 。b w a 系 统通常采用“点到多点”( p m p ：p o i n tt om u l t i p o i n t ) 拓扑结构。l m d s 本地多点分配业务系统，是第 一代b w a 系统，而i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 协议描述的是第二代b w a 系统。系统至少包含一个基站( b s ： b a s es t a n o n ) 和多个远端n p 站( s s ：s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 。另外一个基于p m p 拓扑的固定宽带无线接 入标准是欧洲电信标准协会发布的h i p e r a c c e s s 。b w a 系统的通用参考模型如图1 所示。 、r 全向或扇区天线s n l 用户站网络接口s s 用户站r s 中继站 r 高定向天线b n i 基站厢络接口b s 基站t e 用户终端设备 图l 固定宽带无线接入( b w a ) 系统参考模型 b w a 的典型系统包括：中心站或称b s 、s s 、用户终端设备f i e ) 、核心网设备、小区间链路、 中继站( r s ) 等其它设备。组建城域网时，还包括网管系统( n m s ) 和光缆等基础设施。b w a 系统通常 采用“点到多点”拓扑结构。每个b s 覆盖一个蜂窝小区，小区内可划分多个扇区。下行，是点到 多点，每个b s 覆盖一个蜂窝小区。上行是点对点。s s 以高定向天线对准b s 。系统可采用q p s k ， 4 q a m ，1 6 q a m ，6 4 q a m 等调制方式。调制阶数越高频谱利用率越高，但衰落储备越小，相同 条件下小区覆盖范围越小。混合选择多种调制方式能增加系统容量。 b s ；提供b w a 系统到核心网的业务节点接t ( s n i ：s e r v i c e - t o n o d ei n t e r f a c e ) ，( 典型设备支持 a t m 。e i t i 等接口，部分厂家直接支持以太网接口) 。它负责无线资源管理，完成a t m 交换、话 音交换等处理。b s 可能包括本地交换功能，这使得同一覆盖区内不同用户间信息不需进入骨干网交 2 第一章绪论 换而在基站内部即可完成。基站包括室外单元( 含微波收发信机和天线) 以及室内单元( 含调制解调器、 扇区控制器和网络接口单元) 。 s s ：提供用户终端接入系统的多种用户网络接口c o n i ：u s e r - t o - n e t w o r ki n t e r f a c e ) ( 典型设备支 持以太网，e i t i 等接口，少数具有a t m 接口) 。它负责将用户以t d m a 或f d m a 或o f d m 等无 线多址接入方式接入基站。用户站根据不同的设备供应商差异较大。通常也包括室外单元( 含微波收 发信机、定向天线) 以及室内单元( 含调制解调器和用户网络接口单元) 。 中继站：当b s 在正常覆盖范围内和s s 不具直视( l o s ：l i n e o f - s i g h t ) 条件或要扩展b s 的正常覆 盖范围时，便采用r s 来中继转播b s 的信号到s s 。i t s 下行频率可以和b s 相同也可以不同( 即在不 同的信道上解调和再调制) 。在环状网和网状网拓扑结构中，许多r s 本身就是s s ，也可以接本地用 户终端设备。 用户终端设备：根据s s 支持的不同接口，t e 可以是a t m 子网、l a n 、v o d 电视、i s d n 专 线等多种业务终端。 小区间链路：小区间链路通常使用光纤或点到点的无线链路将多个b s 互联。 天线：b s 天线采用全向或扇区抛物面天线。根据采用天线的不同，可划分为1 5 ， 2 2 5 ，3 0 ， 4 5 ，6 0 ，9 0 度的扇区( 即最少4 个，最多2 4 个扇区) 。s s 天线采用对准基站的小口径高定向性喇 叭天线( 一般天线张角在5 度内) 。采用高交叉极化隔离的天线可实现有效的频率复用。由于系统工作 频段通常在1 0 - 6 6 g h z ，电波遇障碍绕射能力差，并在2 0 3 0 g h z 频段内因降雨引起的散射衰减严重。 因此b s 和s s 的天线须“视通”( l o s ) 以保证无碍通信，并且应有一定的相对架设高度( 俯仰角) 以减 小降雨影响。为减少雨衰，目前通常都采用自动发射功率控制( a t p o 对衰落自动补偿。 1 3b w a 系统的m e s h 网络结构 根据标准i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准的规定，固定宽带无线接入系统可以支持m e s h 型的网络结构。 m e s h 与p m p 网络的基本区别在于：p m p 网络的每个s s 直接与b s 相连，而m e s h 网络则是部分s s 与m e s h b s 直联，其他s s 通过接力的方式逐跳接入b s 。如图2 所示l ”。 图2m e s h 网络应用示倒 3 东南大学硕士研究生论文 m e s h 网络中的每个设备可以根据需要为其他设备转发业务。因此对覆盖范围带来了两种主要影 响： 1 、m e s h 网络的自我配置特性使得每个用户设备周围对应一个微小区，形成了微小区结构，因 此大大降低了所需连接的链路距离。 2 、m e s h 网络根据当时本地传输环境，在设备之问自发选择最优无线链路，在用户设备和路由 设备之间选择最优多跳路由。所以，网络采用了最优无线路径，而不需要运营方为网络采购能用于 最差路径的设各。 从无线传输、链路可用、链路损耗性能方面考虑，m e s h 网络都比p m p 网络性能更优越。在链 路变化时，m e s h 网络更加健壮。如果采用无线链路性能调优时，m e s h 网络覆盖率将获得更加明显 的改善结果。 1 4 本文的内容结构 本文的工作主要集中在b w a 系统的m e s h 网络协议的研究和探讨，内容安排如下： 第一章首先简要介绍了宽带无线接入系统的发展和现状，接着介绍了宽带无线接入系统的组成 参考模型，然后介绍了b w a 系统的一种新型拓扑结构m c s h 结构。最后对本文研究的内容和组 织结构作了简单介绍。 第二章介绍了无线m c s h 网技术。分别从无线m e s h 网的结构、优点及其使用的关键技术、现状 和发展前景进行阐述。 第三章详细介绍了i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准。首先介绍了b w a 系统协议的制定情况。其次从总体 上介绍了i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准，然后重点介绍了i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准对m e s h 拓扑结构的支撑。 第四章具体介绍仿真方案和性能。首先结合8 0 2 1 6a 标准，构建了一个模拟m e s h 网络，然后参 考n o k i a z 。， 。，t m 无线网络，提出了一个基于 m e s h 结构的宽带无线接入网络仿真方案， 研究了这种网络中m e s h 节点的路由选择问题以及相邻小区之间的同频干扰和邻频干扰，并对仿真结 果进行了分析。 最后一章对全文进行总结，分析取得的成果和存在的不足，并指出进一步研究的方向。 4 第二章无线m e s h 同技术 第二章无线m e s h 网技术 近年来，w l a n 在接入领域中得到了迅速发展，依其所具有的巨大数据传输速率，w l a n 被认 为是3 g 或b 3 g 后移动数据通信部分的一个主要竞争对手。但w l a n 有其不足之处，其中最主要的 一个便是受限于其发射功率，接入点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 的覆盖范围较为有限，若要在一个相对较大 的区域提供无线覆盖，就需要在该地区内配置多个接入点。因而增加了建设基于w l a n 的公共宽带 网的成本。虽然人们对此提出了一些解决方法，如通过多种无线技术的共存来提高无线的覆盖和位 置的适应性等等，但这些方法中大多是以增加接入点或降低网络运行效率为代价。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 ) ”7 1 , 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，实现无线宽带领域中的一次变革。 2 1 无线m e s h 网的结构 无线m e s h 网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线网络必须首先访问集中 的接入点c a p ) 才能进行无线连接。这样的话，即使两个节点实际上就是互相挨着，它们也必须通过 接入点才能进行通信。而在无线m e s h 网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接 通信。“m e s h ”这个词原来的意思就是指所有的节点都互相连接，当然实际上绝大多数现代的m e s h 网络只是通过部分节点相互连接。m e s h 网络技术一度曾是一项军方技术，随着人们对w l a n 技术 了解的深入，m e s h 网络才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点。 w i r e l e s sm e s h 可以看作一个无线多跳( w i r e l e s sm u l t i h o p ) 网络w i r e l e s sm e s h 中的每个节点 可与其临近节点直接通信，每个节点都具有数据的转发功能，可以向网络中的其他节点转发它所接 收到的数据。处理消息的方式是把数据帧从一个节点传递到另一个节点，直到数据帧到达目的地。 实际上，w i r e l e s sm e s h 像是i n t e r n e t 网络的一种无线版本，由于节点只和其临近节点通信，从一个 节点发出的数据包将根据协议逐跳传递到目的节点。如果一条路径由于硬件故障或干扰而停止工作， w i r e l e s s m e s h 会自动改变信息包的路由。选择替代的路径到达目的节点。 根据传输媒介的不同，无线m e s h 网可以分为微波无线m e s h 网、红外无线m e s h 网、光无线 m e s h 网。根据无线m e s h 网中用户节点的覆盖距离，又可以分别从无线个域网( w p a n ) 、无线局 域网( w l a n ) 和无线城域网( w m a n ) 来考虑无线m e s h 网的设计。本文的重点就是考虑实现城 域范围内的宽带无线接入的无线m e s h 网络。 城域范围内提供宽带无线接入的无线m e s h 网一般包括网关节点、用户节点、中继节点和网管 系统四部分m o j 。如图3 所示。网关节点是无线m e s h 网和骨干网的接1 ：3 ，一般与高速路由器相连。 在一个无线m e s h 网中，网关节点可以有一个或多个，可以根据网络的容量和可靠性要求逐渐增加。 东南大学硕士研究生论文 实际上任何一个用户节点都可以充当网关节点。用户节点直接与用户终端或用户网络相连，其功能 除了提供业务接口外，还作为一个多端口的无线路由器，完成其他节点业务的中转功能。中继节点 只包含中转功能，用来扩展无线m e s h 网或提高整个网络的性能。网管系统则是对无线m e s h 网进行 配置，此外还具有资源分配、监控、认证等功能。 用户节点 嘲管系统 ( 移 面 图3 无线m e s h 闷的结构 无线m e s h 网与同样采用多跳方式的a dh o e 网也有所区别。a dh o e 网是由移动节点组成的无 线分布式多跳网络，其中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，并且可能有节点经常加入或者退出，网络拓扑不断在变化，整个网络具有不可 预测性，网络规划维护以及协议设计有很大难度，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，这样有利于路由选择、网络管理等操作。 另外一个重要的不同之处是两者的设计目的不一样，a d h 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。无线m e s h 网络是一种高容量高速率的多点 对多点网络，是一种新型的可以解决“最后一英里”瓶颈问题的网络。 2 2 无线m e s h 网的优点 从以上介绍中可以看出，无线m e s h 网在组网与选路等特征上与传统无线星型网存在着明显的 区别。这种结构与传统的点对多点网络结构相比具有较多的优势“”，主要表现为： 1 、可靠性提高 通常提高网络可靠性的方法是让每个节点可以用多条路径进行接续，以便任何一条链路出现故 障时都不会影响到整个网络。而在传统的点对多点网络中，节点的接入采用了星型( s t a r ) 结构，即多 个节点将首先接入到一个中心点，再由中心点接入到网络中。这样一来。若其中某一节点出现了故 障，特别是中心点出现了故障将会影响到整个网络的正常工作，因而这种网络结构的可靠性得不到 6 舒 第二章无线m e s h 同技术 很好的保证。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入。因此，无线m e s h 网具有很高的可 靠性，可以应用于一些特殊领域，如军事、工业控制等。 2 、冲突减轻 无线m e s h 网可以较大程度地减轻业务执行时冲突现象的发生。这是因为无线m e s h 网中提供 了多个可选路径，业务在执行过程中受某一路径冲突的影响便会降低，而且，无线m e s h 网中还提 供了冲突保护机制，那些未经认证的无线链路被应用于执行m e s h 业务而引起冲突时，系统将自动 对此冲突与链路进行标识，并将在此链路上执行的业务转向可选链路中。另外，在无线m e s h 网中 节点的可选链路与本身链路的夹角通常为一钝角，甚至为相反方向，这为减轻链路问的干扰创造了 条件，我们知道天气对无线信道会有一定的影响，如雨天会给无线链路的功率造成一定的衰减。但 是天气的影响是局部的、有方向性的，通常同一方向的可选路由或可选链路处于这种天气条件下的 几率要大于方向相差较大的可选路由或链路，因而呈钝角关系的路由或链路受到这种天气因素的影 响便会大大降低，这也从一个侧面减轻了业务执行时发生冲突的可能性。 3 、简化系统的安装与使用 在p m p 网络中，基站的选址是一个复杂的问题。一方面，基站的天线要有足够的高度，使得大 部分用户不被障碍物遮挡；此外，相邻小区之间的基站要保持合适的距离，以减少互相的干扰；再 次，基站所在位置要有合适的通道连接到骨干网上。尤其是采用微小区来增加系统容量时，基站数 目的急剧增加将使这一问题变得更加复杂。而无线m e s h 网中节点问呈网状或环状连接，相距较远 节点问通信时的数据包将通过多个节点的转发，逐跳传递到目的节点，无线m e s h 网中无线链路的 长度通常会更短，因而无线m e s h 网中对天线传输距离与性能的要求便会大大降低，降低了天线的 成本。二是无线链路越短，所需的发射功率也将随之越低，降低了射频信号间的干扰，从而也减少 了整个网络的自干扰现象的发生。另外无线m e s h 网中的每个用户节点其实都可以充当网关节点， 因此基站选址问题迎刃而解。 4 、覆盖率提高 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不像无线局域网那样受发射功率的影响；同时，较短的节点问距也意味着传 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 网能够供很高的 覆盖率。 5 、维护方便，扩展性增强 无线m e s h 网简化了网络的维护与升级，如前所述，每个节点有多条可选路由，其中某一链路 或路由被切断时并不会影响到业务的正常执行，因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络 的运行，方便了网络的维护与操作。无线m e s h 网的用户自组网功能也方便了网络的扩展。无线m e s h 网的建网初期，可以在部分地区策略性地放置一些种子节点，以便用户接入，这些种子节点和用户 7 东南大学硕士研究生论文 节点在功能上是一样的。由于不需要建设基站， 于网络覆盖率很高，因此可以吸收大量的用户， 可以回收，投入到新的地区使用。 其初始建网成本较低，随后投资可以按需增加。由 一旦系统总的用户数达到一定的容量，种子节点就 尽管无线m e s h 网有着以上这些优势，但这些优点也是建立在对网络的某些特定需求之上的。 首先，如前所述无线m e s h 网中每个节点都具有路由选择功能，因而每个网络节点都需要配置 有若干个路由。并对其进行控制与管理，增加了节点的负担。 其次，相比无线p m p 网络，无线m e s h 网需要在节点间建立更多的无线链路，例如若在某一p m p 网络中有n 个节点连接到一个中心点，所需要的无线链路数即为n 条，而对于w i r e l e s sm e s h ，如果 网络较为稀疏，一环状网络将需要有n + i 条无线链路，如果网络较为密集，就大约需要有2 n 条链 路。 2 3 无线m e s h 网络中的关键技术 在无线m e s h 网的设计中，不仅要考虑需无线传输中的各种问题，如天线设计、多址接入控制 等，还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的相互影响。这就使得无线m e s h 网的 设计要远比传统的无线接入网复杂。具体而言，无线m e s h 网需要解决以下关键技术嘲。 2 3 1 智能天线技术 无线m e s h 网中的天线设计对整个系统的性能和使用有着重大的影响。当采用定向天线时，用 户节点之间通过点到点方式连接，降低了所需的发射功率，同时也减少路径之问的同频干扰，能够 实现很高的频谱效率。但是存在一些其他方面的问题：每个用户节点需要多个定向天线和射频单元， 以保持与相邻节点的连接，相应增加单个用户节点的成本。使用定向天线时，任意两点之间都需要 精确的对准以保证天线的增益。一般需要马达等辅助设备，增加了安装的难度。当有节点加入或退 出网络时，网络的拓扑结构发生变化。需要重新调整定向天线，增加了使用难度。另一种方案是采 用全向天线或区域天线，能够简化系统的安装和使用，但足这样覆盖范围有限，并会带来干扰，导 致频谱利用率下降，网络容量减小。还有一种方案是在一个无线m e s h 网中混合使用这几种天线。 比如在网络的边缘节点使用定向天线，在网络的内部节点使用区域天线或全向天线，但上述的问题 仍然会局部存在。 一种更合适的方案是采用智能天线技术，可以在提高系统性能的同时简化其安装和使用。智能 天线是具有测向和波束成形能力