（通信与信息系统专业论文）基于跨层协作技术的无线mesh网络mac层协议研究.pdf

南京邮电大学硕上毕业论文摘要 摘要 无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线接入系统，是由无线链路连接的路由器和终端设 备组成的多跳无线网络。它可以看作是w l a n 和移动a dh o c 网络的融合，具有可靠性、自 组织性和自愈性等特点。它非常适合于覆盖大面积开放区域，未来的蜂窝移动通信网络、 w l a n 、m a n e t 、w s n 、卫星网络、p s t n 等可以通过无线m e s h 网络集成到因特网中。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 网络的性能起着十分重要的作用。因此，本文主要研究无线m e s h 网络的m a c 协议。 协作通信技术是近几年来无线移动通信领域的一个研究热点，该技术将协作思想运用 于无线通信中，利用节点间的协作传输，有效提高了网络的通信质量。跨层设计技术突破 了传统的模型设计框架，通过合理利用其他层的信息可以有效地克服无线通信环境不确定 因素导致无线信道容量和误比特率的时变特性，使网络某些方面的性能达到一定的改善。 协作通信和跨层设计技术为进一步提高无线m e s h 网络通信质量提供了新的研究手段。 本文在概述了无线m e s h 网络、协作通信技术和跨层设计基本概念的基础上，详细阐 述了无线m e s h 网络中协作m a c 技术的基本思想和概念，利用跨层协作的方法提出了单 信道协作m a c 的中继选择协议c c m a ci 和c c m a ci i ，并将其与现有的8 0 2 1 1d c f m a c 协议进行了仿真比较。实验结果表明，两种协作m a c 中继选择协议能够有效地改 善无线m e s h 网络的递交率、吞吐量、时延等指标。 此外，本文还介绍了利用跨层设计思想实现无线m e s h 网络中的多无线电多信道m a c 方案。通过介绍目前多信道m a c 协议研究现状，结合无线m e s h 网络的特点，对现有的 忙音类多址访问协议进行了研究，对适用于无线m e s h 网络的多信道m a c 方案e r i b t m a 进行了数值仿真并分析了其性能。数值仿真结果表明，这种多信道m a c 方案能够有效地 改善无线m e s h 网络的吞吐量和时延等指标。 关键词：无线m e s h 网络；i e e e8 0 2 1 1 ；协作m a c ；多信道m a c ；e r i b t m a 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 ) ，am u l t i - h o pw i r e l e s sn e t w o r kc o n n e c t i n gr o u t e r sa n d t e m i n a l sw i t hw i r e l e s sl i n k ，i san e wt y p eo fb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m aw m n i s c o m b i n a t i o no fw l a n sa n dm o b i l ea dh o cn e t w o r k sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e l i a b i l i t y , o r g a n i z a t i o na n ds e l f - r e c o v e r i n g i ti sm f o rl a r g ea r e aw i r e l e s sc o v e r i n g i nt h ef u t u r e ，d i f f e r e n t 虹n d so fw i r e l e s sn e t w o r k ss u c ha st h ec e l lw i r e l e s sn e t w o r k s ，w l a n ，m a n e t , w s n ，s a t e l l i t e n e t w o r k s ，p s t nc a na c c e s si n t e r n e tt h r o u g hw m n i nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c h e so nw m n h a v e b 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 lm l o e a t i o na n dm a n a g e m e n ti sak e yf a c t o r i n f l u e n c i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c eo 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 a r eg a i n i n gs i g n i f l c a n t a t t e n t i o n i i lm er e c e n ty e a r s ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i sah o t p o ti nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na r e a i ti n t r o d u c e sc o o p e r a t i o nt e c h n o l o g yi nt ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，r e l y i n g o nt h e “c o o p e r a t i v e t r a n s m i s s i o nb e t w e e nn o d e st oi m p r o v et h eq u a l i t y o fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h ec r o s s 1 a y e rd e s i g nt e c h n o l o g y b r e a k s u p t h et r a d i t i o n a l l a y e r c o m m u l l i c a t i o nf r a m e ，b ye f f i c i e n t l yu s i n gi n f o r m a t i o no fo t h e rl a y e r s ，i tc a r lo v e r c o m et h e v a r i a b l eo fw i r e l e s sc h a n n e lc a p a b i l i t ya n dt h eb e rc a u s e db yt h eu n c e r t a i n t yo fw i r e l e s s c o m m l m i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，a n db r i n g su pb e t t e rn e t w o r kp e r f o r m a n c e t h ec o o p e r a t i v e c o n n 嘶c a t i o na n dc r o s s 1 a y e rd e s i g nt e c h n o l o g yp r o v i d en e w r e s e a r c hm e t h o dt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo fw m n b a s e do nt h es u m m a r yo fw m n ，c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n sa n dc r o s s 。l a y e rd e s i g n t e c h n o l o g y , t h i st h e s i ss p e c i f i e st h ef u n d a m e n t a l sa n dc o n c e p t so fs i n g l e c h a n n e lc o o p e r a t i v e m a c t e c h n o l o g yi nw m n ，a n dg i v e sar e l a y s e l e c t i n gs t r a t e g ya c c o r d i n g t oc r o s s 。l a y e rd e s i g n m e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc c m a cia n dc c m a ci is c h e m eo b t a i n sd e c e n t p e r f o r m a n c eg a i ni nt h et e r m so fd e l i v e r yr a t i o ，t h r o u g h p u ta n dd e l a yo f t h en e t w o r k i na d d i t i o n ak i n do fm u l t i c h a n n e ls c h e m ei nw m nb a s e do nc r o s s - l a y e rd e s i g ni s a l s o p r o l ：i o s e di nt h i st h e s i s b yi n t r o d u c i n gt h ec o n c e p t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f m u l t i 。c h a n n e l s c h e m e s ，a n db t m ap r o t o c o l ，w ep r o p o s eak i n do f m u l t i c h a n n e ls c h e m ee r i - b t m aw h i c h f i t sw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s t h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a te r i - b t m a i m p r o v e s t h et o t a ln e t w o r kt h r o u g h p u t ，a n dr e d u c e st h ee n d - t o - e n dl a t e n c yi nw m n k e y w o r d s ：w i r l e s sm e s hn e t w o r k ；i e e e e r i b t m a 8 0 2 11 ；c o o p e r a t i v em a c ；m u l t i c h a n n e lm a c ； i i 南京邮电人学硕士毕业论文 缩略语 a c k 姆 b t m a c c m a c c s m a c a c t s d b t m a d c f d i f s d s s s e r i b t m a i f s m a c 删e t m i m o m m a c m n a v n r s o f d m o s i 刚 p c l p c f p s t n q o s r i b t m a r t s s i f s s s c h w l a n 、7 l 强心t w s n 缩略语 a c k n o w l e d g e m e n t a c c e s sp o i n t b u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s c r o s s - l a y e rc o o p e r a t i v e - - m e d i u ma c c e s sc o n t r o l c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e c l e a rt os e n d d u a lb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o ni n t e rf r a m es p a c e d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m e n h a n c e dr e c e i v e ri n i t i a t eb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s i n t e rf r a m es p a c e m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o b i l ea d h o cn e t w o r k m u l t i - i n p u tm u l t i o u t p u t m u l t i c h a n n e lm e d i u ma c c e s sc o n t r o l m u l t i r a d i ou n i f i c a t i o np r o t o c o l n e ta l l o c a t i o nv e c t o r n o t i f yr e l a yt os e n d 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 e x i n g o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l p r e f e r a b l ec h a n n e ll ，i s t p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n p u b l i cs w i c ht e l e p h o n en e t w o r k q u a l i t yo fs e r v i c e r e c e i v e ri n i t i a t eb u s yt o n em u l t i p l ea c c e s s r e q u e s tt os e n d s h o r ti n t e rf r a m es p a c e s l o t t e ds e e d e dc h a n n e lh o p p i n g w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k v 南京邮电大学学位论文原创性声明 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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期：里：笙：! ! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名： 南京邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 无线网络技术的发展日新月异，随着人们对w l a n 、移动a dh o e 等技术的深入了解， 如何突破无线网络在覆盖规模上扩展的约束，提供大面积无线“热区 覆盖和真正平滑的 漫游能力，成为近期网络技术的研究热点之一。无线m e s h ( w i t e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 网络技术作为新一代的无线通信技术应运而生。无线m e s h 网络核心指导思想是让网络中 的每个节点不仅可直接收发信号，而且有转发信号的功能。无线m e s h 网络融合了无线局 域网和移动a dh o e 网络的优势，已成为下一代无线网络的关键技术之一，由于它可以实现 将各种无线网络基于无线m e s h 路由器相互联接，形成类似现有有线因特网那样的网络， 人们又称其为无线因特网。随着蜂窝网、w l a n 、m a n e t 等无线网络的普及，实现多种 网络的融合成为一个新的研究热点，因此，无线m e s h 网络将是未来无线通信领域重大技 术革新，将成为未来无线城域网核心网理想的组网方式，在新一代无线通信网络中具有非 常广阔的应用前景。基于8 0 2 1 1 标准的无线m e s h 网络技术被业界誉为下一代网络通信市 场的巨大推动力之一。它主要是建立在i p 协议基础之上，可支持多点对多点的网状结构。 在网络拓扑上，无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络相似，但网络大多数节点基本静态不移 动，不用电池作为动力，拓扑变化较小；在单跳接入上，无线m e s h 网络可以看成是一种 特殊的无线局域网【1 】【引。 一般认为，未来的无线通信系统将由各种不同的网络融合而成，其中包括未来的蜂窝 移动通信网络、无线局域网( w l a n ) 、移动a dh o c 网络( m a n e t ) 、无线传感器网络 ( w s n ) 、卫星网络、公共电话交换网络( p s t n ) 等。网络融合具有融合增益，体现在： 网络间流量均衡、网络分集、覆盖延伸和多样性服务，最终使得无线通信网拥有更大的容 量、更好的质量、更经济和更便利的服务。然而，多设备共存、多网共存、多接入技术共 存的局面使得网络融合变得困难重重。文献 3 】中指出：无线m e s h 网络融合分为两个层面： 是在网络拓扑上如何选择不同网络的融合点，二是在通信过程中如何选择端到端的路由 重置的触发条件。在这两个层面都有简单融合和深度融合之分。在第一个层面上，简单融 合的做法就是在网络的最边缘终端上设置多种模式，使其工作在不同的网络。这种方 式没有从本质上改变原来网络的组网和接入的方式，不具备很好的覆盖延伸和可扩展功 能。在第二个层面上，最简单的做法是在通信建立之初就选定网络，基本没有路由重置， 这是一种成熟的方法，并已有产品出现。由于感知功能的局限，目前大多数研究方法是设 1 堕室堂皇奎兰堡：! 三兰些笙兰笙二童笪笙 定一个静态的和唯一的垂直切换触发条件。这两种方法都在网络分集和流量均衡上有较大 的局限性。 无线m e s h 网络的出现为解决不同网络之间的接入问题提供了极大的可能性，并越来 越引起国内外学者、专家和研究人员的广泛关注，已经成为无线通信领域新的研究热点。 【4 】【5 】【6 】【，】它是一种高容量、高速率的分布式网络，它不同于传统的任何一种有线与无线网络， 具有自配置、自愈合、高带宽、兼容性、低成本等优点，非常适合于覆盖大面积开放区域 ( 包括室外和室内) 。未来的蜂窝移动通信网络、w l a n 、m a n e t 、w s n 、卫星网络、p s t n 等可以通过w m n 集成到因特网中。可见，无线m e s h 网络将是未来无线通信领域重大技 术革新，是构建b 3 g 4 g 的潜在技术之一。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 1w o r k i n gg r o u p 正式专门成立了网格研究组( m e s hs t u d y g r o u p ) ，3 月又成立了网格任务组( m e s h t a s kg r o u p ) ，标志着无线m e s h 正式迈上了标准 化道路。同年3 月，在美国佛罗里达奥伦多市召开的i e e e8 0 2l a n m a n 标准委员会全体 会议做出决定，把负责标准制定工作的“m e s hw o r k i n gg r o u p 升级为正式任务组 “i e e e 8 0 2 1 l sm e s hn e t w o r k i n g ( 简称i e e e 8 0 2 1 l s ) 。今后将由该任务组负责制定 i e e e 8 0 2 1 1 网状网功能的标准规格。另外，其他标准如8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 4 和专门短程通 信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r ) 也开始探索如何通过网格嵌入式设备来 改进其现有技术。i e e e 8 0 2 16 己经将网络技术纳入其m a c ( m e d i aa e c e s sc o n t r 0 1 ) 协议 标准中【引。 与无线m e s h 网络相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。参考文 献 5 中指出：2 0 0 2 年6 月，m e s h n e t w o r k s 公司获得专利“为端到端和端到基础设施的通 信网络提供无线业务消息存储转发的系统和方法 。2 0 0 4 年4 月，该公司获得专利“无线 端到端a dh o c 网络路由中对i p 地址到m a c 地址映射及所存在网关的自动配置和发现的 系统和方法 。2 0 0 3 年1 0 月，摩托罗拉公司获得专利“在a dh o e 网格网络中提高服务效 率的方法和设备 。2 0 0 2 年3 月，c a l y 公司于获得专利“网格无线网络中包数据通信协议 。 国外已有的技术方案主要包括采用多带多无线电的北电无线网状网解决方案，利用m e s h 技术覆盖不同网络之间的服务盲区的美国p a c k e th o p 公司技术方案。t r o p o s + m o t o r o l a c a n o p y 构建的新型公共无线区域网架构。国内，清华大学信息网络工程研究中心建立了清 华大学无线m e s h 实证网络。 近年来，无线m e s h 网络在应用基础理论与技术研究方面，已经取得了一些成果，主 2 堕皇堂皇查兰堕主望些笙茎 笙二里堕堡 要有以下方面： ( 1 ) 路由协议的研究。部分协议借鉴了传统的a dh o c 网络路由协议 6 - 8 1 。 ( 2 ) 媒质接入控制协议的研究。在网络连接性方面，主要的背景是a dh o c 网络，探 讨问题的核心是节点密度与分布问题【7 j 。 ( 3 ) 在物理层方面，目前研究主要集中在基于信道状态自适应地选择物理层数据传 输速率的问题上【l 】【 。 ( 4 ) 在多播组播协议、t c p 协议、地址和带宽等网络资源分配、功率( 节能) 控制、 安全性问题、分布式算法、q o s 等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少- 】【4 】 7 1 。 ( 5 ) 一些针对协议和系统仿真与实验研究有了一些新的结果。在短距离a dh o e 网络 的构建上，最近一些学者正在研究蓝牙散射网关键技术【引。 众所周知，无线信道的频谱资源非常有限，因此在无线m e s h 网络中，无线信道由多 节点共享，如何协调节点访问信道的m a c 机制成为无线m e s h 网络的关键技术之一。它 不仅关系到能否充分利用无线信道资源、实现节点对无线信道的公平竞争，而且能影响网 络层和传输层协议的性能，同时也是无线m e s h 网络支持q o s 的关键。i e e e8 0 2 1 l 标准是 现有移动网络中应用最广泛的m a c 层协议之一，无线m e s h 网络是融合了w l a n 和移动 a dh o c 网络的新型网络结构，因此8 0 2 1 1m a c 协议也可以提供对无线m e s h 网络m a c 层 的支持。但无线m e s h 网络具有多跳性、分布性、自组织性和移动性等特点，需要对现有 m a c 协议进行改进，才能使其更好地在无线m e s h 网络中工作。目前无线m e s h 网络m a c 层协议的研究主要集中在对单信道m a c 协议和多信道m a c 协议的研究上。 1 3 论文的研究内容及组织结构 本文详细介绍了无线m e s h 网络及其目前所用的m a c 协议，讨论现有m a c 协议的优 点和缺点。在此基础上，从单信道和多信道两个方面对现有的m a c 协议进行改进，提出 了新型跨层协作单信道m a c 方案c c m a ci 、c c - m a ci i 和e r i b t m a 多信道m a c 方 案。前者在m a c 层通过利用物理层的跨层功率信息，由源节点自主选择中继，通过有选 择地引入中继节点实现协作转发的功能；后者通过构建多个忙信号控制信道和多个数据信 道，在m a c 层进行多信道调度，实现对无线m e s h 网络性能的改善。仿真结果表明网络 递交率、吞吐量、时延性等性能指标均有提高。 第一章介绍了论文的研究背景、国内外研究现状以及论文的组织结构。 第二章概要介绍了无线m e s h 网络的概念、和w l a n 、a dh o c 等其他类型通信网的 区别以及优缺点；接着介绍了无线m e s h 网络的结构和一些常见的关键技术；最后介绍了 3 南京邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 无线m e s h 网络的广泛应用前景。 第三章概要介绍了无线网络设计中的跨层协作思想。首先介绍了网络跨层设计的原 理，随后介绍了最优控制法、博弈论法等跨层设计主要技术；接着介绍了协作分集技术的 概念、分类和目前协作分集技术仍然存在的问题。 第四章首先介绍了i e e e8 0 2 1 l d c f 协议，接着在现有的m a c 协议的基础上，提出 了两种改进的跨层协作单信道m a c 协议：c c m a ci 和c c m a ci i 。通过和8 0 2 1 1d c f 协议仿真比较表明，相对于现有d c f 协议，这两种方案明显提高了数据包的递交率和吞吐 量，有效地降低了网络延时。 第五章首先从宏观上介绍了目前多信道m a c 协议研究所面临的问题和研究方向，接 着介绍了几种主要的多信道m a c 协议，随后介绍了目前比较成熟的忙音类多址访问协议 b t m a 。在此基础上，提出了基于协作技术的e r i b t m a 多信道m a c 方案。通过数值仿 真分析其性能，表明了其在网络吞吐量、时延等性能方面的优越性。 第六章对全文进行了总结，并指出了下一步可能的研究方向。 4 南京邮l 乜大学硕士毕业论文第二章无线m e s h m 络 第二章无线m e s h 网络 无线网络技术的发展日新月异，各种8 0 2 系列标准不断被更新，新的无线网络架构和 技术也不断被提出。近年来，w l a n 在接入领域中得到了迅速发展，依其所具有的高速数 据传输速率，w l a n 被认为是3 g 或b 3 g 移动数据通信部分的一个主要竞争对手【3 】。但 w l a n 也有其不足之处，其中最主要的一个便是接入点( a p ) 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的。因此人们把目光转向一种全新的网络结构无线m e s h 网络，它的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，从而使传统的 w l a n 一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题迎刃而解【 。无线m e s h 网络技术是 一项能够实现灵活组网的技术，它的出现，代表无线网络技术的又一大跨越，有极为广阔 的应用前景。 2 1 无线m e s h 网络简介 2 1 1 无线m e s h 网络的概念 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，即使两个无线节点实际上就是互 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i e e e 8 0 2 1 l a ，i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l g 等 w l a n 技术了解的深入，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。 文献【8 】中指出：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准静态多 跳无线网络。如图2 1 所示，网络中的任何无线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受信号，与一个或者多个对等的节点进行直接通信。这种结构最大的 好处在于：如果最近的a p 由于流量过大而导致拥塞的话，数据包可以自动路由到一个通 信流量较小的临近节点进行传输。以此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到 5 南京邮电大学硕士毕业论文第二章无线m e s h 网络 与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的节点为止。 o 有线链路 无线链路 图2 1无线m e s h 网络模型不慈图 无线m e s h 网络本质上属于移动a dh o e 网络，它与后者的最大区别在于前者的用户终 端相对来说移动性较低，无线m e s h 网络一般不是作为一个独立的网络形态存在，而是因 特网核心网的无线延伸。通常会有一个或多个网关节点( g a t e w a y ，也称为n e i g h b o r h o o d a c c e s sp o i n t ，邻居接入点) 与因特网高速相连，家庭或办公室用户通过自身的无线接入点 与网关节点相连。对于网关节点信号覆盖之外的区域，用户节点负责来往业务的中继与转 发，从而实现大范围的廉价和快速信号覆盖。显然，这种方式的组网省去了网络建设初期 昂贵的基础设施建设投资，比传统的点到多点方式的无线接入方式有很多无可比拟的优 点。 与传统的交换式网络相比，无线m e s h 网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分 布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能【引。在无线m e s h 网络里，如果要添加新的设备， 只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。 添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的 传输路径。 堕室坚皇奎堂堡生望些笙奎笙三童歪垡坚! 坐旦竺 综上所述，无线m e s h 网络是从移动a dh o c 网络分离出来，并承袭了部分w l a n 技 术的新的网络技术。严格地说，无线m e s h 网络是一种新型的宽带无线网络结构，一种高 容量、高速率的分布式网络，它与传统的无线网络有较大的区别。在网络拓扑上，无线 m e s h 网络与移动a dh o e 网络相似，但网络大多数节点基本静态不移动，不用电池作为动 力，拓扑变化较小；在单跳接入上，无线m e s h 网络可以看做一种特殊的w l a n 。有学者 认为无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络的最大区别在业务模式上的差异。对于前者，节点 的主要业务是来往于因特网网关的业务；而对于后者，节点的主要业务是任意一对借点的 业务流。由于有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本，无线m e s h 网络作为一 种可以解决“最后一公里瓶颈问题的新的方案，被写入到i e e e 8 0 2 1 6 ( 俗称w i m a x ) 无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm u n i c i p a la r e a n e t w o r k ) 标准和i e e e 8 0 2 1 5 系列标准之中， 目前也开始纳入到i e e e 8 0 2 1 1 s 标准的制定中。此外，无线m e s h 网络作为未来w m a n 核 心网最理想的方式之一，极有可能挑战3 g 技术，是构建b 3 g 4 g 的潜在技术之一，也是 迄今为止一种建立大规模移动a dh o e 网络的可行性技术【3 】【训。 由此可见，无线m e s h 网络的出现并不是偶然的，也不是孤立的，无线m e s h 网络热点 问题中的m a c 协议【7 】，路由协议【8 j ，移动t c p ，】【8 】等很多都是在8 0 2 11 m a c 协议，移动 a dh o c 网络的路由协议和传输控制协议等基础上发展起来的，并且仍然在不断的改进与完 善之中。 2 1 2 无线m e s h 网络与其他通信网的区别 无线m e s h 网络作为一种新型的网络组网方式，与传统的通信网络存在一定的区别， 下面简要介绍下无线m e s h 网络与蜂窝网、w l a n 、a dh o e 网络等传统网络的主要区别。 1 、无线m e s h 网络与蜂窝网络的主要区别： ( 1 ) 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高的保障， 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。 ( 2 ) 传输速率大大提高。在无线m e s h 网络中，可融合其他网络或技术( 如w i f i 、u w b 等) ，理论上速率可达5 4 m b i t s ，甚至更高。而目前正在发展的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 i t s ，步行慢速移动环境中支持3 8 4 k b i t s ，即使在 静止状态下才能达到2 m b i t s 。 ( 3 ) 投资成本降低。无线m e s h 网络大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p 、i r ( i n t e l l i g e n t 7 堕室堕皇奎兰堡主兰、业丝；苎! ；笙三里垄垡坚! 生堕垫 r o u t e r ，智能路由器) 、w r ( w i r e l e s sr o u t e r ，无线路由器) 等基础设施设备比起蜂窝 移动通信系统中的基站等设备要便宜很多。 ( 4 ) 网络配置和维护简便快捷。在无线m e s h 网络中，网络配置更加方便，a p 、i r 、w r 等基础设施小巧，易于安装维护，无需像传统蜂窝移动通信系统那样维护建设在高塔 上的基站，另外网络的扩展也比较方便，只需多增加一些必要的小型设备即可。 2 、无线m e s h 网络与w l a n ( w i f i ) 的主要区别： ( 1 ) 从拓扑结构上看，w l a n 是典型的点对多点( p 2 m p ，p o i n t t om u l t i p l ep o i n t s ) 网络，而 且采用单跳的方式，因而数据不可转发。w l a n 可在较小范围内提供高速数据服务 ( 8 0 2 1 1 b 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 这种高速率服务模式，成 本将非常高昂。而对于无线m e s h 网络，则可以通过w r 对数据进行智能转发，直至 把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖范围延伸到几公里远。无线m e s h 网络的显 著优点就是它可以在大范围内实现高速通信。 ( 2 ) 从协议上看，无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络基本相似。w l a n 的m a c 协议完成 的是本地业务的接入，而无线m e s h 网络有两种，一种是本地业务的接入，另一种是其 他业务的转发。对于路由协议，w l a n 是静态的因特网路由协议+ 移动i p ；但无线m e s h 网络则主要是动态的按需发现路由协议，只有较短的生命周期。 3 、无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络的主要区别： ( 1 ) 虽然无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络均是点对点( p 2 p , p o i n tt op o i m ) 的自组织的多 跳网络，但从根本上说，无线m e s h 网络由无线路由器构成的无线骨干网组成。该无线 骨干网提供了大范围的信号覆盖与节点连接。然而移动a dh o e 网络的节点都兼有独立 路由和自主功能，节点地位平等，接通性是依赖端节点的平等合作实现的，其健壮性 比无线m e s h 网络差。 ( 2 ) 无线m e s h 网络中节点移动性低于移动a dh o e 网络中的节点，所以前者注重的是“无 线”，而后者更强调是“移动”。 ( 3 ) 从网络结构来看，前者多为静态或弱移动的拓扑，而后者多为随意移动( 包括高速移 动) 的网络拓扑。因此，在路由协议上，无线m e s h 网基于其应用的定位，强调的是吞 吐量和稳定性等性能，而移动a dh o c 网则更注重可靠性、鲁棒性和安全性等。 ( 4 ) 在业务模式上，由于两者网络设计的目的不同，无线m e s h 网络着重的是用户节点的接 入功能，而移动a dh o e 网是实现用户节点之间的交互通信，因此，无线m e s h 网的主 要业务是来往于i n t e m e t 网关的业务，移动a dh o e 网则是相邻节点之间的业务流。 8 壹塞堕! 坚奎堂堕主兰兰兰笙茎笙三翌歪垡兰! 些塑丝 ( 5 ) 从应用上来看，无线m e s h 网络主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入，而移动 a dh o c 网络主要是用于军事或其他通信。 2 1 3 无线m e s h 网络的主要优缺点 无线m e s h 网络与其他传统无线网络相比具有以下优点： ( 1 ) 可靠性增强。无线m e s h 网络采用的网格拓扑结构避免了点对多点星型结构，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。 ( 2 ) 具有冲突保护机制。无线m e s h 网络可对产生碰撞的链路进行标识，减轻了链路 间的干扰。 ( 3 ) 结构灵活。在单跳网络中，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的运行速度降低。而在多跳网络中，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。m e s h 网络还提供了更大的冗余机 制和通信负载平衡功能。在无线m e s h 网络中，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，从而有效避免了节点的通信拥塞。 ( 4 ) 简化链路设计。无线m e s h 网络通常需要较短的单跳无线链路，所以不需要安装 天线塔。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见的干扰和系统白 干扰，最终简化了无线链路设计。 ( 5 ) 投资成本低，风险小。无线m e s h 网络的初建成本低，a p 和w r 一旦投入使用， 其位置基本固定不变，因而节省了网络资源。无线m e s h 网络具有可伸缩性、易扩容、自 动配置和应用范围广等优势，对于投资者来说，在短期之内即可获得盈利。此外，它一般 采用非许可证频段，所以为用户也节省了服务支出。 目前无线m e s h 网络也存在一些问题，主要包括： ( 1 ) 互操作性。目前影响无线m e s h 技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性。正 如任何一种新兴的网络技术刚出现时一样，无线m e s h 网络现在还没有一个统一的技术标 准，有鉴于此，目前一些公司正在开发能够适应不同无线环境的可配置的无线网络设备， 互操作性有望得到一定程度的解决【1 0 。但要想彻底解决互操作性问题，最终还需要业界制 定统一的无线m e s h 技术标准。 ( 2 ) 网络延迟。既然在无线m e s h 网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至 少都会带来一些延迟，随着无线m e s h 网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越 大。一些对通信延迟要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临无法接受的延迟过 9 堕室堕皇- 火兰堡主望些笙兰 笙三主垂垡坚! 些塑竺 长的问题。目前解决这一问题主要是通过增加m e s h 节点以及合适的网络协议。随着多无 线m e s h 节点技术的出现这一问题将得到最终解决。 ( 3 ) 安全。与w l a n 的单跳机制相比，无线m e s h 网络的多跳机制决定了用户通信 要经过更多的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。i n t e m e t 本身即是使用m e s h 方式进行通信的典型。正如i n t e r a c t 一样，无线m e s h 网络的安全是一 个不容忽视的问题。 此外，在无线电射频接入，路由准则和选择算法以及连接性和多路支持，带宽利用和 资源分配算法等方面，无线m