（系统分析与集成专业论文）无线mesh网络路由协议研究.pdf

摘要 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，w l 、删s ) 是一种高速率、高容量的多点对 多点网络，在家庭宽带网、企业网、城域网、楼宇自动化以及智能交通系统中都有着广泛 的应用前景并已经成为下一代无线网络的研究热点。 正如a dh o c 网络一样，无线m e s h 网中的路由选择是它的一项关键技术。本文分析了 现有的无线m e s h 网络路由选择策略，并在此基础上综合考虑了跳数、信道质量、链路间 的多信道必然干扰以及潜在干扰，分析了一种新的路由尺度。仿真表明，该方法能够显著 地提高网络吞吐量。 无线m e s h 网w m n 可以看成是一种特殊的w l a n ，除移动性较低外，w m n 本质上 是一种a dh o e 网络。目前主要观点认为，w m n 是一种由无线链路连接路由器和终端设备 的静态无线网络，是i n t e m e t 的无线版本。作为一种新型网络结构形态，m e s h 结构已被纳 入到8 0 2 1 6 2 0 0 4 、8 0 2 1 6 e 和即将制定的8 0 2 1 1 s 标准中。 关键词：无线网状网络，路由协议，路由尺度，网络吞吐量 a b s t r a c t 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 i g h r a t ea n dh i 【g h c a p a b i l i t yn e t w o r kw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ( w m n s ) i sap r o m i s i n gw i r e l e s st e c h n o l o g yf o rn u m e r o u sa p p l i c a t i o n s e g b r o a d b 锄dh o m e n e t w o r k i n g ，e n t e r p r i s en e t w o r k i n g ，m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，b u i l d i n g a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m se t c i th a sb e c o m i n gar e s e a r c hh o t s p o tf o rt h en e x tg e n e r a t i o n w i r e l e s sn e t w o r k s a si na dh o cn e t w o r k , t h em u t i n gs e l e c t i o ns t r a t e g yi sas t i c k i n gp o i n ti nw i r e l e s sm e s h n e t w o r k b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n gw m n s m u t i n ga l g o r i t h m ，an e wr o u t i n gm e t r i ci s a n a l y z e dw h i c hi n t e g r a t e st h ec o n s i d e r a t i o no ft h eh o pc o u n t s ，q u a l i t i e so fc h a n n e l ，t h ei n e v i t a b l e a n dp o t e n t i a lm u l t i - c h a n n e li n t e r f e r e n c ea m o n gl i n k s i ti sd e m o n s t r a t e di nt h es i m u l a t i o nt h a t t h ea l g o r i t h mc a ni m p r o v et h en e t w o r kt h r o u g h p u tg r e a t l y w m ni sas p e c i a lw l a n i ti si ns u b s t a n c eak i n do fa dh o cw i t hl o wm o b i l i t y n o wm a n y p e o p l eb e l i e v et h a tw m n i saw i r e l e s sv e r s i o no fi n t e r a c t 勰as t a t i cw i r e l e s sn e t w o r kw i t h r o u t e r sa n dn o d e sw i t hw i r e l e s sl i n k s a san e wt y p eo fn e t w o r ks t r u c t u r e ，m e s hi si n c l u d e d i n t 0 8 0 2 16 2 0 0 4 、8 0 2 16 ea n dt h ec o m i n g8 0 2 1lss t a n d a r d s k e y w o r d ：r k , v 1 v n s ，r o u t i n gp r o t o c o l ，r o u t i n gm e t r i c ，n e t w o r kt h r o u g h p u t i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：吝嘟 日期：幽厶：2 0 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：埴= 翻乙罕 日期：。e 【9 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期： 第一章前言 第一章前言 随着移动通信技术的不断发展，通过无线方式为用户提供语音接入获得了巨大的成功， 下一步无线网络发展的目标是为用户提供更高的速率以便支持各种宽带业务的接入，特别 是i n t e m e t 的接入。基于i e e e 8 0 2 1 l 的无线局域网技术、基于i e e e 8 0 2 1 5 的无线局域网和 基于i e e e 8 0 2 1 6 的固定宽带无线接入技术就是这一发展过程中典型的例子。通过大规模城 市公众环境内安装无线局域网接入点，可以为用户很方便地提供i n t e m e t 浏览、e m a i l ，移 动办公等业务。固定宽带无线接入技术则是将城市分为多个小区，每个小区设置一个基站， 各用户可以通过安装在建筑物顶上的用户站实现宽带业务的接入。但是，上述技术在展开 大规模商用时都遇到了同一个问题，即系统的覆盖能力有限。无线局域网受阻于其发射功 率及覆盖范围，而固定宽带无线接入技术中，基站和用户站之间一般采用视距传输，由于 树木、建筑物等障碍物的遮挡，许多用户站无法和基站进行有效的通信，为增强网络的覆 盖能力，一种常用的方法是增加a p 或基站的数目，但是这也同时增加了公众网的建设成 本，无线m e s h 网络组网方式的出现，为解决这个问题提供了一种有效途径。 1 1 课题背景 1 9 9 7 年，美国d a r p a 开始组织战场鲁棒战术移动通信系统的研发。在投入大量资金、 持续6 年多的研发之后，有关移动a dh o c 网络的一些理论与技术问题得以解决，从而彻底 改变了过去构建无线网络的规则。d a r p a 的目标是：无传统的通信基础设置；采用多跳 转发的传输机制；宽带数据数率传输；端到端的i p 支持；除了数据业务以外，还要支持话 音和视频业务：内置定位系统( 非g p s 系统) ；能支持高达2 5 0 英里d , 时的车辆移动速度 等。特别是近几年，美国通过一些大型国防项目，攻克了a dh o c 网络的一些关键技术，其 中，i t t 持有了其中的核心的自主知识产权技术。可是，除了战术无线通信以外，真正的 商业应用在哪里? 这是业界一直困惑的一个问题。2 0 0 0 年初，i t t 将专有技术转让给了美 国m e s h n e t w o r k s 公司，用于商业化产品的开发，至此，a dh o c 网络的商业化进程开始显 现。2 0 0 2 年，i n t e l 开始关注并认可a dh o c 网络技术，m e s h n e t w o r k s 和t r o p o s 等公司开始 相继开发出适用于商业应用的相关产品。这些产品和方案主要定位于移动性较小或静止的 a dh o c 网络无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s ，、仆i s ) 。于是，无线m e s h 网 络的概念得到人们的关注。w m n $ 是无线自组织网络( a dh o c ) 的一种特殊形态，它的早 期研究均源于移动a dh o c 网络的研究与开发。 近年来，w l a n 依其所具有的巨大数据传输速率在接入领域中得到了迅速发展，但 第一章前言 w l a n 最主要的一个不足之处是其接入点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无线m e s h 网络，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。它是一种高容量高速率 的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成是一种w l a n 和a dh o e 网络的融合， 且发挥了两者的优势，作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。 作为一种新型的宽带无线接入系统，无线m e s h 网络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，从而使传统的无线网络一直存在的扩展性低和健壮性差等 诸多问题迎刃而解，并且无线m e s h 网络能够实现灵活组网，代表无线网络技术的又一大 跨越，有极为广阔的应用前景。 无线路由技术是无线m e s h 网络的一个关键问题，在很大程度上直接影响着网络的性 能。尽管移动a dh o c 网络的路由协议基本都适用于无线m e s h 网络，但是这些路由协议不 能充分考虑无线m e s h 网络自身的特点，所以w m n 的路由协议研究依旧是一个热门的研 究领域。 因此需要充分考虑无线m e s h 网络的网络特点，设计出适合无线m e s h 网络的路由算 法，以提高网络的吞吐量、可扩展性和强壮性。 1 2 无线m e s h 网络中的主要研究课题 无线m e s h 网络在几个关键技术问题需要进一步研究解决。 ( 1 ) 天线技术 无线m e s h 宽带网络中一个重要的问题就是天线的使用，因为每个节点必须和各个方 向上的多个节点通信，很简单的一种方式就是采用全向天线，但是这样覆盖范围有限。并 会带来干扰，导致频谱利用率下降，网络容量减小，因此不建议采用全向天线。美国的 s k y p i l o t 公司将智能天线技术应用于无线m e s h 网络，允许频谱重复使用，从而大大提高了 频谱的利用率，同时减小了干扰。在i e e e s 0 2 1 6 a 宽带无线接入标准中也建议把智能天线 技术应用到无线m e s h 宽带接入网络中。 ( 2 ) 路由选择技术 无线m e s h 宽带接入网络中另外一个很重要的问题是路由选择，例如从节点a 到节点 b ，可以经过不同的用户站中转，存在多条路径，于是选择哪条路径就成为一个关键问题， 2 第一章前言 这将直接影响系统的性能。而且，当节点增加或是减少时，无线m e s h 网络的拓扑结构会 发生变化，路由选择问题变得更加复杂。采用无线m e s h ，还会带来“隐藏终端”问题，这 些都需要进一步研究解决。实际上，无线m e s h 技术可以看作是自组网络技术的简化版本， 所以可参考自组网络中相应的解决方法来解决无线m e s h 宽带接入网络中的这些问题。 ( 3 ) 动态带宽分配技术 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。在 i e e e 8 0 2 1 6 标准中规定的点到多点p ( ) 宽带无线接入网络中采用了动态按需时分多址 分配d a m at d m a 方式，在这种网络中资源的管理和分配由基站负责。而在i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中规定，对于基于无线m e s h 技术的宽带接入网络，带宽的分配可以采用集中调度方 式，或者采用分布调度方式。如果采用集中调度方式，由m e s hb s 节点收集所有m e s hs s 节点的资源请求信息，分别为它们分配一定数量的带宽资源。如果采用分布调度方式，包 括m e s hb s 和m e s hs s 在内的所有节点应该相互协调，充分利用资源。任何一个节点发送 数据时，不能和两跳以内的邻近区域的其它节点发送的数据产生碰撞。 1 3 本课题的研究意义 基于8 0 2 1 1 标准w l a n 技术的无线m e s h 技术，其最早起源于军方技术，战场上的移 动网络需要很高的数据速率、很低的被检出概率和防止人为干扰的能力。此外，该技术主 要是基于i p 协议的通信技术，可支持多点对多点的网状结构，主要由移动互联交换控制中 心、智能接入点、无线路由器、无线终端网卡四部分组成，而且整个网络以移动互联交换 控制中心为中心建立。其核心是移动跳接式路由技术( m o b i l e a dh o er o u t i n g ) ，是实现移 动宽带的基础。通常情况下，无线m e s h 网中具有全方向天线的无线路由器最大直线通信 半径为5 公里，可用于大范围的无线通信，并可组建城域网。 作为一种全新意义的基于8 0 2 1 1 标准的技术，与目前传统意义上的w l a n 网络不同， 无线m e s h 网技术将来的发展方向将不仅仅只是消除用户对于线缆的约束，更多将会在企 业和行业市场中大展宏图，通过将数据以无线方式接入到有线宽带网，从而大幅减少了对 成本高昂的有线连接的需求，并降低了网络部署的复杂程度。同时，无线m e s h 网还将显 著地扩大覆盖范围，从而构建包括室外场所在内的大范围的网络。对于那些传统w l a n 系统无法覆盖，或由于网络条件限制而导致使用传统有线访问成本过高的地区，无线m e s h 网不但将只是对现有网络基础设施的一个有效补充，更多的还将通过拓宽无线网络的覆盖 范围，将w l a n 网络真正升华到企业和行业市场，拓宽无线网络覆盖范围和能力，使无线 热点成为无线热区，从而真正打造一个健康、有序的无线网络产业链。 3 第一章前言 无线m e s h 自组织、自配置和自治愈、高容量、高速率、低功耗和低成本的特点确定 了无线m e s h 网络的光明前景。然而，无线网状网络目前还没有统一的路由标准，广大无 线设备生产厂家生产的无线m e s h 路由器相互之间无法兼容，不仅大大提高了用户的部署 成本，为用户的选择带来较大的局限性，而且不利于无线m e s h 技术在生长环境的应用和 推广。 由此可见，在研究现有的路由协议的基础上，寻求一种更加适用于无线网状网的路由 协议，对无线m e s h 网的发展、甚至对3 g 4 g 网络的发展都具有重要的学术意义和现实意 义。 1 4 论文研究目的及内容 本文的研究目的是在分析现有主流的无线m e s h 网路由协议的优缺点的基础上，根据 无线m e s h 网络的特点，详细分析了w c e t t 路由判据。本文重点研究无线m e s h 网络的路 由技术，主要包括以下几个方面： 在第二章中，介绍了无线m e s h 网络基本概念，并将其与别的无线网络进行比较，阐 述它的优点；然后介绍了无线m e s h 网络的关键技术、相关标准及其应用。 在第三章中，分别介绍了无线m e s h 网络路由协议设计的特点、协议标准、设计的原 则、体系结构，以及无线m e s h 网络路由协议的分析和跨层设计。 在第四章中，根据无线m e s h 网络的单信道和多信道路由协议的分类法则，分别对现 有的路由协议进行了介绍和分析，在单信道路由协议中根据先应式，反应式和混合式的分 类方式分别介绍，在多信道路由协议中，根据单网卡和多网卡的分类分别进行分析，并做 比较。 在第五章中，首先介绍了l q s r 协议，然后详细介绍了w c e t t 路由判据，并利用n s 2 仿真工具验证了此判据比e t x 和最短路径判据吞吐量大，在此基础上说明了m r l q s r 协 议的优点。 在第六章中，对全文进行总结，并对今后工作做了展望。 4 第二章无线m e s h 网络 第二章无线m e s h 网络 为满足人们不断增长的通信需要，各种新的无线接入网络架构和技术不断被提出。这 一章将主要介绍一种新型的宽带无线网络技术无线m e s h 网络。无线m e s h 网络一般作为核 心网络的延伸，而不是独立的网络形态存在f l j 【2 l 【3 j f 4 j 。 无线m e s h 技术原是一项军用技术。随着人们对无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i s n e t w o r k ，w m a n ) 和无线局域网( w i r e l e s sl o c a ln e t w o r k ，w l a n ) 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。美国已经率先在某些城市组建了商用无线 m e s h 试验网，提供廉价的城域宽带业务，并向急救人员提供增强的通信服务。 2 1 无线m e s h 网络概况 “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。因特网的构架其实就己经是一个m e s h 网络的结 构。 2 1 1 无线m e s h 网络基本概念 众所周知，接入因特网的用户位于网络的边缘，他们通过网络内部的路由器和节点相 互连接，而这些路由器和节点的连接方式是这样的：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别的路由器找到一条替代路径。这就体现了m e s h 网络的思 想。 目前主要观点认为，w m n 是一种由无线链路连接路由器和终端设备的静态无线网络， 是i n t e m e t 的无线版本，它是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构，即 一种高容量、高速率的分布式网络。w m n 不同于传统的无线网络，可以看成是w l a n ( 单 跳) 和移动a dh o c 网络( 多跳) 的融合，且发挥了两者的优势。作为一种新型网络结构形 态，m e s h 结构已被纳入到8 0 2 1 6 2 0 0 4 、8 0 2 1 6 e 和即将制定的8 0 2 1 l s 等标准中。 无线m e s h 网络包括两种类型的节点【5 】：无线m e s h 路由器( w i r e l e s sm e s hm u t e r ) 和无 线m e s h 终端用户( w i r e l e s sm e s hc l i e n t ) 。这些无线m e s h 路由器除了具备网关和转发器等 传统无线网络路由器功能外，还具有能够支持w m n 的特殊功能。终端用户( m e s hc l i e n t ) 则兼备主机和路由器两种角色：一方面，节点作为主机运行相关的应用程序：另一方面， 节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等路由操作。 按照功能来分，整个网络由下列组成部分构成：智能接入点( i a p a p ) ：无线路由器 5 第二章无线m e s h 网络 ( w r ) ；终端用户设备( c l i e n t ) 。原理结构如图2 1 所示。 接 入 点 无 线 路 由 器 网 络 终 端 用 户 节 点 图2 1 无线m e s h 网络的原理结构 ( 1 ) 无线接入点或网络桥接器( a p ) ，一个a p 能够在几十至上百米的范围内连接多 个无线路由器，a p 的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要将各个与无线路由器相 连的无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备可以通过a p 共享核心网的资源。 i a p ( 智能接入点) 是在a p 的基础上增加了a dh o e 路由选择功能。除此之外，a p f l a p 还具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理，把传统交换机的智能性分散到接 入点( a p i a p ) 中，大大节省了骨干网络建设的成本，提高了网络的可延展性。 ( 2 ) 无线路由器( w r ) ，为底层的移动终端设备( 即用户) 提供分组路由和转发功 能，并且从智能接入点下载并实现无线广播软件更新。转发分组信息的路由根据当时可使 用的节点配置临时决定，即实现动态路由。在该网络结构中，通过使用无线路由器( w r ) 可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。 ( 3 ) 终端客户设备可以是笔记本、台式机、p d a 、i p 电话机和r f i d 阅读器等。一般 只安装一块无线网卡，具备必要的网状联网功能，可以重发分组，但一般没有网关网桥功 6 第二章无线m e s h 网络 能。 按照体系结构划分，无线m e s h 网络可以分为三种6 】：主干网结构、终端组网结构和混 合结构。 ( 1 ) 主干网结构 在无线m e s h 网络主干网结构中，网络中的m r ( m e s hr o u t e r ，网状路由器) 互连构 成了骨干网络，如图2 2 所示。这些m r 可以分为两种，一种是具有网关功能的，如图2 2 中的m rw i t hga i e w a y b d d g e ，它们负责连接终端节点，实现终端节点的网络接入，并且 能够实现不同标准通讯子网之间的互联如无线局域网，传感器网结，蜂窝通信网等，同 时部分具有网关功能的路由器还负责连接i n t e m e t 网络，使得网绍中各个节点能够访问 i n t e r n e t 资源。另一种路由器是不具备网关功能的，它们只负责数据的转发，如图2 2 中的 普通m r 节点。 ( _ u i j r n l i x 孙“ t i ”m k n 目2 2 尤线m c s h h 络土 刚结构 这种主干网结构的无线m e s h 网络是目前应用较为广泛的一种体系结构，m r 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。 ( 2 ) 终端自组网结构 第二市无线m e s h 网络 终端自纽网结构的无线m e s h 网络由对等的终端仃点组成，如图2 3 所示。在该网络中 节点通过自组织，白配置方式纽阿，为终端用户提供端l 端的服务。因此在这种结构中， 是不需要m r 的。 圈2 3 无线m e s h 嘲络终端自组织结构o i 在终端自组网结构的无线m e s h 网络中，当源悼点发送数据包给目的节点时，数据包 通过多跳的方式传送中问节点负责路由和数据的转发，其功能相当于路由器。可以说， 这种组网结构实际上等同于a dh o c 网络但在移动性上仍有所不同。 ( 3 ) 混合结构 如图2 4 所示，混台结构的无线m e s h 网络是主干网结构和终端自组呵结构的有机结合。 m c ( m e s hc l i e n t ，网状终端) 可以通过m r 实现网络的接八，也可以通过其它m c 多跳 转发实现接入。 ”1 r d 叫 i e “c i ；f m - 蹦2 4 无线m e s h 喇络混台结构i i 混台结构的无线m e s h 网络拥有更广的应用范围平更好的适应性。比如在紧急救援行 8 第二章无线m e s h 网络 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 m e t 发送到总部。 2 1 2 无线m e s h 网络与其他无线网络的比较 ( 1 ) 无线m e s h 网络与移动蜂窝网络的比较 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。因此，无线m e s h 网络与蜂窝移动系统相比，它的可靠性更高，自愈性 更强。 从传输速率上看，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 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 。 从网络的配置上看，无线m e s h 网络中的a p 、i r ( i n t e l l i g e n tr 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 ) 无线m e s h 网络与无线局域网的比较 从拓扑结构上看，w l a n 是典型的p 2 m p ( p o i n tt om u l t i p l ep o i n t s ，点对多点) 网络， 所有终端通过单跳接入a p 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) 。 从覆盖范围来看，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 l b 可达 11 m b p s ，8 0 2 1 l a 可达5 4 m b p 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。 从协议上看，w l a n 的m a c 协议主要完成的是本地业务的接入，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 采用的静态的i n t e m e t 路由协议加入部分移动i p 的考虑，而无线m e s h 网络则需要 9 第二章无线m e s h 网络 设计自己的路由协议。 ( 3 ) 无线m e s h 网络与移动a dh o c 网络的比较 无线m e s h 网络起源于移动a dh o c 网络，理论上可以看作一种特殊形态的移动a dh o c 网络，实际应用中可以看作移动a dh o c 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 c 网络的特点，最本质的共同点是两者均为多跳无线网络，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 c 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 c 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 c 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。 总结：通过上述对无线m e s h 网络和蜂窝网络、无线局域网和移动a dh o c 网络的比较 与分析，可以将它们的主要区别总结于表格2 1 【3 】【6 】，以便于下文进一步分析无线m e s h 网 络路由协议设计的特点。 表2 1 无线m e s h 网络与其他无线网络的比较 无线m e s h 网络蜂窝网络无线局域网移动a dh o c 网络 设计目的用户接入用户接入及通信 通信军事专业通信 拓扑结构多点到多点( 网状)点到多点点到点动态拓扑 控制方式分布式集中式集中式分布式 通过小区方式 一般在局域 覆盖范围可实现城域覆盖局域范围 可以覆盖广大地区范围内 容纳用户数多非常多 少较少 主干网静止，m e s h 路 接入设备静止， 节点移动性由器可静止或移动，a p 静止全节点动态拓扑 客户移动 客户节点可自由移动 欲大规模覆盖 投资成本 灵活组网，价格低廉基站设备成本高昂自组织网价格低廉 成本高昂 1 0 第二章无线m e s h 网络 2 1 3 无线m e s h 网络的优点 从以上介绍可以看出，无线m e s h 在组网与选路等特征上与传统无线网络存在着明显 的区别【7 】口实际上，无线m e s h 更像是i n t e m e t 网络的一种无线版本，由于节点只和其邻近 节点通信，从一个节点发出的数据包将根据w l v l r 协议的配置逐跳( h o p ) 传递到目的节点。 这种结构与传统点对多点网络结构相比具有较多的优势，主要表现在下列几个方面： ( 1 ) 可靠性提高 为了提高网络可靠性可以让每个节点使用多条路径进行接续，以免链路出现故障时影 响整个网络。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 到很好的保证。例如：在蜂窝移动通信系统中，星型结构的中心便是移动交换中心( m s c ) ， 位于周边的若干个基站( b t s ) 首先接入到一个基站控制器( b s c ) 上，然后再通过b s c 连接到m s c ( 图2 5 ) ，若其中某一条b t s 与b s c 间的链路出故障，则此b t s 便无法接入 m s c 。为提高网络的可靠性，目前的点对多点网络中也采用了一些保护措施。如m h s p ( m o n i t o r e dh o t s t a n d b yp r o t e c t i o n ) ，为主链路配置后备链路，每条路径都需要配备有两个 独立的链路和一个保护交换，而且同时只能有一个信道用于业务的传送，大大降低了信道 带宽的使用效率。而在无线m e s h ( 图2 6 ) 中，链路为网状结构，每个节点可使用的链路 数大大增加，且每个网络节点都具有链路功能，如果其中的某一条链路出了故障，节点便 可以自动转移到其它可选链路进行接入，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高。 ( 2 ) 碰撞减轻 无线m e s h 中提供了多个可选路径，业务在执行过程中受路径碰撞的影响便会降低， 而且还提供了碰撞保护机制，那些未经认证的无线链路若能去执行m e s h 业务而引起碰撞 时，系统将自动对此碰撞与链路进行标识，并将在此链路上执行的业务转移到可选链路中。 另外，在无线m e s h 节点中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 ( 图2 6 ) ，这为减轻链路间的干扰创造了条件，我们知道，无线m e s h 网络路由协议的研 究天气对无线信道会有定的影响，如雨天会对无线链路造成一定的功率衰减，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碰撞的可能性。 第二章无线m e s h 网络 传统带有保护机制的 星型网络 o i - 一一 o + - - - i b 。 采用无线方式的m e s h 网 络 图2 5 星型与网状结构的比较 s t a rh e s h 啼 商容量链路o b t $ + - - ， 低容最链路 b s c 口麟c 图2 6 星型与m e s h 网络路由方式比较 ( 3 ) 简化无线链路设计 与星型网络相比，无线m e s h 在无线链路的设计上也有所简化，主要体现在两个方面： 一是无线m e s h 的节点间呈网状或环状连接，相距较远的节点间通信时的数据包将通过多 个节点的转发，逐点传递到目的节点。但在星型网络中，较远节点的数据包通常是用一个 较长链路连接到某一中心点，再由此中心点转发此数据包。与点对多点链路相比，无线 m e s h 链路的长度通常更短，因而无线m e s h 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。 ( 4 ) 可测量性 与星型网络相比，无线m e s h 是一种对等网络，网络中的每个节点是对等的，这样连 接到一共同节点的链路数目就会减少，因而需要进行信道分配的无线链路数目也会随之减 1 2 l q 第二章无线m e s h 网络 少，增加了网络的可测量性。另外，对于网络带宽的配置可以通过对接入点( a p ) 的配 置来完成。而且还可以通过运行在节点和接入点上的无线m e s h 路由( w m r ) 协议对不同 业务进行带宽的匹配，实现不同业务间带宽的平衡。因而与星型网络相比，无线m e s h 网 络具有更好的可测量性。 ( 5 ) 维护简便 无线m e s h 简化了网络的维护与升级，如前所述，每个节点都有多条可选路由，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。 2 1 4 无线m e s h 网相关的标准化 公开无线技术的标准有利于制造业的规模化经营，从而降低产品成本并确保不同厂家 产品间的兼容性。近年来w m n 技术产品虽然得到的迅速发展和进步，但各厂商产品并不 互相兼容。基于这种情况，工业标准化i e e e 组织也积极致力于在各种无线网络标准中加 入对m e s h 组网方式的支持，定义用于w m n 技术的工业标准。目前已成立为w m n 制定 新标准的子工作组【s j ： ( 1 ) i e e e s 0 2 1 1 s 这是i e e e 8 0 2 11 无线局域网( w i ，a n ) 工作组正在制订的一项标准，用于将无线接入 点( a p ) 连接为主干帆心i 。虽然已有的m e s h 实验网使用w l a n 技术，但已有的 8 0 2 1 1 m a n e t 模式的m a c 层协议的不可伸缩性使得网络性能较差，不适合多跳w m n 。 为此，i e e e 于2 0 0 4 年成立了8 0 2 1 l s 子工作组，制定标准化扩展服务集( e s s ) ，将定义 一个基于i e e e s 0 2 1 1 m a c 层的结构和协议，建立一个同时支持在m a c 层广播多播和单 播的i e e e 8 0 2 i i 无线分布式系统( w i r e l e s sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，w d s ) 的协议，专门为w m n 定义m a c 和p h y 层协议以实现w l a n 多个a p 能像m r 一样通过自动配置拓扑的方式 组网。该标准的第一份建议稿定于2 0 0 5 年第二季度发布，正式标准在2 0 0 7 年底颁布【9 1 。 ( 2 ) i e e e s 0 2 1 5 i e e e s 0 2 1 5 提供了简单、低能耗无线连接的标准，是i e e e 无线个域网( w p a n ) 工 作组针对包括便携式和移动计算设备的个域网或短距离无线网络所开发的标准。 i e e e 8 0 2 1 5 包括一系列子标准如蓝牙、超宽带( u w b ) 、z i g b e e 网络，各子工作组标准均 支持m e s h 网络结构。2 0 0 3 年1 1 月份工作组成立m e s h 研究组t g s ，即i e e e s 0 2 1 5 5 研究 利用短距离、低成本设备通过m e s h 方式覆盖一个较大的环境，如房间、医院、机场、校 园等。8 0 2 1 5 5 目前还在开发中，最终定位于w m n 的m a c 层，且不需要z i g b e e 或i p 路由支持【1 0 】。 1 3 第二章无线m e s h 网络 ( 3 ) i e e e 8 0 2 1 6 鉴于w m n 技术的不断发展，i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网( 呲n ) 工作组( 相应的论坛 组织为w i m a x ) 为了扩展覆盖范围、增强远离基站的终端通话质量和提高数据吞吐量， 将m e s h 结构纳入到i e e e 8 0 2 16 a 标准中，作为对传统点对多点结构的增强和扩展。这样 系统可以在非视距传输环境下运行，大大降低了用户站安装的要求，能适应各种物理层环 境，真正成为可用于城域网的无线接入手段。在定义8 0 2 1 6m e s hm a c 协议时，考虑到下 列问题： 避免隐终端带来的冲突 链路的选择 同步 功率与数据速率的权衡 路由与m a c 的相互独立 ( 4 ) i e 阻8 0 2 2 0 i e e e 8 0 2 2 0 移动宽带无线接入( m b w ) 工作组成立于2 0 0 2 年1 2 月，目的在于制定 p h y 和m a c 层规范以大幅提高网络容量和在高速情况下实现宽带无线连接并提供网络间 的漫游和切换。这些改进均能有力地支持了w m n 的发展。 2 2 无线m e s h 网的关键技术 在w m n 的设计中，不仅需要解决无线传输中底层( p h y 和m a c 层) 的各种问题， 如天线设计、频道分配、多址接入控制、信道等问题，还要考虑路由协议性能以及传输层 数据传输可靠性和实时性问题，此外为使w m n 网络性能达到最优还要考虑各层功能的实 现以及上下层之间的相互影响，故w m n 的设计远比传统无线接入网复杂【1 1 1 。 2 2 1 物理层和m a c 底层 现有的商用无线m e s h 系统底层的设计可以分为三种：第一种是底层完全基于 i e e e 8 0 2 1 1 标准，这种方式的产品目前占市场的绝大多数，包括t r o p o s 、n o r t e l 、b e l a i r 和f i r e t i d e 公司。这种方式可以利用一些已有的标准模块，大大降低每个节点的成本，并 可以实现与现有的w l a n 产品兼容。第二种是底层采用全新的传输技术如q d m a 技术。 第三种是底层部分采用i e e e 8 0 2 11 标准。 新兴的物理层无线电技术如定向智能天线、自适应调制编码、o f d m ( 正交频分多路 复用) 、m i m o ( 多进多出) 技术、超宽带( u w b ) 以及多无线电多信道系统已经成为下 1 4 第二章无线m e s h 网络 一代无线接入系统的不可或缺的关键技术。此外，为了进一步改善无线射频性能以及高层 协议的控制，更先进的可重配置无线电、感知无线电、甚至软件无线电技术都已开始在无 线系统中有所运用。这些高级物理层无线电技术的开发设计不仅对物理层性能起着决定性 作用，而且要求进行整合物理层、m a c 层和网络层进行整体设计，以便最大限度的提高 整个网络性能。 w m n 是分布式无线多跳网状网，需要在w m n 中实现网络自组织和拓扑控制算法， 设计具有拓扑感知能力的m a c 协议。现有的无线网络m a c 机制大多都是针对单跳无线 网络设计的，并不适于w m n 网络，如8 0 2 11 的m a c 机制在无线链路跳数达到4 跳时， 性能下降非常大。同时，在w m n 中，由于实现时间同步和码管理困难，采用t d m a 和 c d m a 多址接入也比较复杂。此外，还要求能够有效的进行空间频率复用，以提高网络容 量。因此m a c 层机制设计将成为影响w m n 性能和成功与否的关键技术因素之一。目前 采用多信道m a c 协议和q d m a ( 正交分割多址接入) 技术是研究的重点。采用多射频收 发器多信道可以非常明显地增大网络吞吐量，而且能有效降低数据冲突和隐终端暴露终端 的干扰。q d m a 技术使用直接序列扩频( d s s s ) 调制技术，工作在2 4 g h z 频段