（计算机科学与技术专业论文）无线mesh网络路由协议关键技术的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 近年来，w m n 引起了国内外研究者们越来越多的关注。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 m n ) 是一种新型的无线多跳网络结构，它继承了 w l a n 和m a n e t 两者的优点，具备网状的拓扑结构和自组织、自适应的组网方 式，可提供高速稳定的端到端无线传输。w m n 的出现，为商业化的“最后一公里 无线宽带接入奠定了坚实的基础。 路由协议是w m n 研究领域的关键技术之一。然而，现有已提出的若干协议 尚不能完全满足实际应用的需求。因此，有必要针对w m n 的特征，研究和设计 新的路由协议，提高w m n 的网络性能。 首先，本文介绍了w m n 的背景、基本概念和应用需求，总结w m n 中的主 要研究领域、相关的研究项目、标准及商业产品，并提出了本文的研究目标和思 路，并在第二章对当前在路由协议方面的研究工作进行详细、全面的综述。 随后，在上述讨论的基础上，本文针对骨干型w m n 和混合型w m n 两种不 同的无线网络应用场景，分别设计了相应的路由协议，以期能更好的发挥w m n 的性能优势。这也是本文的主要工作和创新点。 骨干型w m n 路径容量的理论分析模型和多项式时间算法：由于已有研究证明，在多信道 多无线接口的无线网络中，路径容量的计算是n p h a r d 问题。因此，为测量骨干 型w m n 中给定路径的最大容量，我们在第三章给出了路径容量的理论分析模型， 将之转换成为带约束最优化问题，并通过引入贪心策略，实现了基于本地虚拟报 文探测的多项式时间的启发式算法p c e a g s 。模拟结果表明，该算法能较为准确 的评估路径容量，且不会引入额外的网络负载。 满足端到端高吞吐的路由协议：为实现端到端高吞吐的路由协议，我们在第 四章深入总结了现有路由度量的不足，并在第三章的研究基础上，提出以路径剩 余容量作为新的路由度量，针对不同类型的信道占用状况进行总结，给出了路径 剩余容量的计算公式。接着，以端到端吞吐量为优化目标，设计了端到端高吞吐 路由协议e h t r ，并详细讨论了路由发现机制，解决了路由失效的维护问题。模拟 实验结果证实，e h t r 能显著提高w m n 中的端到端吞吐量。 混合型嗍 基于局部拓扑的动态信道分配策略：对于混合型w m n 而言，w m n 的多信道 多无线接口的资源优势，使其能提供端到端的高带宽传输，然而也带来了信道分 配的复杂问题。研究证明，多信道多无线接口的网络中，信道分配亦是n p h a r d 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 问题。因此，我们在第四章提出基于局部信息的自适应信道分配算法l i c a ，仅使 用局部网络拓扑和邻居节点的信道使用状况，结合启发式信息，自适应的进行信 道分配，并避免了信道分配震荡问题。仿真实验表明，l i c a 算法的计算复杂度低， 扩展性良好，且具备负载均衡的特性。 基于流量感知的负载均衡路由协议：由于无线信道广播传输的物理特性，导 致w m n 中更容易出现拥塞，从而引起频繁的信道冲突，严重降低网络整体性能。 为解决此问题，我们在第六章提出基于流量感知的负载均衡路由协议t l r ，以第 五章中的信道分配研究为基础，同时兼顾端到端的公平性传输，结合拥塞控制、 流量感知等进行跨层协议设计。仿真模拟的结果显示，t l r 能平衡全网的流量负 载，保障了端到端的公平性传输，且具有良好的可扩展性。 本文对w m n 路由协议的关键技术进行了深入细致的研究，并针对骨干型 w m n 和混合型删两种w m n 应用场景，提出了相应的路由解决方案。然而， 在w m n 的路由协议领域还有很多亟待解决的挑战性问题，包括安全路由、多径 路由和q o s 路由等等。 主题词：无线m e s h 网络，路由协议，路径容量，路由度量，信道分配，高 吞吐，流量感知，负载均衡 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w m n ( w n l e s sm e s hn e t w o r k s ) h a v ea t t r a c t e dl o t so fa t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s w m ni san e wk i n do fw i r e l e s sm u l t i - h o pn e t w o r ka r c h i t e c h t u r e b yi n h e r i t i n gt h e a d v a n t a g e so fb o t hw l a n a n dm a n e t , w m nc a l lb ed e p l o y e di nm e s ht o p o l o g ya n d p r o v i d es t a b l ea n df a s te n d - t o - e n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h ea p p e a r a n c eo fw m n e s t a b l i s hav e r ys o l i df o u n d a t i o nf o rc o m m e r c i a l “l a s tm i l e w i r e l e s sb r o a db a n d a c c e s s i n g r o u t i n gp r o t o c o li so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fw - m n h o w e v e r ，m a n ye x i a i n g r o u t i n gp r o t o c o l sf o rw m nc a nn o tf u l l ym e e tt h e a c t u a ld e m a n d so fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n se n t i r e l y t h e r e f o r e ，i ti sn e s s e s a r yt od e s i g nn e wr o u t i n gp r o t o c o lb a s e do n t h ea r c h i t e c h u r ec h a r a c t e r i s t i c so fw m ni no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fw m n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h eb a c k g r o u n da n db a s i cc o n c e p t so fw m na r ei n t r o d u c e d f i r s t l y , ao u t l i n eo ft h o s ei m p o r t a n t r e s e a r c hf i e l d s ，r e l a t e dp r o j e c t ，s t a n d a r da n d c o m m e r c i a lp r o d u c t i o n si sg i v e n h e n c e ，t h eg o a la n dg u i l d l i n eo ft h i sd i s s e r t a t i o na r e p r o p o s e d ac o m p r e h e n s i v ea n dd e t a i l e ds u r v e yo nr e s e a r c ho fr o u t i n gp r o t o c o lf o r w m ni sg i v e ns u b s e q u e n t l yi nc h a p t e r2 b a s e do nt h ea b o v ed i s c u s s i o n , i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t w od i f f e r e n tr o u t i n gp r o t o c o l sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yi no r d e rt om a t c h t h ec o r r e s p o n d i n gs c e n a r i o so fb a c k b o n ew m na n dh y b r i dw m n t h i si sa l s ot h em a i n t a s ka n di n n o v a t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o n b a c k b o n ew m n t h e r o t i c a la n a b i l e a lm o d e la n dp o l y n o m i a lt i m ea l g o r i t h mf o rp a t hc a p a c i t y p r o b l e m ：i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ec o m p u t a t i o no fp a t hc a p a c i t yi sn p - h a r di n m u l t i - c h a n n e lm u l t i r a d i ow i r e l e s sn e t w o r k s t h e r e b y , ap a t hc a p a c i t ya n a l y t i c a lm o d e l i sp r o p o s e di nc h a p t e r3 ，w h i c hc o n v e r tp a t hc a p a c i t yp r o b l e mi n t oac o n s t r a i n e d o p t i m i z a t i o np r o b l e m ac o r r e s p o n d i n gp o l y n o m i a lt i m ec o m p l e x i t yh e u r i g i ca l g o r i t h m p c e a g si sa l s oi m p l e m e n t e db yt h ei n t r o d u c t i o no fg r e e d ys t r a t e g y t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a ti tc a ne s t i m a t ep a t hc a p a c i t ya c c u r a t e l yw i t h o u t 研n gi ne x t r an e t w o r k l o a d e n d - - t o - e n dh i g ht h r o u g h p u tr o u t i n gp r o t o c o l ：i no r d e rt oa c h i e v ee n d - t o - - e n d l l i g ht h r o u g h p u tr o u t i n gp r o t o c 0 1 o nt h eb a s i so fs h i l lu pt h es h o r t a g e so fe x i s t i n g r o u t i n gm e t r i c ，an e wr o u t i n gm e t r i cc a l l e dr e s i d u lp a t hc a p a c i t yi sp r o p o s e db a s e do n r e s e a r c hi nc h a p t e r3 b ys u m m a r i z i n gd i f f e r e n t t y p e so fc h a n n e lo c c u r r i n g ，a c a l c u l a t i n gf o r m u l ao fr e s i d u lp a t hc a p a c i t yi sg i v e n h e n c e ，t h ep r o t o c o le h t ri s d e s i g n e db ya i m e da tm a x i m i z i n ge n d t o e n dt h r o u g h p u t ，a n dt h em e c h a n i s m so f r o u t i n gd i s c o v e ra n dr o u t i n gf a i l u r er e p a i ra r ca l s od i s c u s s e di np a r t i c u l a r s i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tp r o t o c o le h t rc a r li m p r o v ee n d t o - e n dt h r o u g h p u tp r o m i n e n t l y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 h y b r i dw m n d y n a m i cc h a n n e la s s i g n m e n ts t r a t e g yb a s e do nl o c a lt o p o l o g y ：w i t ht h e a d v a n t a g e so fm u l t i c h a n n e la n dm u l t i r a d i o ，w v l nc a np r o v i d eh i g he n d t o e n d t h r o u g h p u t ，b u ta l s oi n t r o d u c et h ec o m p l i c a t e dc h a n n e la s s i g n m e n tp r o b l e m i ti sk n o w n t h a tc h a n n e la s s i g n m e n ti nm u l t i - c h a n n e lm u l t i r a d i ow i r e l e s sn e t w o r k si sn p - h a r d s o a l g o r i t h ml i c ai sp r o p o s e di nc h a p t e r5 b yu s i n gl o c a lt o p o l o g ya n dt h ec h a n n e l u s a g es t a _ t u so fa l lt h en e i g h b o rn o d e s ，i tc a l lr e a s s i g nc h a n n e la d p t i v e l y 、) l r i t l lt h eg u i l d o fh e u r i s t i cc o n s t r a i n s e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a ta l g o r i t h ml i c ah a sn o to n l yl o w e r t i m ec o m p l e x i t ya n db e t t e re x p a n s i b i l i t y , b u ta l s oa b i l i t yo fl o a d b a l a n c e t r a f f i c - a w a r el o a d - b a l a n c er o u t i n gp r o t o c o l ：d u et ot h ew i r e l e s sc h a n n e l s p h r s i c a lc h a r a c a t e ro fb r o a d c a s t i n g ，c o n g e s t i o nw i l lo c c u ro f t e n l yi nw m n ，w h i c h c o u l dr e s u l ti nf r e q u e n tc h a n n e lc o l l i s i o na n dd e c l i n eo fn e t w o r kp e r f o r m a n c e i no r d e r t os o l v et h i sp r o b l e m ，b a s e do nt h ew o r ko fc h a n n e la s s i g n m e n ti nc h a p t e r5 ，p r o t o c o l t l ri sp r o p o s e d t l ri sac r o s s l a y e rr o u t i n gp r o t o c o lb yi n t e g r a t et r a f f i cd e t e c t i n g ， c o n g e s t i o nc o n t r o la n de n d - t o - e n df a i r n e s st r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t p r o t o c o lt l rc a nb a l a n c et h et r a f f i cl o a d so v e rw m n ，g u a r a n t e ee n d t o - e n df a i r n e s s t r a n s m i s s i o n , a n da l s o 、析t hw e l le x p a n s i b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sc o m p r e h e n s i v e l ya n dt h o r o u g h l yt h ek e yt e c h n o l o g i e so f d e s i g n i n gw m nr o u t i n gp r o t o c o l sa n dg i v e se f f e c t i v er o u t i n gp r o p o s a l si nt e r m so f d i f f e r e n tp r o b l e m n e v e r t h e l e s s ，m o r ec h a l l e n g i n gp r o b l e m se x i s ti nt h ef i e l do fw m n r o u t i n gd e s i g n , s u c ha ss e c u r i t yr o u t i n gp r o t o c o l ，m u l t i p a t hr o u t i n gp r o t o c o la n dq o s r o u t i n gp r o t o c o l ，e t c k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，r o u t i n gp r o t o c o l ，p a t hc a p a c i t y , r o u t i n g m e t r i c ，c h a n n e la s s i g n m e n t ，h i g ht h r o u g h p u t ，t r a f f i ca w a r e ，l o a db a l a n c e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 骨干设施型w 删3 图1 2 对等客户型w 删3 图1 3 混合型w 4 图1 4w m n 与m a n e t 、w s n 及w l a n 之间的异同5 图1 5 军事战术互联网6 图1 6 火灾紧急援助7 图1 7 无线城域网络及社区网络7 图1 8 无线宽带家庭8 图1 9r o o f n e t 示意图9 图1 1 0b m n - m e s h 结构图1o 图1 i iw 烈的主要研究问题1 3 图1 1 2 本文的组织结构图一2 1 图2 1 有线链路与无线链路的区别2 4 图2 2h y a c i n t h 网络体系结构2 9 图2 3 跨层协议设计的体系结构31 图3 1i n t e r v a l 对于路径容量的影响一4 l 图3 2 报文数目对于路径容量测量准确性的影响4 4 图3 3 路径跳数对于路径容量的影响4 5 图4 1 路径之外的相邻链路对于路径容量的影响5 2 图4 2 路径已占用容量的计算5 3 图4 3 寻路过程的示意图5 7 图4 4 协议e h t r 的完整流程图6 2 图4 5 网格拓扑的w m n 示意图6 4 图4 6 网格拓扑环境下的协议性能6 5 图4 7 随机拓扑的w m n 示意图6 5 图4 8 随机拓扑环境下的协议性能6 6 图5 1 不恰当的信道分配方案造成网络分割一7 3 图5 2 多节点同步信道分配引发震荡7 4 图5 3 自适应的根据网络状况进行信道分配7 5 图5 4 使用不同信道分配方案的端到端平均吞吐量8 0 图5 5 使用不同信道分配方案的端到端平均时延8 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 1w m n 中负载均衡路由协议应具备的特性8 3 图6 2 跨层协议设计的功能图8 7 图6 3t l r 的体系结构8 8 图6 4 网格拓扑下的t l r 性能9 4 图6 5 随机拓扑下的t l r 性能9 5 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表3 1 网络模型中的相关符号定义及说明3 7 表4 1 仿真环境参数表6 3 表4 2 平滑因子口对于路由协议性能的影响6 7 表6 1t l r 中路由表的格式9 0 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取稃的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方井。论文中不包合其他人巴 爱发衰和撰写过的研究成果也不包含为获褥国防科学技术大学或其它麓l t t l , t i 的学 位或证书丙使用过的材# 与我一同工作的阉志对术研究所饿的任何贾献均巴在论文 中作了i t t l l t l 内说明并表示谢意 学位论文是置： 玉基坠! 垒基簦蔓由挂迭差笠拉盎数量毫 一 学雠嫦者斟：3 妞日期：跏歹年甲月扣日 本人完全了j i l 圈l t 科学技术大学有关保i ，使用学位论文的i l 定木人授权蛋 防科学技术大学可以保_ 并肉圈素有关部门囊机构避交论文的复审俘和电子文辖允 许论文羹叠月和借罚；可以将学位论文趋全都囊粉内客奠入肴荚i e 豢岸i t t i l l s l t 可以采用影印螬印或扫描辱复_ 手段像存，蹦学位 仑文 ( 保密学位论文在解密后适甩本授权书 , l t t t i 仑j e , t l g 丕缝竖! 垒匮垒整由挂望差笠筮苤鳗匠窀 一 学位论文作者签名： 作者指导蕞t l t l 4 1 f 明：弘7 枷胁日 日期：2 l i 的7 年j 5 f 月幻日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 意大利人古列尔默马可尼( g u g l i e l m om a r c o n i ) 在1 9 0 1 年成功实施的第一 次跨越大西洋的无线电呼叫，宣告了无线通信开始正式走入人类的生活。经过百 年的发展，无线通信领域已经形成门类齐全、覆盖广泛的庞大体系，其中包括无 中继的对讲系统、集群通信系统、卫星通信系统以及目前广泛应用的蜂窝通信系 统等等。无线通信满足了人们对于快捷方便的信息交互、联络交流等实际需求， 极大的丰富了人们的交流手段，也深刻影响了社会运行模式。 而随着计算机网络【2 】的普及，无线通信又开辟了新的广阔应用天地。人们开始 越来越不满足于有线网络的束缚，期望能随时、随地、随需的接入互联网，免除 繁琐布线的牵绊，过上真正的在线生活( o n l i n el i f e ) 。 由此，无线网络应运而生，即通过无线通信的技术手段，实现与其他计算机 网络系统的互联互通。 1 1 研究背景 第一代可用于计算机通信的包交换无线网络( p a c k e tr a d i on e t w o r k s ) 可以追 溯到1 9 6 8 年的a l o h a 项目【3 】【4 】，其中使用无线网络用于连接夏威夷各个岛上的 计算机。随后，d a r p a 在1 9 7 3 年成立“包一无线通信网络 项目p r n e t ( p a c k e t r a d i on e t w o r k s ) ，并开发了相应系纠5 j 1 6 j ，支持3 0 个节点，提供4 0 0 k b p s 的传输速率。p r n e t 项目可算是自组网络( a dh o en e t w o r k s ) 的雏形。 在p r n e t 项目结束后，1 9 9 3 年，d a r p a 又启动了高生存性自适应网络项目 s u r a n ( s u r v i v a b l ea d a p t i v en e t w o r k s ) ，用以研究大规模的适用于战场环境下的 自适应网络协议。随后又成立全球移动信息系统项目g l o m o ( g l o b a lm o b i l e i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) ，全面深入的研究满足军事需求的、高抗毁型的、可快速架设 的移动信息系统。由此，移动自组网络( m o b i l ea dh o en e t w o r k s ，m a n e t ) 正式 成为国际学术界的热点研究领域。 经过多年的研究，目前关于m a n e t 的研究已取得丰硕的成果。然而，对于提 供无线宽带业务的商业应用，m a n e t 却因有着其先天性的缺陷，难以提供成熟可 靠、高带宽的互联网无线接入服务。因此，研究者们开始将关注目光转向无线m e s h 网络，期望通过网络架构的革新，改进m 舢怔t 的固有缺陷，进而研发出高速、 稳定、可靠的无线宽带产品，以满足人们日益增长的对于高性价比的无线网络服 务的应用需求。 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 2w m n 的基本概念 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 m n ) ，即无线网状网l 7 1 1 引，是一种新 型的无线网络体系结构。它吸收了星型及网状等网络结构的优点，可以和多种宽 带无线接入技术如i e e e8 0 2 1 1 、8 0 2 1 6 、8 0 2 2 0 以及3 g 移动通信等相结合，组成 一个含有多跳无线链路的无线网状网络，目标是提供高带宽、低成本和容易架设 的组网方式，并且能与现有的各种网络实现互通。w m n 具有移动自组网的容易架 设、自组织组网等特点，且具备多信道多无线设备( m u l t i c h a n n e l ，m u l t i r a d i o ) ， 进一步提高了网络可靠性和链路的带宽。w m n 可以大大增加无线系统的覆盖范 围，同时可以提高无线网络系统的整体带宽容量以及通信可靠性，是一种非常有 发展前途的宽带无线接入技术。 1 2 1w m n 的组成 在w m n 中，各个节点通过多跳无线链路进行通信。依照节点所承载的不同功 能，通常可分为三类r 7 1 ，即：m e s h 路由、m e s h 客户以及m e s h 网关。 m e s h 路f l 了( m e s hr o u t e r ) 是具有路由功能的m e s h 节点，一般配备多个无 线通信接口，且计算、通信能力较强，构成了w m n 的骨干网络，可提供 关键的路由服务，负责终端的接入和数据的转发。 m e s h 终端( m e s hc l i e n t ) 是用户直接使用的设备，通过m e s h 路由来访问 i n t e m e t ，一般只具备单个无线通信接口。某些m e s h 终端也具备路由功能， 在特殊情况下能够为其他无法直接接入w m n 的终端提供路由转发服务。 m e s h 终端设备具有多样性，可以是普通p c 、笔记本电脑、p d a 、i p 电话 等等。 m e s h 网关( m e s hg a t e w a y ) 是w m n 与有线网络的连接点，提供路由和网 关功能。m 似中可以有多个网关，数据流可以选择通过最合适的网关来 获得与有线网络之间的通信。 1 2 2w m n 的体系结构 依据实际需求和应用场景的不同，洲的体系结构大致上可分为三种不同类 型【8 】：骨干设施型w m n 、对等客户型w m n 和混合型删。 1 ) 骨干设施型( i n f r a s t r u c t u r e b a c k b o n e ) w m n 如图1 1 【7 j 所示，其中虚线代表无线链接，实线代表有线连接。m e s h 路由节点 通过无线链路，以自组织的方式形成一个骨干网，m e s h 客户节点通过m e s h 路由 节点接入w m n 中，m e s h 网关则通过有线方式和i n t e m e t 相连，给w m n 中的节 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 点提供上网出口。这种类型的w m n 可提供高带宽、高可靠的网络通信服务，将 是奉立的主要研究对象。 冈 7 黧j 蕊幺。 。4j 互黛。 堞黑意 图1 l 骨干设施型删 舞溉 2 ) 对等客户型( c f i e n t ) w m n 如圉l2 ”】所示，在这种结构的w m n 网络中仅包含m e s h 客户节点。m e s h 客 户节点通过自组织的方式组成w m n ，并提供路由功能。相对于前种结构的 w m n ，这里对m e s h 客户节点的能力提出了更高的要求。可以看出，此类w m n 同m a n e t 十分相似，都需要节点能自组织、自管理的构建网络，适用于临时紧 急场景。 星一 图12 对等喜户型w 州 3 ) 掘合型( t l y b i r d l w m n 混合型w m s i 是由前两种网络结构混合形成，如图1 3 1 3 。这种结构和第一种 第3 页 且可 飙 一 豆 一昼 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 网络结构类似所不同的是，如果某些m e s h 客户节点不能直接通过m e s h 路由节 点接入网络( 如距离过远) ，可以通过自己通信范围内的其他m e s h 客户节点接入 w m n 。这种混台结构兼具稳定性和灵活性，将是w m n 未来的发展方向。然而， 由于网络体系结构上的复杂性，也带来了更多研究上的困难。 123 w m n 的特征 飙：一、黛 i 且 图13 混合型哪 与现有的各种无线网络相比，w m n 有一些显著的特点，在体系结构上也做了 一些改变。主要特性包括： 多无线设备、多信道( m u l t i r a d i o ，m u l t i c h a n n e l ) 的通信接口 w m n 允许节点之问使用不同的通信频道及无线模式进行通信( 包括m e s h 路由 节点之间、m e s h 客户节点之间及路由节点与客户节点k 从而尽量避免信道冲突， 大大提高了w m n 的性能。 专用的无线路由设施 w m n 将主要的路由任务放在m e s h 路由节点上，且不用考虑能耗问题。因此， 在m e s h 路由节点之间，可以形成无线骨干网( w i r e l e s sm e s hb a c k b o n e ) ，提高了 网络的可用带宽和可靠性。同时也降低了无线客户节点的设计复杂度，减少了 客户节点的无线通信量和能源的消耗，从而有助于降低端用户设各的价格。 移动性与节点类型相关 w m n 包含三种类型节点：m e s h r o u t e r 、m e s h g a t e w a y 及m e s h c l i e n t 。m e s h r o u t e r 和m e s h g a t e w a y 作为提供基础服务的设施，移动性最小；而e s hc l i e n t 作为 第4 页 国舫科学技术大学研究生院博士学位论文 网络中的端节点，可以完全固定，也可以处于不停的移动之中。因此在设计路由 挤议的时候，也需要考虑不同节点类型所带来的不同影响。 无线多跳网络 无线m e s h 网络的目标是在不牺牲信道容量的情况下，扩展现有无线网络的覆 盖范围。另一个目标是在不具有直接视距无线链路的用户之间，提供非视距连接。 为了实现这些目标不可避免的要采用多跳m e s h 网络。多跳m e s h 网络架构中，无 线链路间距更短、发射功率更小、节点间干扰更少和频率重用效率更高这样可以 在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。 多种网络集成及兼容能力 w m n 的体系结构及其中的节点提供了多种网络访问接口，保证了它为不同的 无线网络节点提供相应服务的能力，也能实现不同网络之间的无缝连接和通信( 例 如a d h o c n e t w o r k 、s e n s o r n e t w o t k 、w i - f i 、w i m a x 、b l u e t o o l h 、u w b 等) 。 图l4 给出了无线m e s h 网络与m a n e t 、s e l n = $ o r n e t w o r k 及无线局域网之间的 异同。 蚓i 链镕 是 是是 是 器 ；信 是否 否 剖无线骨干嘲 之间 无无无 溺# 目制 受斑( 所有节点)严重( 所有节点)无 快速部署 是是是 自目织a 月 是是是 否 蹴路自 是 是是 否 专有路自设施 是否否 其! 节点移动性 所有节点舌 他【事同兼容能力 有 无无无 图1 4w m n 与m a n e t 、w s n 及w l a n 之间的异同 1 3w 1 w n 的实际应用需求 w m n 做为新兴的无线网络体系结构，其应用范围涵盖了包括军事通信及战术 互联网、紧急救援、无线城域骨干网和社区网络、无线宽带家庭等在内的许多领 域，可提供多范围多层次的无线网络链接方案，以满足不同类型的无线应用需要， 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 保障稳定可靠的网络服务。 军事通信及战术互联网 在军事领域，w m n 可用来架设动动通的战术指挥网，实现作战单位与指挥、 决策中心之间的无缝链接，即时传送战场环境信息、指挥控制信息以及语音图像 等，使所有人员构成有机的战术整体，以最大化发挥应有效用，掌握作战主动权。 按照作战性能要求，战术互联网作为战术级的综合数据网，在机动、战斗勤务支 援与指挥控制平台之间提供无缝隙态势感知和指挥控制数据的交换，并通过野战 地域网接入上级梯队。战术互联网以t c p i p 协议为基础，需要支持的主要业务有： 态势感知信息、指挥控制信息、实时话音、l p 报文与自由报文以及网络管理等业 务。 圈l _ 5 军事战术互联网 紧急援助 在需要快速部署网络的场合，如海上灾难援助、火警紧急救援、反恐指挥等情 况下，没有条件或时间来架设固定的网络设施，但叉需要与后方指挥中心保持通 信畅通。此时无线m e s h 网络就能发挥重要作用，它可提供灵活快捷的组网方式及 稳定可靠的无线业务接入。 在51 2 汶川大地震时，由于地面光缆、基站等通信基础设施损坏，无法与外 界联络，只能靠部队徒步冒险进入震源去探测灾情。若是能育成熟可靠的w m n 设备，则可在第一时间组建简易通信网络，使前线震区与后方抗震救灾指挥部保 持畅通的联络渠道，不但方便统一部署和统筹协调，减少囡信息不畅而造成的决 策延迟，同时也能在黄金7 2 小时内挽救更多的幸存者。 第6 页 国防科学技术大学研究生院牌士学位论文 图16 火灾紧急援助 无线城域网及社区网络 在公共应用领域如无线城域骨干网、社区无线网络方面无线m e s h 网络也具 备得天独厚的优势；专用的路由设施和多信道多无线设备的属性，使得无线m e s h 网络不用考虑能源消耗，从而专注于网络性能和路由效率；自组织自管理的组网 方式可以提供方便迅速的大规模太范围的无线网络部署，免去布线带来的诸多问 题，实现最后一公里的无线宽带互联网接入服务。如新加坡的智能国家计划、台 湾地区的移动台北计划以及旧金山、费城的无线城市计划。北京也在近期实现了 三环范围内的无线接入服务。 圈17 无线城域网络及社匾网络 无线宽带家庭 在个人家庭应用领域，无线m e s h 网络可用于建立家庭无线网络，将家用电脑、 手机、p d a 、h d t v 以及游戏机等个人电子设备有机整合，无需复杂的布线和繁 琐的安装配置过程从而支持各种宽带应用，并为家电智能化操作提供网络基础 设施。 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 8 无线宽帝家庭 由上述无线m e s h 网络的应用模式可以看出，无线m e s h 网络主要是用来提供 高速可靠的无线网络接入。因此，如何设计无线m e s h 网络的m a c 及路由协议， 使其能最大程度的发挥无线m e s h 网络本身的资源优势，将是无线m e s h 网络研究 的主要内容。 1 4w m n 的相关研究项目、标准及市场产品 删目前是无线网络研究的热点领域，国内外许多研究机构和大学都设立了 w m n 相关的项目，在13 节所述的各个协议层面开展了研究工作。i e e e 标准组 织也成立了若干工作组，开始制定相关的协议和标准。另外，不少知名公司也纷 纷跟进参与研发w m n 产品，提供了一些解决方案和实用的商业产品。 14 1 国内外主要研究项目 目前知名的研究项目包括下列几种： r o o f n e t r o o f n e t ”】【7 4 1 是较早启动的w m n 实验研究项目，它是基于8 0 21 1 的城域 w m n ，其中节点3 8 个，架设在美国剑桥市( c a m b r i d g em a ) ，由美国麻省理工学 院( ( m a s s a e h u s d d si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , m i t ) 成立。其中，每个节点都是运行 l i n u x 的计算机，配备8 0 2 l i b 的无线网卡和专门的室外天线运行在a d h o c 模式 下。示意图见图1 9 。r o o f i l e t 项目组已经实现了一套开源的w m n 解决方案 l o c u s t w o r l dm e s h a p ，并以此为实验床，对此类w m n 进行性能评测。相关研究 第8 页 国肪科学技术大学研究生院牌士学位论文 结果表明，对于4 跳以上的路径，t c p 的端到端吞吐量只能达到4 73 k b y t c s s e c ， 而端到端延迟则达到了4 3 m s ，实验数据说明8 0 21 1m a c 协议在w m n 的性能表 现一般。该结果对于后续研究有着重要意义和影响。 圈l - 9r o o f n e t 示意圈 b m n - m e s h b m n m e s h ”是由乔治亚工学院( g e o r g i ai n s t i t u t