（通信与信息系统专业论文）mesh结构无线网络协议研究及实现.pdf

摘要 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。目前已有的无线网络协议无论是无线个域 网i e e e 8 0 2 1 5 3 i e e e 8 0 2 1 5 4 还是无线局域网i e e e 8 0 2 1 l 都不支持m e s h 结构。本文专注 m e s h 结构无线网络协议研究与实现，首先综合分析了m e s h 网络的相关背景和研究进展， 对低速无线个域网m e s h 协议进行了分析和研究。设计了一种m e s h 结构无线传感器网络系 统，给出了硬件和协议实现过程和结果，最后研究了m e s h 网络的扩展应用设计。 本文主要分为六章，包含了协议研究，软硬件设计实现，以及应用设计。其中，第二章 后半部分和第四、五、六章为本文的重点。 第一章绪论。阐述了m e s h 网络产生的背景 网络的区别，介绍了目前m e s h 网络的研究进展 络的支持情况。 m e s h 网络的特点，m e s h 网络与a dh o c 综合分析讨论了各种标准对m e s h 结构网 第二章主要研究低速率无线个域网m e s h 协议。详细分析了i e e e 8 0 2 1 5 4 以及对其m e s h 结构支持的改进，重点研究了不同的关联准则对不同拓扑结构和不同业务类型的网络的平均 路由跳数和负载公平性的影响。 第三章研究并设计了m e s h 结构的无线传感网硬件平台的实现方案，包括设计思路网 络结构，节点原理图，p c b 版图等。为进一步在其上实现m e s h 相关协议提供了操作平台。 第四章研究在硬件平台上实现m e s h 结构传感器网络相关协议的关键技术过程。主要包 括协议分层实现机制，消息机制，m a c 层协议的实现。m e s h 层协议的实现，以及用到的嵌 入式软件开发环境和数据库的实现 第五章研究了m e s h 网络扩展应用的设计。首先设计了三种应用，包括无线m e s h 城域 网原理设计，m e s h 结构智能交通系统的原理设计以及m e s h 结构在家庭网络中的应用。之 后作为本章的重点研究并实现了部分基于嵌入式系统技术的m e s h 无线网络试验平台，及部 分测试工作。 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 网络关联准则无线传感网硬件实现协议分层消息机制 m a c 协议实现m e s h 协议实现数据库m e s h 应用设计 东南大学硕士学位论文 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 si sah o tr e s e a r c hd 0 i n ti nr e c e n ty e a r s t r a d i t i o n a lw i f e l e s sn e t w o r k s o fs t a rt o p o l o g ya ”r 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 y e x p a n s i o na b i l i t i e sa r cp o o r w i r e l e s sm e s hn e t w o r k sj u s tt r o tt h e s ep o i n t sa si t sa d v a n t a g e s b y n o ws t a n d a r d so fw i r e l e s sn e t w o r k ss u c h 笛正e e 8 0 2 1 5 3 i e e e 8 0 2 1 5 4d on o ts u p p o r tm e s h t o p o l o g y s on o wt h e s t u d i e sa l m o s tf o c u so nt h ee n h a n c e m e n to fc u r r e n ts t a n d a r d s t h i s d i s s e r t a t i o nf u s t l yi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do fm e s hn e t w o r k sa n dt h ep r o g r e s si nr e s e a r c h t h e l li tt a k e sar e s e a r c ho nm e s hp r o t o c o l s a l s oi ts p e c i f i e st h eh a r d w a r ea n dp r o t o c o l i m p l e m e n t a t i o no fm e s hw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h r e e a p p l i c a t i o nd e s i g n so f m e s hn e t w o r k s t h ed i s s e r t a t i o ni ss e p a r a t e di n t os i xc h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e rf a s ti n t r o d u c 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 hn e t w o r k sa n d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm e s ha n da dh o cn e t w o r k s ，a n dt h e ni td e s c r i b e st h ep r o g r e s so f r e s e a r c h i nm e s hn e t w o r k s ，f i n a l l y , i tg i v e sh o ws o m ec u r r e n ts t a n d a r d si sg o i n gt os u p p o r tm e s ht o p o l o g y t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d a c e sp r o t o c o l so fl 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 s s p e c i f l c a l l y , i ti n t r o d u c e st h ei e e e 8 0 2 1 5 4s t a n d a r da n dg i v e s i t se n h a n c e m e n t a tl a s tt h e r e s e a r c ho nh o wd i f f e r e n ta s s o c i a t i o nr u l e sa f f e c t sa v e r a g er o u t i n gj u m p sa n dl o a df a i r n e s si n n e t w o r k sw i t hd i f f e r e n tt o p o l o g i e sa n da p p l i c a t i o n s 王nt h et h i r dc h a p t e ro ft h ed i s s e r t a t i o n i ts p e c i f i e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n gd e s i g np r i n c i p l e s ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r e , s c h e m a t i cd e s i g na n dp c b d e s i g n t h i sl a y st h eb a s e m e n tf u ri m p l e m e n t i n gm e s hp r o t o c o lo nt h ep l a t f o r m t h ef o r i l lc h a p t e rg i v e st h ep r o c e s so fi m p l e m e n t i n gp r o t o c o l so fm e s hw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k so nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m 弧ei m p l e m e n t a t i o ni n c l u d e sp r o t o c o ll a y e r s m e s s a g e m e c h a n i s m , m a cl a y e rp r o t o c o l ，a n dm e s hp r o t o c o l s a tl a s t i ti n t r o d u c e st h ei d et o o l sa n d d a t a b a s e c h a p t e rf i v ed i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o nd e s i g no fm e s hn e t w o r k s f i r s ti td e s i g n st h r e e a p p l i c a t i o n si n c l u d i n gw m a n p r i n c i p l ed e s i g no fm e s hi n t e l l i g e n tc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l s y s t e m ，a n da p p l i c a t i o no fm e s hn e t w o r ki nh o m en e t w o r k s t h e ni tg i v e st h ei m p l e m e n t a t i o no f t h em e s hw i r l e s sn e t w o r kt e s tb e d t h el a s tc h a p t e rg 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 dt h ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s 【k e y w o r d s 】w t r e l e s sm e s hn e t w o r k s a s s o c i a t i o nr u l e sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n p r o t o c o ll a y e r s m e s s a g em e c h a n i s m m a ci m p l e m e n t a t i n n m e s hi m p l e m e n t a t i o nd a t a b a s em e s ha p p l i c a t i o nd e s i g n n 图表索弓 插图索引： 图1 1 星型拓扑 图1 2 点对点拓扑 图表索引 图l 一3 骨干网型m e s h 结构 图1 4 客户端型m e s h 结构网络 图1 - 5 混合型m e s h 结构网络 图1 - 6 热点覆盖的w l a n 图1 7 m e s h 覆盖的w l a n 图1 - 8i e e e 8 0 2 1 5 3 超帧结构 图1 - 9i e e e8 0 2 1 5 4 m a c 子层数据包格式 图i 1 0i e e e8 0 2 1 6p m p 拓扑结构 3 3 9 图1 - 11i e e e8 0 2 1 6m e s h 拓扑结构1 3 图2 1l r w p a n 网络组件和拓扑关系 1 6 图2 - 2 星型网络和点对点网络1 6 图2 3 超帧结构1 9 图2 4 设备向协调器发送数据 图2 5 协调器向设备发送数据 图2 - 6 m a c 帧格式 图2 - 7 信标帧的格式 图2 8 数据帧的格式 图2 - 9 确认帧的格式 图2 一l o 命令帧的格式 图2 - 1 lc s m a c a 算法。 图2 一1 2 每一枝节点数的计算过程， 图2 - 1 3 两跳链路状态( 以节点j 为中心) 图2 1 4m e s h 路由选择和数据转发伪代码 图2 - 1 52 0 0 个节点的网络结构图 图2 一1 6 向根节点发送模式下平均跳数 图2 1 7 向根节点发送模式下前5 节点负载比重 图2 一1 8 随机发送模式下平均跳数 图2 一1 9 随机发送模式下前5 节点负载比重一3 6 图3 1 无线传感器网络系统示意图 图3 - 2m e s h 结构无线传感网试验系统 图3 - 3 汇聚节点实物图 图3 4 传感器节点实物图 图3 - 5 汇聚节点结构框图 图3 6 汇聚板控制模块原理图 图3 - 7 汇聚板p c 接口模块u s b 部分原理图 图3 8 汇聚板p c 接口模块串口部分原理图 3 9 3 9 4 2 东南大学硕士学位论文 图：3 - 9 汇聚板r f 模块原理图 图3 一l o 汇聚板电源模块原理图 4 4 图3 - l l 汇聚板控制模块与p c 接口模块连接图4 6 图3 1 2 汇聚板控制模块与r f 模块连接图 图3 1 3 汇聚节点p c b 版图 图3 1 4 传感器节点结构图 图3 一1 5 节点板p c 接口模块原理图 图3 1 6 节点板子板部分电源模块原理图 图3 1 7 节点板板上电源模块原理图 图3 1 8 传感器模块原理图 图3 1 9 节点板控制模块与p c 接口模块连接图 图3 - 2 0 节点板控制模块与传感器模块连接图 图3 - 2 1 传感器节点p c b 版图 5 l 图3 2 2 外接稳压电源接口p c b 图一 图3 - 2 3 外接串口通信模块p c b 图。 图3 - 2 4 外接传感器模块p c b 版图。 图4 ，lm e s h 结构无线传感器网络协议分层模型 图4 2 节点消息机制示意图 图4 - 3m a c 层数据帧结构图 图4 4m a c 层确认帧结构图 一5 3 5 4 5 5 图4 5m a c 层命令帧结构图 图4 - 6m a c 层信标帧结构图。 图4 7 节点关联过程流程图 图4 - 8 节点处理关联请求流程图 图4 - 9 节点处理信标请求流程图 图4 1 0m a c 层数据发送帧过程 图4 1 1m a c 层接受帧处理 6 0 6 l 6 ：! 6 ：i 图4 1 2 非时隙c s m c a 机制 图4 1 3 树型拓扑形成一 图4 1 4m e s h 拓扑形成 图4 1 5m e s h 层数据帧结构 图4 1 6m e s h 层命令帧结构 图4 1 7 地址分配流程图 6 6 图4 一1 8 邻节点信息表建立过程 图4 - 1 9 邻节点关闭处理流程图 6 9 图4 - 2 0 节点重新关联后的结果 图4 - 2 1 节点重新建立邻节点通信链路 图4 2 2 路由选择算法流程图 图4 2 3i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 界面 图4 2 4 数据库系统界面截图 图5 - 1m e s h 城域网示意图 图5 - 2 配置两种无线收发机的m e s h 网络 图5 3 没有m e s h 导航系统车流示意图一 图5 - 4 使用m e s h 导航后交通分流图 1 0 4 7 3 7 3 7 4 ，7 5 7 5 图表索弓 图5 - 5m e s h 交通导航控制系统用于交通灯控制 图5 - 6m e s h 交通导航控制系统用于公交系统 图5 7 大规模家庭网络结构图 图5 - 8 家庭网络协议栈结构 图5 - 9s t a r e a s t 平台 图5 1 0 多无线电收发机m e s h 路由器 图5 一i ic y 7 c 6 8 0 1 3 芯片固件程序框架结构 图5 1 2 无线视频服务网络结构示意图 图5 1 3 服务器端软件流程图 图5 1 4 客户端软件流程图 图5 1 5 实测效果图 表格索引： 8 0 8 l 8 3 8 4 。8 5 一8 5 8 l i 8 9 9 0 9 2 9 3 表1 1i e e e8 0 2 1 1m a c 层帧结构 表1 - 2i e e e8 0 2 1 i s 提案m a c 层数据帧结构 表1 - 3i e e e s 0 2 1 5 系列协议标准 表1 4i e e e8 0 2 1 5 3m a c 帧体 表1 - 5i e e e8 0 2 1 5 3m a c 帧头 9 9 表1 6 改进的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 帧体 表1 7 改进的i e e e8 0 2 1 5 3m a c 帧头 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 表2 - 5 控制帧子类型取值 表2 - 6 邻节点列表 1 l 1 2 1 2 1 7 2 5 2 6 表2 7 连通性矩阵举例2 9 表2 - 8 仿真参数列表 表3 - l 汇聚板控制模块引脚功能描述表。 表3 - 2u s b 部分接口表 表3 - 3 串口部分接口表。 表3 - 4 汇聚板控制模块与r f 模块接口表 表3 - 5 节点板控制模块引脚功能描述表 表3 - 6 节点板控制模块与p c 接口模块接口表 表3 7 节点板控制模块与r f 模块接口表 表3 - 8 节点板控制模块与传感器模块接口表 表4 - l 帧控制域格式 4 5 ，4 5 一4 8 ，5 2 5 3 5 9 表4 2 帧类型及对应取值 表4 - 3 命令类型及其取值 表4 4 关联应答帧命令负载 表牛5 信标帧负载结构 表4 - 6 帧控制域结构 表4 7m e s h 命令帧命令类型字段取值 6 l 6 2 6 9 6 9 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。 一虢栌日 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 电予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。 期： 土一夕3 、) 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在无线网络无处不在的今天，人们生活的很多方面因为无线通信而发生极大的改变。然 而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。 本章主要阐述无线m e s h 网络的产生背景，基本结构，特点，研究进展及相关协议，给 出本论文的内容安排。 1 2 无线m e s h 网络结构 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 $ 0 2 1 l 无线l a n 。拓扑结构如图l l 所示，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 c 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。点对点网络拓扑结构如图l 一2 所示。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，需要在一种分散式网络环境中进行 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。 o 终蠼节点 图1 1 星型拓扑 。半功能点 图1 - 2 点对点拓扑 无线m e s h 网络是一种点对点网络，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 s 0 2 1 6 无线城域网， i e e e s 0 2 1 l 无线局域网，i e e e 5 0 2 1 5 无线个域网。由于无线局域网的m e s h 结构比较典型， 下面主要针对无线局域网说明m e s h 的三种具体结构【l 】 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 骨干网型m e s h 结构 骨干网m e s h 结构如图l 一3 所示，多个m e s h 路由器组成网络主干，它们之间通过i e e e 8 0 2 1 1 或其它无线技术相连，并且其具有自动配置，自我愈合功能。这些m e s h 路由器之间 都可以点对点的或通过多次跳转相连，从而构成m e s h 结构。其中的一些m e s h 路由器与 i n t e r n e t 以有线方式相连，这样整个骨干网就与i n t e m e t 连通。这样，与m e s h 路由器采用相 同无线技术的客户端就可以直接和骨干网中的某个路由相连从而接入i n t e m e t 同时骨干网 应提供对移动客户端在路由器覆盖区域之间的无缝切换支持。对于使用不同无线技术的其他 客户端可以通过一个有以太网接口的基站与m e s h 骨干网相连，如蜂窝网设备，w i m a x 客 户端设备和无线传感器网络。 图l - 3 骨干网型m e s h 结构 ( 2 ) 客户端型m e s h 结构网络 如图l 一4 所示，客户端m e s h 结构网络由使用相同无线技术的客户端直接互连而成， 而不通过传统的a p 。这种连接方式是点对点的。与星型网络拓扑相比，它没有中心节点而 每个客户端必须具备自动配置和路由功能，这样相邻节点可以直接通信而不相邻节点可以通 过多跳实现连通。这种m e s h 结构类似a dh o c 网络，而它的移动性相对来说要小一些。当 然这种m e s h 结构不局限于应用于i e e e 8 0 2 11 的相关网络，在其它如i e e e 8 0 2 1 5 无线个域网 也可以提供对此种拓扑结构的支持 2 第1 章绪论 图1 _ 4 客户端型m e s h 结构网络 ( 3 )混合型m e s h 结构网络 图1 - 5 混合型m e s h 结构网络 顾名恳义，混合型是以上两种在某种意义上的混合，如图1 5 所示。在这种结构中， 既有m e s h 结构的骨干网，同时客户端之间以及客户端与路由器之间也是m e s h 结构。同时 骨干网还提供对其他网络，如w i m a x 、蜂窝网和传感器网络的接入支持。这种结构网络的 功能最强，其对客户端的要求也最高。 1 3 无线m e s h 网络与a dh o e 网络的区别 至此，可能大家会想起熟悉的a dh o g 两络。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 网络和a dh o e 网络有什么不同呢? 无线m e s h 网络和a dh o g 网络很类似， 可以把无线m e s h 网络看成是a d h o g 网络的另一个版本或移动a d h o c 网络的一种特例，他 们的主要区别在于：首先，a d h o g 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 dh o g 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 3 东南大学硕士学位论文 器节点收集到的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。 1 4 无线m e s h 网络的主要优点 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 ) 网络可靠性大大增强。无线m e s h 网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 lw 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间的干扰和系统自干扰，最终简化了无线 链路的设计。 ( 3 ) 网络覆盖范围增大。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围内， 如现在的w i f i 技术。引入m e s h 结构后，网络覆盖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 网络的初建成本低。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 5 无线m e s h 网络研究现状 1 5 1 物理层 目前的一些较前沿物理层技术可以被用于无线m e s h 网络的开发。比如无线m e s h 网络 可以通过用不同的调制和编码速率来支持不同的传输速率。这样就可以根据无线信道的质量 和网络拥塞动态改变数据传输速率，从而保证一定差错率。另外将会被广泛应用于宽带无线 通信的正交频分复用技术( o f d m ) ，超宽带技术( u 、糟) ，多输入多输出技术( m i m o ) 以及定向天线技术都可以用于无线m e s h 网络的开发。除此之外，认知无线电技术也可以被 用于m e s h 网络以提高频谱利用率 耳前研究所待解决的问题： ( 1 ) 目前已有的物理层新技术并不是都完全适用或可用。如u w b 技术，一般来说通信距离 在l o 米左右，这对于无线m e s h 网络的路由器来说不够的。多天线与m i m o 技术有可 能在将来达到更高的数据速率，但就目前来说，其复杂性和成本将制约其在m e s h 网络 中的应用。 4 第l 章绪论 ( 2 ) 从无线m e s h 网络的混合结构可以看出，m e s h 网络强调对多种网络的接入支持，要一个 平台上同时支持两种或多种无线网络的支持，从物理层到m a c 层再到上层，这方面的 具体实现还有很多： 作要做。 ( 3 ) 物理层的新技术的引入给m a c 及其它上层的设计带来新的挑战。为了能更好的利用物 理层提供的新技术，上层需要与物理层相适应以达到更好的性能。同时物理层也应在设 计时，强调为上层提供更好的更方便的接口，以达到联合优化提升性能的目的。 1 5 2m a c 层 无线m e s h 网络的可扩展性对于m a c 层的设计提出了相应的要求。而目前，对于m e s h 网络的m a c 层研究主要可以分为单信道m a c 和多信道m a c 。 单信道m a c ( 1 ) 修改目前已有的m a c 层协议。目前的几种无线m a c 层协议多是在i e e e 8 0 2 1 l 基础上进行的修改。比如对c s m a c a 算法的一些诸如竞争窗口的大小，退避过程 的修改。对于多跳的无线m e s h 网络来说这样的m a c 层协议还远远达不到提高全 网吞吐率的要求，随着跳数的增加，用于竞争的开销将大大增加，而网络性能则逐 渐恶化。 ( 2 ) 跨层设计。物理层提供的新的功能，如方向性天线和功率控制相应的产生了两类相 对应的m a c 层设计。两者可以减少暴露节点。但同时却增加了隐藏节点的数目。 因此需要对它们进行改进以减少隐藏节点。 ( 3 ) 提出全新的m a c 层协议。为了能从根本上提高无线多跳网络中端到端的吞吐率， 有必要设计一种全新m a c 层协议。不论随机的c s m a c a 接入协议还是基于 t d m a 和c d m a 的接入协议都还有很多问题有待研究。 多信道m a c 由于硬件设计的不同，多信道m a c 设计也分成以下几种： ( 1 ) 多信道，单收发器m a c 。单收发器带来的是较低的硬件成本，但也决定了，一个 节点在一个时间只能使用一个信道进行收发。目前已提出的专门针对多信道的 m a c 协议主要有多信道m a c l 2 】和s s c h ( s e d - s l o t t e dc h a n n e lh o p p i n g ) 算法【3 】 s s c h 算法是一种虚拟m a c 层算法，它建立于i e e e 8 0 2 1i m a c 层之上，可以对 其进行修改。 ( 2 ) 多信道，多收发机m a c 。在这种情况下，一个节点有多套射频和基带出来模块， 可以同时在若干个信道上进行通信。在它们之上是一个统一的m a c 层进行统一的 协调和调度。e n g i m 的多信道8 0 2 1 l 芯片就是建立在这一机带4 上的。然而，针对 这一物理平台的m a c 层算法仍然需要进行研究。 ( 3 ) 多无线电系统m a c 。在这种情形下，网络节点有多个不同的无线系统，每一个有 各自的物理层和m a c 层。其中各无线系统之间完全独立。目前针对这种系统a d y a 等人提出了m u p ( m u l t i - r a d i o u n i f i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 协议【4 】。它建立在m a c 层之上， 5 东南大学硕士学位论文 也是一种虚拟的m a c 层协议。 目前研究有待解决的问题： ( 1 ) m a c 的可扩展性。目前为止，多跳a dh o c 网络的可扩展性问题还没有完全解决。 m a c 层设计要解决随着网络节点的增多，跳数的增加，网络吞吐率性能快速恶化 的问题。显然，多信道的系统在多跳通信中会有很大的优势。但是如何在提高吞吐 率的同时提高频谱利用率就成了多信道m a c 设计要解决的问题。 ( 2 ) 网络的非对称性，可能需要非对称的m a c 层。大量a dh o c 网络的m a c 层协议 并不能被直接移植到无线m e s h 网络中。因为在a dh o c 网络中节点之问的地位作 用性能是对称的，相应的各节点的m a c 层协议是相同的。而在无线m e s h 网络中， 节点和路由在移动性，能量要求，功能上是不完全相同的，因此就会需要在节点和 路由上各运行不完全相同的m a c 层协议。 ( 3 ) m a c 层与物理层联合设计。新的物理层技术的使用如m i m e 和感知无线电将会需 要新的m a c 层的与之相适应。尤其是支持多信道的m a c 层。 ( 4 ) m a c 层融合网络层的功能。无线m e s h 网络中的路由器或m e s h 接入点需要整合多 种技术。它需要提供i e e e 8 0 2 1 5 。i e e e 8 0 2 1 6 等无线技术的接入需求。这样在m a c 层就必须提供这几种技术的物理层的桥接服务。 1 5 3 路由层 目前为止，尽管已经提出很多a d h o c 网络的路由协议，但针对无线m e s h 网络的路由 协议还不成熟，还有以下方面需要进一步研究： ( 1 ) 性能的衡量准则。许多已有的路由协议以最小跳数作为路由准则，而在很多情况下 这一准则并不是最优的。比如某条路径最短，但其中两个节点之间的链路条件很差， 这样就使得端到端的吞吐率因为这样点而变得很低。因此需要加入如r 1 r r ( r o u n d t r i pt i m e ) 这样的能衡量链路质量的指标。 ( 2 ) 负载平衡。在无线m e s h 网络中，可以想象，很多情况下会出现局部多用户进行数 据传输而使得部分链路上数据流量陡然增加，因而，路由协议需要根据网络拥塞状 况动态的调整链路的选择，分散数据流量减少网络拥塞。r 1 t 协议则可以实现这 一目的。 ( 3 ) 对于m e s h 路由和客户端的适应性。由于m e s h 网络中的路由器的移动性较低而对 能量的约束也相对较低，因此适应j ：路由器的路由协议可以比a d h o c 路由协议简 化很多。而对于客户端来说，其移动性和能量约束真好适合使用a dh o c 路由协议。 所以就需要设计一种既适合路由器有适合客户端的路由协议。 目前路由协议的研究进展主要有以下一些： ( 1 ) l q s r ( 1 i n k q u a l i t ys o u r c er o u t i n g ) 路由协议i s 。它选取期望传输次数( e t x ) 。单 跳r t t 和数据对延迟时间p k tp a i r ( p a c k e t p a i rl a t e n c y ) 三种指标分别与最小跳 6 第l 章绪论 数h o p ( h o pc o u n t ) ；住贝f l 进行对比。研究表明，以e t x 为判据的路由协议在w m n 中加入移动节点时性能还不够完善，需要提出更优的性能判据。同时，由于单一的路 由判据很难反映出链路质量对各个性能指标带来的影响，所以在制定路由判据时，应 使用多路由准则来解决。 ( 2 ) 多信道路由在w m n 中，使用多信道的方式有多种，如单收发器多信道、多收发器 多信道等方式。k a m a l 对多信道与多收发器的方案进行了理论分析。使用多收发器 可以在不需要修改m a c 协议的基础上提升网络性能。从该观点出发，o f a v e $ 提出 了m g - - l q s r 协议嘲。同时，该协议提出了适应多信道条件下的路由判据w c e e t ， 综合考虑了不同信道上的延时、带宽等信息。 ( 3 ) 多径路由。多径技术可以很好地避免单径时的网络震荡影响，在充分利用带宽等网 络资源的同时实现负载均衡、路由迂回和容错等。基于d s r 的多径源路由协议 m s r ( m u l t i - p a t hs o u r c er o i i i i n 曲就是一个例子。多径路由比较复杂，尤其对于仅靠路 由表驱动的路由协议。采用多径技术后数据包到达的顺序可能得不到保证。此时 上层协议是否需要作相应的改动等问题还有待研究。 ( 4 ) 分层次路由吼分层次路由主要解决a d h o c 网络路由协议在网络规模变大时网络 性能降低的问题。通过分层次技术，在簇内与簇间使用不同的路由，分别发挥其优点， 从而实现大规模w m n 路由协议。s a h a 提出了一种分层次路由的方法：在簇内和簇 间使用不同的路由协议。簇内路由协议为基于d s r 的反应式路由协议，该协议能够 很好地适应簇内用户移动快的特点；簇间使用先应式路由协议，反应了簇之间移动性 小的特点。 1 5 4 传输层 众所周知，在有线网络中t c p 和u d p 协议可以很好的完成传输层的拆包组包拥塞控制 等功能，而在无线网络中，网络端到端吞吐率的变化则有可能是网络数据拥塞造成的也有可 能是由于链路质量恶化造成的。目前为止，还没有完善的专门针对无线m e s h 网络的传输层 协议。但是针对a dh o e 网络的传输层协议却有很多，这些可以在设计m e s h 传输层协议中 用来借鉴。 目前已有一些基于t c p 改进协议。其主要对其做了以下一些修改： ( 1 ) 区分丢包因素。如前面所说传统的t c p 协议并不能区分由于拥塞和无线链路质量 差造成的丢包。当丢包发生时传统的t c p 协议会将其当成网络拥塞处理，也就是 会一味的降低数据发送速率。这并没有解决本质问题，还造成更大的吞吐率降低。 而当链路条件恢复时，它也不能做出迅速的反应。因此需要建立一种机制以区分丢 包的原因。 ( 2 ) 网络不对称性。网络的不对称性是指网络的前向链路和后向链路在带宽，丢包率和 延时上的不对称。这样就影响a c k 的传输，而t c p 协议的工作非常依赖a c k ， 因此就会造成性能的下降。已有的关于这一方面的对t c p 的改进如a c k 过滤， 7 东南大学硕士学位论文 a c k 拥塞控制等能否用于无线m e s h 网络还有待迸一步的研究。 ( 3 ) r t t 抖动。由于无线m e s h 网络的移动性，链路质量的变化，负载的起伏，数据传 输线路会不断变化，这样就会在成r 1 盯的频繁变化。这样会造成t c p 性能的下降。 目前研究有待解决的主要闯题： ( 1 ) 解决网络非对称性的跨层设计。传输层的性能很多都和它的下层有关。比如t c p 数据和a c k 的传输路径就是由路由层选择的。如果路由层在选择路径时能为前向 和后向链路都选择最优的路径，则t c p 数据和a c k 在传输上的不对称性就可以解 决。还有就是链路层直接影响着丢包率。 ( 2 ) 自适应t c p 。无线m e s h 网络会融合i e e e s 0