（计算机系统结构专业论文）无线mesh网络空间多样性研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的快速发展，人们对网络应用需求不断提高，无线网状网 w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) 得到了广泛的部署，由此可以得到更大范围的 网络服务。无线m e s h 网络中数据通过多跳转发被发送到数据接收端，或者具有 有线连接的网关节点上。已有的研究成果表明，现有网络通信协议栈上各层协议 不能适应这一新特点而工作效率低下，所能达到的传输性能还远不能满足用户的 需求。因此改进现有协议以适应w m n 的特征，从而提高w m n 中的传输性能具 有重要的意义。 无线m e s h 网络中的协作通信技术也得到越来越多的关注。它使得单天线的 节点在多用户环境里能和别的节点共享天线，使得数据的传输不仅包含传统的 “点到点”传输模式，还包含“多点到点”和“点到多点”的传输模式。在一次 传输过程中，可以同时有多个发送方，或同时有多个接收方。因此，如何利用协 作通信技术去提高系统性能也具有重要的意义。 本文围绕w m n 中的空间多样性问题，从提高空间分集从而提高系统性能方 面展开研究。 首先，本文对无线网络相关知识和w m n 研究现状进行综述，详细介绍了协 作通信技术以及目前w m n 中空间多样性的相关研究工作。 然后，介绍提高空间多样性对系统性能的影响。在无线传输介质里，提高无 线信道的利用率能有效的提高系统的性能。目前关于信道利用率的研究大部分是 利用空间多样性的特点，让信道得到较高的利用率。空间多样性是指空间能够得 到重复的利用，无线信道能够尽多的得到重复使用。本文针对无线m e s h 网络的 特性，利用空间多样性，提出一种链路调度算法，通过在同一时刻让更多的链路 同时发生通信，从而提高系统的总体性能。 最后，在充分利用无线介质的广播特性和空间多样性的基础上，提出一种考 虑协作通信和信道间干扰的路由度量和路由算法。通过此协作度量及其路由算法 计算得到的路由，可以使得多个节点协作发送数据包给同一个接收方，从而提高 空间重用率，进而使整个系统的性能能够得到有效提高。 本文主要从网络层和m a c 层出发，对无线m e s h 网络中的空间多样性进行研 究。如何结合网络层、m a c 层和物理层进行研究是一个非常有意义的话题，也是 未来的一个研究方向。 关键词：无线m e s h 网络空间多样性时隙指派算法协作路由度量路由协议 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e so nd e m a n d ， w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m n ) h a sb e e nw i d e l yd e p l o y e d ，w h i c hc a ne x t e n dt h e r a n g eo fn e t w o r ks e r v i c e s i nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，d a t ap a c k e ti sf o r w a r d e dt o d e s t i n a t i o nn o d eb ym u l t i p l eh o p sb e f o r ei ta r r i v e sa tt h ed e s t i n a t i o no rt h eg a t e w a y n o d e i th a sb e e nn o t i c e db yf o r m e rr e s e a r c h e st h a tc o n v e n t i o n a lc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l si nl a y e r so ft h ep r o t o c o ls t a c kc a n n o tf u l t ya d a p tt ot h i sn e wf e a t u r e ，w h i c h d o e sn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fu s e r s s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt om o d i f yt h e s e p r o t o c o l st oe n h a n c et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ei n 、 伦仆t s c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni nw m n h a sg o tm o r ea t t e n t i o nr e c e n t l y i te n a b l e s s i n g l ea n t e n n an o d e si nam u l t i u s e re n v i r o n m e n tt os h a r et h e i ra n t e n n a s ，m a k e sd a t a t r a n s m i s s i o ni n c l u d en o to n l yt h et r a d i t i o n a l ”p o i n t t o - p o i n t ”t r a n s f e rm o d e ，b u ta l s o ”m u l t i p o i n t - t o - p o i n t a n d ”p o i n t t o - m u l t i p o i n t ”t r a n s f e rm o d e u n d e rc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n ，i tc a nh a v em o r es e n d e r so rr e c e i v e r s t h e r e f o r e ，h o wt om a k eu s eo f c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p o r t a n t a i m i n gt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w ef o c u so n s p a t i a ld i v e r s i t y f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u so fw m n sa r ei n t r o d u c e d t h e c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n ds p a t i a ld i v e r s i t yi nw m n sa r ed e s c r i b e d b r i e f l y s e c o n d l y , w ei n t r o d u c es o m ei m p a c t i o no ns y s t e mp e r f o r m a n c eb yi m p r o v i n g s p a t i a ld i v e r s i t y i m p r o v i n gt h eu t i l i z a t i o no f w i r e l e s sc h a n n e lc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m m o s tr e s e a r c h e sh a v ef o c u so ni m p r o v i n gc h a n n e l u t i l i z a t i o nb ye x p l o i t i n gs p a t i a ld i v e r s i t y , w h i c hc a na l w a y sr e u s et h ec h a n n e l s p a t i a l d i v e r s i t ym e a n st h es p a c ec a nb er e u s e da n dw i r e l e s sc h a n n e la l w a y st ob er e u s e d b a s e do ne x p l o i t i n gs p a t i a ld i v e r s i t yi nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s ad i s t r i b u t e ds l o ta s s i g n m e n ta l g o r i t h m ，w h i c hc a ne x p l o i tt h es p a t i a ld i v e r s i t yf o r m o r ec o n c u r r e n tt r a n s m i s s i o n s ，a n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y , b a s e do ne x p l o i t i n gw i r e l e s sm e d i a sb r o a d c a s t i n gc h a r a c t e r sa n ds p a t i a l d i v e r s i t y , t h i st h e s i sc o n s i d e r sac o o p e r a t i v em e t r i ca n dr o u t ea l g o r i t h m ，w h i c h c o n s i d e r sc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o na n dc h a n n e li n t e r f e r e n c e s t h i sr o u t i n gc a n m a k em o r es e n d e r sc o o p e r a t i v e l ys e n dp a c k e t st oo n er e c e i v e r , w h i c hc a ni m p r o v e s p a t i a ld i v e r s i t ya n dt h ew h o l en e t w o r ks y s t e mp e r f o r m a n c e t h i st h e s i sd o e ss o m er e s e a r c ho ns p a t i a ld i v e r s i t yf r o mt h ea n g l eo fn e t w o r k l a y e ra n dm a cl a y e r h o wt oc o m b i n en e t w o r kl a y e r , m a cl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e rt o e x p l o i ts p a t i a ld i v e r s i t yi saf u t u r et o p i c i l i a b s t r a ( 了 k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，s p a t i a ld i v e r s i t y , s l o ta s s i g n m e n ta l g o r i t h m ， c o o p e r a t i v er o u t i n gm e t r i c ，r o u t i n gp r o t o c a l i v 图标索弓 图表索引 图1 1 论文组织结构图3 图2 1 架构式w m n 体系结构6 图2 2 对等式w m n 体系结构7 图2 3 混杂式w m n 体系结构7 图2 4r o o f n e t 结构示意图1 0 图2 5h y a c i n t h 结构示意图1 0 图2 7d c f 署i i p c f 的关系18 图2 8 编码协作示意图2 6 图2 - 9 协作通信的网络模型2 7 图3 1 无线热点区域的网络模型2 9 图3 2 没有采用空间多样性的单信道单条流传输3 0 图3 3 没有利用空间多样性的单信道两条流传输3 0 图3 - 4 单信道下不采用空间多样性3 0 图3 5 单射频多信道下俩条相反方向传输的数据流31 图3 - 6 多信道下采用空间多样性的多条数据流传输3 1 图3 7 时隙分配的不公平性3 2 图3 8 简单的网络模型3 4 图3 - 9 不同信道下在i m b p s 时的吞吐量3 6 图3 1 0 不同信道下在5 4 m b p s 时的吞吐量3 6 图3 1 l 不同信道下在1 m b p s 时的系统平均延迟3 7 图3 1 2 不同信道下在5 4 m b p s 时的系统平均延迟3 7 图4 1 三个节点协作的m e s h 网络3 9 图4 2 节点c 作为中继节点的协作通信系统4 0 图4 3 节点c 和f 作为中继节点的协作通信系统4 0 图4 4 保序性的例子4 3 图4 5 计算c o o p m 的系统模型4 4 图4 - 6 图4 5 n 入协作节点后的系统模型4 5 图4 7 不同速率下的系统吞吐量4 9 图4 8 不同速率下的系统平均延迟：4 9 图4 9 不同节点数量下的系统吞吐量。5 0 图4 1 0 不同节点数量下的系统平均延迟5 0 表2 18 0 2 1 1 b 数据传送速率规范1 7 表3 1 时隙的初始分配( b 代表广播) 3 5 表3 2 时隙分配计算方法3 5 表3 3 采用空间多样性后的时隙分配( 周期为1 2 ) 3 5 论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 嚣泓地幽渺卅 鹤刁， 第1 章绪论 第1 章绪论 随着经济的发展，大量新的无线通信技术不断涌现，无线网络由于其接入灵 活、成本低廉以及易于扩展等特性近年来得到了飞速发展。目前得到广泛应用的 无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 是一种单跳的无线接入网 ( w i l l i 锄s t a l l i n g s ，2 0 0 5 ；d h a r m ae ta 1 ，2 0 0 3 ；s e s a ye ta 1 ，2 0 0 4 ；a k y i l d i ze ta 1 2 0 0 2 ) ，无线终端均需要通过访问点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 接入有线网络，它也已 经得到商业推广。但由于单跳无线的传输距离有限，这就限制了w l a n 的覆盖 范围。同时，由于a p 需要直接与有线网络相连，导致w l a n 对有线网络有着 严重的依赖性，部署成本较高。为了扩大无线接入网的覆盖范围，降低部署成本， 无线m e s h 网络( w h l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) ( r a f f a e l eb r u n oe ta 1 ，2 0 0 5 ) 应运而生。w m n 作为一种能够提供更大范围无线接入的新技术已经成为了新的 研究热点，也得到了一些商业应用。本论文将在利用w m n 中具有空间多样性的 基础上，提出不同的调度算法及路由度量，使得在同一时刻内，整个系统有更多 的链路同时进行通信，郎提高空间重用率，从而提高系统的总体性能。本章将对 相关的研究背景以及全文的主要内容进行简要介绍。 1 1 研究背景 计算机网络自上世纪6 0 年代的a r p a r n e t 到今天的i n t e r a c t 已经经历了半 个世纪的发展变迁，目前的i n t e m e t 访问还主要依靠有线接入。但是随着无线通 信技术的发展，实现灵活便捷的移动接入已不再是梦想。美国在8 0 年代初提出 了自组织网络的概念，着重于研究a d h o c 网络。我国从七五后期开始研究自组 织网络技术。无线网络技术使得移动用户可以灵活的接入网络。1 9 9 7 年6 月第 一个w l a n 标准i e e e8 0 2 1 1 。正式颁布实施，为w l a n 的物理层和m a c 层 提供了统一的标准。随着无线技术和标准的发展，i e e e8 0 2 1 1 工作组又推出了 i e e e8 0 2 1l b 、i e e e8 0 2 1 1 a 、i e e e8 0 2 1 1 9 。等一系列标准，同时还出现了蓝牙 ( i e e e8 0 2 1 5 ) 、w i m a x ( i e e e8 0 2 1 6 ) 、u w b 等标准。然而，当前应用最为 广泛、产品化程度最高的无线标准还是使用2 4 g h z 开放频段的i e e e8 0 2 1l b g 标准。各大电信运营商已经推出了以w l a n 技术为基础的无线宽带接入业务， 一些城市、企业也建立了自己的无线局域网。 w l a n 是单跳无线网络，终端通过无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 接入有 线网络，覆盖的范围较小，且只能架设在有线网络的边缘，因此部署成本仍然较 高。无线多跳网络能通过多个站点的中继传输来提供更大范围的无线网络覆盖， 降低网络部署成本。w l a n 主要包括两种拓扑结构：集中式拓扑和分布式拓扑。 l 第1 章绪论 在集中式拓扑结构中，一个无线节点( 通常称为无线接入点，a p ) 作为网 络的中心控制节点，任意两个无线用户节点间的通信必须通过中心节点，中心节 点控制和管理用户节点对网络的访问。在分布式( 点一点) 拓扑结构中，任意两 个无线节点可以直接通信。所有的节点都处于平等地位。a dh o c 网络可以归结 为一种分布式的w l a n ，任何节点之间都处于平等地位，节点之间可以互相通信， 互相之间形成一种多跳的无线网络。 本论文的研究对象w m n 也是一种多跳无线网络，它具有网状的拓扑结构， 终端通过多跳无线连接实现与i n t e m e t 互通。w m n 的构成可以分为m e s h 路由器、 m e s h 终端以及m e s h 网关。m e s h 路由器构成了w m n 的主干，位置较固定，有稳 定的电源供给；m e s h 终端通过m e s h 路由器接入网络，在特殊情况下m e s h 终端也 可以作为路由器给其他站点提供到w m n 的连接；m e s h 网关是w m n 与i n t e m e t 的 连接点，可视为与有线网络相连的特殊路由器。w m n 是一种非常适合于覆盖大 面积开放区域，包括室外和室内的无线网络解决方案。最适合部署于大学园区、 体育场馆、公共场所、住宅小区接入以及需要监控的公共场所这类希望提供便捷 低廉的i n t e m e t 访问网络的区域。目前在北京后海、厦f - j ：k 学、香港机场等地也已 经有了免费的m e s h 网络可以使用。 1 2 研究目标及思路 无线m e s h 网络是一种新型的无线宽带接入方式，目前所达到的传输性能还 远远不能满足宽带i n t e m e t 通信的需求，因此本论文的研究工作将致力于通过在同 一时刻让更多链路进行通信，在提高空间复用率的基础上提高系统的总体性能。 在全面考虑w m n 各层对系统性能影响的基础上，本文先从m a c 层对链路调 度进行分析。为了在同一时刻有更多链路进行通信，并且在考虑公平性调度的基 础上，提出分布式时隙指派算法以提高空间复用率，进而提高系统的总体性能。 考虑m a c 层的空间多样性后，文章紧接着从网络层去分析空间多样性对系 统性能的影响。在网络层，通过协作通信，提出一种协作路由度量，使得多个节 点能协助一个节点进行更多的数据收发，从而提高空问的复用率，进而提高系统 的性能。 为了真正了解w m n 中空间多样性对系统性能的影响，本文在提出分布式时 隙指派算法迸行链路调度后，进一步使用n s 2 模拟器对算法进行验证，分析空间 重用性对系统性能的影响。之后，对目前已存在的路由度量进行分析及学习，从 而为后面提出的协作路由度量打好基础。同样，在考虑无线网络中的竞争与干扰 等因素的情况下，提出了协作路由度量，最后通过n s 2 模拟实验证明基于协作路 由度量的路由协议能有效提高空间复用率和系统性能。 2 第1 章绪论 1 3 本文的组织结构 本文的研究工作针对w m n 中的空间多样性的特点，从提高空间复用率，进 而提高系统性能方面展开，研究方法主要利用n s 2 仿真软件对算法进行仿真。全 文由五章构成，各章节之间的组织结构如图1 1 所示。 一章绪论) i ( 第二章无线m e s h 网络相关知识介绍) l i ：第三章链路调度对系统性能的影响治四章无线m e s h l 由! l 络新的协作路由算法 ( 争五章总结与展司 图1 l 论文组织结构图 第一章将介绍本文的研究背景、研究内容以及全文的组织结构。 第二章将对无线网络相关知识进行综述。首先对w m n 进行定义，根据体系 结构对其分类并归纳w m n 的特点；然后基于8 0 2 1 1 协议的w m n ，介绍i e e e 8 0 2 1 1 协议的相关内容，接着对w n f n 研究现状的综述，以及介绍w m n 与同类技 术之间的区别；最后介绍了协作通信技术及空间多样性对w m n 性能的影响。 第三章将介绍空间多样性对系统性能的影响。在无线传输介质里，提高无线 信道的利用率能有效的提高系统的性能。目前关于信道利用率的研究大部分是利 用空间多样性的特点，让信道得到较高的利用率。空间多样性是指空间能够得到 重复的利用，无线信道能够更多的得到重复使用。这章针对无线m e s h 网络的特 性，利用空间多样性，提出一种链路调度算法，从而提高系统的总体性能。 第四章在充分利用无线介质的广播特性和空间多样性的基础上，提出一种考 虑协作通信和信道间干扰的路由度量和路由算法。通过此度量及其路由算法计算 出来的路由，可以使得多个节点协作发送数据包给同一个接收方，从而提高空间 重用率，进而使整个系统的性能能够得到有效提高。 第五章是对本文的研究工作的总结与展望，总结了利用空间多样性的特点能 使系统性能得到提高，在基于目前工作的基础上，提出有待进一步研究的目标。 3 第1 章绪论 1 4 本章小结 本章首先介绍了本文的研究背景，包括相关的w l a n 、a dh o c 网络的研究 状况，然后概述了本文研究的主要目标及研究思路，最后描述了全文的组织结构。 下一章将对本文研究的相关背景知识与研究现状进行综述。 4 第2 章w m n 研究背景与现状 第2 章w m n 研究背景与现状 w m n 网络是一种新型的高带宽的无线网络，它利用多跳无线网状拓扑提供 n i n t e m e t 的宽带接入。多跳的拓扑结构不仅降低了对有线网络的依赖，而且大幅 增加了w m n 网络的覆盖范围，使得w m n 网络相对与传统的无线网络有了革命性 的改变和发展。w m n 作为i n t e m e t 接入网，提供高质量的业务服务是其核心目标。 本文研究的目的是通过对m a c 和网络层的分析，提出不同的算法去提高空间重 用率，进而提高w m n 的总体性能。本章将介绍文中所涉及的相关背景知识，并 对w m n 的研究现状进行综述。 2 1 无线m e s h 网络相关知识介绍 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 ，删) 利用多跳无线网状结构为 移动用户提供到i n t e m e t 的宽带接入。这种网络具有自组织，自管理，自愈能力， 且具有与现有有线和无线网络的兼容性及互操作性。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，节点之间可以一跳或者多跳与对等节点进 行直接通信，即以a dh o e 模式进行多跳通信。可以看成是w l a n 与a dh o e 的 结合，且发挥了两者的优势。因此，w m n 也被称为廉价的“l a s tm i l e ( 最后一 英里) 宽带接入方案。与w l a n 不同的是w m n 是多跳的无线网络，站点之间 可以对等地进行直接通信，不再需要通过a p 转发，且能够提供更大的覆盖范围。 在路由协议上，w l a n 固定路由，而w m n 采用动态路由，路由冗余和自愈能 力强；相对于a dh o e 网络来说，w m n 由于具有固定且电源充足的主干路由器， 所以对移动性和能耗问题的考虑较少。为了让w m n 真正成为有线网络的重要扩 展甚至替代部分有线网络，提高网络的通信能力与通信质量才是w m n 研究需要 解决的问题。下面首先介绍w m n 的组成，然后按体系结构对w m n 进行分类， 最后归纳w m n 的特点，并详细对比与a dh o c 网络的区别。 2 1 1w m n 的组成 w m n 中各站点间通过多跳无线连接形成网状拓扑，按站点的功能可分为 m e s h 路由器、m e s h 终端和m e s h 网关三类。 m e s h 路由器( m e s hr o u t e r ) 是具有路由功能的m e s h 站点。它具有一个 或多个无线射频( r a d i o ) ，构成w m n 的主干网络，负责终端的接入和数据的转 发。为了进一步提高m e s h 互联的灵活性，m e s h 路由器一般配有多个无线接口， 这些接口可以基于相同的无线技术，也可以基于不周的无线技术。相对于传统的 无线路由器，无线m e s h 路由器可以通过多跳通信以更低的传输功率达到相同的 覆盖范围。 5 第2 章w m n 研究背景与现状 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 路由器访 问i n t e m e t 。某些m e s h 终端也具备路由功能，因此也可以作为一个路由器，但是 这些节点不具备网关或者桥接功能。另外，m e s h 终端一般仅有一个无线接口。 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。w m n 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。m e s h 网关主要起路由作用。 2 。1 2w m n 的体系结构 从广义范围来看，根据体系结构的不同可以将w m n 分为架构式、对等式和 混杂式三类。 架构式w m n m e s h 路由器通过网状互联形成自配置、自愈合的w m n 主干，带网关功能的 m e s h 路由器提供n i n t e m e t 的连接。终端节点既可以通过m e s h 路由器的接入服务 来接入w m n 网络，也可以通过接入点来连接到w m n 网络中。其结构如图2 1 所 示。架构式w m n 由于存在专用的主干路由结构，其传输质量能够得到较好的保 障，更适用于需要高带宽、高稳定性的i n t e m e t 连接的场景。由于接入点可以通过 有线以太网技术和m e s h 路由器连接，因此接入点的类型和提供的服务均可多样 化，采用w i f i 、w i m a x 、2 g 、3 g 等不同通信技术的终端都能接入架构式w m n 中。 m 图2 - i 架构式w m n 体系结构 对等式w m n 对等式w m n 中各无线终端之间对等地连接起来形成无线网状网络，其结构 如图2 2 所示。可以看出该类型的w m n 与m a n e t 类似，所以m a n e t 也可以归类 为w m n 的一种特殊形式。对等式w m n 中为了能够形成自组织、自愈合的无线 6 第2 章w m n 研究背景与现状 m e s h 网络，终端设备需要具备路由以及网关等功能。对等式w m n 构造灵活，更 适用于临时紧急场景，但是终端设备间处理能力差异较大，设备位置变化频繁， 通信质量难以得到较好的保障。 & m e s hc l i e n t 、 e s hc l i e n t 图2 2 对等式w m n 体系结构 混杂式w m n 该类型的w m n 结合了架构式和对等式w m n 两种体系结构的特点。在混杂式 w m n 中m e s h 终端既可以直接接入m e s h 主干，也可以通过其他的m e s h 终端接入， 其结构如图2 3 所示。架构式w m n 网络由于存在专用的主干路由结构，其传输性 能能够得到较好的保障，更适用于需要高带宽、高稳定性的i n t e m e t 连接的场景。 对等式w m n 网络构造灵活，更适用于临时紧急场景，但是终端设备间处理能力 差异较大，通信质量无法得到较好的保障。混杂式w m n 兼具架构式和对等式 w m n 的优点，该类型的w m n 将是未来发展的主流。 图2 - 3 混杂式w m n 体系结构 2 1 3w m n 的特点 w m n 作为一种新型的网络有着自己的一些特征，同时网状的拓扑结构使其 与传统的无线a dh o c 网络有着很多相似之处。w m n 所具有的特征如下： 7 第2 章w m n 研究背景与现状 多跳无线网状拓扑 多跳无线网状拓扑结构的采用能够扩大网络覆盖范围，提供视线不可达 ( n o n l i n e o f - s i g h t ，n - l o s ) 的无线网络接入，避免由于障碍物阻隔造成的无线 覆盖死角。 不同类型的节点对移动性和能耗的需求不同： m e s h 路由器及网关通常是固定的且具有可靠的电源供应，而m e s h 终端则既 可以是较固定的节点也可以是移动性较强的节点，对能耗的限制也应随终端的种 类而变化。 站点的多样性 构成w m n 的三类站点对移动性和能耗的需求不同。m e s h 路由器和网关通常 是固定的，具有可靠的电源供应；而m e s h 终端则既可以是较固定的站点，也可 以是移动性较强的站点，对能耗的限制也随终端设备的具体配置而变化。 自组织、自愈合 w m n 网络布设简单，m e s h 终端站点可以随时加入和离开网络，且具有一定 的移动性，因此w m n 需要具备与m a n e t 相似的自组织、自愈合能力。 提供多种类型的网络访问 w m n 既能够提供至j j i n t e m e t 的网络访问，也能够提供终端站点之间对等 ( p e e r - t o p e e r ，p 2 p ) 的网络访问。w m n 内部站点间通信不再像w l a n 一样需 要通过a p 进行，站点间可以直接以a dh o c 的方式进行对等通信。 与现存无线网络技术兼容 w m n 只是一种架构，并没有规定具体的通信标准。作为i n t e r a c t 接入网， w m n 应该能够兼容w i - f i 等目前已经占有一定市场份额的设备，此外还应该能够 与w i m a x 、u w b 、z i g b e e 等其他的无线网络实现通信。 2 1 4w m n 网络与a dh o c 网络的异同 w m n 与a d h o c 网络均是多点对多点网络，a d h o c 网络中的移动节点都兼有 路由和主机功能，不存在类似与基站的网络中心控制点，节点都是对等的，采用 分布式控制方式。删一般被当作一种特殊的a dh o e 网络，因为通过部署基站 和接入点，w m n 不需要有线的基础设施，而在蜂窝网或w i - f i 网络中就必须有这 种有线基础设施。w m n 使用了a dh o c 网络互相技术。事实上，a dh o c 网络也可 以当作w m n 的一个子集，但w m n 与移动a dh o c 网络的业务模式不一样。w m n 主要用于i n t e m e t 的业务，而a dh o c 主要业务是任意节点之间的业务流。 下面再看w m n 网络与无线a d h o c 网络的不同点。 无线基础设施骨干 8 第2 章w m n 研究背景与现状 m e s h 路由器组成的无线骨干构成了w m n 。在无线网络中，无线骨干提供了 大的覆盖范围，连接性以及健壮性。而在a d h o c 网络中，不存在骨干网。 集成方面 w m n 支持和m e s h 路由器使用相同无线电技术的传统客户端，这可以通过 m e s h 路由器的主机路由功能来完成。而通过m e s h 路由器中的网关和桥接功能， w m n 可以集成现有的w i f i ，i n t e m e t ，蜂窝网络和传感器网络。因此通过使用无 线基础设施，一个网络中的用户可以使用另一个网络中的服务。通过w m n 集成 的无线网络会像i n t e m e t 主干网一样，而a dh o c 网络则不具有集成功能。 专门的路由和配置 在a d h o c 网络中，终端用户可以为其他节点实施路由和配置功能。而w m n 用m e s h 路由器来完成这些功能，因此，终端用户设备的负载就明显降低。 移动性 无线m e s h 网络的链接和拓扑与节点的运动有关，因此w m n 对路由协议提出 了更高的要求。 2 2 研究项目及相关标准 无线m e s h 网络概念提出的时间并不长，目前已经有大量的研究机构设立了 w m n 相关研究项目，一些知名公司也投入了w m n 的研发，提出了部分解决方案。 此外，i e e e 标准组织也有几个工作组正在制定相关的标准。 2 2 1 研究项目及解决方案 目前国际上较有影响力的w l v i n 研究项目及解决方案有： m i tr o o f n e t r o o f n e t ( a g u a y oe ta 1 ，2 0 0 4 ，) 是美国麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t e o f t e c h n o l o g y ，m i t ) 所开展的研究项目。这是一个基于i e e e8 0 2 11 的非统一部 署的( u n p l a n n e d ) 城域w m n 网络，由3 0 。5 0 个站点组成，每一个r o o f n e t 站点都 是一台运行l i n u x 的计算机，配备了运行在a dh o c 模式的8 0 2 1 l b 网卡以及专门的 全向天线，站点能够自动寻找路由。图2 4 为r o o f n e t 的结构示意图。该项目组已 经开发出一套开源的商业无线m e s h 网络解决方案l o c u s t w o r l dm e s h a p 。该项目 组在r o o f n e t 试验床上针对此类无统一部署的m e s h 网络性能进行了相关的测量研 究( j o h nb i c k e te ta 1 ，2 0 0 5 ) 0 ，发现超过4 跳的t c p 吞吐率已经只能达到 4 7 3 k b y t e s s ，延迟达至t j 4 3 0 m s 。这些实验数据说明i e e e8 0 2 1 1 m a c 协议在w m n 这样的多跳无线网络中存在严重的问题。该项目的开展对于w m n 的研究有着重 要的影响。 9 第2 章w m n 研究背景与现状 图2 4r o o f n e t 结构示意图 w i r e dg i t e w r s h y a c i n t h h y a c i n t h 项目是纽约州立大学石溪分校( s t o n yb r o o ku n i v e r s i t y ) 所研究的 基于i e e e8 0 2 1 1 的多信道w m n ( h y a c i n t h ；r a n i w a l ae ta 1 ，2 0 0 4 ) ，提出了用i e e e 8 0 2 1 1a b g 或i e e e8 0 2 1 6 a 技术构建的多信道w m n 体系结构h y a c i n t h 。该项目主 要研究接1 2 、信道分配以及路由的问题。h y a c i n t h 原型系统由1 0 个站点构成，每 个站点上装备两个8 0 2 1 l a 网卡，可以同时使用两个互不干扰的信道，整个网络 共使用5 个信道。信道分配算法需要平衡维持网络连接和增加总带宽之间的矛盾。 实验结果显示，这样的结构能够比单信道的无线多跳网络增j 3 h 6 至7 倍的吞吐率。 图2 - 5h y a c i n t h 结构示意图 b w n m e s h b w 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 eo f t e c h n o l o g y ) 宽带与无线 网络实验室架设的w m n 实验床。该研究组的目标定位在与多种网络互联的w m n 第2 章w m n 研究背景与现状 的传输层、路由以及m a c 协议上( b w nl a b ) 。该实验床由1 5 个基于i e e e8 0 2 1 l b g 的m e s h 路由器组成，这些路由器分布在同一层楼上的不同房间里。b w n - m e s h 已经与该实验室的下一代互联网实验床以及b w n 传感器网络实现了互联，实验 测试了路由器间距离、主干位置等对性能的影响以及现存的协议( t c p 、a o d v 、 i e e e8 0 2 1 1 ) 在w m n 中的性能。 m i c r o s o f tw m n 项目 m i c r o s o f t 网络研究组的w m n 研究关注于自组织邻居域场景( m i c r o s o f tm e s h n e t w o r k s ) 。该研究组利用m c l ( m e s hc o n n e c t i v i t yl a y e r ) 软件模块实现t a dh o e 路由与链路质量测量。m c l 是可装载的w i n d o w s 驱动程序，在数据链路层与网络 层之间增加一个插入层来实现虚拟网络适配器，其路由使用l q s r ( l i n kq u a l i t y s o u r c er o u t i n g ) 方案。m c l 非常适用于有稳定电源供应，对移动性要求不高的 小范围网络，这样的设计使高层软件不需要任何修改即可使用。m i c r o s o f t 的虚拟 m c l 网络适配器能够实现对i e e e8 0 2 11 、i e e e8 0 2 3 等类以太网的物理链路的支 持，其a dh o c 路由能够运行在异构的无线链路之上。该研究组还开发了一套供 w m n 研究使用的工具集m e s hn e t w o r k i n ga c a d e m i cr e s o u r c et o o l k i t2 0 0 5 。 i n t e l w m n 项目 i n t e l 网络体系结构实验室开发了低成本、低功耗的访问点原型，用以进一步 研究w m n 上的流量特征、动态路由与配置、q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 以及安全 等问题。i n t e l n 用基于i x p 4 2 5 网络处理器的路由器以及c e n t r i n o 笔记本电脑搭建 的实验床运