（信号与信息处理专业论文）基于多速率的无线mesh网络拓扑控制和路由算法研究.pdf

南京邮也大学颀l ：研究生学位论文 摘爱 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 m n ) 是一种新型的宽带无线网络架构，它 由对等的骨干节点构成多跳环境，节点闻单跳无线链路距离较短，可以通过骨干节点构成的 网关互联各种无线网络，又被人们称为无线因特网。w m n 可以实现较高的传输带宽且对节 点的发射功率要求不高，因而建设成本较低。由于w m n 舆备不同于传统无线网络的特点， 该技术在鲁棒性、灵活组网、提高网络覆盖率、增热嗵络容量、减少魏期投资等诸多方丽都 显现出很大的优势，尤其适合用于构建宽带无线接入骨干网。目前w m n 在世界范围内迅速 弓| 起了学术界与工程界的关注，成为一项热点技术。可以肯定，w m n 必将成为下一代觳特 网技术的重要组成部分。 本论文的主要研究工作和创新如下： 第一章介绍了无线m e s h 网络的结构，特点和与其他几种典型网络的区别。 第二章是无线m e s h 网络体系结构的关键技术研究，描述了无线m e s h 网络的协议在m a c 层，路由层和传输层的设计要求。 第三章首先介绍了基于8 0 2 。1 1w l a n 的无线m e s h 网络的m a c 典型协议，对m a c 的 自适应多速率机制进行了阐述；然后针对无线m e s h 网络的特点，研究了局部的拓扑控制能 够给无线m e s h 网络性能带来的影响；最后提出了一种基于机会警适应传输的拓扑控制算法 o a b t c ，该算法充分考虑了无线环境中固有的多速率特性，在保证原有网络连接性的前提下 涮除部分低速链路，为上层的路由协议构造个良好的拓扑，确保按需路囊协议能够在- # l 范围内发现最优路由。大量仿真结果表明，o a b t c 对网络性能有较大的提高。 第四章首先介绍了与无线m e s h 网络路由协议关联性较强的a dh o c 路由协议，然后阐述 了无线m e s h 网络路幽设计的标准，最后就现有的无线m e s h 网络的几种路内量度方法做了介 绍，并比较了它们的优缺点。 第五章提出了种无线m e s h 耀络基于物理m a c 感知的跨层路盘准则e e t d ，该凇则 不仅考虑了路径的期塑传输时间，而且考虑了8 0 2 1 lm a c 层传输速率的多样性。e e t d 使无 线电资源的使用效率和诸如高吞吐量和低时延之类的q o s 性能达到一种平衡；然后在此基础 上，充分考虑无线m e s h 网络的具体情况，如路由节点的移动性较小等特点，设计路由表和 按需路由相结合的路由协议。并用实验分析了所设计的路幽协议的性能。该准则能很好地应 用于d s d v 路由协议中，仿真表明e e t d 在性能上明显优于传统的最小跳数准则。 第六章是结束语。 l 南京邮r u 人学硕i j 研究生学位论文 摘要 论文中提出的算法和机制经过了理论分析和计算机仿真的验证，可以用于无线m e s h 网 络中，对实际设计无线m e s h 网络m a c 协议和路由协议具有较高的参考价值。 关键词：无线m e s h 网络，m a c 协议，路由协议，多速率，拓扑控制 南京邮 u 人学硕| j 研究生学位论文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 k ( w m n ) i san e wb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r kf r a m e w o r k i ti sa m u l t i h o pn e t w o r kf o r m e db yp e e r - t o p e e rb a c k b o n en o d e s b e c a u s eo ft h es h o r td i s t a n c ew i t h i no n e h o pb e t w e e nn o d e s ，w m nc a nl i n km a n yk i n d so fw i r e l e s sn e t w o r k st h r o u g ht h eg a t e w a y sw h i c h a r ec o m p o s e do ft h eb a s en o t e s ，s ow m ni sc a l l e dw i r e l e s si n t e m e tb yp e o p l e n o d e si nw m nc a n t r a n s m i tw i t hl o w e rp o w e ra n dh i g h e rt r a n s m i s s i o nb a n d w i d t hc a nb ea c h i e v e d ，w h i c hr e d u c et h e c o s t b e c a u s eo fi t sr o b u s t n e s s ，e a s yd e p l o y , w i d e rn e t w o r kc o v e r a g e ，l a r g e rn e t w o r kc a p a c i t y ，a n d l o w e re a r l yp h r a s ei n v e s t m e n t w m ni sa d v a n c e dt ot h et r a d i t i o n a lw i r e l e s sn e t w o r k s 。i ti s p a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i n gb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sb a c k b o n en e t w o r k s w m nh a s d r a w nt h ea t t e n t i o n sf o r mb o t ht h ew o r l do fa c a d e m ya n dt h ew o r l do fe n g i n e e r i n g ，t h u sb e c o m i n ga h o tt e c h n o l o g y 。w m nw i l ld e f i n i t e l yb e c o m ea ne s s e n t i a lp a r to ft h ei n t e r n e to ft h en e x tg e n e r a t i o n 。 t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，w ei n t r o d u c et h ea r c h i t e c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sm e s hn e t w o r k s 。 t h e nw el i s tt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nw m na n ds o m et y p i c a lw i r e l e s sn e t w o r k s c h a p t e rt w od i s c u s s e st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ea r c h i t e c t u r e i nw m n t h ed e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h ep r o t o c o l si nm a cl a y e r , r o u t i n gl a y e ra n dt r a n s p o r tl a y e ro fw m n a r ed e t a i l e d a l s o c h a p t e rt h r e ef i r s ti n t r o d u c e ss o m et y p i c a l8 0 2 。11w l a n b a s e dm a c p r o t o c o l so fw m n a n d e x p l a i n st h ea d a p t i v em u l t i r a t em e c h a n i s mo fm a cl a y e r c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fw m n ， t h e nw er e s e a r c ht h ei m p a c to ft h el o c a lt o p o l o g yc o n t r o lo nw m n t h el a s tp a r tp r o p o s e sa n o p p o r t u n i s t i ca u t o - r a t e b a s e dt o p o l o g yc o n t r o l a l g o r i t h m ( o a b t c ) 。o a b t cf u l l yt a k e st h e i n h e r e n tm u l t i r a t ep r o p e r t yo fw i r e l e s sn e t w o r ki n t oa c c o u n t i tr e m o v e ss o m el o wr a t el i n k sw h i l e p r e s e r v i n gt h ec o n n e c t i v i t yo ft h en e t w o r k 。o nt h eb a s i so fo a b t c ，o n d e m a n dr o u t i n gp r o t o c o l s c a nf i n dt h eo p t i m a lr o u t ei n o n e - h o pr a n g e 。e x t e n s i v es i m u l a t i o n ss h o wt h a to a b t cc a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h en e t w o r kt h r o u g h p u t c h a p t e rf o u rf i r s ti n t r o d u c e ss o m ea dh o cr o u t i n gp r o t o c o l st h a ta r em o r ec l o s e l yr e l a t e dt o w m n r o u t i n gp r o t o c o l s ，f o l l o w e db yp r e s e n t i n gt h ed e s i g ns t a n d a r d so fr o u t i n gp r o t o c o l so fw m n t h el a s tp a r td e t a i l ss o m er o u t i n gm e t r i ci nw m na n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o f t h e m 1 i i 毫亲邸l 毽夫学矮l ：戮究生学链论文 a b s t r a c t i nc h a p t e rf i v e ，w ep r o p o s ean e wc r o s s - l a y e rr o u t i n gm e t r i cc a l l e de n h a n c e de x p e c t e d t r a n s m i s s i o nd e l a y ( e e t d ) t h ep r o p o s e de e t dm e t r i cn o to n l ya i m sa tm i n i m i z i n ge x p e c t e d t r a n s m i s s i o nt i m e ，b u ta l s ot a k e si n t oa c c o u n to ft h em u l t i r a t ei ni e e e8 0 2 11m a cl a y e r e e t d r e a c h e sat r a d e o f fb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo fr a d i or e s o u r c e sa n dq o sr e q u i r e m e n t ss u c ha sh i g h t h r o u g h p u ta n dl o wd e l a y t h e nw ec o n s i d e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw m n ，s u c ha si m m o v a b i l i t y , p r e s e n tc r o s s l a y e rt a b l e d r i v e nr o u t i n gc o m b i n e dw i t ho n d e m a n dr o u t i n g w ev a l i d a t eo u ri d e a w i t hs i m u l a t i o na tt h ee n do ft h i sp a p e r e e t di se a s i l yi n t e g r a t e di n t oa p r o a c t i v er o u t i n gp r o t o c o l s u c ha sd e s t i n a t i o ns e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o r ( d s d v ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u rp r o p o s e d c r o s s l a y e rr o u t i n gm e t r i ca c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nc o m p a r i s o nt ot h et r a d i t i o n a lm i n i m u m h o p s ( m h ) m e t r i c 。 c h a p t e rs i xi st h ec o n c l u s i o no ft h ed i s s e r t a t i o n t h en o v e la l g o r i t h m sa n dm e c h a n i s m sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v eb e e n th e o r e t i c a l y e x p l o r e da n dv e r i f i e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h e yc a nb ea p p l i e dt ot h ed e s i g n i n go fw m n m a ca n dm u t i n gp r o t o c o l sa c t u a l l y k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；m a cp r o t o c o l ；r o u t i n gp r o t o c o l ；m u l t i r a t e ；t o p o l o g yc o n t r o l 南京l | | | j u 人学颂l ：_ f i j f 究生擎位论文 缩略语览 缩略语一览 a o d v a d o co n d e m a n dd i s t a n c ev e c t o r a p a c c e s sp o i n t a r f a u t or a t ef a l l b a c k 8 a p b r o a d c a s t - b a s e da c t i v ep r o b i n g c b r c o n s t a n tb i tr a t e c 8 爻p c l u s t e rb a s e dr o u t i n gp r o t o c o l c s c a r r i e rs e n s e c s c c h a n n e ls w i t c h i n gc o s t e 下sc l e a rt os e n d d c fd 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 f w 鹾a c d i s t r i b u t e df u n c t i o nw i r e l e s sm a c d s d v d e s t i n a t i o n - s e q u e n c e dd i s t a n c ev e c t o rr o u t i n g d s r d y n a m i cs o u r c er o u t i n g e e t d e n h a n c e de x p e c t e dt r a n s m i s s i o nd e l a y e t d e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nd e l a y 鞭 e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nt i m e e t x e x p e c t e dt r a n s m i s s i o nc o u n t l a r pi n t r a z o n er o u t i n gp r o t o c o l l f s i n t e r - f r a m es p a c e i r u i n t e r f e r e n c e - a w a r er e s o u r c eu s a g e 醚l cm e t r i c o fi n t e r f e r e n c ea n dc h a n n e l - s w i t c h i n g n a v n e t w o r ka i l o c a t i o nv e c t o r a b t c o p p o r t u n i s t i ca u t o - r a t eb a s e dt o p o l o g yc o n t r o l o a r o p p o r t u n i s t i ca u t or a t e p k t p a i r p e r - h o pp a c k e jp a i rd e l a y p 彳 p a y o f f t i m e r b a rr e c e i v e rb a s e da u t or a t e r s 鞋r e s e r v a t i o n 。s u b h e a d e r r t s r e q u e s tt os e n d r 竹r o u n dt r i pt i m e s s c h s e e d s l o t t e dc h a n n e lh o p p i n g t c l t o o lc o m m a n dl a n g u a g e 下c p t r a n s p o 娃c o n t r o lp r o t o c o l t o r a t e m p o r a l l yo r d e r e dr o u t i n ga l g o r i t h m u a p u n i c a s t b a s e da c t i v ep r o b i n g v i n t v i r t u a li n t e r n e tt e s t b e d w c e t t w e i g h t e dc u m u l a t i v ee t t w 乙a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i m a xw o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w m n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k z r pz o n er o u t i n gp r o t o c o l 南京邮电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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：丞：! ：夔日期：竺量：兰：! 口 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 他复制手段保存论文。本人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：丛当：盂 导师签名： 南京弼毡人学娥| ：研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着网络与无线通信技术的发展，越来越多的人使用性能f 1 益增强的手机、p d a 和笔记 本电脑，他们对通信的需求越柬越离，希望提供“无处不在”的通信以及更高的速率，追切 要求无线网络支持各种宽带业务的按入，特别是高速因特网业务的接入。这种r 益增强的社 会需求极大地推动着无线网络技术的进一步发展。由此可见，无线宽带接入网络有着广阔的 发展前景。目前无线通信系统主要有蜂窝通信系统、移动a dh o e 网络、无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 、无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 和i e e e8 0 2 1 6 无线城域网( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 。 传统的蜂窝通信系统是划分为蜂窝小区和以基站为中心方案的无线通信系统，在广阔的 范围内为用户提供话音和数据通信业务。但它只适用于用户数较多、有长期用户业务需求的 地区。它对移动状态下的用户仅提供有限的带宽支持，不能满足用户对视频等高带宽应用的 需求，而且网络基础设施建设成本较高。对于用户移动性较大、不适于建立大功率基站的应 用场合，例如，在发生地震等皇然灾害后及时组织营救，在偏远地区、太空环境中科考与作 业等，移动a dh o c 网络技术得到了很好的应用，并取得了许多重要研究成果 1 2 1 1 3 1 1 4 1 。a d h o c 网络具有以下显著特点： ( 1 ) 无中心和自组织性a dh o c 网络中没有绝对的控制中心。所有节点地位平等，都兼 有路幽器和主机的功能，通过分布式的网络协议协同完成特定的任务。节点可以随时加入和 离开阙络。 ( 2 ) 动态变化的拓扑结构在无线自组网中，节点的移动、无线接口的状态变化、无线 信道闻的相互干扰因素、地形因素等，都会导致网络拓扑结构不同程度酶变化。 ( 3 ) 多跳路由出于节点发射功率的限制，其信号覆盖范围有限。当试图与传输范围以 外的节点通信时，需要借助中间节点的转发，即通过多跳路由完成。 ( 4 ) 无线信道特征无线信道警身的物理特性使鸯组豳的带宽相对有线方式要低得多， 另外，无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、阻塞、嗓声干扰等因素，使得实际网络吞 睦量远小于理论的无线单跳带宽。 ( 5 ) 移动终端的有限性移动终端便于携带，但存在能源受限、内存较小、c p u 处理能 力较低和成本较高等缺陷。 堕室! ! ! ! ! 生叁兰竺竺! ! ! ! 生兰丝笙兰笙二里竺丝 ( 6 ) 安全性不足由于a dh o e 网络采用无线信道、分布式控制等技术，它更易受到被动 窃听、主动入侵和拒绝服务等网络攻击。 虽然具有上述特点的a dh o c 网络技术可以用于军事应用、传感器网络及临时场合等一些 特殊场景，但如何把a dh o c 网络技术应用于民用通信领域，为广大无线用户提供因特网业务， 却是一项极具现实意义的工作。 近年来，无线局域网的发展己进入技术成熟期，它有效延伸了因特网的覆盖范围，赋予 了用户一定的移动性。但w l a n 在技术上也存在缺陷，w l a n 中移动终端主要通过接入点 ( a c c e s sp o i n t ，a p ) 接入固定网络，其无线链路只有一跳( 无线单跳) ，受无线链路传输距离的 限制，w l a n 无法实现像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖。 为了实现无线通信中无处不在的通信目标，为无线用户提供包括v o l p 业务在内的因特网 业务，需要在移动a dh o c 网络的技术基础上，开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网 络技术，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 ) 正是这种社会发展需求的产物。 本课题作为江苏省高校自然科学重大基础研究项目( 0 6 k j a 5 1 0 0 1 ) ：“基于环境感知的异 构无线m e s h 网络体系机构及关键技术研究”的子项目之一，主要研究了无线m e s h 网络多速 率传输、拓扑控制和跨层路由等问题。 1 2 无线m e s h 网络结构 w m n 由m e s h 客户端( c l i e n t ) 、接入点，m e s h 路由器和网关等构成。m e s h 客户端除了具 备网状连网所必须的功能外，也可以作为路由器来工作，但不需要具有网桥和网关的功能。 通常m e s h 客户端只有一块无线接口，因此，m e s h 客户端的软、硬件平台比m e s h 路由器要 简单。m e s h 客户端种类较多，可以是笔记本电脑、p d a 、i p 电话、r f i d 阅读器和b a c n e t ( 楼宇自动化和控制网络1 控制器等。m e s h 路由器可以是普通的p c ，也可以是专用的嵌入式 系统，如a r m ( a d v a n c e dr i s km a c h i n e s ) 等。除了支持传统无线路由器的网关和中继器的功能 外，m e s h 路由器还包含了支持m e s h 连网的功能。为改善m e s h 网络的灵活性，m e s h 路由器 可配置多个无线接口，各种接口可以使用相同的接入技术，也可以使用不同的接入技术。与 传统无线路由器相比，m e s h 路由器可以使用较小的传输功率通过多跳环境实现相同的覆盖范 围。另外，m e s h 路由器的m a c 功能得到增强，以便在多跳环境下具备较好的伸缩性 5 】。 根据节点的不同功能， w m n 可分为以下三种结构 4 】： ( 1 ) 基础设施骨干网的网络结构 这种类型的m e s h 网络结构如图1 1 所示，m e s h 路由器构成客户端连接网络的基础设施。 除了常用的i e e e8 0 2 1 1 技术外，基础设施骨干网可用其他多种无线技术构建。m e s h 路由器 2 南京鄹电大学硬| ：研究生学位论文 第一章绪论 通过自动配置、自动愈合的链路在其中形成网状拓扑。通过网关功能，m e s h 路由器可被连入 i n t e r n e t 。此种模式也称作基础设施m e s h 网络，通过m e s h 路由器中网关网桥功能为传统的 客户端提供臂于网的功能，并且使得w m n 和现有的无线网络能集成工作。具有以太接霹的 传统客户端可以通过以太链路连接至m e s h 路由器。对于和m e s h 路由器具有同样无线技术的 传统客户端可直接与m e s h 路出器通信。 ( 2 ) 客户端m e s h 网络 鼙冀辩络w 潮0 蛾胃培 图1 1w m n 拓扑图 强l 。2 客户端网终结构 客户端m e s h 网络提供对等( p e e r - t o p e e r ) 的n 络结构 5 】，构成网络的客户端设备具有对等 的属性，具有路由和适配功麓并为客户提供终端用户应用的功能。因此这类网络不需要m e s h 亵宗帮l 毡大学矮l j | j | 象学位论文 第一零绪论 路由器。基本结构如图1 2 所示。客户端m e s h 网络通常在客户端设备上使用同一种类型的 无线接口。与基础设旄m e s hn 络相比，客户端m e s h 网络对终端用户设备的要求要高，这是 由于其端用户必须支持路幽和自动配置等其他功能。 ( 3 ) 混合m e s h 网络 如图1 3 所示，混合m e s h 嬲络是基础设施m e s h 躁络和客户端m e s h 网络的结合【5 】。 m e s h 客户端相互问或者经由m e s h 路由器也能构成客户端m e s h 网络。网络的基础设施提供 与i n t e m e t ，w i f i ， w i m a x ，蜂窝网络以及传感器等湖络的连接，而客户端的路由进一步 改善了m e s h 网络内的连接性和覆溢范围。我们认为混合m e s h 网络结构最具有成用前景。 1 3 无线m e s h 网络的特点 无蛾m _ m 客户 图l 。3 混合m e s hn 络 无线m e s h 网络具有以下特点： ( 1 ) 多跳无线嘲络。在不牺牲潞前信道容量的情况下，扩展当前无线网络的覆盖范围是 w m n 最重要的目标之一。w m n 的另一个目标是为处于非视距范围的用户提供非视距连接。 要满足这些要求，多跳、m e s h 方式是必不可少的，因为此种连接方式只需要短距离的链路， 经受较少的于扰，在不牺牲有效的无线信号范围的情况下，就可以实现较高的吞睦量和较高 的频谱复用效率。 ( 2 ) 支持a dh o c 网络结构，具有自构、自愈和囊组织的能力。w m n 灵活的网络结构、容 易柿嚣和配嚣、容错能力以及支持多点对多点通信的网状互连特性，增强了网络的性能。由 于上述特性，w m n 的前期投资较少，可以根据需要逐步扩展。 4 塑璺型! 堡叁兰堡! ：型! ；竺堂垡堡苎笙二至堕堡 ( 3 ) 移动性依赖于节点的类型。m e s h 路幽器具有较少的移动性，m e s h 客户端可以是静止 的也可以是移动的节点。 ( 4 ) 支持嬲程等多秭类型的网络接入。圈程链路( b a c k h a u l ) 是指从接入网络或者小区站点 ( c e l l s i t e ) 至l j 交换中心的连接，它位于接入网络和骨干网络之间。在w m n 中，既可以支持回程 到因特灞的接入，也可以支持端到端方式酌通信。另外，通过w m n 与其他无线鲻络酶集成， 向终端用户提供服务。 ( 5 ) 功耗限制依赖于节点的类型。w m n 的m e s h 路由器不受能量的约束，而m e s h 客户端 需要有节能机制的协议。为m e s h 路由器优化设计的m a c 或路由协议不定适合子m e s h 客 户端。 ( 6 ) 与现有无线溺络酌兼容性和互操作性。例如，基于i e e e8 0 2 。ll 技术构建的w m n 必 须和i e e e8 0 2 1 1 系列标准兼容，既要支持m e s h 网络客户端，也要支持传统的客户端。此类 m e s h 网络还需要和其他无线网络( 如w i m a x 和蜂窝网络等) 具有互操作性。 幽于有较高的可靠性、较大的 申缩性和较低的投资成本，w m n 作为种可以解决无线 接入“最后公里”瓶颈问题的新的方案，被写入到i e e e8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 无线城域网 ( w i r e l e s sm u n i c i p a la r e an e t w o r k ，w m a n ) 标准和i e e e8 0 2 。15 系歹l 标准之中，蜀藩也纳入到 i e e e8 0 2 1 1 s 标准的制定中。 1 4 无线m e s h 网络与其他无线网络的区别 1 4 1 无线m e s h 网络与蜂窝网络的主要区别 ( 1 ) w m n 网络吞吐量和链路传输速率大幅提高。在w m n 中应用w i 。f i 技术可以使用多 个萨交的信道传送数据，显著提高网络的吞吐量。例如i e e e8 0 2 1l a 有1 2 个正交的信道，每 个信道理论传输速率可达5 4 m b i t s ，若采用u w b 技术，传输速率则更高。而目自i 3 g 技术， 其理论传输速率在高速移动环境中仪支持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 ，静 止状态下速率为2 m b i 洮。 ( 2 ) w m n 可靠性提高，裔愈性强。在w m n 中链路拓扑为网状结构，若其中的某一条链 路通信质量显著下降，节点可自动选择其他可接入的链路，从而保证了网络的可靠性。傻在 星型结构的蜂窝移动通信系统中，一条链路的故障可能造成大范围的服务中断。 ( 3 ) w m n 投资成本低。w m n 的a p 、无线路凑器( w i r e l e s sr o u t e r ，w r ) 等设各比蜂窝 移动通信系统中的基站等设备要便宜很多，因此用w m n 构建骨干网将大大降低成本。 ( 4 ) w m n 网络配置和维护快速方便。在w m n 中网络配置非常方便，a p 、w r 等设备轻 雨泉鄢 乜人掌坝l j 韧 冗生学位论文篇一币缔论 巧，便于安装和维护，特别是w m n 骨干节点均为对等实体，无中心节点，易于分布式管理， 网络的扩展也很方便，且成本较低。 1 4 2 无线m e s h 网络与a dh o e 网络的主要区别 ( 1 ) 无线基础设施，骨于嬲 虽然w m n 与a dh o e 网均为对等节点的自组织多跳网络，但w m n 幽无线路由器构成 的无线骨于网组成。该骨干网提供大范围的信号覆盖、连接性和鲁棒性。然而，a dh o c 两的 可靠性依赖于每个不可靠的端用户的支持。 ( 2 ) 集成 w m n 支持和m e s h 路由器使用同样无线技术的传统的客户端。w m n 也通过m e s h 路由 器中网关的网桥功能支持现有的多种网络如、斩f i ，i n t e m e t ，蜂窝网络和传感器网络的集成。 因此，通过使用无线基础设施，一个霹络中的用户可以使用其他网络提供的服务。 ( 3 ) 专门的路由和配置功能 在a dh o e 网络中，端用户还要为其他节点提供路由和配置功能。但在w m n 中，由m e s h 路由器执行这些功能，因而端用户设备的负荷显著降低，可以为移动性和能量受到限制的端 用户提供低能耗的商端应用。而且，对端用户要求的限制降低了w m n 中设备的成本。 ( 4 ) 多接囡支持 m e s h 路幽器可以装有多个无线接口以提供路幽和接入功能，这使得无线部分的流量可以 分为两种类型。路由和配置功能可以在m e s h 路由器之间执行，端用户接入网络可通过不同 的无线接v i 实现，从丽显著改善网络性能。两a dh o e 网络通过同二个信道来执行这些功能， 因此网络性能下降。 ( 5 ) 移动性 幽于a dh o e 网络使用端用户设备提供路由功能，网络的拓扑和连接性依赖于用户的移 动。这对路幽协议、网络配置和布置提出了额外的挑战。 ( 6 ) 拓扑结构 w m n 的m e s h 路由器不受能量的约束，地理位罱相对固定，因而w m n 拓扑结构相对稳 定，仅在节点失效、节点西维护丽关闭和薪节点加入等情况下发生改变。焉移动a dh o c 嬲络 多为随意移动的网络拓扑。 ( 7 ) 业务模式及流量特点 w m n 的流量是嗽大量分流汇聚丽成，不会经常变化，在很多情况下w m n 的流量是倾 斜的，即大部分用户流量是到达或来自有线网络，因而可以根据具体的流量分布模型对网络 6 南京| | i j l 乜大学倾i j 研究生学位论文第一章绪论 进行规划和优化。对于a dh o c 网络，大部分用户流量是任惫一对节点之间的业务流。 1 4 3 无线m e s h 网络与w l a n ( w i f i ) 的主要区别 ( 1 ) 拓扑结构 w l a n 是点对多点( p o i n t t o m u l t i p l ep o i n t s ) 拓扑结构，这类网络的部署都是基于”一 跳”( o n eh o p ) 无线链路实现i n t e m e t 接入，即无线用户设备通过直接的无线链路连接到a p ， 因而数据不可转发。w l a n 通常只在几百米的范围内提供高速数据服务。而w m n 可以通过 m e s h 路由器对数据进行智能转发，从而把接入点的覆盖延伸到几公里远。 ( 2 ) 协议 w l a n 的m a c 协议完成的是本地业务的接入，而w m n 则有两种可能，一种是本地业 务的接入，另一种是其他节点业务的转发。对于路由协议，w l a n 是静态的因特网路由协议 和移动i p ，而w m n 则主要是动态的按需发现路由协议。 w i f i 是基于i e e e 8 0 2 1 1 x 标准的技术。目前，、i f i 包括i e e e 8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 。 w i f i 发射采用的是低功率无线电信号，穿透能力差，不能穿过会属，水或其它密度高的材料。 通常情况下，在一般典型的居家或办公室里，w i f i 网络的传输距离大约为2 5 到5 0 米。在户 外丌放的环境里，w i f i 网络的传输距离也只有3 0 0 米左右。由于w i f i 网络的特点是带宽较 高但通信范围较小，并且不具有移动性，但价格便宜，因此，它主要用于小范围的无线通讯， 被定义为无线局域网。目前，w i f i 网络迅速向人群聚集的地点或楼宇内发展，像咖啡店、酒 店、机场候机大厅、写字楼等地为用户接入互联网的服务。 w m n 是一种基于多跳路由、对等网络技术的新型网络结构，具有移动宽带的特性，同 时它本身可以动态地不断扩展，自组网、自管理、自动修复、自我平衡。相对于w i f i ，w m n 在组网方式、传输距离以及移动性上都有很大的改进，特别是它具有兼容w i f i 的特性，因 此w m n 会对w i f i 在增加传输距离和移动性，扩展w i f i 应用上提供很大帮助。同时，终 端目前的普及应用又会为w m n 的迅速推广带来好处。因此，、i f i 和w m n 可以相互补充、 相互融合。 1 4 4 无线m e s h 网络与w i m a x 的主要区别 w i m a x 是当前市场比较看好的技术，定位在无线i p 城域网。随着各种问题的出现和技 术的进步，w i m a x 标准在不断地演进，目前已经演进到i e e e 8 0 2 1 6 k 。其中已经发布的标准 数量达到6 个，另外还有4 个f 在制订中。在为固定应用设计的8 0 2 1 6 d ( 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 或者e t s i h i p e r m a n ) 版本中，引入了自适应调制和确定性q o s 等w i m a x 关键技术。在随后于2 0 0 6 7 南京邮 u 人学坝i j 硼究生学位i , 2 义销一币绪论 年发靠i 的8 0 2 ，1 6 e 版本f 移动w i m a x ) 中，弓| 入了可扩展正交频分多址接入( o f d m a ) 、子信道 划分和多入多出( m i m o ) 天线等技术。总之，w i m a x 活跃在商用无线技术的同时，也突出了 其服务质量特征。i e e e 8 0 2 1 6 e 无疑是w i m a x 技术的一个最重要的鼙程碑，因为它成功地将 该技术引入移动领域。它工作在2 - , 6 g h z 频段，支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。 实现了高速数据业务的宽带无线移动接入，还支持基站或扇区间高屡切换功能之外， i e e e 8 0 2 。1 6 e 还能向下兼容i e e e 8 0 2 。1 6 d 。 总体来说，在占有市场空间方面，w m n 已经先于w i m a x 、3 g 进入市场。同时，w m n 也可以依靠已被市场接受的w i f i 终端迅速发展起来。从技术上分析，w m n 、w i f i 、w i m a x 彼此可以相互补充，挟同组成无线城域网。w i f i 以低廉的成本，普及的应用占据木端局域网 接入市场，w i m a x 煲