（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216+mesh网络的跨层设计.pdf

基于ie e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 摘要 无线m e s h 网络作为一种新型的宽带无线接入系统，是由无线路 由器和终端设备组成的多跳无线网络，具有高容量、高速率的特性， 可以作为最后一公里问题的网络解决方案之一。i e e e8 0 2 1 6 协议将 无线m e s h 网络作为其可选组网模式，可以节省部署和升级基础设备 的成本，而且建设周期短，提供业务快。8 0 2 1 6m e s h 网络支持多种 调度机制，但是集中式调度机制存在着网络的可扩展性的问题，而分 布式调度机制存在服务质量( q o s ) 保障方面的问题。 本文通过对无线m e s h 网络定义、结构、特点、优势、应用、关 键技术以及研究方向的调研，以8 0 2 1 6m e s h 网络作为重点，研究了 多跳情况下网络的节点选择以及q o s 保障的相关机制，提出了基于 跨层设计思想的优化方案，向8 0 2 1 6m e s h 网络中的业务流提供可靠 的q o s 保障。 本文所提设计方案，通过在m e s hb s 和m e s hs s 中添加跨层控 制模块，提供物理层和m a c 层之间的信息交互与控制。为业务流提 供基于端到端时延限制保证和基于避免干扰提高系统吞吐量的节点 选择机制。当新的m e s hs s 进入网络，方案采用基于优先级的接入机 制建立起网络拓扑，并在此基础上实施基于各节点的路径选择算法。 在提供q o s 的同时，增强了网络的可扩展性。 在分析中，我们以实时业务的q o s 为重点，对提出的跨层设计 方案进行了理论分析和相应的仿真。结果表明，本文所提方案在实时 业务的时延、网络的吞吐量以及丢包率上都有很好的提高。 关键宇：无线m e s h 网络，i e e e8 0 2 1 6 ，跨层设计，优化，实时业务 c r o s s l a y e rd e s i g nb a s e ，do n i e e e8 0 2 1 6m e s hn e t w o r k w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ( w m ，an e wt y p eo fb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss y s t e m s ，i sam u l t i h o pw i r e l e s sn e t w o r kc o n n e c t i n gr o u t e r sa n d t e r m i n a ld e v i c e sw i t hw i r e l e s sl i n k w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hr a t e a n dh i g hc a p a c i t y , w m ni st r e a t e da sag o o da l t e r n a t i v et os o l v et h el a s t m i l er e l a t e dp r o b l e m i e e e8 0 2 1 6s t a n d a r dp r o v i d e san e t w o r k i n g m o d e lf o rm u l t i - h o pm e s h ，w h i c hc a l lb ed e p l o y e dw i t hh i g l ls p e e di n w i d ea r e aw i r e l e s sn e t w o r k h o w e v e r , 8 0 2 1 6m e s hn e t w o r ka l s on e e d s t of a c et h ep r o b l e m sc a u s e d b yd e p l o y i n g c e n t r a l i z e d s c h e d u l i n g m e c h a n i s m sw h i c hl i m i t st h es c a l a b i l i t yo fn e t w o r k ，a n dt h et r o u b l e s o m e q o sg u a r a n t e ep r o b l e m sc a u s e db yt h ed i s t r i b u t e dm e c h a n i s m s i nt h i sp a p e r ，w es t u d i e dt h ed e f m i t i o n ，a r c h i t e c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c s a n da d v a n t a g e so ft h ew m na sw e l la st h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dh o t r e s e a r c hi s s u e s f o c u s i n g o nt h eq o sg u a r a n t e e ，w ep r o p o s e da c r o s s 1 a y e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o nm e c h a n i s mf o r8 0 2 1 6m e s hn e t w o r k i no u rs c h e m e , w ea d d e dc r o s s 1 a y e rc o n t r o lm o d u l ei nb o t hm e s hb sa n d m e s hs sb a s e do nt h es t a n d a r dt op r o v i d et h em u t u a li n f o r m a t i o na n d c o n t r o lm e c h a n i s m w i t ho u rm e c h a n i s m ，w ec a np r o v i d eq o s g u a r a n t e e 。e s p e c i a l l yf o rt h er e a lt i m es e r v i c e s 。 肠e 1 1an e wm e s hs s n e e d st oa c c e s st h en e t w o r k ，p r i o r i t yb a s e da c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s mi s u s e dt oc o n s t r u c tt h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e s i n g l en o d eb a s e dp a t h s e l e c t i o ns c h e m ei se x e c u t e dw i t ht h ei n f o r m a t i o np r o v i d e db yt h e c r o s s 1 a y e rc o n t r o lm o d u l ea n di m p r o v e st h en e t w o r ks c a l a b i l i t y 眙a n a l y z e dt h ep r o p o s e dc r o s s l a y e rd e s i g na n do p t i m i z a t i o n m e c h a n i s mt h e o r e t i c a l l ya n dw i t ho p ts i m u l a t i o n t h ep e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e c h a n i s ma c h i e v e ss i g n i f i c a n t p r o g r e s si nd e l a y , s y s t e mt h r o u g h p u ta n dp a c k e tl o s sr a t eo v e rt h eb a s i c m e c h a n i s mi n8 0 2 1 6m e s hn e t w o r k k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，i e e e8 0 2 1 6 ，c r o s s - l a y e rd e s i g n ， o p t i m i z a t i o n ，r e a lt i m es e r v i c e 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盘塑垒日期： 渺了弓哆 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盘墼叁 导师签名： 日期：翌堡：兰：望 日期：呈q 鱼81 兰：查 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，基于i n t e r n e t 网络的多媒体应用的迅猛发展促进着宽带无线接入技术 的进步。无线网络技术的发展日新月异，各种8 0 2 x 标准不断被更新，新的无线网 络架构和技术也不断被提出。i e e e8 0 2 1 6 为最后一公里的城域网络提供无线接入服 务，支持点到多点的基于服务质量( q o s ) 的通信链接，延伸了光纤骨干网。在 i e e e 8 0 2 1 6 a 标准中，提出了一种基于无线m e s h 技术的宽带无线接入解决方案，是 一种高容量高速率的多点对多点网络。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，传统无线局域网中一直存在的可伸缩性低和健 壮性差等诸多问题由此迎刃而解。无线m e s h 技术的出现，代表着无线网络技术的 又一大跨越，有极为广阔的应用前景。 i e e e8 0 2 1 6 网络( 即w i m a x 网络) 提供了高速率、低成本、部署方便且可扩 性好的接入网部分。根据协议，基站可以提供5 公里以内高达7 0 mb i a s 的视距传输 ( l o s ) 。此外，除了向宽带互联网服务提供商提供单跳接入，i e e e8 0 2 1 6 技术还 支持无线回程网络。以m e s h 模式部署的i e e e 8 0 2 1 6 网络扩大了无线覆盖范围，且 具有重新配置能力，可以作为3 g 等网络的回程。从8 0 2 1 6 a 协议开始，协议工作组 就规范了组建8 0 2 1 6m e s h 网络链接的基本信令流程和消息格式，并在8 0 2 1 6 d 协议 中作为可选组网模式，进行了相应的说明。多跳网络为系统的数据吞吐量提供很好 的灵活性，但是在处理邻居节点间的传输干扰和达到单跳网络相应的吞吐量上存在 一定的问题。如何在8 0 2 1 6m e s h 网络中为协议的调度业务提供q o s 保证，并在此 基础上优化整个网络的性能，提高网络的灵活性、可扩展性、吞吐量以及网络的利 用率，是当前很多研究的重点。 跨层设计思想是通过引入协议层间的交互和依赖，在合理的设计方案下优化整 体网络性能，因此是目前较常用的在移动网络和无线通信中改善网络性能的方法之 一。无线m e s h 网络在拓扑、传输和业务上的特性使得传统的用于有线网络的分层 协议设计方法己不能保证其q o s 。在网络设计中，传统的网络协议层需要彼此透明， 以保持各层协议设计的独立性，简化网络协议开发和实现的难度，并满足软件设计 的信息隐藏原则。在无线网络中，无线环境的不确定因素导致无线信道容量和误码 率等时变特性，分层设计方法无法保证网络的最佳资源利用率和用户业务的q o s 需 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 求。尽管现有各种新技术，如编码技术、调制解调技术、差错控制技术和抗干扰技 术等，可以有效地改善网络性能，但是物理层仍无法向上层协议层保证提供固定的 带宽，因而上层协议层必然受到物理层不可靠特性的影响。 由于集中调度机制的消息结构，8 0 2 1 6m e s h 网络能支持用户站较少，在可扩展 性上具有一定的限制。而且如何在m e s h 网络中对业务，尤其是实时业务提供良好 的q o s 保障将是一大难题。此外，多跳情况下的m e s h 节点之间在没有相瓦冲突情 况下将存在隐藏终端的问题，这也是所有的m e s h 网络都将面对的一个问题。就 8 0 2 1 6m e s h 的m a c 层协议来说，如何避免隐藏终端冲突、链路选择、同步、路由 和m a c 层信息的交互以及用户站能耗与数据速率的平衡问题都是需要引起重视的 问题。 本文致力于为i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络提供一个集跨层设计和优化与一体的设计 方案。以实时业务为研究重点，全面认识把握i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的网络特点、 架构模型、信道分配模型、物理层可用调制方式、无线链路环境等。对于跨层设计 优化算法提出的基础进行设定，选择适用的网络环境模型，对于仿真环境和理论研 究中的假设提出可行方案。根据现有基于实时业务、q o s 、跨层和无线m e s h 网络 的研究成果，综合考虑无线移动通信网络中各层之间的影响因素提出优化设计。 首先需要对于现有无线m e s h 网络中对于q o s 研究和性能分析。在无线m e s h 网络中，在设定的网络环境下，考虑物理层，m a c 以及应用层对于q o s 的影响， 在此基础上提出跨层设计及优化方案，包括相应的底层调制模式的选择、拥塞网络 情况下的信道分配以及基于实时业务低容忍时延性质的应用层控制算法研究。 1 2 论文结构 本文主要研究了在i e e e 8 0 2 1 6 的无线m e s h 网络中为多种业务流尤其是实时业 务提供q o s 保障的跨层调制模式选择和节点路径选择调度算法，对无线m e s h 网络 的基本概念进行了深入的学习和研究，并结合跨层设计的原则方法，将研究集中到 网络服务质量提供的重点上，提出了新颖的跨层优化设计方案，并搭建网络系统模 型，对不同算法方案的系统性能进行了分析比较。 本文章节划分如下： 第一章为绪论部分。简要介绍了本文的研究背景，研究课题以及意义。 第二章主要介绍无线m e s h 网络的定义、结构、特点及优势、标准进程化现状、 应用、关键技术及主要研究方向。并针对本文重点关注的基于i e e e 8 0 2 1 6 协议的无 基于砸e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 线m e s h 网络的基本内容进行了研究和分析。 第三章介绍跨层设计的必要性、优势、原则及方法，并针对无线m e s h 网络中 的服务质量要求进行了定性的分析。在此基础上，研究了无线m e s h 网络在跨层设 计方案可能出现的问题以及要求。 第四章阐述了在无线m e s h 网络中基于跨层优化的网络拓扑建立和节点路径选 择算法。采用时延优先级节点接入和网络拓扑建立机制，根据m s s 与相邻m s s 的 无线链路状况和预计时延，进行网络树型结构的建立。 第五章根据本文的跨层优化算法建立m s s m b s 节点模型，并以此为基础搭建 网络场景做相应的网络仿真和性能分析。 第六章总结本文的研究工作，提出未来的工作展望。 最后是参考文献和致谢。 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 第二章无线m e s h 网络 2 1 无线m e s h 网络的定义 无线m e s h 网络也称为多跳网络，是一种与传统无线网络完全不同的新型无线 网络技术，使具有高容量、高速率特性的分布式网络，可以看成是一种无线局域网 和a dh o e 网络的融合，发挥了两者的优势，是一种可以解决“最后一公里”瓶颈 问题的新型网络结构。无线m e s h 网络一般不作为一个独立的网络形态存在，而是 i n t e m e t 核心网络的无线延伸。无线m e s h 网络本质上属于移动a dh o e 网络，是移 动a dh o e 网络的一种特殊形态，其早期研究源于移动a dh o e 网络的研究与开发。 无线m e s h 网络与移动a dh o e 的区别在于前者的用户终端移动性相对较低。 在传统的无线局域n ( w l a n ) 中，每个客户端均通过一条与接入点( a p ) 相连的 无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的a p ， 这种网络结构被称为单跳网络。而在无线m e s h 网络中，任何无线设备节点都可以 同时作为a p 和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可 以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于当邻近的a p 由于流量过大而导致拥塞时，数据包可以自动重新进行路由选择，通过另一个通信 流量较小的邻近节点进行传输。数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最 近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访 问。 在网络拓扑上无线m e s h 网络与移动a dh o e 网络相似，但无线m e s h 网络中大 多数节点是静止不动的，拓扑变化相对较小。无线m e s h 网络具有组网的快速灵活 性、节点的分布性等优点，可以提供高速的接入速率，优于其他的接入方式，而且 其可以以少量的基础设施构成覆盖范围广的高速无线网络，投资较小，技术相对成 熟，网络建设时间短，便于升级，对于网络运营商具有巨大的诱惑力。与传统的交 换式网络相比，无线m e s h 网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络 所提供的冗余机制和重新路由功能。在网络中添加新的设备，不需要进行额外的布 线，只需要简单地接上电源，设备可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输 路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以 获取最有效的传输路径。 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层没计 2 2 无线m e s h 网络的结构 无线m e s h 网络包括两种类型的节点 1 1 ：m e s h 路由器节点和m e s h 终端客户节 点。m e s h 路由器除了具有传统无线路由器的网关和转发功能外，还能通过额外的功 能支持m e s h 组网。m e s h 路由器通常配有多个基于同一种或不同种无线接入技术的 无线接口，可以提高网络的灵活性。同时，通过多跳通信，以更低的发射功率即可 获得同样的覆盖范围。m e s h 客户端也能作为m e s h 网络的路由器，但其硬件平台和 软件比m e s h 路由器要简单得多，比如：它没有网关网桥功能，只有一个无线接口 等。 根据节点功能划分，无线m e s h 网络有以下三种网络结构： 1 ) 基础设施m e s h 网络 基础设施m e s h 网络是典型的多级结构，分为上下两层，如图2 - 1 所示。m e s h 路由器之间形成一个自组织，自愈合的网络基础设施，m e s h 移动终端通过m e s h 路 由器的路由选择和中继功能与网关节点形成无线链路，接入i n t e r a c t 。这类网络结构 可以使用多种不同的射频技术，集成各种无线网络，目前较多使用8 0 2 1 1 相关技术。 图2 - 1 基础设施m e s h 网络 以w i 。f i 为例，m e s h 网络延伸了i n t e r n e t ，在a p 与终端设备之间形成了无线回 路a 终端设备通过a p 或无线路由器( w r ) 的路由选择和中继功能，与无线网关( w g ) 形成无线链路。a p w r 通过路由选择及管理控制等功能为终端设备选择与目标终端 綦ri e e e8 0 2 1 6m e s hm 络的跨层设i 设备通信的最佳路径，从而形成无线【旦i 路。通过w g 连接其他网络，即可实现无线 宽带接入。传统的具有e t h e r e n t 接u 的客户端，可以通过e t h e r e n t 链接直接和w r 通信。这种网络结构比较常用，可以兼容市场上王见有的设备，f u 是仟意两个终端节 点之问步具备直接通信的功能。 2 ) 终端设备m e s h 网络 终端设备结构足最简单的一种结构，又称为平面结构，如下图2 2 所示。所有 的节点都是对等结构，具有完全一致的特性，每个节点都包含相同的媒体介入控制 ( m a c ) 、路由策略，铃；理机制和安全协议，同时具备了客户终端和路由器节点的功 能。终端用户l ! ! i 己置无线收发装置，通过无线信道的连接形成一个点到点的网络。这 是一种任意网格的拓扑结构，节点u j 以任意移动，可能导致网络拓扑结构也随之发 牛变化。 在这种环境中，由f 终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户 终端u j - 以借助其他终端的分组转发进行数据通信。在任时刻，终端设备在不需要 其他基础设施的条件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率的移动，快速形成 宽带网络，终端用户模式事实上就是一个a dh o c 网络，它可以在没有或不便利用 王见有的网络摹础设施的情况下提供一种通信支撑环境，适用于节点数日较少且不需 要接入核心网络的应用场合。 图2 2 终端设备m e s h 网络 3 ) 混合结构m e s h 网络 混合m e s h 网络是前两种网络结构的合并，由于前两种m e s h 网络模式具有优势 瓦补性，因此同时支持两种模式的混合m e s h 网将在一个广阔的区域内实现多跳无 线通信，如图2 3 所示。在这种网络结构中，终端节点已经由普通设备升级成为具 有转发和路由功能的m e s h 终端，设备之间可以通过a dh o c 的方式进行直接通信。 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层没计 此类终端节点同时支持接入卜层网络m e s h 路由器和本层网络对等节点的功能。终 端设备既能与其他网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其他用户直接通信，并 可作为路由器转发其他节点的数据，送往日的节点。 图2 - 3 混合m e s h 网络 2 3 无线m e s h 网络的特点及优势 无线m e s h 网络具有以下结构和技术上的特点1 2 1 1 3 1 1 4 1 。 属于多跳网络：无线m e s h 网络的技术开发以不牺牲信道容量的情况下扩展现 有无线网络的覆盖范围为目标，并为不具有视距传输条件的无线链路用户之间提供 非视距连接。为了实现这些目标，不可避免的要采用多跳网络架构。无线链路间距 离更短、发射功率更小、节点间干扰更少和频率重用效率更高的多跳网络，可以在 不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。 支持a dh o c 方式的网络互连，具备自组、自治、自愈能力：无线m e s h 网具有 网络结构灵活、易于部署和配置、容错以及网状连接多点到多点通信等特点，使得 网络部署的成本相当低，并且可以根据需要逐步扩容。自组、自愈能力使得无线 m e s h 网不需要网络铃；理员的于工配置，通过自动发现新节点、自动完成配置过程、 自动维护网络正常运行，在出现节点或链路发牛故障时可以自动调整完成网络白愈。 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 嘲络的跨层设计 支持多种类型的网络接入：无线m e s h 网支持无线终端接入骨干网，也支持无 线终端之间的对等网络通信。通过无线m e s h 网技术与其他无线网络相结合可以为 无线网络的终端用户提供多样化的无线接入业务。 移动性以及能耗限制与节点类型相关：无线m e s h 网的路由器一般为静止不动 的设备，而终端通常是可以移动的。m e s h 路由器一般没有能耗的限制而m e s h 终端 则需要采用能耗较小的网络通信协议。m e s h 网络的m a c 以及路由协议需要针对路 由器和终端设备分别设计和优化。 与传统无线网络相比，无线m e s h 网络具有以下六大优势。 1 ) 快速部署易于安装：m e s h 节点的安装非常简单，只需要接上电源即可。， 用户很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。在无线m e s h 网 络中，不是每个m e s h 节点都需要有线电缆连接，这是它与有线a p 最大的不同。 m e s h 的设计目标就是将有线设备和有线a p 的数量降至最低，因此大大降低了总成 本和安装时间。无线m e s h 网络的配置和其他网管功能与传统w l a n 相同，用户可 以将使用w l a n 的经验轻松应用到m e s h 网络 2 ) 结构灵活：w l a n 是单跳网络，网内设备必须共享a p 。如果几个设备要同 时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统运行速度降低。在多跳无线m e s h 网 络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。 3 ) 具有健壮性：网络的健壮性通常利用多个路由器和备用路径传输数据来实现。 如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。无线m e s h 网络 比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如 果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在无线m e s h 网络结构中，每 个节点都储存一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰， 数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。 4 ) 支持非视距传输( n l o s ) ：利用无线m e s h 技术很容易实现n l o s 配置，因 此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线 信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够 自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目 标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线 宽带访问功能。无线m e s h 网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用 领域和覆盖范围。 5 ) 提供高带宽：无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得 高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素也随 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法， 也正是无线m e s h 网络的优势所在。 6 ) 保障负载平衡：无线m e s h 网络中的每个设备都有多个传输路径可用，网络 可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的 通信拥塞。相比而言，目前的单跳网络并不具备动态地处理通信干扰和接入点的超 载问题的能力。 和蜂窝移动通信系统相比1 2 0 ，无线m e s h 网络在可靠性、传输速率、建设成本 上有很大的优势。在无线m e s h 网络中，链路为网格结构，如果其中的某一条链路 出现了故障，节点便可以自动转向其他可接入的链路，因而对网络的可靠性有了很 大程度的提高；但是在采用星型结构的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。无线m e s h 网络可以融合其他网络或技术( w i f i 、 u w b 等) ，8 0 2 1 1m e s h 网络的速率可以达到5 4 m b i t s 以上；而目前正在发展的3 g 技术，其传输速率在高速移动环境中仅支持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 ，在静止状态下才达到2 m b i t s 。无线m e s h 网络的网络技术大大节省了骨 干网络的建设成本，而且a p 等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备便 宜很多。 与传统的w l a n 相比，无线m e s h 网络的显著优势就是可以在大范围内实现高 速通信。从拓扑结构上讲，w l a n 是典型的点对多点网络，采取单跳方式，数据不 可转发，因此仅可在较小的范围内提供高速数据服务。典型情况下w l a n 接入点的 覆盖范围仅限于几百米，如果想在大范围内应用w l a n 的这种高速率的服务模式， 成本将非常高。对于无线m e s h 网络，则可以通过无线路由器对数据进行不断转发， 直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几公里远。 无线m e s h 网络可以被认为是a dh o c 一种特殊形态，和a dh o c 网络相比，无 线m e s h 网络具有无线基础设施骨干网。m e s h 路由器组成一个无线骨干网，专门用 于给终端客户提供可靠网络连接。这个无线骨干网在无线域内提供了大覆盖范围、 连通性以及健壮性。而a dh o c 网络则是基于各个不可靠的终端用户来进行通信， 不存在专门提供网络连接服务的基础骨干网，某种程度上给a dh o c 的应用带来了 很大的限制。 在集成性方面，无线m e s h 网络通过m e s h 路由器的网关桥接功能，可以整合 现有的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 1 、3 g 等多种无线网络技术，把多种不同无线网络组成的无线 骨干网，形成一个“无线互联网”。a dh o c 网络中的终端用户设备都要为所有其他 节点执行路由和配置功能，且用户终端一般不具备这种网关桥接的功能。而无线 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 m e s h 网络的路由和配置功能更为专门化。尽管无线m e s h 网络的终端具备路由转发 功能，主要的路由和配置功能还是由m e s h 路由器来执行，减轻了普通m e s h 终端的 负载。 在拓扑结构上，a dh o c 网络由于终端用户的移动性和不可靠性，网络拓扑和连 接的变化较大，使得路由协议和网络配置和部署带来了很大的挑战。无线m e s h 网 中，m e s h 路由器一般是静止不动设备且较用户终端可靠的多，与a dh o c 网中的移 动终端相比，基本没有功耗限制。在设计m e s h 路由器的物理层、m a c 层以及网络 层路由协议时，基本可以不考虑功耗限制，从而大大简化了协议设计，同时还可以 采用性能较高的设计方案。 2 4 无线m e s h 网络的标准化进程现状 i e e e 多个标准化小组都在积极制定无线m e s h 网络技术的相关规范。针对无线 个域网( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 以及无线城域网( w m a n ) 都成立了特 别任务组。 2 4 1i e e e8 0 2 1 5m e s h 网络 i e e e8 0 2 1 5 是一个关于无线个人网络( w p ：a n ) 的技术标准，它以蓝牙技术作 为w p a n 的基础，由i e e e8 0 2 1 5 工作组负责制定。2 0 0 3 年1 1 月成立了8 0 2 1 5 5m e s h n e t w o r k t a s kg r o u p 5 ，以对无线个域网( w i r e l e s sp a n ) 的物理层和m a c 层必要 机制进行规范，使得w p a n 可以进行m e s h 网络结构。在w p a n 中使用m e s h 结构， 主要考虑到移动设备在电源能量方面的限制。应用m e s h 网络，可以增大w p a n 的 覆盖范围，缩短链路，从而可提供更高的吞吐量，保证更少的数据重传。 2 4 2i e e e8 0 2 1 1m e s h 网络 i e e e8 0 2 标准化委员会制定的无线局域网标准8 0 2 1 1 ，主要用于难于布线的环 境或移动环境中的计算机的无线接入。最初的标准对物理层和m a c 层进行了规范， 定义了数据传输的信号特征和调制，工作在2 4 0 0 0 - 2 4 8 3 5 g h z 频段。由于传输速率 最高只能达到2 m b p s ，主要用于数据的存取。后续的a 、b 、e k f h 、g 等协议版本， 将网络支持的最大理论速率提高到了l l m b p s ( 8 0 2 1 1 b ) 和5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l a g ) 。 基于8 0 2 1 1 的m e s h 建网早在上世纪九十年代就已经开始，和w t a n 的起步时 间相同，然而由于高成本和所有权问题，发展不是很快。现在8 0 2 1 1 的a dh o c 模 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 式受到m a c 层可扩性的限制，其网络性能已经不能满足多跳m e s h 网络的建网需 求。i e e e8 0 2 1 1w l a n 工作组在各大公司和学术研究机构的推动下，开始了无线 m e s h 相关的标准化制定工作，包括8 0 2 1 1 s ( e n h a n c e m e n t st o t h ec u r r e n t8 0 2 1 1 s t a n d a r dt op r o v i d ee s sm e s hn e t w o r k i n g ) 、8 0 2 1 l r ( e n h a n c e m e n t st ot h ec u r r e n t8 0 2 1 1 s t a n d a r dt op r o v i d ef a s tb s s - t r a n s i t i o n ) 。 8 0 2 1 l s 工作组以规范无单点失败的扩展m e s h 网络m a c 层和物理层为目标， 建立了一系列的扩展服务集6 1 。这个任务组的范围是扩展i e e e8 0 2 1 1 体系和协议， 提供e s s ( e x t e n d e ds e r v i c es t a t i o n ) 的m e s h 功能。各个接入点之间可以建立无线 连接，从而实现拓扑的自动发现，路径的动态配置，突破传统网络中的a p 在功能 上的限制，使之具有无线路由器的功能。a p 通过将业务流转发给邻近的a p 节点， 进行一系列的多跳传输。8 0 2 1 1 蜂窝无线局域网的接入节点采取多跳路由的传递方 式来中继信息，当用户和a p 增加时，网络的容量也相应的增加。建立8 0 2 1 1w i a n 的无线分布式系统( 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 o s ) ，实现在m a c 层支持广播 多播和单播分发。这种方式决定了无线m e s h 网络具有较高的可靠性、较大的伸缩 性和较低的投资成本等特点，而且业务可以自动绕过故障节点、自行调节来实现流 量负载平衡。 8 0 2 1 1m e s h 网络有两种基本部署模式：基础设施m e s h 模式和终端用户m e s h 模式。 基础设施m e s h 网络是一种基础设施e s s 网格，a p 通过无线链路相互连接，使 用自动拓扑识别和动态路径配置。用户终端只和a p 相连接，不需要知道存在什么 样的m e s h 网络。基础设施m e s h 网络在无线a p 和无线路由器之间建立了无线骨干 网格网络，降低了系统骨干网的成本，并增加了网络的覆盖和可靠性。w d s 在m a c 层使用基于自组网络多跳拓扑的载波发现矩阵支持广播多播和单播转发。就a p 而 言，基础设施m e s h 是在a p 之间组织了一个a dh o e 网络。 用户终端m e s h 网络是一个三层a dh o e 独立基本服务集，所有的设备使用i p 路由，在网络里以a dh o e 的方式通信。a p 和用户终端并没有区别，终端m e s h 网 络使得各个终端设备之间不需要通过任何的网络基础设备就可以进行无线的点对点 传输。终端可以通过其他各点到达目的终端。 为了能使m e s h 网络尽可能的提供好的性能，所有模式都需要同时支持一个网 络中的同步和无缝覆盖。 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 2 4 3i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络 i e e e8 0 2 1 6 开发了工作于2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物理层和媒 质接入控制层规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入 系统之间的共存规范，主要应用于无线城域网。根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准可以分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准， 其中8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 8 】、8 0 2 1 6 d 7 1 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 9 1 属于移动宽带无线接入空中标准。i e e e 8 0 2 1 6 是为最后一公里的城域网络提供无线 接入服务。支持点到多点的基于q o s 的通信链接，延伸了光纤骨干网。 w i m a x 是推动i e e e 8 0 2 1 6 协议商用化的组织，w i m a x 的天线将能够进行数 公里以外的家庭和商业高速因特网接入，简化了建筑物之间的有线连接。同时， w i m a x 是偏远地区相邻建筑物之间接入i n t e m e t 的理想方案，节省了部署和升级基 础设备的成本。宽带无线接入系统具有投资少，建设周期短，提供业务快等优点。 根据最早的8 0 2 1 6 协议，采用p m p 结构的网络必须确保视距传输，对于人口 密集的城市，由于存在高楼、树木等许多障碍物，导致覆盖范围非常受限。因此， 在后来制定的8 0 2 1 6 a 标准中，提出了一种基于无线m e s h 技术的宽带无线接入解决 方案。基于w i m a x 的无线m e s h 网络实际上是一种高容量高速率的多点对多点网 络。 8 0 2 1 6m e s h 网络的限制首先是在可扩展性上。由于集中调度机制的消息结构， m e s h 网络只能支持一百个左右的用户站( s s m s ) ，实时业务的q o s 的保障将是一 大难题【1 0 】。此外，多跳情况下的节点之间没有相互冲突情况下将存在隐藏终端的 问题，这也是所有的m e s h 网络都将面对的一个问题。就8 0 2 1 6m e s h 的m a c 层协 议来说，如何避免隐藏终端冲突、链路选择、同步、路由和m a c 层信息的交互以 及用户站能耗与数据速率的平衡问题都是需要引起重视的问题f 1 1 1 。 w i m a x 因其远距离下的高容量( 近5 0 k i n 的覆盖距离以及高达7 0 m b i t s 的宽 带接入) 等优势，吸引了众多无线宽带接入提供商的注意。从这些网络提供商保护 投资的角度出发，如果要迅速发展w i m a x ，必然要与目前已经蓬勃发展的w i f i 相融合。从组网结构( 图2 4 ) 上讲，除了在w l a n 中，考虑到a p 的覆盖范围非 常有限，用户在热点地区以外采用w i m a x 接入网络享受服务的方法外，采用无线 m e s h 网络的组网模式，即采用双层结构，骨干网采用w i m a x 技术，接入网采用 晰f i 。甘前看来，w i m a x 与w i f i 相结合的无线m e s h 网络组网模式将有其不可忽 略的优势。 基于i e e e8 0 2 1 6m e s h 网络的跨层设计 图2 4 w i m a x 与w i f i 的组网 2 5 无线m e s h 网络的应用 无线m e s h 网络可用于骨干网，接入网，传感器网络等等。 骨干网：无线m e s h 网络的骨干一般是指网络中构成丰要数据传输线路的那些 高速链路。传统上，骨干网通过光纤将各个边缘网络相互连接起来。在m e s h 中只 需要有一个节点连接到有线网络上，所有的m e s h 节点就都可以接入到有线网络了。 当然出于冗余度和流量的考虑，可能会需要更多的节点与有线网络相连。骨干m e s h 网络可以布置在室内也可以在室外，室外设备往往附着在街灯上或者是建筑物外表 面上有电力可用的地方。由于线路上m e s h 设备的出现，每一个节点都能与其它节 点进行联系，因而，很多户外系统就不仅仅起到数据回程作用了，它们也可以包含 集成的接入点供客户端使用。在这种解决方案中i e e e8 0 2 1 l a 作为回程用， i e e e 8 0 2 1 l b g 给客户端用，减轻了回程和用户对流量的争夺问题。 接入网：无线m e s h 网络是一个全新的网络结构，迎合了无线接入网络的发展 趋势，相对于传统的宽带接入方式来说，有很大的优势，不管在家庭宽带接入还是 公司宽带接入都有很大的市场。 传感器网络：传感器是一种构造相对简单、体积较小的装置，具有一个简单的 处理器。它经常被用来收集一些数据，例如湿度、压力、温度和振动等，并把这些 数据传递给其它的传感器。由于体积小，所以它们一般没有用户界面，甚至可以被 一 ， 肿 一 ，一缈a始 ， ， 一 ，、 、| ， 船豸 一 、jdpg一畦 令 拶翟 基于i e e e8 0 2 1 6m e