（通信与信息系统专业论文）物探地震数据采集通信网中无线mesh网络技术研究.pdf

摘要 摘要 随着石油物探技术的进步，石油勘探地震波检测采集传感器的布设正向着高密度、 大范围方向发展，在此进程中物探数据集中采集的通信网络也不断地从全有线方式、有 无线混合方式向全无线方式发展。 论文以东南大学移动通信重点实验室承接的物探数据采集网络项目为依托，以研究 设计一种由基于集中式传感器无线接入蜂窝网和基于分布式的骨干无线m e s h 网构成新 型全无线物探数据采集网络为目标，重点就减小网络采集数据业务无差错汇聚传输延迟 为优化目标，就该网络中的媒体接入控制( m a c ) 和网络层路由方法开展具体研究。 论文针对石油物探地震波检测数据采集无线m e s h 通信网络及传感器数据传输业务 的特点，分析了现有路由及m a c 调度方法在项目背景应用中存在的不适应性，提出了 基于干扰敏感的m a c 调度及网络路由协同设计机制，通过典型石油物探数据采集应用 无线m e s h 网络和业务模型仿真研究表明，所提方法在数据汇集传输延时性能上较典型 的8 0 2 16 2 0 0 4 1 m e s h 模式基本调度机制有明显提高。 关键字：w m n媒体接入层( m a c )资源调度 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y , s e i s m i ca c q u i s i t i o ns e n s o ri sp l a c e d w i t hh i g h d e n s t i t ya n dl a r g e - s c a l e t h ed a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r ka l s oi se v o l v i n gf r o mw i r e d t ow i r e l e s s t h et h e s i sf o c u s e so nt h ep r o j e c to fs e s m i cd a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r ks u p e r v i s e db y s o u t h e a s tu n i v e r s t i yn a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r y t h eg o a lo ft h e p r o j e c ti st od e s i g nan e wt y p eo fd a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r kc o n s i s t e do fs e n s o r - b a s e dw i r e l e s s a c c e s sc e l l u l a rn e t w o r k sa n dw i r e l e s sm e s hb a c k b o n en e t w o r k t h et h e s i sw o r k so nm e d i a a c e s sc o n t r o ll a y e ra n dn e t w o r kl a y e ro ft h en e t w o r ki no r d e rt og u a r a n t e et h a ta c q u i s i t i o n d a t ap a s s e st h r o u g ht h ew m nw i t hs m a l ld e l a ya n de r r o r - f r e e t h et h e s i sf o c u s e so nt h ec h a r c t e r i s t i c so ft h ed a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k ，i n c l u d i n g t o p o l o g ya n dd a t af l o wm o d e l ，a n a l i z e st h ei m p r o p e r i t yo ft h ee x i s t e dm e s hr o u t i n ga n d s c h e d u l i n gp r o t o c o lu s e di nt h es e s m i cd a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k t h ei n t e r f e r e n c e s e n s i t i v e m a ca n dn e tc o l l a b o r a t i v ed e s i g nm e c h a n i s mi sp r o p o s e di nt h et h e s i s s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ec o l l a b o r a t i v ed e s i g nm e c h a n i s mh a ss m a l l e rt i m ed e l a yc o m p a r i n gt ot h eb a s i c m e s hr o u t i n ga n ds c h e d u l i n gm e c h a n i s ms u p p o r t e db yi e e e8 0 2 16 2 0 0 4 k e yw o r d s ：w m nm a c s c h e d u l i n g - i i i 中英文缩写对照 a o d v a r q b g p b e b s c d m a c n c r c c s m a d s d v d s r d s s s e s s f d m a f e c g p s g s m l l c m i m o m s r n e t o f d m o s l 0 s p f p m p q o s r i p r l c s n s s t d d t d m a w d s w i m a x 中英文缩写对照 a dh o co nd e m a n dd i s t a n c ev e c t o r自组织按需距离矢量路由 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t自动重传请求 b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l边界网关协议 b e s te f f o r t 尽力而为 b a s es t a t i o n 基站 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s码分多址 c a n d i d a t en o d e候选节点 c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k s u m循环冗余校验码 c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s载波侦听多点接入 d 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目的节点序列距离矢量 d y n a m i cs o u r c er o u t i n g 动态源路由 d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m直接序列扩频 e x t e n d e ds e r v i c es e t扩展服务集 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 频分多址 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n前向纠错 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m全球定位系统 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信系统 l o g i cl i n kc o n t r o ll a y e r 媒体接入控制层 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多入多出 m u l t i p a t hs o u r c er o u t i n g 多径源路由 n e t w o r kl a y e r 网络层 o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分多路复用 o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t 开放式系统互联 o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t 开放最短路径优先 p o i n tt om u l t i p o i n t点对多点 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c o l 路由信息协议 r a d i ol o g i cc o n t r o ll a y e r无线逻辑控制层 s p o n s o r i n gn o d e 发起节点 s u b s c r i b e rs t a t i o n 用户站 t i m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多址 w i r e l e s sd i s t r i b u t e ds y s t e m无线分布式系统 w o r l di 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 世界微波接入互通 v i i 东南大学硕士学位论文 w i f i 口 w l a n w m a n w m b n w m b np h y w m b nm a c w m b nr l c w m b nn e t w m n wp h y wm a c wi u c w i r e l e s sf i d e l i t y w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 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 i r e l e s sm e s hb a c k b o n en e t w o r k w m b np h y s i c a ll a y e r w m b nm a c l a y e r w m b ni 乇l cl a y e r w m b nn e t w o r kl a y e r w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w i r e l e s sp h y s i c a ll a y e r w i r e l e s sm a c l a y e r w i r e l e s sr l cl a y e r v i i i 无线保真 无线局域网 无线城域网 无线m e s h 骨干网络 w m b n 物理层 w m b n 的m a c 层 w m b n 的i u c 层 w m b n 网络层 无线网格网络 无线物理层 无线m a c 层 无线r l c 层 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。 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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：丝至叁地导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 物探技术在石油勘探开发领域占据着举足轻重的位置，尤其是地震勘探技术，更是 某些技术服务公司的重点服务项目。随着计算机、电子通信和网络技术的高速发展，物 探装备和物探技术水平也在不断的进步1 2 j 。 传统的石油物探数据采集网络一般采用有线方案，即通过线缆将传感器采集的信息 传送到汇聚中心，然后进行分析。但是，基于有线传输的采集网络在布设、移动、效率、 维护等方面有着先天的劣势；随着勘探区域的扩大( 面积过百平方公里) 和传感器密度 的增加( 间距2 0 米以下) ，基于有线传输方式的物探采集网络已经不能满足当今的要求， 无线传输方案正逐步得到应用，国际上某些先进的设备制造企业已经研制出并开始推广 应用蜂窝式无线采集网络。可见，在物探系统中融入先进的无线传输和网络技术，已经 成为当今物探技术发展的方向。 目前英国v i b t e c h 公司开发了较为先进无线遥测系统【3 1 ( i n f i n i t et e l e m e t r ys y s t e m ， i t s ) 。这是一套比较知名的采用了无线和有线混合传输方案的物探数据采集网络，其构 成方案如图卜1 所示。其中，汇聚中心是整套采集网络的核心，基站设备将其分管小区 内各采集站所收集的信息进行汇总，并通过有线方式传送给汇聚中心；而采集站则通过 无线方式将附着在其上的传感器搜集的信息传送给基站。该采集网络可认为是由两层构 成，这种上层基于有线传输、下层采用无线接入的网络体系结构比传统的完全基于有线 传输的采集网络更有利于布设和移动，也显得更为灵活。 图1 1 v i b t e c hi t s 系统构成方案 但是，基站与控制中心间的有线网络传输方式还是在一定程度上限制了物探数据采 集网络的灵活性和覆盖范围，在某些情况下如在山区工作时基站和控制中一1 1 , 间的布线将 存在较大的困难，特别是在勘探区域变换时，网络布设修改的工作量很大，同时根据实 1 乐南大字坝士字位论文 际需要，也有节点不断的退出和加入数据采集网络，这也加大了网络运行的成本。我们 自然可以想到，可以借鉴无线网络技术，设计一个无线多跳骨干网络实现基站到汇聚中 心间的数据传输，建立具有健壮性和可扩展性的高速数据采集网络。该无线骨干网络要 求覆盖范围广，支持网络节点的并发传输，并能将无线基站从采集站接收的海量地震数 据准实时传输到汇聚中心，而无线m e s h 网络【4 】所具有的优点很好地满足这一需求。 无线m e s h 网络( 简称w m n ) 是一种多跳、具有自组织和自愈特点的新型宽带无 线网络。同时，w m n 有覆盖范围广，自愈性强，容量大，传输速率高，支持节点并 发传输等优点。因此，用w m n 构建无线多跳骨干网以替代原来的有线骨干网是合理的 选择。 综上所述，通过改进v i b t e c h 的无线遥测系统，设计一个下层是无线蜂窝接入网， 上层是无线m e s h 骨干传输网的具有两层无线传输能力的采集网络，将会实现物探网络 更加灵活、高效、经济的应用。 1 2 课题的研究目标与任务 1 2 1 项目目标 东南大学移动通信实验室承接的“物探数据无线采集网络的研究与设计”项目( 项 目来源：中国石油化工有限公司) ，其总体目标是设计一个具有两层无线传输网络结构 的，实时高速率大范围进行物探信息传输的数据采集网络。该采集网络将分布在一平方 公里范围内的约三千个检波器所采集的地震资料信息通过采集站以无线方式传送到基 站，并通过无线m e s h 骨干传输系统将多个无线基站与汇聚中心进行互联，网络的总体 构成方案如图1 2 所示。整套采集网络基于全无线的传输方式，从而更加适用于大范围 野外流动工作的应用环境。 无线传感嚣 j 集点( 接入点) 1 一 无线链路( o f d m 。 1 0 0 m b l ) 图1 2 物探数据无线采集网络架构方案 z 一 无线链路( o f d m ： 2 0 m b l ) 第一章绪论 1 2 2 课题的研究目标和任务 构建一个具备两层无线传输能力的采集网络将会面临许多复杂的问题，包括网络体 系结构的设计，上、下两层无线传输方式的设计，采集网络通信协议的设计等等。本人 的课题主要是基于上述背景，研究该采集网络中无线m e s h 骨干网( w i r e l e s sm e s h b a c k b o n en e t w o r k ，w m b n ) 的上层协议设计。w m b n 的架构如图1 3 所示。 五侈 无缱赫m c i h 舳嚣) 茫暴点( t t a g i ) 无线怒嚣? 地 图1 3 无线m e s h 骨干网络架构 本课题侧重于m a c 层资源调度算法和网络层路由算法的研究，任务旨在通过借鉴 现有路由算法和调度算法的基础上，以优化传输延时为目标，设计出适应于物探业务流 量模型和上述网络架构的路由和资源调度算法。 1 3 论文的安排 本章介绍了论文的研究背景以及论文的主要工作。以下各章的结构安排如下： 第二章介绍了无线m e s h 网络概念，特点，关键技术，应用发展以及项目网络的功 能特点和技术要求。 第三章根据w m n 的特点，提出了w m n 需要解决的技术问题。对现有的路由技术 和资源分配算法进行总结分类。并对本课题m e s h 结构下的路由和调度算法的特殊性进 行分析。由于8 0 2 1 6 - - 2 0 0 4 支持的m e s h 网络模式和本课题研究背景存在相似之处，因 此本文也研究了8 0 2 1 6 - - 2 0 0 4 中m e s h 模式下的m a c 调度机制。 第四章提出适应于课题业务背景和网络结构的基于干扰敏感的m a c 层和网络层协 同设计算法：建立包括网络拓扑模型，链路干扰模型，树型路由等在内的w m n 系统模 型；提出基于最小干扰敏感的树型路由；提出基于最大并发集的时隙分配算法；基于干 扰敏感的调度算法。 第五章主要内容是对所提出的基于干扰敏感的m a c 层和网络层协同设计算法进行 仿真和性能分析。 气 东南大学硕士学位论文 第六章对现有工作做了总结，并提出了需要改进之处。 第二章w m n 技术与应用 2 1w m n 原理 2 1 1w 馕c l n 简介 第二章w m n 技术与应用 w m n 是一种多跳、具有自组织和自愈特点的新型宽带无线网络，也是一种高容量、 高速率的分布式网络。w m n 不同于传统的无线网络，它可以看成是w l a n ( 单跳) 和 移动a dh o e 网络( 多跳) 的融合，且发挥了两者的优势。从某种意义上讲，m e s h 网络 更主要的是体现一种网络架构思想，主要体现在无中心，自组网，多跳连接和路由判断 选择等等。 作为一种新型的宽带无线接入系统，w m n 的核心指导思想是让网络中的每个节点 都可以接收并转发信号，从而使传统的无线网络一直存在的扩展性低和健壮性差等诸多 问题迎刃而解，并且w m n 能够实现灵活组网，代表无线网络技术的又一大跨越，有极 为广阔的应用前景。从技术特点看，w m n 将成为未来无线城域网中核心网的理想组网 方式。m e s h 结构已被纳入到8 0 2 1 6 d ( 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ) 、8 0 2 1 6 e ( 8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 ) 和8 0 2 1 1 s 标 准中。 无线路由技术是w m n 的一个关键问题，在很大程度上直接影响着网络的性能。尽 管移动a dh o e 网络的路由协议基本都适用于w m n ，但是这些路由协议不能充分考虑 w m n 自身的特点，所以w m n 的路由协议研究依旧是一个热门的研究领域。 现有的无线网络m a c 机制大多都是针对单跳无线网络设计的，这种面向单跳无线 网络设计的m a c 机制并不适于无线多跳网状网络。因为，在w m n 中，要求能够有效 的进行空间频率重用，以提高网络容量。这样，m a c 层机制设计将成为影响无线m e s h 网性能和成功与否的关键技术因素之一。因此，无线m e s h 网m a c 协议的研究也成为 研究的热点。 2 1 2 无线m e s h 网结构 在传统的各种无线接入网络中，拓扑结构主要采用点到点或点到多点形式，如图 2 - 1 。在点到点拓扑结构中，两个节点之间直接相连。在点到多点拓扑结构中，一般存 在一个中心节点，如移动通信系统中的基站，而其他若干个用户节点与中心节点相连。 东南大学硕士学位论文 点到点 点到多点多点到多点 图2 1 三种无线网络拓扑结构 w m n 是由a dh o e 网络发展而来的相对静态的无线网络，是i n t e m e t 的无线版本。它 采用的是一种网状结构，也被称为多点到多点系统。w m n 可以通过一些中间节点连接 互相远离而不能直接连接的无线路由器。新用户可以通过周围的节点很方便的接入网 络，无需直接连接中心节点。这种拓扑可以避免中心节点故障而导致的整个网络瘫痪。 w m n 包含了两种节点类型：m e s h 路由器( m r ，m e s hr o u t e r s ) 和m e s h 客户端 ( m c ，m e s hc l i e n t s ) 。m e s h 路由器可以是普通p c 也可以是专用的嵌入式系统，它可以为 那些其目的节点不在自己的传输范围内的节点转发包。m e s h 路由器没有能量上的限制， 大部分是不可移动的。m e s h 客户端可以是笔记本电脑、p d a 、手机、无线传感器或r f i d 阅读器等等。一般来说，m e s h 客户端在能量上有一些限制，并具有一定的移动性。根据 节点功能的不同，系统结构可分为三类：骨干网m e s h 结构、客户端m e s h 结构和混合m e s h 结构【5 1 。 1 骨干网m e s h 结构：如图2 - 2 所示，骨干网m e s h 结构是由无线m e s h 路由器组成一 个可以自配置和自愈的链路来充当骨干网，它通过无线m e s h 路由器的网关功能与无线接 入网的接入点相连，连接到外部有线网( 例女f i i n t e m e t ) ，来为客户端提供接入服务。在 这种网络结构下，普通客户端和已有的无线网络可以通过无线m e s h 路由器的网关或中继 功能接入到外部有线网。图2 - 2 中闪电线和实线分别表示无线和有线链路，使用包括i e e e 8 0 2 1 1 ( w i f i ) 、i e e e8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 【6 j 、蜂窝通信网络以及传感器网络在内的多种 无线接入技术。如果普通客户端具有与无线m e s h 路由器相同的无线技术，则可以直接建 立通信；若所用的无线技术不同，则不同的客户端需要先接入无线基站后再通过基站与 无线m e s h 路由器相连。 2 客户端m e s h 结构：如图2 3 所示，客户端m e s h 结构是由无线m e s h 客户端组 成的在用户设备间提供端到端服务的w m n 。客户端组成一个能提供路由和配置功能的 自组织网络，支持用户的终端应用。由于组成此网络的各节点不需要有网关或中继功能， 所以这种无线网络中无需m e s h 路由器。在此网络结构中，任意节点发出的数据包可以 经由多个节点的转发抵达目的节点，虽然节点不需要有网关和中继功能，但路由和自组 织能力是必须的。这种网络结构中的客户端通常只使用一种无线技术。 3 混合结构：如图2 4 所示，m e s h 客户端可以通过m e s h 路由器接入骨干m e s h 网 络。这种结构提供了与其它一些网络结构的连接，如i n t e m e t 、w l a n l 7 j 、w i m a x 等网 6 第二章w m n 技术与应用 络。同时，客户端的路由能力可以为w m n 增强连接性和扩大覆盖范围。 图2 2 骨干网m e s h 结构 图2 3 客户端m e s h 结构 东南大学硕士学位论文 2 2w m n 的特点 图2 4 混合结构 2 2 1w m n 的优点 覆盖范围广。网络节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围， 并可连接至所有其他节点。这样，通过中继的方式使得网络的覆盖范围不局限 于中心控制点的传输范围。 可靠性强。在传统的点到多点( p m p ，p o i n tt om u l t i p o i n t ) 模式下，网络中所有 的数据需要经由中心点转发，一旦中心点发生故障，那么该网络中的所有用户 节点都无法继续工作。而在m e s h 模式下，网络中每个用户节点存在多条路径与 多个其他网关节点相连，路由可以绕过发生故障的某个网关或用户节点而通过 其他节点实现接入，可靠性较强。 无线多跳。w m n 的目标之一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，不可避免的要采用无线多跳网络。多跳m e s h 网络架构中，无线链路问更短、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。无线m e s h 第二章w m n 技术与应用 网通过降低无线节点的发射功率，实现了节点间的多跳传输，既可以有效降低 节点能耗，又降低了节点间的干扰，提高了无线信道的空间复用度，从而提高 了网络的容量。目前最先进的无线m e s h 设备可以支持1 0 跳。因此为无线城域 网的建设提供了可能。 可扩展性强。w m n 具有用户自组织能力，新节点可以自动被发现并被加入到 网络中。所以，在建网初期，可以在某些地方优化地布置少量基站( b s ，b a s e s t a t i o n ) 以便用户接入，随后可按需增加节点的设置，扩大网络的规模。 有多种类型的网络接入方式。在无线m e s h 网中，既支持无线终端接入骨干网， 又支持无线终端之间的对等网络通信。此外，把无线m e s h 网技术与其他无线网 络相结合，可以通过无线m e s h 网给这些无线网络的终端用户提供无线接入业 务。 2 2 2w l v l n 存在的问题 通信延迟问题。既然在w m n 中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少 都会带来一些延迟，随着w m n 规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越 大。一些对通信延迟要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临延迟过 长而无法接受的问题。 安全问题。虽然w m n 相对于a dh o c 网络来说结构更稳定，但是w m - n 还是 极易遭受其他恶意节点的攻击、干扰和窃听，所以安全问题是w m n 需要解决 的重要问题之一。 2 3w m n 关键技术研究 在w m n 的设计中，不仅要考虑无线传输中的各种问题，如天线设计、多址接入控 制等，还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的相互影响，这就使得 w m n 的设计要远比传统的无线接入网复杂。具体来说，有以下关键技术【8 】【9 】： l 、路由技术。在w m n 中，路由协议的设计是一个关键。首先，无线m e s h 宽带 接入网络中一个很重要的问题是路由选择，例如从节点s 到节点d ，可以经过不同的用 户占中转，存在多条可行路径，而路径的选择会直接影响系统的性能。在w m n 中，路 由算法不能仅仅根据“最小跳数来进行路由选择，还要综合考虑多种性能指标。其次， m e s h 路由协议要提供网络健壮性支持，能够在某条无线链路失效时，迅速选择替代链 路以避免业务提供中断。第三，m e s h 路由器要能够利用流量工程技术，在多条路径之 间进行负载平衡，尽量最大限度利用系统资源。第四，路由协议要求能同时自适应支持 m e s h 路由器和m e s h 终端。 2 、多址接入技术。多址技术所要解决问题就是如何将有限的通信资源在多个用户 之间进行有效的切割与分配，在保证多用户通信质量的同时，尽可能地降低系统的复杂 度，并获得较高的系统容量。正交分割多址接入技术( q d m a ) 1 0 】【l lj 是m e s h n e t w o r k s 9 东南大学硕士学位论文 公司的一项专利技术，专门为广域范围内通信最优化以及移动m e s h 网络系统设计。 q d m a 使用直接序列扩频( d s s s ) 调制技术。q d m a 可在较广的移动通讯范围内提供 较强的纠错能力，同时增强了抗干扰能力，提高了信号灵敏度，在高速移动环境下可提 供6 m b p s 的峰值数据传输速率。q d m a 内置定位技术能够不依赖于全球定位系统( g p s ) 而对通信设备进行精确定位，误差不超过1 0 米。 3 、宽带通信技术。无线m e s h 系统的物理层可采用o f d m t 眩】技术。o f d m 技术是 将高速的数据流通过串并变换，分成若干传输速率相对较低的若干个正交子信道中，在 每个子信道上进行窄带调制和传输，减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信 号带宽小于信道的相关带宽，因此，每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消 除了符号间干扰。o f d m 技术可以结合分集，时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智 能天线技术，最大程度地提高系统性能，使无线m e s h 系统性能得到进一步优化。 4 、信道资源分配与管理技术。无线宽带接入系统的频谱资源有限，因此必须使信 道资源尽可能充分的被利用【1 3 】。i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准规定，对于基于m e s h 技术的 宽带接入网络，带宽分配可以采用集中式调度方式或者分布式调度方式。如果采用集中 式m b s ( m e s hb a s es t a t i o n ) 收集所有m e s h 终端的资源请求信息，分别为他们分配一定 数量的带宽资源。如果采用分布式调度方式，网络中所有节点的信道资源需要进行相互 协调，从而实现带宽的动态分配。 5 、天线技术。网络容量是w m n 的关键参数之一。并发传输的干扰极大的影响了 w m n 的网络容量。传统的全向天线，不仅覆盖范围有限，而且会带来干扰，导致频谱 利用率下降，减小网络的容量。与全向天线不同，智能天线( 也称定向天线) 可以将能 量集中于某一方向传输，因此天线在某个指定方向上增益很强，而在其他方向上增益较 小。正是因为智能天线的这种波束方向性特性，使得智能天线的使用是w m n 中的非常 重要的技术，大大提高了空间复用度和频谱利用率。但是，在提高空间复用度的同时， 定向天线也给共享信道的访问带进了定向隐形终端问题。 2 4m e s h 网络的应用与发展 w m n 非常适合于覆盖大面积的开放区域，在布置城域网上有着显著的优点。在边 远郊区，山区，岛屿区这类区域铺设网络时，w m n 无疑是很好的选择。这类地区往往 有线布置困难或者有线布置代价很高，而业务流量不大或者呈现分散性。由于w m n 是 一个自组织、自配置网络，只需直接增加新的a p ，不需要经过复杂的网络配置就可以 正常使用。新a p 能自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。同时网络也能够 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。新a p 的增加对 于其他a p 的正常使用几乎不造成不良影响。同时w m n 还有一个很大的好处。如果最 近的a p 由于流量过大而导致拥塞的话，数据可以自动更新路由到一个通信流量较小的 邻居节点进行传输，从而避免了局部网络的过度拥塞现象。再次，用w m n 铺设城域网 时，w m n 并不是一个孤立网络，而是可以兼容其他各种类型的网络。通过w m n ，整 第二章w m n 技术与应用 合w m a n ( 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 l a n 以及3 g 等其他无线接入技术可以 形成一个城域大范围、多层次、多样性接入方式的无线接入网络，使得城域无线接入网 络的覆盖广度深度都大大增加。 2 5 项目网络的功能特点和技术要求 从上文的叙述可以看到，w m n 中没有固定的中心节点，新节点可以通过跟网络中 任意节点相连而加入网络，这意味着w m n 的覆盖范围不以某个节点的视距为限制，可 以通过多跳连接，达到很广的覆盖范围。而大范围覆盖是本项目中无线骨干网的基本要 求。其次，w m n 也是一种高容量、高速率的网络，支持节点的并发传输，这些特点为 用w m n 构建本课题的无线骨干网时，海量的采集数据可以准实时的从基站传输至t l ? e 聚 中心奠定了基础。由此可见，w m n 的众多特点使得它成为本项目无线骨干网构网方式 的可行并且合理的选择。这表明，用下层采用蜂窝接入，上层采用m e s h 骨干传输的双 层无线传输能力的物探采集网络替代原来的有线无线混合物探网络是合理并且很有前 景的。 项目网络下层的无线蜂窝传感器网络主要由在1 0 k r n * 1 0 k m 范围内铺设全覆盖的无 线传感器构成。传感器的间距大约为2 0 m ，该网络一共包含约2 5 0 0 0 0 个传感器。 该无线传感器网络承载的数据业务主要是采集数据。在数据采集期，传感器每隔 l m s 采样一次，采样长度为2 4 b i t s 次，采样时间持续8 s ，传感器总共采样8 0 0 0 次。这 样每个传感器大约产生1 9 2 k b i t s 业务量，网络中所有传感器在8 s 内产生的总业务量为 19 2 k b i t s * 2 5 0 0 0 0 = 4 8 g b i t s 。 本课题主要研究上层的无线m e s h 骨干网络。骨干网由1 0 0 个基站组成，每个基站 的距离大约是l k m ，其部分拓扑结构如图2 5 所示。 萏 - - - - l - - - 无线基站( m 劬舳晷) 汇橐点( 接入点) 无线怒嚣m 图2 5 无线m e s h 骨干网络架构 基站设备通过无线蜂窝网，将其覆盖范围内的传感器采集的数据进行汇聚，再通过 无线m e s h 骨干网，传到指定汇聚点，指定汇聚点再通过有线网络将数据保存。 1 1 东南大学硕士学位论文 项目的总体目标是利用高效的无线接入、调度与路由机制等先进的无线通信技术把 上述网络中所有传感器在8 s 内采集的所有数据在较短的时间内可靠的传输到中心服务 器上保存和处理。本课题重点研究上层骨干m e s h 网络的路由和调度机制，以传输延时 为优化目标。本课题设计的w m n 很大程度上借鉴8 0 2 1 6 d 的物理层技术。根据系统的 设计要求，各个基站之间的数据传输速率要达到7 0m b p s 。由于基站和汇聚中心之间的 地形较为复杂，无线通信环境较为恶劣，所以我们选择了正交频分复用( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 作为系统物理层的关键技术。o f d m 技术是 一种频谱利用率高，抗多径干扰能力强的无线传输技术，很好的满足了系统的设计需求。 同时，和8 0 2 1 6 d 一样，本课题设计的w m n 也采用t d d 模式。t d d 模式的主要优点 是信道占用时间可以调整，因此非常适合上行或下行链路业务流量不对称的场合。而本 课题研究的物探骨干网即是一个上下行流量不对称网络，业务流量几乎全部集中在上行 信道。在这个场景下如采用f d d 模式会产生一定的信道空闲时间，而t d d 模式下信道 空闲时间很短，因此与f d d 比起来效率要高很多。综上，通过借鉴8 0 2 1 6 d 的物理层， 大大减少了本课题专用网设计的难度，加速了系统原型的开发。 第三章m e s h 网络主要路由技术和资源调度算法 第三章m e s h 网络主要路由技术和资源调度算法 3 1 无线m e s h 主要路由技术 由于w m n 是a dh o c 网络的一种特殊形式，所以路由技术也可以借鉴a dh o c 现 有路由技术。移动a dh o c 网络的路由协议基本都适用于w m n 。但w m n 也有自身的 特点，因此现有路由协议不能发挥w m n 的优势。因此要提出适应于w m n 特有性质的 路由协议是业界研究热点。传统无线m e s h 路由协议大致可以分为两类14 1 。 3 1 1 表驱动路由协议 表驱动路由协谢1 5 1 通过连续地检测链路质量，时刻维护即时的网络拓扑信息和路由 信息。每个节点需要维护一个或多个路由信息表，当网络拓扑发生变化时，更新就传播 到整个网络，使得路由信息与拓扑信息保持一致。目前几种已提出的表驱动路由协议的 不同主要在于节点要维护的表的数目以及拓扑变化时更新在网络中传播的方式。如图 3 - 1 ，下面是现有的部分表驱动路由协议。 表驱动路由 协议 h s rg s rd s d v冲z h l s f s r c g s r 图3 1表驱动协议框图 下面就简单介绍d s d v 16 1 ，c g s r 17 1 ，w r p 18 1 。 1 、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 e - v e c t o rr o u t i n g ) d s d v 是在经典的b e l l m a n f o r d 路由机制上发展而来的。它解决 b e l l m a n f o r d 路由 机制中存在的路由循环问题。 在这种算法当中，每一个节点维护一张路由表，这张表包括网络内所有可能目的节 点和可能路径的跳数。每一条纪录带有一个序列号标记，该序列号是由目的节点分配的。 东雨大学硕士学位论文 序列号使得移动节点可以区分过时的路由和新的路由，从而可以避免路由环的形成。 路由表的更新信息是定期的在全网内传播的。为了缓解可能因更新而造成的潜在通 信压力，有两种路由更新的数据格式可以选择。一种是全型的，包括所有的最新的路由 信息，并且可以加在网络协议单元里完成多播。这种协议格式在偶发的移动和改变时很 少使用。另外一种数据格式叫做增量型的，用于传递从上一个全型数据格式以来的一些 网络的改变信息，不包括未改变的路由信息。 一个新的路由广播数据包里面包括以下信息：目标节点地址，到目标节点的跳数， 目标节点分配的序列号，以及用于广播的最新的序列号。节点总是采用带有最新的序列 号的路由信息。当两个更新信息有相同的序列号时，将选用跳数较少的从而优化路由。 移动节点还纪录路由确定时间或者确定最佳路由所需平均时间。移动节点通过延迟一定 时间间隔传递更新消息，以防在短时间内发现最佳路由，以此减少网络通信量和优化路 由。 d s d v 路由协议对b e l l m a n - - f o r d 路由算法的改进保证避免路由环路，并提供了一个 简单的更新机制。d s d v 根据最短跳数值来判决最短路径，仅提供唯一的一条路由。不 论网络拓扑有多少发生变化，d s d v 都要求周期性的更新路由信息。因此d s d v 的效率 很低，并且这一性质也限制了d s d v 所示适用网络的大小。 2 、c g s r ( c l u s t e rg a t e w a ys w i t c hr o u t i n g ) c g s r 协议于d s d v 的不同之处在于网络编址和网络组织方案的差异。这种网络没 有使用一种“平面化”的网络结构。c g s r 指定群首节点和网关节点。群首节点控制一 组普通节点。网关节点是两个或若干个群之间的节点。 c g s r 以d s d v 为基础，因此许多协议头与d s d v 相同。但是，它本身采用的分层的 群首一网关类路由协议。某节点发出的一个数据包首先被送到相应的群首，再由群首送 到往目标方向去的相邻的网关处；再到下一个群首以此类推，直到目标节点所在的 群首收到数据包，传给目标节点为止。使用这种方法，每个节点要维护一个“群成员表 ， 其中存储了每一个节点对应的群首。这一个表将被周期地在网络上用d s d v 方法广播。 除此之外，每个节点还必须维护一个路由表，用以决定到每个目标的下一跳的地址。 当接收到数据包时，节点将根据其群成员表和路由表来决定路由上离目标最近的群首。 接着，节点依据路由表，寻找达到群首所需的路由方式，并将包转发给下一节点。 c g s r 由于采用了分层网络结构，i ：t d s d v 更有效。它的缺点是网络变化时频繁更 新群首会很大影响路由协议的性能。 3 、w r p ( w i r e l e s sr o u t i n gp r o t o c 0 1 ) w r p 是以维护网络中所有节点的路由信息为目的的表驱动路由协议。每个节点要维 护四张表：距离表、路由表、线路花费表、消息重传表( m r l ) 。m r l 中的每一个记 录包含了更新信息的序列号，重传计数标志，对应每一个邻居节点的是否响应的标志量， 以及更新报文中的更新信息。m r l 纪录更新信息中的哪一个更新需要重传以及哪一个邻 居节点需要响应这个传输。 移动节点通过传送更新信息来通知其它节点链路的改变。更新信息仅仅在相邻节点 第三章m e s h 网络主要路由技术和资源调度算法 间传递，包含一系列更新( 目标地址、距离以及目标地址的前个节点) 和一系列响应 信息。当一个节点检测到链路变化或者是收到其它邻居节点发来的更新信息时，它将处 理后的更新信息向它的其它邻居节点