WiMax宽带无线城域网系统的设计.doc

西华大学课程设计说明书 目目 录录 1 1 前言前言 1 2 基于基于 WIMAX 技术组建无线城域网的可行性分析技术组建无线城域网的可行性分析 2 2 1 WIMAX技术现状 2 2 2 WIMAX的应用情况及优势 3 3 用户需求分析用户需求分析 5 3 1 宽带网的用户类群 5 3 2 宽带业务应用分析 5 4 网络规划网络规划 6 4 1 无线网状网络的结构类型 6 4 2 一个架构式MESH网络的实例 8 5 设备选型设备选型 13 5 1 网络仿真软件 Packet Tracer 的介绍 13 5 2 核心交换机 13 5 3 接入层交换机 13 6 系统配置系统配置 15 6 1 网络模型 15 6 2 问题描述 16 6 3 干扰模型 17 6 4 优化目标 17 6 5 WMN 网络架构与 IGW 放置 18 7 网络安全及管理措施网络安全及管理措施 21 8 8 总结与体会总结与体会 23 9 致谢致谢 24 10 参考文献参考文献 25 第 1 页 西华大学课程设计说明书 1 前言 WiMax 是一项新兴技术 能够在比Wi Fi 更广阔的地域范围内提供 最后一公里 宽带连接性 由此支持企业客户享受T1 类服务以及居民用户拥有相当于线缆 DSL 的 访问能力 凭借其在任意地点的1 6 英里覆盖范围 取决于多种因素 WiMax 可 以为高速数据应用提供更出色的移动性 此外 凭借这种覆盖范围和高吞吐率 WiMax 还能够提供为电信基础设施 企业园区和Wi Fi 热点提供回程 WiMax 构建于高级无线技术 抵消效果的干扰提供更多数据以大范围 两个关键 高级无线突破结合入移动WiMax 标准是正交频分多访问 OFDMA 和多个输入 多个输 出 MIMO 智能天线技术 这两种技术有效地放置到更多的数据的可用电波以提高吞 吐量和 或覆盖范围 尤其有利MIMO 高干扰环境中 如中心城市 OFDMA 断裂一个信号转换许多独立之前将其传输碎跨电波以增加光谱效率 通 过多元化的信号这样 即使某些块没使它通过 则信号会重建仍然可以对方是否 MIMO 使用多个天线的两端的无线连接 基站和用户设备 以启用数据到沿多个独立路径 例 如 一个1x2 配置指设备带有1Tx 传输 和2Rx 接收 天线 同样 3 x3 指3Tx 和 3Rx 天线 WiMax 连接需要一个WiMax 启用设备和订阅了WiMax 宽带服务 WiMax 连接性可能需要购买额外的软件或硬件在额外费用 可用性WiMax可能受限 制 需要咨询自己的载体支持的详情和网络限制 宽带性能和结果可能不同由于环境 因素和其它变量 本课题将阐述采用先进的WiMax技术设计宽带无线城域网 要求能根据实际问题 绘制拓扑结构图 清晰的描述接口 进行路由器或交换机的代码配置实现 第 2 页 西华大学课程设计说明书 2基于基于 WiMaxWiMax 技术组建无线城域网的可行性分析技术组建无线城域网的可行性分析 2 1 WiMaxWiMax 技术现状技术现状 2 1 1 WiMax2 1 1 WiMax 简介简介 WiMax 又称为 802 16 无线城域网 是又一种为企业和家庭用户提供 最后一英里 的宽带无线连接方案 因在数据通信领域的高覆盖范围 可以覆盖 25 30 英里的范围 以及对 3G 可能构成的威胁 使 WiMax 在最近一段时间备受业界关注 该技术以IEEE 802 16 的系列宽频无线标准为基础 一如当年对提升802 11 使用 率有功的Wi Fi 联盟 WiMax 也成立了论坛 将提高大众对宽频潜力的认识 并力促 供应商解决设备兼容问题 借此加速WiMax 技术的使用率 WiMax 技术成为业界使 用IEEE 802 16 系列宽频无线设备的标 虽然WiMax 无法另辟新的市场 目前市面已 有多种宽频无在线网方式 但是有助于统一技术的规范 有了标准化的规范 就可 以以量制价 降低成本 提高市场增长率 短期而言 2004 年 WiMax 论坛将在 年底之前 着手开发认证流程 为最后一步的产品测试预作准备 2005 年左右 大型 供应商将推出拥有WiMax 认证的产品 多数产品的频率不超过11GHz 长期而言 WiMax 将进步到可以支持最后一哩 回程 私人企业应用 2 1 22 1 2 技术现状 技术现状 宽带城域网作为一种因技术进步和市场竞争而产生的新型网络模式 是现代传输 技术 数据通信技术和接入网技术融合的产物 CDMA 技术主导者高通 Qualcomm 一向看衰移动 WiMax 的发展前景 认为 GSM 下一代技术长期演进 LongTermEvolution LTE 及 CDMA 下一代技术 UMB UltraMobile Broadband 都比 WiMax 更有优势 而 UMB 未来将成为高速移动宽带主流技术之一 国际电信联盟 ITU 10 月 1 日批准 WiMax 以 OFDMATDDWMAN 名义成为 ITU 移动无线标准 这标志着 WiMax 成为与 WCDMA cdma2000 和 TD SCDMA 并列的全球 3G 标准 随 第 3 页 西华大学课程设计说明书 着网络的普及 基于分组交换的 VoIP 技术得到迅猛发展 如何将 VoIP 技术与无线通 信技术相结合 实现无线 VoIP 话机是当前嵌入式 VoIP 话机设计的一个新方向 2 2 WiMax 的应用情况及优势 2 2 12 2 1 应用情况应用情况 WiMax 已经从本质上改变了最初的应用方向 增加了移动通信方面的服务 通过 加入移动特性 一方面 WiMax 可以像原来设想的那样 作为服务供应商和电信商最 后一公里接入的技术手段 同时还可成为运营商们搭建语音和数据骨干网络的主流技 术 按照WiMax的商用计划 预计到2006年802 16即可集成到笔记本电脑 实现在城 域网范围内的可移动的宽带无线数据服务 在城域网的范围内 用户无须购置新的终 端 仅用集成802 16功能的笔记本电脑 就可以60km 小时以上的移动速度 不间断地 享用高于3G十倍以上的速率而构成的宽带精彩内容服务 而且WiMax还能作为WiFi的 备份 使用户可快速 容易地访问 漫游WiFi热点 而笔记本电脑 PDA 手机也可 以通过在WiFi和WiMax 间自由切换访问互联网 实现无缝的无线连接 WiMax 将可以 为高速数据应用提供更出色的移动性 此外 凭借这种覆盖范围和高吞吐率 WiMax 还能够提供为电信基础设施 企业园区和Wi Fi 热点提供回程 WiMax 还通过将无线接入系统上升到无线接入网络 多中心站之间通过负荷分担 的方式大大增加了网络容量 同时WiMax通过OFDM技术具备了非试距传输的能力 因此能够在不同环境下获 得最佳的传输性能 WiMax还采用了智能天线技术来提高覆盖能力 2 2 22 2 2 WiMaxWiMax 优势优势 WiMax 之所以能掀起大风大浪 显然是有自身的许多优势 而各厂商也正是看到 了WiMax 的优势所可能引发的强大市场需求才对其抱有浓厚的兴趣 第 4 页 西华大学课程设计说明书 图2 1 WiMax的应用前景 优势之一 实现更远的传输距离 WiMax 所能实现的50 公里的无线信号传输距离 是无线局域网所不能比拟的 网络覆盖面积是3G 发射塔的10 倍 只要少数基站建设 就能实现全城覆盖 这样就使得无线网络应用的范围大大扩展 优势之二 提供更高速的宽带接入 据悉 WiMax 所能提供的最高接入速度是 70M 这个速度是3G 所能提供的宽带速度的30 倍 对无线网络来说 这的确是一个惊 人的进步 优势之三 提供优良的最后一公里网络接入服务 作为一种无线城域网技术 它 可以将Wi Fi 热点连接到互联网 也可作为DSL 等有线接入方式的无线扩展 实现最 后一公里的宽带接入 WiMax 可为50 公里线性区域内提供服务 用户无需线缆即可与 基站建立宽带连接 优势之四 提供多媒体通信服务 由于WiMax 较之Wi Fi 具有更好的可扩展性和 安全性 从而能够实现电信级的多媒体通信服务 优势之五 从产业链来讲 Wimax 有商用数据上网卡有商用手机 HTCMax 4G 并 且还存在终端一致性测试的问题 所以 WiMax 的产业链还需要经过像TD SCDMA 产业 链的规模试验过程 第 5 页 西华大学课程设计说明书 3用户需求分析用户需求分析 3 1宽带网的用户类群 1 信息源用户 主要是信息服务提供商 2 个人用户 透过网络进行多媒体通信 访问信息源 网上商业活动等 3 企事业单位 主要利用网络的多媒体传输 服务质量保证 VPN 虚拟专网 VPDN 虚拟拨号专网 等服务 从需求角度分析 学校源于电子化教学和远程教育需要 医院源于远程医疗和信息化 社区服务需要 政府部门源于办公信息化 公开化等 电子政务 需要 3 2宽带业务应用分析 个人用户对高速上网 多媒体娱乐 远程教育 在线证券等需求最大 对电视电 话等兴趣也极大 话音 视频应用等对实时性要求较高 对 IP 等分组交换网络有一定 的特殊要求 企业单位 政府机关内部网通过公网扩大连接范围 在 VPN 等方面有需求 对于 电视会议 电子商务 电子政务等有广泛应用 虚拟专用网 VPN 利用公用网络为企业提供安全的网络远程互连 原来在 FR DDN 等专网完成 VPN 享有和物理专网同样的安全性 可靠性 优先级别和可 管理性 提供方便 廉价的远程访问 可将原来运行在 FR DDN 专网上的业务迁移 到宽带网上 而用户花费更小 第 6 页 西华大学课程设计说明书 4 网络规划网络规划 4 1 无线网状网络的结构类型无线网状网络的结构类型 4 1 1 架构 骨干式 WMN Infrastructure backbone WMN 在这种结构中 mesh 路由器构成 mesh 网络的主干 mesh 客户通过 mesh 路由器 接入 WMN 部分 mesh 路由器作为网关与其它类型的网络连接 包括接入因特网 如图 4 2 所示 除最常见的 IEEE 802 11 以外 mesh 主干也可以使用其它无线技术建立 使用以太网接口的用户可通过以太网链路连接到 mesh 路由器 与 mesh 路由器具有相 同无线接口的用户可直接连接到 mesh 路由器 使用不同无线接口的用户首先接入各自 的基站 这些基站通过以太网链路连接到 mesh 路由器 4 1 2 对等式 WMN Client WMN 这种结构仅由 mesh 客户组成 如图 4 1 所示 所有 mesh 客户通过无线链路形成对 等网络 每个 mesh 客户要执行路由及配置功能 并向客户提供终端应用 由于节点不 需要具有网关或中继功能 所以不需要 Mesh 路由器 对等式 WMN 通常使用一种类型 的无线技术 因此实际上和常规移动自组网是一样的 相比于架构式 WMN 中的 mesh 客户 对等式 WMN 中的 mesh 客户需要更强的功能 图 4 1 对等式 WMN 4 1 34 1 3 混合式 WMN Hybrid WMN 这种结构是架构式 WMN 和对等式 WMN 的结合 mesh 客户可以通过 mesh 路由 器或其它 mesh 客户接入网络 如图 4 3 所示 在这种结构中 mesh 主干提供了到其它 第 7 页 西华大学课程设计说明书 网络 如因特网 Wi Fi WiMax 蜂窝网络及无线传感器网络 的连接 而 mesh 客 户在 WMN 内部进一步改进了连接性和覆盖性 图 4 2 架构 骨干式 WMN 图 4 3 混合结构的 WMN WMN 的特性概括如下 由于混合式 WMN 具有 WMN 的全部优点 因此这里考虑 的是混合式 WMN WMN 支持自组织组网 具有自形成 自愈合和自组织的能力 WMN 虽说是一种多跳无线网络 但它有一个无线骨干 第 8 页 西华大学课程设计说明书 Mesh 路由器较少移动且专门执行路由与配置功能 从而大大减轻了 mesh 客户 与其它终端节点的负担 通过无线骨干很容易支持终端节点的移动 Mesh 路由器可集成包括有线网络和无线网络在内的异构网络 因此 WMN 可 支持多种类型的网络接入 Mesh 路由器和 mesh 客户具有不同的电源使用限制 mesh 路由器通常不移动 且有持久的电源供应 而 mesh 客户则一般是移动的且由电池供电 WMN 并不是独立运行的 需要与其它无线网络相兼容和互操作 因此 WMN 并不仅仅是另一种类型的移动自组网 与常规移动自组网相比增加了 很多功能 而实现这些新的功能需要新的算法和设计 4 2 一个架构式一个架构式 meshmesh 网络的实例网络的实例 4 2 14 2 1 网络结构网络结构 描述了一个可自配置的 安全的架构式 mesh 网络的设计与实现 其设计称为 MeshCluster 如图 4 4 所示 图 4 4 MeshCluster 参考结构 第 9 页 西华大学课程设计说明书 MeshCluster 架构由中继节点和网关节点两种网络节点组成 中继节点是支持接入 和中继两种无线网络接口的多射频系统 有多个射频电台 支持不同的无线技术 而 网关节点支持中继和因特网回程 back haul up link 接口 端用户移动节点 Mobile Node MN 使用接入接口接入网络 中继接口用于在中继节点和网关节点之 间构造一个自配置的包转发骨干 接入链路可以基于 3G 或 802 11 中继链路可以基于 802 16 或 802 11 网关通过有线 以太网 或无线 如 802 16 上行链路连接到因特网 中继节点 和网关节点的放置取决于部署的场景 比如 向端用户提供宽带接入的城域网 中继 节点可以安放在电杆上 网关节点放置在市区的数据中心 建筑物 如会议中心 博 物馆 内的 mesh 网络可以采用类似的放置方法 在以上场景中 中继节点是固定的 在为灾难恢复 户外事件而临时建立的 mesh 网络中 中继节点可以任意放置且是准静 态的 在军事应用中 汽车里的战士使用中继节点通过远程网关节点与指挥控制中心 通信 中继节点的移动性可能很大 4 2 24 2 2 自动配置自动配置 有一个 MeshCluster Manager 实体 可以和网关放在一起 执行管理和监控功能 如为接入链路和中继链路分配频率和功率 平衡中继簇的负载 支持移动和鉴别等 节点使用一个安全注册和自动配置协议向 MeshCluster Manager 注册 中继节点启动时初始化一个自动配置代理 该代理使用一个或多个中继接口监听其 所在区域中所有自组网的 ESSID 广播 对于每一个 ESSID 广播 代理首先发送 BSSID 广播加入相应的自组网 然后从零配置地址空间 169 254 中选择一个 IP 地址 加 入到中继骨干中 中继节点然后监听由已加入 MeshCluster 的中继节点周期性接收和 重广播的网关通告消息 消息中包含了网关能力信息 如因特网回程链路速度 中继 节点容量以及经过该中继节点的最佳路由等 代理与一个或多个选定的网关进行配置 会话 网关的选择可以按照距离最近 跳数最少 负载最轻或容量最高等原则来选择 自动配置协议支持鉴别 代理可以使用安全信任状 如数字证书或保存在节点防窜 改硬件中的对称密钥等 与网关进行相互鉴别 中继节点向网关传送自己的能力信息 如射频接口的数量及类型 及观察到的环境信息 如不同频段上可见的邻居 干扰 第 10 页 西华大学课程设计说明书 等 这些信息对网关分配频率非常有用 网关向中继节点传送配置参数 如接入的 ESSID 中继和接入接口上使用的频率 功率水平 移动方法 编址方案 任何路径特 定信息等 配置会话结束后 释放零配置地址 但安全参数保留以便用于将来的重配 置 SSID 是 Service Set Identifier 的缩写 意为服务集标识 SSID 技术可将一个 无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络 每个子网络都需要独立的身份验证 只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络 防止未被授权的用户进入本网络 SSID 也可以写成 ESSID 用来区分不同的网络 SSID 通常由 AP 广播出来 通过 XP 自 带的扫描功能可以查看当前区域内的 SSID 无线网卡设置了不同的 SSID 就可以进入不 同网络 只有设置了相同 SSID 的节点才能互相通信 BSS 是 Basic Service Set 的缩 写 是一种特殊的自组织局域网的应用 一群计算机设定相同的 BSS 名称即可自成一 个 group 而此 BSS 名称即为 BSSID 零配置联网是 IETF 零配置工作组正在做的一项工作 希望能够方便一群节点组网 实现 1 不需要 DHCP 服务器来分配 IP 地址 2 不需要 DNS 服务器进行域名和 IP 地 址的转换 3 不需要目录服务器来搜索服务 4 不需要 MADCAP 服务器来根本多播地 址 4 2 34 2 3 路由协议路由协议 路由协议采用增强的 AODV 称为 AODV ST spanning tree AODV ST 是一种混合 路由协议 它采用主动策略积极维护中继节点到每个网关节点 常见的通信情形 的 最佳路由 大大减小中继节点和网关节点之间的路由发现延迟 而采用按需路由发现 策略建立中继节点之间 不常见的通信情形 的路由 图 4 5 是有 7 个中继节点和两 个网关节点的简单拓扑 以每个网关节点为根形成一棵最佳生成树 中继节点位于两 棵树上 并选择可获得最佳性能 取决于所用的路由测度 的网关作为自己的缺省网 关 第 11 页 西华大学课程设计说明书 图 4 5 网关特定的生成树 4 2 44 2 4 关键设计要素关键设计要素 影响 WMN 性能的关键设计要素概括如下 1 无线技术 近些年提出了多种提高无线系统容量及灵活性的方法 如有向和智能天线 多输入 多输出 MIMO 系统 多无线电 多信道系统等 为进一步提高无线通信的性能及高层 协议对无线通信的控制能力 更先进的无线技术被应用到通信中 如可重配置无线电 reconfigurable radios 频率敏捷 认知无线电 frequency agile cognitive radios 软件无线电 software radios 尽管这些无线技术尚在发展初期 但由于 它们突出的动态控制能力而被认为是未来无线网络的平台 这些先进的无线技术均要 求高层协议进行革命性的设计 尤其是 MAC 层和路由协议 2 可扩放性 扩放性是对 WMN 的一个基本要求 否则当网络规模增大时性能会有极大下降 如路 由协议可能找不到可靠的路径 传输层协议可能丢失连接 MAC 层协议可能导致严重的 吞吐量下降等 为保证 WMN 的可扩放性 从 MAC 层到应用层的所有协议都必须是可扩 放的 3 网状连接 WMN 的许多优点来自于网状连接 为确保可靠的网状连接 需要网络自组织和拓扑 控制算法 拓扑感知 topology aware 的 MAC 协议和路由协议能够极大提高 WMN 的 第 12 页 西华大学课程设计说明书 性能 4 宽带和 QoS 不同于常规的移动自组网 WMN 的大多数应用是具有不同 QoS 要求的宽带业务 因 此除了端到端延迟和公平性之外 通信协议必须考虑更多的性能参数 如延迟抖动 集合吞吐量和每节点吞吐量 丢包率等 5 安全 尽管近些年来针对无线局域网已经提出了多种安全方案 但这些方案不能完全适用 于 WMN 比如 由于采用分布式系统架构 WMN 中没有一个集中式的认证权威可以分发 公开密钥 针对移动自组网而提出的安全方案可以用于 WMN 但大多数这样的安全方案 还不够成熟 而且由于移动自组网与 WMN 架构上的差异 这些方案应用到 WMN 中是低 效的 6 易于使用 所设计的协议必须使得网络尽可能自治 除此之外 需要开发网络管理工具来有效 地维护 WMN 的运行 监视 WMN 的性能 配置 WMN 的参数 这些管理工具以及网络协议 中的自治机制允许人们快速部署 WMN 7 兼容性和互操作性 在 WMN 中 同时支持常规用户和 mesh 客户是一个缺省的要求 因此 WMN 需要向 后兼容常规客户节点 这要求 mesh 路由器能够集成异构无线网络 第 13 页 西华大学课程设计说明书 5 设备选型设备选型 5 1 网络仿真软件网络仿真软件 PacketPacket TracerTracer 的介绍的介绍 Packet Tracer 是 Cisco 公司开发的网络仿真工具软件 是一个用于设计 配置和 解决复杂的基于 CCNA 层次的学习平台 媒体和仿真器 支持建立仿真 虚拟和活动网 络模型 跟其他的仿真器一样 PT 通过一组简化的网络设备和协议模型 真实的计算 机网络保留和基准来了解网络行为和开发网络的技巧 Packet Tracer 作为一个辅助学习工具 为学习网络课程的初学者去设计 配置 排除网络故障提供了网路模拟环境 用户可以在软件的图形用户界面上直接使用拖拽 方法建立网络拓扑 并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程 观察网络实时运 行情况 5 2 核心交换机核心交换机 核心网络骨干交换机是宽带网的核心 应具备 高性能 高速第二 三层交换能力 把路由选择速度变为交换速度 可扩展性 采用槽式机箱或具有堆叠能力 可升级和扩展 可配置高密度端口和大吞吐量扩展卡 高可靠性 冗余设计 部件易于更换 强大的网络控制能力 提供 QoS 和网络安全 支持 RADIUS TACACS 等认证机制 良好的可管理性 支持通用网管协议 如 SNMP RMON RMON2 等 5 3 接入层交换机接入层交换机 5 3 1 设备性能设备性能 网络边缘交换机构成用户接入网络 应具备 灵活性 提供多种固定端口数量搭配供组网选择 可堆叠 易扩展 支持千兆 百兆高速上连 高性能 价格便宜 使用方便 即插即用 配置简单 具备一定的网络服务质量和控制能力 支持 VPN 标准协议 端到端的 QoS 支持多级别管理权限 5 3 2 电信宽带网对以太网交换机的特别要求电信宽带网对以太网交换机的特别要求 第 14 页 西华大学课程设计说明书 用户安全一般采用 VLAN 建立专用逻辑通路 电信以太网承载成千上万用户 管 理员静态设置 管理同样数量的 VLAN 和路由 工作繁杂 不灵活 选用默认设置每端 口一 VLAN 的交换机方便组网 5 3 3 组网容易忽略的问题组网容易忽略的问题 以太网接入方式价格极具竞争力 但组网容易存在急功近利 考虑不周 导致网 络不能持续性发展的问题 包括传统局域网和广域网的范围 为减低成本采用共享式网络设备 如用 HUB 或共享式交换机接入多个用户 使 得同网段用户可通过网络侦听技术 sniffe 侦测到其他用户的数据 网络分段不理想 网络容易阻塞 交换机不支持多点组播协议 正常多媒体应用中不必要的数据包在网络上流 动 占用其他用户的可用带宽 认证制度不完善 数据在传输过程被篡改 出现非法授权的访问 冒充合法 用户 破坏数据完整性 网络传播病毒等 第 15 页 西华大学课程设计说明书 6 系统配置系统配置 6 1 网络模型网络模型 图 6 1 是设想的网络场景 每个 MR 配置有一个或几个无线接口 具有几个无线接 口的 MR 可以同时在几个不重叠的信道上与相邻的 MR 通信 IEEE 802 11a 有 12 个 IEEE802 11b g 有 3 个 IGW 通过无线链路与相邻 MR 通信 通过有线链路连接因特 网 图 6 1 一个 WMN 场景 将图 6 1 中多射频 多信道 多跳和基于架构的 WMN 抽象为一个无向图 G V E 其中 V v1 vn 是网络中 n 个节点 MR 和 IGW 的集合 部署完成后 节 点 vi V 的物理位置是固定的 用 Xi表示 每个节点都有持续的电源供应 在 n 个 MR 中 有 m 个是 IGW 其余 n m 个是普通的 MR 每个 MR 节点 vi 配置一组 射频无线接口 用 vi 1 2 vi 表示 为了充分利用网络资源 同一个节点的 不同射频接口配置在不同的信道上 从而可以同时收发 假设 IGW 的有线连接及因特 网带宽是无限的 与无线链路比较而言 且 IGW 成本比 MR 高 一般而言 IGW 的 数量少于 MR 即 m Rtran 在这个范 围内信道不能被重用 Wint为在该范围内使用信道的最大吞吐量 当一个流需要在该 范围内转发时 它必须确认该范围内流量是否饱和 这意味着如果 Rint内的可用信道带 宽低于这个流所要求的带宽 这个流就不能被接受 这个模型忽略了由 Rint外的传输引 起的干扰 隐含地回避了隐藏终端的问题 以上过程考虑的是一个单一共享信道 同 样适用于多个正交信道 因为正交信道之间不存在相互干扰 在这种情形下 Wint是 在 Rint范围内使用所有正交信道的最大吞吐量 第 18 页 西华大学课程设计说明书 6 46 4 优化目标 基于对 IGW 放置问题及约束条件的分析 提出了 IGW 放置算法的三个优化目标 1 最小化 IGW 的数量 需要确定 IGW 的位置 使得可以最少数量的 IGW 提供足 够的网络吞吐能力 2 最小化 MR IGW 的跳数 研究表明 为使网络吞吐量随着网络规模的扩大而扩 大 由于频谱空间重用 有更多的节点可以同时传输 源节点到目的节点之间的平均 跳数必须保持较小 否则对于非本地流量而言 每个节点可获得的带宽急剧下降 因 此 IGW 的放置应使得每个 MR 到 IGW 的跳数较小 使用平均 MR IGW 跳数为指标 粗略地反映了所有 MR 的 MR IGW 传输距离 3 可承受的计算复杂度 当评估 IGW 放置算法时 计算复杂度是另一个要考虑的 重要因素 基于以上约束条件 寻找 IGW 的最佳放置是一个 NP 难的问题 当 MR 的 数量增加时 算法的计算开销按指数增大 大多数已有的方法致力于寻找多项式时间 复杂度的算法 以上目标有些是相互抵触的 如 IGW 数量和网络吞吐量之间需要权衡 减少 MR IGW 跳数要求增加 IGW 数量 而这相应地增大了投资成本 6 56 5 WMN 网络架构与网络架构与 IGW 放置放置 为了有效地部署 WMN 提出了许多 WMN 结构 下面介绍其中的两种 1 IGW 指向和连接的簇 IGW directed and connected cluster 在由 G V E 表示的 WMN 中 一个 IGW 指向和连接的簇是一个连通图 Clusteri Vi Ei 其中 Vi Ii v1 vi Ii I 是簇头 v1 vi V I Ei e1 ei 是指向 IGW Ii的边集 图 6 2 a 是用无向图表示的一个网络 由 9 个 MR 节点 组成 图 6 2 b 和图 6 2 c 表示 IGW 指引和连接的簇 图 6 2 b 中 节点 5 选为 IGW 图 6 2 c 中节点 2 选为 IGW 从定义可以看出 IGW 指向和连接的簇是一个有向图 G 它具有以下特性 第 19 页 西华大学课程设计说明书 Clusteri为无环连通图 簇头为所选择的 IGW 每条边均从一个 MR 指向 IGW 每个 MR 通过一跳或多跳连接到 IGW 一个 MR 可以有多条路径指向 IGW 图 6 2 IGW 指向和连接的簇 以 IGW 为根的树 使用有向簇的目的是为了标识从 MR 到 IGW 的路径 当构成一个 IGW 指向和连 接的簇后 去掉边的方向就可以得到一个真正的 WMN 网络结构 这意味着在一个无 向簇中 因特网流量也可以从 IGW 指向 MR 根据以上定义 给定 n 个节点的一个初 始 WMN 可以将网络划分成 m 个不相交的簇 每个簇的簇头为一个 IGW 在图 6 2 中 m 1 另外 每个 IGW 有能力满足本簇内所有 MR 的流量需求 2 以 IGW 为根的树 IGW rooted tree 以 IGW 为根的树是一棵连通树 树中所有的边指向作为根节点的 IGW 图 6 2 d 为由 9 个节点组成的一棵以 IGW 为根的树 所有节点通过基于树的路由路径连接到 IGW 基于树的 WMN 架构由以 IGW 为根的树组成 该架构具有路由开销小和流聚合效 率高等优点 比如 可以采用基于树的路由机制 这种机制可简化从 MR 到 IGW 的路 由路径 可以很方便地控制流量和路由路径 从而达到提高网络信道利用率和确保带 第 20 页 西华大学课程设计说明书 宽最佳利用的目的 研究了基于树的信道分配和路由方案 分析了这种架构的网络性 能 以上两种网络架构可以相互转换 在一个 IGW 指向和连接的簇中 如果每个节点 只维护一条到 IGW 的路径 则化简为一棵以 IGW 为根的树 反过来 在一棵以 IGW 为根的树中 如果每个节点再寻找和维护到 IGW 的其它路径 则转变为一个 IGW 指 向和连接的簇 为此 可以先将一个给定的 WMN 划分成 m 个满足约束条件的 IGW 指向和连接的簇 然后将每个簇化简为一棵以 IGW 为根的树 再将边的方向去掉 就 可以得到一个真正的 WMN 对于以 IGW 为根的树 寻找最小数目 IGW 的设计目标转化为寻找最小数目的以 IGW 为根的树 同时每个 IGW 能够满足树中所有节点的流量需求 前面分析的约束条 件相应地转化为 1 树的规模限制 IGW 吞吐能力的限制转化为对树的规模的限制 其中 ntree为树 中 MR 节点的数量 2 MR IGW 跳数的限制 前两个干扰模型可以转化为对 MR IGW 最大跳数的限制 研究表明 要在多跳传输中维持较高的分组投递率 对于 IEEE 802 11a b g 来说多跳路 径的长度应小于 4 或 5 跳 在将一个初始的 WMN 划分为以 IGW 为根的树时 这个数 值可用来限制 MR IGW 的最大跳数 3 中继负载的限制 MR 的接口和链路吞吐能力应不小于本地流量和转发流量之 和 在给定 MR 的吞吐能力和本地流量需求后 允许通过该 MR 的中继流量有一个上 限 对于树中的 MR 节点 vi 经过它的中继流量计算如下 其中 vi 表示将流量发送 给 vi的 MR 集合 第 21 页 西华大学课程设计说明书 7 网络安全及管理措施网络安全及管理措施 WMN 中需要许多管理功能 重要的如 1 移动管理 移动管理涉及 mesh 客户在不同 mesh 路由器之间的切换 连接的迁移等 Mesh 骨 干的存在使得 WMN 的移动管理比一般的移动自组网要简单一些 但是如何充分利用 mesh 骨干来设计一个轻量级的分布式移动管理方案还需要进一步研究 移动管理与协 议栈的多个层次都有关系 因此研究多层移动管理方法是又一个研究课题 位置服务是 WMN 想要的一个特性 因为利用位置信息可以提高 MAC 协议和路由协议 的性能 也能够开发出很有前景的基于位置的应用 但有效的位置服务算法至今还是 一个开放的研究课题 2 功率管理 WMN 的功率管理目标与网络节点的类型有关 通常 mesh 路由器对于功率消耗没有 限制 功率管理的目的在于控制连通性 干扰 频谱的空间重用和网络拓扑 而 mesh 客户则希望协议是功率有效的 因此 WMN 很可