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计算机网络与通信论文无线网格网络摘要：无线网格式网络（Wireless Mesh Network）是移动Ad Hoc网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动Ad Hoc网络的研究与开发。它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成是一种WLAN和Ad Hoc网络的融合，且发挥了两者的优势，作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。本文详细介绍了无线网格网络的概述、研究历史与现状、研究成果及应用、网络结构分类、关键技术、未来发展趋势、存在问题、个人学习的体会。关键字：无线网格网；网络结构分类；关键技术；存在问题Wireless mesh networkAbstract:Wireless network is a special form of mobile Hoc Ad network, which is based on the research and development of mobile Hoc Ad network.It is a kind of distributed network with high capacity and high speed, different from the traditional wireless network, it can be regarded as a kind of WLAN and Hoc Ad network, which has the advantages of both, as a new type of network structure which can solve the problem of last mile bottleneck. This paper introduces the overview of wireless mesh network, research history and current situation, research results and application, network structure classification, key technology, future development trend, existing problems and personal learning experience.Keyword:Wireless mesh network;Network structure classification;key technology；existing problems目 录第1章 前言.4第2章 无线网格网络的背景与研究现状.42.1、无线网格网的概念.42.2、无线网格网络的研究现状分析.5 2.2.1、物理层.5 2.2.2、媒体访问控制层（MAC）协议.5 2.2.3、网络层路由协议.5 2.2.4、传输层协议.5 2.2.5、应用层协议.52.3、无线网格网络的研究成果及应用.6第3章 无线网格网络的关键技术与结构分类.63.1、无线网格网的关键技术.6 3.1.1、正交分割多址接入(QDMA) 技术.6 3.1.2、隐藏终端问题处理技术.6 3.1.3、功率控制技术.7 3.1.4、路由技术.7 3.2、无线网格网络的结构.7 3.2.1、客户Mesh网络（平面结构）.7 3.2.2、骨干Mesh网络（多级结构）.7 3.2.3、混合Mesh网络（混合网络）.8第4章 无线网格网络发展趋势和不足.94.1、无线网格网络的未来发展趋势.94.2、无线网格网络的存在问题.9 4.2.1、通信延迟.9 4.2.2、安全性.9 4.2.3、互操纵性.9第5章 个人心得体会.10参考文献.10第1章 前言随着信息技术与网络产业飞速发展，与此同时，用户对带宽和传输的可靠性要求越来越高，传统的基于星型的“点到点”或“点到多点”的单跳无线技术表现出通信距离短、要求直视、存在盲区以及链路带宽随着距离增加而降低等固有的局限性。于是，人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网(WMN)，它克服了传统网络的不足。无线网格网(WMN)是一种新型的无线宽带接入网络,它融合了无线局域网(Wireless LAN,WLAN)和Ad Hoc网络的优势,是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络,成为宽带接入的一种有效手段。第2章 无线网格网络的背景与研究现状2.1、无线网格网的概念网格式网络是一个点对点对点,或对等点对对等点的系统，也就是一个由具有重复接/发功能的节点组成的网络。每个节点都能接收/传送数据，也和路由器一样，将数据传给它的邻接点。通过中继处理，数据包用可靠的通信链路，贯穿中间的各节点，抵达指定目标。今天的网格式无线局域网主要使用基于802.11a/b/g的标准以及802.15.4 的Zigbee射频技术。网格的使用可以帮助各企业迅速地建立起新的无线网，或在不需要线连基站的条件下，扩展现有的WLANs。因为它们可以为数据传输选择最佳的路径。此外，工业用户还能用嵌入的无线网格，迅速建立起传感器和控制器的网络，进行工业管理和运输管理。无线网格是一个新兴的领域，它将改变当今网络世界的现状，同时能够为亿万人民提供新的机遇，不仅对于软件企业有意义，跟终端用户更是有着密切的关系。社区网是一种无线网格，可以被看作是无线网格的一部分。社区网与无线网格有许多共同的问题，也有它的特殊点。2.2、无线网格网络的研究现状分析2004年1月, IEEE802.11 Working Group 正式专门成立了网格研究组(Mesh Study Group ) ,同年3月又成立了网格任务组(Mesh Task Group) ,标志着WMN技术正式迈上了广泛标准化道路。另外,其他标准如802.15.3a、802.15.4 和专用短程通信(Dedicated Short Range Communications, DSRC) 也开始探索如何通过网格嵌入式设备来改进其现有技术, IEEE802.16已经将网格技术纳入其MAC层协议标准中。2.2.1、物理层WMN中物理层开放性问题包括发展新无线电来提供更高的数据传输速率，例如UWB物理层。新无线电技术的发展能提供高物理层容量，在干扰严重的情况下也能工作，并具有灵活应用无限频谱的能力。2.2.2、媒体访问控制层（MAC）协议主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题,如MACA协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议等。无线mesh网络MAC协议尚有待研究的问题有:可扩展MAC协议的设计、MAC物理层跨层设计以及MAC层异构网络融合等。2.2.3、网络层路由协议在网络层，路由方面最重要的是设计新的路由判据以获得高吞吐量和可扩展性。有待解决的问题包括:路由协议的可扩展性、更好的性能判据、路由MAC跨层设计以及高效的mesh路由等。2.2.4、传输层协议传输层中最大难题是WMN中的传输协议的性能。在WMN的传输层，TCP的吞吐量很小，为了提高WMN的TCP性能，需要能够提高吞吐量的方法。因此需要采取类似于外部连接失效通知之类的机制。2.2.5、应用层协议WMN中最普遍的应用是Internet接入服务，WMN需要支持站点对Internet的访问和WMN内站点之间的通信。2.3、无线网格网络的研究成果及应用无线网格网的应用范围很广, 总体上来说, 它可以用于以下场合。(1) 传感器网络: 对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术, 并且传感器的发射功率很小。(2) 商业应用: 组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统和无线设备网络, 开展移动和可携带计算以及无所不在的通信业务等。(3) 旅游休闲场所：Mesh非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济上不合算，而又需要为用户提供宽带无线Internet访问的地方，Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。(4) 需要临时安装场所：对于那些需要快速部署或临时安装的地方，如展览会、交易会、灾难救援等，Mesh网络无疑是最经济有效的组网方法。使用Mesh技术来组网可以将成本降到最低。(5) 其它领域应用: 考虑到无线网格网具有很多优良特性, 它的应用领域还有很多。比如可以用来扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范围, 实现地铁和隧道等场合的无线覆盖, 实现汽车和飞机等交通工具之间的通信等。第3章 无线网格网络的关键技术与结构分类3.1、无线网格网的关键技术3.1.1、正交分割多址接入(QDMA) 技术正交分割多址接入技术(QuadratureDivisionMultipleAccess，QDMA)是为实现广域范围内通信的最优化及移动网格网设计的，该技术源于军事应用，目的是在特殊环境或紧急状况下能够提供安全可靠的通信方式。该技术融合了FDMA、TDMA、CDMA技术，提高了频谱的利用率和抗干扰特性，正交分割多址接入技术使用直接序列扩频调制技术，当系统在通信过程中发现有干扰信号时，通过该技术可以自动屏蔽发生冲突的信道，从而选择没有干扰信号的信道，很大程度上避免了干扰情况。3.1.2、隐藏终端问题处理技术由于无线网格网采用无线传输媒质, 因此它与其他无线传输网一样, 不可避免地存在隐藏终端和暴露终端问题。由于无线媒质的特殊性, 隐藏终端问题都可能发生, 都会导致信号碰撞的发生。目前可通过IEEE802.11中的RTS CTS 协议( 请求发送允许发送协议) 来避免, 但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问题。无线网格网可看作简化的Ad Hoc 网络, 因此可根据Ad Hoc 网络中的一些已有的成熟的方案来解决隐藏终端和暴露终端问题。3.1.3、功率控制技术功率控制技术可以为MAC层的数据包发送带来多个功率级别选择使用，系统按照网络环境以及用户的需求来选择适合的功率进行工作，这样做的好处是一方面能够合理的降低与平衡节点的能耗，让网络的工作以及生存时间得以延长；另一方面还能够减少节点之间的互相干扰，从而提高信道空间复用度以及全网的吞吐率。3.1.4、路由技术无线网格网的多跳无线网具有动态拓扑的特点, 因此对它的路由协议就存在很多要求。无线网格网的路由协议可以参考Ad Hoc 网络现有的一些路由协议。Ad Hoc网络的路由协议大致可以分为先验式路由协议、反应式路由协议以及混合式路由协议。目前几种典型的路由算法有: DSDV(目的序列距离矢量路由协议)、DSR(动态源路由协议)、TORA( 临时按序路由算法)和AODV(Ad Hoc按需距离矢量路由协议)。3.2、无线网格网络的结构3.2.1、客户Mesh网络（平面结构）提供用户点到点通信功能。不需要Mesh Router，每个用户节点都具有路由功能，类似于Ad Hoc网络。3.2.2、骨干Mesh网络（多级结构）由Wireless Mesh Router组成骨干网络，用户节点通过Access Point接入骨干网，骨干网与其他网络的连接及Access Ponit与Mesh Router的连接可以通过无线或有线的方式。3.2.3、混合Mesh网络（混合网络）骨干mesh网络和客户mesh网络的综合，Mesh router提供与其他网络的连接，用户节点的routing功能为mesh网络提供更好的连通和覆盖。 第4章 无线网格网络发展趋势和不足4.1、无线网格网络的未来发展趋势从移动Ad Hoc网络的发展历史及未来趋势可见，无线网络的多跳连接将成为下一个无线通信网络发展的必然趋势，可以为用户提供真正的无处不在的连接（Ubiquitous Connection)。下一代无线网络在结构和技术上向Mesh结构演进是必然趋势，WMN最显著的特点就是可以在大范围内实现高速通信。它融合了WLAN和Ad Hoc网络，不论在业务需求上、商务应用上还是技术支撑上都是充分发挥了两者的优势，因而具有极其广阔的反战前景。WMN有着非常广的应用环境，如军事基地无线数据网，校园高速无线接入覆盖，家园娱乐和无线传感器网络扩展，特殊行业无线企业网。电信业扩大无线增值业务覆盖，交通行业的高速无线宽带接入网络，为公共服务和安全行业及执法机构等提供客户即时信息、数据库访问及移动办公业务。总之，WMN有着非常大的市场潜力，应用范围会越来越广。4.2、无线网格网络的存在问题4.2.1、通信延迟在Mesh网络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，随着无线Mesh网络规模的扩大，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，可能面临无法接受的延迟过长的问题。4.2.2、安全性与WLAN的单跳机制相比，无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。Internet本身即是使用Mesh方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周知的。4.2.3、互操纵性目前影响无线Mesh技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性。正如任何一种新兴的网络技术刚出现时一样，无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准，用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线Mesh产品，要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题，这个问题目前是影响无线