无线网络的体系结构

计算机系统结构论文报告 课题名称: 无线网络的体系结构学院: 计算机科学与工程学院班级: 网络工程三班学号: 姓名: 方明摘要：传统的无线接入方式，如蜂窝网、无线局域网(WLAN)面对日益增长的高速无线因特网接入需求面临许多挑战，无线网状网(WMN)作为因特网“最后一公里”接入方案，提供一种灵活而低成本的多跳通信，也将成为各种无线网络融合的主要技术。针对这一极具发展前途的网络结构，本文主要从其结构方面进行分析研究。关键词：无线网状网；路由；结构一. 引言：无线Mesh网（WMN）又称为无线网状网、无线网格网，大约出现在20世纪90年代中期。随着移动通信技术的发展，除无线通信网络的语音业务需求外，高速因特网接入需求也日渐增加。传统的无线接入方式面临着接入带宽不足、服务质量得不到满足等问题，而且无线频谱资源及拓扑结构缺乏统一规划，难以适应灵活多变的使用状况。WMN提供了一条解决无线接入网所面临问题的新途径，它可以大大增加无线系统的覆盖范围，同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性。无线网状网是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。图1说明了一个多跳无线网状网，其中只有中央网关G通过有线方式连接到互联网，而其他的节点（如节点S）则是通过多跳方式访问到中央网关G。WMN中的每个节点不仅是一个客户端也是一个中继器，也就是说，它既可以从与因特网相连接的网关上获取数据，也可以将数据发送到该网关，进而与因特网相连。无线网状网和无线自组网的主要区别在于数据传送模式2，如图2所示。在WMN中，通常存在一个中央网关设备，大多数的数据不是发向该设备就是从该设备接收数据，如图2(a)所示。在自组织网络中，数据流量可以在任意节点之间的进行传输，比如在节点S1和D1之间，如图2(b)所示。总体来说，无线网状网的技术优势可以概括为以下5个方面；WMN可以以最小的布线工程量在大规模区域内进行快速部署，以降低基础设施和部署费用。WMN技术可以弥补无线网络的阴影衰落和路径损耗等所带来的信号问题，以进一步扩大无线网络的业务覆盖范围。就短距离通信方式而言，WMN可提高传输速率和能源效率。此外，两条链路在较短距离内可以复用相同频率的信道。相对于无线网络的多径效应，WMN一个引人注目的特点是其鲁棒性。如果某些节点失效（如图3所示的节点B），网状网可以继续通过其他节点转发数据。图4展示了一个综合的无线网状网，其中包含802.16（WiMAX）技术、802.11（WiFi）和802.15（蓝牙和Zigbee）技术、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）。然而，当覆盖范围增加，以服务更多的用户，多跳网络存在可扩展性的问题。这是因为在多跳WMN中，提高网络的吞吐量和覆盖范围是两个互相矛盾的目标。一方面，多跳通信可以延伸网络的覆盖范围，以降低基础设施的总成本。另一方面，随着跳数的增加，重复中继传输将极大地消耗无线资源。因而，由于用户的增加，使得碰撞的概率大大增加，网络的吞吐量急剧下降。因此，网络的覆盖问题已成为设计一个可扩展的无线网状网的重要而具有挑战性的问题，其目标是要在不牺牲系统的整体吞吐量的条件下尽可能地扩大其覆盖范围。 在本文中，我们首先讨论WMN的主要架构，并简要概述现有的mesh网络技术，包括IEEE的802.11s和IEEE 802.16系统。然后，我们讨论从网络部署的角度对WMN的可扩展性问题。我们介绍了两种针对密集城市覆盖和广域范围覆盖情形的可扩展WMN配置策略，见图5和图6。首先，图5展示了针对密集城市覆盖的基于簇的WMN配置方案。在该WMN中，几个相邻的接入点（AP）形成一个簇，并通过相同的交换机/路由器连接到Internet。在每一个簇中， 只有中央AP0通过有线方式连接到互联网。其他的接入点AP通过无线链路相互建立起通信链路。通过这种方式，在城市中进行网络的部署就变得容易得多，因为布线工程量要少很多。其次，图6给出了针对广域覆盖区域的可扩展多信道环状无线网状网的部署结构图。其中，中央网关和静态mesh形成了一个多跳WMN。 我们也研究了WMN中容量和覆盖范围的最优平衡问题。大多数传统的无线网状网由于无线信道的冲突特性使得用户的吞吐量无法保证，因而无法对覆盖范围进行有效的扩展。相比之下，图5和图6可以对覆盖范围进行进一步的扩展，因为多信道的频率规划可以很容易地应用在这个架构适。因此，可以通过正确地确定部署参数来保证网络的吞吐量。我们将应用混合整数非线性规划算法（MINLP）来决定最优配置参数，旨在最大限度地同时提高容量和覆盖范围。二 无线Mesh网络的标准目前，无线Mesh网络技术正在世界范围内得到越来越多的应用，而技术标准化是大规模应用所必需的重要环节。目前，无线Mesh网络标准散见于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等标准草案中。IEEE 802.11在大规模应用时遇到的一个难点是系统的覆盖能力有限，WLAN受发射功率的限制，覆盖范围一般在100m范围内。为了扩大网络的覆盖范围，通常通过增加AP的办法来实现，但这种方法增加了公众网的建设成本。无线Mesh网络作为一种新的组网技术为解决上述问题提供了新的途径。IEEE802.11s任务组，主要研究支持无线分布式系统(WDS)的协议，为WMN定义媒体接入控制(MAC)层和物理层协议，以实现WLAN在多个AP之间通过自配置多跳的方式组网，提高WLAN的覆盖范围。WDS是802.11网络的一部分，用来作中继桥接的功能，可以让无线AP之间通过无线进行桥接(中继)，同时不影响其无线AP覆盖的功能。支持WDS技术的无线AP或无线路由器具有混合的无线局域网工作模式，可以支持点对点、点对多点的数据传输。三、 无线Mesh网络结构与特点WMN主要由两类网络节点组成：Mesh路由器和Mesh客户端。采用WMN作为接入网络时，Mesh客户端通过相邻的其他节点，以无线多跳的方式接入到因特网。这种MP2MP的结构，使得WMN具有以下优点：自配置：节点之间通过开放的无线链路，形成单跳或多跳连接，自动完成组网；自调节：节点之间拥有多条通信路径，业务可以灵活的选择合适的(例如最短路径、最少干扰，速率最快等)路径进行传输；自愈：当某一节点出现故障受损或一条链路出现拥塞，网络中的业务可以选择绕开相应的节点或链路，网络的可靠性增强；可扩展性：可以方便的添加或删除网络节点，调整网络覆盖范围，降低系统的建设和管理成本。因此，WMN适合作为因特网“最后一公里”无线接入方案，在IEEE 802.11s，802.15以及802.16等标准中已有体现，它将成为下一代Wi-Fi和WiMAX的重要组成部分。除此之外，当前存在着多种无线接入网络，采用各种不同的无线传输技术以及标准，提供各自适宜的应用。例如蜂窝网适于语音通信业务，Wi-Fi适于局部区域的宽带多媒体数据接入业务，无线传感器网络适于环境检测中的数据采集业务等等。未来的无线网络将是各种网络并存、各种异构网络融合，为用户提供随时随地的接入的泛在网络。这是无线网络的发展方向，也可能成为WMN一个新的应用方向。无线Mesh网络主干由呈网状结构分布的路由器连接而成。WMN有两种典型的实现模式：基础设施Mesh模式和终端用户Mesh模式。在基础设施Mesh模式中，Internet的接入点(IAP)和终端用户之间可形成无线的闭合回路。IAP通过路由选择及管理控制等功能，为移动终端选择通信的最佳路径。同时，移动终端通过IAP可与其他网络，如Wi-Fi、WiMAX和传感器网络等互联，提高网络自身的兼容性。在终端用户Mesh模式中，终端用户以无线方式形成点到点的网络。终端设备可以在没有其他基础设施的条件下独立运行，并且可以支持移动终端较高速地移动，快速形成宽带网络。终端用户具有主机和路由器的双重角色：一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器运行路由协议，参与路由发现、路由维护等操作。根据Mesh路由器和Mesh客户端这两种类型节点功能的不同，WMN的系统结构可以分为3类：一类是骨干网Mesh结构(分级结构)，一类是客户端Mesh结构(平面结构)，以及它们的混合结构。1 无线Mesh网络结构骨干网Mesh结构由Mesh路由器组成的可以自配置、自愈的链路来充当，通过Mesh路由器的网关功能与因特网相连，为客户端提供接入服务。骨干网Mesh结构如图4所示。终端节点设备通过下层的Mesh路由器(相当于各接入网络中的中心接入点)接入上层Mesh结构的网络中，实现网络节点的互联互通。这样，通过网关节点，任何终端都可与其他网络连接，从而实现无线宽带接入。这样不仅降低了系统建设的成本，也提高了网络的覆盖率和可靠性。该网络结构能够兼容市场上现有的设备，但任意两个终端节点间不具备直接通信的功能。客户端Mesh结构由Mesh客户端组成，是在用户设备间提供点到点服务的WMN。客户端组成一个能提供路由和自配置功能的网络，支持用户的终端应用，其结构如图5所示。网络中所有的节点是对等的，具有完全一致的特性，即每个节点都包含相同的媒体访问控制(MAC)、路由、管理和安全等协议，这些节点不仅具有客户端节点的功能，也具有能够转发业务的路由器节点的功能。显然，网络中的节点不能兼容现有的多种无线接入技术，并且其单一的结构决定其不适合大规模组网。因此只适用于节点数目较少且不需要接入到核心网络的应用场合。混合结构WMN如图6所示，Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络。这种结构提供了与其他网络的互连功能，如因特网、WLAN、WiMAX、蜂窝和传感器网络。同时，客户端的路由能力增强了网络的连通性，扩大了覆盖范围。这时的终端节点已不是现有的仅支持单一无线接入技术的设备，而是增加了具有转发和路由功能的Mesh设备，设备间可以直接通信。通常要求终端节点设备具备同时支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能。在支持无线网状拓扑结构的标准中，802.11s采用了树形多跳网状网以及Ad Hoc方式多跳网状网两种基本结构，并定义了Mesh节点(MP)、Mesh接入点(MAP)、传统WLAN站点3种节点。在Ad Hoc方式多跳网状网结构中，没有起集中控制作用的中心节点，网络中MP和MAP节点的地位是平等的，并具有类似于狭义Ad Hoc网络移动节点的功能，即节点可以是数据源产生数据分组，也可以转发来自其他节点的分组。节点间所形成的无线P2P网络，不需要网络基础设施的支持。802.16定义了两种网络拓扑结构：点对多点(PMP)和网状网。通过网状结构以实现网络的全覆盖，结构如图7所示。网状网络由称为Mesh基站(WiMAX基站)的中心节点控制。中心节点可以与网状网络外的回程设备建立起直接链路，作为连接到外网的接口。2 无线Mesh网络结特点无线Mesh网络是多跳与多点到多点结构的融合，具有以下几个重要特点5：(1) 多跳的结构。在不牺牲信道容量的情况下，扩展当前无线网络的覆盖范围是WMN的最重要的目标之一。WMN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。Mesh网络中的链路比较短，所受干扰较小，因此可以提供较高的吞吐量和较高的频谱复用效率。(2) 支持Ad Hoc组网方式，具备自形成、自愈和自组织能力。WMN灵活的网络结构、便利的网络配置、较好的容错能力和网络连通性，使得WMN大大提升了现有网络的性能。在较低的前期投资下，WMN可以根据需要逐步扩展。(3) 移动特性随Mesh节点类型的不同而不同。Mesh路由器通常具有较小范围的移动性，而Mesh客户端既可以是静止不动的节点，也可以是移动的节点。(4) 支持多种网络接入方式。WMN既支持通过骨干网接入的方式，又支持端到端的通信方式。此外，WMN可与其他网络集成，为这些网络的终端用户提供服务。(5) 对功耗的限制取决于Mesh节点的类型。Mesh路由器通常没有严格的功耗限制，但Mesh客户端需要有效的节能机制。(6) 与现有无线网络兼容，并支持与WiMAX、Wi-Fi和蜂窝网络等的互操作。四、结束语WMN作为一种融合了无线局域网和Ad Hoc网络优势的新型无线宽带接入网络，成为宽带无线接入的一种有效手段，可以灵活地应用于多种无线环境。因其组网的快速灵活性、节点的分布性等优点，可以以少量的基础设施，构建覆盖范围广的高速无线网络，并且具有成本低，升级方便等特点。如何在下一代移动通信网络中发挥这种构架的性能优势和潜力，是需要深入研究和探讨的。参考文献：1 方旭明.下一代无线因特网技术:无线Mesh网络 M.人民邮电出版社,2006.2 IEEE802.16sRela