[硕士论文精品]基于wlan的mesh网络接入点mac协议研究

北京邮电大学硕士学位论文垂壬坠趔鲍竖曲匾缝篷厶盛堑垫堡塑塞基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究摘要无线MESH网络WIRELESSMESHNETWORK，WMN是一种高容量高速率的新型网络结构，它融合了WLANWIRELESSLOCALAREANETWORK和ADHOC网络特点，具有很高的可靠性和灵活性。近年来随着WMN研究的深入及在商业应用的进展，在WMN上提供必要的服务质量QUALITYOFSERVICE，QOS保证显得越来越重要。但由于WMN自身的特点，比如其多跳性、分布性、自组性以及移动性，导致在这种网络下信道利用率降低，网络容量下降，不能提供更有效的OOS保证。媒体接入控制MEDIAACCESSCONTROL，MAC协议是W确定共享无线信道带宽效率的主要技术，IEEE802儿E标准主要是解决基于IEEE80211面临的QOS问题。本文着重研究接入点如何在W删的环境和有限的带宽情况下提供QOS保证的问题。以支持多媒体业务及区分本地业务和转发业务为目标，对基于IEEE80211的媒体接入OOS机制进行了性能分析，系统地研究了WMN的接入点的多信道MAC协议，并提出了一些新的改进方案。首先，详细介绍了W心的结构，与其它通信网络的区别，应用方案以及网络优势。详尽分析了WMN的MAC层协议，针对WMN的多信道MAC方案进行了研究。接着，介绍了8021LEEDCAENHANCEDDISTRIBUTEDCHANNELACCESS机制，并在EDCA机制的基础上提出了针对WMNAP的DEDCA机制，定义了新的优先级类别映射方法，增加了区分本地业务和转发业务的功能。最后，对WMN上采用DEDCA机制进行了性能分析。通过仿真比较发现，DEDCA机制在性能上优于EDCA。同时提出了通过限制实时性业务重传时间来改进DEDCA机制的初步方案，并对该方案进行了仿真与分析。关键词无线MESH网络，IEEE80211，EDCA，多信道，优先级北京邮电大学硕士学位论文茎壬世H鲍坠韭围缝蕉厶直堂生垃丝塑蛊INVESTIGATIONOFWLANBASEDMACPROTOCOLOFAPFORMESHNETWORKSABSTRACTWIRELESSMESHNETWORKWMNISANEWTYPEOFBROADBANDWIRELESSACCESSNETWORKTHATCOMBINESTHEADVANTAGESOFWLANANDTHEADHOCNETWORKSITHASHIGHRELIABILITYANDFLEXIBILITYINRECENTYEARS，MULTIMEDIAAPPLICATIONSAREMOREANDMOREPOPULAR，ANDWIRELESSMESHNETWORKSAREWIDELYUSEDINCOMM。CLALENVIRONMENTSTHEREFORE，ITISCRUCIALFORWIRELESSMESHNETWORKSTOSUPPORTQUALITYOFSERVICEQOSHOWEVER，SOMEDISTINCTCHARACTERISTICSOFWIRELESSMESHNETWORKS，SUCHASTHEMULTIHOP，DISTRIBUTION，SELFORGANIZATIONANDMOBILITY，SIGNIFICANTLYIMPA。TTHEDERFORMANCEOFTHEMACPROTOCOLISTHEMAINFACTO。TODETERMINETHEEFFICIENCYOFTHESHAREDWIRELESSCHANNELANENHANEEDMECHANISMEDCAENHANCEDDISTRIBUTEDCHANNELACCESSLHADBEENPUTFORWARDINTHEIEEE8021LE，WHICHISANIMPROVEDALGORITHMTOSUPPORTQOSTHISTHESISMAINLYFOCUSESONHOWTOPROVIDETHEQOSINWIRELESSMESHNETWORKS，WHERETHETOPOLOGYISDYNAMICANDTHEBANDWIDTHISCONSTRAINEDTOWARDSTOPROVIDINGMULTIMEDLATRAFFICASWELLASDIFFERENTIATINGLOCALANDFORVCARDTRAFFI。，THEWORKINVESTIGATESTHEMULTICHANNELMACFORWIREL。8SME5NNETWORKSBASEDONIEEE8021LE，ANDSOMEORIGINALSCHEMESAREPROPOSED一5FIRSTLY，THEARCHITECTURE，THEDIFFERENCESBETWEENWMNANDOTHERNETWORKS，APPLICATIONSASWELLASSOMEADVANTAGESOFWIRELESSMESHNETWORKSAREINTRODUCEDTHEMACPROTOCOLINWMNANDINVESTIGATESTHEMULTICHANNELMACMECHANISMSAREANALYZEDANDSUMMARIZEDSECONDLY，THISPAPERBRIEFLYINTRODUCESHOW80211EWORKSANDPROPOSESANIMPROVEDALGORITHMNAMEDDEDCADEDCAISAMODIFIEDSCHEMESBASEDONEDCADEDCAPROVIDESANEWDEFINITIONINWHICHUSERLEVELTRAFFICMAPTOTHENEWPRIORITY，MEANWHILEITHASA“DIFFERENTIATINGLOCALANDFORWARDTRAFFIC，FUNCTIONTHIRDLY，WESIMULATEDTHETHROUGHPUTOFDEDCABYCHANGINGTHEIMPACTFACTORSSUCHASAIFS，CWPFANDTHENUMBEROFSTATIONSTHEPARAMETERSOFDEDCANEEDTOBEMODIFIEDTOACHIEVEBESTPERFORMANCEINCREASINGTHEAIFS，CWMINANDPFOFLOWPRIORITYTRAFFICCANIMPROVETHETHROUGHPUTOFHIGHPRIORITYTRAFFICFINALLY，THEPERFORMANCEOFDEDCAINWIRELESSMESHNETWORKSISINVESTIGATEDTHROUGHANUMBEROFNETWORKSIMULATIONS，WEFINDTHATDEDCAHASBETTERPERFORMANCETHATEDCATHEREVISEDDEDCAISPROPOSEDBYRESTRICTINGTHERETRANSMITTEDTIMESOFTHEREALTIMETRAFFICSFURTHERMORETHEPERFORMANCEOFTHEREVISEDDEDCASCHEMESISANALYZEDBRIEFLYKEYWORDSWIRELESSMESHNETWORK；IEEE80211EDCA；MULTICHANNEL；PR6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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论本人签名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年解密后适用本授权书。非保密论文注释本学位论本人签名导师签名用本授日期日期韭基鲣盥盔堂亟堂僮熊塞差曼丛塑坠韭圆缝撞直咝缝这受益第一章绪论11论文背景与国内外研究现状随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时，何地，与何人都能够进行快速，准确地通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺点，达到通信的“无所不在”，最近，人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线MESH网WMNI2。WMN是移动ADHOC网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动ADHOC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ADHOC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，WMN被写入了IEEE80216目PWORLDINTEROPERABILITYFORMICROACCESS，WIMAX，无线城域网WIRELESSMUNICIPALAREANETWORK，WMAN标准中。2004年1月，IEEE80211WORKINGGROUP正式专门成立了网状研究组MESHSTUDYGROUP，同年3月又成立了网状任务组MESHTASKGROUP，标志着WMN技术正式迈上了广泛标准化道路。另外，其它标准如802153A,802154和专用短程通信DEDICATEDSHORTRANGECOMMUNICATIONS，DSRC也开始探索如何通过网状嵌入式设备来改进其现有技术，IEEE80216已经将网状技术纳入其MAC层协议标准中3】。在应用基础理论与技术研究中，近10年来，包括移动ADHOE网络和WMN在内，已经取得了众多成果，主要有以下方面1路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征。代表成果有DSDV，AODV，DSR，TORA等11，12，211。最近，微软公司也提出了一种多无线收发器，多跳无线网络的路由协议MRLQSR，主要思想便是在DSR协议的基础上采用最大吞吐率准则，已经开始考虑WMN的特征【15】。2MAC协议的研究。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【LL，12，2L】。3在网北京邮屯人学硕士学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心是节点密度与分布问题26，2S。4在多播组播协议，TCP协议，地址和带宽等网络资源分配，功率节能控制，安全性问题，分布式算法，QOS等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少211。5在一些协议和系统仿真与实验研究上，特别针对WMN，最近有一些新的结果15，16】。在短距离ADHOC网络的构建上，最近些学者正在研究蓝牙散射网管建技术【LL，12】。在专利技术上，目前主要掌握在一些美国公司及研究机构中。例如MESHNETWORKS公司在2002年6月获得专利“为端到端和端到基础设施的通信网络提供无线业务消息存储转发的系统和方法”【17】。该专利提出了一种是先不在彼此传输范围内的移动节点和无线基础设施部件间进行无线通信的系统和方法，基本思想是利用了中闯移动节点所具有的存储转发信息的能力。2004年4月，该公司获得专利“无线端到端ADHOC网络路由中队IP地址到MAC地址映像及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”【18】。该专利的主要思想是采用一个HASH函数将IP地址变换为一个6字节的MAC地址，并附加在路由广播中主动传输给其它节点。此外，摩托罗拉公司在2003年10月获得专利“在ADHOCMESH网络中提高服务效率的方法和设备”，其中涉及在WMN中增强业务有效性的通信系统与设备。CALY公司于2002年3月获得专利“网状无线网络中包数据通信协议”。其中主要涉及网状无线网络节点之间包数据的通信方法。在应用系统集成上，近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导体，计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段，WLAN技术，蓝牙技术，移动ADHOC网络技术和超宽带ULTRAWIDEBAND，UWB技术等取得了令人瞩目的成就【19】。一般认为，未来的4G系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成，其中包括未来的蜂窝移动通信网络，卫星网络，公共电话交换网络，WLAN，移动ADHOE网络等，这些网络均集成到因特网骨干网或通过WMN集成到因特网中，而WMN可看作“因特网的无线版”。可见，无线MESH网将是未来无线通信领域重大技术革新。JE鏖噬血盘堂亟堂焦墟塞差坠M鲍堕业匦缉撞厶盘丛丝垃邀受宝在商业与军事系统应用上，WMN技术可以应用于军事指挥通信网1131，WMAN，无线传感器网络201，WLAN等“最后公里”无线覆盖等众多领域，同时，WMN的构建涉及移动通信，计算机网络和微电子技术等多项领域，从某个侧面体现出一个国家的综合实力，尤其是在3G陷入标准之争的中国，WMN技术更是备受广大运营商，设备供应商以及无线增值业务集成商等极大关注。所以世界各主要发达国家均在投入大量的人力和物力进行研究，以期在未来的高科技和无线产品市场竞争中占有一席之地。然而，与蜂窝通信网类似，WMN除了面临技术标准化道路以及部分企业的专利技术保护限制以外，还有组网模式以及无线网状多址接入技术及智能路由选择等复杂的关键理论和技术问题，导致其在我国要大面积商用还有一段路要走。值得庆幸的是，目前WMN的商用实验网络已经在部分国家和地区开展，如北电网络的应用解决方案，另外其它一些公司也成功地实现了WMN技术的商用。例如日本偏远城市高知KCNA网，它用无线路由器和80211接入点组成一个城市范围的内联网，连接了14所小学，4所中学和18栋市政大楼【L】，美国的SKYPILOT公司在WMN中使用智能天线技术，并实现了频率复用，大大提高了频谱的利用率。近年来，国内也开始关注WMN技术的发展。目前WMN已经引起国内外的广泛关注，由于MAC协议对于无线MESH网的性能有着非常重要的作用，因此WMN的MAC协议研究也成为研究的热点【7】。对于WMN网络MAC层协议研究主要集中在对WLAN和ADHOE的相关研究上，对WLAN的研究处理关注80211协议本身，主要在IEEE8021LE的基础上进行改进，如调整竞争窗口大小，D1FS和最大的帧长度以及保证不同业务QOS等。而对于ADHOC网络带宽资源分配与调度策略的研究以节省ADHOC网络节点电池消耗为主要目的的研究比较多，为多媒体业务提供QOS保证的研究也得到很多关注。80211虽然具有很多优势，但覆盖范围一直是他的弱点，为了解决这个问题，MESH网技术应运而生，它可以通过接入点AP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。WMN的显着特点就是可以在大范围内实现高速通信。北京邮I乜大学硕士学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究IEEE80211标准是目前移动网络中引用最广泛的MAC层协议之151，由于WMN是一种融合了WLAN和ADHOE的新型网络结构，因此现有的8021LMAC层的相关算法，及8021ISMESH标准只提出了草案还没有制定最终的标准，以上因素给MAC层协议研究带来了极大的发展机会。因此研究WMN接入点的MAC层协议对于WMN的整体性能分析，研究，设计以及推动WMN的应用具有重要意义。12论文研究内容与组织结构本论文旨在对WMN多信道MAC协议进行探讨与研究，对目前无线通信网络的MAC层协议进行了系统的分析总结，并研究在WMN这种新型的组网结构下MAC层协议的发展方向。在具体研究过程中，主要以IEEE80211EDCA6彩X机制为研究对象。研究方法主要为利用NS2【9仿真软件对协议进行仿真。本文各个章节内容组织如下第1章介绍了论文的研究背景，研究内容以及组织结构。第2章具体介绍WMN的结构，与其它通信网络的区别，网络优势及应用。第3章针对W的MAC层协议，进行了全面深入的分析，并研究现有的MAC层协议并对他们的特点进行了比较，采用理论分析的方法，集中研究了基于多信道删的MAC协议。第4章针对IEEE8021LEDCA协议中存在的问题，提出了对其进行改进与扩展的新的接入机制DEDCA。第5章对DEDCA方案进行仿真与分析，并得出结论该方案在性能比较上优于EDCA。第6章全文总结并展望今后的工作。韭复鲤皇左堂亟堂焦迨童茎王坠趔鲍堂堂圆堡捶直坠G垃邀塑宜第二章无线MESH网络相关背景及应用21无线MESH网络的结构在使用WMN技术建设的网络中，其拓扑结构成栅格状，如图21所示为一典型结构。整个网络由下列组成部分构成智能接入点INTELLIGEMACCESSPOINT，AP无线路由器WIRELESSROUTER，UR终端用户设备CLIENT图21一种W州结构在图21中，一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线路由器，IAP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要将各个与无线路由器相连的无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备通过AP共享核心网的资源。IAP是在AP的基础上增加了ADHOC路由选择功能。除此之外，AP，【AP还具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理，把传统交换机的智能性分散到接入点APIAP中，大大节省了骨干网建设的成本，提高了网络的可延展性。在智能接入点的下层，配置无线路由器WR，从而为底层的移动终端设备即用户提供分组路由和转发功能，并且从智能接入点下载并实现无线广播软件更新。转发分组信息的路由根据当时可使用的节点配置临时决定，即实现动态路由。在该网络结构中，通过使用无线路由器WR可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。北京邮电大学硕士学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究终端用户设备CLIENT兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的应用程序另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现，路由维护等常见的路由操作。基于以上的结构，WMN有两种典型的实现模式。基础设施网状模式INFRASTRUCTUREMESHING该模式在接入点与终端用户之间形成无线的回路。移动终端通过WR的路由选择和中继功能与IAP形成无线链路，IAP通过路由选择及管理控制等功能为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径，从而形成无线的回路。同时移动终端通过IAP可与其它网络相连，从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性。终端用户网状模式CLLENTMESHING终端用户自身配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，这是一种任意网状的拓扑结构，节点可以任意移动，可能导致网路拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中，由于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可以借助其它终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻，终端设备再不需要其它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ADHOC网络，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。由于两种模式具有优势互补性，因此同时支持两种模式的网络将在一个广阔的区域内实现多跳的无线通信，移动终端即可以与其它网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其它用户直接通信，并且可以作为中间的路由器转发到其它节点的数据，送往目的节点。WMN不仅可以看作是WLAN与ADHOC融合的一种网络，又可看作是因特网的一种无线版本。22无线MESH网络与其它通信网络的区别JE盛鲤皇丕堂熊堂焦J金塞差世_的堕曲回缝撞直坠地这瑟宝221与蜂窝移动通信系统的区别可靠性提高在WMN中，链路为网状结构，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它可接入的链路，因而对网络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。传输速率大大提高在采用W州技术的网络中，可融合其它网络或技术如WIFI，UWB等，速率可以达到54MBPS，甚至更高。而目前正在发展的3G技术，其传输速率在高速移动环境中仅支持144KBPS，步行慢速移动环境中支持384KBPS，即使在静止状态中也仅达到2MBPS。降低成本在WIN中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且AP，IR等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备便宜得多。222与ADHOE网络的区别WMN与ADHOE网络均是点对点网络。ADHOE网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式。WMN把ADHOE网络技术应用到移动节点同时又是移动节点可通过IAP连接到其它网络，因此可以把WMN看成是ADHOE网络技术的另一种版本。但WMN与移动ADHOE网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务，对于后者，节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。虽然人们对ADHOE网络的研究已经有相当长的时间了，但是主要还是在理论上，而且主要应用在军事上，还未出现大规模的商用。223与WLAN的区别从拓扑结构上讲，WLAN是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因而数据不可转发。WLAN可在较小的范围内提供高速数据服务8021LB可达11MBPS，8021LA可达54MBPS，但由于典型情况下WLAN的这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于WMN，则可以通过WR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。WMN的显着特点就是可以在大范围内实现高速通信。北京邮电大学硕T学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究23无线MESH网的优势WMN与传统的无线网络相比有许多优势可靠性大大增强WMN采用的网络拓扑结构避免了点对多点星型结构，如80211WLAN和蜂窝网等由于采用集中控制方式而出现的业务汇聚，中心网络拥塞以及干扰，单点故障，从而带来额外可靠性保证成本投资。具有冲突保护机制W可对产生碰撞的链路进行标识同时可选链路与本身链路之间的夹角为钝角，减轻了链路间的干扰。简化链路设计FFMN通常需要较短的无线链路长度，这样降低了天线的成本传输距离与性能，另一方面，减低了发射功率，也将随之降低不同系统射频信号间的干扰和系统自干扰，最终简化了无线链路设计。网络的覆盖范围增大由于WR与IAP的引入，终端用户可以在任何地点接入网络或与其它的节点联系，与传统的网络相比接入点的范围大大的增强，而且频谱的利用率提高，系统地容量增大。组网灵活，维护方便由于WMN网络本身的组网特点，只要在需要的地方加上WR等少量的无线设备，即可与已有的设施组成无线的宽带接入网。WMN网络的路由选择特性使链路中断或局部扩容和升级不影响整个网络运行，因此提高了网络的柔韧性和可行性。和传统网络相比功能更强大，更完善。投资成本低，风险小LIR删网络初建成本低，AP和非一旦投入使用，其位置基本固定不变，因而节省了网络资源。W具有可伸缩性，以扩容，自动配置和应用范围广等优势，对于投资者来说在短期之内即可获得盈利。24无线MESH网络的应用1加拿大北电网络技术方案由图22可以看出，该网络是基于WMN的架构模式，它包括一个具有智能天线，综合路由器，适应性路由机制以及安全容量机制的点到点的结构，终端用户没有路由功能，它们通过RF方式与无线智能接入点联系，然后接入网毡夏唑皇占生亟望丝盈塞墨王坠趔鲍堕业圆绪捶厶盛坠璺地丝塑殛络。该网不受网线限制，可以随时建立和拆除，它允许用户在一定范围内任何时候都可以访问网络，不需要指定明确的接入地点，用户可在网络中漫游。图22北电网络WMN结构北电网络的WMN解决方案由三个主要的网络元素组成无线接入点7220WIRELESSAP无线AP在网络中传输数据并对网络传输路径进行收集和分配，它具有路由和无线传输的功能，并且通过控制终端用户的无线接入对已确认的其它无线AP有安全保障机制。无线AP还具有低成本的先进天线设计，扩大了它所能覆盖的范围。由于它自身的特点使它易于配置，可靠性高。无线网关7250WLAN用户以及其它的网络实体作为口子网，无线网关7250会为他们广播到达率，此外，无线网关隐藏这种特殊的WLAN的移动性，并且为AP之间的无线网状链路提供保护机制。网络管理系统网络管理系统集中控制和管理无线网络的操作，包括发现无线AP7220和无线网关7250，并使他们可视化，发现并改正管理错误等。北电网络无线MESH网技术方案的优势包括以下几个方面北京邮电大学硕士学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究利用8021L技术中的高速无线数据接口为高速的无线数据业务提供增值业务。增大高速无线数据接入的覆盖范围。利用现有的技术以及与原有的有线网络相组合，使首次投入成本非常小。从长远看，从安装到日后维护都有很大的经济优势。W州自身的组织自管理的特性以及集中的操作维护管理降低了管理费用。通过加入更多的无线接入点可以灵活的提高系统的容量，覆盖率以及有效性。2美国PACKETTTOP公司技术方案图23PACKETHOPWMN结构LIGPRSG钮广域同一|渤直该公司给出的这种网状结构，其最大应用意义在于可以利用网状技术覆盖不同网络之间的服务盲区，从而非常方便的实现移动终端在衣兜网之间的无缝漫游。在异构网之间的服务盲区中，利用智能路由器或具有路由功能的移动终端自动形成网状网，使两个处于不同结构网络里的节点可通过网状网进行通信【22】。这一方案已经被美国金门大桥成功应用。WMN有着非常广泛的应用环境，如军事基地无线数据网和战场临时通信网，校园高速无线接入覆盖，家庭韭复蛭虫厶坐亟生焦盐塞墨王坠些鲍竖业囤络捶直坠鱼垫丝鲤殛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，为公公服务和安全行业及执法机构等提供客户即时信息，数据可访问及移动办公业务。另外其它的一些公司也成功地实现了无线网状技术的商用。例如日本偏远城市告知KCNA网，它用无线路由器和80211接入点组成一个城市范围的内联网，连接了14所小学，4所中学和18幢市政大楼。WMN有着非常广的应用环境，如军事基地无线数据网和战场临时通信网，校园高速无线接入覆盖，家庭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市场目前还处于萌芽期，有非常大的市场潜力，随着WMN技术研究的不断深入，应用范围会越来越广泛。北京邮电大学硕士学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究第三章无线MESH网MAC层协议分析与研究31基于单信道的MAC协议单信道方式每一个接入点只有一个无线收发器，在任一时刻他只能有一个业务流，如何安排业务刘，从而避免业务冲突，提高网络资源利用效率以及保证QOS，就成为单信道策略必须解决的问题。因此在WMN中需要一种调度机制来控制智能接入点在与之自身信号覆盖范围之内终端设备以及其它接入点通信的协调工作，保证接入点能够根据时分的方式在不同的设备间交换数据。对于单信道MAC协议除了解决隐藏终端和暴露终端问题，主要考虑解决多种业务和多优先级业务的公平接入信道问题，以提高系统的综合接入能力和QOS，以及解决系统调度策略对于实时性要求较高的业务端到端QOS保障问题。对于WMN单信道的MAC协议有以下三种方案311改进现有的MAC协议目前的MAC层协议研究集中在通过改变CSMACA协议来提高多跳网络的性能。这些方案一般是调整CSMACA协议的参数，例如竞争窗口大小，退避过程等，但这只会增加一跳通信的吞吐率。对于多跳网，例如WMN，这样的方法只能得到低的吞吐率，因为并不能降低临节点间的竞争程度。由于多条路径积累的影响，因此只要频繁竞争，接入点的吞吐率就会降低。312跨层设计跨层设计是这打破原OSI参考模型中严格分层的束缚，在层与层之间进行信息传递和共享，针对各层相关模块和协议的不同状态和要求，在一个整体框架内，利用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行整体优化。与MESH网MAC层有关的跨层设计主要是物理层技术，这方面主要有两种方案，基于定向天线的MAC层协议【24】和基于功率控制的MAC层协议4L】。前者假设天线波束很完美，可以减少暴露终端，但由于定向的传输，会产生更多的隐减终端问题，而且还会遇到其它的一些问题例如，损耗，系统复杂性等。后者也降低了暴露终端问题，尤其在密集型网络里，但增加了WMN中空JE瘟衄皇盔堂亟堂僮监塞墨王曼L丛数竖出圆蟹毽厶虚坠曼垃遗亟宜间上的可重复使用的频谱因素。但是，隐藏终端问题依然存在并且变得更严重，因为低的传输功率降低了发现潜在干扰节点的可能性。313研究新的MAC协议为了从根本上解决多跳网络中低的吞吐率，我们需要提出新的解决方案，考虑到多跳网络的相对差的可测量性，随即接入协议例如CSMACA并不是有效的解决方案，因此设计新的基于TDMA，CDMA或者两者融合的MAC层协议是目前非常重要的一个研究方向。但就目前来看，基于分布式的TDMAMAC与CDMAMAC的方案还很少，有两个主要原因，一个是开发这种分布协调使得TDMA与CDMA的MAC协议有一定的复杂性并且成本较高，另一个是要考虑与现有MAC协议的兼容性。例如在IEEE80216中原有的MAC协议是集中式的TDMA机制，80216中的分布式的TIMA还在研究中，对于基于IEEE80211的WMN，如何设计一个分布式的TDMA，CDMA或者两者融合的MAC协议是一个有趣并且有挑战性的问题。32多信道MAC协议的需求现有的WMN基本上都是采用单信道MAC协议，这种技术限制了整个网络的数据传输速率与网络容量。因为根据无线信道特点，当一个节点向另一个节点传输数据的时候，为了避免冲突，两个节点的所有邻节点都不能够进行数据传送如图31，这就极大地限定了整个网络的容量。尽管现有的80211ABG与80216协议在物理层技术上有了很大的进步，如采取了一些有效的功率控制方法，但仍然不能从根本上满足今天人们对网络带宽日益增大的需求。8021LAG标准标称的带宽为54MBPS，但这只是在峰值速率，而在真正应用过程中，由于用户接入是会发生多用户冲突，丢包错误等，因此真正的可达带宽几乎只有标称值的一半【25】。另外，随着接收双方通信距离的增大，数据传输速率会显着下降。而在多跳WMN中，由于多跳的原因，数据在收发过程中面临节点冲突的可能性会增加，另外，由于隐藏终端与暴露终端问题，网络吞吐率也会大幅度下降。北京邮电大学硕T学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究幸运的是，8021LBG标准和8021LA标准分别提供了3个和12个没有交迭的信道，使相邻的节点可以同时使用不同的信道。如果网络中的节点能够同时使用多个信道如图32，就可以提高网络吞吐率。O一竺O一翼一。图31单信道MAC协议下节点数据传输O苎O竺图32多信道MAC协议下节点数据传输实际上，早在移动ADHOC网络的设计中，人们就开始研究多信道技术来提高网络的传输速率与网络容量3338。WMN是ADHOC网络的一种特列，因此，我们仍然可以采用这种多信道MAC机制，来设计WMN的多信道MAC协议。33多信道MAC协议面临的问题多信道MAC协议与单信道MAC协议相比，设计上更加复杂。由于WMN的多跳性，同时加上缺乏集中式控制，网络拓扑时变等特点，使多信道MAC协议的实际面L临诸多问题，设计上更加困难。主要问题包括331多信道隐藏终端问题在80211标准中，物理层上可以支持多个信道，但在MAC层上只有一个信道，因此在多个信道的环境下单信道的方案并不适用。因为存在多信道的隐藏终端问题。以下通过一个例子来描述多信道隐藏终端问题。如图33所示，协议假设有N个信道，但只有一个收发器。一个信道是控制信道，设为信道1，其它N1个信道为数据信道。当节点既不接受也不发送数据时，都监听控制信道L。当节点A和节点B通信时，为了避免冲突，在控制信道上进行RTSCTS握手，即节点A发送RTS给节点B，节点B用CTS应韭立塑生盔堂亟堂僮迨童基曼丛M塑生业围缝撞厶点坠垃遮亟宜答节点A。在该协议中A节点发送的RTS上包含一个可用的数据信道的列表，在B节点收到RTS时从该信道列表中选择一个可用的数据信道，并将所选择的信号号通过CTS发送给节点A，接着节点A和B就切换到他们协调好的信道2上交换数据。当数据发送完，节点A和B马上切换回控制信道，只是没有发生数据碰撞问题。信道31TIME信道1信道2一一信道3图33多信道隐藏终端问题但是，该协议没有考虑到多个信道同时通信时可能出现的问题，即当节点B发送CTS给A节点时，节点C正在数据信道3上发送数据，且没有听到该CTS，因此节点C并不知道节点B占用了信道。但节点C和D需要通信，他们在控制信道1上进行RTSCTS握手，并商定选择数据信道2发送数据，这样就正好与节点A和B发送的数据发生碰撞。以上的问题的出现是因为节点处在不同信道上，因此不能用虚拟载波监听协议来避免隐藏终端问题。如果每个节点只在监听一个信道，那么节点C就可以收到B所发送的CTS，就不会再以占用的信道上发送数据从而导致数据碰撞。由此我们成以上这种由于节点未能获取其它节点占用信道信息的问题为多信道隐藏终端问题。北京邮电大学硕士学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究332接收端忙问题在设计多信道MAC协议时的另一个应该考虑的问题是，当一个发送者将他的信道切换到接受者的信道时，这使接受者是不是还停留在原来的信道。如果此时接收者正好切换到别的信道，这时候如果发送者还是以以前的信道来切换，则接收者不能侦听到广播信号或者是RTS。333广播消息问题传统的WMN，包括移动ADHOC网络，多是依靠广播信号来实现网络的操作，包括路又发现，路又维护，地址解析等信息的传送。由于终端的移动性，网络拥塞和无线信道的不可预知性，一个节点可能失去它的连通性，因此必须频繁的更新路由信息。在设计多信道MAC协议的过程中，我们必须考虑必要的广播消息，保证这些消息准确及时地传送。对于一个节点来说，如果使用切换的方式，有可能遗漏一些广播消息。因此，在设计的过程中，如何有效地保证广播信息的接收是非常重要的。34多信道MAC协议研究现状341多信道单收发器MAC协议如果考虑花费和兼容性，单个收发器用在单频上是优选的硬件平台，因为提供单个收发器，每个网络节点一次只能有一个活跃的信道，但不同的节点可同时在不同的信道上运行，这样增加系统的容量。在单收发器节点构造的WMN中，每个节点要承担两种业务，即自身信号覆盖范围之内的介入业务和其它节点的转发业务，如果使用单一信道那么相邻节点间的业务会因为使用相同频率的信道而产生干扰从而降低了系统的容量。因此如何利用多个信道协调MESH节点之间的通信，是使用多信道单收发器的MAC协议的研究重点。在此种类型的研究中比较典型的有MMAC421协议与SSCH26协议。多信道MAC协议MMAC没有专用控制信道，1个射频。在MMAC协议中，每个节点配置一个半双工收发器，同时，每个节点是同步的。每一个节点的所有信道上都定义了一种数据结构叫做PCL可选信道表，表中的数据记录了这个节点可以使用的最优信道。在此基础上把信道分为三种状态韭盛坚虫友堂亟堂焦监奎差王塑丛H鲍生韭圆缝撞点堕缝垃这鲤宝高优先HIGH这个信道在当前的信标内正在被节点使用。如果信道在这个状态，那么节点在下一次传输的时候，优先选取这个信道作为数据信道。因为这样，发送端酒不用调节射频到新的频率，延迟就会减少。中优先MID这种信道在节点传输范围内还没有被使用，如果没有前一种状态的信道，这种状态的信道就是最好的。低优先LOW这种信道已被至少一个邻节点选取。在节点初始化的时候，PCL表中所有的信道都置为MID状态，如果在源端与目的端协商了一个信道，在双方的PCL表中将相应的信道记录为HIGH状态。通过动态改变信道的状态，可以实现信道的选择。由于没有专用控制信道，每个节点在每个信标周期的开始，都在公共信道上监听，通过发送或接收控制信息，实现控制信道的信息传输，这与80211节能机制有些相似。该协议将时间划分为多个同步信标区，每区包含一个ATIM信道协商窗口和1个数据发送区。在ATIM中预定信道，在数据发送区发送数据，这样节点之间就可以互相协调选择信道避免发生数据碰撞。另外ATIM协议在选取信道上采用源到目的节点对数目最少的信道以及L临时同步来避免多信道的隐藏终端问题。北京邮电大学硕士学位论文基于WLAN的MESH刚络接入点MAC协议研究ABCD普通信道被选择的信道ATIMCTSACKACK1ATIM一；堕挚R1而雨丁叫信标间隔图34MMAC协议中的信道协商和数据交换过程间如图34所示，该协议的信道选择过程如下假设节点A向节点B发送分组，节点A首先在ATIM窗口发送一个ATIM分组，该分组中包含节点A的PCL，当节点B收到节点A的ATIM要求后，基于自身的PCL以及节点A的PCL，节点B选择一个可用的信道如信道1，并将该信息通过ATIMACK返回给节点A。当节点A收到ATIMACK后，他会查看是否可以选择ATIMACK分组中指定的信道，如果可选择，节点A发送ATIMRES分组给节点B，该分组包含节点A已选择指定信道的信息。如果节点A不能选择指定信道，则不会向节点B发送ATIMRES分组。当节点B向节点A发送ATIMACK选择信道1分组时，节点C监听到该ATIMACK，因此节点C的PCL中信道L变成低状态。当节点D向节点C发送ATIM分组，C选择信道2。在ATIM窗口过后，A与B及C与D的通信可以在各自所选择的信道上同时开始。该协议的信道选择算法以节点A与B通信为例如下IFB的PCL中有HIGH信道选择该信道；ELESIFA的PCL中有HIGH信道选择该信道ELSEIFA和B的PCL中有一个相同的MID信道选择该信道韭复韭皇盔堂硒堂僮途塞基丛丝的竖出圆绕撞厶直丛生垃这研宝A和B的PCL中有多个相同的MID信道任意选择一个信道ELESIFA和B其中一方的PCL中有一个MID信道选择该信道A和B其中一方的PCL中有多个MID信道任意选择一个信道ELES所有的信道都是LOW信道，将发送者的PCL与接收者的PCL相加，选择得到最小值的信道；MMAC协议在一定程度上解决了多信道MAC协议的一些固有问题，使网络容量大大提高，但是它仍然存在着一些问题首先，该协议假设RTSCTS握手协议工作在80211DCF中，但事实上RTSCTS握手协议是DCF中的一个可选功能，并且他会提高设计的难度。其二，在这种多节点多跳的无线网络中很难达到整体的同步。其三，实际操作中信道切换的时间远远大于224US，信道切换的数量增多导致系统性能的下降。最后，MMAC协议消减了多信道隐藏终端问题，但同时由于它使用RTSCTS握手协议以及ATIMACK协议是它又引起了不可忽视的暴露终端问题。对于SSCH协议，这是将一组无线信道分配给网络节点，类似于频分的概念，它将这些信道看作是正交信道，这样每个设备只具有一对收发器，收发器在不同的信道上来回切换，同一时刻只能在一个信道上接收或者发送，但在同一通信区域内可以有多对节点同时通信工作在不同的信道上。在网络负荷大事比单信道协议有更高的网络吞吐率。该协议使用最优同步和部分同步最有同步使允许所有的信道采用控制传输避免了控制信道饱和这个瓶颈问题；部分同步时通信节点部分同步于源节点，部分同步于目的节点，允许单跳流的负载分配各多个信道，使多跳王的通信性能得以提高。SSCH协议中每个节点处理3方面的信道跳变工作第一，维护节点条变表，并且调度每一个信道的数据分组，其中信道表中包含所有节点的信息以及包含节点准备依次在时隙内交换的一系列信道和交换信道的时间，这些信息可以是过期的，但一定要保证是准确的。第二，对相邻的节点及时传送新的跳变表，只有及时地更新信道的变化信息，才能保证相邻节点之间的通信，避免发生碰撞。第三，通过更新节点信道表反映传输模式的改变。在该协议中，每一北京邮电大学硕上学位论文基于WLAN的MESH网络接入点MAC协议研究个设备只需要配置一块网卡及维护一个调度信息表，而且不需要改变80211已有的协议，就可避免同道干扰，并且在正交信道上同时传输多个数据刘儿不会产生干扰，增加了系统的容量。342多信道多收发器MAC协议在前面提到的多信道但收发器的方案中一般不需要对MAC协议进行修改，而在这种多收发器构成的多信道方案相对复杂，要考虑修改MAC协议，一个RF包括多个平行的射频头，即在物理上讲一个RF的带宽分成了多个信道，基带模块可以支持多个同步的信道，在物理层之上，只有一个MAC来协调多信道的功能。类似于朗讯科技公司开发的BLAST技术，一种使用多个发送天线和接收天线的多径数据技术也称作躲进多出MIMO无线技术。迄今为止，对于单射频多信道的WMN的MAC协议研究还处于早期研发阶段，相关的文献及专利相对较少，典型的是加拿大北电网络的方案8】。802118十镕镕镕58G乏兰一ZP镕镕M口图35北电网络射频网络技术加拿大北电网络公司提出的MESH方案是由多个无线智能接入点构成MESH结构，终端用户没有路由功能，它们通过RF防止与无线智能接入点联系，然后接入网络。该网不受网线限制，可以随时建立和拆除，它允许用户在一定范围内任何时候都可以访问网络，不需要指定明确的接入地点，用户可在网络中漫游。该方案的无线智能接入点采取了一种新的射频网络技术如图35所示，即将接入链路和中继链路从空间和频率上分开。因为每个接入点要承担两种业JE压型虫占堂亟土堂焦边G基曼丛H盟坠些鲤缝撞点坠也邀硒宝务，即自身信号覆盖范围之内的接入业务和其它节点的转发业务。该方案在接入点上采用双极性的天线。对于转发的业务采用工作在5GHZ的80211A技术，覆盖范围内的本地业务采用工作在24GHZ的8021LB或8021LG技术，这样就使得不同业务的通信链路不仅从空间上分开还从频率上分爱。这种设计思想不仅避免了传统的80211BGSOHO接入点带来的信道干扰问题，克服了原有的带宽拥塞，而且大大提高了系统的吞吐率以及通信可靠性。343多频率MAC协议WMN多频率MAC协议是指网络支持多个射频信道，在这种方案中，智能接入点配置多个网卡具备多对收发器，每个网卡使用的频段不同，例如可使用8021LA8021LB，802119，遮掩就有多个可选择的频段，避免了同频干扰。一个网络节点有多个射频信道，每一个射频信道有自己的MAC层协议和物理层协议，在这些信道上的通信是完全独立的，事实上一个频段上可以有多个信道，但是为了设计和应用的简单，我们在每一个频段上只使用一个信道。通信节点根据周围的情况，