无线Mesh网络中网络编码技术的研究硕士学位论文

1、毕业论文声明本人郑重声明：1 此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。2本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。3若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与

2、毕业论文指导老师无关。4. 本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。学位论文作者（签名）：年月关于毕业论文使用授权的声明本人在指导老师的指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、实验 记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属华 北电力大学。本人完全了解大学有关保存，使用毕业论文的规定。同意学校 保存或向国家有关部门或机构

3、送交论文的纸质版或电子版，允许论文被查阅 或借阅。本人授权大学可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用任何复制手段保存或编汇本毕业论文。如果发表相关成 果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为大学。本人毕业后使用毕业 论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为大学。 本人完全了解大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论 文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存或 汇编本学位论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分 的阅览服务；学

4、校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入学校有关数据库和收录到中国学位论文全文数据库进 行信息服务。在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或 全部内容用于学术活动。论文作者签名:指导教师签名:学科门类:分类号：TN925单位代码：10293 密 级： 公 开商U4喳/芹硕士学位论文论文题目：无线Mesh网络中网络编码技术的研究南京邮电大学学位论文原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

5、不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电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。研究生签名：日期：南京邮电大学学位论文使用授权声明南京邮电大学、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、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内 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）授权南京邮电大学研 究生部办理。研究生签名： 导师签名： 日

6、期： 南京邮电大学硕士学位论文摘要学科、专业：工 学 信息与通信工程研究 方向：无线通信与信号处理技术题 目：无线Mesh网络中网络编码技术的研究英文 题目： Research on the technology of network codingin Wireless Mesh Networks主 题词：无线Mesh网络COPE编码 编码增益混合网络编码吞吐量效率Keywords : Wireless Mesh Networks, cope coding, code gain, hybrid network coding, throughput efficiency毕业设计（论文）原创性声明

7、和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。 尽我所知，除文中特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研 究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体， 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名： 日期：指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电 子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供 目录检索与阅

8、览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制 手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分 或全部内容。作者签名： 日 期：13学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复

9、印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要2000年，香港中文大学的Ahlswede等人率先提出了网络编码这一概念，该 理论通过允许通信网络中间节点在转发信息前， 对输入信息流进行编码来实现网 络多播容量的极限，打破了通信网络中中间节点传统的功能一一简单路由，即只负责接收信息的复制与转发，从而充分挖掘了网络潜在的能力。 研究表明，网络 编码除了能够提高系统的容量外，在数据压缩、负载均衡、降低节点能量消耗

10、、 减少传播时延、提高网络健壮性及信息安全等方面都有重要的应用前景。本文作者主要对网络编码在无线 Mesh网络中的应用进行了关键技术研究。本文首先对COPE网络编码进行理论分析，指出了其不足，并依此构造了一 个特殊无线Mesh网络拓扑结构，提出一种新的编码算法。该算法依据在无线组 播网络中，仅需要在进入中继节点的链路进行编码， 进入目标节点的链路直接路 由选择就可以达到网络编码所能够达到的容量的结论，通过构造一个虚拟源节 点，从而允许与目的节点相连接的中继节点收到数据包后直接路由选择。理论和仿真验证了该新算法有效地减少了原始数据包传输的次数，从而提高了以网络编码增益来衡量的网络吞吐量。我们还介

11、绍了 2个接收节点模型的混合编码的组播吞吐量效率，并进一步分 析得出了有中继节点协作情况下，HARQ和NC-HARQ两种技术的吞吐量效率， 并将COPE编码方式应用到混合编码。仿真验证了有协作的组播HARQ和NC-HARQ分别比直接组播网络 HARQ和NC-HARQ以及有协作的组播 ARQ和 NC-ARQ吞吐效率更高，从而改善了网络的质量。关键词：无线Mesh网络；COPE编码；编码增益；混合网络编码；吞吐量效率AbstractThe concept of network coding was put forward by Ahlswede et al, in2000. In traditio

12、nal information processing method called routing, the intermediate nodes in the network just respond for copying and forwarding the information. Through permitting the intermediate nodes code the input information flow before forwarding, network coding can realize the high- point of network multicas

13、t capacity. Study shows network coding can not only increase the network capacity, but also have an important application prospect in the field of data compression, load balance, reduction of energy consumption and propagation delay, enhancement of network robustness, information security and et al.

14、 We mainly make researcheson the application of network coding in wireless mess networks.Based on the theory and performance of cope, a new network coding algorithm for wireless mesh networks is proposed for a specific topology. The new algorithm allows intermediate recipients which link with the de

15、stinations to, forward coded packets by constructing a virtual source node for the conclusion that the same multicast capacity can be achieved by applying network coding only on the links entering relay nodes. The result show that the new algorithm will reduce the number of the original data packet

16、transmission, thereby can increase the network throughput (measured by network coding gain).Consider the topology consisting of one source, two destinations, we analyze the multicast throughput efficiency of hybrid network, and put forward HARQ and NC-HARQ multicast throughput efficiency in the case

17、 of a relay node. Theory and simulation of multicast HARQ and NC-HARQ throughput is more efficient than the direct multicast network, thereby improve the quality of the network.Key Words: Wireless Mesh Networks; cope coding; code gain; hybrid network coding; throughput efficiency缩略语一览IDIdentity序列号AC

18、KAcknowledge确认应答APAccess Point接入点ARQAuto Repeat Request自动请求重传BSBase Station基站CRCCyclical Redundancy Check循环校验码DASDistributed Antenna System分布式天线系统ETXExpected Transmission Count期望传输次数FECForward Error Correction前向纠错FIFOFirst Input First Output先进先出系统HARQHybrid Auto Repeat Request混合自动请求重传LCMLinear Code

19、Multicast线性编码多播算法MANETMobile Ad hoc Network移动Ad hoc 网络NAKNegative Acknowledge否定应答NCNetwork coding网络编码PSTNPublic Switched Telephone Network公共交换电话网络QDMAQuadra Division Multi-Access正交分割多址接入SEPSymbol Error Probability误码率TCPTransmission Control Protocol传输控制协议VOIPVoice over Internet ProtocolIP 网络电话WLANWir

20、eless Local Area Network无线局域网WMANWireless Metropolitan Area Network无线城域网WMNWireless Mesh Network无线Mesh 网络WPANWireless Personal Area Network无线个人区域网WSNWireless Sensor Network无线传感器网络目录摘要V.AbstractIX缩略语一览X.目录XI.章绪论i.1.1 课题研究背景1.1.2 论文的内容及结构安排 3.第二章无线 Mesh网络4.2.1 无线Mesh网络的起源和定义42.2 无线Mesh网络结构和特点5.2.2.1 终

21、端设备型 Mesh网络结构62.2.2 基础设施型 Mesh网络结构62.2.3 混合型网络结构7.2.2.4 无线Mesh网络结构的特点82.3 无线Mesh网络与现有无线网络的区别 92.3.1 无线Mesh网络与蜂窝网络的区别92.3.2 无线Mesh网络与 WLAN的区另”92.3.3 无线Mesh网络与移动 Ad Hoc网络的区别 1 02.4 无线Mesh网络的主的优缺点 1.02.5 无线Mesh网络的关键技术122.6 无线Mesh网络的应用142.7 本章小节16第三章网络编码概述1.73.1 组播通信方式1.73.1.1 组播技术的概念173.1.2 组播技术的路由实现 1

22、.73.1.3 组播技术实现的局限性 1.83.2 网络编码的提出和发展现状1.83.2.1 网络编码的提出 193.2.2 网络编码在有线网络的妗展203.2.3 网络编码在无线通信网络中的应用与妗展 2 13.3 网络编码的性能优点243.3.1 网络多播容量的改善243.3.2 负载均衡253.3.3 减少节点能量消耗263.4 本章小节27第四章无线Mesh网络COPE编码方法及改讲方法 284.1 COPE编码方法的描述284.2 COPE编码所需所的前提技术 294.2.1 监听机会294.2.2 编码机会294.2.3 学习邻居状态 3.14.3 COPE编码理论.314.3.1

23、 数据包编码算法 324.3.2 数据包解码 334.3.3 编码数据包格式 334.3.4 控制流354.4 一种新的Mesh网络中的网络编码算法364.4.1 编码方法的描述 364.4.2 仿真试验384.5 本章小节39第五章无线Mesh网络信道和网络的混合编码 4 15.1 无中继节点的情况 415.1.1 编码技术的前提425.1.2 各种编码技术分析 435.2 有中继节点协作通信的情况465.3 仿真及实验结果515.4 本章小节.52第六章结束语536.1 全文总结536.2 讲一步研究方向53致谢55参考文献56第一章绪论无线 Mesh 网络(Wireless Mesh N

24、etworks, WMN )融合了无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN )和移动 Ad Hoc 网络(Mobile Ad hoc Network, MANET)的优势，它已经成为下一代无线网络的关键技术之一10由于它可以实现将各种无线网络基于无线Mesh路由器相互联接，形成类似现有有线因特网 那样的网络，人们又称其为无线因特网。随着蜂窝网、 WLAN、MANET等无线 网络的普及，实现多种网络的融合成为一个新的研究热点2,无线Mesh网络就是一种大有前途的方案。1.1 课题研究背景随着无线网络的发展，近年来无线 Mesh网络已崭露头角。无线 Mesh网

25、络 预期可以克服 Ad hoc网3、无线局域网、无线个人区域网(Wireless Personal Area Network, WPAN) 7、无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN) 8、 无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network, WMAN ) 9 的一些局限，并能 提高其性能。无线Mesh网络可以有多种应用，这些应用有，室内宽带网、社区 邻域网、企业网、楼房自治网等。无线Mesh网络类似于Ad Hoc网络，它与后者的区别在于前者的骨干节点 移动性较低，无线Mesh网络通常不是作为一个独立的网络形态存在，而是因特 网

26、的一种无线延伸，扩大了因特网的覆盖范围。这种方式省去了网络建设初期昂 贵的基础设施建设费用，却实现了大范围的快速信号覆盖，与传统的点到多点方 式的无线网络相比有很多优点。传统的基于基站方案的无线通信系统在解决“最后一公里”为用户提供无线 接入服务的问题上起到很大的作用，但是随着无线用户数量的增加，系统有限的频谱资源制约着系统的容量，无法适应业务需求的增长。于是出现了空间资源复 用的蜂窝移动通信系统，大大缓解了业务增长与系统资源之间的矛盾。但是蜂窝 移动通信系统在应用上存在很多局限性，它只适用于人口稠密、有永久业务需求的地区。对于用户数量变化大、移动性强、不适合建立大功率基站的应用场合就 无能为

27、力了。而移动Ad Hoc网络4-6由于其应用环境和技术成本等原因，并不能直接用于 民用通信领域构建具有广域覆盖的通信网络，在通信领域，最大的民用通信业务是包括网络电话(Voice over Internet Protocol, VoIP)应用在内的因特网业务； 另外一方面，民用通信用户的移动性远低于军事通信用户，所以为了能够将AdHoc这种技术用于民用领域，实现无处不在的通信目标，我们需要基于移动AdHoc网络的技术基础，开发一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术，于是无线Mesh网络技术就应运而生。一般认为，未来的无线通信系统将由各种不同的网络融合而成，其中包括未来的蜂窝移动通信网络、 W

28、LAN、移动Ad Hoc网络、WSN、卫星网络、公众用 户电话交换网络(Public Switched Telephone Network PSTN)等。无线 Mesh 技 术的出现为解决不同网络之间的接入问题提供了一种解决方案，越来越引起国内外学者、专家和研究人员的广泛关注，已经成为无线通信领域新的研究热点。在此基础上构建的新型宽带无线网络结构称为无线Mesh网络，即一种高容量、高速率的分布式网络，它不同于传统的任何一种有线与无线网络，具有自配置、自 愈合、高带宽、兼容性、低成本等优点，非常适合于覆盖大面积开放区域(包括 室外和室内)。未来的蜂窝移动通信网络、 WLAN、移动Ad Hoc网络

29、、WSN、 卫星网络、PSTN等都可以通过无线 Mesh网络集成到因特网中。可见，无线Mesh 网络将是未来无线通信领域重大技术革新，将成为未来无线城域网核心网理想的 组网方式，是构建B3G/4G的潜在技术之一，也是迄今为止一种建立大规模移动 Ad Hoc网络的可行性技术10-12。鉴于无线Mesh网络具备诸多独特的优点，不同通信网络之间的融合又是未 来无线通信发展的必然趋势，众多学者开始研究以现有的蜂窝网、WLAN、移动Ad Hoc网络三种典型的网络环境为组成元素，将无线Mesh技术应用于异构无线网络融合，构造上述三网融合的新型 Mesh网络体系架构。本课题作为江苏省高校自然科学重大基础研究

30、项目(06KJA51001): “基于环境感知的异构无线Mesh网络体系结构及关键技术研究”的子项目之一，主要 研究了无线Mesh网络中网络编码等问题。1.2 论文的内容及结构安排本文首先分析了无线Mesh网络的网络结构、优缺点以及与现有网络的主要 不同之处；紧接着介绍了网络编码(Network Coding, NC)的起源，网络编码发 展及其对网络性能优点，并在基于机会编码COPE的基础上，提出一个新的编码 算法；另外，我们还介绍了在链路不可靠的 Mesh网络中基站(Base Station BS) 组播数据包给两个接收节点模型的条件下，自动请求重传(Auto Repeat Request,

31、 ARQ),混合自动重传(Hybrid Auto Repeat Request, HARQ), NC-ARQ 以及 NC-HARQ等四种编码技术的吞吐量效率，以及有中继节点协作通信的情况下ARQ和NC-ARQ的吞吐量效率，并分析得出了存在中继节点情况时 HARQ和 NC-HARQ的吞吐量效率，此外进一步提出将COPE编码应用在混合编码中，并 通过仿真验证了其优越性；本文的最后是总结及进一步研究方向。全文安排如下：第一章，将本文的研究背景、研究内容和文章安排进行介绍；第二章，首先介绍了无线Mesh网络的定义、网络结构，其次对比了无线 Mesh网络与其他网络的优缺点，最后介绍了无线 Mesh网络应

32、用 场合等；第三章，首先介绍了网络编码的起源，其次分析了网络编码发展，最后介 绍了网络编码的性能优点；第四章， 在COPE网络编码基础上，提出了一种无线Mesh网络编码算法， 并从理论和实验两个角度说明了此算法的优越性能；第五章，主要介绍了 2个接收节点模型下混合编码的组播吞吐量效率，并 分析得出了有中继节点协作情况下 HARQ和NC-HARQ两种编码 技术的吞吐量效率，提出将 COPE编码方式应用到混合编码，并 通过仿真验证了其优越性；第六章，对本文的内容进行总结，并提出有待进一步研究的内容。第二章无线Mesh网络2.1 无线Mesh网络的起源和定义1997年，美国DARPA开始组织战场鲁棒

33、技术移动通信系统的研发。在投入大量资金、持续六年多的研发之后，有关移动Ad hoc网络的一些理论与技术问题得以解决，从而彻底改变了过去构建无线网络的规则。DARAP的目标是：无传统的基础设施；采用多跳转发的传输机制；宽带数据效率；端到端的IP支持；除了支持数据业务以外，还要支持话音和视频业务；内置定位系统；能支持 250 英里/小时的车辆移动速度。特别是近几年，美国通过一些大型国防项目，攻克 了 Ad hoc网络的一些关键技术，其中，ITT公司持有了其中的核心的自主产权 技术。可是除了战术无线通信以外，移动 Ad hoc网络真正的商业应用在哪里？这 是让业界一直困惑的问题。2000年初，ITT

34、公司将专有技术转让给了美国 Mesh Networks公司，用于商业化产品的开发。至此， Ad hoc网络的商业化进程开始 显现。2002年，Intel开始关注并认可 Ad hoc网络技术，Mesh Networks和Troops 等公司开始相继开发出适用于商业应用的相关产品。这些产品和方案主要定位于移动性较小或静止的Ad hoc网络，而相对静止的Ad hoc网络加上一些接入路由器、网关节点就可以构成一个简单的无线 Mesh 网络。于是，无线 Mesh网络的概念得到人们的关注。值得一提的是，自 2000 年3月Mesh Networks公司成立以后，它成功地开发了一系列相关产品， 基于其 良好

35、的成长性，目前被Motorola公司收购。另一方面，2002年8月，美国FCC (Federal Communications Commission 宣布停止 CDPD (Cellular Digital Packet Data)业务，一些采用CDPD的企业开始寻求其替代技术，如 Wifi (802.11)等 技术，因此基于 Wifi的多跳网络技术进入人们的视野。无线Mesh网络是一种与传统的 WLAN完全不同的网络，WLAN必须首先 访问集中的接入点(Access Point, AP)才能进行无线连接。这样的话，即使两 个IEEE802.11b的节点实际上是互相挨着，它们也必须通过接入点才能

36、进行通 信。而在无线Mesh网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接 通信。“Mesh”这个词原来的意思就是指所有的节点都互相连接，Mesh网络技 术一度曾是一项军方技术，随着人们对IEEE802.11a, IEEE802.11b和IEEE802.11g 等WLAN技术了解的深入，Mesh网络才逐步成为企业界和消费者注意的焦点。因特网的构架其实就己经是一个 Mesh网络的结构。众所周知，接入因特网 的用户位于网络的边缘，他们通过网络内部的路由器和节点相互连接，而这些路 由器和节点的连接方式是这样的：当任意两个节点之间的一条链路失效后， 路由 器会经过一个或多个别的路由器找到一条替代

37、路径。这正体现了Mesh网络的思想。通常认为，无线Mesh网络是多点对多点网络，把它看成是移动 Ad hoc技 术的演化。但两者有一定的区别，主要的不同在网络结构的连接上，即无线Mesh 中的接入点既可以作为 MANET中一种对等的数据转发实体，又可以作为一连接 到其他有线网络的桥接器。无线Mesh网络是一种新型的可以解决“最后一英里” 瓶颈问题的分布式网络。2.2 无线Mesh网络结构和特点一般来讲，WMN由终端节点、Mesh路由器节点和网关节点组成。但是根 据网络具体配置的不同， WMN不一定包含以上所有类型的节点。通常 Mesh终 端节点可以是笔记本电脑、PDA、Wi-Fi手机、RFID

38、阅读器和无线传感器或控 制器等；Mesh路由器可以是普通的PC,也可以是专用的嵌入式系统，如 AMR 等。为提高Mesh网络的灵活性，通常Mesh路由器配置有多个无线接口，各个 接口可以是相同的，也可以是不同的。与传统的无线路由器相比，Mesh路由器在很多地方均作了增强，除提升了多跳环境下的路由功能以外，对 MAC协议、 功率控制等也有所改进。Mesh终端节点也可分为两类：一类是普通的 WLAN节点，这类节点不具有 移动Ad Hoc网络典型意义下的信息转发功能，只是作为普通终端设备接入网络； 另一类节点既具有普通终端节点的接入功能，又具有路由和信息转发功能，即兼具了无线路由器的功能，但通常这类

39、节点不具备网关或网桥节点的功能。若按节点的不同功能，网络2构可分为基础设施型的Mesh网络结构、终端设备型的Mesh网络结构和混合型结构。若按结构层次，网络又可分为平面结构、多级结构和混合结构。这两种分层思路本质上是相似的，基础设施型的网络结构 就是一种多级结构，而终端设备型的网络结构就是一种平面结构。2.2.1 终端设备型Mesh网络结构图2.1所示为无线Mesh网络中最简单的一种结构一终端设备型Mesh网络 结构10。图中所有的节点为对等结构，具有完全一致的特性，即每个节点均包 含相同的MAC、路由、管理和安全等协议，既具有客户端节点的功能，也具有 能转发业务的路由器节点的功能。很明显，这

40、种网络中的节点与现有的WLAN等技术不直接兼容，本质上就是一种 ad hoc网络。这种结构适用于节点数据较 少且不需要接入到核心网络的应用场合。图2.1终端设备型Mesh网络结构在终端设备型Mesh网络结构中，网络中的节点为具有 Mesh路由器功能的 增强型终端用户设备。终端用户自身配置射频装置，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，网络拓扑 结构也随之动态变化。在这种环境下，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他终端的分组转发功能进行数据通信。在任意时刻，终端设备在不需要其它基础设施的条件下可独立运行，它可

41、支持移动终端较高速率的移动接入，快速网形成宽带网络。终端设备型Mesh网络结构模式本质上就是一个移动Ad Hoc网络结构模式，它能够在没有或不便利用现有网络 基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。2.2.2 基础设施型Mesh网络结构图2.2所示为WMN典型的基础设施型 Mesh网络结构10,分为上层和下层 两个部分。在这种结构中，终端节点可以是普通的VoIP手机、笔记本电脑和无线PDA等。这类终端节点设备通过 Mesh路由器（相当于 WLAN中的AP）接入到上层Mesh结构的网络中，实现网络节点的互连互通图2.2基础设施型Mesh网络结构在基础设施型Mesh网络结构中，接入点（Mesh路由器

42、）与终端用户之间 形成无线回路。移动终端通过Mesh路由器的路由选择和中继功能与网关节点形 成无线链路，网关节点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，从而形成无线回路。同时移动终端通过网关节点也可与其它 网络相连，从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统的建设成本，也提高了网络覆盖率和可靠性。基础设施型Mesh网络结构的另一个优点就是该网络可以兼容市场上已有的 设备，但缺点是任意两个终端节点之间不具备直接通信的功能。2.2.3 混合型网络结构图2.3所示为以上两种结构的混合，称之为混合型网络结构10。在这种结构 中，终端节点已不是目前市面上仅仅支持 WLAN的

43、普通设备，而是增加了具有 转发和路由功能的Mesh设备，设备之间可以以Ad Hoc方式互联，直接通信。 一般来说，终端节点设备需同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络中对等节点的功能。因特网因特网网络下层图2.3无线Mesh网络混合型结构由于图2.1和图2.2所介绍的两种无线Mesh网络结构模式具有优势互补性， 因此同时支持两种模式的设备可以在一个广阔的区域内实现多跳无线通信。移动终端设备既可以与其他网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其它用户直接通 信，还可以作为中间的路由器转发其它节点的数据，送往目的节点。2.23.4无线Mesh网络结构的特点WMN具有以下一些结构或技术上的特点

44、13-14o(1)多跳无线网络。在不牺牲当前信道容量的情况下，扩展当前无线网络 的覆盖范围是 WMN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。通过 Mesh方式的网络连接，只需要短距离的链路， 经受较少的干扰，就可以为网络提供较高的吞吐量，以及较高频谱复用效率。(2)支持Ad Hoc网络结构，具有自形成、自愈和自组织能力。 WMN灵活 的网络结构、便利的网络配置、容错能力和网络连通性，大大提升了现有网络的 性能。在较少的前期投资下，无线 Mesh网络可以根据需要逐步扩展。(3)移动性取决于节点的类型。如前所述，WMN通常有几类节点，分别具有不同的移动性特征。

45、Mesh 网关和路由器的移动性通常较低，而Mesh 客户 终端则既可以是静态的，也可以是任意的移动节点。（ 4）多种网络接入方式。在WMN 中，既可以支持回程到因特网的接入，也可以支持端到端方式的通信。此外，可以通过WMN 与其它无线网络的集成，向终端用户提供各种多媒体业务。（ 5） 功耗限制取决于节点类型。Mesh 路由器通常由外部供电，受功耗限制不严格，而Mesh客户终端就如同蜂窝移动通信网络的手机一样，需要有效的节能机制。目前为Mesh 路由器设计的MAC 协议和路由协议等，并不一定是用于Mesh 客户终端。（ 6） 与现有无线网络具有兼容性及互操作性。基于现有网络技术或标准（如802.

46、11a/b/g/S白WMN在支持原标准上与这些标准相兼容。不过， WMN还需 要与其它无线网络（如蜂窝网络）有互操作性。2.3 无线 Mesh 网络与现有无线网络的区别2.3.1 无线 Mesh 网络与蜂窝网络的区别在网络健壮性等性能方面，WMN 中链路为点对多点结构，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，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高。而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。在数据传输速率方面，WMN 可融合其它网络或技术（如 Wi-Fi、 UWB 等） ，速率可以达到54Mbit/s,甚至更高。而目前正在发展

47、的 3G技术，其传输速率在 高速移动环境中仅支持144kbit/s， 步行慢速移动环境中支持384kbit/s， 在静止状态下才达到2Mbit/s。在设备成本方面，WMN 大大节省了骨干网络的建设成本，而且AP、 MR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。2.3.2 无线 Mesh 网络与 WLAN 的区别在拓扑结构上，WLAN 是典型的点对多点单跳网络，最后一跳的接入采用无线方式，终端节点必须借助接入点进行通信，数据不可转发。而基础设施Mesh网络，是多跳无线网络，可实现网络自形成、自伸缩、自愈和自诊断等。在网络设备上，WLAN 的接入点负责终端设备的接入，其它网络特征与有线

48、 LAN 相同，而WMN 的所有中间节点均须承担其它节点的信息转发功能，即具有路由器和中继器功能。在路由协议上，WLAN 采用固定路由，而WMN 则采用动态路由，路由冗余和自愈能力强。在覆盖范围上，WLAN 可在较小的范围内提供高速数据服务（802.llb 可达11Mbit/s， 802.lla 可达 54Mbit/s） ，但典型情况下WLAN 接入点的覆盖范围仅限于几百米，因此如果想在大范围内应用WLAN 这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于WMN ，则可以通过无线路由器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 的显著特点就是可以在大范围

49、内实现高速通信。2.3.3 无线 Mesh 网络与移动Ad Hoc 网络的区别在拓扑结构上，WMN与移动Ad Hoc网络均是多点对多点网络，拓扑结构相似。但WMN 大多数节点基本静止不移动或者移动性弱，拓扑变化较小。在路由技术上，WMN 基于其应用的定位，强调的是吞吐量和稳定性等性能，而移动 Ad Hoc 网络则更注重可靠性、鲁棒性和安全性等。在业务模式上，由于两种网络设计目的不同，WMN 着重的是用户节点的接入功能，而移动Ad Hoc 网是实现用户节点之间的相互通信。因此，无线Mesh网络的主要业务是来往于因特网网关的业务，移动Ad Hoc 网络则是相邻节点之间的业务流。2.4 无线 Mes

50、h 网络的主要优缺点WMN 与传统无线网络相比有以下优点：（ 1）可靠性大大增强。WMN 采用的网格拓扑结构避免了点对多点星型结构，如 802.11WLAN 和蜂窝网等由于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，而需要额外的可靠性投资成本。（ 2）具有冲突保护机制。WMN 可对产生碰撞的链路进行标识，同时选择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。（ 3）简化链路设计。WMN 通常需要较短的单跳无线链路，所以不需要安装天线塔，天线通常安装在屋顶、电线杆和灯柱上，这样降低了天线的成本（传输距离与性能），另一方面降低了发射功率，也将随之减少了不同系统射频信号间

51、的干扰和系统自干扰，最终简化了无线链路设计。（ 4） 网络的覆盖范围增大。由于 WR 与 IAP（ Intelligent AP 什么叫智能AP？（智能 AP 是一种集成了AC 功能的 AP 设备，相较普通的AP 拥有更为复杂的硬件设施和软件功能，能够在提供接入点服务的同时完成AC 的功能。目前的WLAN 已经使用了）的引入，终端用户可以在任何地点接入网络或其他节点联系， 与传统的网络相比，接入点的覆盖范围大大增加，而且频谱的利用率也大大提高，系统的容量得到了增长。（ 5）组网灵活、维护方便。由于WMN 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

52、带接入网。WMN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。与传统网络相比，功能更强大、更完善。（ 6） 投资成本底、风险小。 WMN 的初建成本低，AP 和 WR 一旦投入使用，其位置基本固定不变，因而节省了网络资源。WMN 具有可伸缩性、易扩容、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。此外，WMN 一般采用非许可证频段，所以也为用户节省了服务支出。不过，目前来说，WMN 也存在以下一些问题。（ 1）在无线点射频接入方面，有针对单一射频信道的WMN ，也有针对多个射频信道的WMN 。 对于不同的射频信道的WMN 的研

53、究还处于试验研制阶段，性能改善总体来说还不太满意。（ 2）在WMN 路由准则和选择算法等方面，目前提出的特别适合WMN 的路由协议寥寥无几，Microsoft Research虽提出了一种线性组合优化路由准则， 但被优化变量的物理意义并非十分明显和直观，且引入的非线性运算使计算复杂度大大增加。另外，也没有考虑网络带宽（有效吞吐量）开销，路由算法没有对 多媒体应用最敏感的QoS 因素（延迟）给予足够的重视。（ 3）在WMN 连接性和多路支持方面，每个节点链路连接度也是一个至关重要的问题，并非使用射频信道越多，网络性能越好，射频信道数增加会带来设备开销的成本的上升，同时可能会带来更多的干扰问题。目

54、前正交分割多址接入（Quadra Division Multi-Access, QDMA ）技术提供了自称最佳的节点链路连接43-44 。（ 4）在WMN 带宽利用和资源分配算法方面，非常有效的可用算法和协议等相关问题还有待研究。2.5 无线 Mesh 网络的关键技术在无线Mesh网络的设计中，不仅要考虑需无线传输的各种问题，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，这就使得无线 Mesh网络的设计要远比传统的无线接入网络复杂。具体而言，无线Mesh 网络有以下几个关键技术9：（ 1）正交分割多址接入技术QDMA 技术是专门为广域范围内通信的最优

55、化以及移动Mesh 网系统设计的。它起源于军事领域，是为了在特殊环境或紧急状况下提供可靠的通信方式。QDMA技术使用直接序列扩频（DSSS）调制技术，工作在2.4GHz的ISM频段上。 由于它在MAC 子层使用多信道方式（ 3 个数据信道和1 个控制信道）， 因此，与单个信道相比更能适用于高密度的WMN 终端设备。QDMA 技术提供一个高性能的射频前端，这种前端含有类似于多抽头Rake接收机（一般用于蜂窝网络）的功能和一种克服射频环境快速变化的公平算法。QDMA 可在较广的移动通信范围内提供较强的纠错能力，同时增强的抗干扰能力和信号的灵敏度可使基于QDMA 技术的通信网络提供达到250mph

56、的移动速度，而在实际多址环境应用中的IEEE802.11协议只能达到20mph。目前QDMA数据传输的范围达到1600m,而802.11b只有2050m。除了通信的范围和速率外，QDMA 更独特的是内置的定位技术能够对通信设备进行精确定位而不依赖于全球定位系统（GPS） ，误差不超过10m。（ 2）隐藏终端问题处理技术由于 WMN 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。尽管通过握手机制可以减少隐藏终端问题中冲突