第08次课 移动计算技术- 无线Mesh网

1、移动计算技术无线Mesh网络专题：综述，授课教师：赵蕾龙，Email :摘要，1无线Mesh网络概要2无线Mesh网络重要技术3无线Mesh网络的应用领域4无线Mesh网络的典型应用实例5相关标准，1无线Mesh网络概要，目前下一代无线通信技术第四代移动蜂窝技术(4G )、IEEE802.11n等)的目标是将数据的传输速度增加到1Gbps。 无线Mesh网络由于具有高垄断面和低传输能量的特性，在宽范围的无线宽带接入技术中占有重要的地位。 1.1无线Mesh网络的起源，无线Mesh网络(也称为WMN、无线messmeshnetwork、无线网状网络、无线网状网络等)这样的名词出现的时间不长，约2

2、0世纪90年代中期以后，真的很引人注目移动自组织网络因为其应用环境和技术成本等理由被认为不适合直接应用于民间通信领域，在通信网络中，最大的民间通信服务应该是包含VoIP服务的因特网服务。 由于民间通信用户的移动性行为远低于军事通信用户，因此为了实现在无线通信中随处存在的通信目标，需要基于移动自组织网络的技术开发完全适合民间通信的无线多跳网络技术，wmms 2000年初，业界的几个重要事件引起了人们的关注。 其中之一是，美国ITT公司把为美军开发的战术移动通信系统专利技术转让给了MeshNetworks公司，该公司开发了具有自主知识产权的无线多跳民间产品WMN的技术产品，在市场上取得了很大成功。

3、 同时，诺基亚、北电网、Tropos、SkyPilot、RadiantNetworks、Firetide等多家公司开发的WMN产品相继登场。 从此，WMN在进入快速发展时期的同时，为移动ad hoc网络自身的发展注入了新的活力。 在此期间，摩托罗拉非常欣赏MeshNetwork的发展，2005年成功收入面条下。 1.2无线Mesh网络的定义，无线Mesh网络是一种分布式网络，它从移动ad-hoc网络中分离出来，并继承了一些WLAN技术的新网络技术。 严格来说，无线Mesh网络是新宽带无线网络结构、是大容量、高速分布式网络，与传统的无线网络大不相同。 在网络拓扑中，无线Mesh网络与移动ad-h

4、oc网络类似，但是网络中的许多节点几乎不活动，不以电池为动力，并且在拓扑变化很小的单跳接入中，无线Mesh网络是特殊的因为具有高可靠性、大可扩展性、低投资成本，所以无线Mesh网络被称为廉价的“lastmile”宽带接入方式。 另外，无线Mesh网络作为未来无线城域网的核心网络是最理想的方式之一，挑战3G技术的可能性高，是构筑B3G/4G的潜在技术之一，也是构筑迄今为止的大规模移动计算环境的可行性技术， 1.3与移动自组织网络的主要区别在于，无线Mesh网络和移动自组织网络都是自组织多跳网络(P2P，PointtoPoint )，但基本上是无线Mesh网络这个骨干提供大范围的信号而连接到节点。

5、 但是，移动ad hoc网络的节点都兼具独立路由和主机功能，节点地位平等，连接性通过终端节点的平等合作实现，稳健性比无线Mesh网络差。 其次，无线Mesh网络中节点的移动性比移动ad-hoc网络中的节点低，因此无线Mesh网络重视“无线”，移动ad-hoc网络强调“移动”。 第三，从网络结构来看，无线Mesh网络具有大量静态或弱移动拓扑，而移动ad-hoc网络具有大量随机移动的网络拓扑(包括高速移动性)。第四，无线Mesh网络与移动ad-hoc网络的业务模型不同，在前者中，节点的主要业务是互联网往来业务，在后者的情况下，节点的主要业务是任何一对节点之间的业务流。 第五，从应用来看，无线Mes

6、h网络主要是接入互联网或宽带多媒体通信服务，而移动hoc网络主要用于军事和其他专业通信。 另外，1.4无线Mesh网络的架构、构成1.4.1无线Mesh网络的无线Mesh网络的各站点之间通过多跳无线连接形成网格拓扑，根据该站点的功能，在Mesh路由器、Mesh终端、Mesh网关这3个站点之间形成网格拓扑。 Mesh路由器是具有路由功能的Mesh站点。 所述收发器包括一个或多个无线收发器，所述无线Mesh网络构成核心层网络并负责访问终端和传输数据。 Mesh终端(Mesh客户端)是用户直接使用的设备，通过Mesh路由器访问互联网。 一些Mesh终端也具有路由功能，可以向在特殊情况下无法直接接入无

7、线Mesh网络的其他终端用户提供路由转发。 Mesh终端设备多种多样，有普通的PC、笔记本电脑、PDA、IP电话等。 Mesh网关(Mesh网关)在无线Mesh网络和有线网络的连接点上提供路由和网关功能。 无线Mesh网络可以具有多个网关，数据流能够经由最佳网关得到与有线网络的通信。 另外，从大范围来看，1.4.2无线Mesh网络的网络结构可以根据网络结构的差异来将无线Mesh网络分为分层网络、方程网络和混合网络。 分层无线Mesh网络：分层无线Mesh网络分为上位和下位两部分。 网络中的所有路由和转发功能都由经由网格互连的Mesh路由器和Mesh网关完成，Mesh终端通过网络接入点直接接入无

8、线Mesh网络，骨干网络和终端接入其结构如下图所示：分层无线Mesh网络由于存在专用的骨干路由结构，所以其传输质量可以得到高保障，并且适合于要求高带宽、高稳定性的因特网连接场合。 方程式无线Mesh网络：方程式无线Mesh网络中的所有节点都具有完全匹配的特性。 即，各节点包括相同的MAC、路由、管理、安全协议。 具有客户端节点的功能，还具有可以转送通信的路由器节点的功能。 其构造如下图所示。 显然，网络中的节点与现有WLAN等技术不直接兼容。 此结构适用于节点数少、不需要访问核心网的应用程序。 另外，混合无线Mesh网络：这种无线Mesh网络组合了两种架构的特征：分层式和等式无线Mesh网络。

9、 在混合无线Mesh网络中，Mesh终端可以直接访问Mesh骨干，也可以通过其他Mesh终端访问，其结构如下图所示。 以这种结构，终端节点能够添加具有转发和路由功能的Mesh设备，而不是支持当前市场上销售的WLAN的一般设备，以使得该设备之间具有自组织互连和直接通信。 一般来说，终端节点装置必须能够同时支持上层的网络网格路由器和接入上层的网络对等点的功能。 混合无线Mesh网络兼具分层无线Mesh网络结构的稳定性和方程式无线Mesh网络结构的灵活性，成为未来发展的主要方向。 但是，其结构的复杂性带来了更多需要研究的问题。 1.5无线Mesh网络的主要特征，归纳起来，无线Mesh网络具有以下主要

10、特征：第一，可以以较少的先行投资实现较大的网络垄断范围。 第二，简化了无线链路的设计，提高了抗噪性能。 在Mesh方式的网络连接中，需要短距离的无线链路，不仅降低了天线的成本和发送功率，还有助于提高通信节点间的抗噪能力，提高网络的安全性、可靠性。 第三，网络结构灵活，维护方便。无线Mesh网络支持自组织网络结构，具有自形成、自治愈、自组织的能力，只要在必要的地方追加必要的无线设备，就能与现有的设施构成无线宽带网络。 无线Mesh网络的路由特性在发生了链路中断、局部扩展和升级的情况下，能够不影响网络整体的运营地进行局部处理和维护，因此网络的灵活性和可行性大幅提高。 第四，网络兼容性好，可靠性高。

11、 由于无线Mesh网络是基于现有网络技术或标准(802.11 )，因此其与现有无线网络的兼容性和互操作性较高。 同时，无线Mesh网采用的网络拓扑结构避免了多点星形结构中存在的业务集约、中心网络拥塞、单点故障等问题，大大提高了网络的可靠性。 的双曲馀弦值。 第五，投资成本低，风险小。 无线Mesh网络的初始构建成本低，使用AP和无线路由器时，其位置基本上是固定的，因此可以节省网络资源。 无线Mesh网络具有可扩展性、可扩展性、自动部署和应用范围广等优点，能为投资者在短期内受益。 另外，无线Mesh网络通常采用未授权带宽，因此用户也可以节省服务开支，获得MITRoofnet项目的成果，完整的无线

12、Mesh网络物理实验床http:/pdos.cs eail.MIT.edu/roof Tet/doku.PHP得到了几个实验数据，根据SIGCOMM和MOBICOM发表论文的Roofnet观察的实验结果，48个通信量在Roofnet中是跳，36个通信量是跳，剩下16个是跳以上的几乎所有的故事。 WEB访问只占7%的通信量，30个通信量用于BT的WEB访问占7%的通信量，但占68个连接数， 2无线Mesh网络研究的热点2.1网络体系结构中的各层2.1.1物理层2.1.2 maclayer2.1. 3网络层2.1.4传输层2.1.5应用程序目标bandwdthrobustmodulationsen

13、sitivityhortpreamblefastswitchbetweencnelsfastswitchfromtx/rx mobility (potential high-speeed ) variabletransmissionpowermultipleechannelslinkadaptationlinkqualityfeedback，2.1.1物理层， phy -智能天线技术lowportinstransmissionbatterynotabigconcerninmanyapplicationsenablesbetterspatialreseand，hence， increasedne

14、tworkcapacity bettersnrbetterdataratesbetterdelaysbettererrorrates，Advantages，Disadvantages， specializedhardwarespecizedma (difficulttodesign ) difficulttotrackmobiledatafusers，PHY-传输功率控制技术，Toolow，Toohigh，Justright PHY-传输功率控制技术(cont ) optimizationcritionantworkcappacedelayerrormratespowerconsumption

15、thedidelisolutionwilldelependonnetworktorkto scalabl 为了真正地扩展MAC协议，需要提出一种新的分布式和协作方案，以防止网络性能因网络增长而降低，如吞吐量、延迟和延迟抖动等QoS参数。 显而易见，多信道MAC协议可以实现比单通道MAC协议更高的吞吐量。 然而，开发可扩展的多信道MAC协议是更困难的任务。 使用诸如MAC物理跨层设计和感知radios之类的先进技术时，需要提出新的MAC协议，特别是多通道MAC协议。 networkintegrationinthemaclayer必须在mac层开发高级桥接功能。 各种无线radios技术(包括80

16、2.11、802.16、802.15 )无缝工作。 这些桥接功能最终解决重新配置/软件radios及相关radio资源管理技术。 ModifyingExistingMACProtocols，例如，在802.11mesh网络中，可以通过调整CSMA/CA参数来改进MAC层协议(例如，调整CW的大小，并修改backoff程序) 然而，这种方法可以大幅度降低相邻节点之间的竞争概率，因此仅实现低的端到端吞吐量。 Cross-LayerDesign，单信道mac协议，基于有向天线的MACs。 如果天线波束保证良好，则可以去除曝光节点。 然而，传送的存在导致更多的隐藏节点。该方案还具有功率控制的MACs，

17、它还面临着成本、系统复杂性、天线实用性等其他困难。 在暴露节点，特别是在密集的网络中，可通过使用较低发射功率来改进WMNs的频谱空间的重用。 然而，发射功率低可减小检测潜在干扰节点的可能性，因此隐藏节点的问题可能进一步恶化。 另外，proposinginnovativemacprotocols在多跳网络中，由于可怜的扩展性，如CSMA/CA之类的随机接入协议不是有效的解决方法。 因此，需要设计TDMA或基于CDMA的MAC协议。 当前，TDMA或CDMA的MAC协议很少用于WMNs。 此外，与单信道MAC协议、具有现有MAC协议的TDMA (或CDMA)MAC的兼容性，其中TDMA (或CDMA)MAC考虑了开发和合作的MAC协议的复杂性和成本。 在802.16中，常规MAC协议是集中TDMA方案，而在802.16mesh中，分布式TDMAMAC仍然是空缺。 在802.11WMNs中，如何设计复盖CSMA/CA的分布式TDMAMAC协议是一个有趣但具有挑战性的问题。