（通信与信息系统专业论文）基于80211的无线mesh网络智能接入点mac协议研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线m e s h 网络( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，w m n ) 是一种高容量高速率的 新型网络结构，它融合了w l a n ( w i r e l e s sl o c a la 工e an e t w o r k ) 和a dh o c 网络特点，具有很高的可靠性和灵活性。近年来随着w m n 研究的深入及在 商业应用的进展，在w m n 上提供必要的服务质量( q u a l l l vo f s e r v i c e ，q o s ) 保证显得越来越重要。但由于w m n 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q o s 保证。媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协 议是w m n 确定共享无线信道带宽效率的主要技术，i e e e8 0 2 1 1 e 标准主要 是解决基于i e e e8 0 2 1 1 面临的q o s 问题。 本文着重研究智能接入点如何在w m n 的环境和有限的带宽情况下提供 q o s 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i e 髓8 0 2 1 1 的媒体接入q o s 机制进行了性能分析，系统地研究了w m n 的智能接入点的多信道m a c 协议，并提出了一些新颖的改进方案。 首先，详细介绍了w m n 的结构、与其他通信网络的区别、应用方案以 及网络优势。详尽分析了w m n 的m a c 层协议，针对w m n 的多信道m a c 方案进行了研究。 接着，介绍了8 0 2 1 1 ee d c a ( e n h a c e dd i s t r i b u t e dc h a n n e la c c e s s ) 机 制，并在e d c a 机制的基础上提出了针对w m n a p 的d e d c a 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与转发业务的功能。 然后，采用仿真方法，集中研究了d e d c a 的性能，研究了a i f s 参数、 c w 参数、p f 参数、无线站点数等因素对d ，e d e a 性能的影响。得出了e d c a 参数需要调整以实现最佳性能的结论。 最后，对w m n 上采用d e d c a 机制进行了性能分析。通过仿真比较发 现，d e d c a 机制在性能上优于e d c a 。同时提出了通过限制实时性业务重 传时间来改进d e d c a 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m e s h 网络；i e e e 8 0 2 1 1 ；e d c a ；多信道；优先级 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i f e l e s sm e s hn e t w o r kf w m n ) i san e wt y p eo f b r o a d b a n dw i t e l e s sa c c e s s n e t w o r kt h a tc o m b i n e st h ea d v a t a g e so fw l a na n dl h ea dh o cn e t w o r k s i th a s h i g hf e l i a b i l i l ya n df l e x i b i l i ty i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i f h e d i aa p p l i c a t i o n sa i em o r e a n dm o r ep o p u l a r ，a n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k sa r ew i d e l yu s e di nc o m m e r c i a l e n v i r o n m e n t s t h e r e f o r e ，j ti sc r u c i a lf o rw i r e l e s sm e s hn e t w o r k st os u p p o r t q u a l i t y - 0 0 s e r v i c e ( q o s ) h o w e v e r ，s o m ed i s t j n c tc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s m e s hn e t w o r k s ，s u c ha st h e m u l t i - h o p ， d i s t r i b u t i o n ， s e l f - o r g a n i z a t i o n a n d m o b j l i t y ，s i g n i f i c a l l ”yi m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h em a cp r o t o c 0 1 ，a n dm a k ei t b ev e r yd i f f i c u l tt op m v i d ee f f e c t i v eq o s m a cp r o t o c 0 1i st h em a i nf a c t o rt o d e t e r m i n et h ee f f i c i e n c yo ft h es h 酊e dw i r 吼e s se h a n n e l a ne n h a n c e dm e c h a n j s m e d c a ( e n h a n c e dd i s t r j b u t e dc h a n n e la c c e s s ) h a db e e np u tf o r w a r di nt h ei e e e 8 0 2 。1 1 e ，w h i c hi sa ni m p f o v e da l g o r i t h mt os u p p o r tq o s 。 t l l i st h e s i sm a i n l vf o c u s e so nh o wt op r o v i d ei h eq o si nw i r e l e s sm e s h n e t w o f k s ，w h e r et h et o p o l o g yi sd y n a m i ca n dt h eb a n d w i d t hi sc o n s t r a i n e d i 0 w a r d st op r o v i d i n gm u l t i m e d i at r a f 6 ca sw e 玎a sd i f f c r e n t i a t i n g1 0 c a ia n d f o r w a r dt r a f f i c ，t h ew o r ki n v e s t i 足a t e sl h em u l l i _ c h a n n e im a cf o rw i r e l e s sm e s h n e t w o r k sb a s e do ni e e e8 0 2 1 1 e ，a n ds o m eo r i g i n a ls c h e m e sa r ep r o p o s e d f i r s t l v t h ea r c h i t e c t u r c _ t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nw m na l l do t h e rn e t w o r k s ， a p p l i c a t i o n s a sw e a ss o 趣e a d v a n t a 寥s o fw i r l e s sm e s hn e 嘶o i k sa r e i n t r o d u c e d t 1 l em a cp r o t o c o lj w m na n di n v e s t i g a t e st h em u l t i c h a n n e lm a c m e c h a n i s m sa r ea a i y z e da n ds u m m a r i z e d s e c o n d l ) t h i sp a p e rb r i e n yi n t r o d u c e sh o w8 0 2 1 1 ee d c aw o r k sa n d p r o p o s e s a ni m p r o v e da l g o r i t h mn a m e dd - e d c a d e d c ai s am o d i f i e d s c h e m e sb a s b do ne d c a d e d c ap r o v i d e san e wd e f i n i t i o ni nw h i c hu s e ri e v e l t r a f n cm a p p st ot h en e wp r i o r i t y ，m e a n w h i i ei th a sa “d i f f e r e n t i a t i n gl o c a la n d f o r w a r d 打a f 珏c 1f u c t j o n t h i r d l y ，w es j m u l a t e dt h et h r o u g h p u to fd e d c ab yc h a n 百n gt h ei m p a c t f a c t o r ss u c ha sa i f s ，c wp fa n dt h en u m b e ro fs a l i o n s t h ep a r a 珏l e t e r so f d - e d c an e e dt ob em o d i f j e dt oa c h i e v eb e s tp e r f o r m a n c e i n c r e a s i n gt h ea i f s ， c w m i na n dp fo fi o wp r i o r i t yt r a f f i cc a n i m p r o v ei h et h r o u g h p u to fh i g hp r i o r i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t r a f e c f i n a l ly ，t h e p e r f o r m a n c eo f d e d c ai nw i r e l e s sm e s hn e t w o r k si s i n v e s t i g a t e d t h r o u g ha n u m b e ro fn e t w o r ks j i n u l a t i o n s ，w ef i n d t h a t t h a t d e d c ah a sb e t t e rp e r f 0 h n a n c et h a ne d c a ，t h er e v i s e dd e d c aj sp r o p o s e d b yr e s t r i c t i n gt h er e t r a n s m i t t e dt i m e so ft h er e a l t i m et r a f f i c s f u r t h e r m o r et h e p e r f o r m a n c eo ft h er e v i s e dd - e d c as c h e m e si sa n a l y z e db r i e f l y k e yw o r d s ：w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ；i e e e 8 0 2 1 1 ；e d c a ；m u l t i c h a n e l p r i 西南交通大学硕士研究生学位论文第兰页 第l 章绪论 1 1 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、准确的通信，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m e s h 网w m n ”。 w m n 是移动a dh o c 网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动 a dh o c 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w l a n 和a dh o c 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，w m n 被写入了i e e e 8 0 2 1 6 ( 即w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm j c r o w a v ea c c e s s ，w i m a x ) 无线城域网( w j r e l e s sm u n i c i d a lm e an e t w o r k ，w m a n ) 标准中。( i e e e 在 2 0 0 3 年1 月制定了8 0 2 1 6 标准，后又推出了8 0 2 1 6 e 版本，该标准具有很多 优势，例如，提供q o s 保证机制、提高系统的安全性、提供高速率的数据传 输、支持网状结构、使用智能天线技术等。因此8 0 2 1 6 被看作下一代的无线 宽带接入标准。) 2 0 0 4 年1 月，i e e e 8 0 2 1 1w o i k i gg r o u p 正式专门成立了网状研究组 ( m e s hs t u d yg t o u p ) ，同年3 月又成立了网状任务组( m e s ht a s kg r o u p ) ， 标志着w m n 技术正式迈上了广泛标准化道路。另外，其他标准如8 0 2 1 5 3 a 、 8 0 2 1 5 4 和专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r c ) 也 开始探索如何通过网状嵌入式设备来改进其现有技术，i e e e 8 0 2 1 6 已经将网 状技术纳入其m a c 层协议标准中【3 】。 在应用基础理论与技术研究上，近1 0 来，包括移动a dh o c 网络和w m n 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d s d v 、 a o d v 、d s r 、t o r a 等l l l “m j 。最近，微软公司提出了一种多无线收发器、 多跳无线网络的路由协议m r l q s r ，主要思想是在d s r 协议的基础上采用 最大吞吐率准则，已经开始考虑w m n 的特征【l 。( 2 ) m a c 协议的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题，如m a c a 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m a c 协议等【1 1 ，”2 。( 3 ) 在网 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1 3 4 瑚】。( 4 ) 在多播组搐协议、t c p 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、q o s 等方面有一些研 究成果，但各部分的数量相对较少【2 。( 4 ) 在一些协议和系统仿真与实验研 究上，特别针对w m n ，最近有一些新的结果”l 。在短距离a dh q c 网络的 构建上，最近一些学者正在研究蓝牙散射网关键技术1 1 l ，1 2 】。 在专利技术上，目前主要掌握在些美国公司及研究机构手中。例如 m e s h n e t w o r k s 公司2 0 0 2 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”【7 l 。该专利提出了一种实现 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间移动节点所具有的存储转发信息的能力。2 0 0 4 年4 月，该公司获得专利“无线端到端a dh o c 网络路由中对i p 地址到m a c 地址映射及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”1 强；。该专平l j 的主要 思想是采用一个h a s h 函数将i p 地址变换为一个6 字节的m a c 地址，并附 加在路由广播中主动传输给其他节点。此外，摩托罗拉公司在2 0 0 3 年1 0 月 获得专利“在a dh o cm e s h 网络中提高服务效率的方法和设备”其中涉及在 w m n 中增强业务有效性的通信系统与设备。c a l y 公司于2 0 0 2 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f 2 。i 。 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，w l a n 技术、蓝牙技术、移动a dh o c 网络技术和超 宽带( u l t r a - w i d eb a n d ，u w b ) 技术等取得了令人瞩目的成就【2 i 22 1 。一般认 为，未来的4 g 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、w l n 、移动a dh o c 网络等，这些网络均集成到因特网骨干网或通过w m n 集成到因特网中，而 w m n 可看作“因特网的无线版”。可见，无线m e s h 网将是未来无线通信领 域重大技术革新。 在商业与军事系统应用上，w m n 技术可以应用于军事指挥通信网、 w m a n 、无线传感器网络1 4 1 】1 2 3 】、w k 必等“最后公里”无线覆盖等众多 领域，同时，w m n 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，从某个侧面体现一个国家的综合实力，尤其是在3 g 陷入标准之争的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 中国，w m n 技术更是倍受广大运营商、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，w m n 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w m n 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【2 5 】，另外其他一些公司也成功地实现了w m n 技术的商 用。例如日本偏远城市高知k c n a 网，它用无线路由器和8 0 2 1 1 接入点组 成一个城市范围的内联网，连接了1 4 所小学、4 所中学和1 8 幢市政大楼 美国的s k y p i l o t 公司在w m n 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w m n 技术的发展。早在 2 0 0 1 年，我们就已经开始相关技术研究，并开始跟踪w m n 技术。 目前w m n 己引起国内外的广泛的关注，由于m a c 协议对于无线m e s h 网的性能优化及可测量性起着非常重要的作用，因此w m n 的m a c 协议研 究也成为研究的热点f 7 】。 对于w m n 网络m a c 层协议研究主要集中在对w l a n 和a dh o c 的相 关研究上，对w l a n 的研究除了关注i e e e8 0 2 1 1 协议本身，主要在i e e e 8 0 2 1 1e 的基础上进行了改进，如调整竞争窗口大小、d i f s 和最大的帧长度 以及保证不同业务q o s 等。而对于a dh o c 网络带宽资源分配与调度策略的 研究以节省a dh o c 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q o s 保证的研究也得到很多关注。8 0 2 1 l 虽然具有很多优势，但覆盖 范围一直是它的弱点，为了解决这个问题，m e s h 网技术应运而生，它可以通 过i a p 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。w m n 的显著特点就是可以在大范围内实现高速通 信。 i e e e8 0 2 1 1 标准是目前移动网络中应用最广泛的m a c 层协议之一旧，由 于w m n 是一种融合了w l a n 和a dh o c 的新型网络结构，因此现有的8 0 2 1 1 m a c 层协议有可能提供对w m nm a c 层的支持，但当前还没有专门针对 w m n 的m a c 层的相关算法，并且8 0 2 1 1 sm e s h 标准只提出了草案还没有 制定最终的标准，以上因素给m a c 层协议研究带来了极大的发展机会。因 此研究w m n 智能接入点的m a c 层协议对于w m n 的整体性能分析、研究、 设计以及推动w m n 的应用具有重要意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 页 1 2 论文研究内容与组织结构 本论文旨在对w m n 多信道m a c 协议进行探讨与研究，对目前无线通 信网络的m a c 层协议进行了系统的分析总结，并研究在w m n 这种新型的 组网结构下m a c 层协议的发展方向。在具体研究过程中，主要以i e e e8 0 2 1 1 e d c a 【6 】接入机制为研究对象。研究方法主要为利用n s 2 i9 】仿真软件对协议进 行仿真。 本文各章节内容组织如下： 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w m n 的结构、与其他通信网络的区别、网络优势及应 用。 第3 章针对w m n 的m a c 层协议，进行全面深入的分折，并研究现有 的m a c 层协议并对它们的特点进行了的比较，采用理论分析的方法，集中 研究了基于多信道w m n 的m a c 协议。 第4 章针对i e e e8 0 2 1 1e d c a 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d e d c a 。 第5 章对d e d c a 方案进行仿真与分析，并得出结论。 第6 章全文总结并展望今后的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第! 页 第2 章无线m e s h 网络相关背景及应用 2 1 无线m e s h 网络的结构 在使用w m n 技术建设的网络中，其拓扑结构呈格栅状，如图2 1 所示 为一种典型结构。整个网络由下列组成部分构成： 智能接入点( i n t e l l i g e n ta c c e s sp o j n t ，l a p ) 一 无线路由器( w j r e l e s sr o u t e r ，w r ) 一 终端用户设各( c l i e n t ) 图2 1 一种w m n 结构 ：h n6 一脊- 立日 在图2 1 中，l a p 也称智能无线接入点或网络桥接器，一个i a p 能够在 几十至上百米的范围内连接多个无线路由器，i a p 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l a p 共享核心网的赘源。i a p ( 智能接入点) 是在a p 的基础上增加了a dh o c 路由选择功能。除此之外，a p ，i a p 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( a p i 肿) 中，大大节省了骨干网络建设的成本，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，即w r ，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 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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( w r ) 可以实现移动终端设备与接入点问通信范围的弹性延展。 终端用户设备f c l j e n t l 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，w m n 有两种典型的实现模式。 基础设施网状模式( i n f r a s t r u c t u r em e s h i n g ) 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w r 的 路由选择和中继功能与i a p 形成无线链路，i a p 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i a p 可与其他网络相连，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( c i i e n tm e s h i n g ) 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，可能导致网络拓 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他终端的分组转发进行数据通信。 在任一时刻，终端设备在不需要其他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a dh o c 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他网络相连，实现 无线宽带接入，又可以与其他用户直接通信，并且可以作为中间的路由器转 发其他节点的数据，送往目的节点。w m n 不仅可以看作是w l n 与a dh o c 融合的一种网络，又可看作是因特网的一种无线版本。 2 2 无线雎e s h 网络与其他通信网络的区别 2 2 1 与蜂窝移动通信系统的区别 - 可靠性提高：在w m n 中，链路为网状结构，如果其中的某一条链路 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 出现了故障，节点便可以自动转向其他可按入的链路，因而对网络的 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 m n 技术的网络中，可融合其他网络或 技术( 如w i f i 、u w b 等) ，速率可以达到5 4 m b j t s ，甚至更高。而目 前正在发展的3 g 技术，其传输速率在高速移动环境中仅支持 1 4 4 k b i t s ，步行慢速移动环境中支持3 8 4 k b i “s ，即使是在静止状态下才 达到2 m b i t s 。 _ 降低成本：在w m n 中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且a p 、 i r 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 2 2 与a dh o c 网络的区别 w m n 与a dh o c 网络均是点对点网络。a dh o c 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。w m n 把a dh o c 网络技术应用到移动节点同时又使移 动节点可通过i a p 连接到其他网络，因此可以把w m n 看成是a dh o c 网络 技术的另一种版本。但w m n 与移动a dh o c 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，而对于后者，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a dh o c 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，还未进行大规 模的商用。 2 2 3 与w l a n 的区别 从拓扑结构上讲，w l a n 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。w l n 可在较小的范围内提供高速数据服务( 8 0 2 1 1 b 可达1 1 m b i t s ，8 0 2 1 1 a 可达5 4 m b i t s ) ，但由于典型情况下w l a n 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w l a n 的这种高速率 的服务模式，成本将非常高。而对于w m n ，则可以通过w r 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。w m n 的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 西南交通大学硕士研究生学位论文第垦页 2 。3 无线m e s h 网络的优势 w m n 与传统无线网络相比有许多优势： 一可靠性大大增强：w m n 采用的网状拓扑结构避免了点对多点星型结 构，如8 0 2 1 1w u n 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，从而带来额外可靠性保证成 本投资。 具有冲突保护机制：w m n 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：w m n 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，降低了发射功率，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w r 与蛤p 的引入，终端用户可以在任 何地点接入网络或与其他的节点联系，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，系统的容量增大。 _ 组网灵活、维护方便：由于w m n 网络本身的组网特点，只要在需要 的地方加上w r 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。w m n 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：w m n 网络初建成本低，a p 和w r 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 m n 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。 2 。4 无线m e s h 网络的应用 l 加拿大北电网络技术方案 由图2 2 可以看出，该网络是基于w m n 的构架模式，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r f 方式与无线智能接入点联系，然后接入 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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。 图2 2 北电网络w m n 结构 北电网络的w m n 解决方案l 冽由三个主要的网络元素组成： 无线接入点7 2 2 0 ( w i r e l e s sa p ) 无线a p 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他无 线a p 有安全保障机制。无线a p 还具有低成本的先进的天线设计，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，可靠性强。 一无线网关7 2 5 0 w l a n 用户以及其他的网络实体作为口子网，无线网关7 2 5 0 会为他们广 播到达率，此外，无线网关隐藏这种特殊的w l a n 的移动性，并且为a p 之间的 无线网状链路提供保护机制。 一网络管理系统 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a p 7 2 2 0 和无线网关7 2 5 0 ，并使它们可视化，发现并改正管理错误等。 北电网络无限m e s h 网技术方案的优势包括以下几个方面： _ 利用8 0 2 1 1 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结合，使首次投入成本非 常小。从长远来看，从安装到f ；l 后维护都有很大的经济优势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第业页 w m n 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 理的费用。 一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p a c k e t h o p 公司技术方案 图2 - 3 p a c k e t h o p w m n 结构 该公司给出的这种网状结构【4 ，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，从而非常方便地实现移动终端在异构网之 间的无缝漫游。 在异构网之间的服务盲区里，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1 3 4 1 。这一方案已经被美国金门大桥成功应用。w 瑾n 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。 另外其他的一些公司也成功的实现了无线网状技术的商用。例如日本偏 远城市高知k c n a 网，它用无线路由器和8 0 2 1 1 接入点组成一个城市范围 的内联网，连接了1 4 所小学、4 所中学和1 8 幢市政大楼【2 8 】。 w m n 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，w m n 市场目前还处于萌芽期，有非常大的市场潜力， 随着w m n 技术研究的不断深入，应用范围会越来越广泛。 西南交通大学硕士研究生学位论文第旦页 第3 章无线m e s h 网m a c 层协议分析与研究 3 1基于单信道的m a c 协议 单信道方式每一个接入点只有一个无线收发器，在任一时刻它只能有 个业务流，如何安排业务流，从而避免业务冲突，提高网络资源利用效率以 及保证o o s ，就成为单信道策略必须解决的问题。因此在w m n 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他 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m a c 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q o s ，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 o o s 保障问题。对于w m n 单信道的m a c 协议有以下3 种方案： 3 1 1 改进现有的m a c 协议 目前的m a c 层协议研究集中在通过改变c s m c a 协议来提高多跳网 络的性能。这些方案一般是调整c s m 刖c a 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w m n ， 这样的方法只能得到低的吞吐率，因为并不能降低邻节点间的竞争程度。由 于多条路径累积的影响，因此只要频繁竞争，接入点的吞吐率就会降低。 3 1 2 跨层设计 跨层设计是指打破原o s i 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m e s h 网m a c 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m a c 层协议【2 9 】和基于功率控制的m a c 层协议 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 【3 l 】。前者假设天线波束很完美会，可以减少暴露终端，但由于定向的传输， 会产生更多的隐藏终端问题，而且还会遇到其他的一些问题例如，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 w m n 中空间上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。 3 1 3 研究新的m a c 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，随机接入协议例如c s m c a 并不是 有效的解决方案，因此设计新的基于t d m a 、c d m a 或两者融合的m a c 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t d m a m a c 与c d m a m a c 的方案还很少，有两个主要原因，一个是开发这种分布 协调式的t d m a 与c d m a 的m a c 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m a c 协议的兼容性。例如在i e e e 8 0 2 1 6 中原有的m a c 协议是集中式的t d m a 机制，8 0 2 1 6 种的分布式的t d m a 还正在研究中， 对于基于i e e e 8 0 2 1 1 的w m n ，如何设计一个分布式的t d m a 、c d m a 或 二者融合的m a c 协议是一个有趣并且有挑战性的问题。 3 2 多信道m a c 协议的需求 现有的w m n 基本上都是采用单信道m a c 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3 1 ) ，这就极大的限定了整个网络的容量。尽管现有的 8 0 2 1 1 a ，b 垃与8 0 2 1 6 协议在物理层技术上有了很大的进步，如采取了一些有 效的功率控制等方法，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。8 0 2 1 1 a 幢标准标称的带宽5 4 m b j t s ，但这只是在峰值速率，而在 真正应用过程中，由于用户接入时会发生多用户冲突、丢包错误等，因此真 正的可达带宽几乎只有标称值的一半【3 2 】。另外，随着接收双方通信距离的增 大，数据传输速率会显著下降。而在多跳w m n 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第墅页 幸运的是，8 0 2 1 1 b g 标准和8 0 2 1 1 a 标准分别提供3 个和1 2 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3 2 ) ，就可以提高网络吞吐率。 翌l 一冀幻 图3 ，1 单信道m a c 协议下：宵点数据传输 。一竺b一簋鼍 图3 ，2 多信道m a c 协议下节点数据传输 实际上，早在移动a dh o c 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1 4 6 5 甜。w m n 是a dh o c 网络的一种特例，因此， 我们仍然可以采用这种多信道m a c 机制，来设计w m n 的多信道m a c 协议。 3 3 多信道m a c 协议面临的问题 多信道m a c 协议与单信道m a c 协议相比，设计上更加复杂。由于w m n 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m a c 协议的设计面临诸多问题，设计上更加困难。主要问题包括： 3 3 1 多信道隐藏终端问题 在8 0 2 1 1 标准中，物理层上可以支持多个信道，但在m a c 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。以下通过一个例予来描述多信道隐藏终端问题。 如图3 3 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 ，其他n 1 个信道为数据信道。当节点既不接收也不 发送数据时，都监听控制信道1 。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r t s c t s 握手，即节点a 发送r t s 给节点b ，节点b 用 c t s 应答节点a 。在该协议中a 节点发送的r t s 上包含一个可用的数据信 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 道的列表，在b 节点收到r t s 时从该信道列表中选择一个可用的数据信道， 并将所选择的信道号通过c t s 发送给节点a ，接着节点a 和b 就切换到它 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，这时没有发生数据碰撞问题。 五r 吾卜一己p 1 6 图3 3 多信道隐藏终端问题 信道1 信道2 信道3 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c t s 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c t s ，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，它们在控制信道1 上进行