无线Mesh网络和结构分析

1、无线Mesh网络和结构分析网络拓扑结构 内容提要 概述 无线Mesh网络的结构 无线Mesh网络MAC协议 无线Mesh网络路由协议 无线Mesh网络的应用模式9.1 概述 无线Mesh网络(WMN，Wireless Mesh Network，又称无线网状网、无线网格网等) 和无线传感器网络一样，也是一种应用性的网络技术，主要是以前面几章介绍的各种网络技术为基础的，特别是和移动Ad Hoc网络技术有着非常密切的联系。 9.1.1 无线Mesh网络的起源传统的基于基站方案的无线通信系统是通过“最后一公里”的无线接入，无法适应业务需求的增长 。蜂窝移动通信系统的出现，大大缓解了用户业务与系统资源之

2、间的矛盾。但只适用于人口稠密、有永久用户业务需求的地区。移动Ad Hoc网络技术一直在悄悄地与蜂窝移动通信技术平行发展；但在相当长的一段时期内并没有在民用通信领域得到很好的应用。无线局域网有效延伸了因特网的覆盖范围，但是商业化进程在很多地区并不成功。技术上也无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖。 无线Mesh网络： 基于移动Ad Hoc网络的技术基础开发的一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术，以实现无线通信中无处不在的通信目标。传统基站方案的无线通信系统 WMN结构示意图 WMN与移动Ad Hoc网络、WLAN和WBAN的关系示意图 9.1.2 移动Ad Hoc网络向无线Mesh网络的

3、演进* 移动Ad Hoc网络和WMN技术的发展始终与一些成熟的技术与标准(如WLAN、WiMAX)，从而构成大规模的可伸缩性无线网络 下一代无线网络(或4G无线网络)不再是一种全新的单一结构的网络技术，而是多种无线网络技术的融合，是一种多级网络形态。移动Ad Hoc网络的演进 分级移动Ad Hoc网络 基于WLAN的移动Ad Hoc网络 WiMAX作为Wi-Fi Mesh拓扑的回程 WiMAX作为Mesh拓扑内回程 WiMAX作为客户端的接入网 9.1.3 无线Mesh网络与其他无线网络的主要区别1无线Mesh网络与蜂窝网络的主要区别(1)可靠性提高，自愈性强。(2)传输速率大大提高。(3)投

4、资成本降低。(4)网络配置和维护简便快捷。 2.无线Mesh网络与WLAN(Wi-Fi)的主要区别 (1) 从拓扑结构上看，WLAN是典型的点对多点(P2MP，Point to Multiple Points)网络，而且采取单跳方式，因而数据不可转发。WMN可以通过WR对数据进行智能转发(需要对WLAN传统的AP功能进行扩展和改进) (2) 从协议上看，WMN与移动Ad Hoc网络基本类似。WLAN的MAC协议完成的是本地业务的接入，而WMN则有两种可能，一种是本地业务的接入，另一种是其他节点业务的转发。对于路由协议，WLAN是静态的因特网路由协议+移动IP；但WMN则主要是动态的按需发现的路

5、由协议，只具有较短暂的生命周期。3.无线Mesh网络与移动Ad Hoc网的主要区别(1) WMN由无线路由器构成的无线骨干网组成。该无线骨干网提供了大范围的信号覆盖与节点连接。移动Ad Hoc网络的节点都兼有独立路由和主机功能，节点地位平等，接通性是依赖端节点的平等合作实现的，健壮性比WMN差。(2)WMN节点移动性低于移动Ad Hoc网络中的节点，所以WMN注重的是“无线”，而移动Ad Hoc网络更强调的是“移动”。(3)从网络结构来看，WMN多为静态或弱移动的拓扑，而移动Ad Hoc网络多为随意移动(包括高速移动)的网络拓扑。(4)WMN与移动Ad Hoc网络的业务模式不同，前者节点的主要

6、业务是来往于因特网的业务,后者节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。(5)从应用来看，WMN主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入，而移动Ad Hoc网络主要用于军事或其他专业通信。 9.1.4 无线Mesh网络的主要优缺点优点:(1)可靠性大大增强。(2)具有冲突保护机制。 (3)简化链路设计。(4)网络的覆盖范围增大。 (5)组网灵活、维护方便。 (6)投资成本低、风险小。 缺点:(1) 对于不同射频信道的WMN的研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，目前提出的特别适用于WMN的路由协议寥寥无几。(3)在WMN连接性和多路支持方面，

7、每个节点链路连接度也是一个至关重要的问题，并非使用射频信道数越多，网络性能越好，射频信道数增加会带来设备开销和成本上升，同时可能会带来更多的干扰问题。 (4)在WMN带宽利用和资源分配算法方面，目前还没有提出非常有效的可用算法和协议，相关问题还有待研究。9.2 无线Mesh网络的结构无线Mesh网络结构的分类1. 平面网络结构2. 多级网络结构3. 混合网络结构WMN平面结构 WMN分级结构 WMN混合结构 中国某城市超级城市WMN结构 9.2.2 802标准族对Mesh结构的支持1对Mesh结构的支持 WiMAX基于Mesh的无线宽带接入结构图 2对Mesh结构的支持 IEEE新成立了一个子

8、工作组，制定标准化的扩展服务集(ESS)，即专门为WMN定义了MAC和PHY层协议。在这样的网络中，WLAN接入点可以像路由器那样转发信息。 3系列对Mesh结构的支持(1)802.15.1:IEEE提出的第一个取代有线连接的WPAN技术标准，组网方式灵活多样，且支持多跳，有力支持WMN结构。(2)802.15.2:主要目标是为802.15 WPAN发展推荐应用，此协议标准为多种技术融入WMN提供了支持。(3)802.15.3:为消费类电子及通信设备提供短距离无线连接的高速WPAN制定标准。子工作组进一步发展制定了基于多带OFDM联盟(MBOA)的PHY层，使用超宽带(UWB)技术达到高达48

9、0Mb/s的峰值传输速率,正是WMN所需的。(4)802.15.4:低数据速率、长电池寿命和低设备开销要求的遥测技术制定的。ZigBee联盟正在制定运行在的MAC和PHY层以上的高层协议。它的网络层支持多种网络拓扑结构，如星形、簇形和Mesh。(5)802.15.5:目前还在开发中，最终定位于WMN的MAC层，且不需要ZigBee或IP路由支持。 ZigBee协议结构 4对Mesh结构的支持 即移动宽带无线接入(MBWA)工作组成立于2002年12月，致力于为移动用户开发一个标准，支持在36Hz频带可靠地进行高速无线数据传输。同时，在室内、室外环境中支持WMN结构。 9.3 无线Mesh网络M

10、AC协议 在MAC协议上，WMN承袭了标准中的很多技术，特别是标准更是专门针对传统的802.11 MAC协议扩展成为支持网状结构的新的协议，另外802.16 MAC协议也已支持网状结构。 专门针对WMN设计的MAC协议，包括速率自适应多跳网MAC协议、多信道WMN MAC协议等。 9.3.1 速率自适应多跳网MAC协议速率自适应技术，是指在不同的信道条件下，选用适当的数据传输速率（调制方式）来实现网络的最大吞吐量为了实现速率的自适应，有两个方面比较关键：信道质量估计和速率的选择信道估计是利用时变信道的状态来估计未来信道的质量包括选用哪个参数作为信道质量的度量和统计的时间。速率的选择是利用信道质

11、量的预测来选择一个最佳的速率。人们通常通过设置门限的方法实现速率的选择。 速率自适应多跳网MAC协议的方案：运用自适应调制和编码技术，最大限度地利用信道的容量，根据不同终端报告的信道情况，提供个性化的调制方式在该方案中，无线设备能够支持多种调制方式，即多种速率，并动态地从中进行选择。RBAR是一种基于接收器的自适应速率算法，其核心思想是允许接收端来选择合适的数据分组的传输速率，通过RTS/CTS分组来携带信息进行速率选择信息的交换。其优点如下：信道质量的评估和传输速率的选择基于接收端当前的状态，这就保证了所作的信道评估是实时准确的，因此速率选择更为准确。因为速率的选择是在RTS/CTS握手期间

12、交换的，信道质量的评估更接近数据分组传输时的情况。若应用到协议，只需要对协议进行较小的改进。9.3.2 多信道Mesh网MAC协议早在移动Ad Hoc网络的设计中，人们就用了多信道的设计思想来提高网络的传输速率与网络容量。WMN是Ad Hoc网络的一种，仍然可以采用多信道MAC机制来设计WMN的多信道MAC协议。多信道MAC协议主要有以下几种：按控制信道分：有专用控制信道的多信道MAC协议和无专用控制信道的多信道MAC协议。前者采用专用的射频（一直在控制信道上）来传递控制信息，这样，能够更有效地传递控制信息，但信道的利用率不高。而后者不能够有效地传递控制信息按节点射频分：多射频多信道MAC协议

13、和单多射频多信道MAC协议。前者每个节点有多个射频，这样节点可以同时在多个信道上传输数据，可以在多个信道上实现“边说边听”的功能，更有效地控制节点的传输具有代表性的WMN多信道MAC协议：(1) 动态信道分配（DCA）多信道MAC协议是有专用控制信道、两个RF的多信道MAC协议。在DCA多信道MAC协议中，假定有个控制信道，N个数据信道，每个信道具有相同的带宽。控制信道用来解决信道的冲突和为每个终端分配信道的问题，数据信道用来传输数据。每个终端有两个半双工的收发器，即控制收发器和数据收发器。控制收发器在控制信道上与其他终端交换控制信息，得到接入数据信道的权利；数据收发器动态地切换到一个数据信道

14、上来传输数据。(2) 多信道单收发器MAC协议 如何利用多个信道协调Mesh节点之间的通信，是多信道单收发器的MAC协议的关键所在。比较典型的有MMAC协议和SSCH协议。MMAC协议:没有专用控制信道、每个节点配置一个半双工收发器，每个节点是同步的。SSCH协议：将一组无线信道分配给网络节点，每个设备只具备一对收发器，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）。(3) 基于主信道分配的（PCAM）多信道MAC协议 有专用控制信道、个射频的多信道MAC协议。在PCAM协议中，每个节点配置个半双工收发器。其中

15、两个收发器主收发器和第个收发器主要用来传输数据，第个收发器用来传输和接收广播消息。(4) 多射频统一协议（MUP） 是在符合标准的硬件基础上开发的一种具备多块网卡的多信道方案，该方案不需要改变现有的硬件平台，并且支持现有的应用和网络协议。9.4 无线Mesh网络路由协议WMN是一种特殊的移动Ad Hoc网络，移动Ad Hoc网络的很多路由协议可以作为WMN路由协议的基础。例如，动态源路由(DSR)协议、按需距离矢量(AODV)协议、基于节点间相互关系的路由(ABR)协议和基于信号稳定性路由(SSR)协议等。最新的专门适用于WMN的路由协议，包括：多径源路由(MSR)协议多射频链路质量源路由(M

16、R-LQSR)协议可预测的无线路由(PWRP)协议单收发器多信道路由(MCRP)协议等。 9.4.1 无线Mesh网络路由协议分类(1)多判据路由 (2)多信道路由(3)多径路由(4)分级路由(5)跨层路由(6)QoS路由(7)基于地理位置信息的路由(1)多判据路由路由协议一般使用最小跳数作为路由判据，但是，对于两节点之间满足最小跳数原则的路径，由于干扰冲突与通信距离等因素的影响，链路性能可能会很差，网络吞吐量也将变得很差。同时，单一的路由判据很难反映出链路质量给各个性能指标带来的影响，因此，在制定路由判据时，应使用多路由准则来解决此矛盾。 (2)多信道路由在WMN中，使用多信道的方式有：单收

17、发器多信道、多收发器多信道等。使用多收发器可以在不需要修改MAC协议的基础上提升网络性能。MR-LQSR(多射频链路质量源路由协议)是多信道路由协议，该协议提出了适应多信道条件下的路由判据WCETT，综合考虑了不同信道上的延时、带宽等信息。(3)多径路由在源节点与目的节点之间选择多条路径进行数据传输称为多径路由。多径路由技术可以很好地避免单径路由时的网络震荡的影响，还可以在充分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡、路由容错等。在某条链路因为信道质量恶化而不能正常工作时，其他链路可以继续工作，因此，也可以在路由故障时避免路由重建等操作。基于DSR（动态源路由）的多径源路由协议属于该类协议。(4)

18、分级路由通过分级技术，在簇内与簇间使用不同的路由，分别发挥各种路由的优点，从而实现大规模WMN的路由。在分级路由中，首先需要确定特殊的自组织分簇算法。每个簇拥有一个或多个簇头。在决定簇大小的时候必须要使其满足两点：第一，必须要足够大，保证节点不会轻易地移出所在簇；第二，必须要足够小，从而使源路由能够很快地找到目的节点。(5)跨层路由路由协议与MAC协议之间的跨层设计是另一个有趣的课题，以往的研究都集中在网络第三层上，但是对于WMN，由于网络的时变特性，路由性能并不理想，所以可以从第二层提取一些状态参数信息作为路由判据。还可以考虑合并MAC与路由层之间的一些功能。跨层设计可以使路由协议收集到节点

19、底层的实际数据传输情况，从而做出正确的路径选择，以便提高网络的性能。(6)QoS路由QoS路由的主要思想是首先选择满足用户各种QoS要求的到达目的节点的路径；其次，在路径建立后，若当前路径已经不能满足用户QoS需求，那么节点需要寻找新的路由。(7)基于地理位置信息的路由基于地理位置信息的路由需要依靠GPS或类似的定位设备，从而增加了成本与复杂性，并且获得目的节点的位置信息还要给网络带来很大的开销。9.4.2 多射频链路质量源路由（MR-LQSR）协议MR-LQSR协议是微软公司研发的多信道WMN路由协议，它采用一种新的路由性能判据，称为加权的累计传输时间（WCETT），WCETT综合考虑了带宽

20、等链路性能参数以及最小跳数等因素。该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。MR-LQSR是在传统的DSR(动态源路由)路由协议的基础上改进得到的。MR-LQSR协议不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关的状态信息，而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣，从而形成自身的路由准则。MR-LQSR协议假设WMN中所有的MR为静态节点，而且，该协议还假设每个节点有多个不同且互不干扰的无线收发器。MR-LQSR是一种称为累计传输时间的判据和链路状态源路由协议（LQSR）的结合。9.4.3 可预测的无线路由协议（PWRP）可预测的无线路由协议（PWRP）是Tropos公司开发的应用于其“Wi-Fi蜂

21、窝网络户外系统”的私有路由协议。该协议并非只按跳数来进行路由选择，而是通过比较数据误包率及其他网络条件来选择特定环境下的最优路径。PWRP是基于传统的有线网络（如因特网）路由协议OSPF改进的，针对Wi-Fi无线网状小区应用而设计。PWRP选择可达到最大吞吐量的路径来传输到达有线网关的信息，减小了射频干扰、路径故障以及业务载荷等因素的影响。PWRP适用于大规模网络，具有路由开销小等优点。9.4.4 单收发器多信道路由协议（MCRP）WMN的性能通常因用户的增加而迅速降级，信道共享是造成这种情况最主要的原因之一。现有大部分设备都是单收发装置，节点在一个时刻只能侦听一个信道，这些因素使得多信道路由设计变得十分复杂。单收发器多信道路由协议（MCRP）是由UIUC大学Jungmin So等人提出的。MCRP支持在同一区域中同时使用互不干扰的多信道资源。MCRP在网络层完成信道管理工作，MAC层不需做任何修改。9.4.5 高吞吐率路由（SrcRR）协议SrcRR 协议是在分析DSR+ETX（动态源路由+期望传输次数）协议弊端的基础上提出的。 （DSR+ETX协议带来的吞吐量十分有限）SrcRR协议主要运用如下新技术：使用自适应传输速率控制