第16章无线Mesh网络

第16章无线Mesh网络第一页，共40页。内容提要16.1概述16.2无线Mesh网络的结构16.3无线Mesh网络MAC协议16.4无线Mesh网络路由协议16.5无线Mesh网络的应用模式第二页，共40页。9.1概述无线Mesh网络(WMN，WirelessMeshNetwork，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，仍然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AdHoc网络技术有着非常密切的联系。第三页，共40页。16.1.1无线Mesh网络的起源WMN的出现是应用需求直接推动的结果。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AdHoc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。第四页，共40页。传统基站方案的无线通信系统第五页，共40页。WMN技术应运而生为了能够实现无线通信中无处不在的通信目标，需要基于移动AdHoc网络的技术基础，开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术，WMN技术就随着这一需求而出现。第六页，共40页。WMN结构示意图第七页，共40页。WMN与移动AdHoc网络、WLAN

和WBAN的关系示意图

第八页，共40页。16.1.2移动AdHoc网络向无线Mesh网络的演进

移动AdHoc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。第九页，共40页。移动AdHoc网络的演进第十页，共40页。分级移动AdHoc网络第十一页，共40页。基于WLAN的移动AdHoc网络第十二页，共40页。WiMAX作为Wi-FiMesh拓扑的回程第十三页，共40页。WiMAX作为Mesh拓扑内回程第十四页，共40页。WiMAX作为客户端的接入网第十五页，共40页。趋势从移动AdHoc网络的发展历史及未来趋势可见，无线网络的多跳连接将成为下一代无线通信网络发展的必然趋势，可以为用户提供真正的无处不在的连接(UbiquitousConnection)。下一代无线网络在结构和技术上向Mesh结构演进是必然趋势。第十六页，共40页。16.1.3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)投资成本降低。(4)网络配置和维护简便快捷。第十七页，共40页。2.无线Mesh网络与WLAN(Wi-Fi)的主要区别从拓扑结构上看，WLAN是典型的点对多点(P2MP，PointtoMultiplePoints)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)从协议上看，WMN与移动AdHoc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十移动IP；但WMN则主要是动态的按需发现的路由协议，只具有较短暂的生命周期。第十八页，共40页。3.无线Mesh网络与移动AdHoc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AdHoc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AdHoc网络中的节点，所以WMN注重的是“无线”，而移动AdHoc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AdHoc网络多为随意移动(包括高速移动)的网络拓扑。(4)WMN与移动AdHoc网络的业务模式不同，前者节点的主要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AdHoc网络主要用于军事或其他专业通信。第十九页，共40页。16.1.4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。

第二十页，共40页。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，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。第二十一页，共40页。16.2无线Mesh网络的结构16.2.1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.混合网络结构第二十二页，共40页。WMN平面结构第二十三页，共40页。WMN分级结构第二十四页，共40页。WMN混合结构第二十五页，共40页。中国某城市超级城市WMN结构第二十六页，共40页。16.2.2802标准族对Mesh结构的支持1．802.16对Mesh结构的支持第二十七页，共40页。WiMAX基于Mesh的无线宽带接入结构图

第二十八页，共40页。2．802.11s对Mesh结构的支持IEEE新成立了一个IEEE802.11s子工作组，制定标准化的扩展服务集(ESS)，即802.11s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。第二十九页，共40页。3．802.15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802.15WPAN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802.15.3a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480Mb/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IEEE802.15.4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。

第三十页，共40页。ZigBee协议结构第三十一页，共40页。4．802.20对Mesh结构的支持

802.20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。

第三十二页，共40页。16.3无线Mesh网络MAC协议

在MAC协议上，WMN承袭了IEEE802.11标准中的很多技术，特别是802.11s标准更是专门针对传统的802.11MAC协议扩展成为支持网状结构的新的协议，另外802.16MAC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WMNMAC协议等。第三十三页，共40页。16.4无线Mesh网络路由协议WMN是一种特殊的移动AdHoc网络，移动AdHoc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、基于目的序号距离矢量(DSDV)协议、按需距离矢量(AODV)协议、基于关联性的路由(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(MR-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。第三十四页，共40页。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第三十五页，共40页。16.5无线Mesh网络的应用模式WISP模式WISP即无线ISP，又可称为WLAN运营商。随着802.11b成为工业标准，运营商已经采用WLAN提供因特网的接入。WISP可以在公共场所(如机场、酒店、咖啡馆、茶馆等地方)架设自己的基站，提供无线上网的服务。用户使用移动终端设备(笔记本电脑、商务手机或PDA)可以在无线覆盖区域安全方便地获得高速因特网接入服务，速率最高可达11~54Mb/s。

第三十六页，共40页。WISP摸式的WMN