无线网状网络.docx

1、无线网状网络无线网状网络1 概述1 随着网络技术的发展以及人们对于网络越来越强的依赖性，人们希望能够随时随地接入因特网。目前，用户无线上网的手段主要有两种：1）在蜂窝网络中，通过2G的GPRS技术或3G网络接入无线基站，进而接入因特网；2）在学校、机场等公共场合，通过802.11无线局域网接入因特网。这两种方式都是集中式的无线接入，信号稳定、性能可靠、维护管理方便。但前者建立基站的代价高，用户上网费用高；后者覆盖范围小，难以实现大范围覆盖。无线网状网络（wireless mesh network，WMN）是在移动自组网基础上发展起来的一种新的无线网络技术，由于带宽高、易组网、成本低、覆盖广和性

2、能稳定等优势，被认为是下一代无线网络的关键技术，近几年受到学术界与工业界的广泛关注。 WMN由两类节点组成：mesh路由器和mesh客户。Mesh路由器除具备传统无线路由器作为网关/网桥的路由能力外，还包含支持mesh组网的路由功能。Mesh路由器之间通过无线链路形成多跳网状网络，构成mesh骨干。Mesh客户可直接接入mesh路由器，也可通过其它mesh客户接入mesh网络。mesh客户之间也可以通过无线链路形成多跳网状网络。虽然mesh客户也可以像路由器一样进行mesh组网，但其硬件平台和软件比mesh路由器要简单得多，比如，mesh客户的通信协议可以是轻量级的，没有网关或桥接功能，只需要

3、一个无线接口等。Mesh路由器中的网关/桥接功能允许WMN与其它各种网络连接，配备有无线网卡的传统节点可以通过无线方式连接到mesh路由器，进而连接到WMN；没有无线网卡的用户可以通过有线方式（如以太网）连接到无线mesh路由器上，再接入WMN。总之，WMN将极大地方便用户实现随时随地上网。无线mesh网络由于在提供大范围无线骨干方面的灵活性而在最近几年受到很大关注。WMN可能的应用包括无线宽带服务、社区网络、实时监视系统、高速城域网等。2 网络架构及特点2.1 无线网状网络的结构类型1 （1）架构/骨干式WMN（Infrastructure/backbone WMN） 在这种结构中，mesh

4、路由器构成mesh网络的主干，mesh客户通过mesh路由器接入WMN，部分mesh路由器作为网关与其它类型的网络连接（包括接入因特网），如图1所示。除最常见的IEEE 802.11以外，mesh主干也可以使用其它无线技术建立。使用以太网接口的用户可通过以太网链路连接到mesh路由器，与mesh路由器具有相同无线接口的用户可直接连接到mesh路由器，使用不同无线接口的用户首先接入各自的基站，这些基站通过以太网链路连接到mesh路由器。 （2）对等式WMN（Client WMN） 这种结构仅由mesh客户组成。所有mesh客户通过无线链路形成对等网络，每个mesh客户要执行路由及配置功能，并向客

5、户提供终端应用。由于节点不需要具有网关或中继功能，所以不需要Mesh路由器。对等式WMN通常使用一种类型的无线技术，因此实际上和常规移动自组网是一样的。相比于架构式WMN中的mesh客户，对等式WMN中的mesh客户需要更强的功能。 （3）混合式WMN（Hybrid WMN） 这种结构是架构式WMN和对等式WMN的结合，mesh客户可以通过mesh路由器或其它mesh客户接入网络，如图2所示。在这种结构中，mesh主干提供了到其它网络（如因特网、Wi-Fi、WiMAX、蜂窝网络及无线传感器网络）的连接，而mesh客户在WMN内部进一步改进了连接性和覆盖性。 图1 架构/骨干式WMN图2 混合结

6、构的WMN WMN的特性概括如下（由于混合式WMN具有WMN的全部优点，因此这里考虑的是混合式WMN）： WMN支持自组织组网，具有自形成、自愈合和自组织的能力。 WMN虽说是一种多跳无线网络，但它有一个无线骨干。 Mesh路由器较少移动且专门执行路由与配置功能，从而大大减轻了mesh客户与其它终端节点的负担。 通过无线骨干很容易支持终端节点的移动。 Mesh路由器可集成包括有线网络和无线网络在内的异构网络，因此WMN可支持多种类型的网络接入。 Mesh路由器和mesh客户具有不同的电源使用限制，mesh路由器通常不移动且有持久的电源供应，而mesh客户则一般是移动的且由电池供电。 WMN并不

7、是独立运行的，需要与其它无线网络相兼容和互操作。因此，WMN并不仅仅是另一种类型的移动自组网，与常规移动自组网相比增加了很多功能，而实现这些新的功能需要新的算法和设计。2.2 一个架构式mesh网络的实例2（1）网络结构2描述了一个可自配置的、安全的架构式mesh网络的设计与实现。其设计称为MeshCluster，如图3所示。图3 MeshCluster参考结构 MeshCluster架构由中继节点和网关节点两种网络节点组成，中继节点是支持接入和中继两种无线网络接口的多射频系统（有多个射频电台，支持不同的无线技术），而网关节点支持中继和因特网回程（back-haul，up-link）接口。端用

8、户移动节点（Mobile Node，MN）使用接入接口接入网络。中继接口用于在中继节点和网关节点之间构造一个自配置的包转发骨干。接入链路可以基于3G或802.11，中继链路可以基于802.16或802.11。 网关通过有线（以太网）或无线（如802.16）上行链路连接到因特网。中继节点和网关节点的放置取决于部署的场景。比如，向端用户提供宽带接入的城域网，中继节点可以安放在电杆上，网关节点放置在市区的数据中心。建筑物（如会议中心、博物馆）内的mesh网络可以采用类似的放置方法。在以上场景中，中继节点是固定的。在为灾难恢复、户外事件而临时建立的mesh网络中，中继节点可以任意放置且是准静态的。在军

9、事应用中，汽车里的战士使用中继节点通过远程网关节点与指挥控制中心通信，中继节点的移动性可能很大。 （2）自动配置有一个MeshCluster-Manager实体（可以和网关放在一起），执行管理和监控功能，如为接入链路和中继链路分配频率和功率、平衡中继簇的负载、支持移动和鉴别等。节点使用一个安全注册和自动配置协议向MeshCluster-Manager注册。 中继节点启动时初始化一个自动配置代理，该代理使用一个或多个中继接口监听其所在区域中所有自组网的ESSID广播。对于每一个ESSID广播，代理首先发送BSSID广播加入相应的自组网，然后从零配置地址空间169.254.*.*中选择一个IP地址

10、，加入到中继骨干中。中继节点然后监听由已加入MeshCluster的中继节点周期性接收和重广播的网关通告消息，消息中包含了网关能力信息（如因特网回程链路速度）、中继节点容量以及经过该中继节点的最佳路由等。代理与一个或多个选定的网关进行配置会话，网关的选择可以按照距离最近（跳数最少）、负载最轻或容量最高等原则来选择。 自动配置协议支持鉴别，代理可以使用安全信任状（如数字证书或保存在节点防窜改硬件中的对称密钥等）与网关进行相互鉴别。中继节点向网关传送自己的能力信息（如射频接口的数量及类型）及观察到的环境信息（如不同频段上可见的邻居、干扰等），这些信息对网关分配频率非常有用。网关向中继节点传送配置参

11、数，如接入的ESSID、中继和接入接口上使用的频率、功率水平、移动方法、编址方案、任何路径特定信息等。配置会话结束后，释放零配置地址，但安全参数保留以便用于将来的重配置。 （SSID是Service Set Identifier的缩写，意为服务集标识。SSID技术可将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每个子网络都需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入本网络。SSID也可以写成ESSID，用来区分不同的网络。SSID通常由AP广播出来，通过XP自带的扫描功能可以查看当前区域内的SSID。无线网卡设置了不同的SSID就可以进入不同网络

12、，只有设置了相同SSID的节点才能互相通信。BSS是Basic Service Set的缩写，是一种特殊的自组织局域网的应用，一群计算机设定相同的BSS名称即可自成一个group，而此BSS名称即为BSSID。零配置联网是IETF零配置工作组正在做的一项工作，希望能够方便一群节点组网，实现：1）不需要DHCP服务器来分配IP地址；2）不需要DNS服务器进行域名和IP地址的转换；3）不需要目录服务器来搜索服务；4）不需要MADCAP服务器来根本多播地址。（3）路由协议路由协议采用增强的AODV，称为AODV-ST（spanning tree）。AODV-ST是一种混合路由协议，它采用主动策略积极

13、维护中继节点到每个网关节点（常见的通信情形）的最佳路由，大大减小中继节点和网关节点之间的路由发现延迟，而采用按需路由发现策略建立中继节点之间（不常见的通信情形）的路由。图4是有7个中继节点和两个网关节点的简单拓扑，以每个网关节点为根形成一棵最佳生成树，中继节点位于两棵树上，并选择可获得最佳性能（取决于所用的路由测度）的网关作为自己的缺省网关。图4 网关特定的生成树3 关键设计要素1影响WMN性能的关键设计要素概括如下： （1）无线技术近些年提出了多种提高无线系统容量及灵活性的方法，如有向和智能天线、多输入多输出（MIMO）系统、多无线电/多信道系统等。为进一步提高无线通信的性能及高层协议对无线

14、通信的控制能力，更先进的无线技术被应用到通信中，如可重配置无线电（reconfigurable radios）、频率敏捷/认知无线电（frequency agile/cognitive radios）、软件无线电（software radios）。尽管这些无线技术尚在发展初期，但由于它们突出的动态控制能力而被认为是未来无线网络的平台。这些先进的无线技术均要求高层协议进行革命性的设计，尤其是MAC层和路由协议。（2）可扩放性扩放性是对WMN的一个基本要求，否则当网络规模增大时性能会有极大下降，如路由协议可能找不到可靠的路径、传输层协议可能丢失连接、MAC层协议可能导致严重的吞吐量下降等。为保证W

15、MN的可扩放性，从MAC层到应用层的所有协议都必须是可扩放的。（3）网状连接WMN的许多优点来自于网状连接。为确保可靠的网状连接，需要网络自组织和拓扑控制算法。拓扑感知（topology aware）的MAC协议和路由协议能够极大提高WMN的性能。（4）宽带和QoS不同于常规的移动自组网，WMN的大多数应用是具有不同QoS要求的宽带业务，因此除了端到端延迟和公平性之外，通信协议必须考虑更多的性能参数，如延迟抖动、集合吞吐量和每节点吞吐量、丢包率等。 （5）安全 尽管近些年来针对无线局域网已经提出了多种安全方案，但这些方案不能完全适用于WMN。比如，由于采用分布式系统架构，WMN中没有一个集中式

16、的认证权威可以分发公开密钥。针对移动自组网而提出的安全方案可以用于WMN，但大多数这样的安全方案还不够成熟，而且由于移动自组网与WMN架构上的差异，这些方案应用到WMN中是低效的。 （6）易于使用 所设计的协议必须使得网络尽可能自治。除此之外，需要开发网络管理工具来有效地维护WMN的运行、监视WMN的性能、配置WMN的参数。这些管理工具以及网络协议中的自治机制允许人们快速部署WMN。 （7）兼容性和互操作性 在WMN中，同时支持常规用户和mesh客户是一个缺省的要求。因此，WMN需要向后兼容常规客户节点，这要求mesh路由器能够集成异构无线网络。4 研究现状及挑战1 WMN的特性及设计要求给W

17、MN的通信协议提出了许多挑战性问题。尽管近年来在WMN的研究和开发上已经取得了一些进展，但许多问题依然存在：例如网络容量的理论上界和下界如何计算，各层上的协议如何改进（WMN的架构和特性与以往的有线网络和WLAN都不同，因此原有协议栈中的协议在WMN中多多少少都需要改进），新的网络管理方法如何设计，网络安全性如何加强等。4.1 网络容量的理论研究已经有不少人在对移动自组网容量进行研究。考虑到WMN和移动自组网的相似性，这些研究结果也许可以借鉴。有人给出了移动自组网容量的理论上界和下界3。研究指出提高移动自组网容量的指导方针是：每个节点只和邻近节点通信。为此，建议了两种主要的实现方案：部署中继节

18、点，节点成簇。换句话说，与较远节点的通信应当通过中继节点或簇。然而，考虑到像移动自组网、WMN这样的分布式系统，节点分簇或分配中继节点是一项困难的任务。3中采用的分析方法极大地推动了无线网络容量的研究，但是该方法有两个缺点。一是没有充分考虑网络协议的特性：不同的媒体访问控制、功率控制和路由协议对无线网络容量的影响很大，但分析方法使用了过于简单的模型。二是网络容量的理论边界是基于渐近分析（网络规模或节点密度趋向无穷大）得到的，这些结果不能反映出给定规模网络的确切容量，特别是当节点数量较小时。此外，由于WMN与移动自组网的差异，移动自组网的分析结果可能不能直接应用于WMN。因此，需要专门针对WMN

19、进行网络容量的理论研究。4.2 通信协议栈 4.2.1 物理层 （1）先进的物理层技术 已有一些先进的物理层技术可以应用于WMN： 利用不同调制技术与编码速率的组合来支持多种传输速率，从而可以通过链路调整来提供自适应容错能力。（自适应容错（adaptive error resilience）：视频压缩在消除时空冗余的同时也降低了视频流的容错能力，很容易因传输出错而导致解码错误。一种自适应容错编码转换技术可以根据视频流的特性（如传输出错造成误差传播的严重性）及根据反馈信道的统计数据估算的客户信道条件来指导信源和信道编码资源的分配。） 支持高速传输的正交频分多路复用（Orthogonal Freq

20、uency Division Multiplexing，OFDM）技术和超宽带（Ultra-WideBand，UWB）技术。 提高信道容量和信道可靠性的多天线系统，如天线分集、智能天线、多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）系统等。（天线分集：根据信号论原理，若有其他衰减程度的原发送信号副本提供给接收机，则有助于接收信号的正确判决。这种通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法被称为分集。分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的

21、不良影响。） 可获得更高频谱利用率和可行频率规划的频率捷变无线电（frequency-agile radios）或认知无线电（cognitive radios），这些技术可动态捕获未占用的频谱。在软件无线电平台上实现认知无线电是最有效的解决方案，因为一个无线电台的所有组件，如射频波段、信道接入方式和信道调制，都是可编程的。尽管软件无线电平台还不是一个成熟的技术，但未来将是无线通信的一项关键技术，因为它允许所有先进的物理层技术是可编程的。(认知无线电：认知无线电是可以感知外界通信环境的智能通信系统。认知无线电技术能够感知并分析特定区域的频段，找出适合通信的“频谱空洞”，利用某些特定的技术和处理，

22、在不影响已有通信系统的前提下进行工作。软件无线电在一个开放的公共硬件平台上利用可编程的软件方法实现所需要的无线电系统。理想的软件无线电应当是一种全部可软件编程的无线电，并以无线电平台具有最大的灵活性为特征。全部可编程包括可编程射频（RF）波段、信道接入方式和信道调制。)（2）开放的问题： 为了在较大区域的网络中获得较高的传输速率，需要除OFDM和UWB之外的新的宽带传输技术。多天线系统已经研究了很多年，但是它们的复杂性和代价还太高，无法被大规模商业化。频率敏捷技术还在发展初期，在它们被商用应用接受之前还需要艰苦的努力。 为充分利用物理层技术的先进特性，高层协议（尤其是MAC层协议）需要与物理层

23、相互作用。因此，物理层上的某些组件必须允许高层访问或控制它们，这使得硬件设计更困难，这也激发了低成本软件无线电技术的创新。4.2.2 MAC层 WMN的MAC层与经典无线网络的MAC层有较大差异： WMN的MAC层关注多跳通信（而不是单跳通信）； MAC层是分布式的，需要协作，并为多点-多点通信而工作； 为使邻居节点之间、多跳距离的节点之间更好地协作，需要网络自组织功能； 节点移动较少，但仍会影响MAC层性能。WMN的MAC层协议可以被设计为工作在单信道或同时工作在多个信道上，为此WMN的MAC层协议分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。（1）单信道MAC协议 通常使用以下三种方法来设计WM

24、N的单信道MAC层协议： 修改已有的MAC协议。比如，在一个IEEE 802.11的网状网中，可以通过调节CSMA/CA的参数（如竞争窗口、回退过程等）来改进MAC协议。但是这种方法只能获得较低的端到端吞吐量，因为它不能显著减小邻居节点之间的竞争概率。 跨层设计。这一类方法主要有基于有向天线的MAC协议和具有功率控制的MAC协议两种。如果天线波束是理想的，第一类方法可以消除暴露节点，但会产生更多的隐藏节点。这一类方法还面临其它的困难，如成本、系统复杂性、快速操控有向天线的实际问题等。第二类方法使用较低的传输功率，减少了暴露节点（尤其在密集网络中），从而提高了频谱的空间重用因子。然而隐藏节点问题

25、可能变得更糟糕，因为较低的传输功率水平减小了检测出潜在干扰节点的可能性。 提出新的MAC协议。由于在多跳网络中的扩放性差，随机访问协议（如CSMA.CA）不是一种有效的解决方案，因而重新回到基于TDMA或CDMA来设计MAC层协议是很有必要的。到目前为止，几乎没有供WMN使用的TDMA或CDMA MAC协议，原因可能有两个。一是开发一个使用TDMA或CDMA的分布式协同MAC协议的复杂性和代价都很高，其次是TDMA（或CDMA）MAC协议与现有MAC协议的兼容性。比如，IEEE 802.16的原始MAC协议是集中式的TDMA，尚没有用于IEEE 802.16 mesh网络的分布式TDMA MA

26、C协议。在IEEE 802.11WMN中，如何在CSMA/CA之上设计一个分布式的TDMA MAC协议是一个有意义但困难的问题。（2）多信道MAC协议 为进一步改进网络性能和提高WMN的网络容量，一种较好的方案是允许节点工作在多个信道上，而不是只在一个固定的信道上。取决于所使用的硬件平台，需要开发不同的多信道MAC协议。 多信道单收发器MAC协议。如果考虑到代价和兼容性，首选每电台一个收发器的硬件平台。由于只有一个收发器可用，每个节点任一时刻只有一个信道是活动的，但是不同的节点可以同时工作在不同的信道上。为协调节点间的传输，需要相应的MAC协议（如multi-channel MAC）。 多信道

27、多收发器MAC协议。在这种情况下，一个电台包括多个并行的射频前端芯片和基带处理模块，以同时支持几个信道。在物理层上面，只需要一个MAC层模块协调多个信道的活动。到目前为止，尚没有提出针对WMN的多信道多收发器MAC协议。 多电台MAC协议。在这种情况下，一个节点有多个电台，每个电台有自己的MAC层和物理层，这些电台中的通信完全是独立的。因此，在MAC层上面需要一个虚拟MAC协议（如multi-radio unification protocol，MUP）来协调所有信道中的通信。事实上，每个电台还可以有多个信道，但从设计和应用的简单性角度考虑，每个电台通常分配一个固定的信道。（3）开放的问题：

28、可扩放的MAC协议。多跳自组织网络中的扩放性问题目前还没有完全解决。大多数已有的MAC协议只解决了部分问题，而同时又产生出新的问题。为使MAC协议真正是可扩放的，必须提出新的分布式协同方案来确保网络性能（如吞吐量、QoS参数等）不会随着网络规模的扩大而下降。很显然，多信道MAC协议可以比单信道MAC协议获得更高的吞吐量，但为了提高频谱效率和每信道吞吐量，可扩放的MAC协议需要考虑多个信道的整体性能改进，因此开发一个可扩放的多信道MAC协议比单信道MAC协议难度更大。 MAC/物理层跨层设计。当使用先进的物理层技术（如MIMO和认知无线电）时，必须提出新颖的MAC协议（尤其是多信道MAC协议）来

29、利用物理层提供的灵活性。 MAC层上的网络集成。Mesh路由器负责不同无线技术的集成，因此MAC层上必须开发先进的桥接功能，以使不同的无线电台，如IEEE 802.11、802.16、802.15等，可以无缝地一起工作。可重配置无线电/软件无线电和相关的无线电资源管理方案可能是桥接功能的最终解决方案。4.2.3 路由层 尽管已经为移动自组网提出了许多路由协议，但WMN的路由协议依然是一个活跃的研究领域。一个最佳的WMN路由协议必须能够利用以下特性： 多种性能测度。许多已有的路由协议使用最小跳数作为路由选择的性能测度，这在 许多场合下是不可够的。 可扩放性。在一个非常大的无线网络中建立或维护路径

30、可能需要很长的时间，因此使用一个可扩放的路由协议是非常必要的。 健壮性。为避免服务中断，WMN对于链路失效或拥塞必须是健壮的。路由协议也需要执行负载均衡。 Mesh架构上的有效路由。考虑到mesh路由器极少移动且没有能量消耗的限制，mesh路由器中的路由协议应比移动自组网中的路由协议简单得多。有了mesh路由器提供的mesh骨干，mesh客户的路由协议也可以设计得比较简单。现有的自组网路由协议已经考虑了某些特性，但没有一个利用了所有这些特性： 能够采用各种性能测度的路由协议。有人利用链路质量源路由协议LQSR（Link Quality Source Routing）研究了路由测度对多跳无线网络

31、路由的影响，LQSR根据链路质量测度选择路由。试验了三个路由测度，分别为expected transmission count（ETX）、per-hop round trip time、per-hop back-to-back packet delay，并与最小跳数路由进行了比较。实验发现，对于静止节点，使用ETX测度选择的路由最好；对于移动节点，使用最小跳数选择的路由最好。 多电台路由。MR-LQSR（multi-radio LQSR）假设每个节点的所有电台均被调谐到互不干扰的信道上，并且这种分配不常改变。MR-LQSR使用了一种新的性能测度，称为WCETT（weighted cumulat

32、ive expected transmission time）。WCETT同时考虑了链路质量测度和最小跳数，因此在延迟和吞吐量之间取得了较好的折衷。 多路径路由。多路径路由在源节点和目的节点之间选择多条路径，主要目的是为了平衡负载和提高容错性。但性能的改进取决于源节点和目的节点之间是否存在节点分离的路径，并且这种方法的复杂性较高。 层次路由。层次路由主要基于对节点进行分簇。当节点密度较大时，分层路由协议由于开销小、平均路径长度短和路由建立过程快，容易取得好的性能，但维护簇层次结构的复杂性可能损害路由协议的性能。在WMN中，应避免使mesh客户成为簇头，因为mesh客户资源有限，容易形成瓶颈。 地理路由。根据节点位置进行路由，对拓扑改变的适应性较好。对于WMN中的路由协议，以下问题仍然没有解决： 扩放性。分层路由协议由于自身的复杂性和管理难度，只是部分地解决了扩放性问题。地理路由协议依赖于GPS