无线Mesh网络关键技术分析

题目：无线Mesh网络关键技术分析姓名：学院：信息科学与技术学院系：通信工程系专业：年级：2011级学号：2012年6月30日无线Mesh网络关键技术分析第1页无线Mesh网络关键技术分析摘要随着计算机和通信技术的发展，无线广域网、无线城域网、无线局域网、卫星通信网、蓝牙网络等多种无线网络系统正逐步代替传统有线网络成为互联网接入的最后一跳。而作为“最后一公里”的无线Mesh网络正在备受科学家和工程师的关注。无线Mesh网络又称为无线网状网或无线网格网，它融合了WLAN和AdHoc网络的优势，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络[1]。无线Mesh网络技术已经成为下一代无线网络下不可或缺的技术，它是依赖于已有的基础设施布置大规模无线网络的重要解决方案，它使局域网可以快速、简单的扩展到一个广域网中。在家庭宽带网、企业网、域域网、楼宇自动化以及智能交通系统中都有广泛的应用前景并成为下一代无线网络的研究热点。关键词：无线Mesh网络多信道跨层接入1.无线Mesh网络概况1.1无线Mesh网络概念无线Mesh网络（简称WMN、无线网状网、无线多条网或无线网格网）是一种多跳、具有自组织和自愈等特点的新型宽带无线网络，也是一种高容量、高速率的分布式网络。无线Mesh网络不同于传统的无线网络，它可以看成是WLAN（单跳）和移动AdHoc网络（多跳）的融合，且发挥了两者的优势。无线Mesh网络作为可以解决“最后一公里”网络接入瓶颈问题的方案，已被写入了IEEE802.16(WiMax)无线宽带接入网络标准中，目前也纳入IEEEE802.15Mesh[1]。从技术特点来看，WMN将成为未来无线域域网（WMAN）中核心网的理想组网方式，它也是迄今为止唯一一种建设商用移动AdHoc网络的可行技术。传统的无线网络必须首先访问集中的接入点才能进行无线连接。这样，即使两个802.11b的节点互相都在彼此的通信范围内，它们也必须通过接入点才能进行通信。而“Mesh”这个词原来的意思就是指全联通，即所有的节点都互相连接，所以在无线Mesh网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。Mesh网络技术原是一项军方技术，随着人们对IEEEE802.11a/b和802.11g等WLAN技术的了解的深入，无线Mesh网络才逐步成为企业界和消费无线Mesh网络关键技术分析第2页者瞩目的焦点。1.2无线Mesh网络的框架传统的无线接入技术中，主要采用的是点对点的拓扑结构。例如移动AdHoc网络和IEEE802.11无线局域网就分别是点对点的网状网络和点到点的星形网络的代表。在这种拓扑结构中一般都寻在一个中心节点，例如移动系统中的基站、IEEE802.11无线局域网中的AP等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路连接，以此来控制无线终端对无线网络的访问；另一方面中心节点又通过有线链路与有线骨干网络相连，提供到骨干网的连接[2]。实际上，无线Mesh网络吸收了星型与网状两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合。在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，也可以说是一种多点到多点的网络拓扑结构。在这种网络结构中，各个网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳的方式相连。无线Mesh网络由两种节点组成：Mesh路由器和Mesh客户端的。除了有与普通无线网关、路由器一样的路由器能力之外，无线Mesh路由器还有另外的支持Mesh网络的路由功能。为了进一步提供Mesh网络的灵活性，Mesh路由器通常配有多个使用相同或者不同无线访问技术的无线接口。与传统无线路由器相比，无线Mesh路由器通过多跳通信系统以更低的传输能量达到相同的覆盖范围。根据节点的功能可以将无线Mesh网络的结构主要分为三类1.2.1骨干WMN骨干WMN由Mesh路由器为连接到它们上的客户端形成一个基础结构。除了最常用的IEEE802.11技术外，WMN的基础结构、骨干可以通过各种不同的无线电技术。Mesh路由器在它们自己之间形成一个自组织、自愈合的Mesh网络。Mesh路由器可以通过网关功能与Internet相连。这种方法也叫做Infrastructuremeshing，为传统客户端提供骨干网并使WMN通过Mesh路由器的网关、网桥功能与现有的无线网络的融合成可能。有以太网接口的传统客户端可以通过以太网链路与Mesh路由器连接。对于那些与Mesh路由器使用相同无线电技术的传统客户端，它们可以直接与Mesh路由器通信。如果它们使用不同的无线电技术，客户端必须通过与Mesh路由器有以太网连接的基站进行通信。基础结构、骨干WMN是最常用的类型。例如社区和邻居网络就可以用这种无线Mesh网络关键技术分析第3页类型：Mesh路由器放在社区的房顶上，作为房间里和路上的用户的访问点。一般来说，路由器上使用两种无线电技术，分别对应骨干通信和用户通信。Mesh骨干通信可以通过使用定向天线在内的远距离通信技术。1.2.2客户端WMNClientmeshing提供了客户端设备之间的对等网络。在这种构架类型下，客户端节点构成了实际的网络以完成利用和配置功能。同时为客户提供终端用户应用。因此在这种网络中不需要Mesh路由器。在客户端WMN中，发向网内节点的数据包通过多个节点转发到目的地。客户端WMN通常使用一种无线电技术设备。此外，与基础结构WMN相比，对终端用户设备要求增加了，因为在客户端WMN中终端用户设备必须有路由和自动配置等额外的功能。1.2.3混合WMN这个结构是Infrastructuremeshing和Clientmeshing的结合。Mesh客户端与其他Mesh客户端进行直接Mesh通信的同时，可以通过Mesh路由器访问网络。而基础结构提供了与其他网络（如Internet、Wi-Fi、WiMAX、蜂窝网、传感器网络等）的互联[2]；客户端的路由能力在WMN中提供了更好的连通性和更大的覆盖范围。混合架构将是最有应用前景的方案。1.3无线Mesh网络的特点无线Mesh网络实在Ad-hoc网络的基础上发展起来的，它继承了Ad-hoc的优点，又有它自身的特点。⑴具有Ad-hoc网络的特点由于传统WLAN在大面积开放区域显得力不从心。无线Mesh网络在诞生之初的没变就是能够在不牺牲网络运行效率的情况下扩展现有无线网络的覆盖范围。为了能够实现这个目标，无可避免的采用了多跳Mesh网络。在多跳Mesh网络构架中，无线链路间的距离更短、发射功率更小、节点间的干扰更少和重用效率更高，这样不仅能够提供大面积的无线区域覆盖和真正的平滑漫游能力，更能提升网络的系统容量，提高网络的运行效率。无线Mesh也具有Ad-hoc网络结构灵活、易于部署和配置、容错以及网状连接多点到多点通信的那个特点，使得无线Mesh网络的初始部署成本低，并且可以根据需要来逐步扩容。自组织和自愈能力使得无线Mesh网络不需要网络管无线Mesh网络关键技术分析第4页理员进行网络的配置，而是自动发现新节点，自动完成网络配置过程，自动维护网络正常运行，在出现节点或者链路故障时也可以自动调整完成网络自愈。⑵与Ad-hoc网络的不同之处①无线Mesh路由器通过无线连接组成网络骨干，实现大范围的覆盖和连接。而Ad-hoc网络中，用户节点直接连接组网，可靠性不太高。②无线Mesh网络支持与Mesh路由器网络使用相同射频技术的传统节点。因为Mesh路由器具有主机路由功能。无线Mesh网络还能与现有的各种网络兼容，如前面所述，这样，一个网络中的用户通过无线分层结构可以获得其他网络的服务，这是一个很有前景的应用。③在Ad-hoc网中所有节点都具有移动性和功率控制要求，而在无线Mesh网络中，路由器的移动性和功率控制要求低，另外，现有路由协议认为MAC协议时透明的，然而在无线Mesh网络中，需要考虑层间协作以提高路由性能。另外，无线Mesh网络和Ad-hoc网络在功率控制和移动性要求方面也略有不同。④在Ad-hoc网中，所有节点可以为其他节点提供路由功能，但是无线Mesh网络中，Mesh路由器专门实现这些功能，这样用户节点的负担就会大幅度减轻，就可以降低这些节点的功率开销，增加其待机时间。另外也降低了对用户节点的功能要求和价格[3]。⑤Mesh路由器可以使用多电台和多网卡的技术，以便增强路由和接入功能，这样可以有效分离无线网络中的两种流量（路由器的上行链路和下行链路）。用户可以以不同的电台接入，有效改善了网络的流量。而在Ad-hoc网络中，路由等接入等功能都是在相同的信道内心境，限制了网络性能。⑥移动性方面，Ad-hoc网络用户节点实现用户功能，网络和互联都依赖于中的终端节点的一大，增加了路由和配置实现的难度。根据上面这些结合Ad-hoc不同的特点，可以总数无线Mesh网络具有以下自身的优点：①无线Mesh网络具有多跳性和大容量，它最大的作用就是在不牺牲现有无线网络的频率资源的同时扩大它们的覆盖范围。多跳还可以充分实现频率再用，提高频谱利用率，借此提高网络的容量。无线Mesh网络关键技术分析第5页②Mesh路由器具有较小的移动性，便于供电，这样在设计物理层、MAC层和路由层协议时，不需要过于考虑路由器的功率问题。③无线Mesh简化了网络的维护与升级，每个节点都可以有多条可选路由，因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行，方便了网络的维护。2.基于多信道的无线Mesh网络2.1无线Mesh网络中的多信道MAC协议近几年来，在多信道MAC协议上有很多研究成果，主要有以下几种：按控制信道分为有专用控制信道的多信道MAC协议和无专用控制信道MAC协议：按节点拥有的网络接口数分为多接口多信道MAC协议和单接口多信道MAC协议。2.1.1DCA协议动态信道分配（DCA，DynamicChannelAssignment）是具有专用的控制信道、2个网络接口的多信道MAC协议[4]。在MAC协议中，假定有一个控制信道，N个数据信道，每个信道具有相同的带宽。控制信道用来解决数据信道上的冲突和每个节点分配数据信道的问题：数据信道用来传输数据分组和确认分组。每个节点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节点交换控制信息，获得接入数据信道的权力；数据收发器动态地切换到分配好的数据信道上传输数据分组和确认分组。每个节点维护两个数据结构：CUL和FCL。CUL（ChannelUsageList）称为信道使用列表。表中的每个条目CUL[i]保存着邻居节点什么时候使用信道的信息。CUL[i]有三个域：CUL[i].host是它的邻居节点号、CUL[i].ch是CUL[i].host所使用的信道、CUL[i].rel_time是CUL[i].host信道CUL[i].ch的释放的时间。每个节点分布式地保存CUL表，实时更新。但由于网络延时，记录的信息可能不精确；FCL（FreeChannelList）为空闲信道列表，它表示一组空闲的数据信道，是依据CUL动态计算出来的。DCA的主要思想如图2.1所示。若节点A要与B进行通信，A发送RTS到B，RTS携带了A的FCL。B收到RTS后，将RTS与它自己的CUL对比，找到一个可用的数据信道，然后回复CTS。A收到B的CTS后，发送一个RES（Reservation）分组，以防止邻居节点使用此信道。同样，B用CTS控制它的邻节点使用此信道。无线Mesh网络关键技术分析第6页所以这些数据交互都是通过控制信道来传送的。最后，数据分组将在选择的数据信道上发送。由于网络中所有节点都在侦听控制信道，素以可以再控制信道发送广播分组。图2.1DCA的通信过程2.1.2MMAC协议MMAC（Multi-channelMAC）主要是为了配置了一个网络接口的节点而设计。网络中的节点一次只能侦听一个信道，为了使用多信道，节点的网络接口不得不在可用信道之间动态切换，着就需要一种协调机制，保证通信的两个节点都工作在相同的信道上。MMAC协议利用了802.11节能机制的同步功能，时间轴被划分为信标间隔（BeaconInterval），在每