新型宽带无线网络技术_无线网状网

新型宽带无线网络技术_无线网状网 硕博论文 * 新型宽带无线网络技术无线网状网 —— 112 伟 肖明波 姚 谢彦 , , 厦门大学通信系 厦门 ( 1.361005; 清华大学微波与数字通信国家重点实验室 北京 2.100084) 无线网状网技术是一种具有良好市场应用前景的新型宽带无线网络技术本文首先简要介绍了 。 无线网状网的产生和发展然后针对无线网状网的定义特点应用以及影响网络性能的关键因, 、、 素等最核心的几个问题进行了初步的探讨和, 。 关键词 无线网状网自组网无线多跳 ; ; 备路由选择的功能而且每个节点只与其邻近节点进行通如 信, , 引言1 图 所示在网络 中既是业务的使用者又是业务的提供者1 。MN , 即具有数据的转发功能可以向网络中的其他节点或 , ( MN AP) 无线网状网是一种新型的宽( wireless mesh net,w WorMkN) 转发它所接收到的数据包该 吸收了星形网与网状网两种 W。MN 带无线网络架构由于具备不同于传统无线网络的特点该技术 , , 网络的优点是对两者的一种无缝融合具体来说可以看 , 。, WMN 在灵活组网提高网络覆盖率增加网络容量减少前期投资等、、、 作是 和 网络的融合发挥了两者的优势而这种融 WLAN ad hoc , , 合是通过在网络节点上执行 协议来 WMR( wireless mesh rou) ting 诸多方面都显现出很大的优势 尤其适合用于宽带无线接入骨, 完成的值得注意的是这里提到的 之间是通过有线链路实 。, AP 干网目前无线网状网已经得到了国际学术界和工业界的广泛。[2]现通信的。 [1]关注并正在得到越来越广泛的应用, 。 从本质上来看这种定义方式只是将传统局域网中的单跳 , 星形拓扑用多跳网状拓扑替代对相应的协议栈进行了修改和 , 无线网状网的定义2 补充并没有考虑到无线骨干网的情况把 限制在一个局 , , WMN 部的范围相当于传统意义上的局域网的范围内因此这种 ( ) 。, 无线网状网是一种由多种类型节点构成的以网状为基本、 定义有很大的局限性只适用于少数特定的场无法体合现 , , 拓扑结构的多跳自组织和自管理的无线网络架被看成构是 、、, 的很多重要特性WMN 。 互联网的一种无线版本由于无线网状网技术具有很强。 由网关节点用户节点中继节点和网管系统组成的( 2) 、、 的应用 相关性网络拓扑节点类型组网方式等在不同的应用, 、、 场合下 都会有所不同甚至有较大差异因此很难对该技术给出, , WMN 统一确切的定义从网络组成和拓扑结构来看目前比较有代在该定义下网关节点是 和骨干网的接口一般与高 、 。, , WMN , 速路由器相连在一个 中网关节点可以有一个或多个性的 定义有以下三种。WMN , , WMN : 可以根据网络的容量和可靠性要求来逐渐增加实际上任何一 。由移动节点与接入点组成的 ( ) 1WMN个用户节点都可以充当网关节因此可以选择一个处于合点适 , 这种定义下的 主要由移动节点和接入点WMN ( MN) ( AP) 位置的节点作为网关节点用户节点直接与用户终端或用户网。 构成与传统点对多点网络不同这种 中的每个节点都具。, WMN 清华高通无线通信联合研究中心资金资助项目* “—” 的无线局域网基于 的无线个域网基于802.11 、IEEE 802.15 、 的无线城域网和无线传感器网络等客户端可IEEE 802.16 Mes。h 以是固定的也可以是移动的 它们可以自己组成一个只包括, 客户端的客户端网状也可以网和 路由器一起组成一Mesh , Mesh 个客户端网状网在这种定义方式下的 中每个节点包括 。WMN , ( 路由器和 客户端运行时不仅作为一个主机也作为 Mesh Mesh ) , 一个路由器当某些源节点想要传输数据给不在其无线直接传输 。 范围内的目的节点时就可以通过其他节点代为传送通过中继 , , [4]的方式实现源节点和目的节点之间的数据传输。 从本质上来看这种定义抓住了 最基本的两个组成, WMN 图 由移动节点与接入节点组成的 1 WMN 要素路由器和 客户端通过描述这两个要素的——Mesh Mesh , 除了提供业务接口外 还作为一个多端口的无线路由主要特点和功能以及组网的基本原比较清晰理准确而且全 面络相连,, 、, 地反映了 技术的特性这种定义不仅可以描述在局部网WMN 。 器完成其他节点业务的中继功能中继节点只包含中继功 能, 。, 用来扩展 或提高整个网络的性能网管系统主要负责对 WMN 。 络范围内应用时的 模式还可以描述在城域范围内作为WMN , 进行配置此外还具有资源分配监控认证等其他管理功 WMN , 、、 无线接入骨干网应用时的 模式以及其他更加复杂的应WMN , 能这种定义下的 一般用在城域范围内提供宽带无线接 。WMN 用模式因此作者认为这种定义是到目前为止较准确合理 。, , 、、[3]入如图 所示, 2 。 适用性较好的定义。 在本文接下来的内容中如果没有特别指明, , 所提到的 就是指采用上述第三种定义的无线网络技术 WMN 。 无线网状网的网络架构3 的网络架构根据节点功能的不同主要可以分为以WMN , 下三类: 基础设施骨干 ( 1) /WMN 这类 的网络架构如图 所示图中虚线和实 分线WMN 3 , 别代表无线和有线链路在这类 网络架构中客户端连。WMN , 接到 路由器上由 路由器为客户端形成一个基础 Mesh , Mesh 图 由网关节点用户节点中继节点和网管系统组成的 2 、、WMN 设施网这些 路由器自身形成了一个具有自配置自愈链 , Mesh 路的网状网凭借网关功能路由器可以连接到 。, Mesh Internet 从本质上来看这种定义方式是将传统接入骨干或称网为 , ( 上这种也被称为基础设施网状化的方通过使法用 。“”, Mesh 回程网中以有线方式实现的相互连接以一种无线多跳网状结 ) 、 构方式替代基于这种定义模式下的的应用 在扩大网络 。WMN , 为传统客户端提供了骨干连 并接 路由器的网关网桥功能, /, 覆盖范围减少投资成本按需灵活组网提高网络顽健性等方 、、、实现了 和现有无线网络的集成带有以太网接口的传WMN 。 面具有很大的优势因此目前大多数基于 技术的市场应 , WMN 统客户端可以通过以太网链路连接到 路由器上对于和 Mesh 。用从根本上来说都是采用这种模式但是由于其不适合描述在 。路由器采用相同无线电技术的传统客户 它们可以端直 Mesh , 局部网络范围内应用时的 模式因此存在一定的局限性WMN , , 接和 路由器通信如果客户端采用了与路由器 不 Mesh 。Mesh 无法全面体现 的特性WMN 。 同的无线电技术那么客户端必须和基站通信基站通过以太 , , 由 路由器和 客户端组成的 ( ) 3Mesh Mesh WMN网连接到 路由器上Mesh 。 在这种定义中路由器具有较小的移动性或是静止的, Mesh , 基础设施骨干 是最常用的网络架构例如可以采 /WMN 。, 并且由多个 路由器组成 的骨干网路由器既可Mesh WMN ; Mesh 用这种方法搭建社区和街区网络将 路由器放置在街区 , Mesh 内房子的屋顶为屋内和沿路的用户提供接入服务, 。 客户端 ( 2) WMN 为 客户端提供网络接入又可为传统网络客户端用户提供Mesh , 客户端网状化使客户端设备间形成了对等网络在这类网络。 网络接入在 路由器里还集成了网关和网桥功能可以实现; Mesh , 与其他网络的有机融合如互联网蜂窝网基于 WMN , 、、IEEE 形成自愈和自组织能力、。 移动特性随 节点类型的 ? Mesh 不同而不同路由器通常 。Mesh 具 有 较 小 的 移 动 性 而 , Mesh 客户端既可以是静止不动的节 点也可以是移动的节点, 。 支持多种网络接入方式 WM。N ? 既 支 持 通 过 骨 干 网 接 入 的 方 式又支持对等--, ( peertopee, r [5]的通信方式此外P2P) 。, WMN 可与其他网络集成 为这些网, 络的终端用户提供服务。? 对功耗的限制取决于 节 Mesh 图 基础设施骨干 3 /WMN 点的类型路由器通常没M。esh 有严格的功耗限制客户端可能需要功率有效的 , Mesh 架构中客户端节点组成实际的网络既为客户提供终端用户 应, , 协议例如一个具备网状网组网能力 -( powerefficien) t。, 用又完成路由和配置功能因此采用这种架构的网络不需要 , , , 的传感器就要求它的通信协议是功率有效的。 路由器其基本的网络架构如 图所示在客户 端中Mesh 。4 。WMN , 与现有无线网络兼容可互操作? , 。 预定送往网络中某节点的数据包跳经多个节点到达目的 无线网状网与 网络的区别a d hoc 地客户 端 通常在终端设备上采用同一种无线电技术。WMN 来组网此 外由于其终端用户必须执行路由和自配置等附加功, , 无线网状网来源于 网络却又不同于 网络ad hoc , ad hoc , 5 能因此与 基础设施网状化相比对终端用户设备的要求提, , 高了。 两者的区别如下由于混合 具备 的全部优点这里( WMN WMN , 将对混合 和 网络进行比较WMN ad hoc ) : 骨干网作为无线基础设施( 1) / 如前文所述包括了一个由 路由器组成的无线 , WMN Mesh 骨干网该无线骨干网可以提供大范围的无线覆盖无线连通以 , 、 及健壮的无线通信而 网络的连通性却是依赖于可能并 。ad hoc 不可靠的终端用户的个体贡献。 与传统无线网络的集成( 2) 图 客户端 支持与 路由器采用相同无线电技术的传统客 4 WMN WMN Mesh 户端这是通过 路由器的主机路由功能实现的凭借 , Mesh 。Mesh 路由器的网关网桥功能还可以集成各种现有网络如 /, WMN , 混合 ( 3) WMN -互联网蜂窝网和传感器网络WiFi、、。 如图 所示这种网络架构是基础设施网状化和客户端5 , 专用的路由和配置功能( 3) 网状化的结合客户端既可以通过与其他 客户端M。esh Mesh 在 网络中终端用户设备还要为所有其他节点执行 ad hoc , 的网状 连 接 直 接 接 入 网 络 也 可 以 通 过 路 由 器 接 入 网 , Mesh 路由和配置功能中采用了 路由器来完成这些功 。WMN Mesh 络混合 中基础设施网提供了到其他网络的连客户接 。WMN , 能因此大大降低了终端用户设备的负荷使有可能移动但能量 , , 端具备的路由能力也提高了 内的网络连通性和覆盖范 WMN 受限的终端用户可以适合于低能耗和高端应用的场合对终端 ; 围有学者认为这种混合网络架构将是 三种架构中最 。, WMN 用户设备的要求不高从而降低了设备成本, 。 [4]具应用前景的。 移动性( 4) 由于 网络通过终端用户设备来提供路由因此网络ad hoc , 无线网状网的特点4 主要有以下特点WMN : 多跳无线网络? 。 图 混合 5 WMN 拓扑和连通性依赖于用户的移动这给网络的配置部署以及层的协议对其路进行控制无线通信中采用了一些更先进的 无。、, 由协议的带来了更多的挑战线 电 技 术 如 可 重 配 置 无 线 电 技 术 率 灵 敏感 知 无 线 电 技 频。 , 、/ 术软件无线电技术尽管这些无线电技术仍处于研究、。对功耗的限制( 5) 如前文所述中对功耗的限制取决 于节点的类 的初级 阶段但是由于它们能够动态地控制无线电所以人, WMN Mesh , , 型路由器通常没有严格的功耗限制而 客户端可能 : Mesh , Mesh 们期望这 些技术能成为无线网络将来的平台这些先进的无。有网络中各个节点对功耗的限制通常都是一样的。ad hoc 。线电技术 都要求在上层协议中采用一种变革性的设计尤其, 具有良好的应用前景有不少应用是其他无线网络 WMN , 是 协 议和路由协议MAC 。 无法直接支持的正是这些应用推动了 网络技术的研 。, WMN 可扩展性( 2) 究和发展这些应用包括 宽 带 家 庭 网 络 区 和 街 区 网 社。: 、多跳通信是 中普遍使用的一种通信方式然而众所 WMN 。络 企 业 网 络 域 网 通 运 输 系 统 网 络 全 监 视 系 统 城交安、 、、、周知对于多跳组网方式通信协议面临着可扩展性问题即当 , , , : 网 络 对等网络等以上这些应用也说明了 是 、 。WMN ad hoc 网络规模扩大时网络性能会显著下降路由协议也许无法找到 。, 网络的 一 个 扩 展 集 因 此 可 以 实 现 网 ( superse)t , WMN ad hoc 一条可靠的路由路径传输协议也许会释放连接而 协 ( ) , , MAC [4]络 所 能 提供的全部功能。 议也许会经历吞吐量的显著下降造成可扩展性较差的。 原因是随着网络规模的扩大端到端的可靠性急剧下降: , 。 采用的 主要 是的网络结构如何提高 的可扩WMN ad hoc , WMN 展性是一项富有挑战性的研究课题 , 。 网状网连通性( 3) 影响无线网状网网络性能的关键因素6 在设计部署和运行一个网络之前需要考虑会对网络性 能、, 产生重大影响的关键因素对 而言影响其网络性能的关 。WMN , 键因素归纳如下: 的许多优点都源自其具有的网状网连通因此保性证WMN , 无线电技术( 1) 网状网连通性是协议设计的关键性要尤求其是 协议和路, MAC 半导体技术射频技术和通信理论的快速发展推动 、( RF) , 由协议的设计为此通常需要网络自组织和拓扑控制算法拓扑 。, 。无线电技术经历了一场重大的变革目前业界已经提。感知 协议和路由协议能够显著提高 的性能MAC WMN 。 出了许多 宽带和 保证 ( ) 4QoS 方法来提高无线系统的容量和灵活 性典型的包括定向天线和, 智能天线系统以及多无线电多信道系统不同于其他 网络它的大部分应用是要提供M、IMO /。 WMN ad hoc , 为了进一步提高无线电技术的性并且可以通过更能上, 有各种各样 要求的宽带服务因此通信协议除了要考虑QoS 。, 络订购用户认证过程此外还需要开发 网络管理工具延迟抖动总吞吐量和每个节点的吞吐量以及丢包率/。, WMN , 、。 兼容性和互操作性从而有效地维护网络运行监测网络性能以及配置网络参数这 ( 5) 、。 要 求 具 备 的 一 个 特 性 就 是 同 时 支 持 传 统 客 户 端 和 WMN 些网络管理工具连同协议中的自治机将制使 具备快速 , WMN [4]客户端的网络接入因此需要后向兼容传统客户端 Mesh , , WMN 部署的能力。 节点否则将大大削弱部署 的动力另外 与其他无 , WMN 。WMN 线网络的集成要求某些 路由器具备在各个不同种类的 , Mesh 无线网络中共同操作的能力参考文献。 安全性( 6) Whitehead P. Mesh networks: a new architecture for broadband wireless 1 如 果 没 有 一 套 令 人 信 服 的 安 全 解 决 方 案 将 无 法 , WMN access systems. In: IEEE Radioa nd Wireless Conference (RAWCON2000), 获 得 成 功 管 现 在 已 经 提 出 了 许 多 针 对 无 线 局 域 网 的 安 尽。 Denver, Colorado, USA, Sep 2000 全 方 案 但 是 这 些 方 案 对 于 来 说 都 不 是 现 成 可 用 的 , WMN 。 樊自甫万晓榆新一代宽带无线网络结构通讯因 此 需 要 研 究 出 新 的 安 全 方 案 其 涉 及 范 围 从 加 密 算 法 到 , . ——Wireless Mesh. 2 , , 世界, 2000( 9) : 42,46 安 全 密 钥 分 发 全 的 和 路 由 协 议 侵 检 测 以 及 安 安入、MAC 、姜红旗 康凯 林 孝 康拓 展 宽 带 接 入 的 无 线 网 技 术电 信 科 , , . Mesh . 全 监 控 。 3 学, 2005, 21( 1) : 24,30 易用性( 7) Akyildiz I F, Xudong Wang, Weilin Wang. Wireless mesh networks: a 协议的设计必须使网络能够尽可能地自包括治功率管理, 、4 survey. Computer Networks, 2005, 47(4): 445,487 Lane B. Cognitive radio technologies in the commercial arena. In: FCC 5 Workshop on Cognitive Radios, Washington DC, May 2003 WMN: A New Type of Wideband Wir eless Networ k 112Xie Wei, Xiao Mingbo, Yao Yan (1. Dept. Communication Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China; 2. State Key Lab. on Microwave and Digital Communications, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstr act Wireless mesh network (WMN) is a new promising wideband wireless networking technology for numerous applications. In this paper, the derivation and development of WMN are presented. Then, several important issues of WMN are discussed and summarized, which include definitions, characteristics, applications, critical factors influencing network performance, etc. Key wor ds wireless mesh network, ad hoc, wireless multi-hop 收稿日期( : 2006- 04- 22) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 简讯?? 火通信的 解决传输距离可达数十公并且线路里采FTTH , 烽火通信 护驾FTTH“” 用一个无源分路器实现多个行政村共享光纤可大幅度降低 光, 河南网通村村通宽带接入工程 缆采购和建设成本很好地解决了远距离的宽带接入需求该 , 。 方案可提供全业务的接入和承载能力不但解决了农村的电话 , 为 进 一 步 开 拓 农 村 通 信 市 场 提 高 农 村 信 息 化 水 平 , ,通信需求而且还提供宽带数据业务和 等综合业 , CAT、V IPTV 年 月河南网通经过深入考核最终选后择了烽火通信基 2006 1 , , 务并且先进的多 技术为全业务功能的服务质量保障安 , LLID 、于 的 解决方案来推进新乡村村通宽带接入建设GEPON FTTH 。 全性可管理性等方面的性能增强提供了完善的保障该工程 、。这也是河南网通首次在全省村通工程中提供光纤接入服务工 , 组网简单可靠性高易于维护接入速率高达 完 , , , 1 000 Mbit/, s程成功实施后将向全省推广, 。 全满足农村当前和未来通信容量需求。 在该工程中由于各个行政村与县中心局的距离较远而烽, ,