无线Mesh网络

无线Mesh网络 学院:信息工程与自动化 专业:通信132 学号:201310404239 姓名:李园 成绩: 无线Mesh网络 摘要:无线 Mesh 网络是无线局域网和移动自组织网络相结合的产物,是一种全新的网络架构.它是下一代无线网络的 关键技术之一, 近几年得到了人们的广泛关注和快速发展。为了以低成本的代价实现无处不在的高速 Internet，新一代无线Mesh网络的发展势在必行。新一代无线Mesh网络旨在能够提供高性能和高可靠性的服务。简要描述了无线 Mesh网络技术原理、网络架构和，分析了其优缺点以及它的应用，还有未来的趋势。 一、 无线Mesh网络的概念 无线Mesh网络(WMN)是一种多跳、自组织的宽带无线网络，一般由Mesh路由器和Mesh客户节点组成。 其典型结构是一种分级网络结构: Mesh路由器互联构成多跳无线骨干网，负责数据的中继;骨干网一般通过网关节点与其他网络互联，而Mesh客户节点通过Mesh路由器接入到 WMN。通过WMN最终实现Mesh客户节点间、客户节点与Internet等其他网 络间的互联互通，网络结构如图一所示。 二、 无线Mesh网络研究现状 1、物理层 目前一些较前沿的物理层技术可以被用于无线Mesh网络的开发，如无线Mesh网络可以通过 用不同的调制和编码速率，支持不同的传输速率。这样可以根据无线信道的质量和网络拥塞，动态改 变数据传输速率，从而保证较低的差错率。另外，将会被广泛应用于宽带无线通信的正交频分复用 技术(OFDM)、超宽带技术(UWB)、多输人多输出 技术(MIMO)以及定向天线技术都可以用于无线 Mesh网络的开发。除此之外，认知无线电技术也可以被用于Mesh网络，以提高频谱利用率。 2、MAC层 无线Mesh网络的可扩展性对于MAC层的设计提出了相应的要求。目前，对于Mesh网络MAC 层的研究，主要可以分为单信道MAC和多信道 MAC。 (1)单信道MAC 1)修改目前已有的MAC层协议:目前的几种无线MAC层协议多是在IEEE 802(1 1 基础上进行修改的，如对CSMA,CA算法的一些诸如竞争窗口大小、退避过程的修改。 对于多跳的无线Mesh网络来说，这样的MAC层协议还远远达不到提高全网吞吐率的 要求，随着跳数的增加，用于竞争的开 销将大大增加，而网络性能则逐渐恶化。 2)跨层设计:物理层提供新的功能，如方向性天线和功率控制，相应地产生了2类MAC 层设计。两者可以减少暴露节点，但同时增加了隐藏节点的数目。因此，需要对它们进 行改进以减少隐藏节点。 3)提出全新的MAC层协议:为了能从根本上 提高无线多跳网络中端到端的吞吐率， 有必要设计一种全新的MAC层协议。不论随机的CSMA,CA 接入协议还是基于 TDMA和CDMA的接入协议，都还有很多问题有待研究。 (2)多信道MAC 由于硬件设计的不同，多信道MAC设计也分成以下几种。 1)多信道,单收发器MAC:单收发器带来的是较低的硬件成本，但也决定了1个节点在1个时间只能使用1个信道进行收发。目前，已提出的专门针对多信道的MAC协议主要有多信道MAC和SSCH(seed—slotted channel hopping)算法。SSCH 算法是一种虚拟MAC层算法，建立于IEEE 802(11 MAC层之上，可以对其进行修改。 2)多信道,多收发机MAC:在这种情况下，1个节点有多套射频和基带处理模块，可以在若干个信道上同时进行通信。在它们之上是对一个统一的MAC层进行统一的协调和调度。Engim的多信 道IEEE 802(11芯片就是建立在这个机制上的。 然而，针对这一物理平台的MAC层算法仍然需要进行研究。 3)多无线系统MAC:在这种情形下，网络节点有多个不同无线系统，每一个系统均有各自的物理层和MAC层，各无线系统之间完全独立。目前，针对这种系统，Adya等人提出了MUP(multi—radio unification protoc01)协议，它建立在MAC层之上， 是一种虚拟的MAC层协议。 3、路由层 目前为止，已经提出了很多Ad hoc网络的路 由协议，但针对无线Mesh网络的路由协议还不成 熟，还有以下方面需要进一步研究。 (1)性能的衡量准则 许多已有的路由协议以最小跳数作为路由准则，而在很多情况下，这一准则并不是最优的。比如某条路径最短，但在其中2个节点之间的链路条件很差，这样就使得端到端的吞吐率因为这样的点而变得很低。因此，加入如RTT(Round Trip Time) 这样就能衡量链路质量的指标。 (2)负载平衡 在无线Mesh网络中，很可能会出现局部多用户进行数据传输而使得部分链路上数据流量陡然增加的情况，因而，路由协议需要根据网络拥塞状况，动态地调整链路的选择，分散数据流量，减少网络拥塞。RTT协议则可以实现这一目的。 (3)Mesh路由和客户端的适应性 由于Mesh网络中路由器的移动性较低，而对能量的约束也相对较低，因此，适应于路由器的路 由协议可以比Ad hoc路由协议简化很多。而对于客户端来说，其移动性和能量约束正好适合使用 Ad hoc路由协议。所以，需要设计一种既适合路由器又适合客户端的路由协议。 4、传输层 众所周知，在有线网络中，TCP和UDP协议可 以很好地完成传输层的拆包、组包、拥塞控制等功能，而在无线网络中，网络端到端吞吐率的变化有可能是网络数据拥塞造成的，也有可能是由于链路 质量恶化造成的。目前为止，还没有完善的专门针对无线Mesh网络 的传输层协议，但针对Ad hoc网络的传输层协议却有很多，这些可以在设计Mesh 传输层协议时用来借鉴。 目前，已有一些基于TCP的改进协议，主要对其做了以下一些修改。 (1)区分丢包原因 如前面所说，传统的TCP协议并不能区分由于拥塞和无线链路质量造成的丢包。当丢包发生时，传统的TCP协议会将其当成网络拥塞处理，会一味地降低数据发送速率，这不但没有解决本质问题，还会造成更大的吞吐率降低。当链路条件恢复时，也不能做出迅速反应。因此，需要建立一种机制以区分丢包的原因。 (2)网络不对称性 网络的不对称性是指网络的前向链路和后向 链路在带宽、丢包率和时延上的不对称，会影响 ACK的传输，而TCP协议的工作非常依赖ACK， 因此，会造成网络传输性能的下降。已有的关于 这方面对TCP协议的改进，如ACK过滤、ACK拥 塞控制等，能否用于无线Mesh网络还有待进一步的研究。 (3)RTT抖动由于无线Mesh网络的移动性，链路质量的变 化、负载的起伏、数据的传输线路会不断变化，这样 就会造成RTT的频繁变化，造成TCP性能的下降。 三、无线Mesh网络协议 从另一角度看无线Mesh网络拓朴和架构分析，它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。而这种融 合是通过在网络节点上执行 WMR(Wireless Mesh Routing) 协议来完成的。如图所示: 从图中可以看出，为提供多次反射无线路由功能，在接入点和移动节点都执行WMR 路由协议。同时为实现与 IP 的兼容，WMR 被作为一中间层协议放置在 MAC 层和 IP 层之间，从而在不需要对其他协议层做太大改动的情况下便可 以很好地执行 WMR 协议。这样就使得 WMR 能够较好地与现有多数应用(包括以 802.11x 代表的无线标准)兼容。 四、无线Mesh网络的优缺点 1、优点 如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输。直到到达最终目的地为止。优点主要包括:快速部署和易于安装;非视距传输;健壮性强;结构灵活;带宽高。 2、缺点 目前，部署的第一代无线Mesh网络虽然实现了可以随 时随地接入，但网络性能不容乐观，突出表现在吞吐量受限，多跳通信中不公平性和吞吐量衰减被强加了很多限制国。此 外，从经济角度看，用户预购城域网络速率并不热心。即使费用低廉，订单仍远低于预期。具体表现在以下3方面:操 作性方面，目前还没有一个统一的技术标准;通信延迟方 面，数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，跳接越多积累的总延迟就会越大;安全性方面( 多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。而数据通信 经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。 五、无线Mesh网络关键技术 1、提高WMN的空间复用度 WMN是一种多跳无线网络，由于 无线信道的广播特性，网络中任意一条链路都和地理位置与其相邻的无 线链路间存在相互干扰，制约了网络的传输容量。另一方面，由于无线信 道的衰减特性，多跳网络具有潜在的空间复用特性。设法提高网络的空间复用度，就能增加并行传输的链路数目，从而提升网络容量。 2、WMN中的多信道技术 基于多信道的WMN组网技术是提高WMN容量的最有效的方法，受到研究者的高度重视。 多信道MAC模型可以分为以下3 种类型(如图2所示: 单接口(网卡)多信道。只有一个收发器可用，每个网络节点在同一 时间只有一个信道是活动的。不同的节点在同一时间可以工作在不同的 信道上，从而提高系统容量。 单接口多收发器多信道。一个接口上采用多个收发器共用一组信道。多个物理层实体通过一个MAC层来协调多信道的功能。 多接口多信道。一个网络节点有多个具有独立MAC和物理层的接口。这些接口的通信是相互完全独立的。因此，需要虚拟一个子层协议，实现在多个MAC实体之上协调所有信道的通信。 、3WMN中的路由优化 在多跳网络中，由于相邻无线链路间存在相互干扰，使得中继节点的转发过程将会抑制其邻居节点的发送，所以在WMN中，不同路径的数据流间，同一路径上相邻链路问都存 在某种程度的干扰，制约着WMN的网络容量。 另一方面，WMN的骨干网具有拓扑相对稳定，无功耗约束，多跳中继， 业务流量汇聚于网关等特点，所以可以通过对路由的合理优化，减小无线链路干扰，提高网络容量。 六、实际应用 Mesh 网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有 广阔的应用前景。 (1)家庭 无线 Mesh 网络的一个重要用处就是用于建立家庭无线网络。家庭式无线 Mesh 网络可以连接台式 PC 机、笔记本 电脑、HDTV、DVD 播放器、游戏控制台,以及其他各种消 费类电子设备,而不需要复杂的布线和安装过程。在家庭无线 Mesh 网络中,各种家用电器既是网上的用户,也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。当家用电器增多时, Mesh 网络在家庭应用中的另外这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。无线 一个好处是它能够支持带 宽高度集中的应用,如高清晰度视频等。 (2)企业 目前,企业的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式 无线链路,为用户提供点到点和点到多点传输。无线Mesh网络则不同,它允许网络用户共享带宽,消除了目前单跳网络的 瓶颈,并且能够实现网络负载的动态平衡。在无线 Mesh网络146中增加或调整 AP 也比有线 AP 更容易、配置更灵活、安装 和使用成本更低。尤其是对于那些需要经常移动接入点的企 业,无线 Mesh 网络的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络 拓朴结构的调整和升级。 (3)学校 校园无线网络与大型企业非常类似,但也有自己的不同 特点。一是校园 WLAN 的规模大,不仅地域范围大,用户多, 而且通信量也大,因为与一般企业用户相比学生会更多地使 用多媒体;二是网络覆盖的要求高,网络必须能够实现室内、 室外、礼堂、宿舍、图馆和 由于学生经常要集中活动,当学生同 公共场所等之间的无缝漫游; 三是负载平衡非常重要, 时在某个位置使用网络时,就可能发生通信拥塞现象。 解决这些问题的传统作法是在室内高密度地安装 AP,而 在室外安装的 AP 数量则很少。但由于校园网的用户需求变 化较大,有可能经常需要增加新的 AP 或调整 AP 的部署位置, 这会带来很大的成本增加。而使用无线 Mesh 网络方式组网, 不仅易于实现网络的结构升级和调整,而且能够实现室外和 室内之间的无缝漫游。 (4)医院 无线 Mesh 网络还为像医院这样的公共场所提供了一种 理想的联网。由于医院建筑物的构造密集而又复杂,一些 区域还要防止电磁辐射,因此是安装无线网络难度最大的领 域之一。医院的网络存在布线比较困难和对网络的健壮性要 求很高的特点。采用无线 Mesh 组网则是解决这些问题的理 想方案。如果要对医院无线网络拓扑进行调整,只需要移动现 有的 Mesh 节点的位置或安装新的 Mesh 节点就可以了,过程 非常简单,安装新的 Mesh 节点也非常方便。而无线 Mesh 的 健壮性和高带宽也使它更适合于在医院中部署。 七、未来应用趋势 无线Mesh网络是针对Internet无线接人和应用发展 起来的(它的典型应用主要表现在城市特定区域、复杂街 区、建筑物群内外、办公区、家庭内等，其未来应用发展趋 势大致可分为两类。 (1)针对网络部署的应用。例如，对于那些需要快速部 署或临时安装的地方，如展览会、交易会或灾难救援等，无 疑是最经济有效的组网方法。 (2)针对潜在用户量的应用。例如，水表、电表的抄送 以及远程监控等。远程监控可以帮助警察、消防、救护车 在第一时间得到现场的图像并采取相应的措施。 两类应用的发展互为促进，前者为后者奠定结构基 础。后者必须能够增加收入以偿还前者的投入。此外， 在某 些特殊行业，无线Mesh网络也有广泛的应用前景。例如: 在司法领域。可以对监狱中的囚犯实现安全定位;在采矿 领域可以为矿下人员实现安全定位。 八、结束语 无线Mesh网络不仅在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有 广阔的应用前景，在其他方面如结合数据、图像采集模块;可 以对目标对象进行监控或数据采集，并广泛应用到 测、工业、交通等等领域。随着其他技术的不断更新完 善,WMN 更好的与之相融合、环境检 互补从而能够扬长避短发挥出各自的优势。 九、参考文献 [1] 方旭明.下一代无线因特网技术:无线 Mesh 网络[M]. 北京:人民邮 电出版社,2006:114. 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