計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文報告 課題名稱: 無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)學院: 計算機科學與工程學院班級: 網(wǎng)絡(luò)工程三班學號: 姓名: 方明摘要：傳統(tǒng)的無線接入方式，如蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng)(WLAN)面對日益增長的高速無線因特網(wǎng)接入需求面臨許多挑戰(zhàn)，無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)作為因特網(wǎng)“最后一公里”接入方案，提供一種靈活而低成本的多跳通信，也將成為各種無線網(wǎng)絡(luò)融合的主要技術(shù)。針對這一極具發(fā)展前途的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文主要從其結(jié)構(gòu)方面進行分析研究。關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)狀網(wǎng)；路由；結(jié)構(gòu)一. 引言：無線Mesh網(wǎng)（WMN）又稱為無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)，大約出現(xiàn)在20世紀90年代中期。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，除無線通信網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)需求外，高速因特網(wǎng)接入需求也日漸增加。傳統(tǒng)的無線接入方式面臨著接入帶寬不足、服務(wù)質(zhì)量得不到滿足等問題，而且無線頻譜資源及拓撲結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，難以適應靈活多變的使用狀況。WMN提供了一條解決無線接入網(wǎng)所面臨問題的新途徑，它可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，同時可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性。無線網(wǎng)狀網(wǎng)是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無線接入技術(shù)。圖1說明了一個多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)，其中只有中央網(wǎng)關(guān)G通過有線方式連接到互聯(lián)網(wǎng)，而其他的節(jié)點（如節(jié)點S）則是通過多跳方式訪問到中央網(wǎng)關(guān)G。WMN中的每個節(jié)點不僅是一個客戶端也是一個中繼器，也就是說，它既可以從與因特網(wǎng)相連接的網(wǎng)關(guān)上獲取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到該網(wǎng)關(guān)，進而與因特網(wǎng)相連。無線網(wǎng)狀網(wǎng)和無線自組網(wǎng)的主要區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳送模式2，如圖2所示。在WMN中，通常存在一個中央網(wǎng)關(guān)設(shè)備，大多數(shù)的數(shù)據(jù)不是發(fā)向該設(shè)備就是從該設(shè)備接收數(shù)據(jù)，如圖2(a)所示。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)流量可以在任意節(jié)點之間的進行傳輸，比如在節(jié)點S1和D1之間，如圖2(b)所示?？傮w來說，無線網(wǎng)狀網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢可以概括為以下5個方面；WMN可以以最小的布線工程量在大規(guī)模區(qū)域內(nèi)進行快速部署，以降低基礎(chǔ)設(shè)施和部署費用。WMN技術(shù)可以彌補無線網(wǎng)絡(luò)的陰影衰落和路徑損耗等所帶來的信號問題，以進一步擴大無線網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)覆蓋范圍。就短距離通信方式而言，WMN可提高傳輸速率和能源效率。此外，兩條鏈路在較短距離內(nèi)可以復用相同頻率的信道。相對于無線網(wǎng)絡(luò)的多徑效應，WMN一個引人注目的特點是其魯棒性。如果某些節(jié)點失效（如圖3所示的節(jié)點B），網(wǎng)狀網(wǎng)可以繼續(xù)通過其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。圖4展示了一個綜合的無線網(wǎng)狀網(wǎng)，其中包含802.16（WiMAX）技術(shù)、802.11（WiFi）和802.15（藍牙和Zigbee）技術(shù)、無線城域網(wǎng)（WMAN）、無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個域網(wǎng)（WPAN）。然而，當覆蓋范圍增加，以服務(wù)更多的用戶，多跳網(wǎng)絡(luò)存在可擴展性的問題。這是因為在多跳WMN中，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和覆蓋范圍是兩個互相矛盾的目標。一方面，多跳通信可以延伸網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，以降低基礎(chǔ)設(shè)施的總成本。另一方面，隨著跳數(shù)的增加，重復中繼傳輸將極大地消耗無線資源。因而，由于用戶的增加，使得碰撞的概率大大增加，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量急劇下降。因此，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題已成為設(shè)計一個可擴展的無線網(wǎng)狀網(wǎng)的重要而具有挑戰(zhàn)性的問題，其目標是要在不犧牲系統(tǒng)的整體吞吐量的條件下盡可能地擴大其覆蓋范圍。 在本文中，我們首先討論WMN的主要架構(gòu)，并簡要概述現(xiàn)有的mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括IEEE的802.11s和IEEE 802.16系統(tǒng)。然后，我們討論從網(wǎng)絡(luò)部署的角度對WMN的可擴展性問題。我們介紹了兩種針對密集城市覆蓋和廣域范圍覆蓋情形的可擴展WMN配置策略，見圖5和圖6。首先，圖5展示了針對密集城市覆蓋的基于簇的WMN配置方案。在該WMN中，幾個相鄰的接入點（AP）形成一個簇，并通過相同的交換機/路由器連接到Internet。在每一個簇中， 只有中央AP0通過有線方式連接到互聯(lián)網(wǎng)。其他的接入點AP通過無線鏈路相互建立起通信鏈路。通過這種方式，在城市中進行網(wǎng)絡(luò)的部署就變得容易得多，因為布線工程量要少很多。其次，圖6給出了針對廣域覆蓋區(qū)域的可擴展多信道環(huán)狀無線網(wǎng)狀網(wǎng)的部署結(jié)構(gòu)圖。其中，中央網(wǎng)關(guān)和靜態(tài)mesh形成了一個多跳WMN。 我們也研究了WMN中容量和覆蓋范圍的最優(yōu)平衡問題。大多數(shù)傳統(tǒng)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)由于無線信道的沖突特性使得用戶的吞吐量無法保證，因而無法對覆蓋范圍進行有效的擴展。相比之下，圖5和圖6可以對覆蓋范圍進行進一步的擴展，因為多信道的頻率規(guī)劃可以很容易地應用在這個架構(gòu)適。因此，可以通過正確地確定部署參數(shù)來保證網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。我們將應用混合整數(shù)非線性規(guī)劃算法（MINLP）來決定最優(yōu)配置參數(shù)，旨在最大限度地同時提高容量和覆蓋范圍。二 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的標準目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在世界范圍內(nèi)得到越來越多的應用，而技術(shù)標準化是大規(guī)模應用所必需的重要環(huán)節(jié)。目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)標準散見于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等標準草案中。IEEE 802.11在大規(guī)模應用時遇到的一個難點是系統(tǒng)的覆蓋能力有限，WLAN受發(fā)射功率的限制，覆蓋范圍一般在100m范圍內(nèi)。為了擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通常通過增加AP的辦法來實現(xiàn)，但這種方法增加了公眾網(wǎng)的建設(shè)成本。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新的組網(wǎng)技術(shù)為解決上述問題提供了新的途徑。IEEE802.11s任務(wù)組，主要研究支持無線分布式系統(tǒng)(WDS)的協(xié)議，為WMN定義媒體接入控制(MAC)層和物理層協(xié)議，以實現(xiàn)WLAN在多個AP之間通過自配置多跳的方式組網(wǎng)，提高WLAN的覆蓋范圍。WDS是802.11網(wǎng)絡(luò)的一部分，用來作中繼橋接的功能，可以讓無線AP之間通過無線進行橋接(中繼)，同時不影響其無線AP覆蓋的功能。支持WDS技術(shù)的無線AP或無線路由器具有混合的無線局域網(wǎng)工作模式，可以支持點對點、點對多點的數(shù)據(jù)傳輸。三、 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與特點WMN主要由兩類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成：Mesh路由器和Mesh客戶端。采用WMN作為接入網(wǎng)絡(luò)時，Mesh客戶端通過相鄰的其他節(jié)點，以無線多跳的方式接入到因特網(wǎng)。這種MP2MP的結(jié)構(gòu)，使得WMN具有以下優(yōu)點：自配置：節(jié)點之間通過開放的無線鏈路，形成單跳或多跳連接，自動完成組網(wǎng)；自調(diào)節(jié)：節(jié)點之間擁有多條通信路徑，業(yè)務(wù)可以靈活的選擇合適的(例如最短路徑、最少干擾，速率最快等)路徑進行傳輸；自愈：當某一節(jié)點出現(xiàn)故障受損或一條鏈路出現(xiàn)擁塞，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)可以選擇繞開相應的節(jié)點或鏈路，網(wǎng)絡(luò)的可靠性增強；可擴展性：可以方便的添加或刪除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，降低系統(tǒng)的建設(shè)和管理成本。因此，WMN適合作為因特網(wǎng)“最后一公里”無線接入方案，在IEEE 802.11s，802.15以及802.16等標準中已有體現(xiàn)，它將成為下一代Wi-Fi和WiMAX的重要組成部分。除此之外，當前存在著多種無線接入網(wǎng)絡(luò)，采用各種不同的無線傳輸技術(shù)以及標準，提供各自適宜的應用。例如蜂窩網(wǎng)適于語音通信業(yè)務(wù)，Wi-Fi適于局部區(qū)域的寬帶多媒體數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適于環(huán)境檢測中的數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)等等。未來的無線網(wǎng)絡(luò)將是各種網(wǎng)絡(luò)并存、各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，為用戶提供隨時隨地的接入的泛在網(wǎng)絡(luò)。這是無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，也可能成為WMN一個新的應用方向。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)主干由呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布的路由器連接而成。WMN有兩種典型的實現(xiàn)模式：基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式和終端用戶Mesh模式。在基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式中，Internet的接入點(IAP)和終端用戶之間可形成無線的閉合回路。IAP通過路由選擇及管理控制等功能，為移動終端選擇通信的最佳路徑。同時，移動終端通過IAP可與其他網(wǎng)絡(luò)，如Wi-Fi、WiMAX和傳感器網(wǎng)絡(luò)等互聯(lián)，提高網(wǎng)絡(luò)自身的兼容性。在終端用戶Mesh模式中，終端用戶以無線方式形成點到點的網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備可以在沒有其他基礎(chǔ)設(shè)施的條件下獨立運行，并且可以支持移動終端較高速地移動，快速形成寬帶網(wǎng)絡(luò)。終端用戶具有主機和路由器的雙重角色：一方面，節(jié)點作為主機運行相關(guān)的應用程序；另一方面，節(jié)點作為路由器運行路由協(xié)議，參與路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等操作。根據(jù)Mesh路由器和Mesh客戶端這兩種類型節(jié)點功能的不同，WMN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為3類：一類是骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)(分級結(jié)構(gòu))，一類是客戶端Mesh結(jié)構(gòu)(平面結(jié)構(gòu))，以及它們的混合結(jié)構(gòu)。1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh路由器組成的可以自配置、自愈的鏈路來充當，通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能與因特網(wǎng)相連，為客戶端提供接入服務(wù)。骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)如圖4所示。終端節(jié)點設(shè)備通過下層的Mesh路由器(相當于各接入網(wǎng)絡(luò)中的中心接入點)接入上層Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互聯(lián)互通。這樣，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點，任何終端都可與其他網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)無線寬帶接入。這樣不僅降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本，也提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和可靠性。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠兼容市場上現(xiàn)有的設(shè)備，但任意兩個終端節(jié)點間不具備直接通信的功能。客戶端Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh客戶端組成，是在用戶設(shè)備間提供點到點服務(wù)的WMN。客戶端組成一個能提供路由和自配置功能的網(wǎng)絡(luò)，支持用戶的終端應用，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點是對等的，具有完全一致的特性，即每個節(jié)點都包含相同的媒體訪問控制(MAC)、路由、管理和安全等協(xié)議，這些節(jié)點不僅具有客戶端節(jié)點的功能，也具有能夠轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的路由器節(jié)點的功能。顯然，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不能兼容現(xiàn)有的多種無線接入技術(shù)，并且其單一的結(jié)構(gòu)決定其不適合大規(guī)模組網(wǎng)。因此只適用于節(jié)點數(shù)目較少且不需要接入到核心網(wǎng)絡(luò)的應用場合?；旌辖Y(jié)構(gòu)WMN如圖6所示，Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)提供了與其他網(wǎng)絡(luò)的互連功能，如因特網(wǎng)、WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時，客戶端的路由能力增強了網(wǎng)絡(luò)的連通性，擴大了覆蓋范圍。這時的終端節(jié)點已不是現(xiàn)有的僅支持單一無線接入技術(shù)的設(shè)備，而是增加了具有轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能的Mesh設(shè)備，設(shè)備間可以直接通信。通常要求終端節(jié)點設(shè)備具備同時支持接入上層網(wǎng)絡(luò)Mesh路由器和本層網(wǎng)絡(luò)對等節(jié)點的功能。在支持無線網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的標準中，802.11s采用了樹形多跳網(wǎng)狀網(wǎng)以及Ad Hoc方式多跳網(wǎng)狀網(wǎng)兩種基本結(jié)構(gòu)，并定義了Mesh節(jié)點(MP)、Mesh接入點(MAP)、傳統(tǒng)WLAN站點3種節(jié)點。在Ad Hoc方式多跳網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，沒有起集中控制作用的中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中MP和MAP節(jié)點的地位是平等的，并具有類似于狹義Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的功能，即節(jié)點可以是數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組，也可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點的分組。節(jié)點間所形成的無線P2P網(wǎng)絡(luò)，不需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。802.16定義了兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：點對多點(PMP)和網(wǎng)狀網(wǎng)。通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，結(jié)構(gòu)如圖7所示。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由稱為Mesh基站(WiMAX基站)的中心節(jié)點控制。中心節(jié)點可以與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外的回程設(shè)備建立起直接鏈路，作為連接到外網(wǎng)的接口。2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)特點無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是多跳與多點到多點結(jié)構(gòu)的融合，具有以下幾個重要特點5：(1) 多跳的結(jié)構(gòu)。在不犧牲信道容量的情況下，擴展當前無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是WMN的最重要的目標之一。WMN的另一個目標是為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。Mesh網(wǎng)絡(luò)中的鏈路比較短，所受干擾較小，因此可以提供較高的吞吐量和較高的頻譜復用效率。(2) 支持Ad Hoc組網(wǎng)方式，具備自形成、自愈和自組織能力。WMN靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、便利的網(wǎng)絡(luò)配置、較好的容錯能力和網(wǎng)絡(luò)連通性，使得WMN大大提升了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能。在較低的前期投資下，WMN可以根據(jù)需要逐步擴展。(3) 移動特性隨Mesh節(jié)點類型的不同而不同。Mesh路由器通常具有較小范圍的移動性，而Mesh客戶端既可以是靜止不動的節(jié)點，也可以是移動的節(jié)點。(4) 支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式。WMN既支持通過骨干網(wǎng)接入的方式，又支持端到端的通信方式。此外，WMN可與其他網(wǎng)絡(luò)集成，為這些網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供服務(wù)。(5) 對功耗的限制取決于Mesh節(jié)點的類型。Mesh路由器通常沒有嚴格的功耗限制，但Mesh客戶端需要有效的節(jié)能機制。(6) 與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)兼容，并支持與WiMAX、Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等的互操作。四、結(jié)束語WMN作為一種融合了無線局域網(wǎng)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的新型無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，成為寬帶無線接入的一種有效手段，可以靈活地應用于多種無線環(huán)境。因其組網(wǎng)的快速靈活性、節(jié)點的分布性等優(yōu)點，可以以少量的基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建覆蓋范圍廣的高速無線網(wǎng)絡(luò)，并且具有成本低，升級方便等特點。如何在下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮這種構(gòu)架的性能優(yōu)勢和潛力，是需要深入研究和探討的。參考文獻：1 方旭明.下一代無線因特網(wǎng)技術(shù):無線Mesh網(wǎng)絡(luò) M.人民郵電出版社,2006.2 IEEE802.16sRela