北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文摘要摘要隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，提供移動INTERNET訪問的無線網(wǎng)絡(luò)正逐步改變著人們的日常生活。目前正在進(jìn)行商業(yè)化推廣的無線局域網(wǎng)WIRELESSLOCALAREANETWORK，WLAN是一種單跳的無線接入網(wǎng)，覆蓋范圍較小，對有線網(wǎng)絡(luò)有著嚴(yán)重的依賴性，部署成本仍然較高。為了擴(kuò)大無線接入網(wǎng)的覆蓋范圍、進(jìn)一步降低部署成本，無線MESH網(wǎng)絡(luò)WIRELESSMESHNETWORK，WMN應(yīng)運(yùn)而生。W刪是一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)，它具有網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端通過多跳無線中繼接入INTERNET。近年由于移動計算技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、便攜式筆記本以及各種手持通信設(shè)備的普及，無線MESH網(wǎng)絡(luò)再度成為研究的熱點(diǎn)。MAC層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議對整個無線MESH網(wǎng)絡(luò)的性能有著非常重要的影響。本文圍繞著無線MESH網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行了研究，研究的側(cè)重點(diǎn)包括多徑路由協(xié)議、多射頻接口多信道條件下的信道分配、為提高空間復(fù)用度進(jìn)行的功率控制以及移動終端的切換等問題。論文的主要研究內(nèi)容包括以下四個方面1由于傳輸?shù)亩嗵?、無線信道的不可靠性、帶寬的有限性和時變性等無線MESH網(wǎng)絡(luò)特性，使得傳統(tǒng)路由協(xié)議，如路由信息通訊協(xié)議ROUTINGINFO珈ATIONPROTOCOL，RIP和開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議0PENSHORTESTPATHFIRST，0SPF，并不能適應(yīng)無線MESH網(wǎng)絡(luò)。盡管傳統(tǒng)的ADHOC網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以直接移植到無線MESH網(wǎng)絡(luò)中，但無線MESH網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)該根據(jù)自身的特殊性遵循不同的設(shè)計準(zhǔn)則。傳統(tǒng)的ADHOC路由協(xié)議是單徑路由協(xié)議，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸率較低，延遲增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不平衡，甚至造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，無法很好地支持QOS。多路徑路由協(xié)議與單路徑相比，在有效使用帶寬、對付擁塞和突發(fā)流量、降低傳輸延遲、負(fù)載均衡以及增加傳輸可靠性方面具有明顯的優(yōu)勢。但是，并不是路徑數(shù)目越多效果越好，多徑路由協(xié)議中的路徑數(shù)目有個最優(yōu)值。本文通過計算機(jī)仿真，對目前應(yīng)用最廣、也是最經(jīng)典的兩種多徑路由協(xié)議動態(tài)源路由多路徑DYNAMICSOURCEROUTINGMULTIPATH，DSRMP協(xié)議和ADHOC按需多路徑距聲5矢量路由ADHOCONDEMANDMULTIPATHDISTANCEVECTORROUTING，AOMDV協(xié)議進(jìn)行了研究。將這兩種路由協(xié)議分別在移動ADHOC網(wǎng)絡(luò)和無線MESH網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果充分證明基于多徑路由的無線MESH網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)分組傳輸率、延遲、路由開銷等方面具有明顯的優(yōu)勢，完全能夠滿足無線寬帶接入的需求。同時，基于無線MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特殊性，在按需路由協(xié)議中，選擇源路由協(xié)議能使無線MESH網(wǎng)絡(luò)取得更佳的性能。因此，本文工作具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價值。北京郵電大學(xué)博T學(xué)位論文摘要2多信道技術(shù)不但提高了網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度，增加網(wǎng)絡(luò)同時通信節(jié)點(diǎn)對，同時減少了信道干擾。因此，采用多信道技術(shù)是提高網(wǎng)絡(luò)容量的最有效方法。理論分析表明，與將一個固定帶寬的信道分為幾個子信道相比，系統(tǒng)采用兩個射頻接口和固定帶寬的多個信道時，網(wǎng)絡(luò)容量能達(dá)到KU腿R公式的最大理論值?？鐚臃答仚C(jī)制通過在協(xié)議棧的各層之間傳輸特定的信息來協(xié)調(diào)協(xié)議棧各層之間的工作過程，使之與無線通信環(huán)境的動態(tài)特性和不穩(wěn)定性等相適應(yīng)?；谝陨戏治鼋Y(jié)果，本文提出了多接口多信道無線MESH網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計分布式信道分配算法MCCAAODV。該算法采用跨層設(shè)計的方法，將按需路由和信道分配過程結(jié)合起來，不但降低信道分配協(xié)議的計算復(fù)雜度。同時，采用按需路由協(xié)議減少了網(wǎng)絡(luò)所需要的可用信道數(shù)，該算法僅給路由協(xié)議帶來很小的額外開銷。為了消除不同活動路由上鄰居節(jié)點(diǎn)的同頻干擾，本文提出了兩跳干擾模型，能夠避免不同路由上的鄰居節(jié)點(diǎn)分配到的信道相同的情況。計算機(jī)仿真試驗(yàn)表明，與單信道相比，MCCAAODV能顯著提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低延遲。3對于不同的無線通信系統(tǒng)，功率控制所起的作用不盡相同，主要有兩個方面一是可以降低節(jié)點(diǎn)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，另一方面的作用在于提高網(wǎng)絡(luò)空間復(fù)用度，提高網(wǎng)絡(luò)的容量。在無線MESH網(wǎng)絡(luò)中，由于MESH路由器采用專業(yè)線路供應(yīng)電力，不存在節(jié)能的問題，采用功率控制機(jī)制主要是為了降低對鄰近結(jié)點(diǎn)的干擾，提高信道的空間復(fù)用度，最終提高整個網(wǎng)絡(luò)的容量。針對無線網(wǎng)格骨干網(wǎng)中采用相同的發(fā)射頻率造成的信號干擾嚴(yán)重問題，提出了一種新的功率控制MAC協(xié)議。該協(xié)議通過控制接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制幀的功率，使得對整個數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程真正產(chǎn)生干擾的節(jié)點(diǎn)才能正確接收到該控制幀，從而延遲發(fā)送過程，避免信號干擾。該協(xié)議能夠有效提高無線網(wǎng)格骨干網(wǎng)中無線接入點(diǎn)的空間復(fù)用度。理論分析表明，無線接入點(diǎn)的空間距離越短，空間復(fù)用度提高率越大，該協(xié)議越有利。通過模擬試驗(yàn)，與IEEE80211標(biāo)準(zhǔn)的MAC協(xié)議相比，該協(xié)議明顯提高了網(wǎng)絡(luò)中并行的互不干擾的數(shù)據(jù)發(fā)送過程數(shù)量，顯著提高了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。4IEEE80211標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議提供了移動終端的切換算法，支持終端設(shè)備的移動通信，但它并沒有提供移動終端的無縫切換算法。當(dāng)終端設(shè)備從當(dāng)前的接入點(diǎn)覆蓋小區(qū)移動到另一個接入點(diǎn)小區(qū)時，由于通信的暫時中斷會對系統(tǒng)的性能造成一定的影響。目前的切換算法包括硬切換和平滑切換等，硬切換丟報率非常大。平滑切換算法能夠降低丟報率、減少切換延遲，但該算法要求數(shù)據(jù)包從當(dāng)前的接入點(diǎn)通過無線MESH網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由器轉(zhuǎn)發(fā)到將要連接的接入點(diǎn)上，必將產(chǎn)生一定的切換延遲和數(shù)據(jù)丟失。從切換延遲和丟包率兩個方面考慮，本文提出了基于中繼路由器的存儲轉(zhuǎn)發(fā)平滑切換算法，主要是解決平滑切換中由于轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)過多引起的數(shù)據(jù)包丟失和切換延遲問題。通過在中繼路由器上緩存數(shù)據(jù)北京郵電大學(xué)博七學(xué)位論文摘要包，然后在移動終端切換時轉(zhuǎn)發(fā)到新的接入點(diǎn)，縮短了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。仿真試驗(yàn)表明，與硬切換相比，能明顯降低丟報率，與傳統(tǒng)的平滑切換相比，能顯著改善切換過程中的丟包率和延遲。關(guān)鍵詞無線MESH網(wǎng)絡(luò)，多路徑路由協(xié)議，IEEE80211MAC協(xié)議，跨層設(shè)計，信道接入控制，多信道，控制幀，功率控制，中繼路由器，平滑切換北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文ABST懦CTABSTRACTWITHDEVELOPMENTOFWIREL骼SCC咀MLUILICATIONTECHLLIQW洛，、啦REL部SNCTWOFL【SCHANGEPCOPLES蹦LYLIFE血吼ATICALLYBYPDINGMOBILEINTENLETAACESSWIRCL鼯SLOCALARNE懈R0出億A，WOD【IILG鵲MEL弱THOPC0帥OCTIONT0IILT鋤ET，H鶴COMEINTOMADETNOWADAYSSINWL吣JSISSM酉EHOPNET、VO出鋤DSN0N酉YD印EILDSONW砌NE代LEC0VCRAGCOFWLANIS哪鋤ALLDUCT0THEL砌TED仃卸SILLISSION陽NGE，鋤DMEC0STOFD印LOYMENTIST00戧P(guān)ENSIVETBEXTENDMEC0VEMGEOFWIRELESSACC鶴SNETVVORKS觚DREDUCCLED印LORINENTCOSTWIREL髓SMESHNETWORKWMISILL昀DUCEDWMNSA托I曲LTI叩研RELE鼴腫咐ORLS，MESHCLIENTSACC囂SINTEMETBYN嘶NGT0MESHROUTE舟WIM血EDEVELOPMENTOFMCIBILECOMP嘶NGTOCLLILOLO西岱鋤DMEPOPUL撕TYOFNOTCH礎(chǔ)PCS觚IDPD觸，刪H勰BEC0TNE也EHOTTOPICOFR鶴韶RCHAGAINMACANDN咖0RKLAY盯PMTOCOLST暇VE乎EATE儂斌ONTLLEPERFOM弛CCOFWMNMAC鋤DN咖OD【LAYERPROTOCOLSI11WMNARC懿AMI玳DIIL廿LIS也ESISTHEFOCUSESOFTLLELCSISA陀MULTIPLEPAMROUTINGPROTOCOL，CROSSLAY盯DESIGNF0RDISTRIBUTCDCH猢EL硒SI蛐EMOV盯塒【ULTIRADIOMULTICHAMLELWWN、I，POW盯CON仃OLT0IMPR0VESPATIAL陀吣E，鋤DMOBILET鋤INALHANDO伍THEMAILLCONTRIBUTIO璐OFMEDISSERTATIONAREFOLLOWS1BECAUSEOF圯CHAMCTERISTICSOFWIRELE鼴M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略語、1ANM漁NETWSNW心NLOSVPNMIMO、VDSMBWASTAFHSSDSSSDBPSKDQPSKCCKLLCMACCSMBVCDN斛DCFPCFL玎SCTSCPCFPWIFI、IMAXR口縮略語W饑LESSLOCALAREANETWORKMOBILEADLL0CNE咐。血WIRCLESSSSORNET、L，ORKWIESSMESHN咖ORKACCESSPOINTN0NLIILEOFSI咖VIMLALPRIVACENE時ORKMULTIPLEINPUTMULTIPLEO咖UTWIIEL懿SDISTRIB塒ONSYST鋤MOBILEBRO瓤LBANDWIRELE鸚ACCE鼴STATIONFROQUENCYHOPPINGSPREADSPED瞳啪DICTSCQU饑CESPREADSPEC仉吼DI仃孤TIALBIN孤YPH嬲ESLLIRKE，INGDI您鋤EILTIAL沁AD硪TUREPH弱ESLLINKEYIILGC伽叩L鋤EIL呻C0DEKE如NGLOGICLILLLCORLTROLMEDI啪ACCESSCONTROLCARTIERSEILSEMULTIPLEACCESSW油COLLISIONDETECTIONCARRI盯SEILSEMULTIPLEACC器S、7IRIMCOLLISIONAVOID卸ACCNET、ORKALLOCATIONVECTORDISTRIBUTEDC00RDIILATIONNM以O(shè)NPOINTCOORDINATIONFUNCTIONREQU偽TTOSENDCLE缸T0SALDCONTTIONPERIODCONT訓(xùn)ONFRPEFIODWIREL鼯SFIDEL時W0DD叭DEIILT啪PERABILITYFORMI啪W(wǎng)AVEACC懿SRO砸NGINFONNATIONPROTOCOL無線局域網(wǎng)移動自組織網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線MESH網(wǎng)絡(luò)無線接入點(diǎn)非視距傳輸虛擬專用網(wǎng)多入多出無線分布式系統(tǒng)移動寬帶無線接入無線終端跳頻擴(kuò)頻直接序列擴(kuò)頻差分二進(jìn)制相移鍵控差分正交相移鍵控補(bǔ)碼鍵控邏輯鏈路層介質(zhì)訪問子層載波偵聽沖突檢測載波偵聽沖突避免網(wǎng)絡(luò)分配向量分布式協(xié)調(diào)機(jī)制點(diǎn)協(xié)調(diào)機(jī)制請求發(fā)送允許發(fā)送競爭周期非競爭周期無線保真微波存取全球互通路由信息通訊協(xié)議113北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文縮略語一114北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文符號說明符號類型符號說明求最小值求最大值概率密度分布函數(shù)累積分布函數(shù)期望值集合元素子集關(guān)系元素屬于集合求和N次方利州刪M刑剛了咿獨(dú)創(chuàng)性或創(chuàng)新性聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含未獲得北京郵電大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。本人簽名日期本論文使用授權(quán)的說明學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密論文注釋本學(xué)位論文屬于保密在一年解密后適用本授權(quán)書。非保密論文注釋本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。本人簽名趲至日期碰2旦里旦導(dǎo)師簽名日期北京郵電大學(xué)博七學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論隨著大量新的無線通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)由于其接入靈活、成本低廉以及易于擴(kuò)展等特性近年來得到了飛速發(fā)展。無線局域網(wǎng)慚RELCSSL0CAL舡明N咖ORK，W必、移動自組織網(wǎng)絡(luò)MOBILEADLLOCN咖OD，MANET以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WIRELESSS饑SORNCT、ORK，WSN等形式的無線網(wǎng)絡(luò)在近幾年已經(jīng)得到了廣泛的研究【41，特別是WLAN已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。無線M鍶H網(wǎng)絡(luò)W砌E豁MESHNET、VORL【，WMN【鈾L作為一種能夠提供更大范圍無線接入的新技術(shù)己經(jīng)成為了新的研究熱點(diǎn)。11研究背景計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)自上世紀(jì)60年代的ARPARNET到今天的INT明喊己經(jīng)經(jīng)歷了半個世紀(jì)的發(fā)展變遷。如今的HLT鋤戧上承載著各式各樣的信息，不僅是人們獲取各種信息的重要來源，也是人們溝通交流的重要媒介，它己成為生產(chǎn)、生活不可或缺的組成部分。目前的H刪訪問還主要依靠有線接入，但是隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)靈活便捷的移動接入已不再是夢想。各大電信運(yùn)營商己經(jīng)推出了以AN技術(shù)為基礎(chǔ)的無線寬帶接入業(yè)務(wù)，眾多企業(yè)、學(xué)校內(nèi)部也建立了自己的無線局域網(wǎng)。WLAN是單跳無線網(wǎng)絡(luò)，終端通過無線接入點(diǎn)ACCESSPOINT，AP接入有線網(wǎng)絡(luò)。由于無線信號傳輸?shù)姆秶钟邢蓿訵U州所能覆蓋的范圍較小，且只能架設(shè)在有線網(wǎng)絡(luò)的邊緣，因此部署成本仍然較高。無線多跳網(wǎng)絡(luò)能夠通過多個站點(diǎn)的中繼傳輸來提供更大范圍的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，降低網(wǎng)絡(luò)部署成本。MANET和WSN是無線多跳網(wǎng)絡(luò)的典型代表。MANET最初是為軍事用途而設(shè)計的，它不依賴于任何固定基礎(chǔ)設(shè)施，十分適用于戰(zhàn)爭、救援等特殊的緊急場景。這種網(wǎng)絡(luò)具有移動性、臨時性、多跳性、動態(tài)性、自組織性、分布性和開放性等特征。MANET網(wǎng)絡(luò)中不存在任何站點(diǎn)對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管理，每個站點(diǎn)自主地管理自身的各項(xiàng)功能，站點(diǎn)間的交互往往需要通過站點(diǎn)之間的相互協(xié)作才能完成，任何一個站點(diǎn)都可以隨時自由地加入或者退出網(wǎng)絡(luò)。MANET相關(guān)研究集中在移動、定位、節(jié)能及自組織等特殊需求上。隨著電子感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，傳感器在生產(chǎn)、生活、科研以及軍事等各種領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。傳感器可以被散布于所監(jiān)控范圍之內(nèi)，用以收集各點(diǎn)的信息。WSN正是希望利用廉價便捷的無線多跳技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對大量傳感器站點(diǎn)所收集數(shù)據(jù)的匯集。如何組織WSN中規(guī)模龐大的站點(diǎn)、如何合理利用站點(diǎn)上極其有限的能量以北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論及計算資源，如何實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)聚集是WSN研究中最關(guān)心的問題。本論文的研究對象刪也是一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)，它與M棚和WSN的設(shè)計初衷不同。刪是一種高容量高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)，可以看成是傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)、。AN和MANET的融合，且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢。刪所希望提供的是高質(zhì)量的HLTEMET接入服務(wù)，因此需要能夠承載IILT鋤ET上所提供的各種業(yè)務(wù)。刪具有網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端通過多跳無線連接實(shí)現(xiàn)與INT鋤ET互通。刪的構(gòu)成可以分為MESH路由器、M砒終端以及MESH網(wǎng)關(guān)，MESH路由器構(gòu)成了刪的主干，位置較固定，有穩(wěn)定的電源供給；MESH終端通過MESH路由器接入網(wǎng)絡(luò)，在特殊情況下MESH終端也可以作為路由器給其他站點(diǎn)提供到刪的連接；MESH網(wǎng)關(guān)是刪與HLT鋤ET的連接點(diǎn)，可視為與有線網(wǎng)絡(luò)相連的特殊路由器。刪是一種非常適合于覆蓋大面積開放區(qū)域，包括室外和室內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)解決方案。最適合部署于大學(xué)園區(qū)、體育場館、公共場所、住宅小區(qū)接入以及需要監(jiān)控的公共場所這類希望提供便捷低廉的“KLSTNLILE”最后一英里1INT鋤ET訪問網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域。12刪的組成及體系結(jié)構(gòu)無線MESH網(wǎng)絡(luò)利用多跳無線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為移動用戶提供到HLTEMET的寬帶接入。它是WLAN與MANET的結(jié)合，與WLAN不同的是WMN是多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，站點(diǎn)之間可以對等地進(jìn)行直接通信，不再需要通過AP轉(zhuǎn)發(fā)，且能夠提供更大的覆蓋范圍；相對于MA卜陋T來說，刪由于具有固定且電源充足的主干路由器，所以對移動性和能耗問題的考慮較少。為了讓刪真正成為有線網(wǎng)絡(luò)的重要擴(kuò)展甚至替代部分有線網(wǎng)絡(luò)，提高網(wǎng)絡(luò)的通信能力與通信質(zhì)量才是刪研究所需解決的問題。下面首先介紹刪的組成，然后按體系結(jié)構(gòu)對刪進(jìn)行分類。121刪的組成部件刪中各站點(diǎn)間通過多跳無線連接形成網(wǎng)狀拓?fù)?，按站點(diǎn)的功能可分為MESH路由器、MESH終端和M貿(mào)H網(wǎng)關(guān)三類。L、MESH路由器MESHI沁UT哪是具有路由功能的MESH站點(diǎn)。它具有一個或多個無線收發(fā)器，構(gòu)成刪的主干網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)終端的接入和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。2、MESH終端MESHCLI饑T是用戶直接使用的設(shè)備，通過MESH路由器訪問IILTENLET。某些MESH終端也具備路由功能，在特殊情況下能夠?yàn)槠渌荒苤苯咏尤雱h的終端提供路由轉(zhuǎn)發(fā)。MESH終端設(shè)備具有多樣性，可以是普通PC，筆北京郵電犬學(xué)博學(xué)位論空第一章緒論記本電腦、PDA，口電話等等。3、M黜H網(wǎng)關(guān)MESHGAT聃AY是WMN與有線網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)，提供路由和網(wǎng)關(guān)功能。WMN中可以有多個網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)流可以選擇通過最合適的網(wǎng)關(guān)來獲得與有線網(wǎng)絡(luò)之間的通信。122WMN的體系結(jié)構(gòu)無線M甜L網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能的不同分為三類骨干網(wǎng)MESH結(jié)構(gòu)，客戶端MESH結(jié)構(gòu)，混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。1骨干網(wǎng)MESH結(jié)構(gòu)骨干網(wǎng)M礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由M礎(chǔ)路由器組成一個可以自配置和自愈的鏈路柬作為骨干網(wǎng)，并通過M曲路由器的網(wǎng)關(guān)功能與IILC冊D相連，從而為客戶端提供接入服務(wù)，如圖1一L。骨干M劬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種典型的多級結(jié)構(gòu)分為上下兩層。下層的客戶節(jié)點(diǎn)可以通過MESH路由器接入到上層M髂H結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互連通信。M曲路由器提供路由選擇和中繼功能，為客戶節(jié)點(diǎn)提供一條順利連接到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的無線鏈路。罔關(guān)節(jié)點(diǎn)通過路由選擇和管理控制等功能為移動終端選擇與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信的最佳路徑。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以兼容市場上已經(jīng)有的設(shè)備，降低系統(tǒng)成本，提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性，缺點(diǎn)是任意兩個終端節(jié)點(diǎn)之間不能直接通信，門”十Q圖11骨二R同ME曲結(jié)構(gòu)2客戶端MESH結(jié)構(gòu)客戶端MESH結(jié)構(gòu)中的所有節(jié)點(diǎn)都是對等的關(guān)系，每個節(jié)點(diǎn)都包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議，既可以接入阿絡(luò)也可以轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的消息。網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠形成任意網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)也可以任意移動，網(wǎng)絡(luò)的拓北京郵電大學(xué)博I學(xué)論文第一章緒論撲結(jié)構(gòu)會動態(tài)的發(fā)生變化。在這種環(huán)境下，由于節(jié)點(diǎn)的無線通信覆蓋范圍有限兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而不需要借助其他基礎(chǔ)設(shè)施?？蛻舳薓曲結(jié)構(gòu)如圖L2所示。削L客戶端M髓H結(jié)構(gòu)3混合MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖L一3所示，在混合結(jié)構(gòu)中，客戶端節(jié)點(diǎn)增加了具有轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能的M郫H設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)無線互連。由于客戶端具有路由能力，為WMN增強(qiáng)了連接性并擴(kuò)大了覆蓋范圍。這是無線MESH網(wǎng)絡(luò)最常見的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是最有普遍研究意義的結(jié)構(gòu)。凹13混合M出結(jié)構(gòu)13WMN的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)。暑、且無線MESH網(wǎng)絡(luò)作為新一代的寬帶無線接入技術(shù)，與傳統(tǒng)的WLAN相比具有許多無可比擬的優(yōu)勢，主要包括自配置、自愈合、高帶寬、高利用率等。除此之沁一航、粵毳夠。R，熏一，而囂一北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論外，采用標(biāo)準(zhǔn)的80211BG制式，可廣泛地兼容無線客戶終端。無線MESH網(wǎng)絡(luò)還提供更好的移動漫游能力，以及端到端的安全連接等等。當(dāng)然，作為一種新興的組網(wǎng)技術(shù)，無線MESH網(wǎng)絡(luò)還存在不完善的地方。131WM附的優(yōu)勢和不足1無線MESH網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的WLAN相比，刪的優(yōu)勢在于快速部署和易于安裝安裝MESH節(jié)點(diǎn)非常簡單，將設(shè)備從包裝盒里取出來，接上電源就行了。用戶可以很容易增加新的節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。無線MESH網(wǎng)絡(luò)的配置和其他網(wǎng)管功能與傳統(tǒng)的WLAN相同，用戶使用WLAN的經(jīng)驗(yàn)可以很容易應(yīng)用到無線MESH網(wǎng)絡(luò)上。非視距傳輸NL0S利用無線MESH技術(shù)可以很容易實(shí)現(xiàn)NLOS配置，因此在室外和公共場所有著廣泛的應(yīng)用前景。無線MESH網(wǎng)絡(luò)能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U(kuò)展了無線寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍。健壯性無線MESH網(wǎng)絡(luò)比單跳網(wǎng)絡(luò)更加健壯，因?yàn)樗灰蕾囉谀骋粋€單一節(jié)點(diǎn)的性能。每個節(jié)點(diǎn)都有一條或幾條傳送數(shù)據(jù)的路徑，如果最近的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動路由到備用路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行不會受到影響。結(jié)構(gòu)靈活在無線MESH多跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備可以通過不同的節(jié)點(diǎn)同時連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。無線MESH網(wǎng)絡(luò)還提供了更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。高帶寬無線通信的物理特性決定了通信傳輸?shù)木嚯x越短就越容易獲得高帶寬，因?yàn)殡S著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的因素隨之增加。因此選擇經(jīng)多個短跳來傳輸數(shù)據(jù)將是獲得更高網(wǎng)絡(luò)帶寬的一種有效方法，而這正是無線MESH網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢所在。在無線MESH網(wǎng)絡(luò)中，一個節(jié)點(diǎn)不僅能傳送和接收信息，還能充當(dāng)路由器對其附近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，隨著更多節(jié)點(diǎn)的相互連接和可能的路徑數(shù)量的增加，總的帶寬也大大增加。此外，因?yàn)槊總€短跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小。既然多跳網(wǎng)絡(luò)通常使用較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的無線信號干擾也較小，網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和信道利用效率大大提高，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量。比如在高密度的城市網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無線MESH網(wǎng)絡(luò)能夠減少使用無線網(wǎng)絡(luò)的相鄰用戶的相互干擾，大大提高信道的利用效率。2無線MESH網(wǎng)絡(luò)的不足盡管無線MESH聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景，但也存在一些影響它廣泛部北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論署的問題，無線MESH網(wǎng)絡(luò)目前存在的不足互操作性目前影響無線MESH技術(shù)迅速普及的一個重要障礙就是互操作性，無線MESH網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用戶現(xiàn)在要么就只能使用某一個廠商的無線MESH產(chǎn)品，要么面臨如何與各種不同類型的嵌入式無線設(shè)備接口的問題，這個問題目前是影響無線MESH技術(shù)推廣使用最重要的原因。想徹底解決互操作性問題，最終還需要業(yè)界制定統(tǒng)一的無線MESH技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通信延遲既然在MESH網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，每一跳至少都會帶來一些延遲，隨著無線MESH網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，跳接越多，積累的總延遲就會越大。一些對通信延遲要求高的應(yīng)用，如話音或流媒體應(yīng)用等，可能面臨無法接受的延遲過長的問題。目前解決這一問題主要是通過增加MESH節(jié)點(diǎn)以及合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。安全與WI。AN的單跳機(jī)制相比，無線M礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的多跳機(jī)制決定了用戶通信要經(jīng)過更多的節(jié)點(diǎn)。而數(shù)據(jù)通信經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)越多，安全問題就越變得不容忽視。N鋤ET本身即是使用MESH方式進(jìn)行通信的典型，它的安全隱患是眾所周知的。盡管有線網(wǎng)絡(luò)中使用的各種端到端安全技術(shù)，如虛擬專用網(wǎng)PN同樣可以用來解決無線MESH的安全問題。但正如INT鋤ET樣，無線MESH網(wǎng)絡(luò)的安全是一個不容忽視的問題。132WMN與其他通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別無線MESH網(wǎng)絡(luò)作為多跳無線網(wǎng)絡(luò)，與蜂窩移動通信系統(tǒng)、移動ADH0C網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)WL州之間相比也存在一些差別。1與蜂窩移動通信系統(tǒng)的區(qū)別可靠性提高在刪中，鏈路為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，如果其中的某一條鏈路出現(xiàn)了故障，節(jié)點(diǎn)便可以自動轉(zhuǎn)向其他可接入的鏈路，因而對網(wǎng)絡(luò)的可靠性有了很大程度的提高但是在采用星型結(jié)構(gòu)的蜂窩移動通信系統(tǒng)中，一旦某條鏈路出現(xiàn)故障，可能造成大范圍的服務(wù)中斷。傳輸速率大大提高在采用、譏刷技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中，可融合其他網(wǎng)絡(luò)或技術(shù)如WIFI、IN糯等，速率可以達(dá)到54脅ITS，甚至更高。而目前正在發(fā)展的3G技術(shù)，其傳輸速率在高速移動環(huán)境中僅支持144KBITS，步行慢速移動環(huán)境中支持384KBI以，在靜止?fàn)顟B(tài)下才達(dá)到2MBI伽。降低成本在刪中，大大節(jié)省了骨干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，而且AP、M等基礎(chǔ)設(shè)備比起蜂窩移動通信系統(tǒng)中的基站等設(shè)備便宜得多。2與移動ADHOC網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別刪與ADH0C網(wǎng)絡(luò)均是點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。ADH0C網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點(diǎn)都兼有獨(dú)北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論立路由和主機(jī)功能，不存在類似于基站的網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)地位平等，采用分布式控制方式。刪把ADH0C網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到移動節(jié)點(diǎn)同時又使移動節(jié)點(diǎn)可通過L“連接到其他網(wǎng)絡(luò)，因此可以把刪看成是ADHOC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一種版本。但刪與移動ADHOC網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模式不同，對于前者，節(jié)點(diǎn)的主要業(yè)務(wù)是來往于因特網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的業(yè)務(wù)，而對于后者，節(jié)點(diǎn)的主要業(yè)務(wù)是任意一對節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)流。雖然人們對ADH0C網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)有相當(dāng)長的時間，但是主要還是在理論上，而且主要應(yīng)用在軍事上，還未進(jìn)行大規(guī)模的商用。3與WLAN的區(qū)別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講，WLAN是典型的點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，而且采取單跳方式，因而數(shù)據(jù)不可轉(zhuǎn)發(fā)。WUN可在較小的范圍內(nèi)提供高速數(shù)據(jù)服務(wù)80211B可達(dá)1LMBI珧，80211A可達(dá)54MBITS，但由于典型情況下WU蛾接入點(diǎn)的覆蓋范圍僅限于幾百米，因此如果想在大范圍內(nèi)應(yīng)用M，AN的這種高速率的服務(wù)模式，成本將非常高。而對于刪，則可以通過WR對數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷轉(zhuǎn)發(fā)，直至把它們送至目的節(jié)點(diǎn)，從而把接入點(diǎn)的覆蓋服務(wù)延伸到幾公里遠(yuǎn)。洲的顯著特點(diǎn)就是可以在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速通信。133刪的關(guān)鍵技術(shù)無線MESH網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限，以及復(fù)雜的時變信道特性和開放的通信環(huán)境，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的信號互相干擾，要提供保證服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)，必須采用有效的網(wǎng)絡(luò)管理和組網(wǎng)技術(shù)，提高鏈路容量和網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。刪的組網(wǎng)技術(shù)包含了幾個主要的方面網(wǎng)絡(luò)配置和部署，功率控制，移動性管理和接入控制，以及路由協(xié)議設(shè)計等。1網(wǎng)絡(luò)配置和部署為了使刪具備良好的可擴(kuò)展性、容錯性、自調(diào)節(jié)能力，大的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量，需要對網(wǎng)絡(luò)配置和部署進(jìn)行研究。首先，需要對移動性較弱，組成骨干網(wǎng)的MESH路由器的部署位置進(jìn)行規(guī)劃，一方面在保證不出現(xiàn)無線信號覆蓋盲區(qū)的前提下，MESH路由器需要量盡可能地低以降低成本；另一方面，在熱點(diǎn)區(qū)域，提供多條路徑以增加用戶接入數(shù)?？梢越Y(jié)合多入多出M蹦O和方向性天線技術(shù)等來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。MESH路由器能提供各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)，因此，如何分配MESH路由器的多個無線接口以保證各個網(wǎng)絡(luò)之間的連通性，是刪應(yīng)該解決的問題。此外，在刪中，采用多電臺多信道的方法可以用來增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，但在無線多跳的環(huán)境下，多信道的通信方式也面臨更多的亟待解決的問題文獻(xiàn)【7】中提到多信道刪在信道間分布式業(yè)務(wù)分配，信道協(xié)調(diào)使用及廣播支持等方面存在著北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論問題，并對多信道有關(guān)協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。2功率控制在刪中，對MESH路由器雖然沒有能量限制，但也需要功率控制，目的是保證刪的連通性，控制網(wǎng)絡(luò)干擾，提高頻率復(fù)用率。適當(dāng)?shù)膫鬏敼β士梢詼p小無線信道信號間干擾，提高頻譜復(fù)用效率。與MESH路由器不同，MESH客戶端一般是移動節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的能量有限。因此，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需要考慮功率的有效性。比如，一些MESH客戶端可能是M電話或者是一個傳感器，因此，功率效率是要考慮的一個因素。對于一些刪應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)功率控制將優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的連接性，提高網(wǎng)絡(luò)性能。3移動性管理和接入控制刪移動性管理包含兩方面的含義位置管理和移動切換管理。位置管理主要用于解決位置注冊，而移動切換管理包括切換初始化，建立新連接，以及在切換過程中的數(shù)據(jù)流控制，以提供用戶的無縫連接服務(wù)。在蜂窩網(wǎng)中，移動性管理由基站，移動交換中心和位置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集中式管理；而在ADHOC網(wǎng)絡(luò)中，移動性管理與路由協(xié)議緊密結(jié)合，可看作是一種分布式的方案。刪因同時具有多跳和移動性低的特點(diǎn)，其移動性管理需要充分結(jié)合上述兩種網(wǎng)絡(luò)的移動性管理技術(shù)。接入控制是指保證用戶使用各種無線傳輸技術(shù)，均可以有效接入、烈尤其是在局部熱點(diǎn)地區(qū)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多、負(fù)載較重的情況下，如何控制新節(jié)點(diǎn)的接入來保證已接入節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量。4路由協(xié)議設(shè)計刪采用多跳中繼實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，這使得路由協(xié)議設(shè)計可以參考ADHOC網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議設(shè)計方法。但與之相比，兩者還存在差別。一方面，刪由接入點(diǎn)ACCESSPO缸，AP、MESH路由器、MESH網(wǎng)關(guān)等構(gòu)成的，節(jié)點(diǎn)的移動性相對較弱；另一方面，刪中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)都是用戶節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，而ADHOC網(wǎng)絡(luò)主要提供節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)傳輸模式。此外，憫在功耗限制方面要求相對較弱。研究刪的路由協(xié)議，也可以參考在因特網(wǎng)中所采用的路由技術(shù)，例如自治域內(nèi)和域外使用不同的路由協(xié)議。14WMN的研究現(xiàn)狀及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展對WMN組網(wǎng)技術(shù)的研究，主要有兩種方法。一種是采用仿真方法開展研究工作，例如，基于NS2和OPNET的仿真軟件，建立刪網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型和業(yè)務(wù)傳輸模型，進(jìn)行協(xié)議的設(shè)計和性能分析。與此同時，基于刪網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象出更小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、業(yè)務(wù)模型及關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個實(shí)用的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，北京郵電大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論即刪試驗(yàn)床，對一個刪進(jìn)行測試、性能分析，這也是目前許多國外研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行的研究工作。141嗍的研究現(xiàn)狀目前，國際上有很多公司、大學(xué)以及研究機(jī)構(gòu)都開展了關(guān)于無線MESH網(wǎng)絡(luò)的研究項(xiàng)目，搭建了一系列的實(shí)驗(yàn)床。它們都提出了自己關(guān)于無線MESH網(wǎng)絡(luò)的解決方案，并研制出了相應(yīng)的設(shè)備。較有影響力的刪研究項(xiàng)目有L渤烈CT【S。9】是美國麻省理工學(xué)院MIT所開展的研究項(xiàng)目，這是一個基于IEEE80211的非統(tǒng)一部署的城域刪網(wǎng)絡(luò)。HVACIILTLL項(xiàng)目是紐約州立大學(xué)所研究的基于IEEE8021L的多信道WMN【L叫，提出了用IEEE8021LABG技術(shù)構(gòu)建的多信道刪體系結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目主要研究無線接口、信道分配以及路由問題。喬治亞工學(xué)院寬帶與無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室架設(shè)了刪試驗(yàn)床BWNM髓H，該研究組的目標(biāo)定位在與多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的刪的傳輸層、路由以及MAC協(xié)議上【12L。MICROSOFI風(fēng)戡耐LLABMSR的WMN研究項(xiàng)目MICFI刪關(guān)注于自組織鄰居場景【13】，利用MCLMESHCO衄ECTIVI哆L慣軟件模型實(shí)現(xiàn)了ADHOC路由與鏈路質(zhì)量測量。INTEL網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的INTEL刪項(xiàng)目開發(fā)了低陳本、低功耗的訪問點(diǎn)原型，用于進(jìn)一步研究刪上的流量特征、動態(tài)路由與配置、QOS舢L時OFSE州以及安全等問題。美國PACKETHOP公司的WMN項(xiàng)目是一個運(yùn)行在IEEE80211多模式寬帶RADIO上的三層解決方案，由S國際實(shí)驗(yàn)室開發(fā)。1ROPOSNET、ORKS使用運(yùn)行在IEEE8021L標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件基礎(chǔ)之上的三層網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TROPOSSPHERE，利用蜂窩WIFI網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)式MESH網(wǎng)絡(luò)ME昀M船H。在商業(yè)應(yīng)用方面，加拿大北電網(wǎng)絡(luò)NORTEL推出了刪的商業(yè)解決方案【14】。該方案由無線接入點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)3個主要的網(wǎng)絡(luò)元素組成。該網(wǎng)絡(luò)是基于刪的構(gòu)架模式，它包括一個具有智能天線、綜合路由器、適應(yīng)性路由機(jī)制以及安全容量機(jī)制的點(diǎn)到點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。無線接入點(diǎn)采用智能天線，具有兩個無線接口，能夠支持24GHZ的接入鏈路和5GHZ的主干傳輸鏈路。用戶采用IEEE80211BG設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，主干傳輸采用IEEE80211A鏈路。該網(wǎng)不受