第16章無線Mesh網(wǎng)絡(luò)第一頁，共40頁。內(nèi)容提要16.1概述16.2無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)16.3無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議16.4無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議16.5無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式第二頁，共40頁。9.1概述無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN，WirelessMeshNetwork，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)等)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣，也是一種應(yīng)用性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，仍然主要是以前面幾章介紹的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的，特別是和移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著非常密切的聯(lián)系。第三頁，共40頁。16.1.1無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的起源WMN的出現(xiàn)是應(yīng)用需求直接推動(dòng)的結(jié)果。傳統(tǒng)的基于基站方案的無線通信系統(tǒng)是通過“最后一公里”的無線接入，無法適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，大大緩解了用戶業(yè)務(wù)與系統(tǒng)資源之間的矛盾。但只適用于人口稠密、有永久用戶業(yè)務(wù)需求的地區(qū)。移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在悄悄地與蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)平行發(fā)展；但在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)并沒有在民用通信領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。無線局域網(wǎng)有效延伸了因特網(wǎng)的覆蓋范圍，但是商業(yè)化進(jìn)程在很多地區(qū)并不成功。技術(shù)上也無法做到像蜂窩網(wǎng)絡(luò)一樣無處不在的信號(hào)覆蓋。第四頁，共40頁。傳統(tǒng)基站方案的無線通信系統(tǒng)第五頁，共40頁。WMN技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生為了能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信中無處不在的通信目標(biāo)，需要基于移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)出一種完全適用于民用通信的無線多跳網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，WMN技術(shù)就隨著這一需求而出現(xiàn)。第六頁，共40頁。WMN結(jié)構(gòu)示意圖第七頁，共40頁。WMN與移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)、WLAN

和WBAN的關(guān)系示意圖

第八頁，共40頁。16.1.2移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)向無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)和WMN技術(shù)的發(fā)展始終與一些成熟的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)(如WLAN、WiMAX)，從而構(gòu)成大規(guī)模的可伸縮性無線網(wǎng)絡(luò)下一代無線網(wǎng)絡(luò)(或4G無線網(wǎng)絡(luò))不再是一種全新的單一結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而是多種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，是一種多級(jí)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。第九頁，共40頁。移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)第十頁，共40頁。分級(jí)移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)第十一頁，共40頁?；赪LAN的移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)第十二頁，共40頁。WiMAX作為Wi-FiMesh拓?fù)涞幕爻痰谑?，?0頁。WiMAX作為Mesh拓?fù)鋬?nèi)回程第十四頁，共40頁。WiMAX作為客戶端的接入網(wǎng)第十五頁，共40頁。趨勢(shì)從移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史及未來趨勢(shì)可見，無線網(wǎng)絡(luò)的多跳連接將成為下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，可以為用戶提供真正的無處不在的連接(UbiquitousConnection)。下一代無線網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上向Mesh結(jié)構(gòu)演進(jìn)是必然趨勢(shì)。第十六頁，共40頁。16.1.3無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與其他無線網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別1．無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別(1)可靠性提高，自愈性強(qiáng)。(2)傳輸速率大大提高。(3)投資成本降低。(4)網(wǎng)絡(luò)配置和維護(hù)簡(jiǎn)便快捷。第十七頁，共40頁。2.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與WLAN(Wi-Fi)的主要區(qū)別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，WLAN是典型的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(P2MP，PointtoMultiplePoints)網(wǎng)絡(luò)，而且采取單跳方式，因而數(shù)據(jù)不可轉(zhuǎn)發(fā)。WMN可以通過WR對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能轉(zhuǎn)發(fā)(需要對(duì)WLAN傳統(tǒng)的AP功能進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn))從協(xié)議上看，WMN與移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)基本類似。WLAN的MAC協(xié)議完成的是本地業(yè)務(wù)的接入，而WMN則有兩種可能，一種是本地業(yè)務(wù)的接入，另一種是其他節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于路由協(xié)議，WLAN是靜態(tài)的因特網(wǎng)路由協(xié)議十移動(dòng)IP；但WMN則主要是動(dòng)態(tài)的按需發(fā)現(xiàn)的路由協(xié)議，只具有較短暫的生命周期。第十八頁，共40頁。3.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)AdHoc網(wǎng)的主要區(qū)別(1)WMN由無線路由器構(gòu)成的無線骨干網(wǎng)組成。該無線骨干網(wǎng)提供了大范圍的信號(hào)覆蓋與節(jié)點(diǎn)連接。移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都兼有獨(dú)立路由和主機(jī)功能，節(jié)點(diǎn)地位平等，接通性是依賴端節(jié)點(diǎn)的平等合作實(shí)現(xiàn)的，健壯性比WMN差。(2)WMN節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性低于移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，所以WMN注重的是“無線”，而移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)調(diào)的是“移動(dòng)”。(3)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，WMN多為靜態(tài)或弱移動(dòng)的拓?fù)?，而移?dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)多為隨意移動(dòng)(包括高速移動(dòng))的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?4)WMN與移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模式不同，前者節(jié)點(diǎn)的主要業(yè)務(wù)是來往于因特網(wǎng)的業(yè)務(wù),后者節(jié)點(diǎn)的主要業(yè)務(wù)是任意一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)流。(5)從應(yīng)用來看，WMN主要是因特網(wǎng)或?qū)拵Ф嗝襟w通信業(yè)務(wù)的接入，而移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)主要用于軍事或其他專業(yè)通信。第十九頁，共40頁。16.1.4無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):(1)可靠性大大增強(qiáng)。(2)具有沖突保護(hù)機(jī)制。(3)簡(jiǎn)化鏈路設(shè)計(jì)。(4)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍增大。(5)組網(wǎng)靈活、維護(hù)方便。(6)投資成本低、風(fēng)險(xiǎn)小。

第二十頁，共40頁。缺點(diǎn):(1)對(duì)于不同射頻信道的WMN的研究還處于試驗(yàn)研制階段，性能改善總體來說還不太滿意。(2)在WMN路由準(zhǔn)則和選擇算法等方面，目前提出的特別適用于WMN的路由協(xié)議寥寥無幾。(3)在WMN連接性和多路支持方面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)鏈路連接度也是一個(gè)至關(guān)重要的問題，并非使用射頻信道數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)性能越好，射頻信道數(shù)增加會(huì)帶來設(shè)備開銷和成本上升，同時(shí)可能會(huì)帶來更多的干擾問題。(4)在WMN帶寬利用和資源分配算法方面，目前還沒有提出非常有效的可用算法和協(xié)議，相關(guān)問題還有待研究。第二十一頁，共40頁。16.2無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)16.2.1無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分類1.平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第二十二頁，共40頁。WMN平面結(jié)構(gòu)第二十三頁，共40頁。WMN分級(jí)結(jié)構(gòu)第二十四頁，共40頁。WMN混合結(jié)構(gòu)第二十五頁，共40頁。中國某城市超級(jí)城市WMN結(jié)構(gòu)第二十六頁，共40頁。16.2.2802標(biāo)準(zhǔn)族對(duì)Mesh結(jié)構(gòu)的支持1．802.16對(duì)Mesh結(jié)構(gòu)的支持第二十七頁，共40頁。WiMAX基于Mesh的無線寬帶接入結(jié)構(gòu)圖

第二十八頁，共40頁。2．802.11s對(duì)Mesh結(jié)構(gòu)的支持IEEE新成立了一個(gè)IEEE802.11s子工作組，制定標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)，即802.11s專門為WMN定義了MAC和PHY層協(xié)議。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，WLAN接入點(diǎn)可以像路由器那樣轉(zhuǎn)發(fā)信息。第二十九頁，共40頁。3．802.15系列對(duì)Mesh結(jié)構(gòu)的支持(1)802.15.1:IEEE提出的第一個(gè)取代有線連接的WPAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，組網(wǎng)方式靈活多樣，且支持多跳，有力支持WMN結(jié)構(gòu)。(2)802.15.2:主要目標(biāo)是為802.15WPAN發(fā)展推薦應(yīng)用，此協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為多種技術(shù)融入WMN提供了支持。(3)802.15.3:為消費(fèi)類電子及通信設(shè)備提供短距離無線連接的高速WPAN制定標(biāo)準(zhǔn)。子工作組802.15.3a進(jìn)一步發(fā)展制定了基于多帶OFDM聯(lián)盟(MBOA)的PHY層，使用超寬帶(UWB)技術(shù)達(dá)到高達(dá)480Mb/s的峰值傳輸速率,正是WMN所需的。(4)802.15.4:低數(shù)據(jù)速率、長(zhǎng)電池壽命和低設(shè)備開銷要求的遙測(cè)技術(shù)制定的。ZigBee聯(lián)盟正在制定運(yùn)行在IEEE802.15.4的MAC和PHY層以上的高層協(xié)議它的網(wǎng)絡(luò)層支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如星形、簇形和Mesh。

(5)802.15.5:目前還在開發(fā)中，最終定位于WMN的MAC層，且不需要ZigBee或IP路由支持。

第三十頁，共40頁。ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)第三十一頁，共40頁。4．802.20對(duì)Mesh結(jié)構(gòu)的支持

802.20即移動(dòng)寬帶無線接入(MBWA)工作組成立于2002年12月，致力于為移動(dòng)用戶開發(fā)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，支持在36Hz頻帶可靠地進(jìn)行高速無線數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，在室內(nèi)、室外環(huán)境中支持WMN結(jié)構(gòu)。

第三十二頁，共40頁。16.3無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

在MAC協(xié)議上，WMN承襲了IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的很多技術(shù)，特別是802.11s標(biāo)準(zhǔn)更是專門針對(duì)傳統(tǒng)的802.11MAC協(xié)議擴(kuò)展成為支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新的協(xié)議，另外802.16MAC協(xié)議也已支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。專門針對(duì)WMN設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議，包括速率自適應(yīng)多跳網(wǎng)MAC協(xié)議、多信道WMNMAC協(xié)議等。第三十三頁，共40頁。16.4無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議WMN是一種特殊的移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的很多路由協(xié)議可以作為WMN路由協(xié)議的基礎(chǔ)。例如，動(dòng)態(tài)源路由(DSR)協(xié)議、基于目的序號(hào)距離矢量(DSDV)協(xié)議、按需距離矢量(AODV)協(xié)議、基于關(guān)聯(lián)性的路由(ABR)協(xié)議和基于信號(hào)穩(wěn)定性路由(SSR)協(xié)議等。最新的專門適用于WMN的路由協(xié)議，包括多徑源路由(MSR)協(xié)議、多射頻鏈路質(zhì)量源路由(MR-LQSR)協(xié)議、可預(yù)測(cè)的無線路由(PWRP)協(xié)議、單收發(fā)器多信道路由(MCRP)協(xié)議等。第三十四頁，共40頁。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類(1)多判據(jù)路由(2)多信道路由(3)多徑路由(4)分級(jí)路由(5)跨層路由(6)QoS路由(7)基于地理位置信息的路由第三十五頁，共40頁。16.5無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式WISP模式WISP即無線ISP，又可稱為WLAN運(yùn)營(yíng)商。隨著802.11b成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)采用WLAN提供因特網(wǎng)的接入。WISP可以在公共場(chǎng)所(如機(jī)場(chǎng)、酒店、咖啡館、茶館等地方)架設(shè)自己的基站，提供無線上網(wǎng)的服務(wù)。用戶使用移動(dòng)終端設(shè)備(筆記本電腦、商務(wù)手機(jī)或PDA)可以在無線覆蓋區(qū)域安全方便地獲得高速因特網(wǎng)接入服務(wù)，速率最高可達(dá)11~54Mb/s。

第三十六頁，共40頁。WISP摸式的WMN