1、第9章 無線Mesh網(wǎng)絡(luò),內(nèi)蒙古商貿(mào)職業(yè)學(xué)院計算機系 2010-2011第二學(xué)期 09網(wǎng)絡(luò)一班、二班,內(nèi)容提要,9.1 概述 9.2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 9.3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議 9.4 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 9.5 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式,9.1 概述,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN，Wireless Mesh Network，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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著非常密切的聯(lián)系。,9.1.1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的起源,WMN的出現(xiàn)是應(yīng)用需求直接推動的結(jié)

2、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 。 蜂窩移動通信系統(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Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直在悄悄地與蜂窩移動通信技術(shù)平行發(fā)展；但在相當長的一段時期內(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覆蓋。,傳統(tǒng)基站方案的無線通信系統(tǒng),WMN技術(shù)應(yīng)運而生,為了能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信中無處不在的通信目標，需要基于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，開發(fā)出一種完

3、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)。,WMN結(jié)構(gòu)示意圖,WMN與移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、WLAN和WBAN的關(guān)系示意圖,9.1.2 移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)向無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的演進,移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)和WMN技術(shù)的發(fā)展始終與一些成熟的技術(shù)與標準(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，是一種多級網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。,移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的演進,分級移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),基于WLAN的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),WiMAX作為Wi-Fi Mesh拓撲的回程,WiMAX作

4、為Mesh拓撲內(nèi)回程,WiMAX作為客戶端的接入網(wǎng),趨勢,從移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史及未來趨勢可見，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，可以為用戶提供真正的無處不在的連接(Ubiquitous Connection)。 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)演進是必然趨勢。,9.1.3 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。 (2)傳輸速率大大提高。 (3)投資成本降低。 (4)網(wǎng)絡(luò)配置和維護簡便快捷。,2.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與WLAN(Wi-Fi)的主要區(qū)別,從拓撲結(jié)構(gòu)上看，WLAN是典型的

5、點對多點(P2MP，Point to Multiple Points)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對數(shù)據(jù)進行智能轉(zhuǎn)發(fā)(需要對WLAN傳統(tǒng)的AP功能進行擴展和改進) 從協(xié)議上看，WMN與移動Ad Hoc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)點業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。對于路由協(xié)議，WLAN是靜態(tài)的因特網(wǎng)路由協(xié)議十移動IP；但WMN則主要是動態(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。,3.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與移動Ad Hoc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

6、供了大范圍的信號覆蓋與節(jié)點連接。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都兼有獨立路由和主機功能，節(jié)點地位平等，接通性是依賴端節(jié)點的平等合作實現(xiàn)的，健壯性比WMN差。 (2)WMN節(jié)點移動性低于移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，所以WMN注重的是“無線”，而移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更強調(diào)的是“移動”。 (3)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，WMN多為靜態(tài)或弱移動的拓撲，而移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)多為隨意移動(包括高速移動)的網(wǎng)絡(luò)拓撲。 (4)WMN與移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模式不同，前者節(jié)點的主要業(yè)務(wù)是來往于因特網(wǎng)的業(yè)務(wù),后者節(jié)點的主要業(yè)務(wù)是任意一對節(jié)點之間的業(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，

7、而移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)主要用于軍事或其他專業(yè)通信。,9.1.4 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)缺點,優(yōu)點: (1)可靠性大大增強。 (2)具有沖突保護機制。 (3)簡化鏈路設(shè)計。 (4)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍增大。 (5)組網(wǎng)靈活、維護方便。 (6)投資成本低、風(fēng)險小。,缺點: (1) 對于不同射頻信道的WMN的研究還處于試驗研制階段，性能改善總體來說還不太滿意。 (2)在WMN路由準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，每個節(jié)點鏈路連接度也是一個至關(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)增加會帶來設(shè)備開銷和成本上升，同

8、時可能會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。,9.2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),9.2.1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.多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 3.混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),WMN平面結(jié)構(gòu),WMN分級結(jié)構(gòu),WMN混合結(jié)構(gòu),中國某城市超級城市WMN結(jié)構(gòu),9.2.2 802標準族對Mesh結(jié)構(gòu)的支持,1802.16對Mesh結(jié)構(gòu)的支持,WiMAX基于Mesh的無線寬帶接入結(jié)構(gòu)圖,2802.11s對Mesh結(jié)構(gòu)的支持,IEEE新成立了一個IEEE 802.11s子工作組，制定標準化的擴展服務(wù)集(ESS)，即802.1

9、1s專門為WMN定義了MAC和PHY層協(xié)議。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，WLAN接入點可以像路由器那樣轉(zhuǎn)發(fā)信息。,3802.15系列對Mesh結(jié)構(gòu)的支持,(1)802.15.1:IEEE提出的第一個取代有線連接的WPAN技術(shù)標準，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:主要目標是為802.15 WPAN發(fā)展推薦應(yīng)用，此協(xié)議標準為多種技術(shù)融入WMN提供了支持。 (3)802.15.3:為消費類電子及通信設(shè)備提供短距離無線連接的高速WPAN制定標準。子工作組802.15.3a進一步發(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)達到高達480M

10、b/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、長電池壽命和低設(shè)備開銷要求的遙測技術(shù)制定的。ZigBee聯(lián)盟正在制定運行在IEEE 802.15.4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)拓撲結(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。,ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu),4802.20對Mesh結(jié)構(gòu)的支持,802.20即移動寬帶無線接入(MBWA)工作組成立于2002年12月，致力于為移動用戶開發(fā)一個標準，支持在36Hz頻帶可靠地進行高速無線數(shù)據(jù)傳輸。同時，在室內(nèi)、室外環(huán)

11、境中支持WMN結(jié)構(gòu)。,9.3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議,在MAC協(xié)議上，WMN承襲了IEEE 802.11標準中的很多技術(shù)，特別是802.11s標準更是專門針對傳統(tǒng)的802.11 MAC協(xié)議擴展成為支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的新的協(xié)議，另外802.16 MAC協(xié)議也已支持網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。專門針對WMN設(shè)計的MAC協(xié)議，包括速率自適應(yīng)多跳網(wǎng)MAC協(xié)議、多信道WMN MAC協(xié)議等。,9.4 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,WMN是一種特殊的移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，移動Ad Hoc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，動態(tài)源路由(DSR)協(xié)議、基于目的序號距離矢量(DSDV)協(xié)議、按需距離矢量(AODV)協(xié)議

12、、基于關(guān)聯(lián)性的路由(ABR)協(xié)議和基于信號穩(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)測的無線路由(PWRP)協(xié)議、單收發(fā)器多信道路由(MCRP)協(xié)議等。,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)分級路由 (5)跨層路由 (6)QoS路由 (7)基于地理位置信息的路由,9.5 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運營商。隨著802.11b成為工業(yè)標準，運營商已經(jīng)采用WLAN提供因特網(wǎng)的接入。WISP可以在公共場所(如機場、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)。用戶使用移動終端設(shè)備(筆記本電腦、商務(wù)手機或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1154Mb/s。,WISP摸式的WMN解決方案,9.5.2 因特網(wǎng)延伸模式,無線(移動)因特網(wǎng)應(yīng)用不僅包括