无线MESH网络

无线MESH网络 MESH 1.WMN 1.1.WMN 无线网状网是一种由多种类型节点构成的、以网状为基本拓扑结 构的、多跳、自组织和自管理的无线网络架构，被看成是互联网的一 种无线版本。从网络组成和拓扑结构来看，目前比较有代性的WMN 定义有以下三种： (1)由移动节点与接入点组成的WMN 每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其邻近节点 进行通信，如图1所示。在网络中MN（移动节点）既是业务的使用者 又是业务的提供者，该WMN吸收了星形网与网状网两种网络的优点， 是对两者的一种无缝融合。WMN可以看作是WLAN和ad Hoc网络的 融合，发挥了两者的优势，而这种融合是通过在网络节点上执行 WMR(wireless mesh routing)来完成的。AP之间是通过有线链路实现通信的 。 图1：由移动节点与接入点组成的WMN 这种定义方式只是将传统局域网中的单跳星形拓扑用多跳网状 拓扑替代，对相应的协议栈进行了修改和补充，并没有考虑到无线骨 干网的情况，把WMN限制在一个局部的范围(相当于传统意义上的局 域网的范围)内。因此，这种定义有很大的局限性，只适用于少数特 定的场合，无法体现WMN的很多重要特性。 (2)由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统组成的WMN 网关节点是WMN和骨干网的接口，一般与高速路由器相连。在 一个WMN中，可以选择一个处于合适位置的用户节点作为网关节点。 这种定义方式是将有线方式实现的相互连接传统接入骨干网(或称为回程网)以一种无线多跳、网状结构方式替代。基于这种定义模 式下的WMN的应用，在扩大网络覆盖范围、减少投资成本、按需灵 活组网、提高网络稳健性等方面具有很大的优势，因此目前大多数基 于WMN技术的市场应用从根本上来说都是采用这种模式。但是由于 其不适合描述在局部网络范围内应用时的WMN模式，因此存在一定 的局限性，无法全面体现WMN的特性。 图2：由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统组成的WMN (3)由Mesh路由器和Mesh客户端组成的WMN 这种定义抓住了WMN最基本的两个组成要素：Mesh路由器和Mesh客户端。多个Mesh路由器组成WMN的骨干网;Mesh路由器既可为Mesh客户端提供网络接入，又可为传统网络客户端用户提供网络接入;在Mesh路由器里还集成了网关和网桥功能，可以实现WMN与其他网络的有机 融合，Mesh客户端可以是固定的也可以是移动的，它们可以自己组成 一个只包括Mesh客户端的客户端网状网，也可以和Mesh路由器一起组成一个客户端网状网。在这种定义方式下的WMN中，每个节点(包括Mesh路由器和Mesh客户端)运行时，不仅作为一个主机也作为一个路 由器。当某些源节点想要传输数据给不在其无线直接传输范围内的目 的节点时，就可以通过其他节点代为传送，通过中继的方式实现源节 点和目的节点之间的数据传输。 （1）多跳无线网络。支持adHoc组网方式，具备自形成、自愈和 自组织能力。 （2）移动特性随Mesh节点类型的不同而不同。Mesh路由器通常具有较小的移动性，而Mesh客户端既可以是静止不动的节点，也 可以是移动的节点。 （3）支持多种网络接入方式。WMN既支持通过骨干网接入的 方式，又支持对等(peer-to-peer，P2P)的通信方式。此外，WMN可与其他网络集成，为这些网络的终端用户提供服务。 (4）与现有无线网络兼容，可互操作。 2.WMN (1)可靠性提高。在WMN中，链路为网格结构，如果其中的某一 条链路出现了故障，节点便可以自动转向其他可接入的链路，蜂窝移 动通信系统中，某条链路出现故障，可能造成大范围的服务中断。 (2)传输速率大大提高 在采用WMN技术的网络中，可融合其他网络或技术（如Wi-Fi、UWB等），速率可以达到54Mbit/s，甚至更高。 (3)降低成本 在WMN中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且AP、IR等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备便宜得多。 WMN与AD Hoc网络均是点对点网络。Ad Hoc网络中的移动节点 都兼有独立路由和主机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点， 节点地位平等，采用分布式控制方式。WMN把Ad Hoc网络技术应用到移动节点同时又使移动节点可通过IAP连接到其他网络，因此可以 把WMN看成是Ad Hoc网络技术的另一种版本。但WMN与移动Ad Hoc网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特 网网关的业务，而对于后者，节点的主要业务是任意一对节点之间的 业务流。虽然人们对Ad Hoc网络的研究已经有相当长的时间，但是主 要还是在理论上，而且主要应用在军事上，还未进行大规模的商用。 从拓扑结构上讲，WLAN是典型的点对多点网络，而且采取单跳 方式，因而数据不可转发。WLAN在大范围内提供高速数据服务的成 本将非常高。而对于WMN，则可以通过WR对数据进行不断转发， 直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几公里 3.mesh 远，WMN的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。 WMN的网络架构根据节点功能的不同，主要可以分为以下三类： (1)基础设施/骨干WMN 这类WMN的网络架构如图3所示，图中虚线和实线分别代表无线 和有线链路。在这类WMN网络架构中，客户端连接到Mesh路由器上，由Mesh路由器为客户端形成一个基础设施网，这些Mesh路由器自身形成了一个具有自配置自愈链路的网状网。凭借网关功能，Mesh路由器可以连接到Internet上。这种也被称为“基础设施网状化”的方 法，通过使用Mesh路由器的网关/网桥功能，为传统客户端提供了骨 干连接，并实现了WMN和现有无线网络的集成。带有以太网接口的 传统客户端可以通过以太网链路连接到Mesh路由器上。对于和Mesh路由器采用相同无线电技术的传统客户端，它们可以直接和Mesh路由器通信。如果客户端采用了与Mesh路由器不同的无线电技术，那 么客户端必须和基站通信，基站通过以太网连接到Mesh路由器上。基础设施/骨干WMN是最常用的网络架构。 图3。基础设施/骨干WMN (2)客户端WMN 客户端网状化使客户端设备间形成了对等网络。在这类网络架构 中，客户端节点组成实际的网络，既为客户提供终端用户应用，又完 成路由和配置功能，因此，采用这种架构的网络不需要Mesh路由器。其基本的网络架构如图4所示。在客户端WMN中，预定送往网络中某节点的数据包跳经多个节点到达目的地。客户端WMN通常在终端设备上采用同一种无线电技术来组网，此外，由于其终端用户必须执行 路由和自配置等附加功能，因此与基础设施网状化相比，对终端用户 设备的要求提高了。 图4。客户端WMN (3)混合WMN 如图5所示，这种网络架构是基础设施网状化和客户端网状化的 结合。Mesh客户端既可以通过与其他Mesh客户端的网状连接直接接入网络，也可以通过Mesh路由器接入网络。混合WMN中基础设施网提供了到其他网络的连接，客户端具备的路由能力也提高了 WMN内的网络连通性和覆盖范围。 图5。混合WMN 4. 影响MESH网络性能的关键因素归纳如下： (1)无线电技术 为了提高无线电技术的性能，需要研究通过更上层的协议够动态 地控制无线电的技术，这要求对上层协议中采用一种变革性的设计。 (2)可扩展性 采用多跳通信方式的WMN随着网络规模的扩大，端到端的可靠 性急剧下降。WMN采用的主要是ad Hoc的网络结构，如何提高WMN 的可扩展性，是一项富有挑战性的研究课。 (3)网状网连通性 WMN的许多优点都源自其具有的网状网连通性，因此保证网状网 连通性是协议设计的关键性要求，尤其是MAC协议和路由协议的设计。 (4)宽带和QoS保证 WMN不同于其他ad Hoc网络，它的大部分应用是要提供有各种 各样QoS要求的宽带服务。因此，通信协议除了要考虑端到端传输延 迟和公平性外，还必须考虑更多的性能指标。 (5)兼容性和互操作性 由于WMN同时支持传统客户端和Mesh客户端的网络接入，因此， WMN需要后向兼容传统客户端节点。另外WMN与其他无线网络的集成，要求某些Mesh路由器具备在各个不同种类的无线网络中共同操作的 能力。 (6)安全性 WMN需要研究出新的安全，其涉及范围从加密算法到安全 密钥分发、安全的MAC和路由协议、入侵检测以及安全监控。 (7)易用性 协议的设计必须使网络能够尽可能地自治，此外，还需要开发 WMN网络管理工具，(8)隐藏终端问题处理技术 (9)路由技术 5.MeshMAC WMN（Wireless Mesh Networks）的多跳性，缺乏集中式控制、 网络拓扑时变等特点，使多信道MAC协议设计上更加困难。主要有 以下问题。 (1) 多信道的隐藏终端问题：例如。4个节点A、B、C、D ，假如每个节点有一个收发器，同时网络中有N个信道可用，一个信道专门用作控制信道，其他信道传输数据。A和B传输数据时，通过控制信道，交换RTS和CTS消息，实现握手和信道的预留。当B向A发送CTS时，C在另一个信道上接收数据，不可能听到B发送的CTS。由于不知道B要在信道2上接收数据，C可能会和D在相同的信道上传输数据，结果与B发生冲突。 图 6。 多信道的隐藏终端问题 (2) 接收端忙问题：指当发送者和接收者不在同一个信道时则接 收者不能侦听到广播信号或者是RTS。 (3) 广播消息问题：WMN是依靠广播信号来实现包括路由发现、 路由维护、地址解析等信息的传送。在设计过程中，如何有效保证广 播信息的接收是非常重要的。 对于单信道的MESH的MAC协议有三种方法： 1. 改进现有的MAC协议，通过修改CSMA/CA的参数使其应用于AD HOC网络。但是对于多跳的MESH网络只有很低的端到端的 吞吐量。 2. 基于先进的物理层技术跨层设计，主要有两种方案：基于方向 天线和带功率控制的MAC。 3. 提出革命性的MAC设计，TDMA和CDMA为基础的MAC协议设计将成为非常重要的研究课题，但它必须先解决设计TDMA或CDMA的MAC协议的复杂性和造价以及与现有MAC协议的兼容性。 对于多信道的MAC协议的设计方法： 1.动态信道分配(DCA)多信道MAC协议。有专用的控制信道和2个射频，控制信道用来解决信道的冲突和为每个终端分配信道的问题;数据信道用来传输数。 2.MMAC多信道MAC协议（Multi-Channel MAC）。这种协议没有专门的控制信道，通过节点维持PCL (Preferable channel list) 表。记录接点的最优信道。 3.基于主信道分配的( PCAM)多信道MAC协议。PCAM多信道MAC协议是有专用控制信道、3个射频。这种机制可以实现数据信号 与控制信号的分离，且路由信息比数据优先级高。 如何更准确、更快的传输路由信息，更好地保证网络的连通性， 是衡量MAC协议优劣的重要指标。因此，在设计MAC协议的同时，要综合考虑各个方面的因素。此外，多信道MAC协议还要考虑与其 他技术的结合，如功率控制等，也是未来多信道MAC设计所要考虑的重要方面。WMN多信道MAC协议的设计，要纵向考虑到网络各个 协议层，更好的发挥网络的性能，同时还要考虑到应用的需求，这样 才能设计出适合用户应用的多信道MAC协议。 6.Mesh WMN是移动Ad hoc网络的一种特殊形态，它继承了Ad hoc网络的特点，具有自配置、自组织与自管理等特性，所以部分传统的Ad hoc 网络路由协议在WMN中仍然可用，但需要在WMN路由协议设计中考虑其特殊性。WMN应该具有以下特点： 移动性，不同类型的网络节 点具有不同的移动性。在设计WMN路由协议时，可以弱化移动性对 该协议的影响；能量约束，不同类型的节点具有不同的能量约束；业 务模式，WMN节点的主要业务是来自于因特网网关的业务 假如条件允许，可以在接入点到任意节点之间使用先应式路由机制，从而降低 这些业务的传送时间； 路由判据：为解决因路径质量差而影响网络吞吐量等性能的问 题，要求WMN 采用一种新的路由判据，而且该判据能正确反映出链 路质量对各指标的影响。无线路由算法指的是如何选择一条路径将用 户的无线数据回传到有线网络。在无线Mesh网络中，可能存在多条数 据回传路径，那么如何从中选择一条最优路径或相对最优路径呢？ 当前业界和学术界主要有两种做法：一种是沿用有线网络中普遍 采用的路由协议，例如OSPF、RIP等链路状态、距离向量协议；另一 种是开发无线下专用的路由协议，如PWRP算法、MR-LQSR算法等。 Mesh路由的目的是为了寻找最优或相对最优的回传路径。在无 线网络中，网络性能同发送成功概率息息相关。在无线Mesh网络中，一个好的路由算法必须兼顾减少路由跳数以及降低某条链路上 packet error的概率。在这个意义上，传统的有线路由协议并不适 合于无线Mesh路由，因为它通常无法考虑一条无线链路上packet error的概率。因此，单从性能角度来考察，必须开发适用于无线环 境的Mesh路由协议。 然而，从实现的复杂性考虑，沿用传统有线路由协议是最快捷的 方式，而且目前实际部署的Mesh网络规模都还有限，使用传统有线 路由协议也能较好地满足性能上的需求，因此，在一定时期内，使用 传统有线路由算法还不失为一种有效的解决方法。但从长远的发展来 看，开发无线下专用的Mesh路由算法势在必行，而且除了兼顾减少 跳数以及减小某条链路上packet error的概率外，负载均衡、路由 开销等等也是需要考虑的因素。目前，许多科研机构与厂商都在进行 无线Mesh路由算法的研发。 负载均衡：在WMN中，所有节点通过路由协议共享网络资源， 路由判据需要在一定程度上满足负载均衡的要求。如当网络中某些节 点发生拥塞，并成为整个网络的瓶颈节点时，新的业务流应能“绕过”该节点。可以从两个方面来解决该问题：通过路由发现机制在业务流 建立阶段“绕过”网络中的拥塞区；利用路由维护机制在链路发现拥塞 时，自动选择其他路径进行数据传输。 路由容错：在WMN中，路由发生错误时，需要尽快完成路由重 建，以避免服务中断。一般有两种重建方法：一种是利用缓存路由进 行数据发送;另一种是通过重新执行路由查找过程实现路由重建。在 WMN中,由于MR 移动性小,路由错误往往是由数据冲突造成的,并非实际链路断裂造成。有两种方法可以解决该矛盾：利用跨层设计机制,在MAC 层,对因冲突而发送失败的数据包进行二次处理;通过对点增加路由缓存功能,对暂时不能发送的数据包进行缓存,待无线信道质量变好时再次尝试发送。 随着网络规模的增大,利用广播机制进行路由查找的网络容量： 方法会消耗很多网络资源。同时,由于大规模网络建立路径时将花费 很长时间,使端到端的延时变大,一旦路径建立起来,由于路径发生变化又需要消耗很大的网络资源进行路由重建。 QoS保证：如何在WMN中为用户提供QoS保证是一个新的研究课 题。 目前一些公司如Tropos、BelAir 、Firetide 、Lo2custWorld和Strix 提出的解决方案在实现方法与采用的路由协议上都存在一定的差别， （1） 支持多射频的链路质量源路由MR2LQSR 它们均采用私有的路由协议，且互不兼容 MR2LQSR ( Multi2Radio Link2Quality Source Routing)协议是微软公司研发的多信道WMN路由协议，采用一种新的路由性能判据， 称为加权累计传输时间WCETT (Weighted Cumulative Expected Transmission Time) 。WCETT综合考虑了带宽等链路性能参数以及最 小跳数等因素。因此该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。 MR2LQSR是在传统的DSR路由协议的基础上进行改进的，但它又不 同于DSR协议。该协议不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关状 态信息，而且还要综合链路状态信息来链路质量的优劣，形成自 身的路由准则。MR2LQSR协议假设WMN中所有的MR均为静态节点。假设每个节点有多个不同且互不干扰的无线收发器。 （2） 可预测的无线路由协议 PWRP(Predictive Wireless Routing Protocol)是Tropos公司开发的应用于“Wi2Fi“蜂窝网络户外系统”的私有路由协议，它通过比较数 据包错误率及其他网络条件来选择在特定环境下的最优路径。该协议 是基于传统的有线网络(如因特网)路由协议OSPF改进的，针对Wi2Fi无线网格小区应用而设计。它选择可达到最大吞吐量的路径来传输到 达有线网关的业务，通过选用性能最佳的路径，减小了射频干扰、路 径故障以及业务载荷等因素的影响。适用于大规模网络，具有路由开 销小等优点。 （3） 基于链路质量选择路由的协议 该协议以到达因特网接入点的路径质量为判据选择最优路径。所 有节点接收来自接入点的路由数据包，该数据包记录了到达接入点的 路由信息。在一段时间( T1)后，节点将收集在此T1时间内节点间的数 据传输成功率，并以此作为路由选择的判据，具有最大数据传输率的 路由将被选中，所有节点继续接收来自接入点的路由数据包。在T2 ( T2 > T1， T2足够长) 时间内，若某路由拥有更大的数据成功传输 率，则该路由将作为第二次路由选择时选中。在第二次选择的路由中， 若某路由能带来最大的吞吐量，它将被第三次选中。最佳路由将在第 三次选择中产生。 图6。 基于链路质量选择路由的路由协议拓扑图 （4） 其他路由协议 Locust World公司的Mesh AP方案采用AODV路由协议。Mesh Network公司开发的是混合Ad hoc路由协议，该协议结合先应式路由 与反应式路由的优点，称为MSR(Mesh Networks Scalable Rout2ing)。 多判据路由：以ETX( Expected Transmission Count：平均传输次数)为判据的路由协议在WMN中加入移动节点时性能还不够完善，需 要提出更优的性能判据。同时，由于单一的路由判据很难反映出链路 质量对各个性能指标带来的影响，所以在制定路由判据时，应使用多 路由准则来解决。 多信道路由：多信道与多收发器的方案进行了理论分析，结果表 明能较大地提高WMN 的网络吞吐量 多径路由：多径技术可以很好地避免单径时的网络震荡影响，在 充分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡、路由迂回和容错等 多径路由比较复杂，尤其对于仅靠路由表驱动的路由协议。由于多径 路由可以很好地满足负载均衡与路由容错这一特点，所以它的研究是 个热点。 分级路由：通过分级技术，在簇内和簇间使用不同的路由，分别 发挥其优点，从而实现大规模WMN路由协议。 跨层路由：在路由协议中，根据这些判据选择具有较少发生冲突、 可靠数据包传输和高数据传输率的路径进行数据传输。研究表明，跨 层设计可以使路由协议收集到节点底层的实际数据传输情况，做出正 确的路径选择，对网络性能的提高有很大的意义。 QoS路由：QoS路由的主要思想是首先需要选择满足用户各种 QoS要求的到达目的节点的路径;其次，在路径建立后，若当前路径已 经不能满足用户QoS需求，则节点需要寻找新的路由。 基于地理的路由：基于地理的路由需要依靠GPS或类似的定位设备，从而增加了成本与复杂性，并且获得目的节点的位置信息给网络 带来很大开销。 总之，作为WMN中的关键技术之一，WMN路由技术将在未来无线宽带领域扮演至关重要的角色。如何提升WMN的网络性能，成为WMN路由协议进一步研究的重点问题。 无线Mesh网络是一种新型的无线网络架构，它的核心指导思想 是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，传统的WLAN一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题由此迎刃而解，无线Mesh技术的出现，代表着无线网络技术的又一大跨越，无线Mesh是一种非 常适合于覆盖大面积开放区城(包括室外和室内)的无线区域网络解决方案。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。 另外，随着WMN的广泛应用，它在互操作性、通信延迟、以及安 全等方面的不足也将是人们以后研究的重要课题。 [1] Ian F, et al. 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