無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

1、無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù) 無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)，即無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)，也稱為無(wú)線多跳網(wǎng)，它可以和多種寬帶無(wú)線接入技術(shù)如802.11、802.16、802.20以及3g移動(dòng)通信等技術(shù)相結(jié)合,組成一個(gè)含有多跳無(wú)線鏈路的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這種無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng),可以大大增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍,同時(shí)可以提高無(wú)線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性,是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無(wú)線接入技術(shù)。 1無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架傳統(tǒng)的無(wú)線接入技術(shù)中,主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一般都存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn),例如移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站、802.11wlan中的ap等等。中心節(jié)點(diǎn)一方面與各個(gè)無(wú)線終端通過(guò)單跳無(wú)線鏈

2、路相連,控制各無(wú)線終端對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)就;另一方面,中心節(jié)點(diǎn)又通過(guò)有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連,提供到骨干網(wǎng)的連接。而在無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中,采用網(wǎng)狀mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也可以說(shuō)是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)相臨其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),以無(wú)線多跳方式相連。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中個(gè)站點(diǎn)間通過(guò)多跳無(wú)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mesh網(wǎng)關(guān)三類。mesh路由器（mesh router）是具有路由功能的mesh站點(diǎn)。它具有一個(gè)或多個(gè)無(wú)線接收發(fā)器，構(gòu)成無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)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)。mesh終端（mesh client）是

3、用戶直接使用的設(shè)備，通過(guò)mesh路由器訪問(wèn)internet。某些mesh終端也具備路由功能，在特殊情況下能夠?yàn)槠渌荒苤苯咏尤霟o(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)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、筆記本電腦、pda、ip電話等。mesh網(wǎng)關(guān)（mesh gateway）是無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的連接點(diǎn)，提供路由和網(wǎng)關(guān)功能。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)流可以選擇通過(guò)最合適的網(wǎng)關(guān)來(lái)獲得與有線網(wǎng)絡(luò)之間的通信。從廣義范圍來(lái)看，根據(jù)體系結(jié)構(gòu)的不同，可以將無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)分為架構(gòu)式、對(duì)等式和混雜式三種。架構(gòu)式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中所有路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能都有呈網(wǎng)狀互聯(lián)的mesh路由器和mesh

4、網(wǎng)關(guān)完成，mesh終端通過(guò)ap直接接入無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中，形成主干網(wǎng)絡(luò)和終端接入的嚴(yán)格劃分。由于存在專用的主干路由結(jié)構(gòu)，其傳輸質(zhì)量能夠得到較好的保障，更適用于需要高帶寬、高穩(wěn)定性的internet連接的場(chǎng)景。對(duì)等式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中個(gè)無(wú)線終端之間對(duì)等的連接起來(lái)形成無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。對(duì)等式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中為了能夠形成自組織、自愈合的無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備需要具備路由以及網(wǎng)關(guān)等功能。對(duì)等式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造靈活，更適用于臨時(shí)緊急場(chǎng)景，但只終端設(shè)備間處理能力差異較大，設(shè)備位置變化頻繁，通信質(zhì)量難以得到保障。本文主要研究的便是這一場(chǎng)景?；祀s式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了構(gòu)架式和對(duì)等式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)兩種

5、體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在混雜式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中mesh終端既可以直接接入mesh主干，也可以通過(guò)其他的mesh終端接入?；祀s式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)兼具構(gòu)架式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和對(duì)等式無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)的靈活性，將成為未來(lái)發(fā)展的方向。但是其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也帶來(lái)了更多需要研究的問(wèn)題。2無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)： 1.無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò) 多跳mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,無(wú)線鏈路間更短、發(fā)射功率更小、節(jié)點(diǎn)間干擾更少和頻率重用效率更高,這樣可以在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統(tǒng)容量。 2.具有自組織、自管理、自愈能力 無(wú)線mesh網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、易于部署和配置、

6、容錯(cuò)以及網(wǎng)狀連接多點(diǎn)到多點(diǎn)通信等特點(diǎn),使得無(wú)線mesh網(wǎng)的初始部署成本相當(dāng)?shù)?并且可以根據(jù)需要逐步擴(kuò)容。自組織自愈能力使得無(wú)線meh網(wǎng)不需要網(wǎng)絡(luò)管理員來(lái)手工配置網(wǎng)絡(luò),而可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)新節(jié)點(diǎn),自動(dòng)完成配置過(guò)程,自動(dòng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行,在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)/鏈路故障時(shí)也可自動(dòng)調(diào)整完成網(wǎng)絡(luò)自愈。 3.多種類型的網(wǎng)絡(luò)接入 在無(wú)線mesh網(wǎng)中,既支持無(wú)線終端接入骨干網(wǎng),又支持無(wú)線終端之間的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)通信。此外,把無(wú)線mesh網(wǎng)技術(shù)與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,可以通過(guò)無(wú)線mesh網(wǎng)給這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供無(wú)線接入業(yè)務(wù)。 4.移動(dòng)性以及能耗限制與節(jié)點(diǎn)類型相關(guān) 無(wú)線mesh網(wǎng)中,mesh路由器一般為靜止不動(dòng)的設(shè)備,而mesh終

7、端可以是移動(dòng)或固定設(shè)備。同時(shí),mesh路由器一般沒(méi)有能耗的限制,而mesh終端則需要采用能耗較小的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。這樣,mac以及路由協(xié)議需要針對(duì)mesh路由器和mesh終端設(shè)備分別設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 5.具有無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施骨干網(wǎng) 無(wú)線mesh網(wǎng)內(nèi),由mesh路由器組成一個(gè)無(wú)線骨干網(wǎng),專門用于給終端客戶提供可靠網(wǎng)絡(luò)連接。這個(gè)無(wú)線骨干網(wǎng)在無(wú)線域內(nèi)提供了大覆蓋范圍、連通性以及健壯性。 6.集成性 無(wú)線mesh網(wǎng)可以通過(guò)mesh路由器的網(wǎng)關(guān)/橋接功能,整合現(xiàn)有多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),如802.11、802.16、3g移動(dòng)通信等。這樣,通過(guò)mesh路由器組成的無(wú)線骨干網(wǎng),可以把多種不同無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到一起,形成一個(gè)“無(wú)

8、線互聯(lián)網(wǎng)”。 7.路由和配置功能的專門化 在ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)終端用戶設(shè)備都要為所有其他節(jié)點(diǎn)執(zhí)行路由和配置功能。而在無(wú)線mesh網(wǎng)中,雖然mesh終端也有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能,但是主要還是由mesh路由器來(lái)執(zhí)行路由和配置功能,大大減輕了普通mesh終端的負(fù)載。 8.拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定 ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,由于終端用戶的移動(dòng)性和不可靠性,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接的變化較大,使得路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)配置和部署帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。無(wú)線mesh網(wǎng)中,mesh路由器一般是靜止不動(dòng)設(shè)備且較用戶終端可靠的多。 9.功耗限制減少 無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中,mesh路由器一般為靜止不動(dòng)的設(shè)備,與ad hoc網(wǎng)中的移動(dòng)終端相比,基本沒(méi)有功

9、耗限制。這樣,在設(shè)計(jì)mesh路由器的物理層、mac層以及網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議時(shí),基本可以不考慮功耗限制,這大大簡(jiǎn)化了協(xié)議設(shè)計(jì),同時(shí)還可以采用性能較高的設(shè)計(jì)方案。3無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) mesh網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)方面不僅要考慮需無(wú)線傳輸中的各種問(wèn)題,如天線設(shè)計(jì)、多址接入、控制等,還需要考慮各種網(wǎng)絡(luò)層功能的實(shí)現(xiàn)以及上下層功能之間的相互影響,這就使得無(wú)線mesh網(wǎng)的設(shè)計(jì)要更復(fù)雜。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有智能天線技術(shù)、自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)、雙工和多址接入技術(shù)、qdma技術(shù)、動(dòng)態(tài)資源分配、無(wú)線交換技術(shù)、無(wú)線路由算法、安全性。3.1 智能天線技術(shù)當(dāng)采用定向天線時(shí),用戶節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)方式連接,降低了所需的發(fā)射功率,同時(shí)也減

10、少路徑之間的同頻干擾,能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻譜效率,但是存在一些其他方面的問(wèn)題,每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)需要多個(gè)定向天線和射頻單元,任意兩點(diǎn)之間都需要精確的對(duì)準(zhǔn),當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入或退出網(wǎng)絡(luò)時(shí),網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,需要重新調(diào)整定向天線,增加了使用難度。另一種方案是采用全向天線或區(qū)域天線,但由于多個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)要共享同一無(wú)線信道,系統(tǒng)的頻譜效率將會(huì)大大降低。更合適的方案是采用智能天線技術(shù),智能天線是具有測(cè)向和波束成形能力的天線陣列,使用智能天線技術(shù),用戶節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)周圍節(jié)點(diǎn)的狀況,在軟件控制下調(diào)整波束方向,分別對(duì)應(yīng)多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn),起到空分復(fù)用的作用,提高了系統(tǒng)的容量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí),可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整波束的方向來(lái)重新

11、建立用戶節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。3.2 自適應(yīng)配置技術(shù)在無(wú)線mesh網(wǎng)中,兩相鄰節(jié)點(diǎn)的信道參數(shù),如載干比、延遲擴(kuò)展等,會(huì)受多種因素的影響,例如相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離、新節(jié)點(diǎn)的加入、某些用戶節(jié)點(diǎn)處于不工作狀態(tài)等。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的主要思想是根據(jù)傳輸信道的實(shí)際參數(shù)動(dòng)態(tài)改變調(diào)制方式,使得任何時(shí)刻信道的容量都能達(dá)到最大,同時(shí)保證鏈路在惡劣環(huán)境下的可用性。用戶節(jié)點(diǎn)可以采用不同的調(diào)制技術(shù)與不同的相鄰節(jié)點(diǎn)通信,在同一條路徑上根據(jù)其信道參數(shù)的變化來(lái)更改調(diào)制方式。另一個(gè)更復(fù)雜的問(wèn)題是,即使某條路徑上能達(dá)到最佳性能,并不意味著在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的總體性能最佳?？赡苄枰獜娜W(wǎng)的角度考慮每條鏈路上的調(diào)制方式的選擇。3.3 雙工和多址

12、接入技術(shù)tdd雙工。相鄰節(jié)點(diǎn)需要采用雙工方式,由于非對(duì)稱業(yè)務(wù),采用tdd方式,通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整同一幀內(nèi)傳輸方向的邊界。fdd適合對(duì)稱業(yè)務(wù)。由于無(wú)線頻譜資源有限,多個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)需要采用多址技術(shù)來(lái)共享同一頻段。多址方式有fdma、tdma、cdma、sdma、ofdma。分布式多址接入控制方法。在傳統(tǒng)點(diǎn)到多點(diǎn)系統(tǒng),多址接入控制mac主要在中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn),但在無(wú)線mesh網(wǎng)中,不再存在中心節(jié)點(diǎn),因此需要采用分布式的多址接入控制方法。3.4 qdma技術(shù)qdma(quad division multiple access)是頻分多址、時(shí)分多址、碼分多址、帶有避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存取協(xié)議的結(jié)合技術(shù),提高了頻譜

13、利用率和抗干擾特性。qdma使用直接序列擴(kuò)頻(dsss)調(diào)制技術(shù),使用了4個(gè)分離的、不重疊的信道,其中3個(gè)是數(shù)據(jù)信道,1個(gè)是控制信道。智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信道和控制信道的功能使qdma可以智能地選定3個(gè)數(shù)據(jù)信道中任何一個(gè)最理想的信道傳輸數(shù)據(jù)。因此,當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)干擾時(shí),qdma能自動(dòng)地屏蔽掉發(fā)生沖突的信道,選用其他無(wú)干擾的信道,有效地避免了干擾的發(fā)生。3.5 動(dòng)態(tài)資源分配多址接入。相鄰節(jié)點(diǎn)共享頻段。全網(wǎng)頻段分配。在無(wú)線mesh網(wǎng)中,沒(méi)有嚴(yán)格意義上的小區(qū)邊界,每個(gè)頻段使用的范圍可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)劃分,頻率分配的主要目的是增加高密度用戶區(qū)的系統(tǒng)容量。一種簡(jiǎn)單的方法是將mesh網(wǎng)劃分成多個(gè)分配區(qū)域。相隔較遠(yuǎn)的區(qū)域可以重復(fù)使用頻段。功率控制是動(dòng)態(tài)資源分配的另一個(gè)重要的方面,通過(guò)合適的功率控制,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)用戶節(jié)點(diǎn)之間的干擾最小化,同樣能提高系統(tǒng)容量并減少各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的能耗。3.6 無(wú)線交換技術(shù)交換方式的選擇對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)性能有很大的影響。承載的業(yè)務(wù)滿足多業(yè)務(wù)qos支持的要求,網(wǎng)絡(luò)層一般使用分組交換?；趇p的分組交換,對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量不能很好保證;atm需要額外的帶寬消耗和復(fù)雜的協(xié)議;及mpls。另外,選擇交換方式時(shí)還要考慮到無(wú)線mesh網(wǎng)的特性,如鏈路的可靠性較差、節(jié)點(diǎn)的加入和退出、多跳對(duì)延時(shí)的影響等。3.7 無(wú)