無線網絡的體系結構

1、計算機系統結構論文報告 課題名稱: 無線網絡的體系結構學院: 計算機科學與工程學院班級: 網絡工程三班學號: 1005020321姓名: 方明摘要：傳統的無線接入方式，如蜂窩網、無線局域網(WLAN)面對日益增長的高速無線因特網接入需求面臨許多挑戰(zhàn)，無線網狀網(WMN)作為因特網“最后一公里”接入方案，提供一種靈活而低成本的多跳通信，也將成為各種無線網絡融合的主要技術。針對這一極具發(fā)展前途的網絡結構，本文主要從其結構方面進行分析研究。關鍵詞：無線網狀網；路由；結構一. 引言：無線Mesh網（WMN）又稱為無線網狀網、無線網格網，大約出現在20世紀90年代中期。隨著移動通信技術的發(fā)展，除無線通信

2、網絡的語音業(yè)務需求外，高速因特網接入需求也日漸增加。傳統的無線接入方式面臨著接入帶寬不足、服務質量得不到滿足等問題，而且無線頻譜資源及拓撲結構缺乏統一規(guī)劃，難以適應靈活多變的使用狀況。WMN提供了一條解決無線接入網所面臨問題的新途徑，它可以大大增加無線系統的覆蓋范圍，同時可以提高無線系統的帶寬容量以及通信可靠性。無線網狀網是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無線接入技術。圖1說明了一個多跳無線網狀網，其中只有中央網關G通過有線方式連接到互聯網，而其他的節(jié)點（如節(jié)點S）則是通過多跳方式訪問到中央網關G。WMN中的每個節(jié)點不僅是一個客戶端也是一個中繼器，也就是說，它既可以從與因特網相連接的網關上獲取數據，也

3、可以將數據發(fā)送到該網關，進而與因特網相連。無線網狀網和無線自組網的主要區(qū)別在于數據傳送模式2，如圖2所示。在WMN中，通常存在一個中央網關設備，大多數的數據不是發(fā)向該設備就是從該設備接收數據，如圖2(a)所示。在自組織網絡中，數據流量可以在任意節(jié)點之間的進行傳輸，比如在節(jié)點S1和D1之間，如圖2(b)所示?？傮w來說，無線網狀網的技術優(yōu)勢可以概括為以下5個方面；WMN可以以最小的布線工程量在大規(guī)模區(qū)域內進行快速部署，以降低基礎設施和部署費用。WMN技術可以彌補無線網絡的陰影衰落和路徑損耗等所帶來的信號問題，以進一步擴大無線網絡的業(yè)務覆蓋范圍。就短距離通信方式而言，WMN可提高傳輸速率和能源效率。

4、此外，兩條鏈路在較短距離內可以復用相同頻率的信道。相對于無線網絡的多徑效應，WMN一個引人注目的特點是其魯棒性。如果某些節(jié)點失效（如圖3所示的節(jié)點B），網狀網可以繼續(xù)通過其他節(jié)點轉發(fā)數據。圖4展示了一個綜合的無線網狀網，其中包含802.16（WiMAX）技術、802.11（WiFi）和802.15（藍牙和Zigbee）技術、無線城域網（WMAN）、無線局域網（WLAN）和無線個域網（WPAN）。然而，當覆蓋范圍增加，以服務更多的用戶，多跳網絡存在可擴展性的問題。這是因為在多跳WMN中，提高網絡的吞吐量和覆蓋范圍是兩個互相矛盾的目標。一方面，多跳通信可以延伸網絡的覆蓋范圍，以降低基礎設施的總成本

5、。另一方面，隨著跳數的增加，重復中繼傳輸將極大地消耗無線資源。因而，由于用戶的增加，使得碰撞的概率大大增加，網絡的吞吐量急劇下降。因此，網絡的覆蓋問題已成為設計一個可擴展的無線網狀網的重要而具有挑戰(zhàn)性的問題，其目標是要在不犧牲系統的整體吞吐量的條件下盡可能地擴大其覆蓋范圍。 在本文中，我們首先討論WMN的主要架構，并簡要概述現有的mesh網絡技術，包括IEEE的802.11s和IEEE 802.16系統。然后，我們討論從網絡部署的角度對WMN的可擴展性問題。我們介紹了兩種針對密集城市覆蓋和廣域范圍覆蓋情形的可擴展WMN配置策略，見圖5和圖6。首先，圖5展示了針對密集城市覆蓋的基于簇的WMN配置

6、方案。在該WMN中，幾個相鄰的接入點（AP）形成一個簇，并通過相同的交換機/路由器連接到Internet。在每一個簇中， 只有中央AP0通過有線方式連接到互聯網。其他的接入點AP通過無線鏈路相互建立起通信鏈路。通過這種方式，在城市中進行網絡的部署就變得容易得多，因為布線工程量要少很多。其次，圖6給出了針對廣域覆蓋區(qū)域的可擴展多信道環(huán)狀無線網狀網的部署結構圖。其中，中央網關和靜態(tài)mesh形成了一個多跳WMN。 我們也研究了WMN中容量和覆蓋范圍的最優(yōu)平衡問題。大多數傳統的無線網狀網由于無線信道的沖突特性使得用戶的吞吐量無法保證，因而無法對覆蓋范圍進行有效的擴展。相比之下，圖5和圖6可以對覆蓋范圍

7、進行進一步的擴展，因為多信道的頻率規(guī)劃可以很容易地應用在這個架構適。因此，可以通過正確地確定部署參數來保證網絡的吞吐量。我們將應用混合整數非線性規(guī)劃算法（MINLP）來決定最優(yōu)配置參數，旨在最大限度地同時提高容量和覆蓋范圍。二 無線Mesh網絡的標準目前，無線Mesh網絡技術正在世界范圍內得到越來越多的應用，而技術標準化是大規(guī)模應用所必需的重要環(huán)節(jié)。目前，無線Mesh網絡標準散見于802.11s、802.16等標準草案中。IEEE 802.11在大規(guī)模應用時遇到的一個難點是系統的覆蓋能力有限，WLAN受發(fā)射功率的限制，覆蓋范圍一般在100m范圍內。為了擴大網絡的覆蓋范圍，通常通過增加AP的辦法

8、來實現，但這種方法增加了公眾網的建設成本。無線Mesh網絡作為一種新的組網技術為解決上述問題提供了新的途徑。IEEE802.11s任務組，主要研究支持無線分布式系統(WDS)的協議，為WMN定義媒體接入控制(MAC)層和物理層協議，以實現WLAN在多個AP之間通過自配置多跳的方式組網，提高WLAN的覆蓋范圍。WDS是802.11網絡的一部分，用來作中繼橋接的功能，可以讓無線AP之間通過無線進行橋接(中繼)，同時不影響其無線AP覆蓋的功能。支持WDS技術的無線AP或無線路由器具有混合的無線局域網工作模式，可以支持點對點、點對多點的數據傳輸。三、 無線Mesh網絡結構與特點WMN主要由兩類網絡節(jié)點

9、組成：Mesh路由器和Mesh客戶端。采用WMN作為接入網絡時，Mesh客戶端通過相鄰的其他節(jié)點，以無線多跳的方式接入到因特網。這種MP2MP的結構，使得WMN具有以下優(yōu)點：自配置：節(jié)點之間通過開放的無線鏈路，形成單跳或多跳連接，自動完成組網；自調節(jié)：節(jié)點之間擁有多條通信路徑，業(yè)務可以靈活的選擇合適的(例如最短路徑、最少干擾，速率最快等)路徑進行傳輸；自愈：當某一節(jié)點出現故障受損或一條鏈路出現擁塞，網絡中的業(yè)務可以選擇繞開相應的節(jié)點或鏈路，網絡的可靠性增強；可擴展性：可以方便的添加或刪除網絡節(jié)點，調整網絡覆蓋范圍，降低系統的建設和管理成本。因此，WMN適合作為因特網“最后一公里”無線接入方案，

10、在IEEE 802.11s，802.15以及802.16等標準中已有體現，它將成為下一代Wi-Fi和WiMAX的重要組成部分。除此之外，當前存在著多種無線接入網絡，采用各種不同的無線傳輸技術以及標準，提供各自適宜的應用。例如蜂窩網適于語音通信業(yè)務，Wi-Fi適于局部區(qū)域的寬帶多媒體數據接入業(yè)務，無線傳感器網絡適于環(huán)境檢測中的數據采集業(yè)務等等。未來的無線網絡將是各種網絡并存、各種異構網絡融合，為用戶提供隨時隨地的接入的泛在網絡。這是無線網絡的發(fā)展方向，也可能成為WMN一個新的應用方向。無線Mesh網絡主干由呈網狀結構分布的路由器連接而成。WMN有兩種典型的實現模式：基礎設施Mesh模式和終端用戶

11、Mesh模式。在基礎設施Mesh模式中，Internet的接入點(IAP)和終端用戶之間可形成無線的閉合回路。IAP通過路由選擇及管理控制等功能，為移動終端選擇通信的最佳路徑。同時，移動終端通過IAP可與其他網絡，如Wi-Fi、WiMAX和傳感器網絡等互聯，提高網絡自身的兼容性。在終端用戶Mesh模式中，終端用戶以無線方式形成點到點的網絡。終端設備可以在沒有其他基礎設施的條件下獨立運行，并且可以支持移動終端較高速地移動，快速形成寬帶網絡。終端用戶具有主機和路由器的雙重角色：一方面，節(jié)點作為主機運行相關的應用程序；另一方面，節(jié)點作為路由器運行路由協議，參與路由發(fā)現、路由維護等操作。根據Mesh路

12、由器和Mesh客戶端這兩種類型節(jié)點功能的不同，WMN的系統結構可以分為3類：一類是骨干網Mesh結構(分級結構)，一類是客戶端Mesh結構(平面結構)，以及它們的混合結構。1 無線Mesh網絡結構骨干網Mesh結構由Mesh路由器組成的可以自配置、自愈的鏈路來充當，通過Mesh路由器的網關功能與因特網相連，為客戶端提供接入服務。骨干網Mesh結構如圖4所示。終端節(jié)點設備通過下層的Mesh路由器(相當于各接入網絡中的中心接入點)接入上層Mesh結構的網絡中，實現網絡節(jié)點的互聯互通。這樣，通過網關節(jié)點，任何終端都可與其他網絡連接，從而實現無線寬帶接入。這樣不僅降低了系統建設的成本，也提高了網絡的覆

13、蓋率和可靠性。該網絡結構能夠兼容市場上現有的設備，但任意兩個終端節(jié)點間不具備直接通信的功能?？蛻舳薓esh結構由Mesh客戶端組成，是在用戶設備間提供點到點服務的WMN。客戶端組成一個能提供路由和自配置功能的網絡，支持用戶的終端應用，其結構如圖5所示。網絡中所有的節(jié)點是對等的，具有完全一致的特性，即每個節(jié)點都包含相同的媒體訪問控制(MAC)、路由、管理和安全等協議，這些節(jié)點不僅具有客戶端節(jié)點的功能，也具有能夠轉發(fā)業(yè)務的路由器節(jié)點的功能。顯然，網絡中的節(jié)點不能兼容現有的多種無線接入技術，并且其單一的結構決定其不適合大規(guī)模組網。因此只適用于節(jié)點數目較少且不需要接入到核心網絡的應用場合?；旌辖Y構WM

14、N如圖6所示，Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網絡。這種結構提供了與其他網絡的互連功能，如因特網、WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網絡。同時，客戶端的路由能力增強了網絡的連通性，擴大了覆蓋范圍。這時的終端節(jié)點已不是現有的僅支持單一無線接入技術的設備，而是增加了具有轉發(fā)和路由功能的Mesh設備，設備間可以直接通信。通常要求終端節(jié)點設備具備同時支持接入上層網絡Mesh路由器和本層網絡對等節(jié)點的功能。在支持無線網狀拓撲結構的標準中，802.11s采用了樹形多跳網狀網以及Ad Hoc方式多跳網狀網兩種基本結構，并定義了Mesh節(jié)點(MP)、Mesh接入點(MAP)、傳統WLAN站

15、點3種節(jié)點。在Ad Hoc方式多跳網狀網結構中，沒有起集中控制作用的中心節(jié)點，網絡中MP和MAP節(jié)點的地位是平等的，并具有類似于狹義Ad Hoc網絡移動節(jié)點的功能，即節(jié)點可以是數據源產生數據分組，也可以轉發(fā)來自其他節(jié)點的分組。節(jié)點間所形成的無線P2P網絡，不需要網絡基礎設施的支持。802.16定義了兩種網絡拓撲結構：點對多點(PMP)和網狀網。通過網狀結構以實現網絡的全覆蓋，結構如圖7所示。網狀網絡由稱為Mesh基站(WiMAX基站)的中心節(jié)點控制。中心節(jié)點可以與網狀網絡外的回程設備建立起直接鏈路，作為連接到外網的接口。2 無線Mesh網絡結特點無線Mesh網絡是多跳與多點到多點結構的融合，具

16、有以下幾個重要特點5：(1) 多跳的結構。在不犧牲信道容量的情況下，擴展當前無線網絡的覆蓋范圍是WMN的最重要的目標之一。WMN的另一個目標是為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。Mesh網絡中的鏈路比較短，所受干擾較小，因此可以提供較高的吞吐量和較高的頻譜復用效率。(2) 支持Ad Hoc組網方式，具備自形成、自愈和自組織能力。WMN靈活的網絡結構、便利的網絡配置、較好的容錯能力和網絡連通性，使得WMN大大提升了現有網絡的性能。在較低的前期投資下，WMN可以根據需要逐步擴展。(3) 移動特性隨Mesh節(jié)點類型的不同而不同。Mesh路由器通常具有較小范圍的移動性，而Mesh客戶端既可以是靜止不

17、動的節(jié)點，也可以是移動的節(jié)點。(4) 支持多種網絡接入方式。WMN既支持通過骨干網接入的方式，又支持端到端的通信方式。此外，WMN可與其他網絡集成，為這些網絡的終端用戶提供服務。(5) 對功耗的限制取決于Mesh節(jié)點的類型。Mesh路由器通常沒有嚴格的功耗限制，但Mesh客戶端需要有效的節(jié)能機制。(6) 與現有無線網絡兼容，并支持與WiMAX、Wi-Fi和蜂窩網絡等的互操作。四、結束語WMN作為一種融合了無線局域網和Ad Hoc網絡優(yōu)勢的新型無線寬帶接入網絡，成為寬帶無線接入的一種有效手段，可以靈活地應用于多種無線環(huán)境。因其組網的快速靈活性、節(jié)點的分布性等優(yōu)點，可以以少量的基礎設施，構建覆蓋范圍廣的高速無線網絡，并且具有成本低，升級方便等特點。如何在下一代移動通信網絡中發(fā)揮這種構架的性能優(yōu)勢和潛力，是需要深入研究和探討的。參考文獻：1 方旭明.下一代無線因特網技術:無線Mesh網絡 M.人民郵電出版社,2006.2 IEEE802.16'sRela