無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

1、無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)1 概述 1隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)越來越強(qiáng)的依賴性， 人們希望能夠隨時(shí)隨地接入 因特網(wǎng)。目前，用戶無線上網(wǎng)的手段主要有兩種：1）在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，通過 2G 的 GPRS 技術(shù)或 3G 網(wǎng)絡(luò)接入無線基站，進(jìn)而接入因特網(wǎng)；2）在學(xué)校、機(jī)場(chǎng)等公共場(chǎng)合，通過802.11無線局域網(wǎng)接入因特網(wǎng)。 這兩種方式都是集中式的無線接入， 信號(hào)穩(wěn)定、性能可靠、維護(hù)管 理方便。但前者建立基站的代價(jià)高， 用戶上網(wǎng)費(fèi)用高；后者覆蓋范圍小，難以實(shí)現(xiàn)大范圍覆 蓋。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（ wireless mesh network ，WMN ）是在移動(dòng)自組網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種 新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于帶寬高、易組

2、網(wǎng)、成本低、覆蓋廣和性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是下 一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，近幾年受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。WMN 由兩類節(jié)點(diǎn)組成： mesh 路由器和 mesh 客戶。 Mesh 路由器除具備傳統(tǒng)無線路由 器作為網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋的路由能力外，還包含支持mesh組網(wǎng)的路由功能。 Mesh路由器之間通過無線鏈路形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成 mesh 骨干。 Mesh 客戶可直接接入 mesh 路由器，也可通 過其它mesh客戶接入mesh網(wǎng)絡(luò)。mesh客戶之間也可以通過無線鏈路形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 雖然mesh客戶也可以像路由器一樣進(jìn)行mesh組網(wǎng)，但其硬件平臺(tái)和軟件比 mesh路由器要簡(jiǎn)單得多，比如， me

3、sh 客戶的通信協(xié)議可以是輕量級(jí)的，沒有網(wǎng)關(guān)或橋接功能，只需要一 個(gè)無線接口等。Mesh 路由器中的網(wǎng)關(guān) /橋接功能允許 WMN 與其它各種網(wǎng)絡(luò)連接， 配備有無線網(wǎng)卡的傳 統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可以通過無線方式連接到 mesh 路由器，進(jìn)而連接到 WMN ；沒有無線網(wǎng)卡的用戶可 以通過有線方式（如以太網(wǎng)）連接到無線mesh路由器上，再接入 WMN?？傊?，WMN將極大地方便用戶實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地上網(wǎng)。無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)由于在提供大范圍無線骨干方面的靈活性而在最近幾年受到很大關(guān)注。WMN 可能的應(yīng)用包括無線寬帶服務(wù)、社區(qū)網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)、高速城域網(wǎng)等。2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及特點(diǎn)2.1 無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型 1（ 1）架構(gòu)

4、 /骨干式 WMN （ Infrastructure/backbone WMN ）在這種結(jié)構(gòu)中，mesh路由器構(gòu)成 mesh網(wǎng)絡(luò)的主干，mesh客戶通過 mesh路由器接入 WMN，部分mesh路由器作為網(wǎng)關(guān)與其它類型的網(wǎng)絡(luò)連接（包括接入因特網(wǎng)），如圖1所示。除最常見的IEEE 802.11以外，mesh主干也可以使用其它無線技術(shù)建立。使用以太網(wǎng)接口的用戶可通過以太網(wǎng)鏈路連接到mesh路由器，與 mesh路由器具有相同無線接口的用戶可直接連接到mesh路由器，使用不同無線接口的用戶首先接入各自的基站，這些基站通過以太 網(wǎng)鏈路連接到 mesh 路由器。（2）對(duì)等式 WMN （Client WMN

5、 ）這種結(jié)構(gòu)僅由 mesh客戶組成。所有 mesh客戶通過無線鏈路形成對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)mesh客戶要執(zhí)行路由及配置功能， 并向客戶提供終端應(yīng)用。 由于節(jié)點(diǎn)不需要具有網(wǎng)關(guān)或中繼功能，所以不需要Mesh路由器。對(duì)等式 WMN通常使用一種類型的無線技術(shù)，因此實(shí)際上和常規(guī)移動(dòng)自組網(wǎng)是一樣的。相比于架構(gòu)式WMN中的mesh客戶，對(duì)等式 WMN中的mesh客戶需要更強(qiáng)的功能。< JWX Mshi ioinr with g<aT#wa甲 7<； VV-a21 Access point _Mesh muter with gatewayhfeshi router with gatewayflW

6、rad dentsM«K7o irter'y/jth E 訓(xùn)的；i y/brld弘鄰$嚴(yán) IQ怕td°F爲(wèi)常旣席idge妣昨斶冊(cè)如router（3）混合式 WMN （ Hybrid WMN）這種結(jié)構(gòu)是架構(gòu)式 WMN和對(duì)等式WMN的結(jié)合，mesh客戶可以通過 mesh路由器或 其它mesh客戶接入網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，mesh主干提供了到其它網(wǎng)絡(luò)（如因 特網(wǎng)、Wi-Fi、WiMAX、蜂窩網(wǎng)絡(luò)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）的連接，而 mesh客戶在 WMN內(nèi)部進(jìn)一步改進(jìn)了連接性和覆蓋性。inwMtmesh bacfcbOTiiFSensornetworksWiMAXnet

7、worksWi-Finetworks-networks圖1架構(gòu)/骨干式WMNIV!佗less mshbackbone制曲和outewith gaiwayMesh router !-Vith IP妙旳砂Meshoyt亦". with 河©旳y/bilMgg M&sh router/iffth gHatewVbridgGWI-FL WI-MAJC sensor network 企lluQr networks, etcMltitsn iouter,JugfiConvntioruildint5Wireless mesh dients圖2混合結(jié)構(gòu)的WMNWMN的特性概括如下（

8、由于混合式 WMN具有WMN的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，因此這里考慮的是 混合式WMN）:WMN支持自組織組網(wǎng)，具有自形成、自愈合和自組織的能力。WMN雖說是一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)，但它有一個(gè)無線骨干。Mesh路由器較少移動(dòng)且專門執(zhí)行路由與配置功能，從而大大減輕了mesh客戶與其它終端節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)。通過無線骨干很容易支持終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)。Mesh路由器可集成包括有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，因此WMN可支持多種類型的網(wǎng)絡(luò)接入。Mesh路由器和mesh客戶具有不同的電源使用限制，mesh路由器通常不移動(dòng)且有持久的電源供應(yīng)，而 mesh客戶則一般是移動(dòng)的且由電池供電。WMN并不是獨(dú)立運(yùn)行的，需要與其它無線網(wǎng)絡(luò)相兼容和互

9、操作。因此，WMN并不僅僅是另一種類型的移動(dòng)自組網(wǎng)，與常規(guī)移動(dòng)自組網(wǎng)相比增加了很多功能，而實(shí)現(xiàn)這些新的功能需要新的算法和設(shè)計(jì)。2.2 一個(gè)架構(gòu)式mesh網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例2（1）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2 描述了一個(gè)可自配置的、安全的架構(gòu)式mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其設(shè)計(jì)稱為MeshCluster，如圖 3 所示。圖3 MeshCluster參考結(jié)構(gòu)MeshCluster架構(gòu)由中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，中繼節(jié)點(diǎn)是支持接入和中 繼兩種無線網(wǎng)絡(luò)接口的多射頻系統(tǒng)（有多個(gè)射頻電臺(tái)，支持不同的無線技術(shù)），而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)支持中繼和因特網(wǎng)回程（back-haul，up-link ）接口。端用戶移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（ Mobile Nod

10、e，MN）使用接入接口接入網(wǎng)絡(luò)。中繼接口用于在中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)造一個(gè)自配置的包轉(zhuǎn)發(fā) 骨干。接入鏈路可以基于3G或802.11，中繼鏈路可以基于 802.16或802.11。網(wǎng)關(guān)通過有線（以太網(wǎng)）或無線（如802.16）上行鏈路連接到因特網(wǎng)。中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的放置取決于部署的場(chǎng)景。比如，向端用戶提供寬帶接入的城域網(wǎng)，中繼節(jié)點(diǎn)可以安放在電桿上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)放置在市區(qū)的數(shù)據(jù)中心。建筑物（如會(huì)議中心、博物館）內(nèi)的mesh網(wǎng)絡(luò)可以采用類似的放置方法。在以上場(chǎng)景中，中繼節(jié)點(diǎn)是固定的。在為災(zāi)難恢復(fù)、戶外事件而臨時(shí)建立的 mesh網(wǎng)絡(luò)中，中繼節(jié)點(diǎn)可以任意放置且是準(zhǔn)靜態(tài)的。在軍事應(yīng)用中，汽車?yán)?的戰(zhàn)士使用

11、中繼節(jié)點(diǎn)通過遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與指揮控制中心通信，中繼節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性可能很大。（2）自動(dòng)配置有一個(gè)MeshCluster-Manager實(shí)體（可以和網(wǎng)關(guān)放在一起），執(zhí)行管理和監(jiān)控功能， 如為 接入鏈路和中繼鏈路分配頻率和功率、平衡中繼簇的負(fù)載、 支持移動(dòng)和鑒別等。 節(jié)點(diǎn)使用一個(gè)安全注冊(cè)和自動(dòng)配置協(xié)議向 MeshCluster-Manager注冊(cè)。中繼節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)初始化一個(gè)自動(dòng)配置代理，該代理使用一個(gè)或多個(gè)中繼接口監(jiān)聽其所在區(qū)域中所有自組網(wǎng)的 ESSID廣播。對(duì)于每一個(gè)ESSID廣播，代理首先發(fā)送 BSSID廣播加入 相應(yīng)的自組網(wǎng)，然后從零配置地址空間中選擇一個(gè)IP地址，加入到中繼骨干中。中繼節(jié)點(diǎn)然后監(jiān)聽

12、由已加入MeshCluster的中繼節(jié)點(diǎn)周期性接收和重廣播的網(wǎng)關(guān)通告消息，消息中包含了網(wǎng)關(guān)能力信息（如因特網(wǎng)回程鏈路速度）、中繼節(jié)點(diǎn)容量以及經(jīng)過該中繼節(jié)點(diǎn)的最佳路由等。代理與一個(gè)或多個(gè)選定的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行配置會(huì)話，網(wǎng)關(guān)的選擇可以按照距離最近（跳數(shù)最少）、負(fù)載最輕或容量最高等原則來選擇。自動(dòng)配置協(xié)議支持鑒別，代理可以使用安全信任狀（如數(shù)字證書或保存在節(jié)點(diǎn)防竄改硬 件中的對(duì)稱密鑰等） 與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相互鑒別。中繼節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)傳送自己的能力信息（如射頻接口的數(shù)量及類型）及觀察到的環(huán)境信息（如不同頻段上可見的鄰居、干擾等），這些信息對(duì)網(wǎng)關(guān)分配頻率非常有用。網(wǎng)關(guān)向中繼節(jié)點(diǎn)傳送配置參數(shù)，如接入的ESSID、中繼和接入

13、接口 上使用的頻率、功率水平、移動(dòng)方法、編址方案、任何路徑特定信息等。配置會(huì)話結(jié)束后， 釋放零配置地址，但安全參數(shù)保留以便用于將來的重配置。（SSID是Service Set Identifier的縮寫，意為服務(wù)集標(biāo)識(shí)。SSID技術(shù)可將一個(gè)無線局域 網(wǎng)分為幾個(gè)需要不同身份驗(yàn)證的子網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)都需要獨(dú)立的身份驗(yàn)證，只有通過身份驗(yàn)證的用戶才可以進(jìn)入相應(yīng)的子網(wǎng)絡(luò)，防止未被授權(quán)的用戶進(jìn)入本網(wǎng)絡(luò)。SSID也可以寫成ESSID，用來區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)。SSID通常由AP廣播出來，通過 XP自帶的掃描功能可以查看當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的 SSID。無線網(wǎng)卡設(shè)置了不同的SSID就可以進(jìn)入不同網(wǎng)絡(luò)，只有設(shè)置了相同SSID的

14、節(jié)點(diǎn)才能互相通信。BSS是Basic Service Set的縮寫，是一種特殊的自組織局域網(wǎng)的應(yīng)用，一群計(jì)算機(jī)設(shè)定相同的BSS名稱即可自成一個(gè) group，而此BSS名稱即為BSSID。零配置聯(lián)網(wǎng)是IETF零配置工作組正在做的一項(xiàng)工作，希望能夠方便一群節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，實(shí) 現(xiàn)：1）不需要DHCP服務(wù)器來分配IP地址；2）不需要DNS服務(wù)器進(jìn)行域名和IP地址的 轉(zhuǎn)換；3）不需要目錄服務(wù)器來搜索服務(wù)；4）不需要MADCAP服務(wù)器來根本多播地址。（3）路由協(xié)議路由協(xié)議采用增強(qiáng)的 AODV，稱為AODV-ST （spanning tree）。AODV-ST是一種混合 路由協(xié)議，它采用主動(dòng)策略積極維護(hù)中繼節(jié)點(diǎn)到

15、每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（常見的通信情形）的最佳路由，大大減小中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的路由發(fā)現(xiàn)延遲，而采用按需路由發(fā)現(xiàn)策略建立中繼節(jié)點(diǎn)之間（不常見的通信情形） 的路由。圖4是有7個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)單拓?fù)洌?以每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為根形成一棵最佳生成樹，中繼節(jié)點(diǎn)位于兩棵樹上，并選擇可獲得最佳性能（取決于所用的路由測(cè)度）的網(wǎng)關(guān)作為自己的缺省網(wǎng)關(guān)。圖4網(wǎng)關(guān)特疋的生成樹3關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素1影響WMN性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素概括如下：（1）無線技術(shù)近些年提出了多種提高無線系統(tǒng)容量及靈活性的方法，如有向和智能天線、多輸入多輸出（MIMO ）系統(tǒng)、多無線電/多信道系統(tǒng)等。為進(jìn)一步提高無線通信的性能及高層協(xié)議對(duì) 無線通信的控制能

16、力，更先進(jìn)的無線技術(shù)被應(yīng)用到通信中，如可重配置無線電（recon figurableradios）、頻率敏捷 /認(rèn)知無線電（ frequency agile/cognitive radios）、軟件無線電（ software radios）。盡管這些無線技術(shù)尚在發(fā)展初期，但由于它們突出的動(dòng)態(tài)控制能力而被認(rèn)為是未來無線網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)。這些先進(jìn)的無線技術(shù)均要求高層協(xié)議進(jìn)行革命性的設(shè)計(jì)，尤其是MAC層和路由協(xié)議。（2）可擴(kuò)放性擴(kuò)放性是對(duì) WMN 的一個(gè)基本要求，否則當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)性能會(huì)有極大下降，如路 由協(xié)議可能找不到可靠的路徑、傳輸層協(xié)議可能丟失連接、 MAC 層協(xié)議可能導(dǎo)致嚴(yán)重的吞 吐量下降等。

17、為保證 WMN 的可擴(kuò)放性， 從 MAC 層到應(yīng)用層的所有協(xié)議都必須是可擴(kuò)放的。（3）網(wǎng)狀連接WMN 的許多優(yōu)點(diǎn)來自于網(wǎng)狀連接。 為確?？煽康木W(wǎng)狀連接， 需要網(wǎng)絡(luò)自組織和拓?fù)淇?制算法。拓?fù)涓兄?topology aware ）的 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議能夠極大提高 WMN 的性能。（ 4）寬帶和 QoS不同于常規(guī)的移動(dòng)自組網(wǎng)， WMN 的大多數(shù)應(yīng)用是具有不同 QoS 要求的寬帶業(yè)務(wù)，因 此除了端到端延遲和公平性之外， 通信協(xié)議必須考慮更多的性能參數(shù)， 如延遲抖動(dòng)、 集合吞 吐量和每節(jié)點(diǎn)吞吐量、丟包率等。（5）安全 盡管近些年來針對(duì)無線局域網(wǎng)已經(jīng)提出了多種安全方案，但這些方案不能完全適用于W

18、MN 。比如，由于采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)， WMN 中沒有一個(gè)集中式的認(rèn)證權(quán)威可以分發(fā)公 開密鑰。 針對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)而提出的安全方案可以用于 WMN ，但大多數(shù)這樣的安全方案還不 夠成熟，而且由于移動(dòng)自組網(wǎng)與 WMN 架構(gòu)上的差異，這些方案應(yīng)用到 WMN 中是低效的。（6）易于使用 所設(shè)計(jì)的協(xié)議必須使得網(wǎng)絡(luò)盡可能自治。 除此之外， 需要開發(fā)網(wǎng)絡(luò)管理工具來有效地維 護(hù) WMN 的運(yùn)行、監(jiān)視 WMN 的性能、配置 WMN 的參數(shù)。這些管理工具以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中 的自治機(jī)制允許人們快速部署 WMN 。（7）兼容性和互操作性在 WMN 中，同時(shí)支持常規(guī)用戶和 mesh 客戶是一個(gè)缺省的要求。因此， WMN 需要

19、向 后兼容常規(guī)客戶節(jié)點(diǎn)，這要求 mesh 路由器能夠集成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。4 研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn) 1WMN 的特性及設(shè)計(jì)要求給 WMN 的通信協(xié)議提出了許多挑戰(zhàn)性問題。盡管近年來在 WMN 的研究和開發(fā)上已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但許多問題依然存在：例如網(wǎng)絡(luò)容量的理論 上界和下界如何計(jì)算，各層上的協(xié)議如何改進(jìn)（ WMN 的架構(gòu)和特性與以往的有線網(wǎng)絡(luò)和 WLAN 都不同，因此原有協(xié)議棧中的協(xié)議在 WMN 中多多少少都需要改進(jìn)） ，新的網(wǎng)絡(luò)管 理方法如何設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)安全性如何加強(qiáng)等。4.1 網(wǎng)絡(luò)容量的理論研究已經(jīng)有不少人在對(duì)移動(dòng)自組網(wǎng)容量進(jìn)行研究?？紤]到 WMN 和移動(dòng)自組網(wǎng)的相似性， 這些研究結(jié)果也許可以借鑒。

20、有人給出了移動(dòng)自組網(wǎng)容量的理論上界和下界 3 。研究指出 提高移動(dòng)自組網(wǎng)容量的指導(dǎo)方針是：每個(gè)節(jié)點(diǎn)只和鄰近節(jié)點(diǎn)通信。為此，建議了兩種主要 的實(shí)現(xiàn)方案：部署中繼節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)成簇。換句話說，與較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的通信應(yīng)當(dāng)通過中繼節(jié)點(diǎn) 或簇。然而，考慮到像移動(dòng)自組網(wǎng)、 WMN 這樣的分布式系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)分簇或分配中繼節(jié)點(diǎn) 是一項(xiàng)困難的任務(wù)。3 中采用的分析方法極大地推動(dòng)了無線網(wǎng)絡(luò)容量的研究，但是該方法有兩個(gè)缺點(diǎn)。一 是沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特性：不同的媒體訪問控制、功率控制和路由協(xié)議對(duì)無線網(wǎng)絡(luò) 容量的影響很大，但分析方法使用了過于簡(jiǎn)單的模型。二是網(wǎng)絡(luò)容量的理論邊界是基于漸 近分析(網(wǎng)絡(luò)規(guī)模或節(jié)點(diǎn)密度趨向無窮大)得到

21、的，這些結(jié)果不能反映出給定規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的 確切容量，特別是當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較小時(shí)。此外，由于 WMN 與移動(dòng)自組網(wǎng)的差異，移動(dòng)自組 網(wǎng)的分析結(jié)果可能不能直接應(yīng)用于 WMN 。因此，需要專門針對(duì) WMN 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)容量的理 論研究。4.2 通信協(xié)議棧物理層(1)先進(jìn)的物理層技術(shù) 已有一些先進(jìn)的物理層技術(shù)可以應(yīng)用于 WMN ：利用不同調(diào)制技術(shù)與編碼速率的組合來支持多種傳輸速率， 從而可以通過鏈路調(diào)整 來提供自適應(yīng)容錯(cuò)能力。(自適應(yīng)容錯(cuò)( adaptive error resilience )：視頻壓縮在消除時(shí)空冗余的同時(shí)也降低了視 頻流的容錯(cuò)能力， 很容易因傳輸出錯(cuò)而導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤。 一種自適應(yīng)容錯(cuò)編碼轉(zhuǎn)換技術(shù)

22、可以根 據(jù)視頻流的特性 (如傳輸出錯(cuò)造成誤差傳播的嚴(yán)重性) 及根據(jù)反饋信道的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)估算的客 戶信道條件來指導(dǎo)信源和信道編碼資源的分配。 )支持高速傳輸?shù)恼活l分多路復(fù)用( Orthogonal Frequency Division Multiplexing ， OFDM )技術(shù)和超寬帶( Ultra-WideBand ，UWB )技術(shù)。提高信道容量和信道可靠性的多天線系統(tǒng)， 如天線分集、 智能天線、 多輸入多輸出 ( Multiple-Input Multiple-Out-put ， MIMO )系統(tǒng)等。(天線分集： 根據(jù)信號(hào)論原理， 若有其他衰減程度的原發(fā)送信號(hào)副本提供給接收機(jī)， 則 有助

23、于接收信號(hào)的正確判決。 這種通過提供傳送信號(hào)多個(gè)副本來提高接收信號(hào)正確判決率的 方法被稱為分集。 分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的， 它通常利用無線傳播環(huán)境中同一信 號(hào)的獨(dú)立樣本之間不相關(guān)的特點(diǎn)， 使用一定的信號(hào)合并技術(shù)改善接收信號(hào)， 來抵抗衰落引起 的不良影響。 )可獲得更高頻譜利用率和可行頻率規(guī)劃的頻率捷變無線電( frequency-agile radios ) 或認(rèn)知無線電 ( cognitive radios )，這些技術(shù)可動(dòng)態(tài)捕獲未占用的頻譜。 在軟件無線 電平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電是最有效的解決方案， 因?yàn)橐粋€(gè)無線電臺(tái)的所有組件， 如 射頻波段、 信道接入方式和信道調(diào)制， 都是可編程

24、的。 盡管軟件無線電平臺(tái)還不是 一個(gè)成熟的技術(shù)， 但未來將是無線通信的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 因?yàn)樗试S所有先進(jìn)的物 理層技術(shù)是可編程的。(認(rèn)知無線電：認(rèn)知無線電是可以感知外界通信環(huán)境的智能通信系統(tǒng)。認(rèn)知無線電技術(shù) 能夠感知并分析特定區(qū)域的頻段，找出適合通信的“頻譜空洞” ，利用某些特定的技術(shù)和處 理，在不影響已有通信系統(tǒng)的前提下進(jìn)行工作。軟件無線電在一個(gè)開放的公共硬件平臺(tái)上利用可編程的軟件方法實(shí)現(xiàn)所需要的無線電 系統(tǒng)。理想的軟件無線電應(yīng)當(dāng)是一種全部可軟件編程的無線電，并以無線電平臺(tái)具有最大 的靈活性為特征。全部可編程包括可編程射頻(RF)波段、信道接入方式和信道調(diào)制。)( 2)開放的問題：為了在較大

25、區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)中獲得較高的傳輸速率，需要除 OFDM 和 UWB 之外的新 的寬帶傳輸技術(shù)。 多天線系統(tǒng)已經(jīng)研究了很多年， 但是它們的復(fù)雜性和代價(jià)還太高， 無法被大規(guī)模商業(yè)化。 頻率敏捷技術(shù)還在發(fā)展初期， 在它們被商用應(yīng)用接受之前還 需要艱苦的努力。為充分利用物理層技術(shù)的先進(jìn)特性，高層協(xié)議（尤其是 MAC 層協(xié)議）需要與物理 層相互作用。 因此， 物理層上的某些組件必須允許高層訪問或控制它們， 這使得硬 件設(shè)計(jì)更困難，這也激發(fā)了低成本軟件無線電技術(shù)的創(chuàng)新。MAC 層WMN 的 MAC 層與經(jīng)典無線網(wǎng)絡(luò)的 MAC 層有較大差異：WMN 的 MAC 層關(guān)注多跳通信（而不是單跳通信） ；MAC 層是分布

26、式的，需要協(xié)作，并為多點(diǎn) -多點(diǎn)通信而工作； 為使鄰居節(jié)點(diǎn)之間、多跳距離的節(jié)點(diǎn)之間更好地協(xié)作，需要網(wǎng)絡(luò)自組織功能； 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)較少，但仍會(huì)影響 MAC 層性能。WMN 的 MAC 層協(xié)議可以被設(shè)計(jì)為工作在單信道或同時(shí)工作在多個(gè)信道上， 為此 WMN 的 MAC 層協(xié)議分為單信道 MAC 協(xié)議和多信道 MAC 協(xié)議。（ 1）單信道 MAC 協(xié)議 通常使用以下三種方法來設(shè)計(jì) WMN 的單信道 MAC 層協(xié)議：修改已有的 MAC 協(xié)議。比如，在一個(gè) IEEE 802.11 的網(wǎng)狀網(wǎng)中，可以通過調(diào)節(jié) CSMA/CA 的參數(shù)（如競(jìng)爭(zhēng)窗口、回退過程等）來改進(jìn) MAC 協(xié)議。但是這種方法 只能獲得較低的端到端

27、吞吐量，因?yàn)樗荒茱@著減小鄰居節(jié)點(diǎn)之間的競(jìng)爭(zhēng)概率。 跨層設(shè)計(jì)。這一類方法主要有基于有向天線的 MAC 協(xié)議和具有功率控制的 MAC 協(xié)議兩種。 如果天線波束是理想的， 第一類方法可以消除暴露節(jié)點(diǎn)， 但會(huì)產(chǎn)生更多 的隱藏節(jié)點(diǎn)。這一類方法還面臨其它的困難， 如成本、系統(tǒng)復(fù)雜性、快速操控有向 天線的實(shí)際問題等。 第二類方法使用較低的傳輸功率， 減少了暴露節(jié)點(diǎn) （尤其在密 集網(wǎng)絡(luò)中），從而提高了頻譜的空間重用因子。 然而隱藏節(jié)點(diǎn)問題可能變得更糟糕， 因?yàn)檩^低的傳輸功率水平減小了檢測(cè)出潛在干擾節(jié)點(diǎn)的可能性。提出新的 MAC 協(xié)議。由于在多跳網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)放性差， 隨機(jī)訪問協(xié)議 （如 CSMA.CA ） 不是

28、一種有效的解決方案， 因而重新回到基于 TDMA 或 CDMA 來設(shè)計(jì) MAC 層協(xié) 議是很有必要的。到目前為止，幾乎沒有供 WMN 使用的 TDMA 或 CDMA MAC 協(xié)議，原因可能有兩個(gè)。一是開發(fā)一個(gè)使用 TDMA 或 CDMA 的分布式協(xié)同 MAC 協(xié)議的復(fù)雜性和代價(jià)都很高，其次是 TDMA （或 CDMA ） MAC 協(xié)議與現(xiàn)有 MAC 協(xié)議的兼容性。比如， IEEE 802.16 的原始 MAC 協(xié)議是集中式的 TDMA ，尚沒有 用于 IEEE 802.16 mesh 網(wǎng)絡(luò)的分布式 TDMA MAC 協(xié)議。在 IEEE 802.11WMN 中， 如何在 CSMA/CA 之上設(shè)計(jì)

29、一個(gè)分布式的 TDMA MAC 協(xié)議是一個(gè)有意義但困難的 問題。（ 2）多信道 MAC 協(xié)議 為進(jìn)一步改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能和提高 WMN 的網(wǎng)絡(luò)容量，一種較好的方案是允許節(jié)點(diǎn)工作在 多個(gè)信道上， 而不是只在一個(gè)固定的信道上。 取決于所使用的硬件平臺(tái)， 需要開發(fā)不同的多 信道 MAC 協(xié)議。多信道單收發(fā)器 MAC 協(xié)議。如果考慮到代價(jià)和兼容性， 首選每電臺(tái)一個(gè)收發(fā)器的 硬件平臺(tái)。由于只有一個(gè)收發(fā)器可用，每個(gè)節(jié)點(diǎn)任一時(shí)刻只有一個(gè)信道是活動(dòng)的， 但是不同的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)工作在不同的信道上。 為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的傳輸， 需要相應(yīng)的 MAC 協(xié)議（如 multi-channel MAC ）。多信道多收發(fā)器 MAC 協(xié)議

30、。在這種情況下， 一個(gè)電臺(tái)包括多個(gè)并行的射頻前端芯 片和基帶處理模塊，以同時(shí)支持幾個(gè)信道。在物理層上面，只需要一個(gè) MAC 層模 塊協(xié)調(diào)多個(gè)信道的活動(dòng)。到目前為止，尚沒有提出針對(duì) WMN 的多信道多收發(fā)器 MAC 協(xié)議。多電臺(tái) MAC 協(xié)議。在這種情況下， 一個(gè)節(jié)點(diǎn)有多個(gè)電臺(tái)， 每個(gè)電臺(tái)有自己的 MAC 層和物理層，這些電臺(tái)中的通信完全是獨(dú)立的。因此，在 MAC 層上面需要一個(gè)虛 擬 MAC 協(xié)議（如 multi-radio unification protocol ，MUP ）來協(xié)調(diào)所有信道中的通信。 事實(shí)上， 每個(gè)電臺(tái)還可以有多個(gè)信道， 但從設(shè)計(jì)和應(yīng)用的簡(jiǎn)單性角度考慮， 每個(gè)電 臺(tái)通常分配

31、一個(gè)固定的信道。（3）開放的問題：可擴(kuò)放的 MAC 協(xié)議。 多跳自組織網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)放性問題目前還沒有完全解決。 大多 數(shù)已有的 MAC 協(xié)議只解決了部分問題，而同時(shí)又產(chǎn)生出新的問題。為使 MAC 協(xié) 議真正是可擴(kuò)放的，必須提出新的分布式協(xié)同方案來確保網(wǎng)絡(luò)性能（如吞吐量、QoS 參數(shù)等）不會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而下降。很顯然，多信道 MAC 協(xié)議可以比 單信道 MAC 協(xié)議獲得更高的吞吐量，但為了提高頻譜效率和每信道吞吐量，可擴(kuò) 放的 MAC 協(xié)議需要考慮多個(gè)信道的整體性能改進(jìn)， 因此開發(fā)一個(gè)可擴(kuò)放的多信道 MAC 協(xié)議比單信道 MAC 協(xié)議難度更大。MAC/ 物理層跨層設(shè)計(jì)。當(dāng)使用先進(jìn)的物理層技術(shù)

32、（如 MIMO 和認(rèn)知無線電）時(shí)， 必須提出新穎的 MAC 協(xié)議（尤其是多信道 MAC 協(xié)議）來利用物理層提供的靈活 性。MAC 層上的網(wǎng)絡(luò)集成。 Mesh 路由器負(fù)責(zé)不同無線技術(shù)的集成， 因此 MAC 層上必 須開發(fā)先進(jìn)的橋接功能，以使不同的無線電臺(tái)，如 IEEE 802.11、802.16、 802.15 等，可以無縫地一起工作?？芍嘏渲脽o線電 /軟件無線電和相關(guān)的無線電資源管理 方案可能是橋接功能的最終解決方案。路由層盡管已經(jīng)為移動(dòng)自組網(wǎng)提出了許多路由協(xié)議，但 WMN 的路由協(xié)議依然是一個(gè)活躍的 研究領(lǐng)域。一個(gè)最佳的 WMN 路由協(xié)議必須能夠利用以下特性：多種性能測(cè)度。 許多已有的路由協(xié)

33、議使用最小跳數(shù)作為路由選擇的性能測(cè)度，這在許多場(chǎng)合下是不可夠的?？蓴U(kuò)放性。 在一個(gè)非常大的無線網(wǎng)絡(luò)中建立或維護(hù)路徑可能需要很長(zhǎng)的時(shí)間，因此使用一個(gè)可擴(kuò)放的路由協(xié)議是非常必要的。健壯性。為避免服務(wù)中斷， WMN 對(duì)于鏈路失效或擁塞必須是健壯的。路由協(xié)議也 需要執(zhí)行負(fù)載均衡。Mesh 架構(gòu)上的有效路由?？紤]到 mesh 路由器極少移動(dòng)且沒有能量消耗的限制， mesh 路由器中的路由協(xié)議應(yīng)比移動(dòng)自組網(wǎng)中的路由協(xié)議簡(jiǎn)單得多。 有了 mesh 路由 器提供的mesh骨干，mesh客戶的路由協(xié)議也可以設(shè)計(jì)得比較簡(jiǎn)單?，F(xiàn)有的自組網(wǎng)路由協(xié)議已經(jīng)考慮了某些特性，但沒有一個(gè)利用了所有這些特性： 能夠采用各種性能測(cè)

34、度的路由協(xié)議。有人利用鏈路質(zhì)量源路由協(xié)議LQSR （ LinkQuality Source Routing ）研究了路由測(cè)度對(duì)多跳無線網(wǎng)絡(luò)路由的影響， LQSR 根據(jù) 鏈路質(zhì)量測(cè)度選擇路由。試驗(yàn)了三個(gè)路由測(cè)度，分別為 expected transmission count (ETX )、per-hop round trip time 、 per-hop back-to-back packet delay ，并與最小跳數(shù) 路由進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于靜止節(jié)點(diǎn)，使用 ETX 測(cè)度選擇的路由最好；對(duì) 于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，使用最小跳數(shù)選擇的路由最好。多電臺(tái)路由。 MR-LQSR (multi-radio L

35、QSR )假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有電臺(tái)均被調(diào)諧到 互不干擾的信道上， 并且這種分配不常改變。 MR-LQSR 使用了一種新的性能測(cè)度， 稱為 WCETT ( weighted cumulative expected transmission time )。 WCETT 同時(shí)考慮 了鏈路質(zhì)量測(cè)度和最小跳數(shù)，因此在延遲和吞吐量之間取得了較好的折衷。多路徑路由。 多路徑路由在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間選擇多條路徑， 主要目的是為了 平衡負(fù)載和提高容錯(cuò)性。 但性能的改進(jìn)取決于源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間是否存在節(jié)點(diǎn) 分離的路徑，并且這種方法的復(fù)雜性較高。層次路由。 層次路由主要基于對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)， 分

36、層路由協(xié)議 由于開銷小、 平均路徑長(zhǎng)度短和路由建立過程快， 容易取得好的性能， 但維護(hù)簇層 次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可能損害路由協(xié)議的性能。在 WMN 中，應(yīng)避免使 mesh 客戶成為 簇頭，因?yàn)?mesh 客戶資源有限，容易形成瓶頸。 地理路由。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行路由，對(duì)拓?fù)涓淖兊倪m應(yīng)性較好。對(duì)于 WMN 中的路由協(xié)議，以下問題仍然沒有解決：擴(kuò)放性。 分層路由協(xié)議由于自身的復(fù)雜性和管理難度，只是部分地解決了擴(kuò)放性問題。地理路由協(xié)議依賴于 GPS 或類似的定位技術(shù)， 增加了 WMN 的代價(jià)和復(fù)雜性。 因此，需要開發(fā)新的可擴(kuò)放的路由協(xié)議。更好的性能測(cè)度。 需要提出新的性能測(cè)度， 并能將多種性能測(cè)度集成到一個(gè)

37、路由協(xié) 議中以獲得最佳的整體性能。路由 /MAC 跨層設(shè)計(jì)。路由協(xié)議需要與 MAC 層交互來提高自己的性能。在路由協(xié) 議中采納 MAC 層的一些性能參數(shù)是一個(gè)很好的例子。但是 MAC 層和路由層的相 互作用非常緊密，僅僅交換參數(shù)是不夠的，合并 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議的某些功能 是一種很有希望的方法。有效的mesh路由。針對(duì)WMN中的mesh骨干，應(yīng)研究更簡(jiǎn)單和有效的路由協(xié)議。傳輸層到目前為止，尚沒有專為 WMN 設(shè)計(jì)的傳輸層協(xié)議。然而，針對(duì)自組網(wǎng)已經(jīng)提出了許 多傳輸層協(xié)議，研究這些協(xié)議有助于設(shè)計(jì) WMN 的傳輸層協(xié)議。對(duì)于實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)流量， 需要不同的傳輸層協(xié)議。 非實(shí)時(shí)流量主要要求可靠傳輸，

38、 實(shí)時(shí) 流量主要要求實(shí)時(shí)傳輸。(1) 可靠的數(shù)據(jù)傳輸 可靠的傳輸協(xié)議進(jìn)一步分為兩類： TCP 變異，新的傳輸協(xié)議。TCP 變異通過處理以下問題來改進(jìn)經(jīng)典 TCP 協(xié)議的性能： 非擁塞性丟包。經(jīng)典的 TCP 協(xié)議不區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失是否由擁塞引起，因此當(dāng)非擁 塞性丟包發(fā)生時(shí)， 不必要的擁塞避免造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量迅速下降； 當(dāng)無線信道恢復(fù)正 常時(shí)，經(jīng)典的 TCP 不能迅速恢復(fù)?？梢允褂靡环N反饋機(jī)制來區(qū)分不同原因引起的 丟包。 鏈路失效檢測(cè)。由于所有節(jié)點(diǎn)都在運(yùn)動(dòng)，鏈路失效在移動(dòng)自組網(wǎng)中是經(jīng)常發(fā)生的。對(duì)于 WMN 而言， 由于 WMN 架構(gòu)了避免單點(diǎn)故障的發(fā)生， 因此鏈路失效在 WMN中不是很嚴(yán)重。但由于采用

39、無線信道和mesh 客戶存在移動(dòng)，鏈路失效仍然可能發(fā)生，需要檢測(cè)鏈路失效以增強(qiáng) TCP 的性能。網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱。 網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱是指在數(shù)據(jù)包傳輸?shù)膬蓚€(gè)方向上有非常不同的帶寬、 丟包 率和延遲，它會(huì)影響 ACK 的傳輸。由于 TCP 嚴(yán)重依賴于 ACK ， TCP 性能會(huì)因?yàn)?網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱而嚴(yán)重下降。盡管 ACK 過濾和 ACK 擁塞控制等方法有助于解決網(wǎng)絡(luò) 不對(duì)稱的問題，它們是否適用于 WMN 還有待研究。RTT 變動(dòng)范圍大。考慮到節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、鏈路質(zhì)量時(shí)變、流量負(fù)載波動(dòng)和其它因素， 路徑變化可能頻繁發(fā)生并引起較大的 RTT 變動(dòng)，這將降低 TCP 的性能，因?yàn)?TCP 的正常運(yùn)行依賴于平穩(wěn)的 RTT 測(cè)量

40、值。為進(jìn)一步提高傳輸協(xié)議的性能，研究人員開始研究全新的傳輸協(xié)議。自組織傳輸協(xié)議 ATP（ Ad hoc Transport Protocol ）是專門針對(duì)自組網(wǎng)提出的，它可以區(qū)分擁塞性丟包和非擁 塞性丟包，擁塞控制和可靠性是解耦合的，性能（如延遲、吞吐量、公平性）比 TCP 變異 好得多。但對(duì)于 WMN 來說全新的傳輸協(xié)議不是一種好的解決方案，因?yàn)?WMN 要與因特 網(wǎng)及其它許多無線網(wǎng)絡(luò)互連， WMN 的傳輸協(xié)議必須與 TCP 兼容。（ 2）實(shí)時(shí)交付為支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的端到端傳輸，需要一種速率控制協(xié)議（rate control protocol ， RCP）與UDP 起工作。雖然已為有線網(wǎng)絡(luò)提出

41、了許多RCP,但沒有用于 WMN的RCP°ADTFRC（adaptive detection rate control ）是為移動(dòng)自組網(wǎng)提出的一種速率控制方案，它為TCP 友好的速率控制提供端到端多測(cè)度聯(lián)合檢測(cè)方法。 然而， 為支持多媒體流量的實(shí)時(shí)交付， 檢測(cè)方 法的準(zhǔn)確性還不夠； 另外， 沒有區(qū)分由不同問題引起的非擁塞性丟包， 這可能會(huì)降低速率控 制方案的性能。（3）開放的問題 網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱的跨層解決方案。 TCP 性能下降的所有問題實(shí)際上都與低層協(xié)議有關(guān)。 比如， TCP 中數(shù)據(jù)和 ACK 的傳輸路徑是由路由協(xié)議確定的，為避免數(shù)據(jù)和 ACK 傳輸?shù)牟粚?duì)稱，路由協(xié)議選擇的路徑應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)

42、據(jù)和 ACK 都是最優(yōu)的。另外，鏈路 層性能直接影響丟包率，為減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)不對(duì)稱的可能性，MAC 和差錯(cuò)控制需要區(qū)別對(duì)待數(shù)據(jù)和 ACK 包。自適應(yīng)TCP。WMN 需要與因特網(wǎng)和其它各種無線網(wǎng)絡(luò)（如802.11、802.15、802.16等）互連，這些網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性使得同一種 TCP 不會(huì)對(duì)所有網(wǎng)絡(luò)均有效。在不同的 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用不同的 TCP是一個(gè)復(fù)雜而代價(jià)高昂的方法，因此自適應(yīng)TCP是最有希望的解決方案，需要為 WMN 研究自適應(yīng)傳輸協(xié)議。自適應(yīng)速率控制。對(duì)于實(shí)時(shí)傳輸，需要根據(jù) WMN 的特性開發(fā)全新的 RCP 協(xié)議， 同時(shí)需要開發(fā)與 RCP 一起工作的丟包區(qū)分方法。由于 WMN 要和因特網(wǎng)及其它

43、各 種無線網(wǎng)絡(luò)集成在一起，需要自適應(yīng)的速率控制協(xié)議。應(yīng)用層WMN 支持的應(yīng)用可以分為以下幾類： 因特網(wǎng)訪問。 在因特網(wǎng)訪問方面， 家庭或中小商業(yè)環(huán)境最受歡迎的網(wǎng)絡(luò)訪問方案是 DSL、 cable model 和 IEEE 802.11 接入點(diǎn)。與這些方法相比， WMN 代價(jià)低、速度 高、易于安裝。分布式信息存儲(chǔ)和共享。這是指用戶在 WMN 內(nèi)部進(jìn)行的信息存儲(chǔ)和共享，如用戶將大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到其他用戶的磁盤中，基于 P2P 機(jī)制從其他用戶的磁盤下載 文件， 查詢和獲取保存在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的信息，與其他用戶聊天、 視頻會(huì)話、玩游戲等?？缭蕉鄠€(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的信息交換。 比如， 一個(gè)蜂窩電話用戶想和一

44、個(gè) Wi-Fi 電話用戶 通話，或者 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)上的用戶想監(jiān)視傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。應(yīng)用層上主要有三個(gè)研究方向： 改進(jìn)已有的應(yīng)用層協(xié)議。在無線網(wǎng)絡(luò)中，低層協(xié)議無法向應(yīng)用層提供完美的支持， 比如有丟包、包的延遲抖動(dòng)可能很大。由于 WMN 的自組織特性和多跳通信，這 些問題可能變得更為嚴(yán)。這些問題可能使得許多因特網(wǎng)應(yīng)用無法使用。 為分布式信息共享提出新的應(yīng)用層協(xié)議。目前有許多 P2P 協(xié)議可用于因特網(wǎng)上的 信息共享，然而這些協(xié)議在 WMN 上不能獲得滿意的性能，因?yàn)?WMN 有許多與 因特網(wǎng)不同的特性。為 WMN 開發(fā)新的應(yīng)用。 這類應(yīng)用必須能給用戶帶來巨大的好處， 并且只能在 WMN

45、 上取得最佳的性能。這類應(yīng)用將使得 WMN 成為唯一的網(wǎng)絡(luò)解決方案，而不是又 一種無線網(wǎng)絡(luò)的選擇。4.3 網(wǎng)絡(luò)管理WMN 中需要許多管理功能，重要的如：（1）移動(dòng)管理移動(dòng)管理涉及mesh客戶在不同mesh路由器之間的切換、連接的遷移等。Mesh骨干的存在使得 WMN的移動(dòng)管理比一般的移動(dòng)自組網(wǎng)要簡(jiǎn)單一些，但是如何充分利用 mesh骨干來設(shè)計(jì)一個(gè)輕量級(jí)的分布式移動(dòng)管理方案還需要進(jìn)一步研究。移動(dòng)管理與協(xié)議棧的多個(gè)層次都有關(guān)系，因此研究多層移動(dòng)管理方法是又一個(gè)研究課題。位置服務(wù)是 WMN 想要的一個(gè)特性， 因?yàn)槔梦恢眯畔⒖梢蕴岣?MAC 協(xié)議和路由協(xié)議 的性能， 也能夠開發(fā)出很有前景的基于位置的應(yīng)

46、用。 但有效的位置服務(wù)算法至今還是一個(gè)開 放的研究課題。（2）功率管理WMN 的功率管理目標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的類型有關(guān)。通常 mesh 路由器對(duì)于功率消耗沒有限 制，功率管理的目的在于控制連通性、干擾、頻譜的空間重用和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鴐esh客戶則希望協(xié)議是功率有效的。 因此， WMN 很可能要求能夠同時(shí)優(yōu)化功率有效性和連通性的功率 管理方案，這是一個(gè)復(fù)雜的問題。（3）網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視的任務(wù)是收集 mesh節(jié)點(diǎn)的性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，報(bào)告給一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器，達(dá)到連 續(xù)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)性能的目的。 為減少開銷，需要有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視數(shù)據(jù)的方法；另外，需要能 夠準(zhǔn)確檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)異常和迅速獲得多跳 mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄?shù)據(jù)處理算法

47、。4.4 安全和移動(dòng)自組網(wǎng)一樣， 由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分布式、 在共享無線媒體中信道和節(jié)點(diǎn)的脆弱性以 及動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?WMN 很容易遭受來自各個(gè)協(xié)議層上的攻擊， 而至今尚無有效和可 擴(kuò)放的安全解決方案。無線局域網(wǎng)通過在訪問點(diǎn) (AP)或網(wǎng)關(guān)上執(zhí)行鑒別 (authentication )、授權(quán)(authorization ) 和記帳( accounting) ( AAA )來進(jìn)行安全和密鑰管理。但是 WMN 沒有集中式的認(rèn)證中心、 可信第三方或服務(wù)器來管理密鑰， 為此需要研究分布式的鑒別、 授權(quán)和安全的密鑰管理方法。為進(jìn)一步確保 WMN 的安全，還需要考慮以下兩種安全策略：將安全機(jī)制內(nèi)置于各層

48、 協(xié)議中， 還是開發(fā)一個(gè)安全監(jiān)視和響應(yīng)系統(tǒng)來檢測(cè)攻擊、 監(jiān)視服務(wù)中斷和快速響應(yīng)攻擊。 如 果將安全機(jī)制內(nèi)置于各個(gè)協(xié)議中， 需要一個(gè)多協(xié)議層安全機(jī)制， 因?yàn)楣艨赡芡瑫r(shí)發(fā)生在不 同層上。 如果是開發(fā)一個(gè)安全監(jiān)視系統(tǒng)， 則需要一個(gè)跨層框架。 如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的 安全系統(tǒng)，包括跨層安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各種入侵檢測(cè)算法， 是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的研究課題。4.5 跨層設(shè)計(jì)分層協(xié)議設(shè)計(jì)方法不一定產(chǎn)生出最優(yōu)的解決方案，尤其在 WMN 中。WMN 的物理信道在容量、誤碼率等方面是時(shí)變的。盡管不同的編碼、調(diào)制技術(shù)和差錯(cuò) 控制方法可以用來改進(jìn)物理信道的性能， 但不能保證容量固定、 零丟包率或有靠連接等。 為 提供

49、滿意的網(wǎng)絡(luò)性能， MAC 、路由和傳輸層協(xié)議需要與物理層一起互動(dòng)地工作。在 WMN 中，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和鏈路失效導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嗟刈兓?，這種動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì) 影響多個(gè)協(xié)議層次。為提高協(xié)議的有效性，跨層設(shè)計(jì)是非常必要的?？鐚釉O(shè)計(jì)可以有兩種方式。第一種方式是通過獲取其它層上的參數(shù)來改進(jìn)某一層的性 能，典型地是將較低層上的參數(shù)報(bào)告給較高層。比如， MAC 層上的丟包率可以報(bào)告給傳輸 層，使得 TCP 可以分清楚是擁塞還是丟包；物理層可以將鏈路質(zhì)量報(bào)告給路由協(xié)議，作為 路由算法的一個(gè)性能測(cè)度。 第二種方法是將多個(gè)協(xié)議合并成一個(gè)， 比如在移動(dòng)自組網(wǎng)中可以 將 MAC 協(xié)議和路由協(xié)議合并成一個(gè)，以反映出它們之間

50、的緊耦合性。 第一種方法保留了協(xié) 議層之間的透明性，而第二種方法通過更緊密的交互可以取得更好的性能?？鐚釉O(shè)計(jì)是有風(fēng)險(xiǎn)的， 以下一些問題需要考慮： 失去了協(xié)議層抽象， 與現(xiàn)有協(xié)議不兼容， 對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不可預(yù)見的影響，維護(hù)和管理困難。4.6 結(jié)論盡管使用現(xiàn)有技術(shù)可以建立 WMN ，但對(duì)現(xiàn)有 WMN 的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)表明， WMN 的 性能遠(yuǎn)低于預(yù)期。有許多問題有待解決，其中最重要和最迫切的是擴(kuò)放性和安全放。基于現(xiàn)有的 MAC 、路由和傳輸協(xié)議， WMN 的性能對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)量和跳數(shù)而言沒有擴(kuò)放 性。這個(gè)問題可以通過提高網(wǎng)絡(luò)容量 (每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用多個(gè)信道或無線電臺(tái)， 或研發(fā)更高速率 的無線電臺(tái))來緩解，

51、但這個(gè)方法并不能真正提高 WMN 的擴(kuò)放性，因?yàn)橘Y源利用率沒有 真正改進(jìn)。因此，為了獲得可擴(kuò)放性，需要為 WMN 研究新的 MAC 、路由及傳輸協(xié)議。WMN 容易遭受各個(gè)層上的安全攻擊。 目前的安全方法可能對(duì)特定層上的特定攻擊有作 用，我們需要能夠預(yù)防或?qū)Ω端袑由瞎舻木C合機(jī)制。 另外，自組織和自配置能力是 WMN 希望的特性，它要求 WMN 中的協(xié)議是分布式和協(xié)同的，然而目前的 WMN 只能部分實(shí)現(xiàn) 這個(gè)目標(biāo)。 而且，由于在同一個(gè) mesh 路由器中建立多個(gè)無線接口和相應(yīng)網(wǎng)關(guān) /橋接功能的困 難， WMN 集成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的能力還非常有限。盡管有這些研究問題，我們相信 WMN 將會(huì)是下一代

52、無線網(wǎng)絡(luò)中最有前景的技術(shù)之一。5 WMN 中的路由測(cè)度 4無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)由電源供應(yīng)充足的靜止無線節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)無線節(jié)點(diǎn)可以配備多個(gè)射頻 電臺(tái)， 稱為多射頻 /多信道節(jié)點(diǎn)， 每個(gè)射頻電臺(tái)可以工作在一個(gè)不同的信道以提高網(wǎng)絡(luò)容量。 所有無線節(jié)點(diǎn)協(xié)同地將網(wǎng)絡(luò)流量通過一個(gè)或多個(gè)因特網(wǎng)傳輸接入點(diǎn)TAP（ Transit AccessPoint ）（網(wǎng)關(guān)）路由到因特網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)也可以直接通過mesh 網(wǎng)絡(luò)（不經(jīng)過 TAP ）相互通信。Mesh 節(jié)點(diǎn)之間及 mesh 節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信需要路由協(xié)議支持，路由測(cè)度用來在所 有可能的路由中確定一條最佳的。 路由測(cè)度的設(shè)計(jì)要根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的特性決定， 比如， 能

53、量 嚴(yán)重受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)要求能量有效的路由設(shè)計(jì)， 移動(dòng)自組網(wǎng)由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)要求能有效維護(hù) 連接的路由協(xié)議。無線 mesh 網(wǎng)絡(luò)中靜止節(jié)點(diǎn)和共享無線媒體的結(jié)合對(duì)于路由測(cè)度的設(shè)計(jì)提 出了特殊的要求。Mesh 網(wǎng)絡(luò)路由測(cè)度的設(shè)計(jì)要考慮以下兩方面的因素：所使用的路由協(xié)議和 mesh 網(wǎng)絡(luò) 的特性。由于不同的路由協(xié)議產(chǎn)生的代價(jià) （消息開銷和管理復(fù)雜性）不同， 理解哪一類路由 協(xié)議適合于mesh網(wǎng)絡(luò)是很重要的，這樣可使路由測(cè)度的設(shè)計(jì)與路由協(xié)議相符合。其次，mesh網(wǎng)絡(luò)的特性（節(jié)點(diǎn)靜止，媒體共享）也對(duì)路由測(cè)度的設(shè)計(jì)提出挑戰(zhàn)。比如，由于無線媒體的 共享特性， 無線鏈路的帶寬不是專用的， 鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸會(huì)競(jìng)爭(zhēng)同一

54、個(gè)帶寬， 因此路由測(cè)度 要能反映出競(jìng)爭(zhēng)流之間的干擾。 更復(fù)雜的是， 由于當(dāng)前的無線網(wǎng)卡可以被配置到不同的信道 上，這樣配置到不同信道上的無線鏈路可能不會(huì)相互干擾， 哪怕它們?cè)谖锢砦恢蒙想x得很近。 有效的路由測(cè)度必須考慮鏈路的信道分配，反映出干擾對(duì)路徑性能的影響。5.1適合mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議4 分析了不同類型的路由協(xié)議在mesh網(wǎng)絡(luò)中的性能。4根據(jù)路由計(jì)算的時(shí)間將路由協(xié)議分為按需路由和積極（proactive ）路由兩類，根據(jù)數(shù)據(jù)包如何在網(wǎng)絡(luò)中路由又將積極路由 劃分為源路由和逐跳路由兩類。按需路由最早是為移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)的。 當(dāng)一對(duì)節(jié)點(diǎn)之間真正需要通信時(shí)， 在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之 間建立一條路由， 路由

55、發(fā)現(xiàn)通常采用洪泛的方法。 由于移動(dòng)自組網(wǎng)中的鏈路經(jīng)常中斷 （節(jié)點(diǎn) 移動(dòng)），基于洪泛的路由發(fā)現(xiàn)可以獲得較好的連通性和較低的消息開銷。然而，mesh網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)是靜止的， 鏈路通常有長(zhǎng)得多的預(yù)期壽命， 鏈路中斷的概率比流到達(dá)的概率低得多， 因 此基于洪泛的路由發(fā)現(xiàn)是冗余的， 而且控制消息的開銷很大。 因此， 按需路由一般來說不適 合mesh網(wǎng)絡(luò)。在積極路由協(xié)議中， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)到所有其它節(jié)點(diǎn)的路由表， 所有節(jié)點(diǎn)更新這些表來保 持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)一致和最新的路由信息。 在源路由協(xié)議中， 源節(jié)點(diǎn)為一個(gè)數(shù)據(jù)流計(jì)算路由， 并將 整條路徑放在包頭中， 中間節(jié)點(diǎn)只需按照包頭中的路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。然而， 為適應(yīng)無線信道的高

56、誤碼率， mesh 網(wǎng)絡(luò)中的包長(zhǎng)通常很小，將整條路徑放在包頭中的消息開銷很大。在逐跳路由中， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)只維護(hù)到所有其它節(jié)點(diǎn)的下一跳路由，數(shù)據(jù)包中只攜帶目的地址，中間節(jié)點(diǎn)只根據(jù)目的地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。 這種簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)方案和低的消息開銷使得逐跳路 由在有線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，相同的原因也使得逐跳路由是最適合mesh網(wǎng)絡(luò)的。但是除了這些好處外，逐跳路由要求仔細(xì)設(shè)計(jì)路由測(cè)度以避免出現(xiàn)路由環(huán)路。5.2 對(duì)路由測(cè)度的要求為獲得良好的性能， 路由測(cè)度必須滿足四個(gè)條件。 首先， 路由測(cè)度不能引起頻繁的路由改變，以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。其次，路由測(cè)度必須反映mesh網(wǎng)絡(luò)的特性，以確保最小加權(quán)路徑性能良好。第三，路由測(cè)

57、度必須保證最小加權(quán)路徑可以被多項(xiàng)式復(fù)雜度的算法找到。最后，路由測(cè)度必須保證路由協(xié)議不會(huì)形成轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路。（1）路由穩(wěn)定性不穩(wěn)定的路徑權(quán)重對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能是非常有害的，頻繁的權(quán)重變化會(huì)產(chǎn)生大量的路由更新消息，而在頻繁的路由更新下路由協(xié)議可能無法收斂。路徑權(quán)重的穩(wěn)定性與路由測(cè)度所反映的路徑特性有關(guān)，分為負(fù)載敏感型和拓?fù)湟蕾囆汀Ｘ?fù)載敏感測(cè)度根據(jù)路由上的負(fù)載為路由分配權(quán)重，如Number of Congested Nodes，路由權(quán)重可能隨著流的到來和離開而頻繁變化。拓?fù)湟蕾嚋y(cè)度根據(jù)路徑的拓?fù)涮匦詾槁窂街付ㄒ粋€(gè)權(quán)重，如路徑跳數(shù)和鏈路容量， 對(duì)于拓?fù)洳怀Ｗ兓撵o止網(wǎng)絡(luò)而言，拓?fù)湟蕾嚋y(cè)度更穩(wěn)定。負(fù)載敏感測(cè)度和拓?fù)湟蕾嚋y(cè)度適用于不同的 路由協(xié)議。一般而言，負(fù)載敏感測(cè)度只適用于按需路由，在流量變化較大的網(wǎng)絡(luò)中與積極路由一起使用會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定；拓?fù)湟蕾嚋y(cè)度則可用于按需路由和積極路由。Mesh網(wǎng)絡(luò)較適合采用拓?fù)湟蕾嚋y(cè)度。（2）最小權(quán)重路徑的性能所有的路由協(xié)議都是要尋找最小權(quán)重 （代價(jià)）路由。為保證有效利用 mesh網(wǎng)絡(luò)的資源， 所選擇的最小權(quán)重路由必須有良好的性能，即高吞吐量和低延遲。 為達(dá)到這個(gè)目的，路由測(cè)度必須反映影響 mesh網(wǎng)絡(luò)路徑性