通信工程电子信息工程信息工程论文]无线mesh网络关键技术研究

通信工程电子信息工程信息工程论文]无线mesh网络关键技术研究内容摘要：

端到对端的新的路由。 多跳 每个网络节点和用户端设备（无线通信单元）均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由。 点对点网络 自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连接发端和对端。 而不必通过中央管理节点。 无线 Mesh网络的基本技术 从图 3可以看出，无线 Mesh网络在通常的 WGW(实现无线 Inter接入 )、无线用户终端的基础上，增添了无线路由器，由如图 5所示的原有基础的无线 接入网 络结构演变成如图 6所示的无线 Mesh网络结构。 无线 Mesh网络增加了无线路由器层，各路由器间由无线连接，路由器与无线 IP接入点 (WGW)间由无线连接，并可交叉链接，形成密集网络。 由此衍生出无线 Mesh网络特有的基本技术和处理方法，它们都是与常规单纯的无线接入网络不同的新增无线路由器层直接相关联的。 13 无线 Mesh路由器的无线传输技术 在研究无线 Mesh网络技 术过程中，常常把 Mesh路由器 (如 WR)的无线传输技术，称为无线 Mesh网络的物理层技术。 这里传输主要是指 WR与用户终端间的无线传输、 WR之间的无线传输和 WR与 WGW间的无线传输。 WR与用户终端间的无线传输是按用户终端支持的无线技术和标准化要求，实现类似于基站 或无线接入点的功能，能够支持各种不同无线空中接口的接入要求。 无线 Mesh网络结构支持不同的标准化接入系统，有不同的无线传输技术， WR与用户终端间的无线传输都能适应。 WR之间的无线传输和 WR与 WGW间的无线传输是需要定义和确认的。 原则上，采用何种传输 技术与用户终端支持的技术标准和系统方式没有直接关系，可以尽量采用现有的先进技术和方法。 由于 WR相当于基站，是位置固定的，是支持多用户综合高速数据的，是密集覆盖并要尽量避免彼此间干扰的，是有多种路由选择的。 因此，智能定向天线技术、高效可控调制编码技术、低临界发射功率控制技术等是最重要的物理层传输技术。 智能定向天线技术是一种信号功率集中的指定方向波束成形技术，如图 7所示。 在 3G系统中，特别是在同频工作的 TDSCDMA系统中，得到广泛应用。 智能天线技术是一种特别的多输入多输出 (MIMO)技术，使用相位受控的 m个天线振子组合，可形成 m个不同方向的低功率定向发射，使到达接收点的信号功率最强，而对其他邻近 WR的辐射最小，影响最小，实现网络密集覆盖的低功率应用。 在不好直接利用智能天线的场合，也要采用 MIMO技术，提高功率效率和传输效率。 14 高效可控调制编码技术是未来无线通信的共同要求。 但是， WR之间和 WR与 WGW间的无线传输，由于位置固定、传输路径固定、 信道 衰落起伏平稳，因此能采用有效的信道估计补偿技术实现比移动环境高得多的传输调制效率和编码效率，完成高速通信。 正交频分复用 (OFDM)技术、正交幅度调制 (QAM)迭代 技术、 Turbo编解码技术等能够实现高速、可控可管、自适应，都是首选技术。 低临界发射功率控制技术是信号功率效率提高的关键，与网络拓扑结构密切相关。 无线 Mesh网络采用无线接入密集覆盖办法，能实现低信号功率应用。 为最大减小对邻近 WR的干扰，发射功率最小临界化的功率控制十分重要。 图 8是临界低功率发射控制示意图，图8a发射功率过小，仅部分连接；图 8b是发射功率过大，各 WR覆盖彼此交叉重叠过多，相互干扰严重；图 8c是发射功率控制到合适临界的状况，相互交叉重叠不多，各 WR都可经由单跳或多跳连接到 WGW，全可 联通 ，是 最佳控制。 当然，信号发射功率控制，不仅考虑网络拓扑结构，还要考虑到数据业务负载，传输时延和业务质量等要求，实现优秀综合性能的最大网络容量。 多信道接入的 MAC技术 15 提供媒体访问控制 (MAC)接入的多信道技术，同通常的无线通信网络一样，有频分多址 (FDMA)技术、时分多址 (TDMA)技术、码分多址 (CDMA)技术和使用定向天线的空分多址(SDMA)技术，实用中经常是这些多址技术的部分或全部综合应用，形成彼此独立互不串扰的多信道接入技术。 由于 WR的定点定向传输可以充分利用智能天线技术实现空分多址 ，实现尽可能多的互不干扰独立传输信道。 相对常规无线通信，这是无线 Mesh网络的又一特色。 在多址接入技术支持下，无线 Mesh网络的 MAC层设计与通常的典型无线网络的 MAC设计一样，同接入点相关。 由于无线 Mesh网络不是单跳而是多跳系统，需要支持多跳的 MAC设计。 首先是就近 Mesh路由器的接入选择。 无线 Mesh网络是自组织网络，网络路由连接和用户终端接入状况的拓扑结构随地理位置、通信环境、用户移动、 WR布局等不同而不同，是变动的。 如图 9所示，图 9(a)是一种 Mesh拓扑结构，终端经过 3次跳转接力，接入 Inter接入点 GW1，完成 MAC过程。 图 9(b)是同一地区同样的 Mesh路由器和 WGW布局，但 Mesh拓扑连接不同，该终端在同样位置，选择同样的 Mesh路由器，要经过 4次跳转接力，接入 Inter接入点 GW3，完成 MAC过程。 但如果选择临近的另外不同的 Mesh路由器，可能只经过 2跳或 3跳，就能接入 GW1。 因此，无线 Mesh网络的就近 Mesh路由器的接入选择，是动态的，与通常设计不同。 典型的有应用于 IEEE MAC技术协议 (MMAC协议 )，并考虑 MAC层与网络层的交互，引入多信道协同子 层 (MCCL)，以此增加网络能力。 接入 WGW的路由技术 用户终端通过 WR接到无线 IP接入点的路由技术和相关协议是多跳的无线 Mesh网络的最重要技术。 研究和设计接入 Inter的路由技术和协议，基本考虑准则有：尽量少的多跳数、尽量小的时延、尽量大的数据速率、尽量低的差错率、尽量大的路由稳定等。 这样，接入 WGW的路由协议设计有如下几点要尤其注意：首先，无线 Mesh网络中的路由协议不能 16 仅仅根据 “ 最小跳数 ” 来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择；其次，路由协议要提 供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断；第三，路由协议要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源；第四，路由协议要求能同时支持路由器和用户终端。 无线 Mesh路由协议可参照 Ad Hoc网络路由协议，目前几种典型的路由协议有：动态源路由协议 (DSR)、目的序列距离矢量路由协议 (DSDV)、临时按序路由算法 (TORA)和 Ad Hoc按需距离矢量路由协议 (AODV)等。 DSR是最常见的一种对等的基于拓扑的反应式自组织路由协议，它的特点是采用 积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息，通过比对，实现路由创建。 图 10表示一个无线 Mesh网络，可能有上下行不同的路由选择。 无线 Mesh网络中Mesh路由器通常都是静止不动的，原则上没有功耗限制，也没有用户移动带来的路由器位置改变和路由拓扑改变，因此，可将现有 Ad Hoc路由协议加以简化，进行跨层设计，建立简单得多的路由协议。 但是，对于移动用户终端需要采用完全类似 Ad Hoc的路由协议，寻求就近接入点和接入路由。 接入网络的路由协议的另一个问题是如何选择路由实现接入的公平性，让用户终端接入网络的机会、 数据速率和通信质量是基本上一致的。 图 11给出了实现公平性的基本路由选择方式，在可能情况下，对各自 Mesh路由器转接基本能力相同时，尽量选择如图 11(a)的并行接入方式， WR各自支持接入的用户终端，以可能的最大数据速率支持连接到Inter，各用户享受的支持是相同的公平的。 采用图 11(b)的串行接入方式，在 Mesh路由器基本相同能力情况下，要公平就不能实现最大速率。 这时， WR4通过 WR3把用户终端以数据速率 S4接入 WGW，如果 WR3有用户接入， WR3能支持的速率就是 S3S4，如果 WR最大支持 17 能力为 S，则 可能实现的公平接入是： S3=S4=S/2， WR4没有达到最大支持能力， WR3达到最大支持能力，但它直接联络的用户只能实现 WR3部分接入能力。 只有在 WR3接入能力明显大于 WR4接入能力时，串行接入方式对实现接入公平，才比较有效。 这种接入公平性的考虑，也是实现网络各 Mesh路由器最大能力的接入考虑，可使网络容量最大。 4． 无线 Mesh路由器配置技术 网络设备通常是指 Inter接入点和 Mesh路由器。 在覆盖区域给定的情况下， WGW放置位置可以变动的话，放置位置的确定；在 WR布局密度和数目给定情况下，放置 位置的确定，是构建无线 Mesh网络的基本研究课题。 在大多数情况下， WGW位置是确定的，因此主要研究 Mesh路由器的配置问题。 Mesh路由器的配置，如上节的路由选择所述一样，有并行配置和串行配置的两种方式。 为实现最大网络能力，需要凭借在串行配置下的多跳链路 (路由 )。 这种链路为提高效率，采用分时工作，因此要研究避免碰撞的分时策略和处理方法。 如图 12所示。 18 采用串行配置， Mesh路由器的最大接入能力在不同位置有不同要求，可以通过不同调制方式和不同微区大小覆盖来转接任务大的 Mesh路由器，使用高速传输技术， 覆盖较小区域，减少用户终端直接接入需求量。 而在多跳末端位置的 Mesh路由器由于转接工作少，可采用较低数据速率和较大区域覆盖，实现最优网络能力。 如图 13所示。 无线 Mesh网络的应用 无线 Mesh网络的一般应用 从本质上说， Mesh网络是一种类似于点对点的无线网络架构，这种架构可以大大减少网络的基础设施成本 (例如 AP，无线路由器数量 )，同时也可为无线网络服务供应商 (WISP)减少 70%~75%的营运、安装成本。 基于 Mesh网络的优势，它还可以在不同异构的环境下提供多种服务；当用户在 高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过 3G或 、数据；在局部的范围内可通过 WLAN提供宽带网络服务，例如视频点播等。 随着 Mesh网络的进一步发展，它最终可在企 19 业的办公环境中将办公室电话或者手机进行整合。 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。 家庭 Mesh技术的一个重要用处就是用于建立家庭无线网络。 家庭式无线 Mesh联网可以连接台式 PC机、笔记本和手持计算机、 HDTV、 DVD播放器、游戏控制台，以及其他各种消费类电子设备，而不需要复杂的布线 和安装过程。 在家庭 Mesh网络中，各种家用电器既是网上的用户，也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。 当家用电器增多时，这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。 Mesh技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中的应用，如高清晰度视频等。 企业 目前，企业的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式无线链路，为用户提供点到点和点到多点传输。 无线 Mesh网络则不同，它允许网络用户共享带宽，消除了目前单跳网络的瓶颈，并且能够实现网络负载的动态平衡。 在无线 Mesh网络中增加或调整 AP也比有线 AP更容易、配置更灵活、安装和使用成本更低。 尤其是对于那些需要经常移动接入点的企业，无线 Mesh技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓朴结构的调整和升级。 学校 校园无线网络与大型企业非常类似，但也有自己的不同特点。 一是校园 WLAN的规模巨大，不仅地域范围大，用户多，而且通信量也大，因为与一般企业用户相比学生会更多地使用多媒体；二是网络覆盖的要求高，网络必须能够实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆、公共场所等之间的无缝漫游；三是负载平衡非常重要，由于学生经 常要集中活动，当学生同时在某个位置使用网络时就可能发生通信拥塞现象。 解决这些问题的传统作法是在室内高密度地安装 AP，而在室外安装的 AP数量则很少。 但由于校园网的用户需求变化较大，有可能经常需要增加新的 AP或调整 AP的部署位置，这会带来很大的成本增加。 而使用 Mesh方式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。 医院 Mesh还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。 由于医院建筑物的构造密集而又复杂，一些区域还要防止电磁辐射，因此是安装无 线网络难度最大的领域之一。 20 医院的网络有两个主要的特点。 一是布线比较困难：在传统的组网方式中，需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线，这显然不利于网络拓朴结构的变化。 二是对网络的健壮性要求很高： 如果医院里有重要的活动（如手术），网络任何可能的故障都将会带来灾难性的后果。 采用无线 Mesh组网则是解决这些问题的理想方案。 如果要对医院无线网络拓扑进行调整，只需要移动现有的 Mesh节点的位置或安装新的 Mesh节点就可以了，过程非常简单， 安装新的 Mesh节点也非常方便。 而无线 Mesh的健壮性和高带宽也使它更适合于在医 院中部署。 旅游休闲场所 Mesh非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济上不合算，而又需要为用户提供宽带无线 Inter访问的地方，如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。 Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。 快速部署和临时安装 对于那些需要快速部署或临时安装的地方，。