无线Mesh网络的网络架构网络特点与关键技术.doc

无线Mesh网络的网络架构网络特点与关键技术 无线Mesh网络，即无线网状网，也称为无线多跳网，它可以和多种宽带无线接入技术如802.11、802.16、802.20以及3G移动通信等技术相结合,组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网,可以大大增加无线系统的覆盖范围,同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性,是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。 1无线Mesh网络的网络构架传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点,例如移动通信系统中的基站、802.11WLAN中的AP等等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问就;另一方面,中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。而在无线Mesh网络中,采用网状Mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中,各网络节点通过相临其他网络节点,以无线多跳方式相连。无线Mesh网络中个站点间通过多跳无线连接形成网状拓扑，按站点的功能可分为Mesh路由器、Mesh终端和Mesh网关三类。Mesh路由器（Mesh Router）是具有路由功能的Mesh站点。它具有一个或多个无线接收发器，构成无线Mesh网络的主干网络，负责终端的接入和数据的转发。Mesh终端（Mesh Client）是用户直接使用的设备，通过Mesh路由器访问Internet。某些Mesh终端也具备路由功能，在特殊情况下能够为其他不能直接接入无线Mesh网络的终端提供路由转发。Mesh终端设备具有多样性，可以是普通PC、笔记本电脑、PDA、IP电话等。Mesh网关（Mesh Gateway）是无线Mesh网络与有线网络的连接点，提供路由和网关功能。无线Mesh网络中可以有多个网关，数据流可以选择通过最合适的网关来获得与有线网络之间的通信。从广义范围来看，根据体系结构的不同，可以将无线Mesh网络分为架构式、对等式和混杂式三种。架构式无线Mesh网络中所有路由和转发功能都有呈网状互联的Mesh路由器和Mesh网关完成，Mesh终端通过AP直接接入无线Mesh网络中，形成主干网络和终端接入的严格划分。由于存在专用的主干路由结构，其传输质量能够得到较好的保障，更适用于需要高带宽、高稳定性的Internet连接的场景。对等式无线Mesh网络中个无线终端之间对等的连接起来形成无线网状网络。对等式无线Mesh网络中为了能够形成自组织、自愈合的无线Mesh网络，终端设备需要具备路由以及网关等功能。对等式无线Mesh网络构造灵活，更适用于临时紧急场景，但只终端设备间处理能力差异较大，设备位置变化频繁，通信质量难以得到保障。本文主要研究的便是这一场景。混杂式无线Mesh网络结合了构架式和对等式无线Mesh网络两种体系结构的特点，在混杂式无线Mesh网络中Mesh终端既可以直接接入Mesh主干，也可以通过其他的Mesh终端接入。混杂式无线Mesh网络兼具构架式无线Mesh网络的稳定性和对等式无线Mesh网络的灵活性，将成为未来发展的方向。但是其结构的复杂性也带来了更多需要研究的问题。2无线Mesh网络的网络特点 与传统的无线网络相比，无线Mesh网络具有以下特点： 1.无线多跳网络 多跳Mesh网络架构中,无线链路间更短、发射功率更小、节点间干扰更少和频率重用效率更高,这样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。 2.具有自组织、自管理、自愈能力 无线Mesh网具有网络结构灵活、易于部署和配置、容错以及网状连接多点到多点通信等特点,使得无线Mesh网的初始部署成本相当低,并且可以根据需要逐步扩容。自组织自愈能力使得无线meh网不需要网络管理员来手工配置网络,而可以自动发现新节点,自动完成配置过程,自动维护网络正常运行,在出现节点/链路故障时也可自动调整完成网络自愈。 3.多种类型的网络接入 在无线Mesh网中,既支持无线终端接入骨干网,又支持无线终端之间的对等网络通信。此外,把无线Mesh网技术与其他无线网络相结合,可以通过无线Mesh网给这些无线网络的终端用户提供无线接入业务。 4.移动性以及能耗限制与节点类型相关 无线Mesh网中,Mesh路由器一般为静止不动的设备,而Mesh终端可以是移动或固定设备。同时,Mesh路由器一般没有能耗的限制,而Mesh终端则需要采用能耗较小的网络通信协议。这样,MAC以及路由协议需要针对Mesh路由器和Mesh终端设备分别设计和优化。 5.具有无线基础设施骨干网 无线Mesh网内,由Mesh路由器组成一个无线骨干网,专门用于给终端客户提供可靠网络连接。这个无线骨干网在无线域内提供了大覆盖范围、连通性以及健壮性。 6.集成性 无线Mesh网可以通过Mesh路由器的网关/桥接功能,整合现有多种无线网络技术,如802.11、802.16、3G移动通信等。这样,通过Mesh路由器组成的无线骨干网,可以把多种不同无线网络连接到一起,形成一个“无线互联网”。 7.路由和配置功能的专门化 在ad hoc网络中,每个终端用户设备都要为所有其他节点执行路由和配置功能。而在无线Mesh网中,虽然Mesh终端也有路由转发功能,但是主要还是由Mesh路由器来执行路由和配置功能,大大减轻了普通Mesh终端的负载。 8.拓扑结构的相对稳定 ad hoc网络中,由于终端用户的移动性和不可靠性,网络拓扑和连接的变化较大,使得路由协议和网络配置和部署带来了很大的挑战。无线Mesh网中,Mesh路由器一般是静止不动设备且较用户终端可靠的多。 9.功耗限制减少 无线Mesh网络中,Mesh路由器一般为静止不动的设备,与ad hoc网中的移动终端相比,基本没有功耗限制。这样,在设计Mesh路由器的物理层、MAC层以及网络层路由协议时,基本可以不考虑功耗限制,这大大简化了协议设计,同时还可以采用性能较高的设计方案。3无线Mesh网络的关键技术 Mesh网络在设计方面不仅要考虑需无线传输中的各种问题,如天线设计、多址接入、控制等,还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的相互影响,这就使得无线Mesh网的设计要更复杂。涉及到的关键技术有智能天线技术、自适应调制技术、双工和多址接入技术、QDMA技术、动态资源分配、无线交换技术、无线路由算法、安全性。3.1 智能天线技术当采用定向天线时,用户节点之间通过点到点方式连接,降低了所需的发射功率,同时也减少路径之间的同频干扰,能够实现很高的频谱效率,但是存在一些其他方面的问题,每个用户节点需要多个定向天线和射频单元,任意两点之间都需要精确的对准,当有节点加入或退出网络时,网络的拓扑结构发生变化,需要重新调整定向天线,增加了使用难度。另一种方案是采用全向天线或区域天线,但由于多个用户节点要共享同一无线信道,系统的频谱效率将会大大降低。更合适的方案是采用智能天线技术,智能天线是具有测向和波束成形能力的天线阵列,使用智能天线技术,用户节点可以根据周围节点的状况,在软件控制下调整波束方向,分别对应多个相邻节点,起到空分复用的作用,提高了系统的容量。当网络拓扑发生变化时,可以通过自动调整波束的方向来重新建立用户节点之间的联系。3.2 自适应配置技术在无线Mesh网中,两相邻节点的信道参数,如载干比、延迟扩展等,会受多种因素的影响,例如相邻节点之间的距离、新节点的加入、某些用户节点处于不工作状态等。自适应调制技术的主要思想是根据传输信道的实际参数动态改变调制方式,使得任何时刻信道的容量都能达到最大,同时保证链路在恶劣环境下的可用性。用户节点可以采用不同的调制技术与不同的相邻节点通信,在同一条路径上根据其信道参数的变化来更改调制方式。另一个更复杂的问题是,即使某条路径上能达到最佳性能,并不意味着在整个网络范围内的总体性能最佳。可能需要从全网的角度考虑每条链路上的调制方式的选择。3.3 双工和多址接入技术TDD双工。相邻节点需要采用双工方式,由于非对称业务,采用TDD方式,通过动态调整同一帧内传输方向的边界。FDD适合对称业务。由于无线频谱资源有限,多个用户节点需要采用多址技术来共享同一频段。多址方式有FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA。分布式多址接入控制方法。在传统点到多点系统,多址接入控制MAC主要在中心节点实现,但在无线Mesh网中,不再存在中心节点,因此需要采用分布式的多址接入控制方法。3.4 QDMA技术QDMA(Quad Division Multiple Access)是频分多址、时分多址、码分多址、带有避免冲突的载波侦听多路存取协议的结合技术,提高了频谱利用率和抗干扰特性。QDMA使用直接序列扩频(DSSS)调制技术,使用了4个分离的、不重叠的信道,其中3个是数据信道,1个是控制信道。智能实时监测数据信道和控制信道的功能使QDMA可以智能地选定3个数据信道中任何一个最理想的信道传输数据。因此,当实时监测发现干扰时,QDMA能自动地屏蔽掉发生冲突的信道,选用其他无干扰的信道,有效地避免了干扰的发生。3.5 动态资源分配多址接入。相邻节点共享频段。全网频段分配。在无线Mesh网中,没有严格意义上的小区边界,每个频段使用的范围可以根据实际情况来划分,频率分配的主要目的是增加高密度用户区的系统容量。一种简单的方法是将Mesh网划分成多个分配区域。相隔较远的区域可以重复使用频段。功率控制是动态资源分配的另一个重要的方面,通过合适的功率控制,实现系统内用户节点之间的干扰最小化,同样能提高系统容量并减少各个节点上的能耗。3.6 无线交换技术交换方式的选择对整个网络的业务性能有很大的影响。承载的业务满足多业务QoS支持的要求,网络层一般使用分组交换。基于IP的分组交换,对实时业务的服务质量不能很好保证;ATM需要额外的带宽消耗和复杂的协议;及MPLS。另外,选择交换方式时还要考虑到无线Mesh网的特性,如链路的可靠性较差、节点的加入和退出、多跳对延时的影响等。3.7 无线路由算法 目前几种典型的路由协议有:目的序列距离矢量路由协议DSDV、动态源路由协议DSR、临时按序路由算法TORA和Ad hoc按需距离矢量路由协议AODV等。3.8 安全性用户鉴权和数据加密。如何识别新加入用户节点的身份并对空中传输的用户数据进行加密保证网的安全性。包括:网络管理。如何提供一个简单的界面对全网进行管理、配置、监控、计费等;干扰共存。在使用同一频段时,如何与其他系统,如点到多点固定宽带无线接入网、无线局域网等共存。