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第10页图23Mesh网络混合结构图采用WMN作为接入网络

  第10页图23Mesh网络混合结构图采用WMN作为接入网络时 Mesh客户端通过相邻的其他节点 以无线多跳的方式接入到因特网。这种多点到多点的结构 使得WMN具有以下优点 高可靠性WMN采用的网格拓扑结构不是点对多点的星型结构 从而避免了蜂窝网和802 11WLAN容易出现的类似中心网络拥塞、业务汇

  第10页图23Mesh网络混合结构图采用WMN作为接入网络时 Mesh客户端通过相邻的其他节点 以无线多跳的方式接入到因特网。这种多点到多点的结构 使得WMN具有以下优点 高可靠性WMN采用的网格拓扑结构不是点对多点的星型结构 从而避免了蜂窝网和802 11WLAN容易出现的类似中心网络拥塞、业务汇聚过多、干扰、单点故障等问题。 自配置性无线节点之间通过开放无线链路 形成单跳或多跳连接 能够自动组网 完成拓扑 自调节性无线节点之间拥有多条通信路径 业务可以机动地选择合适的 例如路径最短、干扰最少、速率最快等 路径进行传输 自愈合性当某一无线节点出现故障或某一条链路出现拥塞时 网络中的通信业务可以选择绕开出现问题的节点或链路 网络的可靠性得到增强 可扩展性可以方便地添加或删除无线节点 调整网络覆盖范围 从而降低网络的建设、管理和维护成本。可见 无线▪…□▷▪▲□◁▷•网状网 WMN 与传统无线网络 WLAN、ADhoc等 相比具备许多优势。WMN既是WLAN的延伸 同时又可以作为3G的补充 有效地解决了接入网的瓶颈问题 因此很适合作为因特网“最后一公里”的无线接入方案。在研究标准方面 WMN已经出现在IEEE802 11s 802 15以及802 16等多个标准中 随着市场应用需求的加大 WMN必将成为下一代Wi Fi和第11页WiMAX的重要组成部分。2 22 22 22 2无线网状网的关键技术无线网状网的关键技术无线网状网的关键技术无线年代以来个人计算机的广泛应用 因特网的兴起和蓬勃发展 促进了社会各行业的信息化发展和进步 也使人们的相互交流和信息资源的获取变得极其方便和容易。但是 就网络建设尤其是有线网络的铺设来说 不可能随意对已有的城市建设布局和建筑物进行更改和重建 这就给因特网的覆盖和应用带来了许多困难。在这种情况下 无线通信和无线覆盖的优势就充分体现出来了。近年来 各科研机构和信息技术企业开始重视无线网络技术 无线覆盖的有效和方便性使得其成为目前重要的因特网接入手段。例如IEEE802 11系△▪▲□△列标准和产品 就是无线接入的典型代表。但是问◆◁•题也随之而来 各城市、各地区的有线的因特网接入点和网络连接位置各有不同 这就给想要通过无线连接实现全区域覆盖带来了难题。图2 4单一无线是给定地区的传统的单一接入点的无线覆盖图。在实际的许多网络环境如校园网或园区网中的某个较大区域可能只有一个无线网关 WGW 接入因第12页特网。单一覆盖最大的问题就是无线网关和用户终端的发射功率比较大 而在无线移动频段使用中往往是不行的或是做不到的。另外 对IP网络来说 数据传输要求速率高、质量好、差错率低 要★△◁◁▽▼满足这些要求同样需要足够的接收信号功率。信号发射功率与需要覆盖的范围是成正比的。如图2 4中所描述的 假设用户终端1到无线到无线能够稳定接收的发射信号功率分别为P1和P4。假设L4 4L1 而无线信号传播衰落因子a 那么P4 4aP1 256P1。也就是说 要达到能够覆盖边缘地方 普通个人终端的发射信号功率要增大250多倍 这显然是不可能实现的。再假设无线网关使用的无线移动频段的带宽为W 每个用户终端的传送数据需要带宽w 则单一覆盖整个区域同时支持的最大用户数为 w。由于没有对给定频段进行复用这样就造成支持的用户能力不高和终端数少。由此可见 发射信号功率和支持用户数这两者之间的相互制约是这种单一无线IP接入点进行区域覆盖的重要缺陷。那么 有什么办法来解决这个问题呢 其中一种解决方案如图2 5所示。具体方法如下 利用具有路由功能的邻近终端来进行中继接力 再经过多跳后接入到无线网关实现因特网接入。用户终端只需要较小的信号发射功率 位于边缘或远端都能接入无线网关。这就是无线传感器 AdHoc 网络 是由这种形成微小功率区域覆盖的解决方案构成的。但是存在一个问题 用户终端间中继接力通信必须需要增加额外的开销 否则就不能进行中继接力。体现在如果终端移动 路由选择和网络拓扑就不能固定的情况下对具有路由功能的终端依赖较大。不过 优势也十分明显 那就是AdHoc网络通过终端的中继接力来实现区域覆盖并接入因特网而不需要增添另外的无线路由器。这在一些特定环境如终端不太移动、位置分布比较随机的无线传感器网络中广泛使用。第13页图2 5多个终端接力覆盖的网络还有一种解决方案如图2 6所示。原理是 把大的无线覆盖区域划分成若干个小区域 各小区设立一个无线路由器 WR 。用户终端根据就近原则选择接入相应的WR WR有两种选择 可以通过邻近WR中继接力后接到GW 也可以直接接到网关 GW 从而实现整个大区域的因特网接入。每个无线网关都以这样一种方式引入多个WR进行区域覆盖 那么多个无线网关所覆盖区域的就构成一种新型无线网络 就是无线Mesh网络 也可以定义为 由成网状分布的多个无线路由器协同工作 对任意区域进行无线多个无线页无线Mesh网络的基本小区是如图2 6所示 由一个无线网关下的多个无线路由器覆盖构成。Mesh路由器和用户终端的最大发射信号功率依然是小功率P1 而区域内的无线移动频段同时支持的最大多用户数为 其中A代表Mesh路由器的数量 从公式可以看出 路由器越多 能同时接纳的用户数就越多。这样 无线Mesh网络既解决了小功率下大量用户终端正常使用因特网应用的问题 也解决了由于无线IP接入点少引起接入因特网不方便的问题。尽管作为因特网接入无线网关的位置和数量会受到地理环境的影响 需要与因特网有线连接的位置固定。但网状的网络布局 使无线路由器和用户终端可以根据位置情况、传播特○▲-•■□性、终端用户分布等综合因素进行灵活设定 数量和距▼▼▽●▽●离也可灵活掌握。通常WR与GW之间的无线通信采用与不同于终端用户的无线无线Mesh基本技术实际上无线Mesh网络就是在具备传统无线网关和无线用户终端的基础上 增加了无线路由器。这个关键点的加入也就使得如图2 7所示的单纯的无线接入网络结构演变成了如图2 8所示的无线单纯的无线接入网络结构无线Mesh网增加的无▲=○▼线路由器与无线IP接入点 WGW 间以及各无线路由器间都通过无线连接交叉形成网状 并由此衍生出其特有的一些基本技术和处理方法。第15页图2 8无线无线Mesh传输技术一般研究的是三类无线Mesh传输技术一是用户终端与无线路由器 WR 的传输 二是无线路由器与无线网关 WGW 之间的传输 三是无线路由器彼此之间的传输。其中 用户终端与无线路由器的传输能接入不同的无线空中接口 支持用户终端所有的无线技术和标准。无线路由器与无线网关之间的传输和无线路由器彼此之间的传▷•●输都必须事先定义外加确认。因为传输技术的采用与用户终端支持什么样的技术标准 支持什么样的系统方式没有直接关系 所以可以采用已经存在的成熟的技术。无线路由器位置固定 起到基站的作用 支持多用户 支持高速传输数据 覆盖密集 尽量避免干扰 而且具有选中多种路由的功能。所以 对于物理层 关心的是智能定向天线技术、低临界发射功率控制技术和高效可控调制编码技术。 智能定向天◇=△▲线G特别是TDSCDMA中得到广泛应用。智能定向天线技术具有多个输入多个输出的特点 通过信号功率集中指定方向传输的形成波束的技术。智能定向天线所示 控制天线振子的相位 使其组合形成n个不同方向 然后以低功率进行定向发射 这样到达目的接收点的信号功率反而最强 并且对其他邻近节点的影响最小 从而实现网络密集覆盖的低功率应用。如果某些场合不能直接利用智能天线 我们可采用对个输入多个输出的技术来提高功率效率。第16页图2 9无线Mesh路由器的智能天线 低临界发射功率控制技术用于提高信号功率和效率。控制功率使发射功率尽量小能最大程度地减小对邻近无线路由器的干扰。在无线Mesh网络中就通过无线接入 密集覆盖办法降低信号功率。 高效可控调制编码技术是无线通信的重要指标和要求。为了实现高传输速度 高调制效率和高编码效率可以在高速通信时可以采用信道估计补偿技术 正交频分复用技术、正交幅度调制技术或Turbo编解码技术等。2 4媒体访问控制技术无线Mesh网络与一般的无线通信网络一样可采用时分多址、频分多址、码分多址和空分多址等作为媒体访问控制层接入的多信道技术。在实际应用中 有时应用这些多址技术的部分 有时全部综合应用 这样就能形成彼此独立并且互不串扰的多信道接入技术。无线Mesh网络互不干扰的独立传输信道比传统的无线通信信道多 这是因为无线路由器通过定点和定向传输技术 能充分利用智能天线 实现空分多址。针对多址接入技术 无线Mesh网络的MAC层设计与传统的无线网络一样 都与AP密切相关。我们已经知道 因为无线Mesh网络不是单跳系统而是多跳系统 所以MAC设计需要进行支持多跳。首要问题是就近选择接入的Mesh路由器。就近选择的原因是无线Mesh网络是一种自组织网络 其网络路由连接和用户终端接入状况的拓扑结构随着地理位置、通信环境、用户移动和WR布局等条件动态变化的。图2 10 描述了一种Mesh拓扑结构用户终端经过3次的跳第17页转接力接入无线 MAC过程结束。图 描述的Mesh拓扑连接与a不同在同样位置 选择同样的Mesh路由器的终端 却跳转接力4次才接入无线 MAC过程结束。当然 如果选择其他的Mesh路◁☆●•○△由器 可能在1跳或2跳后就接入无线。可以看出 接入选择Mesh路由器是动态的。IEEE802 11的多信道MAC技术协议 在MAC技术基础上引入多信道协同子层 完成了MAC层与网络层的通信 这样网络性能得到了加强。图2 10 5555无线网关的路由技术无线Mesh网络中最重要的技术之一就是无限网关的多跳路由技术研究该路由技术和协议 有如下几个原则 路由稳定协议设计也有如下几个原则第一 路由选择不能只依靠“最小跳数” 需要综合考虑多种指标 第二 路由协议需满足容错性和健壮性的要求 换言之 如果无线链路失效后可以迅速选择其他链路去替代 第三 利用流量技术 使多条路径间的流量负载均衡 这样就能更好的利第18页用系统资源 第四 能支持多钟不同的路由器和用户终端的应用。无线Mesh路由协议可用 临时按序路由算法、目的序列距离矢量路由协议和AdHoc按需距离矢量路▽•●◆由协议等 。其中动态源路由协议应用非常广泛 它是对等的基于拓扑结构的反应式自组织路由协议 路由的创建是通过缓存和从源路径中提取拓扑相关信•□▼◁▼息进行比对 。我们知道Mesh路由器是静止的 理论上是不会消耗功率 路由器位置不会改变 路由拓扑结★▽…◇构同样不会改变。这样 就可将现行的AdHoc路由◇•■★▼协议简化 这样方便、简单★◇▽▼•而且有效。不过需要注意的是 移动用户终端找寻就近接入点和接入路由所需的协议类似AdHoc。另一个需▲●…△要解决的问题是 必须公平的进行接入 这样▲★-●不管是用户终端接入网络的概率还是数据传输速率和通信质量才能基本相同。图2 11给出了公平的进行接入的方式。如果Mesh路由器转接基本能力相差不大 并行接入方式也就是如图 的比较好。每个无线路由器各自支持接入的用户终端各用户享受的支持是差不多等概的 这样连接到因特网数据速率才能最大。如果采用串行接入方式也就图 的方式如果网络的Mesh路由器相同 公平和最大速率就是相矛盾的。如图 用户终端通过WR1和WR2接入WGW中 传输速率▪•★为C2 WR1如果有其他用户进行接入 WR1能提供出来的速率为C1 C2 假设WR支持能力极限是D 公平接入为 D2 D1 可见只有WR1达到支持能力的极限值 但直接连接的用户只实现部分接入能力并未全部实现。当然 如果WR1接入能力比WR2接入能力大比较多的适合 这种接入方式才能有效的进行公平接入。考虑公平接入 能够得到最大的☆△◆▲■信道容量和信息传输率 充分发挥网◇…=▲络中Mesh路由器的能力。第19页图2 11公平性的基本路由选择方式2 6无线Mesh路由器配置技术常用的WMN网络设备有因特网接入点 WGW 和无线Mesh路由器。如果事先给定覆盖区域 或者事先给定了WR布局的密度和数目 那只需研究放置位置。绝大多数适合 事先能确定因特网接入点的位置 那就只需考虑Mesh路由器的配置了。如何配置Mesh路由器 方法和路由选择一样 有并行和串行两种方式。串行方法如图2 12所示。串行方法能使网络能力最大 方法是在串行配置下进行多跳链路 路由 12多跳串行时分接入如果使用串行配置Mesh路由器的在不同的位置接入能力随之不同 不同的调制方式和不同的覆盖区域的大小能进行相互转化 如果传输速率高 覆盖

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