無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論文報告課題名稱 : 無線網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)學(xué)院:計算機科學(xué)與工程學(xué)院班級:網(wǎng)絡(luò)工程三班學(xué)號:21姓名:方明Interne(DG*中央網(wǎng)關(guān)S：源節(jié)點 fl：頻率1 f2：頻率2： G的原始覆蓋區(qū)域口擴展覆蓋區(qū)城:障礙物摘要：傳統(tǒng)的無線接入方式，如蜂窩網(wǎng)、無線局域網(wǎng) (WLAN面對日益增長 的高速無線因特網(wǎng)接入需求面臨許多挑戰(zhàn)，無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN作為因特網(wǎng)“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(wǎng)絡(luò) 融合的主要技術(shù)。針對這一極具發(fā)展前途的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本文主要從其結(jié)構(gòu)方面進 行分析研究。關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)狀網(wǎng)；路由；結(jié)構(gòu)一.引言：無線Mesh網(wǎng)(WM)又稱為無線

2、網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)，大約出現(xiàn)在20世紀90年代中期。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，除無線通信網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)需求外， 高 速因特網(wǎng)接入需求也日漸增加。傳統(tǒng)的無線接入方式面臨著接入帶寬不足、服務(wù) 質(zhì)量得不到滿足等問題，而且無線頻譜資源及拓撲結(jié)構(gòu)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，難以適應(yīng) 靈活多變的使用狀況。 WM提供了一條解決無線接入網(wǎng)所面臨問題的新途徑，它 可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，同時可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信 可靠性。無線網(wǎng)狀網(wǎng)是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無線接入技術(shù)。G： I'ikM 扎S： iffi VR;屮紳卄心lb圖1說明了一個多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)，其中只有中央網(wǎng)關(guān)G通過有線方式連接到 互聯(lián)網(wǎng)，

3、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(wǎng)關(guān) 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(wǎng)相連接的網(wǎng)關(guān)上獲取數(shù)據(jù)，也可 以將數(shù)據(jù)發(fā)送到該網(wǎng)關(guān)，進而與因特網(wǎng) 相連。無線網(wǎng)狀網(wǎng)和無線自組網(wǎng)的主要 區(qū)別在于數(shù)據(jù)傳送模式2，如圖2所 示。在WM中，通常存在一個中央網(wǎng)關(guān) 設(shè)備，大多數(shù)的數(shù)據(jù)不是發(fā)向該設(shè)備就 是從該設(shè)備接收數(shù)據(jù)，如圖2(a)所示 在自組織網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)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(wǎng)狀網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢可以概括為以下 5個方面；WM可以以最小的布線工程量在大規(guī)模區(qū)域內(nèi)進行快速部

4、署，以降低基礎(chǔ)設(shè)施和部署費用。WM技術(shù)可以彌補無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)覆蓋范圍。就短距離通信方式而言， WM可提高傳輸速率和能源效率。此外，兩條鏈路在較短距離內(nèi)可以復(fù)用相同頻率的信道。相對于無線網(wǎng)絡(luò)的多 徑效應(yīng)，WM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(wǎng)狀網(wǎng)可以繼續(xù) 通過其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。St源節(jié)點* *：故障路由6目的¥點:新路由B：故障肖點圖4展示了一個綜合的無線網(wǎng)狀網(wǎng)，其中包含（WiMAX技術(shù)、（WiFi）和（藍牙和Zigbee）技術(shù)、無線城域網(wǎng)（WMAN無線局域網(wǎng)（WLAN和無線個域網(wǎng)

5、（WPAN 然而，當覆蓋范圍增加，以服務(wù)更多的用戶，多跳網(wǎng)絡(luò)存在可擴展性的問題。這是因為在多跳 WM中，提高網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，以降低基礎(chǔ)設(shè)施的總成本。另一方 面，隨著跳數(shù)的增加，重復(fù)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(wǎng)絡(luò)的吞吐量急劇下降。因此，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題已成為設(shè)計一個可擴展的無線網(wǎng)狀網(wǎng)的重要而具有挑戰(zhàn)性的問題，其目標是要在不犧牲系統(tǒng)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 WMI的主要架構(gòu)，并簡要概述現(xiàn)有的 mesh網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，包括IEEE的和IEEE系

6、統(tǒng)。然后，我們討論從網(wǎng)絡(luò)部署的角度對 WM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 配置方案。在該 WM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In ternet。在每一個簇中，只有中央AP0通過有線方式連接 到互聯(lián)網(wǎng)。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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)狀網(wǎng)的部署結(jié)構(gòu)圖。其中，中央網(wǎng)關(guān)和靜態(tài) mesh形

7、成了一個多跳 WMN我們也研究了 WM中容量和覆蓋范圍的最優(yōu)平衡問題。 大多數(shù)傳統(tǒng)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)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(yīng)用在這個架構(gòu)適。因此，可以通過正確地 確定部署參數(shù)來保證網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。我們將應(yīng)用混合整數(shù)非線性規(guī)劃算法（MINLP來決定最優(yōu)配置參數(shù)，旨在最大限度地同時提高容量和覆蓋范圍。二無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的標準目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在世界范圍內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用，而技術(shù)標 準化是大規(guī)模應(yīng)用所必需的重要環(huán)節(jié)。目前，無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)標準散見于

8、、等標 準草案中。IEEE在大規(guī)模應(yīng) 用時遇到的一個難點是 系統(tǒng)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(nèi)。為了擴大 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通常 通過增加AP的辦法來實 現(xiàn)，但這種方法增加了 公眾網(wǎng)的建設(shè)成本。無 線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新 的組網(wǎng)技術(shù)為解決上述 問題提供了新的途徑。圖4骨干網(wǎng)附守朗結(jié)構(gòu)圖5客戶端陽兮前結(jié)構(gòu)任務(wù)組，主要研究 支持無線分布式系統(tǒng) （WDS的協(xié)議，為WM定 義媒體接入控制（MAC） 層和物理層協(xié)議，以實 現(xiàn)WLAr在多個AP之間 通過自配置多跳的方式 組網(wǎng)，提高WLAN勺覆蓋 范圍。WD毘網(wǎng)絡(luò)的一部 分，用來作中繼橋接的 功能，可以讓無線A

9、P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(shù) 的無線 AP 或無線路由器具有混合的無線局域網(wǎng)工作模式，可以支持點對點、點 對多點的數(shù)據(jù)傳輸。三、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與特點WM主要由兩類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成：Mesh路由器和Mesh客戶端。采用 WM作為 接入網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)。 這種MP2M的結(jié)構(gòu)，使得 WM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(wǎng)；自調(diào)節(jié)：節(jié)點之間擁有多條通信路徑，業(yè)務(wù)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；

10、自愈：當某一節(jié)點出現(xiàn)故障受損或一條鏈路出現(xiàn)擁塞，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)可以 選擇繞開相應(yīng)的節(jié)點或鏈路，網(wǎng)絡(luò)的可靠性增強；可擴展性：可以方便的添加或刪除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，降低系 統(tǒng)的建設(shè)和管理成本。因此，WM適合作為因特網(wǎng)“最后一公里”無線接入方案，在IEEE，以及等標準中已有體現(xiàn)，它將成為下一代 Wi-Fi和WiMAX勺重要組成部分。除此之外，當前存在著多種無線接入網(wǎng)絡(luò)，采用各種不同的無線傳輸技術(shù) 以及標準，提供各自適宜的應(yīng)用。例如蜂窩網(wǎng)適于語音通信業(yè)務(wù)， Wi-Fi 適于局 部區(qū)域的寬帶多媒體數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適于環(huán)境檢測中的數(shù)據(jù)采集 業(yè)務(wù)等等。未來的無線網(wǎng)絡(luò)將是各種網(wǎng)絡(luò)并存、各

11、種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，為用戶提供 隨時隨地的接入的泛在網(wǎng)絡(luò)。這是無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，也可能成為WM 一個新的應(yīng)用方向。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)主干由呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布的路由器連接而成。WMI有兩種典型的實現(xiàn)模式：基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式和終端用戶Mesh模式。在基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)，如 Wi-Fi、WiMA）和口傳感器網(wǎng)絡(luò)等互聯(lián)，提高網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。 終端設(shè)

12、備可以在沒有其他基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)。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(guān)的應(yīng)用程序；另一方面，節(jié)點作為路由器運行路由協(xié) 議，參與路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等操作。根據(jù) Mesh路由器和Mesh客戶端這兩種類 型節(jié)點功能的不同，WMI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為3類：一類是骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)（分 級結(jié)構(gòu)），一類是客戶端Mesh結(jié)構(gòu)（平面結(jié)構(gòu)），以及它們的混合結(jié)構(gòu)。1無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)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(wǎng)關(guān)功能與因特網(wǎng)相連，為客戶端提供接入服務(wù)。骨干

13、網(wǎng)Mesh 結(jié)構(gòu)如圖4所示。終端節(jié)點設(shè)備通過下層的 Mesh路由器（相當于各接入網(wǎng)絡(luò)中的 中心接入點）接入上層Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互聯(lián)互通。這樣，通 過網(wǎng)關(guān)節(jié)點，任何終端都可與其他網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)無線寬帶接入。這樣不僅 降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本，也提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和可靠性。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠兼容 市場上現(xiàn)有的設(shè)備，但任意兩個終端節(jié)點間不具備直接通信的功能。客戶端Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh客戶端組成，是在用戶設(shè)備間提供點到點服務(wù)的 WMN客戶端組成一個能提供路由和自配置功能的網(wǎng)絡(luò)，支持用戶的終端應(yīng)用， 其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。網(wǎng)絡(luò)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

14、相同的媒體訪問控制（MAC）路由、管理和安全等協(xié)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(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的路由器節(jié)點的功能。顯然，網(wǎng) 絡(luò)中的節(jié)點不能兼容現(xiàn)有的多種無線接入技術(shù)， 并且其單一的結(jié)構(gòu)決定其不適合 大規(guī)模組網(wǎng)。因此只適用于節(jié)點數(shù)目較少且不需要接入到核心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合。混合結(jié)構(gòu) WM如圖6所示,Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh 網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)提供了與其他網(wǎng)絡(luò)的互連功能，如因特網(wǎng)、WLAN WiMAX蜂窩和傳感器網(wǎng)絡(luò)。 同時，客戶端的路由能力增強了網(wǎng)絡(luò)的連通性， 擴大了覆蓋范圍。 這時的終端節(jié)點已不是現(xiàn)有的僅支持單一無線接入技術(shù)的設(shè)備， 而是增加了具有 轉(zhuǎn)發(fā)和路由功

15、能的 Mesh 設(shè)備，設(shè)備間可以直接通信。通常要求終端節(jié)點設(shè)備具 備同時支持接入上層網(wǎng)絡(luò) Mesh路由器和本層網(wǎng)絡(luò)對等節(jié)點的功能。在支持無線網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的標準中，采用了樹形多跳網(wǎng)狀網(wǎng)以及 Ad Hoc 方 式多跳網(wǎng)狀網(wǎng)兩種基本結(jié)構(gòu)，并定義了 Mesh節(jié)點（MP）、Mesh接入點（MAP）、傳統(tǒng) WLAN占點3種節(jié)點。在Ad Hoc方式多跳網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，沒有起集中控制作用的 中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng) 絡(luò)移動節(jié)點的功能，即節(jié)點可以是數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組，也可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié) 點的分組。節(jié)點間所形成的無線 P2P網(wǎng)絡(luò)，不需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。定

16、義了 兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：點對多點（PMP）和網(wǎng)狀網(wǎng)。通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆 蓋，結(jié)構(gòu)如圖7所示。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由稱為 Mesh基站（WiMAXS站）的中心節(jié)點控制。 中心節(jié)點可以與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外的回程設(shè)備建立起直接鏈路，作為連接到外網(wǎng)的接 口。2無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)特點-.網(wǎng)絡(luò)上層加I恥門蹟宙冏關(guān)l V jT1* M«h 粘由fS由瑋M巴缶，路由器F網(wǎng)沃.：皿宦塘宙甕-rf、V - t-.亠 1- Mesh跖由需96混合結(jié)構(gòu)W材NWMN既支持通過骨干網(wǎng)接入的方式，又支持無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是多跳與多點到多點結(jié)構(gòu)的融合，具有以下幾個重要特點5:(1) 多跳的結(jié)構(gòu)。在 不犧牲信道容量的情況 下，擴

17、展當前無線網(wǎng)絡(luò)的 覆蓋范圍是 WMN勺最重要 的目標之一。WM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(wǎng)絡(luò)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(fù)用效率。(2) 支持 Ad Hoc組 網(wǎng)方式，具備自形成、自 愈和自組織能力。WM靈活 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、便利的網(wǎng)絡(luò) 配置、較好的容錯能力和 網(wǎng)絡(luò)連通性，使得WMN大 大提升了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性 能。在較低的前期投資下， WMN可以根據(jù)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 不動的節(jié)點，也可以是移 動的

18、節(jié)點。(4) 支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式端到端的通信方式。此外， WM可與其他網(wǎng)絡(luò)集成，為這些網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供 服務(wù)。(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(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)兼容 ，并支持與 WiMA、XWi-Fi 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等的互操作。四、結(jié)束語WM作為一種融合了無線局域網(wǎng)和 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的新型無線寬帶接入網(wǎng) 絡(luò)，成為寬帶無線接入的一種有效手段，可以靈活地應(yīng)用于多種無線環(huán)境。因其 組網(wǎng)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(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建覆蓋范 圍廣的高速無線網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮這種構(gòu)架的性能優(yōu)勢和潛力，是需要深入研究和探討的。