計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信論文

無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)摘要：無線網(wǎng)格式網(wǎng)絡(luò)(WirelessMeshNetwork)是移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài)，它的早期研究均源于移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)。它是一種高容量高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)，不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，可以看成是一種WLAN和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的融合，且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，作為一種可以解決最后一公里”瓶頸問題的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。本文詳細(xì)介紹了無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的概述、研究歷史與現(xiàn)狀、研究成果及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類、關(guān)鍵技術(shù)、未來發(fā)展趨勢、存在問題、個(gè)人學(xué)習(xí)的體會(huì)。關(guān)鍵字：無線網(wǎng)格網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類；關(guān)鍵技術(shù)；存在問題WirelessmeshnetworkAbstract：wirelessnetworkisaspecialformofmobileHocAdnetwork,whichisbasedontheresearchanddevelopmentofmobileHocAdnetwork.Itisakindofdistributednetworkwithhighcapacityandhighspeed,differentfromthetraditionalwirelessnetwork,itcanberegardedasakindofWLANandHocAdnetwork,whichhastheadvantagesofboth,asanewtypeofnetworkstructurewhichcansolvetheproblemof"lastmile"bottleneck.Thispaperintroducestheoverviewofwirelessmeshnetwork,researchhistoryandcurrentsituation,researchresultsandapplication,networkstructureclassification,keytechnology,futuredevelopmenttrend,existingproblemsandpersonallearningexperienee.KeywordiWirelessmeshnetwork;Networkstructureclassification;keytechnology；existingproblems目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章前言 4\o"CurrentDocument"第2章無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的背景與研究現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"2.1、 無線網(wǎng)格網(wǎng)的概念 4\o"CurrentDocument"2.2、 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀分析 52.2.1、 物理層 52.2.2、 媒體訪問控制層（MAC）協(xié)議 52.2.3、 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議 52.2.4、 傳輸層協(xié)議 52.2.5、 應(yīng)用層協(xié)議 5\o"CurrentDocument"2.3、 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的研究成果及應(yīng)用 6\o"CurrentDocument"第3章無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)與結(jié)構(gòu)分類 6\o"CurrentDocument"3.1、無線網(wǎng)格網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù) 63.1.1、 正交分割多址接入（QDMA）技術(shù) 63.1.2、 隱藏終端問題處理技術(shù) 63.1.3、 功率控制技術(shù) 73.1.4、 路由技術(shù) 7\o"CurrentDocument"3.2、無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 73.2.1、 客戶Mesh網(wǎng)絡(luò)（平面結(jié)構(gòu)） 73.2.2、 骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)（多級結(jié)構(gòu)） 73.2.3、 混合Mesh網(wǎng)絡(luò)（混合網(wǎng)絡(luò)） 8\o"CurrentDocument"第4章無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢和不足 9\o"CurrentDocument"4.1、 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展趨勢 9\o"CurrentDocument"4.2、 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的存在問題 94.2.1、 通信延遲 94.2.2、 安全性 94.2.3、 互操縱性 9\o"CurrentDocument"第5章個(gè)人心得體會(huì) 10\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 10第1章前言隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，與此同時(shí)，用戶對帶寬和傳輸?shù)目煽啃砸笤絹碓礁?，傳統(tǒng)的基于星型的“點(diǎn)到點(diǎn)”或“點(diǎn)到多點(diǎn)”的單跳無線技術(shù)表現(xiàn)出通信距離短、要求直視、存在盲區(qū)以及鏈路帶寬隨著距離增加而降低等固有的局限性。于是，人們提出了一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)格網(wǎng)（WMN）,它克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的不足。無線網(wǎng)格網(wǎng)（WMN）是一種新型的無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，它融合了無線局域網(wǎng)（WirelessLAN,WLAN）和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網(wǎng)絡(luò)，成為寬帶接入的一種有效手段。第2章無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的背景與研究現(xiàn)狀2.1、無線網(wǎng)格網(wǎng)的概念網(wǎng)格式網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)對點(diǎn)，或?qū)Φ赛c(diǎn)對對等點(diǎn)的系統(tǒng)，也就是一個(gè)由具有重復(fù)接/發(fā)功能的節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能接收/傳送數(shù)據(jù)，也和路由器一樣，將數(shù)據(jù)傳給它的鄰接點(diǎn)。通過中繼處理，數(shù)據(jù)包用可靠的通信鏈路，貫穿中間的各節(jié)點(diǎn)，抵達(dá)指定目標(biāo)。今天的網(wǎng)格式無線局域網(wǎng)主要使用基于802.11a/b/g的標(biāo)準(zhǔn)以及802.15.4的Zigbee射頻技術(shù)。網(wǎng)格的使用可以幫助各企業(yè)迅速地建立起新的無線網(wǎng)，或在不需要線連基站的條件下，擴(kuò)展現(xiàn)有的WLANs。因?yàn)樗鼈兛梢詾閿?shù)據(jù)傳輸選擇最佳的路徑。此外，工業(yè)用戶還能用嵌入的無線網(wǎng)格，迅速建立起傳感器和控制器的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行工業(yè)管理和運(yùn)輸管理。無線網(wǎng)格是一個(gè)新興的領(lǐng)域，它將改變當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)世界的現(xiàn)狀，同時(shí)能夠?yàn)閮|萬人民提供新的機(jī)遇，不僅對于軟件企業(yè)有意義，跟終端用戶更是有著密切的關(guān)系。社區(qū)網(wǎng)是一種無線網(wǎng)格，可以被看作是無線網(wǎng)格的一部分。社區(qū)網(wǎng)與無線網(wǎng)格有許多共同的問題，也有它的特殊點(diǎn)。2.2、無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀分析2004年1月，IEEE802.ilWorkingGroup正式專門成立了網(wǎng)格研究組(MeshStudyGroup)，同年3月又成立了網(wǎng)格任務(wù)組(MeshTaskGroup)，標(biāo)志著WMN技術(shù)正式邁上了廣泛標(biāo)準(zhǔn)化道路。另外，其他標(biāo)準(zhǔn)如802.15.3a、802.15.4和專用短程通信(DedicatedShortRangeCommunications,DSRC)也開始探索如何通過網(wǎng)格嵌入式設(shè)備來改進(jìn)其現(xiàn)有技術(shù)，IEEE802.16已經(jīng)將網(wǎng)格技術(shù)納入其MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中。2.2.1、 物理層WMN中物理層開放性問題包括發(fā)展新無線電來提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，例如UWB物理層。新無線電技術(shù)的發(fā)展能提供高物理層容量，在干擾嚴(yán)重的情況下也能工作，并具有靈活應(yīng)用無限頻譜的能力。2.2.2、 媒體訪問控制層(MAC)協(xié)議主要是解決隱藏終端和提高接入能力等問題，如MACA協(xié)議、控制信道和數(shù)據(jù)信道分裂的雙信道方案和基于定向天線的MAC協(xié)議等。無線mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議尚有待研究的問題有:可擴(kuò)展MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)、MAC物理層跨層設(shè)計(jì)以及MAC層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合等。2.2.3、 網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層，路由方面最重要的是設(shè)計(jì)新的路由判據(jù)以獲得高吞吐量和可擴(kuò)展性。有待解決的問題包括:路由協(xié)議的可擴(kuò)展性、更好的性能判據(jù)、路由MAC跨層設(shè)計(jì)以及高效的mesh路由等。2.2.4、 傳輸層協(xié)議傳輸層中最大難題是WMN中的傳輸協(xié)議的性能。在WMN的傳輸層，TCP的吞吐量很小，為了提高WMN的TCP性能，需要能夠提高吞吐量的方法。因此需要采取類似于外部連接失效通知之類的機(jī)制。2.2.5、 應(yīng)用層協(xié)議WMN中最普遍的應(yīng)用是Internet接入服務(wù)，WMN需要支持站點(diǎn)對Internet的訪問和WMN內(nèi)站點(diǎn)之間的通信。2.3、無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的研究成果及應(yīng)用無線網(wǎng)格網(wǎng)的應(yīng)用范圍很廣，總體上來說，它可以用于以下場合。傳感器網(wǎng)絡(luò)：對于很多應(yīng)用場合來說傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù)，并且傳感器的發(fā)射功率很小。商業(yè)應(yīng)用：組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，開展移動(dòng)和可攜帶計(jì)算以及無所不在的通信業(yè)務(wù)等。旅游休閑場所：Mesh非常適合于在那些地理位置偏遠(yuǎn)布線困難或經(jīng)濟(jì)上不合算，而又需要為用戶提供寬帶無線Internet訪問的地方，Mesh能夠以最低的成本為這些場所提供寬帶服務(wù)。需要臨時(shí)安裝場所：對于那些需要快速部署或臨時(shí)安裝的地方，如展覽會(huì)、交易會(huì)、災(zāi)難救援等，Mesh網(wǎng)絡(luò)無疑是最經(jīng)濟(jì)有效的組網(wǎng)方法。使用Mesh技術(shù)來組網(wǎng)可以將成本降到最低。其它領(lǐng)域應(yīng)用：考慮到無線網(wǎng)格網(wǎng)具有很多優(yōu)良特性，它的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多。比如可以用來擴(kuò)展現(xiàn)有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍，實(shí)現(xiàn)地鐵和隧道等場合的無線覆蓋，實(shí)現(xiàn)汽車和飛機(jī)等交通工具之間的通信等。第3章無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)與結(jié)構(gòu)分類3.1、 無線網(wǎng)格網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)3.1.1、 正交分割多址接入(QDMA)技術(shù)正交分割多址接入技術(shù)(QuadratureDivisionMultipleAccess,QDMA)是為實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)通信的最優(yōu)化及移動(dòng)網(wǎng)格網(wǎng)設(shè)計(jì)的，該技術(shù)源于軍事應(yīng)用，目的是在特殊環(huán)境或緊急狀況下能夠提供安全可靠的通信方式。該技術(shù)融合了FDMA、TDMA、CDMA技術(shù)，提高了頻譜的利用率和抗干擾特性，正交分割多址接入技術(shù)使用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)在通信過程中發(fā)現(xiàn)有干擾信號時(shí)，通過該技術(shù)可以自動(dòng)屏蔽發(fā)生沖突的信道，從而選擇沒有干擾信號的信道，很大程度上避免了干擾情況。3.1.2、 隱藏終端問題處理技術(shù)由于無線網(wǎng)格網(wǎng)采用無線傳輸媒質(zhì)，因此它與其他無線傳輸網(wǎng)一樣，不可避免地存在隱藏終端和暴露終端問題。由于無線媒質(zhì)的特殊性，隱藏終端問題都可能發(fā)生，都會(huì)導(dǎo)致信號碰撞的發(fā)生。目前可通過IEEE802.il中的RTSCTS協(xié)議（請求發(fā)送允許發(fā)送協(xié)議）來避免，但并不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。無線網(wǎng)格網(wǎng)可看作簡化的AdHoc網(wǎng)絡(luò)，因此可根據(jù)AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的一些已有的成熟的方案來解決隱藏終端和暴露終端問題。3.1.3、 功率控制技術(shù)功率控制技術(shù)可以為MAC層的數(shù)據(jù)包發(fā)送帶來多個(gè)功率級別選擇使用，系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及用戶的需求來選擇適合的功率進(jìn)行工作，這樣做的好處是一方面能夠合理的降低與平衡節(jié)點(diǎn)的能耗，讓網(wǎng)絡(luò)的工作以及生存時(shí)間得以延長；另一方面還能夠減少節(jié)點(diǎn)之間的互相干擾，從而提高信道空間復(fù)用度以及全網(wǎng)的吞吐率。3.1.4、 路由技術(shù)無線網(wǎng)格網(wǎng)的多跳無線網(wǎng)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，因此對它的路由協(xié)議就存在很多要求。無線網(wǎng)格網(wǎng)的路由協(xié)議可以參考AdHoc網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的一些路由協(xié)議。AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議大致可以分為先驗(yàn)式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議以及混合式路由協(xié)議。目前幾種典型的路由算法有：DSDV（目的序列距離矢量路由協(xié)議）、DSR（動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議）、TORA（臨時(shí)按序路由算法）和AODV（AdHoc按需距離矢量路由協(xié)議）。3.2、無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)3.2.1、客戶Mesh網(wǎng)絡(luò)（平面結(jié)構(gòu)）提供用戶點(diǎn)到點(diǎn)通信功能。不需要MeshRouter，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，類似于AdHoc網(wǎng)絡(luò)。3.2.2、骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)（多級結(jié)構(gòu)）

由WirelessMeshRouter組成骨干網(wǎng)絡(luò)，用戶節(jié)點(diǎn)通過AccessPoint接入骨干網(wǎng)，骨干網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)的連接及AccessPonit與MeshRouter的連接可以通過無線或有線的方式。3.2.3、混合3.2.3、混合Mesh網(wǎng)絡(luò)（混合網(wǎng)絡(luò)）骨干mesh網(wǎng)絡(luò)和客戶mesh網(wǎng)絡(luò)的綜合，Meshrouter提供與其他網(wǎng)絡(luò)的連接，用戶節(jié)點(diǎn)的routing功能為mesh網(wǎng)絡(luò)提供更好的連通和覆蓋。Mesh^ll!^?- .畸糾上h討汕辭I」.桝\Mesh^ll!^?- .畸糾上h討汕辭I」.桝\…-丄心仏……mmMX一一匚冷比?；?.. ?wri、第4章無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢和不足4.1、 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展趨勢從移動(dòng)AdHoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史及未來趨勢可見，無線網(wǎng)絡(luò)的多跳連接將成為下一個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，可以為用戶提供真正的無處不在的連接(UbiquitousConnection)。下一代無線網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上向Mesh結(jié)構(gòu)演進(jìn)是必然趨勢，WMN最顯著的特點(diǎn)就是可以在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速通信。它融合了WLAN和AdHoc網(wǎng)絡(luò)，不論在業(yè)務(wù)需求上、商務(wù)應(yīng)用上還是技術(shù)支撐上都是充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，因而具有極其廣闊的反戰(zhàn)前景。WMN有著非常廣的應(yīng)用環(huán)境，如軍事基地?zé)o線數(shù)據(jù)網(wǎng)，校園高速無線接入覆蓋，家園娛樂和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，特殊行業(yè)無線企業(yè)網(wǎng)。電信業(yè)擴(kuò)大無線增值業(yè)務(wù)覆蓋，交通行業(yè)的高速無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，為公共服務(wù)和安全行業(yè)及執(zhí)法機(jī)構(gòu)等提供客戶即時(shí)信息、數(shù)據(jù)庫訪問及移動(dòng)辦公業(yè)務(wù)?？傊?，WMN有著非常大的市場潛力，應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。4.2、 無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)的存在問題4.2.1、 通信延遲在Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，每一跳至少都會(huì)帶來一些延遲，隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，跳接越多，積累的總延遲就會(huì)越大。一些對通信延遲要求高的應(yīng)用，如話音或流媒體應(yīng)用等，可能面臨無法接受的延遲過長的問題。4.2.2、 安全性與WLAN的單跳機(jī)制相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳機(jī)制決定了用戶通信要經(jīng)過更多的節(jié)點(diǎn)。而數(shù)據(jù)通信經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)越多，安全問題就越變得不容忽視。Internet本身即是使用Mesh方式進(jìn)行通信的典型，它的安全隱患是眾所周知的。4.2.3、 互操縱性目前影響無線Mesh技術(shù)迅速普及的一個(gè)重要障礙就是互操作性。正如任何一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)剛出現(xiàn)時(shí)一樣，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在還