无线Mesh网络关键技术分析

题目：无线Mesh网络关键技术分析
姓名：
学院：信息科学与技术学院
系：通信工程系
专业：
年级：2011级
学号：
2012年6月30日
无线Mesh网络关键技术分析
摘要
随着计算机和通信技术的发展，无线广域网、无线城域网、无线局域网、卫星通信网、蓝牙网络等多种无线网络系统正逐步代替传统有线网络成为互联网接入的最后一跳。

而作为“最后一公里”的无线Mesh网络正在备受科学家和工程师的关注。

无线Mesh网络又称为无线网状网或无线网格网，它融合了WLAN和AdHoc网络的优势，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络[1]。

无线Mesh 网络技术已经成为下一代无线网络下不可或缺的技术，它是依赖于已有的基础设施布置大规模无线网络的重要解决方案，它使局域网可以快速、简单的扩展到一个广域网中。

在家庭宽带网、企业网、域域网、楼宇自动化以及智能交通系统中都有广泛的应用前景并成为下一代无线网络的研究热点。

关键词：无线Mesh网络多信道跨层接入
1.无线Mesh网络概况
1.1 无线Mesh网络概念
无线Mesh网络（简称WMN、无线网状网、无线多条网或无线网格网）是一种多跳、具有自组织和自愈等特点的新型宽带无线网络，也是一种高容量、高速率的分布式网络。

无线Mesh网络不同于传统的无线网络，它可以看成是WLAN （单跳）和移动AdHoc网络（多跳）的融合，且发挥了两者的优势。

无线Mesh 网络作为可以解决“最后一公里”网络接入瓶颈问题的方案，已被写入了IEEE802.16(WiMax)无线宽带接入网络标准中，目前也纳入IEEEE 802.15Mesh[1]。

从技术特点来看，WMN将成为未来无线域域网（WMAN）中核心网的理想组网方式，它也是迄今为止唯一一种建设商用移动AdHoc网络的可行技术。

传统的无线网络必须首先访问集中的接入点才能进行无线连接。

这样，即使两个802.11b的节点互相都在彼此的通信范围内，它们也必须通过接入点才能进行通信。

而“Mesh”这个词原来的意思就是指全联通，即所有的节点都互相连接，所以在无线Mesh网络中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

Mesh网络技术原是一项军方技术，随着人们对IEEEE 802.11a/b和802.11g等WLAN技术的了解的深入，无线Mesh网络才逐步成为企业界和消费
者瞩目的焦点。

1.2 无线Mesh网络的框架
传统的无线接入技术中，主要采用的是点对点的拓扑结构。

例如移动AdHoc 网络和IEEE 802.11无线局域网就分别是点对点的网状网络和点到点的星形网络的代表。

在这种拓扑结构中一般都寻在一个中心节点，例如移动系统中的基站、IEEE 802.11无线局域网中的AP等。

中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路连接，以此来控制无线终端对无线网络的访问；另一方面中心节点又通过有线链路与有线骨干网络相连，提供到骨干网的连接[2]。

实际上，无线Mesh网络吸收了星型与网状两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合。

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的网络拓扑结构。

在这种网络结构中，各个网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳的方式相连。

无线Mesh网络由两种节点组成：Mesh路由器和Mesh客户端的。

除了有与普通无线网关、路由器一样的路由器能力之外，无线Mesh路由器还有另外的支持Mesh网络的路由功能。

为了进一步提供Mesh网络的灵活性，Mesh路由器通常配有多个使用相同或者不同无线访问技术的无线接口。

与传统无线路由器相比，无线Mesh路由器通过多跳通信系统以更低的传输能量达到相同的覆盖范围。

根据节点的功能可以将无线Mesh网络的结构主要分为三类
1.2.1 骨干WMN
骨干WMN由Mesh路由器为连接到它们上的客户端形成一个基础结构。

除了最常用的IEEE 802.11技术外，WMN的基础结构、骨干可以通过各种不同的无线电技术。

Mesh路由器在它们自己之间形成一个自组织、自愈合的Mesh网络。

Mesh路由器可以通过网关功能与Internet相连。

这种方法也叫做Infrastructure meshing，为传统客户端提供骨干网并使WMN通过Mesh路由器的网关、网桥功能与现有的无线网络的融合成可能。

有以太网接口的传统客户端可以通过以太网链路与Mesh路由器连接。

对于那些与Mesh路由器使用相同无线电技术的传统客户端，它们可以直接与Mesh路由器通信。

如果它们使用不同的无线电技术，客户端必须通过与Mesh路由器有以太网连接的基站进行通信。

基础结构、骨干WMN是最常用的类型。

例如社区和邻居网络就可以用这种
类型：Mesh路由器放在社区的房顶上，作为房间里和路上的用户的访问点。

一般来说，路由器上使用两种无线电技术，分别对应骨干通信和用户通信。

Mesh 骨干通信可以通过使用定向天线在内的远距离通信技术。

1.2.2 客户端WMN
Client meshing 提供了客户端设备之间的对等网络。

在这种构架类型下，客户端节点构成了实际的网络以完成利用和配置功能。

同时为客户提供终端用户应用。

因此在这种网络中不需要Mesh路由器。

在客户端WMN中，发向网内节点的数据包通过多个节点转发到目的地。

客户端WMN通常使用一种无线电技术设备。

此外，与基础结构WMN相比，对终端用户设备要求增加了，因为在客户端WMN中终端用户设备必须有路由和自动配置等额外的功能。

1.2.3 混合WMN
这个结构是Infrastructure meshing和Client meshing的结合。

Mesh客户端与其他Mesh客户端进行直接Mesh通信的同时，可以通过Mesh路由器访问网络。

而基础结构提供了与其他网络（如Internet、Wi-Fi、WiMAX、蜂窝网、传感器网络等）的互联[2]；客户端的路由能力在WMN中提供了更好的连通性和更大的覆盖范围。

混合架构将是最有应用前景的方案。

1.3无线Mesh网络的特点
无线Mesh网络实在Ad-hoc网络的基础上发展起来的，它继承了Ad-hoc的优点，又有它自身的特点。

⑴具有Ad-hoc网络的特点
由于传统WLAN在大面积开放区域显得力不从心。

无线Mesh网络在诞生之初的没变就是能够在不牺牲网络运行效率的情况下扩展现有无线网络的覆盖范围。

为了能够实现这个目标，无可避免的采用了多跳Mesh网络。

在多跳Mesh 网络构架中，无线链路间的距离更短、发射功率更小、节点间的干扰更少和重用效率更高，这样不仅能够提供大面积的无线区域覆盖和真正的平滑漫游能力，更能提升网络的系统容量，提高网络的运行效率。

无线Mesh也具有Ad-hoc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的那个特点，使得无线Mesh网络的初始部署成本低，并且可以根据需要来逐步扩容。

自组织和自愈能力使得无线Mesh网络不需要网络管
理员进行网络的配置，而是自动发现新节点，自动完成网络配置过程，自动维护网络正常运行，在出现节点或者链路故障时也可以自动调整完成网络自愈。

⑵与Ad-hoc网络的不同之处
①无线Mesh路由器通过无线连接组成网络骨干，实现大范围的覆盖和连
接。

而Ad-hoc网络中，用户节点直接连接组网，可靠性不太高。

②无线Mesh网络支持与Mesh路由器网络使用相同射频技术的传统节点。

因为Mesh路由器具有主机路由功能。

无线Mesh网络还能与现有的各种
网络兼容，如前面所述，这样，一个网络中的用户通过无线分层结构可
以获得其他网络的服务，这是一个很有前景的应用。

③在Ad-hoc网中所有节点都具有移动性和功率控制要求，而在无线Mesh
网络中，路由器的移动性和功率控制要求低，另外，现有路由协议认为
MAC协议时透明的，然而在无线Mesh网络中，需要考虑层间协作以提
高路由性能。

另外，无线Mesh网络和Ad-hoc网络在功率控制和移动性
要求方面也略有不同。

④在Ad-hoc网中，所有节点可以为其他节点提供路由功能，但是无线Mesh
网络中，Mesh路由器专门实现这些功能，这样用户节点的负担就会大幅
度减轻，就可以降低这些节点的功率开销，增加其待机时间。

另外也降
低了对用户节点的功能要求和价格[3]。

⑤Mesh路由器可以使用多电台和多网卡的技术，以便增强路由和接入功能，
这样可以有效分离无线网络中的两种流量（路由器的上行链路和下行链
路）。

用户可以以不同的电台接入，有效改善了网络的流量。

而在Ad-hoc
网络中，路由等接入等功能都是在相同的信道内心境，限制了网络性能。

⑥移动性方面，Ad-hoc网络用户节点实现用户功能，网络和互联都依赖于
中的终端节点的一大，增加了路由和配置实现的难度。

根据上面这些结合Ad-hoc不同的特点，可以总数无线Mesh网络具有以下自身的优点：
①无线Mesh网络具有多跳性和大容量，它最大的作用就是在不牺牲现有
无线网络的频率资源的同时扩大它们的覆盖范围。

多跳还可以充分实现
频率再用，提高频谱利用率，借此提高网络的容量。

②Mesh路由器具有较小的移动性，便于供电，这样在设计物理层、MAC
层和路由层协议时，不需要过于考虑路由器的功率问题。

③无线Mesh简化了网络的维护与升级，每个节点都可以有多条可选路由，
因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行，方便了网络
的维护。

2.基于多信道的无线Mesh网络
2.1无线Mesh网络中的多信道MAC协议
近几年来，在多信道MAC协议上有很多研究成果，主要有以下几种：按控制信道分为有专用控制信道的多信道MAC协议和无专用控制信道MAC协议：按节点拥有的网络接口数分为多接口多信道MAC协议和单接口多信道MAC协议。

2.1 .1 DCA协议
动态信道分配（DCA，Dynamic Channel Assignment）是具有专用的控制信道、2个网络接口的多信道MAC协议[4]。

在MAC协议中，假定有一个控制信道，N 个数据信道，每个信道具有相同的带宽。

控制信道用来解决数据信道上的冲突和每个节点分配数据信道的问题：数据信道用来传输数据分组和确认分组。

每个节点有两个半双工的收发器，即控制收发器和数据收发器：控制收发器在控制信道上与其他节点交换控制信息，获得接入数据信道的权力；数据收发器动态地切换到分配好的数据信道上传输数据分组和确认分组。

每个节点维护两个数据结构：CUL和FCL。

CUL（Channel Usage List）称为信道使用列表。

表中的每个条目CUL[i]保存着邻居节点什么时候使用信道的信息。

CUL[i]有三个域：CUL[i].host是它的邻居节点号、CUL[i].ch是CUL[i].host所使用的信道、CUL[i].rel_time是CUL[i].host信道CUL[i].ch的释放的时间。

每个节点分布式地保存CUL表，实时更新。

但由于网络延时，记录的信息可能不精确；FCL（Free Channel List）为空闲信道列表，它表示一组空闲的数据信道，是依据CUL动态计算出来的。

DCA的主要思想如图2.1所示。

若节点A要与B进行通信，A发送RTS到B，RTS携带了A的FCL。

B收到RTS后，将RTS与它自己的CUL对比，找到一个可用的数据信道，然后回复CTS。

A收到B的CTS后，发送一个RES（Reservation）分组，以防止邻居节点使用此信道。

同样，B用CTS控制它的邻节点使用此信道。

所以这些数据交互都是通过控制信道来传送的。

最后，数据分组将在选择的数据信道上发送。

由于网络中所有节点都在侦听控制信道，素以可以再控制信道发送广播分组。

图2.1 DCA的通信过程
2.1.2 MMAC协议
MMAC（Multi-channel MAC）主要是为了配置了一个网络接口的节点而设计。

网络中的节点一次只能侦听一个信道，为了使用多信道，节点的网络接口不得不在可用信道之间动态切换，着就需要一种协调机制，保证通信的两个节点都工作在相同的信道上。

MMAC协议利用了802.11节能机制的同步功能，时间轴被划分为信标间隔（Beacon Interval），在每一个信标间隔的开始，有一个称之为“ATIM(Ad Hoc Traffic Indication Message)Window”的时间窗口，该时间窗口的起始时刻，网络中的所有节点都被强制切换到相同的信道上。

在ATIM窗口内，有数据需要发送的节点使用控制消息和接收端协商信道。

信道协商过程如图2.2所示，在这个场景整合，4个节点构成链状拓扑，按照A-B-C-D顺序排列。

节点A有分组要发送到节点B，节点D有分组要发送给节点C。

当一个新的信标间隔开始，所有节点都切换到信道1，进去到ATIM窗口，A等待一个随机时延（避免冲突）后向B发送ATIM分组，ATIM分组中包含了A的PCL（Preferable Channel List），这个表中记录了结点邻域内信道的使用情况。

当结点B收到ATIM分组后，根据A的PCL和自己的PCL 选择信道。

在发送端和接收端通信范围内，被较少结点使用的信道将被优先选取[4]。

假设结点B选择了信道1，然后，结点B向结点A回复ATIM-ACK分组，分组中包含了选择的信道，结点A向结点B发送ATIM-RES确认这次协商。

根据ATIM-ACK和ATIM-RES分组，结点A和结点B的邻居也就知道了结点A和结点B
将使用信
道1通信，并更新自己的PCL，以便于将来根据这些信息为自己选择信道。

当ATIM 窗口结束，各结点切换到选择的信道上，在信标间隔余下的时间内进行通信。

另外，MMAC可以在ATIM窗口期间广播消息，支持本地广播功能。

图2.2 MMAC信道协商和数据交互过程
PCL中将信道分为三种状态：高优先级表示在当前信标间隔，此信道已经被该结点选用。

每个信标间隔内，一个结点最多只能有一个信道处于高优先级状态。

中优先级表示此信道还没有被传输范围内的结点选用。

低优先级表示此信道至少已经被一个邻居结点所选用。

每个信标间隔的开始，PCL中的信道被复位到中优先级状态。

如果发送结点和接收结点协商好某个信道，那么，这两个结点就将该信道置为高优先级状态。

如果一个结点侦听到ATIM-ACK或ATIM-RES分组，并24且该分组中指定的信道处于中等优先级，就将该信道置为低优先级，与其关联的计数器设置为1。

如果分组中指定的信道处于高优先级，则不改变状态。

如果分组中指定的信道已经处于低优先级，则与其关联的计数器增加1。

MMAC的信道分配算法是要选择业务负载小的信道，目的是尽可能地平衡信道负载，减小竞争和退避所浪费的带宽。

接收结点根据发送结点的PCL和本地的PCL作如下选择：
1)如果接收结点的PCL中有高优先级状态的信道，则选择此信道。

2)否则，如果发送结点的PCL中有高优先级的信道，则选择此信道。

3)否则，如果存在一个信道，在发送结点和接收结点的PCL中都是中等优
先级状态，则选择此信道。

如果有多个这样的信道，就任意选择一个。

4)否则，如果存在一个信道，仅在接收结点或发送结点的PCL中是中等优
先级状态，则选择此信道。

如果有多个这样的信道，就任意选择一个。

5)则，如果所有信道都是低优先级状态，将接收结点的PCL 和发送结点的PCL 中的计数器相加，选择值最小的信道。

2.1.3 SSCH 协议
SSCH 是一个基于时隙的分布式单接口多信道协议，工作在链路层，负责协调各结点的信道切换，不需要专门的控制信道，它可以在802.11无线网卡上用软件 实现[6]。

SSCH 协议主要包括以下步骤：
1)生成结点信道跳变图案（Channel Hopping Schedule ），调度分组到相应的信道。

2)每个时隙的开始，将当前的信道跳变图案广播给邻居结点。

3)有数据要传输时，发送结点改变自己的信道跳变图，以匹配发送结点的跳变图。

在SSCH 中，时间轴被划分成时隙，连续多个时隙组成一帧，所有帧的第i 个时隙形成第i 个虚拟信道。

每个虚拟信道用二元组（channel ,seed ）表示，用符 号记为(),i i x a ,i x 表示当前的信道号，i a 表示信道跳变因子，信道跳变的规则为：
()+mod i i i x x a N ←
其中N 等于可用信道数。

逻辑分割（logical partition ）是指在通信范围内的两个结点不存在信道重叠的时隙而不能够通信。

SSCH 引入奇偶时隙（parity slot ）来解决可能出现的逻辑分离，在奇偶时隙，结点使用信道1=parity x a ，奇偶时隙出现在每次循环的结尾，一次循环定义为当每一个虚拟信道都遍历了所有可用信道[6]。

图2.3是使用2个虚拟信道，3个可用信道时，两个结点可能的信道跳变图案。

SSCH 的以下数学性质保证25意两个结点总存在某个时隙使用相同信道的情况：1.两个结点有相同的i x 和i a ，那么这两个结点总是同步的。

2. 两个结点有相同的i a ，但i x 不同，那么这两个结点仅在奇偶时隙使用相同的信道。

3. 两个结点使用不同的i a ，要求可用信道数N 是质数，由质数理论可知，每次循环，总有一个时隙会使用相同的信道。

相邻两个结点可以在相同信道时隙通信或交换状态信息，保证了网络的连通 性。

如果只在一个时隙里发送广播分组，那么，此时处于其它信道上的结点不能 接收到该分组，为了支持广播，SSCH 将广播分组在连续的几个时隙里重复发送， 保证大部分结点都能收到广播分组。

SSCH协议的另一个重要特性是同步跳变，当结点A准备向结点B发送大量数据时，结点A将某个虚拟信道的信道跳变图案匹配到结点B的相应虚拟信道的信道跳变图案上，也即，结点A和B在某个虚拟信道上使用相同的信道跳变图案，这样，结点A和B就能一直在该虚拟信道上进行通信。

同步跳变可能会使得网络中的结点都收敛到相同的跳变图案上，加剧了分组冲突，SSCH采用了去同步机制，如果在某个虚拟信道上，使用相同跳变图案的结点数大于某个特定值，则为该虚拟信道随机生成一个新的跳变图案。

SSCH协议的另一个重要特性是同步跳变，当结点A准备向结点B发送大量数据时，结点A将某个虚拟信道的信道跳变图案匹配到结点B的相应虚拟信道的信道跳变图案上，也即，结点A 和B在某个虚拟信道上使用相同的信道跳变图案，这样，结点A和B就能一直在该虚拟信道上进行通信。

同步跳变可能会使得网络中的结点都收敛到相同的跳变图案上，加剧了分组冲突，SSCH采用了去同步机制，如果在某个虚拟信道上，使用相同跳变图案的结点数大于某个特定值，则为该虚拟信道随机生成一个新的跳变图案[6]。

图 2.3SSCH信道跳变图
2.2 多信道无线Mesh网络中的信道分配
多信道MAC协议设计是无线Mesh网络中的关键技术之一．如何更准确、更快的传输路由信息，更好地保证网络的连通性，是衡量MAC协议优劣的重要指标。

因此，在设计MAC协议的同时，需要综合考虑各个方面的因素，也只有这样才能够设计出适合用户应用的多信道MAC协议。

在多信道无线Mesh网络中，由于网络
中存在多个可用信道，如何进行合理的资源分配，让资源得到最佳的利用可以统一抽象为信道分配问题，该问题也是MAC协议设计的重点和难点所在。

一个无线．Mesh网络模型可以用一个无向图D=(N,L)来表示，其中,图的顶点
N表示无线网络的节点集合，亦即无线射频单位；图的边集上表示网络链路的集合。

信道分配问题，最简单的方法就是给每个节点的网络接口卡分配相同的信道集合，例如接口卡1分配1号信道，接口卡2分配2号信道，以此类推。

这种分配方式可能能够获得吞吐率的提升，但是在实际情况中，每个节点配置的网络接口卡数目是受限的，这种方式不能很好的利用网络中的可用信道，造成信道的浪费。

2.2.1 组划分信道分配方案
我们可以将信道分配分成如下两个阶段进行：邻居节点和网络接口卡的绑定，信道和网络接口卡的绑定。

在给邻居节点分配网络接口卡时，将每个节点的所有邻居节点进行组划分，然后每个组进行网络接口卡的统一指定；每个组分配的网络接口卡则选择节点冲突邻域内使用次数最少的信道进行指定。

很显然，这种分配方式如果需要获得统一的信道分配方案，需要指明邻域的组划分方法，因为组划分方法的不同会直接导致分配方案的不同。

但对于一般的网络，在实际应用中我们可以直接采用随机技术进行组划分，这样也会有比较好的效果。

2.2.2 分布式信道分配方案
冲突图(conflict graph)的概念是很直观的。

它是一个无向图G=(V，E).其中，图的顶点集V表示网络中链路的集合；图的边集E表示两个链路是否相互干扰，如果互相干扰，那么两个顶点之间有边相连。

链路之间是否相互干扰主要通过前面所述的协议模型进行判定，例如链路两头的任何一个节点如果在其他链路节点集合的干扰范围内，这两条链路就是相互干扰的，那么这两个链路在冲突图中就会有边相连，表示它们若同时进行通信会互相冲突。

图2.4 链路冲突图
上图很好的阐述了冲突图的概念。

在上图左所描述的网络拓扑图中，假设节点的传输半径和干扰半径相同，那么节点1和节点2进行数据传输，则节点2和节点3，节点2和节点6，节点3和节点4之间如果进行数据传输都会受到干扰。

所以在上图右边的冲突图中，节点1和节点2之间的链路12l 和23l 、26l 、34l 之间都有边直接相连。

在链路冲突图中，处于极大团中的点表示全都互相冲突的链路。

如果网络中只有单个信道，那么在极大团中只能有一条链路进行数据传输。

所以在冲突图中，每个极大团可以看作是一个独立的信道资源竞争区域。

在不同极大团内的链路可以同时进行数据传输而不互相干扰。

在假设发送半径和干扰半径相同的情况下，上一节中的网络拓扑图形成的链路冲突图有三个极大团，分别为1q ，2q 和3q 。

在每个极大团中，所有的链路都
是相互干扰的。

即在极大团1q 中的链路12l 和23l 、
26l 、34l 不能同时进行数据传输，否则将会发生冲突。

但处在不同极大团之间的链路是可以同时传输不发生干扰的，例如极大团1q 中的链12l 、26l 和极大团2q 中的链路45l 、47l 就可以同时进行无冲突的数据传输。

还有一种情况就是类似如23l 和34l 这种链路它们虽然也同时处于不同的极大团1q 和2q 中，但它们也同时都在团1q 和2q 中，所以它们之间进行数据传输是会互相冲突的。

由于在链路冲突图中，处于各个不同极大团之间的链路可以同时无干扰的传输数据，我们可以把链路冲突图中的每个极大团看作一个独立的单元进行信道分配。

而在每个极大团中，用以负载为度量标准的贪心算法来进行信道分配。

极大团的分布式构造方法采用极大团作为信道分配的独立单位，首先就需要求出链路冲突图中的所有最大团，然后在每个团中独立的进行信道分配。

但是现在已有的求极大团的算法都是集中式的，不能够直接在我们的信道分配方案中应用。

如果我们合理利用冲突图的性质，即只有彼此相邻的两条无线链路在冲突图中才有边相连，就能够简化极大团的构造。

我们可以利用链路冲突图性质的分布式极大团构造方法。

在该方法中，网络拓扑图被分为多个互相不重叠的子图，而依据每个子图类的局部拓扑信息就可以完成极大团的构造。