第9章 无线Mesh网络

WISP摸式的WMN解决方案
9.5.2 因特网延伸模式
❖ 无线(移动)因特网应用不仅包括那些移动性的 应用，还包括传统的有线因特网应用，这是 无线因特网加速发展的另一个推动因素。
❖ 结合了WMN技术的移动因特网可以提供高速、 大容量的业务处理，其覆盖范围之广，使移 动用户在位置不断变化的同时，不会感觉到 网络服务和性能的差异。
9.2 无线Mesh网络的结构
9.2.1无线Mesh网络结构的分类
❖ 1.平面网络结构 ❖ 2.多级网络结构 ❖ 3.混合网络结构
WMN平面结构
WMN分级结构
WMN混合结构
中国某城市超级城市WMN结构
9.2.2 802标准族对Mesh结构的支持
❖ 1．802.16对Mesh结构的支持
WiMAX基于Mesh的无线宽带接入结构图
第9章 无线Mesh网络
内容提要
9.1 概述 9.2 无线Mesh网络的结构 9.3 无线Mesh网络MAC协议 9.4 无线Mesh网络路由协议 9.5 无线Mesh网络的应用模式
9.1 概述
无线Mesh网络(WMN，Wireless Mesh Network，又称无线网状网、无线网格网等) 和无线传感器网络一样，也是一种应用性的 网络技术，仍然主要是以前面几章介绍的各 种网络技术为基础的，特别是和移动Ad Hoc 网络技术有着非常密切的联系。
❖ 从拓扑结构上看，WLAN是典型的点对多点(P2MP，Point to Multiple Points)网络，而且采取单跳方式，因而数据不可 转发。WMN可以通过WR对数据进行智能转发(需要对 WLAN传统的AP功能进行扩展和改进)
❖ 从协议上看，WMN与移动Ad Hoc网络基本类似。WLAN的 MAC协议完成的是本地业务的接入，而WMN则有两种可能， 一种是本地业务的接入，另一种是其他节点业务的转发。对 于路由协议，WLAN是静态的因特网路由协议十移动IP；但 WMN则主要是动态的按需发现的路由协议，只具有较短暂 的生命周期。
❖ 下一代无线网络在结构和技术上向Mesh结构 演进是必然趋势。
9.1.3 无线Mesh网络与其他无线网络的主要区别
❖ 1．无线Mesh网络与蜂窝网络的主要区别 (1)可靠性提高，自愈性强。 (2)传输速率大大提高。 (3)投资成本降低。 (4)网络配置和维护简便快捷。
2.无线Mesh网络与WLAN(Wi-Fi)的主要区别
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ZigBee协议结构
4．802.20对Mesh结构的支持
802.20即移动宽带无线接入(MBWA)工作组成 立于2002年12月，致力于为移动用户开发一个标准， 支持在36Hz频带可靠地进行高速无线数据传输。同 时，在室内、室外环境中支持WMN结构。
9.3 无线Mesh网络MAC协议
在MAC协议上，WMN承袭了IEEE 802.11标准 中的很多技术，特别是802.11s标准更是专门针对传 统的802.11 MAC协议扩展成为支持网状结构的新的 协议，另外802.16 MAC协议也已支持网状结构。 专门针对WMN设计的MAC协议，包括速率自适应 多跳网MAC协议、多信道WMN MAC协议等。
❖ 最新的专门适用于WMN的路由协议，包括多径源路 由(MSR)协议、多射频链路质量源路由(MR-LQSR) 协议、可预测的无线路由(PWRP)协议、单收发器 多信道路由(MCRP)协议等。
无线Mesh网络路由协议分类
❖ (1)多判据路由 ❖ (2)多信道路由 ❖ (3)多径路由 ❖ (4)分级路由 ❖ (5)跨层路由 ❖ (6)QoS路由 ❖ (7)基于地理位置信息的路由
❖ (2)802.15.2:主要目标是为802.15 WPAN发展推荐应用，此协议标准为 多种技术融入WMN提供了支持。
❖ (3)802.15.3:为消费类电子及通信设备提供短距离无线连接的高速WPAN 制定标准。子工作组802.15.3a进一步发展制定了基于多带OFDM联盟 (MBOA)的PHY层，使用超宽带(UWB)技术达到高达480Mb/s的峰值传输 速率,正是WMN所需的。
9.4 无线Mesh网络路由协议
❖ WMN是一种特殊的移动Ad Hoc网络，移动Ad Hoc 网络的很多路由协议可以作为WMN路由协议的基础。 例如，动态源路由(DSR)协议、基于目的序号距离 矢量(DSDV)协议、按需距离矢量(AODV)协议、基 于关联性的路由(ABR)协议和基于信号稳定性路由 (SSR)协议等。
(2)在WMN路由准则和选择算法等方面，目前提出的特别适 用于WMN的路由协议寥寥无几。
(3)在WMN连接性和多路支持方面，每个节点链路连接度也 是一个至关重要的问题，并非使用射频信道数越多，网 络性能越好，射频信道数增加会带来设备开销和成本上 升，同时可能会带来更多的干扰问题。
(4)在WMN带宽利用和资源分配算法方面，目前还没有提出 非常有效的可用算法和协议，相关问题还有待研究。
9.1.4 无线Mesh网络的主要优缺点
❖ 优点:
(1)可靠性大大增强。 (2)具有冲突保护机制。 (3)简化链路设计。 (4)网络的覆盖范围增大。 (5)组网灵活、维护方便。 (6)投资成本低、风险小。
❖ 缺点:
(1) 对于不同射频信道的WMN的研究还处于试验研制阶段， 性能改善总体来说还不太满意。
3.无线Mesh网络与移动Ad Hoc网的主要区别
(1) WMN由无线路由器构成的无线骨干网组成。该无线骨干网 提供了大范围的信号覆盖与节点连接。移动Ad Hoc网络的节 点都兼有独立路由和主机功能，节点地位平等，接通性是依 赖端节点的平等合作实现的，健壮性比WMN差。
(2)WMN节点移动性低于移动Ad Hoc网络中的节点，所以 WMN注重的是“无线”，而移动Ad Hoc网络更强调的是 “移动”。
(3)从网络结构来看，WMN多为静态或弱移动的拓扑，而移动 Ad Hoc网络多为随意移动(包括高速移动)的网络拓扑。
(4)WMN与移动Ad Hoc网络的业务模式不同，前者节点的主要 业务是来往于因特网的业务,后者节点的主要业务是任意一对 节点之间的业务流。
(5)从应用来看，WMN主要是因特网或宽带多媒体通信业务的 接入，而移动Ad Hoc网络主要用于军事或其他专业通信。
WMN接入因特网方案
9.5.3 行业应用模式
1．家庭应用 2．企业应用 3．学校应用 4．医院应用 5．旅游休闲场所应用 6．快速部署和临时安装的应用 7．军事应用
❖ 移动Ad Hoc网络和WMN技术的发展始终与一些成 熟的技术与标准(如WLAN、WiMAX)，从而构成大 规模的可伸缩性无线网络
❖ 下一代无线网络(或4G无线网络)不再是一种全新的 单一结构的网络技术，而是多种无线网络技术的融 合，是一种多级网络形态。
移动Ad Hoc网络的演进
分级移动Ad Hoc网络
传统基站方案的无线通信系统
WMN技术应运而生
为了能够实现无线通信中无处不在的通信 目标，需要基于移动Ad Hoc网络的技术基础， 开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳 网络技术，WMN技术就随着这一需求而出现。
WMN结构示意图
WMN与移动Ad Hoc网络、WLAN 和WBAN的关系示意图
9.1.2 移动Ad Hoc网络向无线Mesh网络的演进
9.1.1 无线Mesh网络的起源
❖ WMN的出现是应用需求直接推动的结果。 ❖ 传统的基于基站方案的无线通信系统是通过“最后一公里”
的无线接入，无法适应业务需求的增长 。 ❖ 蜂窝移动通信系统的出现，大大缓解了用户业务与系统资源
之间的矛盾。但只适用于人口稠密、有永久用户业务需求的 地区。 ❖ 移动Ad Hoc网络技术一直在悄悄地与蜂窝移动通信技术平行 发展；但在相当长的一段时期内并没有在民用通信领域得到 很好的应用。 ❖ 无线局域网有效延伸了因特网的覆盖范围，但是商业化进程 在很多地区并不成功。技术上也无法做到像蜂窝网络一样无 处不在的信号覆盖。
❖ (4)802.15.4:低数据速率、长电池寿命和低设备开销要求的遥测技术制定 的。ZigBee联盟正在制定运行在IEEE 802.15.4的MAC和PHY层以上的 高层协议它的网络层支持多种网络拓扑结构，如星形、簇形和Mesh。
❖
❖ (5)802.15.5:目前还在开发中，最终定位于WMN的MAC层，且不需要 ZigBee或IP路由支持。
基于WLAN的移动Ad Hoc网络
WiMAX作为Wi-Fi Mesh拓扑的回程
WiMAX作为Mesh拓扑内回程
WiMAX作为客户端的接入网
趋势
❖ 从移动Ad Hoc网络的发展历史及未来趋势可 见，无线网络的多跳连接将成为下一代无线 通信网络发展的必然趋势，可以为用户提供 真正的无处不在的连接(Ubiquitous Connection)。
2．802.11s对Mesh结构的支持
IEEE新成立了一个IEEE 802.11s子工作 组，制定标准化的扩展服务集(ESS)，即 802.11s专门为WMN定义了MAC和PHY层协 议。在这样的网络中，WLAN接入点可以像 路由器那样转发信息。
3．802.15系列对Mesh结构的支持
❖ (1)802.15.1:IEEE提出的第一个取代有线连接的WPAN技术标准，组网 方式灵活多样，且支持多跳，有力支持WMN结构。
9.5 无线Mesh网络的应用模式
❖ WISP模式
WISP即无线ISP，又可称为WLAN运营商。随着 802.11b成为工业标准，运营商已经采用WLAN 提供因特网的接入。WISP可以在公共场所(如机 场、酒店、咖啡馆、茶馆等地方)架设自己的基 站，提供无线上网的服务。用户使用移动终端设 备(笔记本电脑、商务手机或PDA)可以在无线覆 盖区域安全方便地获得高速因特网接入服务，速 率最高可达11~54Mb/s。