无线网状网_WMN_体系结构研究

通过这种方式，在城市中进行网络的部署就变得容易得多，因为布线
工程量要少很多。其次，图6给出了针对广域覆盖区域的可扩展多信
道环状无线网状网的部署结构图。其中，中央网关和静态mesh形成了
一个多跳WMN。
我们也研究了WMN中容量和覆盖范围的最优平衡问题。大多数
传统的无线Байду номын сангаас状网由于无线信道的冲突特性使得用户的吞吐量无法保
图5 客户端Mesh结构
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图6 混合结构WMN
图7 WiMAX与Mesh结构的结合
中，实现网络节点的互联互通。这样，通过网关节点，任何终端都可 与其他网络连接，从而实现无线宽带接入。这样不仅降低了系统建设 的成本，也提高了网络的覆盖率和可靠性。该网络结构能够兼容市场 上现有的设备，但任意两个终端节点间不具备直接通信的功能。
Keywords: wireless Mesh network; routing; architectures
1. 引言
无线Mesh网（WMN）又称为无线网状网、无线网格网，大约出
现在20世纪90年代中期。随着移动通信技术的发展，除无线通信网络
的语音业务需求外，高速因特网接入需求也日渐增加。传统的无线接
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MP2MP的结构，使得WMN具有以下
优点：
自配置：节点之间通过开放的无线链路，形成单跳或多跳连接，
自动完成组网；
自调节：节点之间拥有多条通信路径，业务可以灵活的选择合适
的(例如最短路径、最少干扰，速率最快等)路径进行传输；
对密集城市覆盖和广域范围覆盖情形的可扩展WMN配置策略，见图
5和图6。首先，图5展示了针对密集城市覆盖的基于簇的WMN配置方
案。在该WMN中，几个相邻的接入点（AP）形成一个簇，并通过相
同的交换机
/路由器连接
到Internet。
在每一个簇
中，只有中
央AP0通过 有线方式连
图3 WMN的鲁棒性
接到互联网。其他的接入点AP通过无线链路相互建立起通信链路。
证，因而无法对覆盖范围进行有效的扩展。相比之下，图5和图6可以
对覆盖范围进行进一步的扩展，因为多信道的频率规划可以很容易地
应用在这个架构适。因此，可以通过正确地确定部署参数来保证网络
的吞吐量。我们将应用混合整数非线性规划算法（MINLP）来决定最
优配置参数，旨在最大限度地同时提高容量和覆盖范围。
2. 无线Mesh网络的标准
无线Mesh网络主干由呈网状结构分布的路由器连接而成。WMN 有两种典型的实现模式：基础设施Mesh模式和终端用户Mesh模式。 在基础设施Mesh模式中，Internet的接入点(IAP)和终端用户之间可形 成无线的闭合回路。IAP通过路由选择及管理控制等功能，为移动终 端选择通信的最佳路径。同时，移动终端通过IAP可与其他网络，如 Wi-Fi、WiMAX和传感器网络等互联，提高网络自身的兼容性。在终 端用户Mesh模式中，终端用户以无线方式形成点到点的网络。终端设 备可以在没有其他基础设施的条件下独立运行，并且可以支持移动终 端较高速地移动，快速形成宽带网络。终端用户具有主机和路由器的 双重角色：一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面， 节点作为路由器运行路由协议，参与路由发现、路由维护等操作。根 据Mesh路由器和Mesh客户端这两种类型节点功能的不同，WMN的系 统结构可以分为3类：一类是骨干网Mesh结构(分级结构)，一类是客 户端Mesh结构(平面结构)，以及它们的混合结构。
目前，无线Mesh网络技术正在世界范围内得到越来越多的应
用，而技术标准化是大规模应用所必需的重要环节。目前，无线Mesh
网络标准散见于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等标准草案中。
IEEE 802.11在大规模应用时遇到的一个难点是系统的覆盖能力有
限，WLAN受发射功率的限制，覆盖范围一般在100m范围内。为了
扩大网络的覆盖范围，通常通过增加AP的办法来实现，但这种方法
增加了公众网的建设成本。无线Mesh网络作为一种新的组网技术为解
决上述问题提供了新的途径。
IEEE802.11s任务组，主要研究支持无线分布式系统(WDS)的
协议，为WMN定义媒体接入控制(MAC)层和物理层协议，以实现
WLAN在多个AP之间通过自配置多跳的方式组网，提高WLAN的覆
盖范围。WDS是802.11网络的一部分，用来作中继桥接的功能，可以
让无线AP之间通过无线进行桥接(中继)，同时不影响其无线AP覆盖的
功能。支持WDS技术的无线AP或无线路由器具有混合的无线局域网
工作模式，可以支持点对点、点对多点的数据传输。
3. 无线Mesh网络结构与特点
WMN主要由两类网络节点组成：Mesh路由器和Mesh客户端。采
图1说明了一个多跳无线网状网，其中只有中央网关G通过有线
方式连接到互联网，而其他的节点（如节点S）则是通过多跳方式访
问到中央网关G。WMN中的每个节点不仅是一个客户端也是一个中
继器，也就是说，它既可以从与因特网相连接的网关上获取数据，也
可以将数据发送到该网关，进而与因特网相连。无线网状网和无线自
组网的主要区别在于数据传送模式[2]，如图2所示。在WMN中，通常
Abstract: With the increasing popularity and rising demand for high-rate wireless Internet access, traditional wireless access networks such as the cellular network and Wireless Local Area Network (WLAN) are facing some challenges. The Wireless Mesh Network (WMN) is emerging as a flexible and low-cost alternative to provide multi-hop communications, supporting applications such as last-mile Internet delivery. WMN has also become a promising technique in the merging of wireless networks. Some key technologies about the network management in WMN, including network configuration, power control, mobility management, access control and routing protocol are analyzed; the routing protocol design in WMN and mobile Ad hoc network are compared.
在本文中，我们首先讨论WMN的主要架构，并简要概述现有的
图2 无线网状网和无线自组网的比较
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mesh网络技术，包括IEEE的802.11s和IEEE 802.16系统。然后，我们
讨论从网络部署的角度对WMN的可扩展性问题。我们介绍了两种针
除此之外，当前存在着多种无线接入网络，采用各种不同的无 线传输技术以及标准，提供各自适宜的应用。例如蜂窝网适于语音通 信业务，Wi-Fi适于局部区域的宽带多媒体数据接入业务，无线传感 器网络适于环境检测中的数据采集业务等等。未来的无线网络将是各 种网络并存、各种异构网络融合，为用户提供随时随地的接入的泛在 网络。这是无线网络的发展方向，也可能成为WMN一个新的应用方 向。
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无线网状网（WMN）体系结构研究
陈雅 马杰 成都市公安局高新公安分局网监大队，四川 成都 610041 张新元 韩辉鹏 四川国腾通讯股份有限公司，四川 成都 611731
摘要：传统的无线接入方式，如蜂窝网、无线局域网(WLAN)面对日益增长的高速无线因特网接入需求面临许多挑战，无线网状网(WMN)作 为因特网“最后一公里”接入方案，提供一种灵活而低成本的多跳通信，也将成为各种无线网络融合的主要技术。针对这一极具发展前途的网络 结构，本文主要从其结构方面进行分析研究。
存在一个中央网
关设备，大多数
的数据不是发向
该设备就是从该
设备接收数据，
如图2(a)所示。
在自组织
网络中，数据流
量可以在任意节
点之间的进行传
输，比如在节点
S1和D1之间，如
图2(b)所示。总
体来说，无线网
状网的技术优势
可以概括为以下
图1 多跳无线网状网概念图
5个方面； WMN可以以最小的布线工程量在大规模区域内进行快速部署，
图4展示了一个综合的无线网状网，其中包含802.16（WiMAX） 技术、802.11（WiFi）和802.15（蓝牙和Zigbee）技术、无线城域网 （WMAN）、无线局域网（WLAN）和无线个域网（WPAN）。
然而，当覆盖范围增加，以服务更多的用户，多跳网络存在可扩 展性的问题。这是因为在多跳WMN中，提高网络的吞吐量和覆盖范 围是两个互相矛盾的目标。一方面，多跳通信可以延伸网络的覆盖范 围，以降低基础设施的总成本。另一方面，随着跳数的增加，重复中 继传输将极大地消耗无线资源。因而，由于用户的增加，使得碰撞的 概率大大增加，网络的吞吐量急剧下降。因此，网络的覆盖问题已成 为设计一个可扩展的无线网状网的重要而具有挑战性的问题，其目标 是要在不牺牲系统的整体吞吐量的条件下尽可能地扩大其覆盖范围。
自愈：当某一节点出现故障受损或一条链路出现拥塞，网络中的
业务可以选择绕开相应的节点或链路，网络的可靠性增强；
可扩展性：可以方便的添加或删除网络节点，调整网络覆盖范
围，降低系统的建设和管理成本。
因此，WMN适合作为因特网“最后一公里”无线接入方案，在
IEEE 802.11s，802.15以及802.16等标准中已有体现，它将成为下一代 Wi-Fi和WiMAX的重要组成部分。
3.1 无线Mesh网络结构 骨干网Mesh结构由Mesh路由器组成的可以自配置、自愈的链路 来充当，通过Mesh路由器的网关功能与因特网相连，为客户端提供接 入服务。骨干网Mesh结构如图4所示。终端节点设备通过下层的Mesh 路由器(相当于各接入网络中的中心接入点)接入上层Mesh结构的网络
图4 骨干网Mesh结构
关键词：无线网状网；路由；结构 中图法分类号：TN929.5 文献标识码： A 文章编号：1003-9767(2009)09-0051-03
Architectures for Wireless Mesh Networks
ChenYa MaJie Public Security Bureau Public Security Bureau, Chengdu Hi-Tech Network monitoring unit 610041 ZhangXinYuan HanHuiPeng Guoteng Sichuan Telecom Company Limited611731
以降低基础设施和部署费用。 WMN技术可以弥补无线网络的阴影衰落和路径损耗等所带来的
信号问题，以进一步扩大无线网络的业务覆盖范围。 就短距离通信方式而言，WMN可提高传输速率和能源效率。此
外，两条链路在较短距离内可以复用相同频率的信道。 相对于无线网络的多径效应，WMN一个引人注目的特点是其鲁
棒性。如果某些节点失效（如图3所示的节点B），网状网可以继续通 过其他节点转发数据。
入方式面临着接入带宽不足、服务质量得不到满足等问题，而且无线
频谱资源及拓扑结构缺乏统一规划，难以适应灵活多变的使用状况。
WMN提供了一条解决无线接入网所面临问题的新途径，它可以大大
增加无线系统的覆盖范围，同时可以提高无线系统的带宽容量以及通
信可靠性。无线网状网是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。