第08次课-移动计算技术--无线Mesh网

移动计算技术——无线Mesh网专题：综述授课教师：赵蕴龙Email：[e-mail]摘要1无线Mesh网络简介2无线Mesh网络关键技术3无线Mesh网络的应用领域4无线Mesh网络典型应用范例5相关标准1无线Mesh网络简介如今，下一代无线通信技术（例如，第四代移动蜂窝技术(4G),IEEE802.11n等）的目标是将数据的传输速率提高到1Gbps。由于无线Mesh网络具有高覆盖面和消耗低传输能量的特性，使得它在大范围区域内的无线宽带接入技术中占据着重要的地位。1.1无线Mesh网络的起源无线Mesh网络(WMN，WirelessMeshNetwork，又称无线网状网、无线网格网等)这个名词出现的时间并不长，大约在20世界90年代中期以后，而真正引起人们特别关注只是在近两年。一般认为，移动Adhoc网络由于其应用环境和技术成本等原因，不适合直接应用到民用通信领域，在通信网络中，最大的民用通信业务应该是包括VoIP业务在内的因特网业务。而民用通信用户的移动性行为远低于军事通信用户，所以为了能够实现无线通信中无处不在的(Ubiquitous)通信目标，我们需要在基于移动Adhoc网络的技术基础上开发出一种完全适用于民用通信的无线多跳网络技术，于是WMN技术就随着这一需求而出现了。2000年初，业界的几个重要事件引起了人们的特别关注，其中之一是美国ITT公司将其为美国军方研发的战术移动通信系统的一些专利技术转让给了MeshNetworks公司，该公司借此开发了一系列具有自主知识产权的无线多跳网络民用产品——WMN全套技术产品，并在市场上获得了极大的成功。与此同时，诺基亚、北电网络、Tropos、SkyPilot、RadiantNetworks和Firetide等多家公司开发的WMN产品相继问世。从此，WMN进入了飞速发展时期，同时也给移动Adhoc网络本身的发展注入了新的活力。其间，摩托罗拉公司极为看好MeshNetwork公司的发展，于2005年成功将其收于麾下。1.2无线Mesh网络的定义无线Mesh网络是一种分布式网络，它从移动Adhoc网络分离出来，并承袭了部分WLAN技术的新型网络技术。严格的说，无线Mesh网络是一种新型的宽带无线网络结构，一种高容量、高速率的分布式网络，它与传统的无线网络有较大的差别。在网络拓扑结构上，无线Mesh网络与移动Adhoc网络相似，但网络大多数节点基本静态不移动，不用电池作为动力，拓扑变化较小；在单跳接入上，无线Mesh网络可以看成是一种特殊的WLAN。由于具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本，因此，无线Mesh网络被称为廉价的“lastmile”宽带接入方案。此外，无线Mesh网络作为未来无线城域网核心网最理想的方式之一，极有可能挑战3G技术，是构建B3G/4G的潜在技术之一，也是迄今为止一种建立大规模移动计算环境的可行性技术1.3与移动Adhoc网络的主要区别第一，虽然无线Mesh网络与移动Adhoc网络都是点对点(P2P,PointtoPoint)的自组织的多跳网络，但从根本上说，无线Mesh网络由无线路由器构成的无线骨干网组成。该骨干网提供了大范围的信号覆盖与节点连接。然而移动Adhoc网络的节点都兼有独立路由和主机功能，节点地位平等，连通性是依赖端节点的平等合作实现的，健壮性比无线Mesh网络差。第二，无线Mesh网络中节点移动性低于移动Adhoc网络中的节点，所以无线Mesh网络注重的是“无线”，而移动Adhoc网络更强调的是“移动”。第三，从网络结构来看，无线Mesh网络多为静态或弱移动的拓扑，而移动Adhoc网络多为随意移动(包括高速移动)的网络拓扑。第四，无线Mesh网络与移动Adhoc网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于Internet的业务；对于后者，节点的主要业务是任意一对节点间的业务流。第五，从应用来看，无线Mesh网络主要是Internet或宽带多媒体通信业务的接入，而移动Adhoc网络主要用于军事或其他专业通信。1.4无线Mesh网络的体系结构1.4.1无线Mesh网络的组成无线Mesh网络中各站点间通过多跳无线连接形成网状拓扑，按站点的功能可分为Mesh路由器、Mesh终端和Mesh网关三类。Mesh路由器(MeshRouter)是具有路由功能的Mesh站点。它具有一个或多个无线收发器，构成无线Mesh网络的骨干层网络，负责终端的接入和数据的转发。Mesh终端(MeshClient)是用户直接使用的设备，通过Mesh路由器访问Internet。某些Mesh终端也具有路由功能，在特殊情况下能够为其他不能直接接入无线Mesh网络的终端用户提供路由转发。Mesh终端设备具有多样性，可以是普通PC、笔记本电脑、PDA、IP电话等等。Mesh网关(MeshGateway)是无线Mesh网络与有线网络的连接点，提供路由和网关功能。无线Mesh网络中可以有多个网关，数据流可以选择通过最合适的网关来获得与有线网络之间的通信。1.4.2无线Mesh网络的网络结构从广义范围来看，根据网络结构的不同可以将无线Mesh网络分为分级式网络、对等式网络和混合式网络。分级式无线Mesh网络：分级式无线Mesh网络分为上层和下层两个部分。网络中的所有路由和转发功能全部都是通过呈网状互联的Mesh路由器和Mesh网关来完成，Mesh终端通过网络接入点直接接入无线Mesh网络中，形成骨干网络和终端接入的严格划分，其结构下图所示：分级式无线Mesh网络由于存在专用的骨干路由结构，其传输质量能够得到较好的保障，更适用于需要高带宽、高稳定性的Internet连接的场景。对等式无线Mesh网络：对等式无线Mesh网络中的所有节点具有完全一致的特性，即每个节点均包含相同的MAC、路由、管理和安全协议，即具有客户端节点的功能，也具有能够转发业务的路由器节点的功能。其结构下图所示。显然，网络中的节点与现有的WLAN等技术不直接兼容。这种结构适用于节点数目较少并且不需要接入到核心网络的应用场合。混合式无线Mesh网络：该类型的无线Mesh网络结合了分级式和对等式无线Mesh网络两种体系结构的特点。在混合式无线Mesh网络中，Mesh终端即可以直接接入Mesh骨干网，也可以通过其他的Mesh终端接入，其结构如下图所示。在这种结构中，终端节点已不是目前市面上支持WLAN的普通设备，而是增加了具有转发和路由功能的Mesh设备，设备之间可以以Adhoc方式互联，直接通信。一般来说，终端节点设备需要同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能。混合式无线Mesh网络兼具分级式无线Mesh网络结构的稳定性和对等式无线Mesh网络结构的灵活性，将成为未来发展的主要方向。但是其结构的复杂性也带来了更多需要研究的问题。1.5无线Mesh网络的主要特点总结起来，无线Mesh网络具有以下一些主要的特点：第一，较少的前期投入就可以实现较大的网络覆盖范围。第二，无线链路设计简化，抗干扰能力增强。通过Mesh方式的网络连接，只需要短距离的无线链路，这不仅降低了天线的成本和发射功率，而且还有助于提高通信节点之间的抗干扰能力，从而增强了网络的安全性、可靠性。第三，网络结构灵活，维护方便。由于无线Mesh网络支持Adhoc网络结构，具有自形成、自愈和自组织的能力，所以只要在需要的地方加上必要的无线设备，就可以与已有的设施组成无线宽带网络。无线Mesh网的路由选择特性使得当发生链路中断或局部扩充和升级时，可以在不影响整个网络运行的情况下进行局部的处理和维护，因此大大的提高了网络的柔韧性和可行性。第四，网络兼容性好，可靠性高。无线Mesh网是基于现有网络技术或标准(802.11)的，因此它与现有的无线网络具有很好的兼容性和互操作性。同时，无线Mesh网采用的网络拓扑结构避免了点对多点星形结构所存在的诸如业务汇聚、中心网络拥塞、单点故障等问题，在很大程度上增强了网络的可靠性。。第五，投资成本低、风险小。无线Mesh网络的初建成本低，AP和无线路由器一旦投入使用，其位置基本固定不变，因而节省了网络资源。无线Mesh网络具有可伸缩性、易扩展性、自动配置和应用范围广等优势，对投资者来说，在短期之内即可获得盈利。此外，无线Mesh网络一般采用非许可证频段，所以为用户也节省了服务支出MITRoofnet项目成果一套完整的无线Mesh网络实物实验床得到实验数据若干，SIGCOMM和MOBICOM各发表论文一篇Roofnet观察到的实验结果通过长时间监测，发现48％的流量在Roofnet中是一个跳，36％的流量是两个跳，剩余16％是多于两个跳的几乎所有的流都是TCP流，UDP流不多于1％。WEB访问只占7%的流量，30％的流量被BT使用虽然WEB访问占7%的流量，但是却占了68％的连接数2无线Mesh网研究热点2.1网络体系结构中的各个层2.1.1PhysicalLayer2.1.2MACLayer2.1.3NetworkLayer2.1.4TransportLayer2.1.5ApplicationLayer(略)目标BandwidthRobustmodulationSensitivityShortpreambleFastswitchbetweenchannelsFastswitchfromTx/RxMobility(potentiallyhigh-speed)VariabletransmissionpowerMultiplechannelsLinkadaptationLinkqualityfeedback2.1.1PhysicalLayerPHY-智能天线技术LowpowertransmissionsBatterynotabigconcerninmanyapplicationsEnablesbetterspatialreuseand,hence,increasednetworkcapacityBetterSNRBetterdataratesBetterdelaysBettererrorratesAdvantagesDisadvantagesSpecializedhardwareSpecializedMAC(difficulttodesign)DifficulttotrackmobiledatausersPHY-传输功率控制技术ToolowToohighJustrightGWGWGWPHY-传输功率控制技术(cont)OptimizationCriteriaNetworkcapacityDelayErrorratesPowerconsumptionTheidealsolutionwilldependonNetworktopologyTrafficload2.1.2MACLayerScalableMAC为使MAC协议真正扩展,必须建议新的分布式和协作方案以保证网络的性能(如吞吐率、甚至像延迟和延迟抖动的QoS参数)不会由于网络的增大而降低。多通道MAC协议比单通道MAC协议能实现更高的吞吐率是明显的。但开发一个可扩展的多通道MAC协议是一个更有挑战性的任务。MAC/PhysicalCross-LayerDesign当使用像MIMO以及有感知的radios等先进技术的时候，需要建议新的MAC协议,尤其multi-channelMAC协议。NetworkIntegrationintheMACLayer在MAC层必须开发先进的网桥功能，使得不同的无线radios技术,诸如802.11,802.16,802.15,等能够在一起无缝的工作。对于这些网桥功能，最终要解决再配置/软件radios以及相关的radio资源管理技术。ModifyingE