无线网络技术
学院：信息工程与自动化
专业：通信132
学号：201310404239
姓名：李园
成绩：
无线Mesh网络
摘要：无线Mesh 网络是无线局域网和移动自组织网络相结合的产物,是一种全
新的网络架构.它是下一代无线网络的关键技术之一, 近几年得到了人们的广泛关注和快速
发展。为了以低成本的代价实现无处不在的高速Internet，新一代无线Mesh网络的发展势
在必行。新一代无线Mesh网络旨在能够提供高性能和高可靠性的服务。简要描述了无线
Mesh网络技术原理、网络架构和协议，分析了其优缺点以及它的应用，还有未来的趋势。
一、无线Mesh网络的概念
无线Mesh网络(WMN)是一种多跳、自组织的宽带无线网络，一般由Mesh路由器和Mesh
客户节点组成。其典型结构是一种分级网络结构：Mesh路由器互联构成多跳无线骨干网，
负责数据的中继；骨干网一般通过网关节点与其他网络互联，而Mesh客户节点通过Mesh
路由器接入到WMN。通过WMN最终实现Mesh客户节点间、客户节点与Internet等其他网络间的互联互通，网络结构如图一所示。
二、无线Mesh网络研究现状
1、物理层
目前一些较前沿的物理层技术可以被用于无线Mesh网络的开发，如无线Mesh网络可
以通过用不同的调制和编码速率，支持不同的传输速率。这样可以根据无线信道的质量和
网络拥塞，动态改变数据传输速率，从而保证较低的差错率。另外，将会被广泛应用于宽
带无线通信的正交频分复用技术(OFDM)、超宽带技术(UWB)、多输人多输出技术(MIMO)
以及定向天线技术都可以用于无线Mesh网络的开发。除此之外，认知无线电技术也可以被
用于Mesh网络，以提高频谱利用率。
2、MAC层
无线Mesh网络的可扩展性对于MAC层的设计提出了相应的要求。目前，对于Mesh网络MAC 层的研究，主要可以分为单信道MAC和多信道MAC。
(1)单信道MAC
1)修改目前已有的MAC层协议：目前的几种无线MAC层协议多是在IEEE 802．1 1基础上进行修改的，如对CSMA／CA算法的一些诸如竞争窗口大小、退避过程的修改。
对于多跳的无线Mesh网络来说，这样的MAC层协议还远远达不到提高全网吞吐率的要求，随着跳数的增加，用于竞争的开销将大大增加，而网络性能则逐渐恶化。
2)跨层设计：物理层提供新的功能，如方向性天线和功率控制，相应地产生了2类MAC层设计。两者可以减少暴露节点，但同时增加了隐藏节点的数目。因此，需要对它们进
行改进以减少隐藏节点。
3)提出全新的MAC层协议：为了能从根本上提高无线多跳网络中端到端的吞吐率，有必要设计一种全新的MAC层协议。不论随机的CSMA／CA 接入协议还是基于
TDMA和CDMA的接入协议，都还有很多问题有待研究。(2)多信道MAC
由于硬件设计的不同，多信道MAC设计也分成以下几种。
1)多信道／单收发器MAC：单收发器带来的是较低的硬件成本，但也决定了1个节点在1个时间只能使用1个信道进行收发。目前，已提出的专门针对多信道的MAC协议主要有多
信道MAC和SSCH(seed—slotted channel hopping)算法。SSCH 算法是一种虚拟MAC层算
法，建立于IEEE 802．11 MAC层之上，可以对其进行修改。
2)多信道／多收发机MAC：在这种情况下，1个节点有多套射频和基带处理模块，可以在若干个信道上同时进行通信。在它们之上是对一个统一的MAC层进行统一的协调和调度。
Engim的多信道IEEE 802．11芯片就是建立在这个机制上的。然而，针对这一物理平台的MAC层算法仍然需要进行研究。
3)多无线系统MAC：在这种情形下，网络节点有多个不同无线系统，每一个系统均有各自的物理层和MAC层，各无线系统之间完全独立。目前，针对这种系统，Adya等人提出了
MUP(multi—radio unification protoc01)协议，它建立在MAC层之上，是一种虚拟的MAC层协议。
3、路由层
目前为止，已经提出了很多Ad hoc网络的路由协议，但针对无线Mesh网络的路由协议还不成熟，还有以下方面需要进一步研究。
(1)性能的衡量准则
许多已有的路由协议以最小跳数作为路由准则，而在很多情况下，这一准则并不是最优的。比如某条路径最短，但在其中2个节点之间的链路条件很差，这样就使得端到端的吞吐
率因为这样的点而变得很低。因此，加入如RTT(Round Trip Time) 这样就能衡量链路质量
的指标。
(2)负载平衡在无线Mesh网络中，很可能会出现局部多用户进行数据传输而使得部分链路上数据流
量陡然增加的情况，因而，路由协议需要根据网络拥塞状况，动态地调整链路的选择，分散
数据流量，减少网络拥塞。RTT协议则可以实现这一目的。(3)Mesh路由和客户端的适应性
由于Mesh网络中路由器的移动性较低，而对能量的约束也相对较低，因此，适应于路
由器的路由协议可以比Ad hoc路由协议简化很多。而对于客户端来说，其移动性和能量约
束正好适合使用Ad hoc路由协议。所以，需要设计一种既适合路由器又适合客户端的路由
协议。
4、传输层
众所周知，在有线网络中，TCP和UDP协议可以很好地完成传输层的拆包、组包、拥塞控制等功能，而在无线网络中，网络端到端吞吐率的变化有可能是网络数据拥塞造成的，
也有可能是由于链路质量恶化造成的。目前为止，还没有完善的专门针对无线Mesh网络
的传输层协议，但针对Ad hoc网络的传输层协议却有很多，这些可以在设计Mesh 传输层
协议时用来借鉴。目前，已有一些基于TCP的改进协议，主要对其做了以下一些修改。
(1)区分丢包原因
如前面所说，传统的TCP协议并不能区分由于拥塞和无线链路质量造成的丢包。当丢包发生时，传统的TCP协议会将其当成网络拥塞处理，会一味地降低数据发送速率，这不
但没有解决本质问题，还会造成更大的吞吐率降低。当链路条件恢复时，也不能做出迅速反
应。因此，需要建立一种机制以区分丢包的原因。(2)网络不对称性
网络的不对称性是指网络的前向链路和后向链路在带宽、丢包率和时延上的不对称，
会影响ACK的传输，而TCP协议的工作非常依赖ACK，因此，会造成网络传输性能的
下降。已有的关于这方面对TCP协议的改进，如ACK过滤、ACK拥塞控制等，能否用
于无线Mesh网络还有待进一步的研究。(3)RTT抖动由于无线Mesh网络的移动性，链路
质量的变化、负载的起伏、数据的传输线路会不断变化，这样就会造成RTT的频繁变化，
造成TCP性能的下降。
三、无线Mesh网络协议
从另一角度看无线Mesh网络拓朴和架构分析，它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。而这种融合是通过在网络节点上执行 WMR（Wireless Mesh
Routing）协议来完成的。如图所示：
从图中可以看出，为提供多次反射无线路由功能，在接入点和移动节点都执行WMR 路
由协议。同时为实现与 IP 的兼容，WMR 被作为一中间层协议放置在 MAC 层和 IP 层之间，
从而在不需要对其他协议层做太大改动的情况下便可以很好地执行 WMR 协议。这样就使得
WMR 能够较好地与现有多数应用（包括以 802.11x 代表的无线标准）兼容。
四、无线Mesh网络的优缺点
1、优点
如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信
流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之
最近的下一个节点进行传输。直到到达最终目的地为止。优点主要包括：快速部署和易于安
装；非视距传输；健壮性强；结构灵活；带宽高。
2、缺点
目前，部署的第一代无线Mesh网络虽然实现了可以随时随地接入，但网络性能不容
乐观，突出表现在吞吐量受限，多跳通信中不公平性和吞吐量衰减被强加了很多限制国。此
外，从经济角度看，用户预购城域网络速率并不热心。即使费用低廉，订单仍远低于预期。
具体表现在以下3方面：操作性方面，目前还没有一个统一的技术标准；通信延迟方面，
数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，跳接越多积累的总延迟就
会越大；安全性方面．多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。
五、无线Mesh网络关键技术
1、提高WMN的空间复用度
WMN是一种多跳无线网络，由于无线信道的广播特性，网络中任意一条链路都和地理位
置与其相邻的无线链路间存在相互干扰，制约了网络的传输容量。另一方面，由于无线信道
的衰减特性，多跳网络具有潜在的空间复用特性。设法提高网络的空间复用度，就能增加并
行传输的链路数目，从而提升网络容量。
2、WMN中的多信道技术
基于多信道的WMN组网技术是提高WMN容量的最有效的方法，受到研究者的高度重视。
多信道MAC模型可以分为以下3 种类型．如图2所示：
单接口(网卡)多信道。只有一个收发器可用，每个网络节点在同一时间只有一个信道是
活动的。不同的节点在同一时间可以工作在不同的信道上，从而提高系统容量。
单接口多收发器多信道。一个接口上采用多个收发器共用一组信道。多个物理层实体通
过一个MAC层来协调多信道的功能。
多接口多信道。一个网络节点有多个具有独立MAC和物理层的接口。这些接口的通信是
相互完全独立的。因此，需要虚拟一个子层协议，实现在多个MAC实体之上协调所有信道的
通信。
3、WMN中的路由优化
在多跳网络中，由于相邻无线链路间存在相互干扰，使得中继节点的转发过程将会抑
制其邻居节点的发送，所以在WMN中，不同路径的数据流间，同一路径上相邻链路问都存在
某种程度的干扰，制约着WMN的网络容量。另一方面，WMN的骨干网具有拓扑相对稳定，
无功耗约束，多跳中继，业务流量汇聚于网关等特点，所以可以通过对路由的合理优化，
减小无线链路干扰，提高网络容量。
六、实际应用
Mesh 网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。