无线Mesh范文

无线Mesh范文（精选9篇）

无线Mesh 第1篇

根据无线Mesh网络路由协议的一般性研究路线, 目前出现的一些无线Mesh网络路由协议可以分为两大类:①基于Internet路由协议设计思路的无线Mesh网络路由协议;②基于Ad hoc网络路由协议改进的无线Mesh网络路由协议。

1.1 基于Internet路由协议的无线Mesh路由协议

1.1.1 Internet路由协议

Internet路由协议的设计理念从总体上看主要体现了分层的思想。因特网将整个互联网划分为许多小的自治系统, 采用分而治之的策略。这样, 因特网的路由选择协议主要分为:①内部网关协议IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议, 目前使用最多的如RIP (Routing Information Protocol) 和OSPF (Open Shortest Path First) ;②外部网关协议EGP (External Gateway Protocol) 自治系统之间使用的路由选择协议, 目前使用最多的是BGP。

RIP协议是基于距离向量的, 采用的做法是每个节点通过周期性的和相邻节点交换自己的路由表来维护从它自己到其他每个目的网络的距离记录。而OSPF协议是链路状态路由协议, 与RIP不同。它的特点是节点向本自治系统中所有的节点发送路由信息, 发送的信息是与本节点相邻的所有节点的链路状态, 并且只有当链路状态发生变化时节点才会向所有节点发送此信息。最终每个节点均保存了全网络的拓扑信息。

1.1.2 基于Internet路由协议的改进

传统的Internet路由协议不能很好处理无线Mesh网络环境中拓扑结构和链路质量的快速变化, 在无线环境中不能直接使用传统的Internet路由协议。但是Internet路由协议的一些很好的设计思路是值得在无线环境中学习的, 现有的很多无线Mesh网络路由协议都借鉴了Internet路由的设计思想。

(1) 分层思想的无线Mesh路由协议

在无线Mesh网络环境中, 分级路由借鉴了Internet路由协议的分层设计理念。通过分级技术, 在簇内和簇间使用不同的路由协议, 分别发挥着各种路由协议的优点, 从而实现大规模的无线Mesh网络的路由。不同的分级路由协议的区别在于:簇间和簇内采用的具体路由算法不同, 以及簇的划分不同。典型的分级路由协议有HWMP (hybrid wireless mesh protocol) , ZRP (Zone Routing protocol) CGSR (Cluster head Gateway Switch Routing ) 等。

HWMP的实现过程是在按需路由协议AODV的基础上, 结合表驱动路由协议DSDV的核心思想设计的。设置网络出口Portal为树的根节点, 网络中的所有节点通过Portal与外网连接。每个Portal负责维护一张到其他所有Portal的路由表, 网间节点通信采用按需路由协议AODV。HWMP的优点是可以很灵活适应于很大范围的场景的需求, 包括固定的和移动的。此外, 在某些情况下Mesh网络中的路由发现包洪泛减少。缺点是由于根节点在网络中的核心作用, 容易成为网络的瓶颈。

ZRP的思想是网络内的所有节点都有一个以自己为中心的虚拟区, 在区内使用表驱动路由算法, 对区外节点的路由使用按需路由。是表驱动路由协议和按需路由协议的组合。但是ZRP的实施也面临着很多困难, 如区的选择和维护, 表驱动路由协议和按需路由协议的合理选择以及网络工作的大流量问题。

CGSR也融合了分层次的思想, 当一个节点要通信时, 信息包首先传递给自己所在簇的簇首, 然后通过网关到达另外一个簇首, 以这样的方法穿过中间的分簇, 到达目的节点所在簇的簇首, 然后再转发给目的节点。CGSR路由协议的优点在于通过分簇, 大大减少了维护路由表所需要的信息量, 另外, 采用这种路由的网络有比较好的扩展性, 其缺点是算法相对复杂, 需要一定的执行代价。

(2) 基于RIP和OSPF的无线Mesh路由协议

PWRP (Predictive Wireless Routing Protocol) 是Tropos公司开发的应用于其“Wi-Fi蜂窝网络户外系统”的私有路由协议。是基于Internet路由协议OSPF改进的, 与OSPF不同的是PWRP选择可达到最大吞吐量的路径来传输到达有线网关的信息, 减少了射频干扰, 路径故障以及业务载荷等因素的影响。该路由协议适用于大规模网络, 且具有路由开销小等优点。

TBR (Tree-Base Routing) 是一种表驱动路由协议, 适合弱移动性的无线Mesh网络.在TBR中首先要确定网络的根节点, 然后要建立网络的拓扑树。在每个节点建立到根节点的路由过程中需周期广播RANN (Root Announcement) 消息, 并且不需要建立全网网络拓扑, 只要求建立拓扑树。这样的做法和RIP协议类似, 不同的是RIP只需向相邻节点发送路由信息。

1.2 基于Ad hoc网络路由协议改进的无线Mesh网络路由协议

1.2.1 Ad hoc网络经典的路由协议

无线Ad hoc网络是一种自组织自配置的网络, 网络中所有的节点同时具有终端和路由器的功能, 且它们的地位平等, 不依赖于任何中心化的接入点或网络基础设施。目前, 人们已经提出多达10～20种移动Ad Hoc网络路由协议。但最基本的, 最经典的不过几种, 如DSR、AODV、DSDV。无线Mesh网络中很多路由协议都是基于DSR和AODV改进的。

动态源路由协议 (DSR, Dynamic souce router) 是按需路由协议, 无须任何周期性路由广播, 路由仅在需要时动态建立, 减少了网络负载。另外 DSR的路由发现和路由维护可以支持单向链路, 这对无线网络来说大大提高了网络连通性和整体性能。而按需距离向量路由协议 (AODV, Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing) 同样是按需路由协议, 它借用了DSR中的路由发现和路由维护程序, 以及DSDV的逐跳路由, 目的节点序列号和路由维护阶段的周期更新机制。和DSR相比, AODV的好处在于源路由并不需要包括在每一个数据分组中, 这样会使路由协议的开销有所降低。

1.2.2 基于Ad hoc路由协议的改进

目前Ad hoc网络中的路由协议的研究已经趋于成熟, 在对无线Mesh网络路由协议的设计过程中, 研究者们很自然的就会想到分析借鉴一些经典的Ad hoc网络路由协议。再结合无线Mesh网络的特点, 设计出适合无线Mesh网络的高性能的路由协议。目前很多无线Mesh网络路由协议都是基于DSR和AODV的。

(1) 基于DSR的改进

多径源路由协议MSR (multi-path source routing) 是以DSR协议为基础的。虽然DSR协议可以发现多条路径, 但它最终选择最短路径, 所以本质上还是一种单径协议。在无线Mesh环境下单径路由极易造成网络震荡。MSR的做法是:以延迟作为路径状态的度量, 通过主动探测机制感知路径状态, 同时使用带权重的循环调度算法, 将数据流量分配在多条相互独立的路径上, 这样充分利用了无线网络带宽, 提高了通信质量。

多射频链路质量源路由协议MR-LQSR (multi-radio link-quality source routing) 是微软公司研发的多信道无线Mesh网络路由协议, 它在传统的DSR路由协议基础上改进得到的, 它采用了一种新的路由性能判据即加权的累计传输时间 (WCETT) 。该协议需要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣, 从而形成自身的路由准则。

高吞吐率路由 (SrcRR) 是由DSR协议与ETT判据相结合并改进的路由协议, 它主要采用了自适应传输速率控制算法, 多次路由错误才判定发生路由失效, 快速获取链路丢包率以及避免因数据包或路由包冲突引起的链路质量降低的启发方法等几种新技术。使得SrcRR的吞吐率是传统DSR+ETX的5倍。

射频感知路由协议RARP (ridio aware routing protocol) 也是基于DSR的, 是为了提高吞吐量, 在LQSR基础上改进的路由协议。它同样采用ETT判据替换原有的ETX判据并考虑了丢包率, 增加了对数据传输率的感知。因此该协议更具有普遍性, 更能适应实际网络情况。

基于关联性的路由协议ABR (Associativity-Based Routing) 是基于一种新定义的标准, 即关联稳定度 (Degree of Association Stability) 。旨在选择一个能够长期存在的, 稳定性高的路由来传送数据, 以保证最大的可靠性。也就是说, ABR首先考虑的是Qos。ABR的路由发现过程类似于DSR, 不同的是ABR加入了关联值以及Qos等信息, 目的是选择能长期存在的链路。这样避免了路由发现后很快的链路失效, 但缺点是可能导致选择的路径中间经过很多跳的路由。

(2) 基于AODV的改进

单收发器多信道路由协议MCRP (multi-channel routing protocol) 是由UIUC大学针对无线Mesh网络提出的一种单收发器多信道路由协议。该协议是一种按需路由协议, 该协议与AODV有许多的共同点。但是, MCRP在不修改802.11MAC协议的基础上利用了多信道资源, 使网络性能得到了很大提升。它为不同的流分配不同的信道。即便该协议在某些场合不能充分发挥多信道的优势, 但此时的性能仍能与原AODV单信道情况相似。同时在单信道网络中节点间存在的路径, 在多信道环境下, MCRP也同样能找到该路径。

2 无线Mesh网络路由协议比较

在对无线Mesh网络路由协议进行了分析之后, 对无线Mesh网络路由协议比较如表1所示, 我们可以看到在无线Mesh网络的环境下, 路由协议的设计尤其体现了分级路由、跨层路由及多径路由的思想。由它们的性能对比中可以看出, 分级路由协议解决了在大规模网络环境下网络性能降低的问题而跨层路由协议的自适应性能大大增强, 但同时也增加了算法的复杂性。

3 结束语

无线Mesh网络凭借其高可靠性, 易部署以及良好的扩展性等优势, 成为下一代无线宽带网络的重要发展方向之一。本文首先对无线Mesh网络路由协议进行分类, 并对各种路由协议的性能进行分析和比较。分级路由具有很好的扩展性, 路径建立快, 适合在大型网络环境下的网络性能的提高。这将成为未来无线Mesh网络路由协议的研究方向之一, 而跨层路由虽然增加了算法复杂性, 并有可能对网络的协议栈带来很大影响。同时现在对该领域的研究还尚在起步阶段, 但是, 在多数情况下它可保证网络的最佳资源利用率和用户的Qos需求, 可改善网络的整体性能, 相信在不久的将来, 这种方法也会带来网络性能上很大的改进。

摘要：无线Mesh网络路由协议的设计是无线Mesh领域的研究重点。首先根据无线Mesh网络路由协议的一般性研究路线, 将当前存在的无线Mesh网络路由协议分为两大类:一类是基于传统Internet路由协议设计思路的路由协议;另一类是基于移动Ad hoc网络路由协议改进的路由协议。并在此基础上对一些典型的路由协议进行分析和比较, 最后讨论了无线Mesh网络路由协议的未来研究方向。

关键词：无线Mesh网络,Internet,Ad hoc,路由协议

参考文献

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无线Mesh 第2篇

本文以实际需求为例，说明传输信息方式和业务类型。

表1-1 现场网络及通信系统传输信息

系统功能

(1)在没有干扰的情况下，建立现场的正常通信链路;

(2)在3GHz以下频段干扰的情况下，建立现场正常的通信链路;

(3)保证无线通信的顺畅和传输数据安全的前提下，完成所需图像和语音的传输交换。

系统技术指标

(1)各个车载MESH模块和便携MESH模块的位置基本确定后，从设备加电到系统中的网络节点组网成功的时间不超过4分钟

(2)每个人员与车辆、车辆与车辆之间的实时传输带宽不小于6M

(3)在视距可见的情况下，车载MESH模块的覆盖范围不小于1000米，便携MESH模块的覆盖范围不小于300米

(4)便携MESH模块10跳之后，传输带宽不小于6M

(5)便携MESH模块10跳之后，网络延时不超过200ms

(6)便携MESH模块配合独立的供电设备(电池)，MESH模块和电池应该是一个统一、闭合的结构整体

(7)对于系统不同的应用模式，各个MESH 模块可以灵活适应，不需要人工分析、配置

网络拓扑结构

网络回传方式

应急通信网络是利用Mesh网状网技术，将车辆之间以及车辆和人员之间形成可移动、自组织的应急通信网络。然后，通过任意一辆车辆将Mesh应急网络的信息回传到指挥中心。

如何将车队的视频、语音和数据信息做实时回传是应急通信的主要挑战，

目前主要有以下三种类型的方式：

(1). 光纤

采用有线网络方式，将任意一台车辆与就近的光纤网络相连，从而将Mesh应急网络信息回传到指挥中心

(2). 卫星

在其中一台车辆安装卫星发射接收设备

(3). 无线回传方式

该方式充分利用无线Mesh网络特性，在城区主要高层楼宇每2-5公里架设固定基站对城区内的车辆提供无线连接，固定基站之间采用无线Mesh协议通信，并且最终回传到控制中心。

如下图所示：当车辆驶入事发现场后，负责无线回传的车辆与就近的固定基站将与就近的固定基站互联，从而实现整个队伍的信息回传。

平面型网络

图3-1平面型网络部署图

其中，现场的场地范围在半径500米的区域范围之内，各个车辆和人员之间的相对位置比较随机，可能出现任意情况。因此，要求无线网络系统布设灵活，没有边缘点。车辆和人员之间形成网状拓扑结构，无线通信不受相互位置变化的影响。

立体型网络

人员在现场监视和信号采集时，往往需要进行立体式的移动，例如：地铁或者高层楼宇的深入。如图所示，地铁里的人员将现场图像通过Mesh网络多跳动方式无线传输到地面上的车辆。

图3-2 立体型网络部署图

移动型网络

在现场环境下，为了能够进行有效的布防，车辆之间会相互移动。在这种情况下，车辆之间仍然需要保持必要通信。利用现场Mesh网络的移动性解决此问题，在地形平坦的地区并采用全向天线的情况下，在有效通讯范围内，网络可在时速120公里/小时的高速移动状态下达到6Mbps的数据传输速率。如图所示，车辆在移动中将现场图像通过Mesh网络传输到后方。网站www.strixsystems.com.cn

图3-3 移动型网络部署图

无线Mesh 第3篇

摘要：文章对蓝牙技术、piconet的建立，对基于蓝牙技术的WPAN mesh组网深入描述。支持WPAN mesh组网自组织的关键技术包括按需自组织技术、路由技术等。关键词：蓝牙；组网；关键技术

21世纪以来，蓝牙无线局域域网WPAN与无线Mesh网络正在迅速发展。以蓝牙作为WPAN主导技术核心思想就是用蓝牙无线技术组建个人化信息网络。在其覆盖范围内各种信息化设备能实现资源共享。无线Mesh网因其高频谱效率、动态自组织和敷设成本低等优点被认为是网络中的一项关键技术。实现BT-WPAN与其它网络互联，提高网络自身的兼容性。

1蓝牙微微网(piconet)的建立

蓝牙通信，是借助蓝牙设备以特定方式组成网络piconet来实现的。如果某台设备的时钟和跳频序列被用来同步其他的设备，则称它为主设备，非主设备的设备为从设备。所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。主设备与从设备之间点对点或点对多点交互通信，从设备被主设备选中时，才可以进行传送。这个主设备通常称为PNC。

在piconet建立之前，所有的设备都处于等待状态，设备一旦被唤醒，就在预先设定的跳频频率上监听信息。连接进程从PNC的初始化开始。在初始寻呼状态，PNC在16个跳频频率上发送一串相同的寻呼信息给从设备；如果没有收到应答，PNC就在其他的16个跳频频率上发送寻呼信息。在piconet中，设备在无数据传输时转入节能工作状态。PNC可将从设备设置为保持方式，从设备也可以自己要求转入保持方式。设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下，从设备监听网络的时间间隔增大；在休眠方式下，设备仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。

2BT－WPAN mesh组网

在标准802.15.3中，WPAN可仅有一个单独的piconet，也可有从picdnets作为该网络的子网；这就是遵守802.15.3标准的父－子(parent-child)层次结构，子PNC能与父PNC和网中的所有设备进行数据交换；在自己网中，子PNC也能和其它设备通信。这一规定局限性是，在子网中的设备不能与父网中PNC及设备进行通信，即使它们都处在彼此的传输范围内。为了多个WPAN能够实现点到多点，及多点到多点的多跳通信，又推出IEEE802.15.5标准，Mesh网络被定义为一个个域网，在mesh结构中，除了有WPAN网内通信，也存在网间通信。对于网内通信，单个PNC为终端设备提供无线接入、无线资源管理等功能；对于网间通信，一个网内节点设备可以与其他网内的MPNC和节点设备通信；MPNCS之间也能互相通信。

3BT－WPAN无线Mesh组网的关键技术

3.1按需自组织技术

某个piconet MPNC启动mesh WPAN，该MPNC称为mesh coordinator(MC)。要启动一个mesh网络，MC信号应该包含一个能唯一标识网络的mesh标志符ID和一个肉络负载信息单元IE，该IE包含一个MPNC是否能够支持新的子网，或为别的MPNCS转发数据包的信息。MC可以建立一个树型拓扑结构，该树型拓扑结构可以在MC信息单元上表示出来。

MC邻居节点通过发送树链接请求命令加入树，此命令包含拥有实际下一代数量的MPNC信息。MC从邻居MPNC接到链接请求命令，它先查阅MC分配给TREEIDs的可利用地址空间来决定是否能够支持MPNC及其下一代。如果MC能够支持MPNC及其下一代，它就给MPNC发送树链接响应命令。除了通知目的MPNC告诉其链接状况外，树链接响应命令还包含可利用的TREEI-Ds、拓扑结构服务器和地址服务器的信息。链接的MPNC在树表内加MC作为其新的父，并发送了一个IE信号，该IE含有增加更多的设备作为其子信息。

如果一个子MPNC从两个或两个以上的树成员(父MPNC)接到信号，它们都愿意接受新的子，这个子MPNC就选择离MC最少路线开销的MPNC作为它的父。一个父MPNC能用树断裂请求命令去断开子，子也可以使用同样的命令从父处断开。父MPNC或子MPNC发送树断裂确认命令帧完成断开过程。

3.2路由技术

无线Mesh路由协议可参照Ad Hoc网络路由协议DSR、DSDV、AODV等，但又有所不同。下面的路由策略适用于MPAN，它较灵活。能适应新的高效路由协议。

本地路由：如果一个源MPNC发现能够直接到达目的节点，它就直接传送数据包。否则，它就检查是否能直接到达一个邻居节点，并将数据包发送给该邻居节点。

远程路由：远程路由可分为树路由，集中路由，基于位置的路由和分布式路由等。考虑MAN运行需求，它们中的每一个都能够设计成路由协议。

树状结构和TREEID分配方法使MP-NCs能根据TREEID块信息和子的TREEID块信息路由数据包。一个MPNC可以检查目的MPNC的TREEID是否属于源MPNC的TREEID块，不属于，就把数据包转送给其父；属于，就把数据包转送给它的子。

在集中路由中，一个或多个MPNCs可充当拓扑结构服务器来存储所有MPNCs的链接状态信息。在mesh网络，所有MPNCs应在拓扑结构服务器上标记它们链接状态。为了防止单点故障，许多拓扑结构服务器可充当备份服务器。通过向备份服务器发送链路状态标记命令帧，主服务器和备份服务器达到同步。如果主服务器实效，主服务器的邻居节点应转发所有的链路状态标记帧和路由发现帧给备份服务器。

如果物理层允许在设备间作出精确距离测量，就可以建立一个坐标系来涵盖整个mesh网络。源MPNC应能设置分组传输路径作为基于位置的路由，在路由辅助区域内确定自己和目的MPNC物理位置；源MPNC计算目的MPNC和该源MPNC的邻居MP-NCS之间的距离。和目的MPNC最近的邻居作为下一个转发设备。如果没有合适的最近节点，源MPNC可以选择分布式路由，向整个网络广播路由发现帧，直到找到一个到目的最佳路由。当某个MPNC接到该帧，它应更新与源MPNC之间的路由值；如果该MP-NC和源MPNC之间已经有一个路由项，路由发现帧的路由值小于它的路由项中的路由值，应对帧更新。如果这个MPNC是目的MPNC，并且路由项被帧更新，它应生成一个路由形成命令帧，向源MPNC发送该帧；帧内的源设备标志符应定为目的MPNC识别码，目的设备标志符应定为源MPNC识别码；帧的中继表应设置为一个空表。如果这个接到路由发现帧的MPNC不是帧的目的地并且它是首次收到帧，该MPNC应该在路由发现表中记录该帧，然后再转播该帧；如果以前该MPNC收到过帧，并且路由项被这个帧更新，那它就只转播该帧。当某个MPNC收到含有空中继表的路由生成帧，它应首先针对其路由表检查源设备标志符。如果该MPNC和目的MPNC之间没有路由项，就应建立一个；否则，通过参照和源MPNC之间路由项，它应更新其路由项和路由生成帧路由值到下一跳进行转发。当源MPNC收到路由形成命令帧，它应为目的MPNC建立一个路由项，开始发送数据包。

4结束语

无线城市中的Mesh组网应用 第4篇

在众多的无线城市实现方式中, 依托Wi-Fi作为无线传输方式的多模块Mesh (网状网格) 无线网络系统, 正当仁不让地脱颖而出, 成为越来越多全球发达城市建设无线城域网的首选技术手段。多模块化Mesh技术采用了网状网格的方式进行网络中各个节点之间的互连。

在无线城市的部署中, 由于高大建筑物和较多的城市障碍物对于无线信号容易产生阻挡和干扰, 无线网络的部署和性能受到很大影响, 一直以来成为了一个技术难题。利用蜂窝状的网状 (Mesh) 拓扑结构可以使这个问题迎刃而解。每个Mesh节点总是可以与就近的多个其他节点保持无线连接, 例如:安装在道路灯杆、交通信号杆和市政建筑上的无线Mesh节点就可以自动组成网状网格网络。这种自主发现、自动配置和自我修复愈合能力的优秀素质, 可消除传统无线网络中单点故障的风险, 也就是说, 任意节点发生故障, 整网可以重新再选择任意其他的相邻节点进行网络通信, 系统的分布式智能可以始终通过最优的路由路径进行数据流的处理。

Mesh的多场景应用

●宽带家用网

宽带家用Mesh联网可以连接台式PC机、HDTV、DVD、游戏控制台, 以及其他各种消费类电子设备, 不需要复杂的布线和安装过程。在家庭Mesh网络中, 各种家用电器既是网上的用户, 也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。当家用电器增多时, 这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。

●园区网

无线Mesh网络可在园区范围内为用户提供室内外一体的无线网络覆盖, 能够实现无缝漫游, 并提供语音、数据和视频等多种业务。其典型的应用场景包括:工业园, 校园, 港口/码头货场, 高速公路, 度假村/游乐场, 油田, 社区, 体育场馆等等。需要支持的基本业务技术包括:数据采集, IP视频监控, VoWLAN等。网络运营可考虑企业自建和运营或由运营商代理运营的模式。

!●城域网

无线Mesh网络可在城域范围内提供市政服务及为市民提供无线上网服务及多媒体应用。市政公共服务应用包括公共交通、医疗、消防、公共安全等。典型应用场景包括交通监控、社区监管、自动抄表系统、城市休闲设施维护、执法、市容维护等。网络营运可考虑为市政自建和营运或由运营商代理运营的模式。

Wi MAX的应用平台

作为面向最后一英里接入领域的无线城域网技术, 802.16x技术不仅可使服务商随时根据客户需要迅速提供无线宽带接入服务, 而且能够提供满足客户包括瞬间交易高峰在内的各种实时带宽需求的宽带接入服务, 使服务供应商基于无线带宽按需供应创造新的收入机会。

通过同一个IMS的核心网架构混合组网, WiMAX可以接入到运营商的计费系统, 能与3G、2G、PSTN系统相连提供话音、数据服务的无缝切换。另一方面, 可以通过Internet和Intranet接入到其他公网和专网提供数据网络, 为运营商提供一个大容量、低成本、高质量的多种接入方式的无缝移动网络。

在具体应用方面, 除一些电信业务外, 无线宽带接入方式还可以广泛应用于无线数字多媒体网络、应急通信系统、抢险指挥系统、城市智能通信系统等综合通信系统。如北京市石景山区政府从2005年开始建设国内第一个基于WiMAX技术的网络“石景山区Wi-Plus示范网络”, 目的是建设一个安全、灵活、实时性强, 支持多种复杂应用的无线数字网络。无论是市民的简单通信还是各种娱乐媒体业务的实时体验以及应急呼叫指挥中心的运作, 都可以无障碍地在这个无线网络中得到实现。同时, 通过WiMAX系统在各领域的监控指挥中心与全市的智能通信指挥中心之间建立无线连接, 可以构建城市智能通信系统, 从而可以保证各部门步调一致、协调作战, 处理城市中出现的各种突发事件, 如图所示。

城市智能通信系统

在一些城市的公安系统已有很成熟的应用, 如公安应急指挥监控应用、移动安保系统的应用、城市无线视频监控的应用、城市无线定位导航系统的应用、“无线电子政务”的应用等。

无线Mesh 第5篇

无线Mesh网络 (WMN) , 也称为“无线网状网”, 是一种可以提供廉价、可靠无线宽带业务接入服务的新兴无线网络。与传统的无线网络不同, WMN是一个动态的自组织、自配置网络, 具有成本更低、网络维护简单、网络稳定可靠、业务覆盖率高等特点, 是下一代无线通信系统 (如4G) 实现无缝宽带接入的理想组网技术。本文将从数据传输的角度来介绍无线Mesh网络中下行链路的各种数据流量发送算法 (即无线Mesh网络节点到Mesh终端) , 这些算法同样也适用于上行链路。

2 分解队列算法

分解队列法 (SQ) 可以为无线节点中的每一个MAC队列提供两种LLC队列:本地队列和中继队列。其中, 本地队列负责收集本地产生的数据流量, 中继队列负责收集来自其他节点的数据流量。

首先, 输入队列中的分解器根据网络层地址来读取网络层中即将发送到链路层的数据分组, 并将这些数据存入相应的队列中;之后, 输出队列中的调度器利用分解队列算法来处理本地队列和中继队列。

SQ算法是一种连续工作的算法, 因此当某个队列为空时, 该算法就会默认处理其他队列。这种算法可以在802.11b无线网卡中实现, 其中只需要对LLC驱动程序进行改进, 无需改变硬件配置。

3 接入类算法

接入类算法与802.11e EDCA功能有关, 主要包括以下两种:

(1) 802.11e EDCA算法

与802.11 DCF功能相似, 802.11e EDCA算法中的EDCA功能也是基于CSMA/CA策略, 而且利用了帧间空间 (IFS) 和竞争的概念来分别控制信道接入。另外, 802.11e EDCA算法还包括以下特点:

(1) 当802.11e节点抢占到信道时, 该节点就可以在时间间隔 (TXOP) 内传输一个或多个数据分组。

(2) 802.11e EDCA算法中定义了各种接入类型 (AC) , 每一种接入类型都对应了一个唯一的优先级和一组各不相同的参数 (这些参数和优先级用于抢占信道) 。具体来说就是, 工作在EDCA功能下的802.11e节点包含了4种MAC队列, 每一个队列对应了一个唯一的AC, 并代表了一种独立的CSMA/CA协议。

(3) 在每个802.11e节点内, 调度器可以通过发送具有最高优先级的队列来解决各个AC队列之间的虚拟冲突, 例如各个CSMA/CA协议之间的虚拟冲突。

(2) 优先级算法

MAC层中包含了多种队列, 每一种队列属于一种接入类别 (AC) , 各个数据分组根据MAC层地址和流量类型分布在不同的MAC队列中, 因此各个数据分组也属于不同的接入类别。我们将按照优先级从高到低的顺序列出了各种AC类别:AC[0]本地UDP、AC[1]本地TCP、AC[2]中继UDP、AC[3]中继TCP。

所有其他节点都可以实现802.11e协议, 而且如果这些节点不是中继节点, 那么这些节点中的数据流量只能进入AC[2]状态或AC[3]状态;也就是说数据流量的优先级比中继节点本地流量的优先级低;这样, 用户节点就可以作为中继节点来使用, 即用户节点可以使本地流量具有更高的优先级, 从而优先接入信道。另外, 中继节点还可以通过调整其802.11e TXOP来实现突发分组传输。在分析过程中, TXOP可以允许中继节点发送3个连续的分组。显然, 优先级算法需要一个激活的802.11e无线LAN作平台, 而且尽管这种算法的性能比前面介绍的算法更好, 但是这种算法的实现会受到802.11e技术的限制。

4 仿真结果

下面, 我们利用NS-2仿真软件来分析单点中继和多点中继配置、以及4点中继配置中不同数据发送算法的性能, 为选择最佳的中继位置和中继数量提供依据, 从而实现更好的中继传输性能。

4.1 单点中继和多点中继配置

图1和图2分析了网络拓扑的仿真过程。在这两种网络拓扑结构中, 共有5个快速节点, 即靠近Mesh网关 (MG) 的节点, 这些节点与网关之间的链路传输速率为11 Mbit/s;同时, 也有5个慢速节点, 这些节点与网关之间是直接链路, 链路传输速率为1 Mbit/s (也可以采用快速节点作为中继) 。值得注意的是, 中继节点和慢速节点之间的链路传输速率为11 Mbit/s。在此, 我们只分析所有慢速节点接入一个中继节点、以及每个慢速节点接入一个中继节点这两种情况。

仿真过程中的流量包括了下行UDP流量 (如视频流) 和终端服务器TCP互动流量 (无线节点作为终端, 服务器通过有线链路连接到网络) 。

图3和图4给出了单点中继情形中UDP和TCP下行传输链路中可以实现的整体吞吐性能, 该吞吐性能是UDP流量负载的函数。标准配置下的仿真结果显示, 无中继配置中网络吞吐性能会受到偏远节点慢速链路的严重影响, 此时采用中继节点 (即曲线中标记为“中继”的节点) 就可以提高UDP和TCP流量的吞吐性能。和标准配置相比, 中继配置可以显著提高网络的吞吐性能, 但是中继配置只适用于接入类别法 (标记为“AC”和“突发AC”的UDP流量) , 因为分解队列法只能提高TCP流量的吞吐性能, 而不能提高UDP流量的吞吐性能。实际上, 这种中继配置与标准中继配置非常相似。通过对UDP吞吐性能公平性指数进行深入研究, 我们可以发现如下规律:

式中, 变量Xi表示X的n个取样值。图5指出, SQ法是公平性最低的算法 (比标准中继配置中的公平性指数低一点) , 因此SQ法不适合处理图1中的中继流量 (即只有一个节点作为中继节点为其他多个节点提供中继接入) 。

在多点中继情形中 (如图6和图7所示) , UDP吞吐性能与单点中继情形中基本相似, 不同之处在于多点中继情形中AC法可以利用3个分组突发来实现更高的UDP吞吐性能, 但同时也牺牲了UDP的公平性 (即各个中继节点可以发送更多的本地流量) 。如果充分考虑UDP的公平性问题, 那么分解队列 (SQ) 法可以均匀分布各个近节点和远节点的吞吐性能, 同时不会产生标准中继配置中的流量不平衡问题 (在标准中继配置中, 远节点的吞吐性能比中继节点的本地流量吞吐性能高) 。

4.2 四点中继配置

从上面的分析可以看出, 接入类别法可以大幅度提升一般配置中的流量吞吐性能, 以此就可以寻找中继策略和中继节点位置 (以及中继节点数量) 之间的最佳组合点。在802.11网络中, 不同速率的混合传输方案会严重影响网络的整体吞吐性能。图8给出了研究拥挤WLAN中重叠效应的参考网络配置。在图8中, 各个节点之间存在一定的间距, 这样Mesh网关和远节点之间的链路质量就会随着距离的增大而下降, 但这些节点都处于各自的传输范围之内。如果没有某个节点作为中继节点, 那么网关与各个节点 (WN1~WN4) 之间的链路传输速率分别为11Mbit/s、5.5 Mbit/s、2 Mbit/s和1 Mbit/s, 这4种速率分别对应了IEEE 802.11b标准中规定的4种传输速率。

图9中比较了WN3、WN2和WN1分别作为中继节点时的UDP下行传输性能。

图10中比较了上面3种配置中链路传输的可接受公平性。

从这3种情形来看, AC法的吞吐性能还是最好的。其中, 只有WN2作为中继节点时, 网络吞吐性能超过了无中继时的网络吞吐性能 (WN2作为中继节点时的最低传输速率为5.5 Mbit/s) , 这也是因为WN2的中继位置确保了不会出现低速链路, 从而可以将出现链路异常情况的概率降到最低。而在第3种配置中 (即WN1作为中继节点) , 不仅会产生低速链路, 而且与无中继配置相比, 该配置如果不采用AC算法, 将无法实现传输的公平性。

总之, 多点中继情形中的吞吐性能和流量公平性指数为我们很好地说明了不同中继配置情形之间的吞吐性能区别。分解队列法可以确保简单中继方案中各个接入节点具有相同的吞吐性能, 但是其流量吞吐的公平性与流量负载有很大关系, 因此这种方案称为简单中继方案;而802.11e协议可以获得很高的吞吐率增益, 当802.11e协议与中继突发传输结合使用时, 其吞吐性能会更好。公平性最好的情形是无中继的情形, 但其吞吐性能对于突发流量也是最差的。

5 结束语

无线Mesh网络是下一代无线通信系统中可以提供无所不在宽带服务的低功耗理想解决方案。本文从数据传输的角度, 介绍了无线Mesh网络中下行链路的各种数据流量发送算法, 这些算法同时适用于无线Mesh节点和终端, 而且随着无线Mesh网络规模的发展, 这些算法将进一步优化。

参考文献

[1]方旭明.下一代无线因特网技术:无线MESH网络[M].北京:人民邮电出版社, 2006

[2]张彦, 罗济军, 胡宏林.无线网状网:架构、协议与标准[M].北京:电子工业出版社, 2008

新型无线Mesh网络安全性研究 第6篇

无线Mesh网(Wireless Mesh Network,WMN)是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构,即一种高容量、高速率的分布式网络。目前主要观点认为,WMN是一种由无线链路连接路由器和终端设备的静态无线网络,是Internet的无线版本。WMN不同于传统的无线网络,可以看成是WLAN(单跳)和移动Ad Hoc网络(多跳)的融合且发挥了两者的优势。作为一种新型网络结构形态,Mesh结构已被纳入到802.16-2004,802.16e和即将制定的802.1ls标准中。WMN可以通过一些中间节点连接互相远离不能直接连接的无线路由器。

在传统的各种无线接入网络中,拓扑结构主要采用点到点或点到多点的结构形式。一般都有一个中心节点与骨干网直接相连,中心节点负责控制各用户节点的接入和提供到骨干网的网络接口,功能上远比用户节点复杂,成本也比较高昂。无线Mesh网采用的则是一种网状结构,也被称为多点到多点的系统。各用户节点可以通过相邻的其他用户节点以多跳方式实现到骨干网的连接,新用户可以通过他周围的其他用户节点很方便地接入到网络中,由于在网络扩展时不再需要中心节点,无线Mesh网可以极大地减少整个网络的建设成本。

自愈性:WMN可以提供完全的端到端的多重冗余路由,这就意味着如果由于某种原因某个链路失效,网络能自动地更换路由。

可靠性:为了提高链路质量,可通过增加中间节点,即缩短节点之间的距离来实现。

自配置能力:WMN是一种自组织网络,不需要或很少需要人工配置网络。网络能够自动判断并更新网络相关配置。

分散管理问题:由于WMN的分散性,很难实现有线网络那样的集中管理,即使对于低移动性的WMN,网络配置与管理仍然是一个不易解决的问题。

共存干扰问题:对于非许可证频段的WMN必然存在与其他共存网络的无线干扰问题。

安全问题:由于WMN结构本身的脆弱性,极易遭受其他恶意节点的攻击、干扰和窃听,所以安全问题是WMN需要解决的重要问题之一。

2 WMN的安全问题

WMN从技术演化的角度而言,是WLAN技术和Ad Hoc网络技术的结合。基于基础设施的WMN,在STA和MAP之间是WLAN连接,在MP、MAP、MPP之间是一个Ad Hoc网络,因此WLAN和Ad Hoc的安全性都需要考虑。WMN主要存在以下安全问题:

2.1 可用性

有以下几个因素可能导致网络不可用。

1)信号阻塞:恶意节点长时间占用无线链路信道使得正常节点无法发送数据,导致节点不可用。

2)Dos攻击:通过恶意节点或被其控制的节点向正常节点不断发送无用信息,导致节点无法发送正常数据。

3)资源耗尽:节点都有CPU、电源、宽带等限制,攻击者可通过多种方式使节点资源快速耗尽而停止工作。

2.2 节点的保护,防假冒或防俘获

根据Ad Hoc的属性WMN中的设备是变化和调整的,如果有一个假冒节点进入WMN,并成为信息传输中的一个节点,就会导致信息泄密;若假冒节点恶意广播非法路由,将导致网络拥塞或不可用。WMN中的MP设备往往部署在室外路灯上、室内走廊等环境,攻击者非常容易接近设备,获得节点的内部信息,如对称密钥、认证信息等,从而假冒节点,或者更改信息(如邻居节点信息),导致路由信息变更。

2.3 信息的完整性

从源节点到目的节点,信息流经多条无线链路和多个WMN节点,每条无线链路都可能被破坏使信息被截断甚至篡改,导致发送的信息和接受的信息不一致。

2.4 信息的机密性

采用无线链路传输信息,攻击者通过监听就能获得无线链路的数据。这种弱点WMN比WLAN更严重,因为不仅从STA到AP,同时MP之间的链路同样可能被监听。

2.5 路由安全

在WMN中每个节点通常需要多跳才能到达目的网络,因此如果有假冒节点广播恶意路由,将导致网络不可用。由于Mesh无线路由都采用无线链路,节电本身可能是移动的,因此路由是动态调整的(动态路由增加了对一些安全事件的检测难度,如蠕虫攻击),攻击者伪装成合法的节点,发布错误的路由信息,大量占用网络资源,使网络阻塞等,所以必须设计安全的路由协议以对抗针对路由协议的攻击。

2.6 STA认证

上述诸多因素的存在,导致STA被攻击或假冒的可能性大大增加,如认证信息由于信息的机密性无法在多跳之间保证,大大增加了泄密的可能。

2.7 管理信息的安全

作为网关的无线路由器从与它相关联的节点收集管理信息并发送到管理服务器,并使用AES加密这些流量,必须保证这些信息的安全性。

因此,必须针对WMN中特有的安全问题制定相应的策略和解决办法方案。

3 WMN安全解决方案

WLAN主要采用的安全技术有访问控制、认证、加密、数据完整性及不可否认性等,目前主要有WEP(wired equivalent privacy)、WPA(Wi-Fi protected access)和802.11i等协议标准。

访问控制主要利用ESSID、MAC限制,防止非法设备入侵;数据加密采用WEP。WEP是IEEE 802.11b协议中最基本的无安全加密措施,主要提供接入控制,防止未授权用户访问网络。WEP加密算法对数据进行加密,防止数据被攻击者窃听、篡改或伪造。由于ESSID、MAC限制,WEP密钥必须通过人工手动设置。这些基本的无线安全措施特别适合小型企业、家庭用户等场合,无需额外的设备支出,配置方便,且安全防护性好,从终端的访问控制到数据链路中的数据加密都定义了有效的解决方案。但对于银行、证券等大型网络,其现有的网络结构比较复杂且对网络的安全性要求很高,仅使用基本的安全措施并不能完全达到其安全需求。为了进一步加强无线网络的安全性,IEEE 802.11工作组目前正在制定IEEE 802.11i,其标准草案中主要包含TKIP(temporal key integrity protocol)和AES(advanced encryption standard)加密技术以及IEEE 802.1x认证协议。在IEEE 802.11i标准最终确定前,WPA技术将成为代替WEP的无线安全标准协议,为IEEE 802.11无线局域网提供更强大的安全性能。

根据无线连接特性,可将WMN分成两大部分:一是STA到MAP的单跳无线网络连接,二是MAP、MP、MPP等组成的Mesh网络。对于第一部分,可以假设MAP与MP等建立的Mesh网络是安全的,因此这一部分的安全需求等同于WLAN的安全需求,可以采用目前成熟的安全措施,如WAP、802.11i或WEP。考虑到WEP存在一些安全缺陷,如使用重复密码流和共享密钥等,因此在WMN中不建议采用,可采用IEEE802.1X和TKIP替代。目前WMN主要有以下安全解决措施:

3.1 节点身份认证

WMN中节点分为多种角色。其中STA和MAP间的认证与WLAN类似,而MP认证有所不同,每个MP在加入Mesh网络时,都应该向相邻节点进行认证,此时新节点作为申请者,其相邻节点作为认证者。认证可以采取分布式和集中式两种模式。分布式主要可以采用数字证书(CA)或共享密钥模式(PSK),但需要注意,PSK模式无法提供源身份识别。集中式采用AAA服务器。在认证通过后,方能参与后面的密钥协商、密钥交换、路由更新等。802.11s主要推荐使用802.1x。

3.2 路由加密和完整性

为防止路由信息被窃取和篡改,可采用路由信息加密和数字签名来确保安全。在交换路由信息前,节点必须通过认证并协商密钥,但这种模式无法防止被捕获的节点产生错误路由。为防止这种问题,可以采取定期更新路由表以及选举等方式,选出正确路由(因为被捕获这数量应该是比较少的),从而绕开捕获者,确保路由正确。目前有SEAD、CSER、SRP、SAAR、BSAR、SBRP等。

3.3 密钥管理

无论是节点认证还是路由信息的保护,都需要用到密钥,因此WMN需要建立密钥体系,避免每次都重新认证和协商。802.1s的密钥体系可以分为Link Security和Key Distribution两个部分,Link Security用于MKD(mesh key distribute)、MA(mesh key)和Supplicant MP间的密钥生成和分发,Key Distribution用于保障MA和MKD间的安全通信以及PMK-MA密钥的安全分发。

3.4 入侵检测

WMN入侵检测有以下几种模式:

1)独立的入侵检测系统:每个节点自己运行检测程序,并独立对事件进行反应。

2)分布合作式入侵检测:部分节点运行入侵检测程序,通过相互协作实现入侵检测,并对事件进行反应。

3)层次式入侵检测:有一个主控节点对于子节点进行控制,有主控节点负责分析和反应。

3.5 信息的加密和完整性

根据Mesh网络的特点,IEEE专门提出了一个称为Mesh安全关联(MSA)的安全方案。与802.11i方案相比,MSA使用新的密钥体系,建立密钥体系的结构如下。

通过细化MP角色,建立分支和层间隔离强化安全醒。加入新的角色MKD行使代理AS的部分功能,MP与MA和MKD与MA不同的分支间通信使用不用的密钥。

简化认证过程。MP只见关联后不需要每次都进行802.1x验证,即通过一次初始认证后的MP间可以直接关联并进行密钥交换,不需要与MKD或SA进行交互。

MSA节点认证机制实现了MP加入一个Mesh网络时必要的身份认证和相关密钥生成,一个完整的MSA认证过程大致可以分为3个阶段:由一双双向的Peer Link Open/Confirm消息构成的关联阶段;可选的MSA初始认证阶段;MSA 4次握手阶段。

WMN属于对等网络,但是在MSA认证阶段需要组成临时的C/S结构,由Selector MP担任密钥集的确定者,其中角色的确定一般通过对双方MAC地址进行比较得出。在关联阶段,各MP分别像对方发送包含Peer Link Open消息的关联请求帧,Peer Link Open消息通过包含其中的各种IE(information element,信息元素)向对方通告各种后续协商所需的安全参数,这些IE例如通告支持对/组密钥/AKM集和本地储存密钥的RSNIE,通告MSA安全角色信息的MSCIE和通告MSA能力,初始认证参数和选定对/组密钥AKM集的MSAIE等。

在收到Peer Link Open消息后双方比较各自支持的密钥并选择一个用于后续操作。如果从Peer Link Open消息中发现本地储存密钥的存在那么说明密钥体系已经建立,由于有可能通信双方在本地都保存了对双方的PMK-MA,因此需要进行一个密钥选择操作协商选定一个密钥。如果密钥选择操作失败,那么说明必须进行初始MSA认证重新建立密钥体系,这时双方将进行802.1x角色协商,为后续的EAP认证做准备。Peer Link Open消息处理无误后MP将向对方发送Peer Link Open消息确认选定的各种密集、是否进行初始MSA认证及角色协商结果。Peer Link Open主要用于消息同步和和信息一致性,其中不含有新的信息。对Peer Link Confirm消息进行验证并通过后,MP根据配置的策略进行初始MSA认证或加载密钥MSA 4次握手。

如果需要进行MSA初始验证,通行双方开始一个802.1x/EAP认证过程。认证成功后,Supplicant MP和MKD分别计算;MKD为MA生成A Nonce和PMK-MA并使用Mesh Key Transport协议将它们分发个MA;最后MKD将为每个MKD-Supplicant MP对建立一个PMK-MKD SA,并为每个PMK-MA建立一个PMK-MA SA。

如果密钥体系已经建立,即双方已经存在一个共享的PMK-MA并且通过前面的密钥选择操作顺序选定使用的PMK-MA,那么就不需要在进行802.1x/EAP认证了。通信双方使用共享的PMK-MA直接进行MSA 4次握手。在4次握手结束后双方就完成了相互认证,建立并加载了密钥体系。

4 结束语

WMN是下一代无线网络中非常有生命力的技术,但是安全问题限制了其进一步推广,安全问题的解决将会加速其发展。一些新的技术也在研究以解决这些问题。

摘要：随着无线通信和移动计算技术的发展以及越来越高的宽带接入要求,WMN技术受到广泛的关注。然而WMN在设计之初,考虑的主要目标是快速便捷的组网和网络的可扩展性,安全性没有作为重点,各种篡改、假冒用户及窃听等恶意行为将对无线Mesh网的应用造成巨大威胁。如何提高WMN的安全性,成为亟待研究的问题。

关键词：WMN,无线网络,MSA

参考文献

[1]张勇,郭达.无线网状网原理与技术[M].北京:电子工业出版社,2007.

无线Mesh 第7篇

在无线Mesh网络中,节点移动、链路错误和拥塞是造成丢包的主要因素。传统的混合路由协议(如ZRP)由于没有拥塞控制机制,这就大大增加了网络延时。在比较大型的网络中,如果我们传输如多媒体流这样对时延要求比较高的数据时,由于网络拥塞而产生的丢包必将极大的影响整个网络的性能。所以,为了平衡网络的负载,减小网络的拥塞,提出一种带有自适应拥塞控制的混合路由协议是很有必要的。

LB-AZRP是在ZRP的基础上进行改进而成的一种新的路由算法,它将半径自适应区域路由协议(AZRP)和负载平衡(LB)相结合,目标就是根据Mesh路由器负载的变化,自适应的改变区域半径,将网络业务分配到不同的路由器进行传输,以减少由于网络拥塞而造成的丢包,同时提高网络容量并保证网络稳定性。LB-AZRP使用静止的Mesh路由器作为区域中心节点,根据路由器自身的负载状况,决定该路由器所广播的路由信息所能到达的区域半径。同时,LB-AZRP能够提前判断节点的拥塞状况,自适应的采取措施避免拥塞。通过仿真表明,和ZRP相比,LB-AZRP具有更好的网络稳定性及更少的网络时延。

1 LB-AZRP的路由过程

基于负载平衡的自适应区域路由协议(LB-AZRP,Load-Balance Adaptive Zone Routing Protocol)是一种平面结构的混合式路由协议,通过采用定期维护路由和路由缓存技术,先建立Mesh网络的MP主干拓扑和路由表,同时,提出了一种基于LB的更新STA位置的新方法,即由某MP记录所有STA与其所属MAP的对应关系,并给其他节点提供STA位置查询功能,以便在主干路由的基础上对MP及MAP实施负载平衡。

2主干拓扑生成

在LBAZRP协议中,首先每个节点通过NDP协议与相邻节点通信,并计算自己在指定的区域半径内能够通信的最大节点个数,挑选出能通信节点个数最多的节点,作为域节点,即MAP节点。以该MAP节点为中心,在指定的区域半径内能够与之通信的节点形成一个通信域。域外的节点继续按照此方法生成其他域。直到所有节点都有自己所属的域。

然后,对于非MAP节点,且该节点所属的MAP无法联系到MP节点,则计算这些节点在指定的区域半径内能通信的MAP的个数,挑选出能通信MAP节点个数最多的点,作为一个MP节点,若某节点可以与MP通信则不参与统计,直到最多生成32个MP节点为止。

MP及MAP节点之间开始通过BRP协议进行通信,并生成主干路由表,其余的Mesh客户端作为STA,根据负载均衡算法分别接入相应的MAP,这些STA不进行路由更新,而由MP通过先应式的路由协议维护主干拓扑结构和路由表,由于Mesh网络规定最大的Mesh节点数是32个,所以32个MP可以实现快速路由的效果,而不会产生过多的路由维护开销。

生成主干MP拓扑后,再采用根网桥选举算法从这些MP中选举出一个MP作为STA位置查询服务器,用来存放所有STA及其所属MAP的MAC地址,以便在路由时快速提供目的STA所属的MAP的查询服务。若MP在路由时发现该查询服务器失效,则该MP向全网通告查询服务器失效,并发起重新选举的请求。

STA不直接与MP连接,而是与某个MAP连接,并在MAP上注册自己的MAC地址,之后MAP将自己的MAC地址与接入的STA的MAC地址再注册在STA位置查询服务器上。

3 LB-AZRP路由协议算法流程

在前面的内容中,我们分两部分讨论了我们提出的改进的混合路由协议LB-AZRP,包括LB-AZRP的路由过程和LB-AZRP的负载平衡路由算法。

在本章的第一节内容中,我们详细讨论了我们提出的改进混合路由协议LB-AZRP的路由过程,包括主干拓扑成过程、路由发现过程和路由维护过程;在第二节内容中,我们又特别介绍了负载平衡路由算法,其中包括拥塞监测机制、拥塞自适应控制、随机路由选择三部分内容。

在本节内容中,为了更清楚明白的讲述LB-AZRP协议的整个算法流程,我们将LB-AZRP路由协议的两大部分路由过程和负载平衡路由算法结合起来,从整体来讨论LB-AZRP协议的算法流程。

我们所提出的改进的混合路由协议LB-AZRP同传统的典型混合路由协议ZRP一样,LB-AZRP路由协议也是采取表驱动形路由方式和按需驱动型路由方式协同工作的方式获得路由信息,当Mesh客户端节点访问Internet业务或者是要与处在相同路由器广播区域的Mesh客户端节点进行通信时,采用表驱动型寻路由方式获得路由信息;Mesh客户端节点需要与处在不同路由器广播区域的Mesh客户端节点进行通信时,采用按需驱动型寻路由方式获得路由信息。同时,我们将混合路由协议和负载平衡机制相结合,解决了网络拥塞问题,并减少了网络延时和协议控制信息开销,原理及操作简单。

LB-AZRP路由协议的算法流程可由图2所示。

参考文献

[1]The Working Group for WirelessLAN.http://www.ieee802.org/11/.

[2]IETF Mobile Ad hoc Networks harter.http://www.ietf.org/html.charters/manetcharter.html.

[3]Xiao Yang.Accountability for wireless LANs,ad hoc networks,and wireless Mesh networks.IEEE Communications Magazine.Apr2008.116-126.

无线mesh网络多径路由算法研究 第8篇

无线mesh网络是一种新型的宽带无线接入系统, 是由无线链路连接路由器和终端设备的静态多跳无线网络。它可以看做是WLAN和移动Ad hoc网络的融合, 因此, 无线mesh网络结合了Ad hoc和WLAN网络的拓扑特点, 具有可靠性、自组织性和自愈性的特点。随着人们对互联网依赖和移动通信需求的不断提高, 人们希望在任何时间、任何地点都能够与任何人进行快速、高质量的通信, 而且能够连接到互联网随时随地地获取互联网上丰富的资源和服务, 无线mesh网络技术的逐渐成熟加速了宽带无线互联网时代的到来。

由于无线mesh网络是一种具有自组织、自管理的智能型网络, 它不需要主干网就可以构造出动态的、富有弹性的网络结构, 具有前期投入少、覆盖范围广、抗干扰能力强、扩展能力强、网络结构灵活、维护方便、可靠性高和兼容性好等特点。

路由技术向来是任何网络结构中的研究重点与难点, 是保证网络得以部署和运行的关键。目前, 无线mesh网络中主要采用的单路径路由算法。单路径是否最优并不重要, 由于无线mesh网络动态性较强, 若花费太多的代价去寻找最优路径, 那么可能该路径还没有使用就失效了。在单路径环境中, 自适应的路由方式还容易产生振荡现象。因此, 单路径路由算法很难对网络的拥塞进行控制。针对无线mesh网络本身的特性, 国内外不少专家学者开始对多路径技术进行研究, 主要思路是在源节点与目标节点之间建立多条路径进行传输, 来实现网络负载均衡、充分利用网络资源。本文在这个基础上提出一种基于无线mesh网络中自适应流量分配算法。它从无线mesh网络路径的动态信息中得到各路径的权值, 根据权值大小自适应地按比例分配数据流量到各条路径上进行传输。

2 系统模型的建立及权值的计算

图1为一个简单的网络拓扑结构, 从图中可以看到, 从源节点 (s) 到目标节点 (d) 之间存在n条跳数最小的路径, pmin表示跳数最小的路径集, 用palt表示可选路径集。那么所有可用的路径集为p=pminUpalt。这里源节点s和目标节点d之间由n条非交叉的路径1p、p2、、pn相连。假设对于源节点s来说已知路径pk的带宽容量为ck, 并且设定源节点s的数据流以平均速度λ到达, 服从泊松分布;停留时间为, 服从指数分布。为了方便, 设定每个流消耗1单位的带宽, 也就是说, 路径pk能在任何时间供给ck条流。

于是, 问题转化成研究如何沿着这n条路径传输数据流使得整体的阻塞可能性最小, 吞吐率最大。本文的思路是根据源节点s和目标节点d之间不同路径的权值来调整各路径中的流量分配。即根据路径权值的大小按比例分配数据流量, 从而解决流量分配的均衡问题。

路径可靠性的权值, 这里选择延时参数, 这是由于路径询问消息 (RREQ) 和路径回复 (RREP) 中的路径质量参数都包含了延时参数。对于任意节点, 可以得到2个相对于目标节点的最小延时值, 一个是RREQ消息的延时时间, 另一个是RREP的延时时间, 本文取两者的平均值, 假设从源节点到目标节点第k条路径的传输延时为该路径的长度, 其大小为源节点收到的RREP消息累计延时的一半记为

假设从源节点到目标节点的最短延时为最短长度, 记为lmin (s, d) , 对于链路 (i, j) , 如果lmin (j, d)

于是可以得到有效链路 (i, j) 的权值为

其中, 记为与节点i相连的所有有效路径的平均长度, k为分配参数, 由与节点相连的链路数决定取值, 通常取3.0～3.5。

综上可知, 节点i的权值为节点i所邻接的各有效链路的权值之和

得出各路径的权值为

可靠性与路径的权值直接相关, 路径的权值越大, 可靠性就越大, 这是对每条路径进行数据流量分配的基础。

3 路径选择

在源节点与目标节点之间可能存在多条跳数最小的路径pmin和可选路径palt。因此, 所有可用的路径为p=pminUpalt。不过, 这中间可能有部分路径的性能很差, 以至于不能用来传输数据, 在分配流量时, 就不再使用这些路径。也就是说在分配流量比例的时候, 只需要用到那些性能比较可靠的路径。对于一组合格的路径pelg, 采用加权轮询路径选择方式, 根据它的权值选出一条路径p∈pelg, 算法选择使用一个确定的算法来保证流量比例维持在一个尽可能小的时间窗内。它采用确定的路径队列, 队列中的路径都以一个与流量比例相近似的频率周期性地发布。它通过生成一个路径队列来实现, 这些路径在尽可能小的时间窗内维持流量比例。这个队列由加权轮询路径选择方式快速地产生, 对于每个流入的数据, 加权轮询路径选择方式生成队列中的下一条路径, 数据流量分布到这条路径上去, 具体过程用程序表示如图2:

4 流量分配比例计算

根据前面建立的多路径模型以及计算得出的所有路径的权值, 按照路径权值的大小顺序进行排序, 确定使用的n条路径为权值排在前列的n条路径。显然, 流量分配比例与路径的权值大小成正比, 即权值越大的路径分配到的流量比例也相应越大, 权值小的路径相应分配的流量比例也小, 甚至由于部分路径的权值太小而导致性能太差, 可能根本不会使用。因此, 在这里设rpk为分配到路径pk的流量比例, 则有rpk>rpk+1。

对于每条路径的流量比例分配, 应考虑到流量小的情况。如果数据流量较小, 根本不需要使用多条路径来进行传输, 因为较小的数据流量采用多条路径进行传输, 所花费的开销过大, 效率反而不高甚至更低。所以在数据流量较小的情况下, 我们选择其中的最优路径来传输, 也就是权值最大的第一条路径。即这条路径此时的传输比例为1。多路径主要是针对数据流量较大的业务。分配给各条路径的流量比例计算方式如下:

这里, 考虑到由于无线mesh网络的动态性, 网络拓扑结构经常发生变化, 路径状况必然也是经常改变。所以对路径权值的计算要周期的进行更新。

本文的算法中, 所有节点均采用分布式推进方法交换信息, 每个节点保留它能侦听到的相邻节点的IP地址。每个节点规则地广播一个HELLO消息。HELLO消息包括以下几个域:{节点i的地址, 相邻节点j的地址, 链路 (i, j) 状态参数。当节点i收到相邻节点j返回的HELLO消息时, 可得到链路 (i, j) 的延时参数, 以这个参数更新节点中记录的路由状态信息的延时参数, 从而更新路径权值, 保证路径权值能适时的反应当前的网络拓扑情况。当一个节点i连续三次没有收到其邻居节点j的HELLO消息时, 就认为它们之间的连接中断, 链路延时为无穷大, 权值相应变为0。

网络拓扑每次发生变化就马上进行权值的更新, 其代价很大没有必要。本文设置一个时间周期, 在每个时间周期结束时就重新计算流量的分配比例{rpk, pk∈P}。一个时间周期由η个循环组成, η是用来控制统计流量的健壮性和稳定性的可配置的系统参数, 主要由网络拓扑变化情况和负荷稳定程度来确定, 如果变化较慢就设置值大一些, 变化快时设置值相对小一些。流量分配得越正确, 时间周期就越稳定。η的取值一般在1～3之间。在每一个时间周期里, 如果网络拓扑不发生巨大变化, 每条路径分配的流量比例就相应的稳定。在一个时间周期结束后, 才根据更新后的权值重新计算流量比例。

如果在一个时间周期内网络拓扑发生巨大变化, 比如说多数路径都中断了, 这时必须重启路径发现程序, 触发权值计算过程, 重新计算各路径的数据流量分配比例。

5 仿真结果及分析

本文采用NS-2仿真平台对算法进行验证。利用random waypoint model作为节点的移动模型。主要参数设置为:MAC层使用IEEE802.11协议, 信道带宽为2Mbit/s, 节点数量为50个;在区域1km1km上的数据包发送率为10包/s, 数据包大小为64B;业务流类型为CBR (constant bit rate) ;移动距离为250m, 整个仿真时间为300s。仿真结果如图3～图5所示:

从图3可以看出AODV算法与本文提出的算法ADMR的负载情况。ADMR有效地限制了控制包的洪泛区域, 也减少了路由的负载。并且由于ADMR根据路径权值的大小去掉了不稳定及效率低的路径, 所以有更小的路由负载。

图4显示了节点移动的速度对路径平均延迟的影响:ADMR的路由平均延迟随速度的增加比AODV的增加明显更小。

两个算法的数据包投递率如图5所示。随着速度的增加, AODV的数据包投递率也有一定的下降。ADMR采用多条路径进行传输, 减少了丢包的可能性, 并且高质量的路由也保证了数据包的高投递率。

6 结论

本文提出的基于动态网络拓扑的自适应流量分配算法ADMR, 通过计算各路径的权值, 根据权值去掉不稳定及效率低的路径;流量依据权值的大小按比例自适应的分配到各条路径进行传输, 保证了数据包稳定传输, 提高了网络的数据包的高投递率。

摘要：无线mesh网络以其鲁棒性、覆盖区域广、低成本、接入便利等特点日益成为无线接入网络的主要形式, 在无线通信技术中扮演越来越重要的角色。针对无线mesh网络的特点, 本文提出一种基于动态拓扑的多路径自适应流量分配算法。此算法根据路径质量的权值动态地给各路径分配数据流量比例。仿真结果表明, 此算法保证了数据包的稳定传输以及提高了数据包的投递率。

关键词：多路径,mesh网络,自适应

参考文献

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无线Mesh 第9篇

该文结合东南大学国家重点实验室的石油传感器数据采集网络的项目背景，分析了时延带来的碰撞问题，以及在多大的范围内这种碰撞带来的影响大小。对比了cell结构下的时延问题，分析了其TA解决方案的不适用性，并提出了改进的方案以解决Mesh结构下的新问题。

1 无线网络的时延问题

无线信号在空间上的传播是全方向的，而不是定向的。这就是各节点发出的信号是共享空间资源的。若采用TDD的工作方式，而其它资源如频率和码域等都共享的情况下，则时间上的分配在共有空间上必须做到完全独立，不然则可能发生冲突。

1.1 无线情况下的时延

考虑一个3km的传输距离，无线传输的点到点时延t=3km/c=0.01ms。802.16-2004标准下Mesh模式的帧长为2.5-20ms。选取一种短帧T=2.5ms的情况来分析，一个TDD帧除去前端的控制子帧，剩下部分划分成了256个minislot，则每个minislot所占的时长为2.5/256≈0.01ms，这与传输时延是在一个数量级别上。考虑如图1所示A的网络拓扑情况。

其中d(A,C)=2km,d(A,D)=5Km。这样C,D两点信号传输到A点的传播时间差将是0.01ms左右，若在时隙分配算法中DC两个节点分别分配得到前后紧邻的两个时隙来传输各自信息，D在前而C在后，那么两个无线信号到达A的时刻将要重叠掉0.01ms，即大约是一个minislot大小的时隙。于是可能产生碰撞。

1.2 时延的影响

时延的影响范围与网络的覆盖范围有密切的联系，考虑GSM网络的覆盖范围设为3KM，即超出3KM的范围的MS系统拒绝其接入。这个范围下时延的大小τ=3km/c=0.01ms。中国移动GSM网络的比特速率为270Kbit/s，在τ内所传输的比特数约为3bit。即时延对GSM网络的影响范围是3Bit的滑动。

802.16-2004的室外覆盖范围达50KM，数据传输速率达到70Mbit/s。这个范围下的时延大小为τ=50km/c=0.17ms。

2 GSM网络cell结构中的解决方案

前面的讨论中谈到，因为有传输时延的影响，无线信号的到达时间相对于发送有一个时间偏移。不同的节点间的位置关系不同，传输距离不同，这个时间偏移量也不相同。

GSM网络也是一个时分的体制，所以这个问题也是不可避免的。在广泛商用的GSM网络中，它是有一个专门的用来处理这种点到点的时延问题的机制的。

在GSM网络中设有一个TA值，TA(time advance)即时间提前量。它的值的大小为d/v，这里的距离d是移动台MS相对于基站的距离，这个提前量也就是无线信号从MS传输到基站BS(或反过来)所需的时间。不同的MSn就有不同的TAn。

引入这个提前量之后，MSn在每次需要发送数据时，相对所分配的时隙提前TAn时间发送，这样他们到达基站的时间严格按统一的标准，在BS处的时隙上严格占据分配给自己的那个时隙(如图2所示)。而对于下行，只有BS一个在发，BS按照自身的时间轴，在不同时隙把信号发送给不同的MSn,MSn只要提前各自的TAn去真正属于自己的那个时隙里接收就能收到发送给自己的信息，这样就不会存在碰撞的问题(如图3所示)。

3 方案改良及其他方向

在GSM网络的TA方案中，我们可以看到，问题的解决得益于，无论上下行时隙的定义都找到了一个共同的参考，即BS处的时间坐标。应该说Ta值方案的提出就是针对cell结构的。GSM网络是一个cell结构，即一个中心基站，多个移动台。因为它有1个中心，上下行信号都以BS为中心来发送和接收，所以一个共同的时间基准本身是存在的。TA值的引入只是把不同MS处的时间统一调整到BS这个共同的时间基准上来，从而屏蔽了不同空间的时间维度差异所造成的碰撞。接下来我们将讨论这个方案移植到Mesh网络的情况。

3.1 TA方案在Mesh模式下的不适应性

在Mesh模式下，若是用这种传统的TA值的方法，首先碰到的一个问题是TA值，TA相对谁提前呢?因为在Mesh网络里所有节点将是平等的，没有所谓中心站的概念。时间提前量将没有一个统一的标准了。

3.2 新的网络环境中的应用TA思想

TA在Mesh模式下的不适应性主要原因是没有一个基准，所以要利用它，关键的问题是找到共同的标准。考虑一个节点的接收问题，如果所有发给同一个节点A的信号都相对节点A做提前，这样算是找到了参考的标准，我们来分析一下它的可行性。对于发送给A点的信号能做到各个时隙严格的分割开来。但是这只是一个节点，在Mesh中每个结点是平等的，所以有多少个节点就有多少个这样的标准。这样所有发送给A的信号不会发生冲突，但是发给B的信号却可能与发送给A的信号冲突。因为发给B的信号是相对B做的提前，它保证在B的时间轴上不与这个轴上的A的时隙冲突。但是这个轴上的A时隙不是实际A轴上的A时隙，而有一个时间偏移，所以可能出现碰撞。

如4图示，有线段相连的节点之间有邻居关系，当B有数据发送给C，同时E有数据传输给A，考虑E,B发出的信号都能传到A点，这时候有效的时隙分配算法肯定会在两个不同的时隙上安排适当的带宽给B,E。但是因为没有考虑时延的影响，很可能在分配给B传输的时隙之后下一个minislot开始的时隙就分配给E了。由于B离A的距离比B离C的距离远，所以B发出的数据到达A点时将推迟一些，于是与E发出的信号重叠了，即发生冲突。

现在，对于这个方案的移植来说，关键的是如何解决发送给不同的节点的信号因为相对不同参考系而造成的冲突问题。确切的来说，只有在一个结点发送给它的一个邻居而另一距离更远的邻居下一时隙正好接收信号的时候，冲突才会产生。因为不是邻居的节点(remote node)的信号传不过来，也就不会造成节点的接收冲突。只要解决了这种冲突，TA值方法就能很好的解决Mesh中的时延碰撞问题。

为解决这个问题，我们要考虑当一个节点A分配了一时隙用于发送给其邻居B时其后的时隙不再分配A的距离大于da-b(即TAa-b

3.3 Mesh下新的TA方案

通过上面的分析，我们知道，当一个节点发送时由于其不同邻居的距离不同，提前的TA的参考系只是目的节点，而没有考虑无线信号到达别的邻居时的位移，只有在这种情形下才会产生上述GSM网络中没有的额外的碰撞问题。所以问题的关键也就转移到了解决与不同邻居的参考系的冲突问题。

在TDD的Mesh系统中，MAC层有时隙分配的算法来保证各节点之间的发送和接收不产生碰撞。解决时延问题的方法即是在这个时隙分配算法中增加一些约束条件。

针对问题我们提出了以下2种解决方案。两种解决方案示意图如图5所示。

1)增大保护间隔的思想，若根据时隙分配算法，分配了连续的两个时隙分别用于A发送给其一邻居B而下一时隙用于分配给A的另一邻居C接收，而TAa-b

2)在带宽分配即分组调度算法中考虑加入时延影响，设置约束条件，在某一时隙分配给A用以发送给其一邻居B时，下一时隙不能分配给其另一邻居C(若TAa-b

这两种方案的比较：加保护间隔方法通过增大开销减少碰撞，时隙分配算法中加入时延影响约束条件的方法则通过增加算法复杂度避免了碰撞发生的可能性。

4 结束语

该文通过对GSM网络中TA值方法的改进，成功的把TA值思想移植到了Mesh网络中，提出了新环境下新问题的解决方案。

摘要：该文根据无线Mesh网络节点间的均衡特性,研究了网络在TDD方式下时延问题的影响。参考GSM网络中的TA(时间提前量)的方法,分析了TA方案在Mesh结构下的不适应性,以及提出了基于TA思想的改进方案使之适应Mesh特殊的网络结构。

关键词：无线,Mesh,时延碰撞,TDD,TA时间提前量

参考文献

[1]IEEE Std802.16-2004.2004.10.1.