作者： 解亞琦;張海林;趙力強(qiáng);曾憲瑋 來源：西安電子科技大學(xué)ISN國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

無線接入是最為自由，也是最受歡迎的一種接人手段。近年來，各種寬帶無線接入（BWA）技術(shù)開始得到快速發(fā)展。在BWA技術(shù)中，IEEE802.1l定義的WLAN是發(fā)展相對成熟的一種，在IEEE802.11中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)配置模式。一種采用有中心結(jié)構(gòu)，稱為AP模式或是In-frastructure模式。另一種采用無中心結(jié)構(gòu)，稱為Ad Hoc模式。當(dāng)WLAN用于接入環(huán)境時(shí)，一般都采用有中心的AP模式，因?yàn)樵谶@種模式下，通過AP接入主干網(wǎng)十分方便。但是，在WLAN中使用AP作為接入環(huán)境有一個(gè)十分重要的條件，這就是無線站點(diǎn)（STA）必須位于可以直接與AP聯(lián)通的環(huán)境中。這些條件對實(shí)際組網(wǎng)形成了一個(gè)十分不利的限制。而當(dāng)前受到廣泛關(guān)注的Mesh網(wǎng)正在努力克服這一限制。 本文主要是在MAC層采用IEEE802.1l的條件下，比較基于DSR路由協(xié)議的PMP網(wǎng)絡(luò)和Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。

1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1.1 什么是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)

無線Mesh網(wǎng)（Wireless Mesh Network，WMN）是一種多跳、具有自組織和自愈特點(diǎn)的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)。目前主要觀點(diǎn)認(rèn)為，WMN是一種由無線鏈路連接路由器和終端設(shè)備的靜態(tài)無線網(wǎng)絡(luò)，是Internet的無線版本。WMN不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，可以看成是WLAN（單跳）和移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（多跳）的融合且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢。作為一種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)，Mesh結(jié)構(gòu)已被納入到802.16-2004，802.16e和即將制定的802.1ls標(biāo)準(zhǔn)中。WMN可以通過一些中間節(jié)點(diǎn)連接互相遠(yuǎn)離不能直接連接的無線路由器。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的各種無線接入網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式。在點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)中，一般都有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與骨干網(wǎng)直接相連，中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制各用戶節(jié)點(diǎn)的接入和提供到骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，功能上遠(yuǎn)比用戶節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，成本也比較高昂。無線Mesh網(wǎng)采用的則是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，也被稱為多點(diǎn)到多點(diǎn)的系統(tǒng)。各用戶節(jié)點(diǎn)可以通過相鄰的其他用戶節(jié)點(diǎn)以多跳方式實(shí)現(xiàn)到骨干網(wǎng)的連接，新用戶可以通過他周圍的其他用戶節(jié)點(diǎn)很方便地接入到網(wǎng)絡(luò)中，由于在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)不再需要中心節(jié)點(diǎn)，無線Mesh網(wǎng)可以極大地減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

1.3 無線Mesh網(wǎng)的特點(diǎn)

自愈性WMN可以提供完全的端到端的多重冗余路由，這就意味著若由于某種原因某個(gè)鏈路失效，網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)地更換路由。

可靠性 為了提高鏈路質(zhì)量，可通過增加中間節(jié)點(diǎn)，即縮短節(jié)點(diǎn)之間的距離來實(shí)現(xiàn)。

自配置能力 WMN是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，不需要或很少需要人工配制網(wǎng)絡(luò)。因而，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)判斷并更新網(wǎng)絡(luò)相關(guān)配置。

分散管理問題 由于WMN的分散性，很難實(shí)現(xiàn)像有線網(wǎng)絡(luò)那樣的集中管理，即使對于低移動(dòng)性的WMN，網(wǎng)絡(luò)配置與管理仍然是一個(gè)不易解決的問題。

共存干擾問題 對于非許可證頻段的WMN必然存在與其他共存網(wǎng)絡(luò)的無線干擾問題。

安全問題 由于WMN結(jié)構(gòu)本身的脆弱性，極易遭受其他惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊、干擾和竊聽，所以安全問題是WMN需要解決的重要問題之一。

1.4 無線Mesh網(wǎng)的應(yīng)用

Mesh網(wǎng)絡(luò)將可以被政府與市政應(yīng)用，為城內(nèi)（如公園等公共場所）的市民提供寬帶無線接入。可成為本地的商業(yè)企業(yè)和傳媒等潛在伙伴，為旅游觀光客人等提供旅游信息的寬帶接入。為無線服務(wù)提供商（WISP）提供熱點(diǎn)地區(qū)的服務(wù)覆蓋的延伸，向移動(dòng)用戶提供高性能的Internet接入服務(wù)。在教育上，將大學(xué)校園網(wǎng)覆蓋延伸到校外，向身處校外的學(xué)生和教職員工提供無處不在的寬帶接入。另外在應(yīng)急通信臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)（臨時(shí)集群通信系統(tǒng)），還能為警察、消防等提供應(yīng)急通信服務(wù)，特別是在通信基礎(chǔ)設(shè)施遭受破壞的突發(fā)事件現(xiàn)場更加重要。他還能為城市地鐵、輕軌等通勤車輛提供移動(dòng)Wi-Fi接入，通過站臺無線AP，為車內(nèi)旅客建立移動(dòng)Wi-Fi環(huán)境，站間信號可以通過安裝多個(gè)無線AP來延伸站內(nèi)信號。在無線數(shù)字化家庭，Mesh能輕松構(gòu)成多媒體家庭無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)家庭安全系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、家庭Internet接入、家庭通信設(shè)備互聯(lián)等。

2 無線Mesh網(wǎng)的路由協(xié)議

Mesh路由協(xié)議基本同Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，目前幾種典型的路由協(xié)議有：DSDV（目的序列距離矢量路由協(xié)議）、DSR（動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議）、TORA（臨時(shí)按序路由算法）和AODV（Ad Hoc按需距離矢量路由協(xié)議）等。

DSR是一種對等的、基于拓?fù)涞姆磻?yīng)式自組織路由協(xié)議。他的特點(diǎn)是采用積極的緩存策略以及從源路由中提取拓?fù)湫畔?。圖2為DSR的路由創(chuàng)建。

2.1 路由發(fā)現(xiàn)過程

（1） 當(dāng)源節(jié)點(diǎn)沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由時(shí)，廣播一個(gè)路由請求報(bào)文。

（2） 每個(gè)收到該報(bào)文的中間節(jié)點(diǎn)附加上自己的ID然后重新廣播（忽略重復(fù)請求和已經(jīng)包含自身ID的報(bào)文）。

（3） 當(dāng)路由請求到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)（或者某個(gè)知道某條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由的中間節(jié)點(diǎn)）時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)可以確定一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的完整的源路由。

（4） 目的節(jié)點(diǎn)（或中間節(jié)點(diǎn)）將所得的源路由包含在路由響應(yīng)報(bào)文中，然后沿著反向路由發(fā)送回源節(jié)點(diǎn)（或者附帶在目的節(jié)點(diǎn)的路由請求報(bào)文中）。

（5） 源節(jié)點(diǎn)收到路由響應(yīng)報(bào)文后，將源路由存入緩存，并添加到每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的頭部。中問節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭中的源路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)。

在DSR中結(jié)合了許多基于積極緩存和拓?fù)湫畔⒎治龅膬?yōu)化措施。例如，中間節(jié)點(diǎn)可以從數(shù)據(jù)報(bào)的頭部獲得到達(dá)所有下游節(jié)點(diǎn)的路由，通過合并多條路徑的路由信息還可以推演出更多的拓?fù)湫畔?。此外，如果設(shè)置節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口工作在混雜模式下，通過監(jiān)聽鄰居節(jié)點(diǎn)使用的路由，節(jié)點(diǎn)還可能獲得更多的拓?fù)湫畔?。通過這些方式，節(jié)點(diǎn)可以將越來越多的“感興趣”的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒋嫒司彺嬉蕴岣呗酚刹檎业拿新?。高的緩存命中率意味著可以減少進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程的頻率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬。不過，積極緩存也會(huì)增加將過期的路由信息注入到網(wǎng)絡(luò)中的可能性。

2.2 路由維護(hù)過程

（1） 如果在數(shù)據(jù)報(bào)的逐跳傳輸過程中發(fā)現(xiàn)鏈路失敗，則可以由中間節(jié)點(diǎn)使用緩存中的可用路由來代替原頭部中含有失敗鏈路的路由，同時(shí)向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由錯(cuò)誤報(bào)文。

（2） 中間節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽路由錯(cuò)誤報(bào)文以刪除失敗路由（減小緩存錯(cuò)誤路由信息的影響）。

（3） 如果路由失敗，則由源節(jié)點(diǎn)重新開始一次新的路由發(fā)現(xiàn)過程。

（4） 如果節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)頭部的源路由中包括自己的ID（例如由于拓?fù)渥兓a(chǎn)生更短的路由），可以主動(dòng)發(fā)送路由響應(yīng)報(bào)文告知源節(jié)點(diǎn)存在更短路由。

3 仿真參數(shù)設(shè)置，仿真結(jié)果及分析

仿真工具選取的是OPNET，仿真范圍為300 m*300 m，MAC層采用的是IEEE802.11協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)固定的情況下，比較基于DSR的PMP和Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真參數(shù)設(shè)置如下：

Data rate（bps）：2Mbps

Physical Characteristics：Frequency Hopping

Start time（seconds）：100.0

Packet Inter-Arrival Time：exponential（1）

Packet Size（bits）：exponential（1024）

Destination IP Address：Random

Stop Time（seconds）：End of Simulation

仿真中，在相同的負(fù)載下，選取以下幾個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析：端到端時(shí)延（Delay），吞吐量（thouhput）。端到端時(shí)延指的是將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所需要的延遲時(shí)間，吞吐量為每單位時(shí)間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。仿真結(jié)果如圖3～圖6所示。

仿真結(jié)果表明，在相同的負(fù)載條件下，Mesh網(wǎng)絡(luò)的吞吐量大于PMP網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，Mesh網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延小于PMP網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延?；贒SR路由協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)于相同負(fù)載下與其具有可比性的PMP網(wǎng)絡(luò)的性能。

4 結(jié) 語

無線Mesh網(wǎng)的組網(wǎng)能力強(qiáng)，靈活方便，具有自適應(yīng)性、可靠性、可擴(kuò)充性等優(yōu)點(diǎn)。在成熟的寬帶無線接人中，例如在IEEE802.11和IEEE802.16，都已引入無線Mesh技術(shù)，相信在不久的將來，無線Mesh技術(shù)將使寬帶無線接人更加靈活方便。

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