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作者： 解亞琦;張海林;趙力強;曾憲瑋 來源：西安電子科技大學ISN###重點實驗室

無線接入是###為自由，也是###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WLAN用于接入環(huán)境時，一般都采用有中心的AP模式，因為在這種模式下，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)境有一個十分重要的條件，這就是無線站點（STA）必須位于可以直接與AP聯(lián)通的環(huán)境中。這些條件對實際組網(wǎng)形成了一個十分不利的限制。而當前受到廣泛關(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)的拓撲結(jié)構(gòu)和特點

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)。目前主要觀點認為，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標準中。WMN可以通過一些中間節(jié)點連接互相遠離不能直接連接的無線路由器。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的各種無線接入網(wǎng)絡(luò)中，拓撲結(jié)構(gòu)主要采用點到點或點到多點的結(jié)構(gòu)形式。在點到多點結(jié)構(gòu)中，一般都有一個中心節(jié)點與骨干網(wǎng)直接相連，中心節(jié)點負責控制各用戶節(jié)點的接入和提供到骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接口，功能上遠比用戶節(jié)點復(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)，也被稱為多點到多點的系統(tǒng)。各用戶節(jié)點可以通過相鄰的其他用戶節(jié)點以多跳方式實現(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)點很方便地接入到網(wǎng)絡(luò)中，由于在網(wǎng)絡(luò)擴展時不再需要中心節(jié)點，無線Mesh網(wǎng)可以極大地減少整個網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

1.3 無線Mesh網(wǎng)的特點

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鏈路失效，網(wǎng)絡(luò)能自動地更換路由。

可靠性 為了提高鏈路質(zhì)量，可通過增加中間節(jié)點，即縮短節(jié)點之間的距離來實現(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，很難實現(xiàn)像有線網(wǎng)絡(luò)那樣的集中管理，即使對于低移動性的WMN，網(wǎng)絡(luò)配置與管理仍然是一個不易解決的問題。

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�？沙蔀楸镜氐纳虡I(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）提供熱點地區(qū)的服務(wù)覆蓋的延伸，向移動用戶提供高性能的Internet接入服務(wù)。在教育上，將大學校園網(wǎng)覆蓋延伸到校外，向身處校外的學生和教職員工提供無處不在的寬帶接入。另外在應(yīng)急通信臨時網(wǎng)絡(luò)（臨時集群通信系統(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Wi-Fi接入，通過站臺無線AP，為車內(nèi)旅客建立移動Wi-Fi環(huán)境，站間信號可以通過安裝多個無線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（動態(tài)源路由協(xié)議）、TORA（臨時按序路由算法）和AODV（Ad Hoc按需距離矢量路由協(xié)議）等。

DSR是一種對等的、基于拓撲的反應(yīng)式自組織路由協(xié)議。他的特點是采用積極的緩存策略以及從源路由中提取拓撲信息。圖2為DSR的路由創(chuàng)建。

2.1 路由發(fā)現(xiàn)過程

（1） 當源節(jié)點沒有到達目的節(jié)點的路由時，廣播一個路由請求報文。

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

（3） 當路由請求到達目的節(jié)點（或者某個知道某條到達目的節(jié)點的路由的中間節(jié)點）時，目的節(jié)點可以確定一條到達目的節(jié)點的完整的源路由。

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

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

在DSR中結(jié)合了許多基于積極緩存和拓撲信息分析的優(yōu)化措施。例如，中間節(jié)點可以從數(shù)據(jù)報的頭部獲得到達所有下游節(jié)點的路由，通過合并多條路徑的路由信息還可以推演出更多的拓撲信息。此外，如果設(shè)置節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)接口工作在混雜模式下，通過監(jiān)聽鄰居節(jié)點使用的路由，節(jié)點還可能獲得更多的拓撲信息。通過這些方式，節(jié)點可以將越來越多的“感興趣”的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息存人緩存以提高路由查找的命中率。高的緩存命中率意味著可以減少進行路由發(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 路由維護過程

（1） 如果在數(shù)據(jù)報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，同時向源節(jié)點發(fā)送路由錯誤報文。

（2） 中間節(jié)點監(jiān)聽路由錯誤報文以刪除失敗路由（減小緩存錯誤路由信息的影響）。

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

（4） 如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)報頭部的源路由中包括自己的ID（例如由于拓撲變化而產(chǎn)生更短的路由），可以主動發(fā)送路由響應(yīng)報文告知源節(jié)點存在更短路由。

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，在相同的負載下，選取以下幾個方面進行統(tǒng)計分析：端到端時延（Delay），吞吐量（thouhput）。端到端時延指的是將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點發(fā)送到目的節(jié)點所需要的延遲時間，吞吐量為每單位時間傳輸?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)的時延小于PMP網(wǎng)絡(luò)的時延。基于DSR路由協(xié)議的Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)于相同負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，靈活方便，具有自適應(yīng)性、可靠性、可擴充性等優(yōu)點。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。