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无线Mesh技术和网络
2008年5月7日 09:47    通信世界网    评论()    
作 者:朱近康

    在多址接入技术支持下,无线Mesh网络的MAC层设计与通常的典型无线网络的MAC设计一样,同接入点相关。由于无线Mesh网络不是单跳而是多跳系统,需要支持多跳的MAC设计。首先是就近Mesh路由器的接入选择。无线Mesh网络是自组织网络,网络路由连接和用户终端接入状况的拓扑结构随地理位置、通信环境、用户移动、WR布局等不同而不同,是变动的。如图9所示,图9(a)是一种Mesh拓扑结构,终端经过3次跳转接力,接入Internet接入点GW1,完成MAC过程。图9(b)是同一地区同样的Mesh路由器和WGW布局,但Mesh拓扑连接不同,该终端在同样位置,选择同样的Mesh路由器,要经过4次跳转接力,接入Internet接入点GW3,完成MAC过程。但如果选择临近的另外不同的Mesh路由器,可能只经过2跳或3跳,就能接入GW1。因此,无线Mesh网络的就近Mesh路由器的接入选择,是动态的,与通常设计不同。典型的有应用于IEEE 802.11的多信道MAC技术协议(MMAC协议),并考虑MAC层与网络层的交互,引入多信道协同子层(MCCL),以此增加网络能力。

    2.3接入WGW的路由技术

    用户终端通过WR接到无线IP接入点的路由技术和相关协议是多跳的无线Mesh网络的最重要技术。研究和设计接入Internet的路由技术和协议,基本考虑准则有:尽量少的多跳数、尽量小的时延、尽量大的数据速率、尽量低的差错率、尽量大的路由稳定等。这样,接入WGW的路由协议设计有如下几点要尤其注意:首先,无线Mesh网络中的路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择,而要综合考虑多种性能度量指标,综合评估后进行路由选择;其次,路由协议要提供网络容错性和健壮性支持,能够在无线链路失效时,迅速选择替代链路避免业务提供中断;第三,路由协议要能够利用流量工程技术,在多条路径间进行负载均衡,尽量最大限度利用系统资源;第四,路由协议要求能同时支持路由器和用户终端。

    无线Mesh路由协议可参照Ad Hoc网络路由协议,目前几种典型的路由协议有:动态源路由协议(DSR)、目的序列距离矢量路由协议(DSDV)、临时按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距离矢量路由协议(AODV)等。DSR是最常见的一种对等的基于拓扑的反应式自组织路由协议,它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息,通过比对,实现路由创建。图10表示一个无线Mesh网络,可能有上下行不同的路由选择。无线Mesh网络中Mesh路由器通常都是静止不动的,原则上没有功耗限制,也没有用户移动带来的路由器位置改变和路由拓扑改变,因此,可将现有Ad Hoc路由协议加以简化,进行跨层设计,建立简单得多的路由协议。但是,对于移动用户终端需要采用完全类似Ad Hoc的路由协议,寻求就近接入点和接入路由。

    接入网络的路由协议的另一个问题是如何选择路由实现接入的公平性,让用户终端接入网络的机会、数据速率和通信质量是基本上一致的。图11给出了实现公平性的基本路由选择方式,在可能情况下,对各自Mesh路由器转接基本能力相同时,尽量选择如图11(a)的并行接入方式,WR各自支持接入的用户终端,以可能的最大数据速率支持连接到Internet,各用户享受的支持是相同的公平的。采用图11(b)的串行接入方式,在Mesh路由器基本相同能力情况下,要公平就不能实现最大速率。这时,WR4通过WR3把用户终端以数据速率S4接入WGW,如果WR3有用户接入,WR3能支持的速率就是S3-S4,如果WR最大支持能力为S,则可能实现的公平接入是:S3=S4=S/2,WR4没有达到最大支持能力,WR3达到最大支持能力,但它直接联络的用户只能实现WR3部分接入能力。只有在WR3接入能力明显大于WR4接入能力时,串行接入方式对实现接入公平,才比较有效。这种接入公平性的考虑,也是实现网络各Mesh路由器最大能力的接入考虑,可使网络容量最大。

    2.4无线Mesh路由器配置技术

    网络设备通常是指Internet接入点和Mesh路由器。在覆盖区域给定的情况下,WGW放置位置可以变动的话,放置位置的确定;在WR布局密度和数目给定情况下,放置位置的确定,是构建无线Mesh网络的基本研究课题。在大多数情况下,WGW位置是确定的,因此主要研究Mesh路由器的配置问题。

    Mesh路由器的配置,如上节的路由选择所述一样,有并行配置和串行配置的两种方式。

    为实现最大网络能力,需要凭借在串行配置下的多跳链路(路由)。这种链路为提高效率,采用分时工作,因此要研究避免碰撞的分时策略和处理方法。如图12所示。

    采用串行配置,Mesh路由器的最大接入能力在不同位置有不同要求,可以通过不同调制方式和不同微区大小覆盖来转接任务大的Mesh路由器,使用高速传输技术,覆盖较小区域,减少用户终端直接接入需求量。

    而在多跳末端位置的Mesh路由器由于转接工作少,可采用较低数据速率和较大区域覆盖,实现最优网络能力。如图13所示。

    3  典型应用及标准

    无线Mesh网络是针对Internet无线接入和应用发展起来的,它的典型应用主要表现在城市特定区域、复杂街区、建筑物群内外、办公区、家庭内等。英国Lam Tech公司推出的城市特定区域覆盖的无线Mesh网络,采用了90 Mb/s宽带Internet接入、4方向的定向天线收发;Motorola建在美国奥兰多的无线Mesh网络适合移动宽带接入,采用自适应传输、预优先MAC和路由协议;BelAir网络公司建于加拿大安大略湖边的802.11b无线Mesh网络,每个路由器有3个射频、8个方向的定向天线,可动态控制发射信号功率与数据速率,实现负载平衡的建筑物内外覆盖;Telabria公司建在英国Kent州的无线Mesh网络利用双载波与802.11兼容,实现家庭或办公地点的室内外覆盖。除此以外,推出无线Mesh网络,提供不同环境下的宽带数据服务的还有很多公司,如Aerial宽带公司、Firetide公司、Intel公司、Microsoft公司、Nokia公司、Notel网络公司、SkyPilot网络公司、Strix系统公司等。

    所有这些公司推出的产品和应用,基本上都是以802.11、802.15、802.16标准为代表,有相应的基于无线Mesh技术和网络的标准建议。802.11s是为拓展802.11覆盖于2004年提出的,Intel公司和Cisco公司积极主导的,兼容802.11a/b/g的无线分布系统标准,可实现自动构建路径和自配置拓扑结构的多跳网络,同时支持广播和多播业务。802.15.1与802.15.4是Bluetooth和Zigbee的标准,均有构建无线Mesh网络的相关建议,其中802.15.1趋向于支持个人周边区域的无线低速率通信,用简便硬件支持窄带宽的多跳分散网络;802.15.4采用Mesh拓扑结构支持低速通信,更适合无线传感器网络应用。802.15.5是一种更适合于无线个域网(WPAN)的Mesh网络拓扑标准,易于网络构建,用于在不增加发射功率和影响接收灵敏度情况下拓展网络的覆盖,减小路由器冗余,可有效提高网络能力。802.16是WiMAX的技术标准,为扩展特别的用户链路,建议采用集中式调度和分布式调度。802.20和802.22是大区域覆盖的移动宽带高速无线接入系统标准,用于部分地区和室内外密集应用环境,是有利用无线Mesh网络的技术标准。

[1]  [2]  [3]  [4]  [5]  编 辑:张翀
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