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1、无 线 MESH 网 络1、无线、无线MESH网络网络简介简介2、物理层、物理层3、MAC层层4、路由层路由层5、跨层设计、跨层设计6、网络安全、网络安全无线Mesh网络简介无线Mesh网络（Wireless Mesh Network WMN） 一种全新的无线网络技术，是移动Ad Hoc 网络的一种特殊形态。其核心是让网络中的每个节点都发送和接收信号，使普通无线技术过去一直存在的可扩充能力低和传输可靠性差等问题迎刃而解。称为“解决最后一公里问题”的办法。网络中大量终端设备能自动通过无线连成网状结构，网络中的每个节点都具备自动路由功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种自组织、自管理的智能
2、网络，不需主干网即可构筑富有弹性的网络WMN组成无线Mesh网络的优点 直接序列扩频技术，因信号扩展到很宽的频带上，单位带宽上功率很小。这样，信号将淹没在噪声之中，难于发现信号的存在，加之不知道扩频编码，就更难提取有用信号。在相距较远的节点间通信时，数据包将通过多个节点的转发，逐步传递到目的节点。这样，无线链路长度将被缩短，对天线的性能要求以及所需发射功率也将降低，从而减少了信号间干扰。 WMN的物理层的物理层无线网状网的物理层关键技术要求无线网状网的物理层关键技术要求： 网状网节点收发器的功耗足够低组网能力强，网络容量大 组网成本低 应用在多媒体数据流的传输时 ，要求有较高的数据传输数率 目
3、前的关键技术ZigBeeUWB无线MESH网络和UWB有最终融合的趋势ZigBeeUWB WMN的的MAC层协议特点层协议特点和传统的无线网络中的MAC不一样：1、更关心多跳的通信；2、是分布式的，需要多点合作共同为多点到多 点的通信服务；3、自组织网络：为了在邻居节点之间和多跳节 点之间更好的合作4、WMN是一个无线网络，网络的移动性影响其MAC的性能，但这种影响小。 WMN的MAC协议分类 WMN的MAC协议分为单信道模式多信道模式 按有无控制信道分为：有专有控制信道和没有专有控制信道按节点射频分有多射频MAC协议、单射频MAC协议 动态信道分配动态信道分配(DCA)多信道多信道MAC协议
4、协议 有专用的控制信道、多个数据信道 每个终端有两个半双工的收发器，即控制收发器和数据收发器 使用专用的控制信道，使路由发现、路由维护、地址解析等广播信息有效地传输。 信道的利用率不高。 每个节点分布式的保存一个CUL表，实时更新 。CUL i .host 邻节点号CUL i . Ch CUL i . host使用的信道CUL i . rel_time 信道释放的时间。 MMAC多信道多信道MAC协议：协议： 没有专用控制信道 每个节点维持一个PCL表(Preferable channel list) 信道分成三个状态：高优先(HIGH)表示此信道在当前的信道内正在被节点使用；中优先(MID)
5、表示此信道在节点传输范围内还没有被使用 ；低优先(LOW)表示此信道已被至少一个邻节点选取。初始时所有信道都设置为初始时所有信道都设置为 MIDMID，所有节点在公共信道上所有节点在公共信道上监听监听信道利用率较高，对广播数据支持较差。有专用控制信道 ，每个节点配置三个半双工收发器，主收发器和第二收发器用来传输数据，第三收发器用来传输和接收广播消息。该方案广播数据支持性较好，路由发现、路由维护等信息能够较好的传送。每个节点的网络接口卡过多， 因此成本高、信道利用率低。 基于主信道分配的基于主信道分配的( PCAM)多信道多信道MAC协议协议 信道1作为广播信道，当两个节点分配了不同的主信道(P
6、ch) 时，发送者将第二个接口卡切换到接收者的主信道上，与接收者进行数据传输 。在接收者使用广播信道作为主信道时，接收端第三个收发器是不能使用的，发送端使用第三个信道接收端的主收发器通信。PAR-CDMA 传统的CSMA/CA在多跳网络中的表现平平，甚至是不能满足需要，因此重新审视基于TDMA或CDMA的设计是不可避免的，这里我介绍一种基于CDMA的多信道MAC协议。它提供多对一（many-to-one）的同时无线通信服务，并且不需要利用任何TDMA的机制，同时它还支持累积接受功能可以减少无差错传输的重传。 简介简介通过增强接收器的传送来抗干扰做到many to one并行传送模式 而且节点之
7、间不需要同步措施累积接收 构成一个完整的error-free帧并行接收并行接收 使用多相关器和可区分编码，在一个普通的频带宽上，一个节点能够同时接收几个其他节点的数据传输。 PN伪随机序列 并行接收需解决以下问题：。 码分配，媒体接入、信道编码率和ACK处理基于码时空间（code-time space）的分析 ，所有信道使用一个PN码。只有两个或多个信道同时刻或者相当接近的开始接收数据时才会发生码冲突，实际情况中这种现象几乎不发生（rare in practice）。另外，下面将要介绍的监听机制也会有效的阻止两个或多个信道同时刻或者相近开始工作。 MAI问题 多接入干扰（multiple ac
8、cess interference，MAI）问题 解决办法:不用CSMA/CA 所有的信道中保留一个信道，作为侦听信道，并结合传输抖动（jitter）机制来解决并行时的冲突问题能够被这个机制阻止累加接收累加接收 接收决策 定位受损处 缓存验证 传输出错时需要验证，而不是简单的扔掉整个部分出错帧1、 收到一帧时，先更加2值结果进行CRC检测，如果检测失败，则缓存该帧，2、 接收到重传的帧后，如果3值决策认为其可靠，则接收方对其CRC检测，不可靠，则将其和缓存的帧用下面的方式相加，就是用重传的可靠部分替代缓存中的不可靠部分，3、 再用CRC验证相加的和，看是不是该帧完整的被重新覆盖。4、是，结束。
9、不是，再重发，回到2。性能比较性能比较在不同的流量负载(traffic load)下，PAR-CDMA的输出表现好于802.11。以包分发率(Package Delivery Ratio)来衡量，在主动和被动累加接收时，进行了移动和非移动比较，PAR-CDMA的性能都比802.11要好。同样其他的一些指标也要好。 但是在相同频带宽度时， PAR-CDMA数据bit率要低，这是因为为支持并行接收而扩频的原因，所以当网络中的并行接收发生的机会不多时，PAR-CDMA的表现就不如802.11了，解决的办法之一就是允许一个节点通过感知其邻居节点的状态而动态改变自己的信道编码率。当没有并行接收或者数目很
10、少时，节点通过减小信道编码率来提高数据bit率。无线无线MESH网络的跨层设计网络的跨层设计 在无线MESH网络中，由于无线环境的不确定因素导致无线信道容量和误码率等时变特性，分层设计方法无法保证网络的最佳资源利用率和用户业务的QoS需求。尽管现有各种新技术能够有效地改善网络性能，但是物理层仍无法向上层协议层保证提供固定的带宽，因而上层协议层必然受到物理层不可靠特性的影响。为了改善无线网络的性能各层之间有必要进行有效的状态信息交互，以适应物理层的特性的变化，于是网络协议跨层设计的思想应运而生。路由层路由层路由协议特点路由判据 路由容错 负载均衡 网络容量 路由效率 路由协议分类及应用多判据路由
11、多判据路由 ETX(Expected Transmission Count)RTT(Roundtrip Time Latency) PktPair (Packet -pair Latency) 当节点完全静止时,ETX获得最好的性能。RTT与PktPair由于冲突的影响,性能稍差。但在网络节点移动时，最小跳数判据则优于其他三种判据。 路由协议分类及应用多射频路由多射频路由 通过为每个节点配置多射频的方式在不修改MAC协议的前提下提升网络容量 Richard Draves在其文章中提出了一种多射频路由协议MR-LQSR 采用一种新的路由性能判据WCETT ,综合考虑了带宽等链路性能参数以及最小跳
12、数等因素 路由协议分类及应用多路径路由多路径路由 在源节点和目的节点之间选择多条路径，使用其中一条路径传送数据报文。在充分利用带宽等网络资源的同时实现负载均衡、路由迂回和容错等 路由协议分类及应用分级路由分级路由 网络通过自组织的方式将网络节点分组成不同的簇 大大降低网络的能量消耗，缩短平均路由路径，加快路由路径的建立，从而提高网络的性能。路由协议分类及应用QOS路由路由选择满足用户各种QoS要求的到达目的节点的路径在路径建立后,若当前路径已经不能满足用户QoS需求,则节点需要寻找新的路由 路由协议分类及应用预测路由预测路由 和传统的有线路由协议（例如OSPF）类似 它通过比较数据报文错误率及
13、其他网络条件来选择在特定环境下的最优路径 链路质量路由链路质量路由 以到达因特网接入点的路径质量为判据选择最优路径路由协议分类及应用跨层路由跨层路由 路由协议不仅需要在源节点和目的节点之间选择一条路径，还需要选择合适的信道从第二层提取一些参数信息作为路由判据, 合并MAC与路由层之间的一些功能。 路由协议分类及应用基于地理的路由基于地理的路由 早期的基于的地理的路由算法实际上是一种单路径贪心算法 存在问题：即使源节点和目的节点之间有路径存在，传输仍然有可能不会成功基于平面图的地理路由算法，保持状态无关性和成功传输EXOR协议协议 集成了mac层和路由层 用于在大型多跳无线网络中增加单播传送吞吐
14、量 在标准的硬件上（例如）实现协作分集(cooperative diversity)的某些功能 首次设计和实现了一个完整的使用标准无线硬件的链路/网络层分集路由技术 ExOR设计面临挑战协商协议的开销必须足够小以保证不会影响到EXOR的吞吐量 收到报文的所有节点中选择离最终目的节点最近的节点来转发报文 必须选择最有用的节点作为参与者 必须避免不同节点的同时传送以减少冲突 传统路由SABCDPacketPacketPacket报文经固定链路传输失败时需要重发看起来像链路切换网基本思想假设一个源节点具有一个需要发送到一个较远距离的目的节点的报文。在原节点和目的节点之间有一些加入EXOR的中间节点。
15、源节点广播报文，一些中间节点收到报文，中间节点通过运行一个协议确定那些节点收到了报文，收到报文的节点协商选择出距离目标节点最近的节点，由该节点广播报文。接着，从在第二次传送中收到报文的节点中选出一个距离目的节点最近的节点广播报文。这个过程一直持续直到目的节点收到全部的报文 传输调度传输调度 每个节点等待自己传输的顺序：在源节点发送完整个batch后，目的节点发送只有batch map的报文，然后参与节点按在转发节点列表中顺序发送，高优先级的节点先发。节点收到报文后，更新自己的传输记录。接受节点记录最后收到的片号，用于计算从上一次收到的报文以来有多少个报文被发送，这个数目被时间除得到传输速率。节
16、点将当前速率通过一个参数为的EWMA滤波器得到估计发送速率，让后节点将转发时钟设置为当前时间加上估计估计发送速率乘以需要发送的报文数目的值。物理层设计对跨层设计的要求物理层设计对跨层设计的要求跨层设计方法主要体现在按照MAC协议、路由协议、TCP协议和应用层业务的QoS需求实施功率控制（提高或降低发送功率）和自适应调制解调控制（选择自适应调制器中星座参数等） 链路链路/MAC层协议设计对跨层设计的要求层协议设计对跨层设计的要求 链路/ MAC层，向其他协议层提供的状态信息主要包括前向纠错（FEC）方案信息、媒介空闲/ 忙信息，以及剩余带宽信息等 。随着多媒体业务QoS保证机制的提出，对于MAC层，需要区分接入业务的类型，采取优先级或预留信道资源的调度机制。 路由协议设计对跨层设计的要求路由协议设计对跨层设计的要求采用传统的最短路径准则设计无线多跳网络的路由协议不足以构造良好的路由，即传输延时、吞吐量和可靠性等性能无法达到理想的指标。原因在于最短路径准则没有考虑到其下层物理信道特性的变化对MAC层接入性能的影响等因素，造成所选路径无法适应底层性能的变化，也可能造成传输层性能的较大波动。
