第4章網(wǎng)絡層技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)第4章網(wǎng)絡層技術(shù),武漢理工大學物聯(lián)網(wǎng)工程系2011.9,第4章網(wǎng)絡層技術(shù),4.1WiFi技術(shù)4.2無線Mesh網(wǎng)絡4.3電力線通信技術(shù),4.1WiFi技術(shù),4.1.1WiFi簡介Wi-Fi全稱WirelessFidelity（無線保真，又稱IEEE802.11b標準）是由一個名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（WirelessEthernetCompatibilityAlliance，WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語，中文譯為“無線相容認證”，是一個無線網(wǎng)絡通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-FiAlliance）所持有。Wi-Fi是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號，是一種可以將個人計算機、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE802.11a及IEEE802.11g等標準的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE802.11這個標準已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。常見的就是一個無線路由器，那么在這個無線路由器的電波覆蓋的有效范圍都可以采用Wi-Fi連接方式進行連網(wǎng)，如果無線路由器連接了一條ADSL線路或者別的上網(wǎng)線路，則又被稱為“熱點”。,4.1.2WiFi協(xié)議,1.IEEE802.11系列協(xié)議作為全球公認的局域網(wǎng)權(quán)威，IEEE802工作組建立的標準在局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)獨領(lǐng)風騷，這些協(xié)議包括了802.3以太網(wǎng)協(xié)議、802.5令牌環(huán)協(xié)議、802.3z快速以太網(wǎng)協(xié)議。在1997年，經(jīng)過了7年的工作以后，IEEE發(fā)布了802.11協(xié)議，這也是在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)的第一個國際上被認可的協(xié)議。IEEE802.11定義了介質(zhì)訪問接入控制層（MAC層）和物理層。物理層定義了工作在2.4GHz的ISM頻段上的兩種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞剑倲?shù)據(jù)傳輸速率設計為2Mbit/s。兩個設備之間的通信可以自由直接（adhoc）的方式進行，也可以在基站（BaseStation，BS）或者訪問點（AccessPoint，AP）的協(xié)調(diào)下進行。系列協(xié)議主要有：802.11a，802.11b，802.11e，802.11g，802.11h，802.11i，802.11n，802.11p，802.11s。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)802.11定義了兩種類型的設備，一種是無線站，通常是通過一臺PC機器加上一塊無線網(wǎng)絡接口卡構(gòu)成的，另一個稱為無線接入點(AccessPoint)，它的作用是提供無線和有線網(wǎng)絡之間的橋接。(1)802.11物理層在802.11最初定義的三個物理層包括了兩個擴散頻譜技術(shù)和一個紅外傳播規(guī)范。擴散頻譜技術(shù)保證了802.11的設備在這個頻段上的可用性和可靠的吞吐量，這項技術(shù)還可802.11無線標準定義的傳輸速率是1Mbps和2Mbps，可以使用FHSS（Frequencyhoppingspreadspectrum，跳頻擴頻）和DSSS（Directsequencespreadspectrum，直接序列擴頻）技術(shù)，F(xiàn)HSS和DSSS技術(shù)在運行機制上是完全不同的，所以采用這兩種技術(shù)的設備沒有互操作性。以保證同其他使用同一頻段的設備不互相影響。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(2)802.11b的增強物理層目前廣泛應用的WiFi技術(shù)就是指802.11b技術(shù)，802.11b在無線局域網(wǎng)協(xié)議中最大的貢獻就在于它在802.11協(xié)議的物理層增加了兩個新的速度：5.5Mbps和11Mbps。為了實現(xiàn)這個目標，DSSS被選作該標準的唯一的物理層傳輸技術(shù)，這個決定使得802.11b可以和802.11DSSS系統(tǒng)互操作。最初802.11的DSSS標準使用11位的chipping-Barker序列-來將數(shù)據(jù)編碼并發(fā)送，每一個11位的chipping代表一個一位的數(shù)字信號1或者0，這個序列被轉(zhuǎn)化成波形（稱為一個Symbol），然后在空氣中傳播，這些Symbol以1MSps的速度進行傳送，傳送的機制稱為BPSK（BinaryPhaseShiftingKeying，二進制相移鍵控）。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(2)802.11b的增強物理層在2Mbps的傳送速率中，使用了一種更加復雜的傳送方式稱為QPSK（QuadraturePhaseShiftingKeying，正交相移鍵控），QPSK中的數(shù)據(jù)傳輸率是BPSK的兩倍，以此提高無線傳輸?shù)膸挕?02.11b標準拋棄了原有的11位Barker序列技術(shù)，采用了CCK（ComplementaryCodeKeying，補碼鍵控）技術(shù)。5.5Mbps使用CCK串來攜帶4位的數(shù)字信息，11Mbps的速率使用CCK串來攜帶8位的數(shù)字信息。兩個速率的傳送都利用QPSK作為調(diào)制的手段，不過信號的調(diào)制速率為1.375MSps，這也是802.11b獲得高速的機理。為了支持在有噪音的環(huán)境下能夠獲得較好的傳輸速率，802.11b采用了動態(tài)速率調(diào)節(jié)技術(shù)，允許用戶在不同的環(huán)境下自動使用不同的連接速度來補充環(huán)境的不利影響。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(3)802.11n物理層MIMOMIMO（Multiple-InputMultiple-Output，多入多出）是802.11n物理層的核心技術(shù)，指的是一個系統(tǒng)采用多個天線進行無線信號的收發(fā)。MIMO主要有下面兩個優(yōu)點：提高吞吐：通過多條通道，并發(fā)傳遞多條空間流，可以成倍提高系統(tǒng)吞吐量。提高無線鏈路的健壯性和改善SNR(信噪比)。MIMO-OFDMOFDM(正交頻分復用)調(diào)制技術(shù)是將一個物理信道劃分為多個子載體(sub-carrier)，將高速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制成多個較低速率的子數(shù)據(jù)流，通過這些子載體進行通信，從而減少ISI機會，提高物理層吞吐。到了802.11n時代，OFDM將MIMO支持的子載體從52個提高到56個。所以802.11nMIMO將物理速率從傳統(tǒng)的54Mbps提高到了58.5Mbps（即54乘52除以48）。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(3)802.11n物理層FEC(ForwardErrorCorrection)按照無線通信的基本原理，為了使信息適合在無線信道這樣不可靠的媒介中傳遞，發(fā)射端將把信息進行編碼并攜帶冗余信息，以提高系統(tǒng)的糾錯能力，使接收端能夠恢復原始信息。802.11n所采用的QAM-64的編碼機制可以將編碼率（有效信息和整個編碼的比率）從3/4提高到5/6。所以，對于一條空間流，在MIMO-OFDM基礎之上，物理速率從58.5提高到了65Mbps（即58.5乘5/6除以3/4）。ShortGuardInterval(GI)由于多徑效應的影響，信息符號(InformationSymbol)將通過多條路徑傳遞，可能會發(fā)生彼此碰撞，導致ISI干擾。為此，802.11a/g標準要求在發(fā)送信息符號時，必須保證在信息符號之間存在800ns的時間間隔，這個間隔被稱為GI。802.11n仍然默認使用800nsGI。當多徑效應不是很嚴重時，用戶可以將該間隔配置為400，對于一條空間流，可以將吞吐提高近10，即從65Mbps提高到72.2Mbps。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(3)802.11n物理層40MHz綁定技術(shù)對于無線技術(shù)，提高所用頻譜的寬度，可以最為直接地提高吞吐。傳統(tǒng)802.11a/g使用的頻寬是20MHz，而802.11n支持將相鄰兩個頻寬綁定為40MHz來使用，所以可以最直接地提高吞吐。MCS(ModulationCodingScheme)在802.11a/b/g時代，配置AP工作的速率非常簡單，只要指定特定radio類型(802.11a/b/g)所使用的速率集，速率范圍從1Mbps到54Mbps，一共有12種可能的物理速率。到了802.11n時代，由于物理速率依賴于調(diào)制方法、編碼率、空間流數(shù)量、是否40MHz綁定等多個因素。這些影響吞吐的因素組合在一起，將產(chǎn)生非常多的物理速率供選擇使用。對于AP，MCS普遍支持的范圍為015。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(3)802.11n物理層MRC(Maximal-RatioCombining)MRC和吞吐提高沒有任何關(guān)系，它的目的是改善接收端的信號質(zhì)量?；驹硎牵簩τ趤碜园l(fā)射端的同一個信號，由于在接收端使用多天線接收，那么這個信號將經(jīng)過多條路徑（多個天線）被接收端所接收。多個路徑質(zhì)量同時差的幾率非常小，一般地，總有一條路徑的信號較好。那么在接收端可以使用某種算法，對這些各接收路徑上的信號進行加權(quán)匯總（顯然，信號最好的路徑分配最高的權(quán)重），實現(xiàn)接收端的信號改善。當多條路徑上信號都不太好時，仍然通過MRC技術(shù)獲得較好的接收信號。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(4)802.11的MAC技術(shù)802.11的MAC雖然與802.3協(xié)議的MAC非常相似，都是采用共享媒體以支持多個用戶的通信，但802.11的MAC并沒有直接采用802.3的CSMA/CD協(xié)議。而采用了新的協(xié)議CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，帶沖突避免的載波偵聽多路訪問）或者DCF（DistributedCoordinationFunction，分布式協(xié)調(diào)功能）。這是由于要檢測沖突，設備必須能夠一邊接受數(shù)據(jù)信號一邊傳送數(shù)據(jù)信號，而這在無線系統(tǒng)中是無法辦到的。CSMA/CA利用ACK（確認）信號來避免沖突的發(fā)生。802.11在MAC層上引入了一個新的RTS/CTS(Request/CleartoSend)選項，當這個選項打開后，一個發(fā)送工作站傳送一個RTS信號，隨后等待訪問接入點回送RTS信號。它解決了無線MAC層的“隱藏節(jié)點”問題。802.11MAC子層提供了另外兩個強大的功能：CRC校驗和包分片。包分片的功能允許大的數(shù)據(jù)報在傳送的時候被分成較小的部分分批傳送。這項技術(shù)大大減少了許多情況下數(shù)據(jù)報被重傳的概率，從而提高了無線網(wǎng)絡的整體性能。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(4)802.11的MAC技術(shù)MAC幀結(jié)構(gòu)（如下圖所示）：幀頭：包括了幀控制域、持續(xù)時間/ID域、地址域以及順序控制域；數(shù)據(jù)：來自上層的被封裝的數(shù)據(jù)，字節(jié)長度02132不等；幀校驗域：32位循環(huán)冗余校驗。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(5)802.11n的MAC技術(shù)幀聚合幀聚合技術(shù)包含針對MSDU（MAC服務數(shù)據(jù)單元）的聚合（A-MSDU）和針對MPDU的聚合（A-MPDU）。A-MSDU技術(shù)是指把多個MSDU通過一定的方式聚合成一個較大的載荷，這里的MSDU可以認為是Ethernet報文。通常，當AP或無線客戶端從協(xié)議棧收到報文（MSDU）時，會打上Ethernet報文頭，稱作A-MSDUSubframe，在通過射頻口發(fā)送出去前，需要將其轉(zhuǎn)換成802.11報文格式。而A-MDSU技術(shù)旨在將若干個A-MSDUSubframe聚合到一起，并封裝為一個802.11報文進行發(fā)送，減少了應答幀的數(shù)量，提高了報文發(fā)送的效率。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(5)802.11n的MAC技術(shù)幀聚合與A-MSDU不同的是，A-MPDU聚合的是經(jīng)過802.11報文封裝后的MPDU，這里的MPDU是指經(jīng)過802.11封裝過的數(shù)據(jù)幀。通過一次性發(fā)送若干個MPDU，減少了發(fā)送每個802.11報文所需的PLCPPreamble，PLCPHeader，從而提高系統(tǒng)吞吐量。其中MPDU格式和802.11定義的相同，而MPDUDelimiter是為了使用A-MPDU而定義的新的格式。A-MPDU技術(shù)同樣只適用于所有MPDU的目的端為同一個HTSTA的情況。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(5)802.11n的MAC技術(shù)BlockACKBlockACK通過使用一個ACK幀來完成對多個MPDU的應答，以降低這種情況下的ACK幀的數(shù)量。BlockACK機制分三個步驟來實現(xiàn)：,通過ADDBARequest/Response報文協(xié)商建立BlockACK協(xié)定；協(xié)商完成后，發(fā)送方可以發(fā)送有限多個QoS數(shù)據(jù)報文，接收方會保留這些數(shù)據(jù)報文的接收狀態(tài)，待收到發(fā)送方的BlockAckReq報文后，接收方則回應以BlockAck報文來對之前接收到的多個數(shù)據(jù)報文做一次性回復；通過DELBARequest報文來撤消一個已經(jīng)建立的BlockACK協(xié)定。,4.1.2WiFi協(xié)議,2.IEEE802.11的分層結(jié)構(gòu)(5)802.11n的MAC技術(shù)兼容a/b/gWLAN標準從802.11a/b發(fā)展到802.11g，再到現(xiàn)在的802.11n，提供良好的向后兼容性顯得尤為重要。802.11g提供了一套保護機制來允許802.11b的無線用戶接入802.11g網(wǎng)絡。同樣的，802.11n協(xié)議提供相似的機制來允許802.11a/b/g用戶的接入。802.11n設備發(fā)送的信號可能無法被802.11a/b/g的設備解析到，造成802.11a/b/g設備無法探測到802.11n設備，從而往空中直接發(fā)送信號，導致信道使用上的沖突。為解決這個問題，當802.11n運行在混合模式（即同時有802.11a/b/g設備在網(wǎng)絡中）時，會在發(fā)送的報文頭前添加能夠被802.11a或802.11b/g設備正確解析的前導碼。從而保證802.11a/b/g設備能夠偵聽到802.11n信號，并啟用沖突避免機制，進而實現(xiàn)802.11n的設備與802.11a/b/g設備的互通。,4.1.3蜂窩結(jié)構(gòu)與漫游,802.11的MAC子層負責解決客戶端工作站和訪問接入點之間的連接。當一個802.11客戶端進入一個或者多個接入點的覆蓋范圍時，它會根據(jù)信號的強弱以及包錯誤率來自動選擇一個接入點來進行連接，一旦被一個接入點接受，客戶端就會將發(fā)送接受信號的頻道切換為接入點的頻段。這種重新協(xié)商通常發(fā)生在無線工作站移出了它原連接的接入點的服務范圍，信號衰減后。其他的情況還發(fā)生在建筑物造成的信號的變化或者僅僅由于原有接入點中的擁塞。在擁塞的情況下，這種重新協(xié)商實現(xiàn)“負載平衡”的功能，使得整個無線網(wǎng)絡的利用率達到最高。802.11的DSSS中一共存在著相互覆蓋的14個頻道，在這14個頻道中，僅有三個頻道是完全不覆蓋的，利用這些頻道來作為多蜂窩覆蓋是最合適的。如果兩個接入點的覆蓋范圍互相影響，同時他們使用了互相覆蓋的頻段，這會造成他們在信號傳輸時的互相干擾，從而降低了他們各自網(wǎng)絡的性能和效率。,4.1.4無線網(wǎng)絡的組建,無線局域網(wǎng)可以簡單也可以復雜，最簡單的網(wǎng)絡可以只要兩個裝有無線適配卡的PC，放在有效距離內(nèi)，這就是所謂的對等（peer-to-peer）網(wǎng)絡，這類簡單網(wǎng)絡無需經(jīng)過特殊組合或?qū)Ｈ斯芾恚魏蝺蓚€移動式PC之間不需中央服務器就可以相互對通。,4.1.4無線網(wǎng)絡的組建,無線網(wǎng)絡接入點連接方式：無線網(wǎng)絡訪問點（AP）可增大PC之間的有效距離到原來的兩倍。因為訪問點是連接在有線網(wǎng)絡上，每一個移動式PC都可經(jīng)服務器與其他移動式PC實現(xiàn)網(wǎng)絡的互連互通，每個訪問點可容納許多PC，視其數(shù)據(jù)的傳輸實際要求而定，一個訪問點容量可達15到63個PC。無線網(wǎng)絡交換機和PC之間有一定的有效距離，在室內(nèi)約為150米，戶外約為300米。,4.1.4無線網(wǎng)絡的組建,定向天線夠建的無線網(wǎng)橋：在設計網(wǎng)絡時可用接力器（ExtensionPoint，簡稱EP）來增大網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)接范圍，接力器看起來和功能上都像是訪問點，但接力器并不接在有線網(wǎng)絡上。接力器望文生義，其作用就是把信號從一個AP傳遞到另一個AP或EP來延伸無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍。EP可串在一起，將信號從一個AP傳遞到遙遠的地方。,4.2無線Mesh網(wǎng)絡,4.2.1無線Mesh網(wǎng)絡簡介無線Mesh網(wǎng)絡（WMN，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡）也稱為“多跳(multi-hop)”網(wǎng)絡，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡技術(shù)。在無線Mesh網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。人們熟知的Internet就是一個Mesh網(wǎng)絡的典型例子。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而導致?lián)砣脑?，那么?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。與傳統(tǒng)的交換式網(wǎng)絡相比，無線Mesh網(wǎng)絡去掉了節(jié)點之間的布線需求，但仍具有分布式網(wǎng)絡所提供的冗余機制和重新路由功能。,4.2.2Mesh網(wǎng)絡的優(yōu)勢與缺陷,1.Mesh網(wǎng)絡的優(yōu)點快速部署和易于安裝非視距傳輸(NLOS)健壯性結(jié)構(gòu)靈活高帶寬此外，因為每個短跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小。既然多跳網(wǎng)絡通常使用較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點，節(jié)點之間的無線信號干擾也較小，網(wǎng)絡的信道質(zhì)量和信道利用效率大大提高，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的網(wǎng)絡容量。,4.2.2Mesh網(wǎng)絡的優(yōu)勢與缺陷,2.Mesh網(wǎng)絡的不足盡管無線Mesh聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著廣泛的應用前景，但也存在一些影響它廣泛部署的問題。A.互操作性目前影響無線Mesh技術(shù)迅速普及的一個重要障礙就是互操作性，無線Mesh網(wǎng)絡現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)標準B.通信延遲在Mesh網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，每一跳至少都會帶來一些延遲，隨著無線Mesh網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，跳接越多，積累的總延遲就會越大C.安全與WLAN的單跳機制相比，無線Mesh網(wǎng)絡的多跳機制決定了用戶通信要經(jīng)過更多的節(jié)點。而數(shù)據(jù)通信經(jīng)過的節(jié)點越多，安全問題就越變得不容忽視,4.2.3無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的無線接入技術(shù)中，主要采用點到點或者點到多點的拓撲結(jié)構(gòu)。在無線Mesh網(wǎng)絡中，采用網(wǎng)狀Mesh拓撲結(jié)構(gòu)，也可以說是一種多點到多點的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡節(jié)點通過相鄰的其他網(wǎng)絡節(jié)點以無線多跳方式相連。普遍認為無線Mesh網(wǎng)絡包含兩類網(wǎng)絡節(jié)點：Mesh路由器和Mesh客戶端。Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)的無線路由器的網(wǎng)關(guān)/中繼功能外，還支持Mesh網(wǎng)絡互聯(lián)的路由功能。Mesh終端也具有一定的Mesh網(wǎng)絡互聯(lián)和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是一般不具有網(wǎng)關(guān)橋接功能。根據(jù)各個節(jié)點功能的不同，無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為3類：骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)（分級結(jié)構(gòu)）、客戶端Mesh結(jié)構(gòu)（平面結(jié)構(gòu)）和混合結(jié)構(gòu)。,4.2.3無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),1.骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh路由器組成，是一個可以自配置和自愈的網(wǎng)絡，通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能與因特網(wǎng)相連，普通客戶端和已有無線網(wǎng)絡可以通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)或中繼功能接入網(wǎng)絡。,4.2.3無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),2.客戶端Mesh結(jié)構(gòu)客戶端Mesh結(jié)構(gòu)是由Mesh客戶端組成，在用戶設備間提供點到點的無線服務?？蛻舳私M成一個能提供路由和配置功能的網(wǎng)絡，支持用戶的終端應用。由于組成網(wǎng)絡的節(jié)點不需要具有網(wǎng)關(guān)或中繼功能，所以不需要Mesh路由器。,4.2.3無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),3.混合結(jié)構(gòu)綜合以上2種無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一種混合結(jié)構(gòu)，Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網(wǎng)絡。這種結(jié)構(gòu)提供了與其他一些網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的連接，如因特網(wǎng)、WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網(wǎng)絡。在這種無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，可以利用客戶端的路由能力為無線Mesh網(wǎng)絡增強連接性、擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,WMN（WirelessMeshNetwork）作為一種多跳、具有自組織和自愈特點的高容量、高速率寬帶無線網(wǎng)絡，正逐漸成為研究熱點。WMN最初致力于滿足軍事通信中對于寬帶數(shù)據(jù)傳輸、支持端到端IP、支持語音和視頻信息、支持不采用GPS但同樣可達相應精度的定位要求?，F(xiàn)在已有針對WLAN的WMN解決方案，作為其技術(shù)關(guān)鍵的具有全向天線性質(zhì)的無線路由器最大通信直徑為5km，這使得無線Mesh技術(shù)應用在無線城域網(wǎng)（WirelessMunicipalAreaNetwork，WMAN）通信系統(tǒng)中成為可能。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,鑒于無線Mesh網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，國際標準化組織IEEE802.16標準工作組（相應的論壇組織為WiMAX）為了擴展覆蓋范圍、增強遠離基站的終端通話質(zhì)量和提高數(shù)據(jù)吞吐量，將Mesh結(jié)構(gòu)納入到新近推出的802.16（WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波互聯(lián)接入，WiMAX）標準中，作為對傳統(tǒng)點對多點（PMP）結(jié)構(gòu)的增強和擴展。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,1.IEEE802.16標準簡介IEEE802工作組在成功制訂WLAN標準的基礎上，按照寬帶無線因特網(wǎng)接入的需求，進一步發(fā)展制訂了WMAN標準IEEE802.16。IEEE802.16標準體系的主要目標是開發(fā)工作于266GHz頻帶的無線接入系統(tǒng)空中接口PHY和MAC層規(guī)范，同時還有與空中接口協(xié)議相關(guān)的一致性測試以及不同無線接入系統(tǒng)之間的共存規(guī)范。其中802.16是一個點對多點視距條件下的標準，設計用于大業(yè)務量的業(yè)務接入。802.16a是它的補充版本，增加了對非視距和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（MeshMode）的支持。802.16和802.16a經(jīng)過修訂統(tǒng)一命名為802.16d。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,1.IEEE802.16標準簡介802.16a使用211GHz頻段，占用20MHz帶寬時速率可達75Mbps，采用SC2/OFDM/OFDMA（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，正交頻分多址）/OFDMA2物理層體制；點對多點蜂窩工作時，主要采用OFDM/OFDMA體制。標準不支持用戶終端的移動性，支持的常用接入距離為710km，最大可達50km，從而使其成為適合“最后一公里”接入的解決方案。802.16a是按照支持因特網(wǎng)業(yè)務需求設計的，采用快速調(diào)度、自適應編碼調(diào)制和自動重發(fā)技術(shù)實現(xiàn)無線鏈路的分組化，于2003年1月發(fā)布。IEEE802.16d標準于2004年5月正式頒布，重點是增強設備的互操作性。該協(xié)議標準中同時設計了對點到多點和Mesh兩種拓撲結(jié)構(gòu)的支持。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,1.IEEE802.16標準簡介2002年IEEE802成立了固定移動寬帶無線接入（FMBWA）研究組，在IEEE802.16a/d基礎上增加移動能力，將BWA（寬帶無線接入）變?yōu)镕MBWA，形成了IEEE802.16e標準。802.16e使用26GHz頻段，采用與802.16a同樣的工作體制，在占用5MBz帶寬時上、下行鏈路最高速率都可以達到15Mbps，頻譜效率為3bps/Hz，支持本地和地區(qū)的移動性，支持漫游和切換，移動速度可以達到120km/h。802.16e的主要問題是切換問題，要求盡量少改變802.16a的PHY/MAC層標準。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,2.WiMAXMesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)基于單跳IEEE802.16點到多點體制，IEEE802.16標準定義了建立Mesh網(wǎng)連接的基本信息流和數(shù)據(jù)格式。因為WiMAX技術(shù)可以在創(chuàng)建大范圍無線回程（backhaul）網(wǎng)絡中應用，因此，Mesh模式中應用了基于回程的WiMAX。如下圖所示，Mesh網(wǎng)絡由單個中心節(jié)點控制，這個節(jié)點稱為Mesh基站（WiMAX基站），Mesh基站作為WiMAXMesh到外網(wǎng)的接口。,4.2.4802.16(WiMAX)標準,2.WiMAXMesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)工作在高頻段上的固定寬帶無線接入系統(tǒng)受視距傳輸?shù)南拗?，無法直接面向許多終端用戶，但卻能實現(xiàn)很高的系統(tǒng)容量。Mesh網(wǎng)中的眾多網(wǎng)關(guān)節(jié)點則需要一個連接到骨干網(wǎng)的接口，這一接口如果采用光纖等有線技術(shù)，在網(wǎng)絡規(guī)劃時將受到極大限制。因此，將上述兩種網(wǎng)絡結(jié)合起來，通過固定寬帶無線接入系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點到骨干網(wǎng)的接入將是一個非常有效的方案?；谕瑯拥牡览恚琖MN也可以與無線局域網(wǎng)相結(jié)合，將位于同一個較大區(qū)域的多個WLAN通過Mesh方式連接起來。一方面，可以實現(xiàn)WLAN之間的互通；另一方面，也可以使多個WLAN共享網(wǎng)絡出口。這樣，通過將WMN和其他無線接入技術(shù)相結(jié)合，就可以形成一個層次化的寬帶無線接入網(wǎng)絡。,4.2.5無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議,1.無線Mesh網(wǎng)絡路由的特點盡管移動Adhoc網(wǎng)絡的許多路由協(xié)議都適用于WMN，但是，在WMN路由協(xié)議設計中，需要考慮WMN自身的特殊性。通過WMN與移動Adhoc的對比分析，從路由分析與設計的角度來看，WMN路由具有以下特點：移動性能量約束業(yè)務模式,4.2.5無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議,2.無線Mesh網(wǎng)絡路由協(xié)議分類目前出現(xiàn)的一些WMN路由協(xié)議方案，主要有以下類型：多判據(jù)路由多信道路由多徑路由分級路由跨層路由QoS路由基于地理位置信息的路由,4.2.6Mesh網(wǎng)絡的應用,從本質(zhì)上說，Mesh網(wǎng)絡是一種類似于點對點的無線網(wǎng)絡架構(gòu)，這種架構(gòu)可以大大減少網(wǎng)絡的基礎設施成本（例如AP，無線路由器數(shù)量），同時也可為無線網(wǎng)絡服務供應商（WISP）減少70%75%的營運、安裝成本。基于Mesh網(wǎng)絡的優(yōu)勢，它還可以在不同異構(gòu)的環(huán)境下提供多種服務；當用戶在高速移動時，或者在較大范圍的區(qū)域內(nèi)可以通過3G或2.5G傳輸語音、數(shù)據(jù)；在局部的范圍內(nèi)可通過WLAN提供寬帶網(wǎng)絡服務，例如視頻點播等。隨著Mesh網(wǎng)絡的進一步發(fā)展，它最終可在企業(yè)的辦公環(huán)境中將辦公室電話或者手機進行整合。Mesh網(wǎng)絡在家庭、企業(yè)和公共場所等諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景，很有可能成為物聯(lián)網(wǎng)的終端網(wǎng)絡組網(wǎng)的首選技術(shù)。,4.3電力線通信技術(shù),4.3.1電力線通信技術(shù)簡介接入網(wǎng)用于實現(xiàn)終端用戶與廣域的通信網(wǎng)之間的互聯(lián)，廣大用戶通過接入網(wǎng)可以獲得各種通信服務。然而，用于實現(xiàn)、安裝和維護接入網(wǎng)的費用非常昂貴，通常占到網(wǎng)絡投資總額的50%以上。電力線通信(PowerLineCommunication，PLC)技術(shù)為接入網(wǎng)絡的實現(xiàn)提供了一個非常有前途的解決方案。電力線通信是指利用電力線本身（及其形成的輸電網(wǎng)或配電網(wǎng)）作為介質(zhì)實現(xiàn)（高速）數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。應用PLC的主要目的是降低運營成本和減少新的通信網(wǎng)絡的支出。電力企業(yè)一直使用高壓、中壓和低壓供電網(wǎng)絡為內(nèi)部通信服務，并完成無端測量與控制任務。PLC也用于建筑物和室內(nèi)設備之間的各種通信。,4.3電力線通信技術(shù),4.3.1電力線通信技術(shù)簡介通常將電力線通信系統(tǒng)分成兩類：窄帶PLC提供數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低（不超過100kbit/s）的通信服務，適合于各類自動化和控制應用以及少量的話音信道；寬帶PLC系統(tǒng)能夠提供2Mbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，相應地，能夠同時提供包括電話和因特網(wǎng)接入在內(nèi)的多種電信服務。低壓配電網(wǎng)上的寬帶PLC技術(shù)被認為是解決通信網(wǎng)絡“最后一公里”問題的一個比較經(jīng)濟技術(shù)方案，通常稱為PLC接入網(wǎng)絡。與之相似的是，中壓和室內(nèi)PLC網(wǎng)絡的開發(fā)也在順利進行中。PLC技術(shù)當前正處于一個非常重要的發(fā)展階段，這一階段將決定它在其他寬帶技術(shù)的競爭過程中的未來前景、應用領(lǐng)域和在電信領(lǐng)域中的深入程度。,4.3.2PLC通信系統(tǒng)標準,在歐洲標準CENELECEN50065中定義的供電網(wǎng)絡中，使用電力線通信的頻率范圍是9140kHz。CENELEC標準與美國和日本的有關(guān)標準有著明顯的不同。美國和日本有關(guān)標準定義的PLC應用的頻率范圍可以到500kHz。CENELEC規(guī)范能夠提供最高為幾千比特每秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠支持某些計量功能（如對一個電力網(wǎng)絡的負荷進行管理和遠端抄表等功能）、極低數(shù)據(jù)傳輸速率的傳輸和若干路語音通道。但為了支持現(xiàn)代通信網(wǎng)絡的各種應用，PLC系統(tǒng)必須能夠提供超過2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。只有滿足了這個基本要求，PLC網(wǎng)絡才有可能與其他的技術(shù)進行競爭，特別是接入領(lǐng)域的各種技術(shù)。,4.3.2PLC通信系統(tǒng)標準,為了提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，PLC傳輸系統(tǒng)必須工作在最高頻率為30MHz的頻率范圍內(nèi)。不過目前沒有任務有關(guān)PLC的標準規(guī)定PLC系統(tǒng)的工作頻率范圍能夠超出CENELEC規(guī)范所規(guī)定的頻率范圍?，F(xiàn)在多個機構(gòu)都在試圖推動寬帶PLC網(wǎng)絡標準的制定工作，例如：PLC論壇(PLCforum)HomePlug電力線聯(lián)盟(TheHomePlugPowerlineAlliance)在歐洲電信標準化協(xié)會(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute,ETSI)和CENELEC的工作中也包括了寬帶PLC技術(shù)的標準化活動。,4.3.3PLC接入網(wǎng),1.PLC接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)低壓配電網(wǎng)絡通常包括一個變壓器單元和若干根經(jīng)過電表(M)連接終端用戶的供電電纜，應用于低壓網(wǎng)絡的電力線傳輸系統(tǒng)采用低壓電力線作為傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)PLC的接入網(wǎng)。低壓配電網(wǎng)絡通過變壓器單元與中壓或者高壓網(wǎng)絡連接，PLC接入網(wǎng)則通過通常放置在變壓器單元內(nèi)的基/主站(BS)實現(xiàn)與廣域網(wǎng)的連接。如果實際情況并非如此，變壓器單元可以與常規(guī)的電信網(wǎng)相連接。,4.3.3PLC接入網(wǎng),1.PLC接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與骨干網(wǎng)絡的連接還可以在一個用戶或者一個街邊的配電箱等處來實現(xiàn)，特別是有安裝的便利條件時。無論何種情況下，來自骨干網(wǎng)絡的通信信號都必須通過適當轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為適于在低壓配電網(wǎng)絡條件下傳送的通信信號。這種轉(zhuǎn)換是在PLC系統(tǒng)的主/基站完成的。PLC的用戶通過位于電表附近或者內(nèi)部電網(wǎng)電源插座上的PLC調(diào)制解調(diào)器實現(xiàn)網(wǎng)絡連接。第一種連接方式下，一個房屋或者一棟樓內(nèi)的用戶通過諸如DSL、WLAN等其他通信方式與電表附近的PLC調(diào)制解調(diào)器相連；第二種連接方式下，室內(nèi)的電力線被用來作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，即室內(nèi)PLC方案。調(diào)制解調(diào)器將接收到的來自PLC網(wǎng)絡的信號轉(zhuǎn)換成常規(guī)通信系統(tǒng)所能夠處理的標準信號。在用戶端通?？梢垣@得包括以太網(wǎng)或者ISDNS0在內(nèi)的標準通信接口。,4.3.3PLC接入網(wǎng),2.室內(nèi)PLC網(wǎng)絡室內(nèi)PLC系統(tǒng)（指全部在房屋內(nèi)）使用房子內(nèi)部的電力線作為傳輸介質(zhì)，將私人房屋內(nèi)的電話、計算機、打印機、視頻設備等常用電器連接起來實現(xiàn)一個PLC的局域網(wǎng)；采用同樣的方法能夠在小的辦公室中，實現(xiàn)一個PLC的局域網(wǎng)系統(tǒng)。室內(nèi)PLC的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與應用低壓配電網(wǎng)絡的PLC接入系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)大同小異，也同樣需要一個基站來控制室內(nèi)PLC網(wǎng)絡，還可能需要通過該基站與室外相連。室內(nèi)PLC網(wǎng)絡中的所有設備都通過PLC調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn)連接，這一點與PLC接入網(wǎng)中用戶的連接方式類似。室內(nèi)PLC網(wǎng)絡不僅可以與PLC接入系統(tǒng)相連，也可以同采用了其他通信技術(shù)的接入網(wǎng)相連。WLAN的相關(guān)產(chǎn)品性能已經(jīng)有了顯著的改善，價格也相當便宜，這種情況使得室內(nèi)PLC技術(shù)的推進變得更加困難。,4.3.3PLC接入網(wǎng),3.PLC網(wǎng)絡單元(1)基本網(wǎng)絡單元基本單元的主要作用是完成信號產(chǎn)生和變換，使得信號能夠通過電力線傳輸并實現(xiàn)接收。每個PLC接入網(wǎng)包含兩類設備：PLC調(diào)制解調(diào)器(PLCModem)和PLC主/基站(PLCMaster/BaseStation)。PLC調(diào)制解調(diào)器將用戶所使用的標準通信設備與電力線傳輸介質(zhì)相連接。PLC基站（或稱主站），將PLC接入網(wǎng)連接到骨干網(wǎng)絡上，實現(xiàn)骨干通信網(wǎng)與電力線傳輸介質(zhì)之間的連接。,4.3.3PLC接入網(wǎng),3.PLC網(wǎng)絡單元(2)中繼器在某些情況下，低壓供電網(wǎng)絡中的PLC用戶之間以及用戶與基站之間的距離非常長，超過了常規(guī)PLC接入系統(tǒng)的有效連接距離，為了實現(xiàn)更長距離的網(wǎng)絡連接，就必須采用中繼技術(shù)。中繼器將整個PLC接入網(wǎng)分成若干個網(wǎng)段，每一段都在PLC接入系統(tǒng)的有效距離內(nèi)。每一個網(wǎng)段之間通過不同頻帶分割或者不同時間分割的方法相互隔離。在時間分割的方法中，一個時間段用于第一個網(wǎng)段內(nèi)的信號傳輸，而另一個時間段內(nèi)用于第二個網(wǎng)段內(nèi)的信號傳輸。使用中繼器能夠有效延長PLC技術(shù)所能提供覆蓋的網(wǎng)絡距離，但同時也會因為設備及其安裝費用的增加而提高網(wǎng)絡成本。因此，PLC接入網(wǎng)中所使用的中繼器的數(shù)目應當盡可能的少。,4.3.3PLC接入網(wǎng),3.PLC網(wǎng)絡單元(3)PLC網(wǎng)關(guān)PLC用戶通過墻上的電源插座實現(xiàn)與PLC接入網(wǎng)相連接的方式有如下兩種：直接連接和通過一個網(wǎng)關(guān)的間接連接。直接連接方式中，PLC調(diào)制解調(diào)器直接連到了整個低壓網(wǎng)中，并通過該網(wǎng)絡與基站相連。這種連接方式中沒有室內(nèi)和室外之分，通信信號能夠通過電表單元實現(xiàn)傳輸。網(wǎng)關(guān)用于將PLC接入網(wǎng)和室內(nèi)PLC網(wǎng)絡分割成兩個部分，它同樣也承擔了將傳輸信號在接入和室內(nèi)應用時所規(guī)定的不同頻率段間進行頻率轉(zhuǎn)換的任務。這樣的一個網(wǎng)關(guān)通常位于臨近房屋的電表單元的附近。,網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)絡的連接方式與中繼器的連接方式相同。與之相似的是，隨著PLC接入網(wǎng)中網(wǎng)關(guān)數(shù)目的增加，網(wǎng)絡的容量會相應地下降，同時成本會上升。不過，中繼器所能提供的僅是信號在網(wǎng)絡段中的放大和前行，而網(wǎng)關(guān)則可以對有限的網(wǎng)絡資源進行智能分割，從而提供更高的網(wǎng)絡效率。,4.3.3PLC接入網(wǎng),4.PLC網(wǎng)絡特性PLC網(wǎng)絡的特性是以使用低壓配電網(wǎng)絡作為傳輸介質(zhì)的。PLC系統(tǒng)所允許傳輸?shù)男盘柟β适艿较拗?，這使得它對干擾非常敏感。PLC系統(tǒng)受到的干擾有的來自于低壓配電網(wǎng)絡周圍環(huán)境，還有的來自于低壓配電網(wǎng)絡自身。低壓網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)復雜，網(wǎng)絡之間有很大的不同。這些不同來源于網(wǎng)絡變動的參數(shù)值，如用戶密度、用戶行為以及連接的電器等等。低壓網(wǎng)絡僅被設計用于電能分配，大量的設備和電器可能在任何時間任何地點打開或關(guān)閉。網(wǎng)絡負荷的變化造成介質(zhì)阻抗的很大波動。這些阻抗波動和不連續(xù)造成PLC信道的多徑效應，使得利用其進行信息傳輸更加棘手。除了信道衰減之外，在PLC環(huán)境中的噪聲使得通信信號的無誤接收更加困難。PLC網(wǎng)絡中的噪聲是不同的，主要是由5類噪聲疊加而成。這5類噪聲被分為2大類：一類是背景噪聲，在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定；另一類是脈沖噪聲，由于其較高的強度而造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼系K。,4.3.4PLC系統(tǒng)的體系結(jié)