現(xiàn)代數(shù)字通信技術無線自組織網(wǎng)絡

1、6/25/201312.1 無線網(wǎng)絡概述12.2 無線傳輸基礎12.3 無線局域網(wǎng)12.4 無線城域網(wǎng)12.5 無線廣域網(wǎng)12.6 無線個域網(wǎng)12.7 無線自組織網(wǎng)絡n網(wǎng)絡技術快速發(fā)展，人們的資源共享需求不斷提高。網(wǎng)絡技術快速發(fā)展，人們的資源共享需求不斷提高。n構造無處不在的計算環(huán)境，真正實現(xiàn)構造無處不在的計算環(huán)境，真正實現(xiàn)6A：任何人：任何人(anyone)在任何時候在任何時候(anytime)、任何地點、任何地點(anywhere)可以采用任何方式可以采用任何方式(any means)與其他任與其他任何人何人(any other)進行任何通信進行任何通信(anything)。n與有線網(wǎng)絡技

2、術相比，無線技術能適合無處不在的計與有線網(wǎng)絡技術相比，無線技術能適合無處不在的計算環(huán)境算環(huán)境n無線網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是可以讓人們擺脫有線的束縛，更便捷、無線網(wǎng)絡最大的優(yōu)點是可以讓人們擺脫有線的束縛，更便捷、更自由的溝通。更自由的溝通。 n無線網(wǎng)絡的歷史起源可以追朔到五十年前的第二次世界大戰(zhàn)期無線網(wǎng)絡的歷史起源可以追朔到五十年前的第二次世界大戰(zhàn)期間。間。n1971年時，夏威夷大學的研究員創(chuàng)造了第一個基于封包式技術年時，夏威夷大學的研究員創(chuàng)造了第一個基于封包式技術的無線電通訊網(wǎng)絡的無線電通訊網(wǎng)絡ALOHANET，可以算是相當早期的無線局域，可以算是相當早期的無線局域網(wǎng)絡網(wǎng)絡(WLAN)。 n80年代年

3、代GSM網(wǎng)絡網(wǎng)絡n3G、物聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)n從通信方式l基于基礎設施的無線網(wǎng)絡和自組織網(wǎng)絡n從覆蓋范圍l無線局域網(wǎng)l無線個域網(wǎng)l無線城域網(wǎng)l無線廣域網(wǎng)l無線體域網(wǎng)n從應用角度lGSM,CDMAl移動Ad Hoc網(wǎng)絡l無線傳感器網(wǎng)絡l無線Mesh網(wǎng)絡l車載自組織網(wǎng)絡網(wǎng)絡基礎設施無線主機無線主機r筆記本筆記本, PDA,r運行應用程序運行應用程序r可能是靜態(tài)的可能是靜態(tài)的 (沒有移動沒有移動) 或者移動的或者移動的m無線并不總是意味著移動無線并不總是意味著移動網(wǎng)絡基礎設施 基站基站r典型地連接到接入路由典型地連接到接入路由器器r中繼中繼 負責在有線網(wǎng)絡負責在有線網(wǎng)絡和其區(qū)域內(nèi)的無線主機轉和其區(qū)域內(nèi)的無

4、線主機轉發(fā)報文發(fā)報文 如如, 蜂窩塔蜂窩塔 802.11 訪問點訪問點AP網(wǎng)絡基礎設施 無線鏈路無線鏈路r典型地用來連接移動主典型地用來連接移動主機和基站機和基站r也用于骨干網(wǎng)也用于骨干網(wǎng) r多重訪問協(xié)議協(xié)調(diào)鏈路多重訪問協(xié)議協(xié)調(diào)鏈路訪問訪問 r多種數(shù)據(jù)速率，傳輸距多種數(shù)據(jù)速率，傳輸距離離1 Mbps802.155-11 Mbps802.11b54 Mbps802.11a,g .11 p-to-p link56 KbpsIS-95 CDMA, GSM2G384 KbpsUMTS/WCDMA, CDMA20003GIndoor10 30mOutdoor50 200mMid rangeoutdoor

5、200m 4KmLong rangeoutdoor5Km 20Km網(wǎng)絡基礎設施 基礎設施模式基礎設施模式r基站連接移動主機到有基站連接移動主機到有線網(wǎng)絡線網(wǎng)絡r切換切換: : 移動主機會改變連移動主機會改變連接到有線網(wǎng)絡的基站接到有線網(wǎng)絡的基站自組模式自組模式r沒有基站沒有基站r節(jié)點能夠傳輸?shù)芥溌贩豆?jié)點能夠傳輸?shù)芥溌贩秶鷥?nèi)的其他節(jié)點圍內(nèi)的其他節(jié)點r節(jié)點自己組織成為一個節(jié)點自己組織成為一個網(wǎng)絡，在它們之間路由網(wǎng)絡，在它們之間路由n同有線網(wǎng)絡不同的是同有線網(wǎng)絡不同的是 l衰減的信號強度衰減的信號強度:無線電信號在傳輸時穿過物體時會衰減（路無線電信號在傳輸時穿過物體時會衰減（路徑損失）徑損失）l來自

6、其他源的干擾來自其他源的干擾: 標準化的無線網(wǎng)絡頻率（如標準化的無線網(wǎng)絡頻率（如2.4GHz)是與是與其他設備共享的（如電話）或者受其他設備干擾（如馬達）其他設備共享的（如電話）或者受其他設備干擾（如馬達）l多路傳播多路傳播: 電磁波受物體和地面反射，導致到達目的地的時電磁波受物體和地面反射，導致到達目的地的時間有些不一樣間有些不一樣n在無線鏈路的通信更加困難（即使是點對點鏈路）在無線鏈路的通信更加困難（即使是點對點鏈路）n兩個重要的問題：隱藏終端和暴露終端兩個重要的問題：隱藏終端和暴露終端當 A 和 C 檢測不到無線信號時，都以為 B 是空閑的，因而都向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)，結果發(fā)生碰撞。這種未能

7、檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱藏終端問題(hidden station problem) A 的作用范圍C 的作用范圍ABCDB 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)，而 C 又想和 D 通信。C 檢測到媒體上有信號，于是就不敢向 D 發(fā)送數(shù)據(jù)。其實 B 向 A 發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響 C 向 D 發(fā)送數(shù)據(jù),這就是暴露終端問題(exposed station problem) ADCB？B 的作用范圍C 的作用范圍共享信道n復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。n為什么多路復用？l數(shù)據(jù)速率越高傳輸設施的成本就越有效；l大多數(shù)個人數(shù)據(jù)通信設備要求相對低的數(shù)據(jù)率； 信道A1A2B1B2C1C2信道信

8、道A1A2B1B2C1C2復用分用(a) 不使用復用技術(b) 使用復用技術n實現(xiàn)多路復用的關鍵l把多路信號匯合到一條信道上之后，在接收端必須能正確地分割出各種信號。n分割信號的依據(jù)：信號之間的差別l信號頻率上的不同頻分多路復用l信號出現(xiàn)時間上的不同時分多路復用l信號碼型結構上的不同碼分多路復用n用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。n頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5n時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀）。每一個時分復用的用

9、戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。n每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長度）。nTDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。n時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。n這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 n每

10、一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 n每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。l如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。l如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。l發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，l發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) n每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。n在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。 n令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令

11、T 表示其他任何站的碼片向量。 n兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(1)n令向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(1)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 n任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。n一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SSS 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號

12、SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端n由基本服務集（Basic Service Set，BSS）和基站（Base Station，BS）構成 n一個BSS通常包含一個或多個無線主機。而在無線局域網(wǎng)中，基站通常稱之為接入點（Access Point，AP） nAP通常通過有線方式與網(wǎng)關路由器相連，并接入互聯(lián)網(wǎng)。無線主機與AP通信，AP負責中轉無線主機的數(shù)據(jù)。 n一個無線主機若要加入到一個基本服務集 BSS，就必須先選擇一個接入點 AP，并與此接入點建立關聯(lián)。n建立關聯(lián)就表示這個無線主機加入了選定的 AP 所屬的子網(wǎng)

13、，并和這個 AP 之間創(chuàng)建了一個虛擬線路。n只有關聯(lián)的 AP 才向這個無線主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀，而這個無線主機也只有通過關聯(lián)的 AP 才能向其他站點發(fā)送數(shù)據(jù)幀。n被動掃描，即無線主機等待接收接入站周期性發(fā)出的信標幀(beacon frame)。n信標幀中包含有若干系統(tǒng)參數(shù)（如服務集標識符 SSID 以及支持的速率等）。n主動掃描，即無線主機主動發(fā)出探測請求幀(probe request frame)，然后等待從 AP 發(fā)回的探測響應幀(probe response frame)。n802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 頻道在不同的頻率劃分為頻道在不同的頻率劃分為 11 個信道個信道lAP

14、 選擇用于選擇用于 AP的頻率的頻率l可能的干涉可能的干涉: 鄰近的鄰近的AP可能選擇一樣的信道可能選擇一樣的信道!n主機主機: 必須和一個必須和一個 AP關聯(lián)關聯(lián)l掃描信道掃描信道, 監(jiān)聽包含監(jiān)聽包含AP名字和名字和MAC地址的信標幀地址的信標幀l選擇一個選擇一個AP與之關聯(lián)與之關聯(lián)l可能需要認證可能需要認證l一般運行一般運行 DHCP 得到一個得到一個AP子網(wǎng)的子網(wǎng)的 IP 地址地址n現(xiàn)在許多地方，如辦公室、機場、快餐店、旅館、購物中心等都能夠向公眾提供有償或無償接入 Wi-Fi 的服務。這樣的地點就叫做熱點。n由許多熱點和 AP 連接起來的區(qū)域叫做熱區(qū)(hot zone)。熱點也就是公眾

15、無線入網(wǎng)點。n現(xiàn)在也出現(xiàn)了無線因特網(wǎng)服務提供者 WISP (Wireless Internet Service Provider)這一名詞。用戶可以通過無線信道接入到 WISP，然后再經(jīng)過無線信道接入到因特網(wǎng)。nCSMA/CA思想是通過短的控制幀預定無線信道，一旦預定成功，則可以無碰撞的傳輸數(shù)據(jù)。即使預定失敗，即控制幀的發(fā)送產(chǎn)生了碰撞，但這種短的控制幀的碰撞代價顯然比長的數(shù)據(jù)幀長生碰撞要小得多。n CSMA/CA流程：n網(wǎng)絡分配向量表明要等待多長時間才能有機會競爭信道發(fā)送數(shù)據(jù)。 n網(wǎng)絡分配向量進行虛擬化信道監(jiān)聽的過程: n為了解決噪聲信道的問題，允許所傳輸?shù)膸环殖尚〉乃槠?，每個分片有自己的校

16、驗和，分片序列則稱為一個分片串。n2002 年 4 月通過了 802.16 無線城域網(wǎng)的標準。歐洲的 ETSI 也制訂類似的無線城域網(wǎng)標準 HiperMAN。n在許多情況下，無線城域網(wǎng)可用來代替現(xiàn)有的有線寬帶接入，因此它有時又稱為無線本地環(huán)路nWiMAX 常用來表示無線城域網(wǎng) WMAN，這與Wi-Fi 常用來表示無線局域網(wǎng) WLAN 相似。nIEEE 的 802.16 工作組是無線城域網(wǎng)標準的制訂者，而 WiMAX 論壇則是 802.16 技術的推動者。n兩個正式標準l802.16d（它的正式名字是 802.16-2004），是固定寬帶無線接入空中接口標準（2 66 GHz頻段）。l802.1

17、6 的增強版本，即 802.16e，是支持移動性的寬帶無線接入空中接口標準（2 6 GHz頻段），它向下兼容 802.16-2004。 ISPU N I V E R S I T YU N I V E R S I T Y802.11 WLAN802.11 熱點802.11 WLAN802.16802.16802.16 基站802.16因特網(wǎng)802.16 基站802.16802.16電信網(wǎng)Mobile Switching CenterPublic telephonenetwork, andInternetMobile Switching Centerq 連接發(fā)射區(qū)到廣域網(wǎng)連接發(fā)射區(qū)到廣域網(wǎng)q 管理

18、呼叫建立管理呼叫建立q 處理移動處理移動MSCq 覆蓋地理區(qū)域覆蓋地理區(qū)域q 基站基站 (BS) 類似于類似于 802.11 APq 移動用戶通過移動用戶通過 BS連連接到網(wǎng)絡接到網(wǎng)絡q 空中接口空中接口: 在移動用在移動用戶和基站間的物理層和戶和基站間的物理層和鏈路層協(xié)議鏈路層協(xié)議發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)有線網(wǎng)絡共享移動主機到基站無線頻譜的兩共享移動主機到基站無線頻譜的兩個技術個技術頻帶時槽r組合組合 FDMA/TDMA: 將頻譜將頻譜劃分為頻率信道，把每個信劃分為頻率信道，把每個信道劃分為時槽道劃分為時槽rCDMA: 碼分多址碼分多址n1G系統(tǒng)：模擬語音n關鍵技術l較小的覆蓋區(qū)域celll頻率的重用n

19、每個cell采取同一頻率n相鄰cell采用不同的頻率nAMPS（Advanced Mobile Phone System）2G系統(tǒng)系統(tǒng): 數(shù)字語音數(shù)字語音nIS-136 TDMA: 組合組合 FDMA/TDMA (北美北美)nGSM (全球移動通信系統(tǒng)全球移動通信系統(tǒng)): 組合組合 FDMA/TDMA l使用最廣泛使用最廣泛nIS-95 CDMA: 碼分多址碼分多址IS-136GSMIS-95GPRSEDGECDMA-2000UMTSTDMA/FDMA2.5 G 系統(tǒng)系統(tǒng): 語音為主，兼顧數(shù)據(jù)語音為主，兼顧數(shù)據(jù)l 針對那些不能等待針對那些不能等待3G的用戶的用戶: 2G擴展擴展l 通用分組無線

20、服務通用分組無線服務 (GPRS)n從從 GSM改進而來改進而來 n數(shù)據(jù)在多個通道上傳送數(shù)據(jù)在多個通道上傳送 (只要可用只要可用)l 支持全球演化的增強數(shù)據(jù)速率支持全球演化的增強數(shù)據(jù)速率 (EDGE)n也從也從 GSM改進而來改進而來, 使用改進的調(diào)制方法使用改進的調(diào)制方法 n數(shù)據(jù)速率可達數(shù)據(jù)速率可達 384Kl CDMA-2000 (phase 1)n數(shù)據(jù)速率可達數(shù)據(jù)速率可達 144Kn從從 IS-95改進而來改進而來3G systems: 數(shù)字語音和數(shù)據(jù)數(shù)字語音和數(shù)據(jù)n通用移動電信通用移動電信 (UMTS)lGSM 下一代下一代, 但是使用但是使用 CDMAnCDMA-2000n中國的中國

21、的3G標準標準l中移動：中移動：TD-SCDMA,2008年年4月月1日日l中電信：中電信：CDMA2000，2008年年10月月1日，天翼日，天翼l中聯(lián)通：中聯(lián)通：WCDMA，目前世界上應用范圍最廣、終端最，目前世界上應用范圍最廣、終端最豐富、專利費用最低的一種制式豐富、專利費用最低的一種制式 n在個人工作地方把屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來自組網(wǎng)絡，不需要使用接入點 AP。n整個網(wǎng)絡的范圍大約在 10 m 左右。n無線個人區(qū)域網(wǎng) WPAN 和個人區(qū)域網(wǎng) PAN (Personal Area Network)并不完全等同，因為 PAN 不一定都是使用無線連接的。 nWPAN 是以個

22、人為中心來使用的無線人個區(qū)域網(wǎng)，它實際上就是一個低功率、小范圍、低速率和低價格的電纜替代技術。WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 頻段。 n但 WLAN 卻是同時為許多用戶服務的無線局域網(wǎng)，它是一個大功率、中等范圍、高速率的局域網(wǎng)。 n最早使用的 WPAN 是 1994 年愛立信公司推出的藍牙系統(tǒng)，其標準是 IEEE 802.15.1 。n藍牙的數(shù)據(jù)率為 720 kb/s，通信范圍在 10 米左右。n藍牙使用 TDM 方式和擴頻跳頻 FHSS 技術組成不用基站的皮可網(wǎng)(piconet)。nPiconet 直譯就是“微微網(wǎng)”，表示這種無線網(wǎng)絡的覆蓋面積非常小。n每一個皮可網(wǎng)有一個主設

23、備(Master)和最多7個工作的從設備(Slave)。n通過共享主設備或從設備，可以把多個皮可網(wǎng)鏈接起來，形成一個范圍更大的擴散網(wǎng)(scatternet)。n這種主從工作方式的個人區(qū)域網(wǎng)實現(xiàn)起來價格就會比較便宜。 MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng) 2擴散網(wǎng)皮可網(wǎng) 1M 主設備S 從設備P 擱置的設備n低速 WPAN 主要用于工業(yè)監(jiān)控組網(wǎng)、辦公自動化與控制等領域，其速率是 2 250 kb/s。n低速 WPAN 的標準是 IEEE 802.15.4。最近新修訂的標準是 IEEE 802.15.4-2006。n低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。nZigBee 技術主要用于各種電子設備（固

24、定的、便攜的或移動的）之間的無線通信，其主要特點是通信距離短（10 80 m），傳輸數(shù)據(jù)速率低，并且成本低廉。 n功耗非常低。在工作時，信號的收發(fā)時間很短；而在非工作時，ZigBee 結點處于休眠狀態(tài)，非常省電。對于某些工作時間和總時間之比小于 1% 的情況，電池的壽命甚至可以超過10 年。n網(wǎng)絡容量大。一個 ZigBee 的網(wǎng)絡最多包括有255 個結點，其中一個是主設備，其余則是從設備。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過 64000 個結點。 n在 IEEE 802.15.4 標準基礎上發(fā)展而來的。n所有 ZigBee 產(chǎn)品也是 802.15.4 產(chǎn)品。nIEEE 802.15.4

25、 只是定義了 ZigBee 協(xié)議棧的最低的兩層（物理層和 MAC 層），而上面的兩層（網(wǎng)絡層和應用層）是由 ZigBee 聯(lián)盟定義的。物理層MAC 層網(wǎng)絡層應用層IEEE 802.15.4 定義ZigBee 聯(lián)盟定義ZigBee協(xié)議棧FFDFFDFFDFFDFFDRFD端設備路由器FFDFFD協(xié)調(diào)器有一個全功能設備 FFD 充當網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器。ZigBee 網(wǎng)絡中數(shù)量最多的端設備是精簡功能設備 RFD 結點。 n高速 WPAN 用于在便攜式多媒體裝置之間傳送數(shù)據(jù)，支持11 55 Mb/s的數(shù)據(jù)率，標準是 802.15.3， 。nIEEE 802.15.3a 工作組還提出了更高數(shù)據(jù)率的物理層標準的

26、超高速 WPAN，它使用超寬帶 UWB 技術。nUWB 技術工作在 3.1 10.6 GHz 微波頻段，有非常高的信道帶寬。超寬帶信號的帶寬應超過信號中心頻率的 25% 以上，或信號的絕對帶寬超過 500 MHz。n超寬帶技術使用了瞬間高速脈沖，可支持 100 400 Mb/s 的數(shù)據(jù)率，可用于小范圍內(nèi)高速傳送圖像或 DVD 質(zhì)量的多媒體視頻文件。 覆蓋范圍1 Gb/s100 Mb/s10 Mb/s1 Mb/s100 kb/s10 kb/s用戶數(shù)據(jù)率PAN LAN MAN WAN802.15.4ZigBee802.15.1藍牙802.15.3超寬帶802.11g, a802.11b802.16

27、2G移動通信3G移動通信4G移動通信Wi-FiWiMAXn移動自組織網(wǎng)絡MANETn無線傳感器網(wǎng)絡n無線Mesh網(wǎng)絡n車載自組織網(wǎng)絡n認知網(wǎng)絡n無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WiFi Mesh)，是一種基于WiFi技術而發(fā)展出來的一種新型的無線城域網(wǎng)解決方案，由于其具有自組網(wǎng),自修復,自平衡,自動擴展等特點,目前正在世界范圍內(nèi)尤其是歐美等發(fā)達國家掀起應用熱潮。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同，WiFi-Mesh大幅降低運營商對網(wǎng)絡部署的成本和復雜程度。l在現(xiàn)代化戰(zhàn)場上，各種軍事 車輛之間、士兵之間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯(lián)系，以實現(xiàn)統(tǒng)一指揮， 協(xié)同作戰(zhàn)。這是一種典型的移動自組織網(wǎng)絡.自組織網(wǎng)絡已被認為是未來移

28、動通信技術的核心組成部分之一，甚至有不少人認為自組織網(wǎng)絡的思想將會把所有我們能想到的網(wǎng)絡組合在一起，從而實現(xiàn)世界通信網(wǎng)絡的大統(tǒng)一。lWiFi-Mesh的研究起源于美國軍方DARPA計劃中對MANET(Mobile Ad-hoc Network，移動自組織網(wǎng)絡)的研究，應用于波斯灣和海灣戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)通信指揮系統(tǒng)。今天，在經(jīng)歷了多年的技術進步和商業(yè)推動之后，商用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)最終成為現(xiàn)實。目前，已經(jīng)商用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品基本上都基于WiFi，稱之為WiFi-MESH n第一階段的典型代表是基于交換技術的無線網(wǎng)狀網(wǎng)。采用交換技術的無線網(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品是一個無線交換機和AP的結合，它本身沒有路由功能，必須有一個根

29、節(jié)點來進行數(shù)據(jù)交換。這一階段的產(chǎn)品主要特征是適合小規(guī)模組網(wǎng)、連接多個熱點。n第二階段的典型代表是基于路由技術的無線網(wǎng)狀網(wǎng)。具有路由功能的無線網(wǎng)狀網(wǎng)真正體現(xiàn)了網(wǎng)狀路由的特性。每個無線網(wǎng)絡中的路由器不僅為覆蓋區(qū)內(nèi)連接的用戶提供網(wǎng)絡接入，同時作為該網(wǎng)絡的基本設施將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡路由到目的地。但由于使用的是來自于有線網(wǎng)絡被廣泛應用的3層路由技術，并不完全適用于無線網(wǎng)絡，無線網(wǎng)狀網(wǎng)的真正潛力沒有發(fā)揮出來。n第三代WiFi-Mesh產(chǎn)品，采用多種技術，在無線性能（傳輸距離、移動速率、抗干擾、穿透等）方面具有大幅增強，能夠適應于更多更復雜的應用場景。第三代WiFi-Mesh網(wǎng)絡具備靈活性高和容錯能力強

30、的特點。它簡化了視距通信問題并以最少量的網(wǎng)絡基礎設施和互聯(lián)成本大大擴展了網(wǎng)絡的覆蓋范圍 。n相對于現(xiàn)有的有線系統(tǒng)，無線系統(tǒng)在信號質(zhì)量、覆蓋程度、傳輸距離、通訊安全、服務質(zhì)量等方面遭遇了更為苛刻的挑戰(zhàn)。如何克服這些瓶頸一直是無線網(wǎng)狀網(wǎng)領域的核心問題。此外，如何與WiMAX、Zigbee等其他新技術進行融合也是當前WiFi-Mesh的重要研究課題。n隨著經(jīng)濟和文化的發(fā)展，越來越多的無線應用市場需求激發(fā)了無線技術的快速發(fā)展。無線網(wǎng)狀網(wǎng)自一開始就是為“隨時隨地隨需”的無線應用所設計，它可以動態(tài)地創(chuàng)建新的鏈接和其他節(jié)點相連，具有自組網(wǎng)、自管理、自動修復、自我平衡等優(yōu)點。無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術不但被福布斯雜志認為

31、是預示著無線革命下一個階段的到來，也被IEEE評選為代表未來趨勢的十大信息技術之一。因此，無線網(wǎng)狀網(wǎng)已經(jīng)被業(yè)內(nèi)普遍認為是無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展方向，被公認為是未來的4G技術。(1). 是一種新型無線技術，提供無線路由功能，可擴展WiFi形成無線城域網(wǎng)(2). 單節(jié)點無線性能比WiFi有很大增強，滿足構建無線城域網(wǎng)的要求。(3). 網(wǎng)絡拓撲成網(wǎng)狀(4). 具備多跳功能(5). 網(wǎng)絡具有自組織能力(6). 網(wǎng)絡具有自修復能力(7). 網(wǎng)絡具有自平衡能力(8). 高帶寬，低成本n網(wǎng)狀拓撲結構。網(wǎng)狀拓撲結構。如下圖。傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡結構如圖b，屬于樹狀結構，有父子關系，每個節(jié)點只與它直接有父子關系的節(jié)點聯(lián)系

32、，父節(jié)點故障將導致其所有子節(jié)點無法正常工作。MESH拓撲結構如圖a，沒有父子關系，只要在無線發(fā)射功率可及范圍之內(nèi)的節(jié)點都可以直接通訊，一個節(jié)點故障只會影響到與它相關的無線鏈路，其它鏈路可照常通訊。這種網(wǎng)絡的一個顯著特點就是可靠性高。但其最大挑戰(zhàn)來自過于復雜的網(wǎng)絡結構導致路由協(xié)議非常復雜，特別是在無線環(huán)境中，節(jié)點具有移動性，而且無線環(huán)境瞬息萬變，節(jié)點發(fā)射功率也經(jīng)常調(diào)整，導致網(wǎng)絡拓撲結構變化非常頻繁，路由協(xié)議必須能管理這種快速變化，使任一時刻任意兩點間通訊都能找到最佳路徑。ABCDEFABCDEF圖a圖bl 網(wǎng)絡具備自組織功能，可自動探知新增節(jié)點，并更新路由，自動調(diào)整網(wǎng)絡參數(shù)，如相鄰節(jié)點發(fā)射功率等

33、l 自組織功能帶來諸多優(yōu)勢：減小無線規(guī)劃復雜度、無需復雜配置、新增節(jié)點非常方便BACD新增FEACl 網(wǎng)狀結構，無中心，單個節(jié)點破壞不會影響到其它節(jié)點，可進行路由自調(diào)整。l 節(jié)點具備功率自調(diào)整功能，通過覆蓋區(qū)域呼吸效應減小節(jié)點毀壞帶來的影響。BBACACDFEl 節(jié)點具有自平衡能力，能根據(jù)數(shù)據(jù)目的地和各前向路由中擁塞情況選擇最佳路徑發(fā)送 。BACDFE路徑擁塞節(jié)點擁塞n分布式控制。分布式控制。為實現(xiàn)節(jié)點間相互通訊，無線網(wǎng)狀網(wǎng)需要眾多控制功能，如認證、無線資源安排、路由發(fā)現(xiàn)等，這些工作在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中都是通過中心控制節(jié)點完成的，但在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中沒有中心控制節(jié)點，這些工作必須由各節(jié)點或節(jié)點間自行完成，

34、設計的控制流程與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡存在很大區(qū)別。如下圖所示：圖b為傳統(tǒng)網(wǎng)絡，節(jié)點A和節(jié)點E認證工作都與中心節(jié)點F直接交互；但在圖a網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)絡中，節(jié)點A認證與其相鄰節(jié)點進行，如圖中的B，節(jié)點E認證也與其相鄰節(jié)點進行，如圖中的B和D，而B和D對A和E的認證信息必須事先從節(jié)點F獲得。ABCDEFABCDEF圖a圖bn一般而言，WiFi-Mesh網(wǎng)絡由客戶節(jié)點、Mesh 路由器節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點組成。n客戶節(jié)點可以是筆記本電腦、PDA、WiFi 手機、RFID閱讀器和無線傳感器或控制器等；客戶節(jié)點按照功能可以分為兩類：一類只作為普通終端接入網(wǎng)絡，不具有轉發(fā)信息的功能；另一類既具有普通節(jié)點的接入功能，又具有路由和

35、信息轉發(fā)功能，即兼具了無線路由器的功能。Mesh 路由器可以是普通PC，也可以是專用的嵌入式系統(tǒng)，如ARM 等。n按照結構層次，無線Mesh 網(wǎng)絡可以分為平面結構、多極結構和混合結構。n平面結構中所有節(jié)點都是對等的關系，每個節(jié)點都包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議，既可以接入網(wǎng)絡，也可以轉發(fā)其他節(jié)點的消息。網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點能夠形成任意網(wǎng)狀的拓撲結構，節(jié)點也可以任意移動，網(wǎng)絡的拓撲結構會動態(tài)的發(fā)生變化。在這種環(huán)境下，由于節(jié)點的無線通信覆蓋范圍有限，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉發(fā)功能進行數(shù)據(jù)通信，而不需要借助其他基礎設施。n無線Mesh 網(wǎng)絡的典型多級結構，分為上下兩層。下層

36、的客戶節(jié)點可以通過Mesh 路由器接入到上層Mesh 結構的網(wǎng)絡中，Mesh 路由器提供路由選擇和中繼功能，為客戶節(jié)點提供一條順利連接到網(wǎng)關節(jié)點的無線鏈路。網(wǎng)關節(jié)點通過路由選擇和管理控制等功能為移動終端選擇與其他網(wǎng)絡節(jié)點通信的最佳路徑。這種結構的優(yōu)點：可以兼容市場上已經(jīng)有的設備，降低系統(tǒng)成本，提高了網(wǎng)絡覆蓋率和可靠性，缺點：任意兩個終端節(jié)點之間不能直接通信.n在混合結構中，用戶節(jié)點增加了具有轉發(fā)和路由功能的Mesh 設備，之間可以實現(xiàn)無線互連。l路由判據(jù)路由判據(jù) 無線MESH網(wǎng)絡中另外一個很重要的問題是路由選擇問題，例如從某個節(jié)點A到達其它的節(jié)點B，可以經(jīng)過不同的用戶站中轉，于是就存在多條路徑

37、，選擇哪條路徑就成為一個關鍵問題，這將直接影響系統(tǒng)的性能。而一般有線網(wǎng)絡中的路由協(xié)議技術并不適合無線路由場景.需要綜合考慮多方面的因素，當節(jié)點增加或是減少時，無線MESH網(wǎng)絡的拓撲結構就會發(fā)生變化，路由選擇問題變的更加復雜。l快速收斂快速收斂 無線網(wǎng)狀網(wǎng)中拓撲高度變化。由于常規(guī)路由協(xié)議需要花費較長時間才能達到收斂，而此時拓撲結構可能在達到收斂前又發(fā)生了變化，結果導致整個網(wǎng)絡路由始終無法處于收斂狀態(tài)。在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中，路由算法必須具備快速收斂特性，使其能夠感知和跟蹤上節(jié)點移動造成的鏈路狀況變化，以維護正確的動態(tài)路由。另外，由于無線帶寬有限，路由協(xié)議開銷不能太大，否則會嚴重影響網(wǎng)絡性能l快速無縫切換

38、快速無縫切換 結點在高速移動的情況下,需要在很短的時間內(nèi)進行無線鏈路的切換,如果切換時間過長,會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗟惹闆r. .n無線性能增強技術無線性能增強技術n無線信號存在著慢衰落和快衰落問題，如何增強傳輸距離、移動速率、抗干擾、穿透等無線性能是眾多無線MESH廠家的研究重點。新興的物理層無線電技術，如定向智能天線、自適應調(diào)制編碼、MIMO技術以及多無線電/多信道系統(tǒng)已經(jīng)成為下一代無線接入系統(tǒng)的不可或缺的關鍵技術。此外，為了進一步改善無線射頻性能以及高層協(xié)議的控制，更先進的可重配置無線電、感知無線電、甚至軟件無線電技術都已開始在無線系統(tǒng)中有所運用。這些高級物理層無線電技術的開發(fā)設計不僅對物理

39、層性能起著決定性作用，而且要求進行整合物理層、MAC層和網(wǎng)絡層進行整體設計，以便最大限度的提高整個網(wǎng)絡性能。n另外對于WiFi-Mesh網(wǎng)絡,由于共享信道等以及干擾等方面的原因,多跳后帶寬會嚴重降低,這個也是需要解決的問題n功率控制與管理功率控制與管理n功率控制與管理對于無線MESH網(wǎng)絡來說非常重要，特別是終端對節(jié)能尤為敏感。功率控制的主要好處在于：(1)采用盡可能小的發(fā)送功率或者減少不必要的功率發(fā)射能延長電池的使用期限，并且能增大網(wǎng)絡容量；(2)降低發(fā)射功率能夠減少鏈路沖突；(3)當系統(tǒng)流量負荷較高是，低發(fā)射功率將獲得更小的端到端時延；而當負荷較低時，高發(fā)射功率將獲得更小的時延，所以功率控制

40、需要根據(jù)系統(tǒng)負荷大小確定功率的分配；(4)功率控制應該與網(wǎng)絡層的路由技術聯(lián)合進行優(yōu)化設計。n無線資源管理實際上包括前面所述的功率控制，還包括容量和負載管理，以及資源分配和調(diào)度機制等。無線資源管理一方面是滿足各種業(yè)務的QoS要求，另外一方面能保證珍貴的無線資源高效使用。nQoSQoS保證保證n無線MESH網(wǎng)絡的大多數(shù)應用都是具有不同QoS要求的寬帶業(yè)務。這樣，除了端到端時延和公平性以外，還需要在通信協(xié)議中考慮時延抖動、聚合吞吐量、每節(jié)點吞吐量以及分組丟包率等性能評價指標。一般Mesh結點都具有轉發(fā)功能,特別是網(wǎng)狀網(wǎng)絡的情況下,結點自身業(yè)務和轉發(fā)業(yè)務發(fā)生沖突時如何保障QoS還是個問題n網(wǎng)絡信息安全

41、網(wǎng)絡信息安全n無線MESH網(wǎng)和802.11無線局域網(wǎng)相比，多跳通信是一個主要的安全挑戰(zhàn)。無線通信的廣播本質(zhì)使其更容易受到被動攻擊（如竊聽），以及主動攻擊（如信息篡改，DOS攻擊）。而這些安全隱患在多跳的MESH網(wǎng)中將被進一步放大。所以必須設計安全的路由協(xié)議以對抗針對路由協(xié)議的攻擊。InternetInternet傳統(tǒng)的WLAN無線局域網(wǎng)無線MESH網(wǎng)絡- 熱點覆蓋- 依賴有線連接- 無線性能較差- 數(shù)據(jù)固定路徑轉發(fā)- 熱區(qū)覆蓋- 無線自成網(wǎng)絡，不依賴有線連接- 無線性能大幅增強- 自動適應最佳路由，網(wǎng)絡自組織，自均衡-獨立唯一路徑獨立唯一路徑ABInternet-容易阻塞容易阻塞-必須經(jīng)過有線

42、網(wǎng)絡，且因容易發(fā)必須經(jīng)過有線網(wǎng)絡，且因容易發(fā)生阻塞，網(wǎng)絡延時大生阻塞，網(wǎng)絡延時大-所有節(jié)點必須與有線相連，部所有節(jié)點必須與有線相連，部署不方便（如采用網(wǎng)橋，則存署不方便（如采用網(wǎng)橋，則存在嚴重的單點故障問題）在嚴重的單點故障問題）-網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構、存在網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構、存在多條可選路徑，自動尋多條可選路徑，自動尋找最佳路徑找最佳路徑-多條路徑間自動平衡多條路徑間自動平衡流量，不易阻塞流量，不易阻塞-選擇最短路徑，延時選擇最短路徑，延時小小-無需所有節(jié)點落地，無需所有節(jié)點落地，網(wǎng)絡部署方便網(wǎng)絡部署方便-無單點故障問題，網(wǎng)無單點故障問題，網(wǎng)絡具備自愈能力絡具備自愈能力無線局域網(wǎng)無線局域網(wǎng)WLAN無線無線

43、MESH覆蓋距離覆蓋距離(100mw發(fā)射發(fā)射功率，全向功率，全向天線天線)室內(nèi)100m，室外300m(空曠地帶)室內(nèi)100200m，室外300m3Km(空曠地帶)移動性移動性小于50Km/h50Km/h350Km/h傳輸帶寬傳輸帶寬22Mbps(TCP)322Mbps(帶寬損失用于底層私有協(xié)議開銷)抗干擾能力抗干擾能力弱強無線網(wǎng)絡性無線網(wǎng)絡性能能由于節(jié)點間無協(xié)商機制，再多節(jié)點也無法形成高質(zhì)量無線覆蓋網(wǎng)絡，盲區(qū)眾多，切換時延大（幾秒）節(jié)點間存在協(xié)商機制，可以形成高質(zhì)量覆蓋的無線網(wǎng)絡，可消除盲區(qū)，切換時延小(無縫切換幾秒) 各廠家間無線性能存在較大差異，是無線MESH產(chǎn)品的核心競爭焦點nWiFi網(wǎng)

44、絡的特點是帶寬較高但通信范圍較小，主要用于小范圍的無線通訊，被定義為無線局域網(wǎng)(WLAN)。 n目前，WiFi網(wǎng)絡迅速向人群聚集的地點或樓宇內(nèi)發(fā)展，像咖啡店、酒店、機場候機大廳、寫字樓等地為用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的服務。 相對于WiFi，無線Mesh在組網(wǎng)方式、傳輸距離以及移動性上都有很大的改進，特別是它具有兼容WiFi的特性，利用WiFi-Mesh和WLAN的特點,在組網(wǎng)絡時,可以用WiFi-Mesh做骨干傳輸,同時用WLAN做接入,做到互相補充的關系2G公眾網(wǎng)公眾網(wǎng)(GPRS/CDMA1X)3G公眾網(wǎng)公眾網(wǎng)(TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000)3.5G公眾網(wǎng)公眾網(wǎng)(HSPA )無線無線

45、MESH最大傳輸帶最大傳輸帶寬寬30-70Kbps128Kbps,部分重點區(qū)域384Kbps 理論值下行14.4Mbps 上行5.8Mbps20Mbps網(wǎng)絡覆蓋網(wǎng)絡覆蓋廣域覆蓋,目前建設很充分,無處不在廣域覆蓋,目前僅在奧運城市建設廣域覆蓋,目前無建設城域覆蓋,按需建設安全安全國內(nèi)未實施空口加密,安全存在重大隱患,可輕松進行空口竊聽和數(shù)據(jù)攔截空口加密可靠,主要隱患來自非專網(wǎng)存在的安全問題空口加密可靠,主要隱患來自非專網(wǎng)存在的安全問題空口加密,節(jié)點認證,用戶認證,專網(wǎng)建網(wǎng)成本建網(wǎng)成本高高高低使用費使用費中高高低n3G已經(jīng)醞釀很久，而且得到各大通信公司的支持，我們國內(nèi)也有TD-SCDMA專有技術，

46、可謂眾望所歸。到目前為止，數(shù)字移動電話在一些基本應用上已經(jīng)做得很完美，如語音通信、短消息、簡單的新聞服務以及股市行情等等。下一步移動通信所要解決的就是實現(xiàn)移動電話之間更加直接的視頻通信.n無線Mesh網(wǎng)絡也具有移動、寬帶的特性，與3G提供的業(yè)務有些相近。但是二者的定位定位有所不同。3G定位在廣域網(wǎng)，將繼續(xù)為公眾移動通信服務，3G發(fā)展必須依賴大規(guī)模布網(wǎng)，時間會比較長。而無線Mesh是基于IP的，定位在城域網(wǎng)，組網(wǎng)靈活，可以先在小范圍使用，然后逐漸發(fā)展起來，更適合于各垂直行業(yè)的專網(wǎng)應用。它先于3G進入市場，同時它又具有很強的兼容性，便于將來與3G兼容，解決3G末端接入的問題。在未來的通信市場，3G與Mesh的結合存在很大的可能性。 固定固定WiMAX移動移動WiMAX無線無線MESH最大帶寬最大帶寬(物理層。物理層。20Mhz頻率資源頻率資源)75Mbps75Mb