大學(xué)信息通信專業(yè)多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC和路由協(xié)議課件

一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，并不需要通過集中接入點(diǎn)。無線mesh網(wǎng)絡(luò)的這種特殊的網(wǎng)絡(luò)部署使得它具有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢，同時(shí)也帶來一些安全方面的問題亟待解決。這種特殊的部署也給無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建、協(xié)議設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以1一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)

Mesh路由器節(jié)點(diǎn)和

mesh路由器節(jié)點(diǎn)除了為用戶提供傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)路由功能外，還有更加復(fù)雜的附加功能和更加優(yōu)秀的性能；可基于各種嵌入式系統(tǒng)Mesh用戶節(jié)點(diǎn)

Mesh客戶節(jié)點(diǎn)可由更多硬件擔(dān)任，例如，桌上電腦，掌上電腦，IP電話等。一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)Mesh路由器節(jié)點(diǎn)和

me2一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能分：

基礎(chǔ)類：包含路由器，為客戶層提供基礎(chǔ)底層服務(wù)

客戶類：為用戶提供點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

綜合類：基礎(chǔ)類和客戶類的結(jié)合，兩者功能兼而有 之，功能更強(qiáng)一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能分：

基礎(chǔ)3一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)

1.物理層：分單天線和多天線

2.MAC層：分單信道和多信道

3.網(wǎng)絡(luò)層

4.傳輸層

5.應(yīng)用層一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)

1.物理層：分單天4一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——優(yōu)點(diǎn)1、多跳技術(shù)2、健壯性3、移動(dòng)漫游和非視距傳輸(NLOS)4、自由組網(wǎng)5、高帶寬6、快速部署和易于安裝一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——優(yōu)點(diǎn)1、多跳技術(shù)5一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)應(yīng)用在現(xiàn)代通信技術(shù)中，無線mesh網(wǎng)絡(luò)可以通過mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能和其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，例如，英特網(wǎng)，移動(dòng)電話網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)等。這使其能夠基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展。現(xiàn)有類似網(wǎng)絡(luò)，adhoc網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)（wirelesspersonalareanetworks）等存在不少缺點(diǎn)，而無線mesh網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)有望突破上述網(wǎng)絡(luò)的局限性，并大大提高其性能。

一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)應(yīng)用6一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)各個(gè)協(xié)議層的設(shè)計(jì)仍目前面臨的最大挑戰(zhàn)。無線mesh網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)并無新意，而且每一層的協(xié)議設(shè)計(jì)都可以借鑒傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)，但由于無線mesh網(wǎng)絡(luò)的特殊性，又必須在原有協(xié)議上進(jìn)行改進(jìn)，甚至完全重新設(shè)計(jì)。一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)7二、多天線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)多天線節(jié)點(diǎn)可以有效地增加無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的容量。節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，用多信道則可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。其次，使用不同頻段的天線能夠使用不同的帶寬，范圍和衰減特性，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的健壯性、連接性和系統(tǒng)性能。再次，多天線可以更好的利用射頻頻譜，具有雙天線的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)在兩個(gè)信道上同時(shí)發(fā)送。二、多天線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)多天線節(jié)點(diǎn)可以有效地增加無線8三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)面臨的問題多信道的隱藏終端問題接收端忙問題廣播消息問題三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)面臨的問題9三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.2動(dòng)態(tài)信道分配(DCA)多信道MAC協(xié)議動(dòng)態(tài)信道分配(DCA)多信道MAC協(xié)議是有專用的控制信道、2個(gè)射頻的多信道MAC協(xié)議。三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.2動(dòng)態(tài)信道分配(10三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.3基于主信道分配的(PCAM)多信道MAC協(xié)議三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.3基于主信道分配11三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.4多信道MAC協(xié)議設(shè)計(jì)研究方向跨層設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)還停留在MAC層上，如何綜合考慮其他因素，跨層設(shè)計(jì)出高效的多信道MAC協(xié)議，是當(dāng)前多信道MAC協(xié)議研究的焦點(diǎn)

2結(jié)合其他技術(shù)

在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議的同時(shí)，要綜合考慮各個(gè)方面的因素，同時(shí)還要考慮與其他技術(shù)的結(jié)合，如功率控制等。三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.4多信道MAC協(xié)12四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.1傳統(tǒng)路由算法的缺點(diǎn)傳統(tǒng)路由算法一般根據(jù)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所需要的跳數(shù)作為傳輸路徑的度量，選擇最短路徑來傳送數(shù)據(jù)。但是在多天線的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，這種算法并不合適。四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.1傳統(tǒng)路13四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.2ETX路徑度量ETX就是表示了一個(gè)單播的數(shù)據(jù)包在通過連接傳輸時(shí)需要發(fā)送次數(shù)的均值。雖然ETX度量方法比傳統(tǒng)的路由算法能夠取得更好的性能，但是還是不能充分應(yīng)用多天線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.2ET14四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.3MR-LQSR路由協(xié)議這一協(xié)議中采用了一個(gè)新的量度WCETT來選擇最佳傳輸路徑。它給路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)間鏈路一個(gè)權(quán)重值，而路徑的度量是整條路徑所有鏈路權(quán)重值的函數(shù)。MR-LQSR算法基于了以下幾個(gè)假設(shè)： 網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都是靜止的 網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)若干802.11天線，可以是802.11a,b,g中的一個(gè)或幾個(gè) 不同信道間沒有干擾，而同一信道間存在干擾四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.3MR15四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.4MR-LQSR協(xié)議的不足和改進(jìn)路由協(xié)議設(shè)計(jì)假設(shè)節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)，而在實(shí)際中，許多Mesh客戶端往往是移動(dòng)的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，所以如何解決移動(dòng)路由選擇還有待于進(jìn)一步研究。假設(shè)認(rèn)為同信道傳送一定存在干擾，而在大范圍長路徑中，同一信道上的數(shù)據(jù)由于功率原因，可以不產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。此外，在計(jì)算ETT時(shí)，協(xié)議沒有計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)競爭帶來的影響，而相鄰節(jié)點(diǎn)的競爭影響能使丟包率因?yàn)榕鲎捕黾佣颐總€(gè)節(jié)點(diǎn)可用帶寬也將會(huì)減少。四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.4MR16一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，并不需要通過集中接入點(diǎn)。無線mesh網(wǎng)絡(luò)的這種特殊的網(wǎng)絡(luò)部署使得它具有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)勢，同時(shí)也帶來一些安全方面的問題亟待解決。這種特殊的部署也給無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建、協(xié)議設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以17一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)

Mesh路由器節(jié)點(diǎn)和

mesh路由器節(jié)點(diǎn)除了為用戶提供傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)路由功能外，還有更加復(fù)雜的附加功能和更加優(yōu)秀的性能；可基于各種嵌入式系統(tǒng)Mesh用戶節(jié)點(diǎn)

Mesh客戶節(jié)點(diǎn)可由更多硬件擔(dān)任，例如，桌上電腦，掌上電腦，IP電話等。一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)Mesh路由器節(jié)點(diǎn)和

me18一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能分：

基礎(chǔ)類：包含路由器，為客戶層提供基礎(chǔ)底層服務(wù)

客戶類：為用戶提供點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

綜合類：基礎(chǔ)類和客戶類的結(jié)合，兩者功能兼而有 之，功能更強(qiáng)一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能分：

基礎(chǔ)19一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)

1.物理層：分單天線和多天線

2.MAC層：分單信道和多信道

3.網(wǎng)絡(luò)層

4.傳輸層

5.應(yīng)用層一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)

1.物理層：分單天20一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——優(yōu)點(diǎn)1、多跳技術(shù)2、健壯性3、移動(dòng)漫游和非視距傳輸(NLOS)4、自由組網(wǎng)5、高帶寬6、快速部署和易于安裝一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——優(yōu)點(diǎn)1、多跳技術(shù)21一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)應(yīng)用在現(xiàn)代通信技術(shù)中，無線mesh網(wǎng)絡(luò)可以通過mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能和其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，例如，英特網(wǎng)，移動(dòng)電話網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)等。這使其能夠基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)有類似網(wǎng)絡(luò)，adhoc網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)（wirelesspersonalareanetworks）等存在不少缺點(diǎn)，而無線mesh網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)有望突破上述網(wǎng)絡(luò)的局限性，并大大提高其性能。

一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)應(yīng)用22一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)各個(gè)協(xié)議層的設(shè)計(jì)仍目前面臨的最大挑戰(zhàn)。無線mesh網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)并無新意，而且每一層的協(xié)議設(shè)計(jì)都可以借鑒傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)，但由于無線mesh網(wǎng)絡(luò)的特殊性，又必須在原有協(xié)議上進(jìn)行改進(jìn)，甚至完全重新設(shè)計(jì)。一、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述——應(yīng)用與挑戰(zhàn)挑戰(zhàn)23二、多天線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)多天線節(jié)點(diǎn)可以有效地增加無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的容量。節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，用多信道則可以同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。其次，使用不同頻段的天線能夠使用不同的帶寬，范圍和衰減特性，從而增加了網(wǎng)絡(luò)的健壯性、連接性和系統(tǒng)性能。再次，多天線可以更好的利用射頻頻譜，具有雙天線的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)在兩個(gè)信道上同時(shí)發(fā)送。二、多天線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)多天線節(jié)點(diǎn)可以有效地增加無線24三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)面臨的問題多信道的隱藏終端問題接收端忙問題廣播消息問題三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)面臨的問題25三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.2動(dòng)態(tài)信道分配(DCA)多信道MAC協(xié)議動(dòng)態(tài)信道分配(DCA)多信道MAC協(xié)議是有專用的控制信道、2個(gè)射頻的多信道MAC協(xié)議。三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.2動(dòng)態(tài)信道分配(26三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.3基于主信道分配的(PCAM)多信道MAC協(xié)議三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.3基于主信道分配27三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.4多信道MAC協(xié)議設(shè)計(jì)研究方向跨層設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的多信道MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)還停留在MAC層上，如何綜合考慮其他因素，跨層設(shè)計(jì)出高效的多信道MAC協(xié)議，是當(dāng)前多信道MAC協(xié)議研究的焦點(diǎn)

2結(jié)合其他技術(shù)

在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議的同時(shí)，要綜合考慮各個(gè)方面的因素，同時(shí)還要考慮與其他技術(shù)的結(jié)合，如功率控制等。三、多信道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議設(shè)計(jì)3.4多信道MAC協(xié)28四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.1傳統(tǒng)路由算法的缺點(diǎn)傳統(tǒng)路由算法一般根據(jù)數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)所需要的跳數(shù)作為傳輸路徑的度量，選擇最短路徑來傳送數(shù)據(jù)。但是在多天線的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，這種算法并不合適。四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.1傳統(tǒng)路29四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.2ETX路徑度量ETX就是表示了一個(gè)單播的數(shù)據(jù)包在通過連接傳輸時(shí)需要發(fā)送次數(shù)的均值。雖然ETX度量方法比傳統(tǒng)的路由算法能夠取得更好的性能，但是還是不能充分應(yīng)用多天線多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.2ET30四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.3MR-LQSR路由協(xié)議這一協(xié)議中采用了一個(gè)新的量度WCETT來選擇最佳傳輸路徑。它給路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)間鏈路一個(gè)權(quán)重值，而路徑的度量是整條路徑所有鏈路權(quán)重值的函數(shù)。MR-LQSR算法基于了以下幾個(gè)假設(shè)： 網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都是靜止的 網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)若干802.11天線，可以是802.11a,b,g中的一個(gè)或幾個(gè) 不同信道間沒有干擾，而同一信道間存在干擾四、支持多射頻的鏈路質(zhì)量源路由MR-LQSR協(xié)議4.3MR31四