無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)課件

無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

WirelessMeshNetwork（WMN）無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

WirelessMeshNetwork（1無線用戶接入因特網(wǎng)的途徑蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)通過2G的GPSR技術(shù)或3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣建立基站的代價高，用戶上網(wǎng)費用高，帶寬低無線局域網(wǎng)（802.11）帶寬高，組網(wǎng)成本低覆蓋范圍小無線用戶接入因特網(wǎng)的途徑蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)2無線用戶接入因特網(wǎng)的途徑（續(xù)）寬帶無線網(wǎng)絡(luò)WiMax無線用戶接入因特網(wǎng)的途徑（續(xù)）寬帶無線網(wǎng)絡(luò)WiMax3無線用戶接入因特網(wǎng)的途徑（續(xù)）無線網(wǎng)狀網(wǎng)在自組網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來，希望結(jié)合移動通信網(wǎng)和無線局域網(wǎng)的優(yōu)點。無線網(wǎng)狀網(wǎng)利用無線mesh路由器建立大范圍無線骨干，為各種有線與無線用戶提供多跳無線接入，被認(rèn)為是下一代無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。WMN可能的應(yīng)用包括無線寬帶服務(wù)、社區(qū)網(wǎng)絡(luò)、實時監(jiān)視系統(tǒng)、高速城域網(wǎng)等。無線用戶接入因特網(wǎng)的途徑（續(xù)）無線網(wǎng)狀網(wǎng)在自組網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展起41.無線網(wǎng)狀網(wǎng)的組成Mesh路由器：具備mesh組網(wǎng)能力，相互之間通過無線鏈路形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成mesh骨干。具備作為網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋的路由能力，允許其它網(wǎng)絡(luò)接入。Mesh客戶：

可直接接入mesh路由器，mesh客戶之間也可通過無線鏈路形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。硬件平臺和軟件比mesh路由器簡單得多。1.無線網(wǎng)狀網(wǎng)的組成Mesh路由器：52.無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型[1]架構(gòu)/骨干式（Infrastructure/backboneWMN）2.無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型[1]架構(gòu)/骨干式（Infras6無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型（續(xù)）對等式WMN無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型（續(xù)）對等式WMN7無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型（續(xù)）混合式WMN無線mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型（續(xù)）混合式WMN8WMN的特性（混合式）雖說是一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)，但有一個無線骨干，通過無線骨干很容易支持終端節(jié)點的移動。Mesh路由器較少移動且專門執(zhí)行路由與配置功能，大大減輕了mesh客戶與其它終端節(jié)點的負(fù)擔(dān)?？杉砂ㄓ芯€網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，支持多種類型網(wǎng)絡(luò)接入。mesh路由器通常不移動且有持久的電源供應(yīng)，mesh客戶則一般是移動的且由電池供電。WMN并不是獨立運行的，需要與其它無線網(wǎng)絡(luò)相兼容和互操作。WMN的特性（混合式）雖說是一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)，但有一個無線骨93.一個架構(gòu)式mesh網(wǎng)絡(luò)的實例—

MeshCluster[2]中繼節(jié)點：中繼接口：構(gòu)造mesh主干；接入接口：允許mesh客戶接入；網(wǎng)關(guān)節(jié)點：中繼接口：構(gòu)造mesh主干；因特網(wǎng)回程接口：接入因特網(wǎng)。3.一個架構(gòu)式mesh網(wǎng)絡(luò)的實例—

10AODV-ST路由協(xié)議AODV-spanningtree是一種混合路由協(xié)議：采用主動策略維護中繼節(jié)點到每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點的最佳路由，減小中繼節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的路由發(fā)現(xiàn)延遲；采用按需路由發(fā)現(xiàn)策略建立中繼節(jié)點之間的路由。

AODV-ST路由協(xié)議AODV-spanningtree是114.WMN的關(guān)鍵設(shè)計要素[1]無線技術(shù)有向和智能天線、MIMO系統(tǒng)、多射頻/多信道系統(tǒng)、可重配置無線電、認(rèn)知無線電、軟件無線電等。高層協(xié)議需要進(jìn)行革命性的設(shè)計，尤其是MAC層和路由協(xié)議?？蓴U放性從MAC層到應(yīng)用層的所有協(xié)議都必須是可擴放的。網(wǎng)狀連接拓?fù)湔J(rèn)知的MAC和路由協(xié)議可極大提高網(wǎng)絡(luò)性能。4.WMN的關(guān)鍵設(shè)計要素[1]無線技術(shù)12WMN的關(guān)鍵設(shè)計要素（續(xù)）寬帶和QoS必須考慮延遲抖動、集合吞吐量、每節(jié)點吞吐量、丟包率等更多性能參數(shù)。安全針對無線局域網(wǎng)提出的安全方案不能適用于WMN。易于使用所設(shè)計的協(xié)議必須使得網(wǎng)絡(luò)盡可能自治，要開發(fā)有效的網(wǎng)絡(luò)管理工具。兼容性和互操作性mesh路由器應(yīng)能夠集成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)。WMN的關(guān)鍵設(shè)計要素（續(xù)）寬帶和QoS135.研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[1]網(wǎng)絡(luò)容量的理論研究通信協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)管理安全跨層設(shè)計5.研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[1]網(wǎng)絡(luò)容量的理論研究145.1網(wǎng)絡(luò)容量的理論研究[3]研究了無線自組網(wǎng)容量的理論上界和下界，據(jù)此給出了提高自組網(wǎng)容量的指導(dǎo)性方針。[3]的分析方法推動了無線網(wǎng)絡(luò)容量的研究，但存在兩個缺點：采用的模型較為簡單，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的影響;網(wǎng)絡(luò)容量的理論邊界是基于漸近分析得到的，不能反映出給定規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的確切容量。分析結(jié)果能否應(yīng)用于WMN還有待研究。5.1網(wǎng)絡(luò)容量的理論研究[3]研究了無線自組網(wǎng)容量的理論上155.2通信協(xié)議?！锢韺酉冗M(jìn)的物理層技術(shù)利用不同調(diào)制技術(shù)與編碼速率的組合支持多傳輸速率，從而可為上層應(yīng)用提供自適應(yīng)容錯能力。支持高速傳輸?shù)恼活l分多路復(fù)用（OFDM）技術(shù)和超寬帶（UWB）技術(shù)。提高信道容量和信道可靠性的多天線系統(tǒng)，如天線分集、智能天線、多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)等?？色@得更高頻譜利用率和可行頻率規(guī)劃的頻率捷變無線電（frequency-agileradios）或認(rèn)知無線電（cognitiveradios），這些技術(shù)可動態(tài)捕獲未占用的頻譜。5.2通信協(xié)議棧—物理層先進(jìn)的物理層技術(shù)16物理層的開放問題還需要除OFDM和UWB之外的新的寬帶傳輸技術(shù)；多天線系統(tǒng)的復(fù)雜性和代價還太高，無法被大規(guī)模商業(yè)化；認(rèn)知無線電技術(shù)還在發(fā)展初期；允許高層協(xié)議訪問或控制的物理層組件，軟件無線電應(yīng)是一種很有前景的技術(shù)。物理層的開放問題還需要除OFDM和UWB之外的新的寬帶傳輸技17通信協(xié)議?！狹AC層WMN與經(jīng)典無線網(wǎng)絡(luò)MAC層的主要差異在于多跳通信、多點-多點通信。WMN的MAC層協(xié)議可工作在單信道或同時工作在多個信道上。WMN的MAC層協(xié)議分為：單信道MAC協(xié)議多信道MAC協(xié)議。通信協(xié)議?！狹AC層WMN與經(jīng)典無線網(wǎng)絡(luò)MAC層的主要差異在18單信道MAC協(xié)議修改已有的MAC協(xié)議：只能獲得較低的端到端吞吐量?？鐚釉O(shè)計：基于有向天線的MAC協(xié)議：可消除暴露節(jié)點，但會產(chǎn)生更多的隱藏節(jié)點；且面臨成本、系統(tǒng)復(fù)雜性、快速操控有向天線的實際問題。具有功率控制的MAC協(xié)議：使用較低的傳輸功率，減少暴露節(jié)點，但隱藏節(jié)點問題可能變得更糟糕。提出新的MAC協(xié)議：重新回到基于TDMA或CDMA來設(shè)計MAC層協(xié)議很有必要，但到目前為止幾乎沒有供WMN使用的TDMA或CDMAMAC協(xié)議。單信道MAC協(xié)議修改已有的MAC協(xié)議：只能獲得較低的端到端吞19多信道MAC協(xié)議多信道單收發(fā)器MAC協(xié)議：每電臺一個收發(fā)器，每個節(jié)點任一時刻只能工作在一個信道上，但不同節(jié)點可同時工作在不同的信道上，需要相應(yīng)的MAC協(xié)議。多信道多收發(fā)器MAC協(xié)議：一個電臺有多個并行的射頻前端芯片和基帶處理模塊，可同時支持幾個信道，但只需要一個MAC層模塊協(xié)調(diào)多個信道的活動。到目前為止，尚沒有提出針對WMN的多信道多收發(fā)器MAC協(xié)議。多電臺MAC協(xié)議：一個節(jié)點有多個電臺，每個電臺有自己的MAC層和物理層，電臺中的通信完全是獨立的。在MAC層上面需要一個虛擬MAC協(xié)議來協(xié)調(diào)所有信道中的通信。多信道MAC協(xié)議多信道單收發(fā)器MAC協(xié)議：20MAC層協(xié)議的開放問題可擴放的多信道MAC協(xié)議。MAC/PHY跨層設(shè)計：可利用先進(jìn)物理層功能的MAC協(xié)議。MAC層上的網(wǎng)絡(luò)集成：MAC層上必須開發(fā)先進(jìn)的橋接功能，以使不同的無線電臺（如IEEE802.11、802.16、802.15等）可以無縫地一起工作。MAC層協(xié)議的開放問題可擴放的多信道MAC協(xié)議。21通信協(xié)議棧—路由協(xié)議一個最佳的WMN路由協(xié)議必須具有以下特性：使用多種性能測度：僅用最小跳數(shù)作為路由性能測度是不夠的?？蓴U放性：WMN的無線覆蓋范圍很大，擴放性很重要。健壯性：為避免服務(wù)中斷，WMN對于鏈路失效或擁塞必須是健壯的，另外還需要執(zhí)行負(fù)載均衡。Mesh架構(gòu)上的有效路由：mesh路由器極少移動且沒有能量限制，其路由協(xié)議應(yīng)比移動自組網(wǎng)中的路由協(xié)議簡單得多；有了mesh路由器提供的mesh骨干，mesh客戶的路由協(xié)議也可以設(shè)計得比較簡單。通信協(xié)議?！酚蓞f(xié)議一個最佳的WMN路由協(xié)議必須具有以下特性22已有研究工作可采用各種性能測度的路由協(xié)議：有人研究了不同的路由測度對多跳無線網(wǎng)絡(luò)路由的影響；實驗發(fā)現(xiàn)，對移動節(jié)點采用最小跳數(shù)路由最好，對靜止節(jié)點則不然。多電臺路由：每個電臺被調(diào)諧到互不干擾的信道上，同時考慮鏈路質(zhì)量測度和最小跳數(shù)測度，在延遲和吞吐量之間取得了較好的折衷。多路徑路由：在源節(jié)點和目的節(jié)點之間選擇多條路徑，以實現(xiàn)平衡負(fù)載和提高容錯性，這種方法的性能取決于源節(jié)點和目的節(jié)點之間是否存在節(jié)點分離的路徑，且復(fù)雜性較高。層次路由：主要基于對節(jié)點進(jìn)行分簇，節(jié)點密度較大時可取得較好的性能，但維護層次結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可能損害路由協(xié)議的性能。地理路由：根據(jù)節(jié)點位置進(jìn)行路由，對拓?fù)涓淖兊倪m應(yīng)性較好。已有研究工作可采用各種性能測度的路由協(xié)議：有人研究了不同的路23路由協(xié)議的開放問題擴放性：分層路由協(xié)議由于自身的復(fù)雜性和管理難度，只是部分地解決了擴放性問題。地理路由協(xié)議依賴于GPS或類似的定位技術(shù)，增加了WMN的代價和復(fù)雜性，且位置服務(wù)是一個難點。更好的性能測度：需要提出新的性能測度，并能將多種性能測度集成到一個路由協(xié)議中以獲得最佳的整體性能。路由/MAC跨層設(shè)計：僅僅交換參數(shù)是不夠的，合并MAC協(xié)議和路由協(xié)議的某些功能是一種很有希望的方法有效的mesh路由：針對WMN中的mesh骨干研究簡單和有效的路由協(xié)議。路由協(xié)議的開放問題擴放性：24通信協(xié)議?！獋鬏攲涌煽康臄?shù)據(jù)傳輸（TCP增強或新的協(xié)議）：區(qū)分非擁塞性丟包：使用反饋機制區(qū)分不同原因引起的丟包。檢測鏈路失效：檢測鏈路失效以增強TCP的性能。網(wǎng)絡(luò)不對稱：使用ACK過濾和ACK擁塞控制等方法解決網(wǎng)絡(luò)不對稱的問題。RTT變動范圍大：由于節(jié)點移動、鏈路質(zhì)量時變、流量負(fù)載波動和其它因素的影響，路徑可能頻繁發(fā)生并引起較大的RTT變動。全新的協(xié)議：如專門針對自組網(wǎng)提出的ATP協(xié)議，但WMN要與因特網(wǎng)及其它許多無線網(wǎng)絡(luò)互連，WMN的傳輸協(xié)議必須與TCP兼容。實時交付：沒有用于WMN的速率控制協(xié)議。通信協(xié)議?！獋鬏攲涌煽康臄?shù)據(jù)傳輸（TCP增強或新的協(xié)議）：25傳輸層上的開放問題網(wǎng)絡(luò)不對稱的跨層解決方案自適應(yīng)TCP自適應(yīng)速率控制傳輸層上的開放問題網(wǎng)絡(luò)不對稱的跨層解決方案26通信協(xié)議?！獞?yīng)用層WMN支持的應(yīng)用有以下幾類：因特網(wǎng)訪問分布式信息存儲和共享：指用戶在WMN內(nèi)部進(jìn)行的信息存儲和共享?？缭蕉鄠€無線網(wǎng)絡(luò)的信息交換通信協(xié)議棧—應(yīng)用層WMN支持的應(yīng)用有以下幾類：27應(yīng)用層上的主要研究方向改進(jìn)已有的應(yīng)用層協(xié)議：適應(yīng)不完美的低層協(xié)議。為分布式信息共享提出新的應(yīng)用層協(xié)議為WMN開發(fā)新的應(yīng)用應(yīng)用層上的主要研究方向改進(jìn)已有的應(yīng)用層協(xié)議：適應(yīng)不完美的低層285.3網(wǎng)絡(luò)管理移動管理mesh客戶在不同mesh路由器之間的切換、連接的遷移等，需要多層移動管理方法。有效的位置服務(wù)算法。功率管理mesh路由器利用功率管理控制連通性、干擾、頻譜空間重用和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋗esh客戶通過功率管理節(jié)能WMN要求可同時優(yōu)化功率有效性和連通性的功率管理方案。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視有效傳輸網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視數(shù)據(jù)的方法，可準(zhǔn)確檢測網(wǎng)絡(luò)異常和迅速獲得多跳mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄?shù)據(jù)處理算法。5.3網(wǎng)絡(luò)管理移動管理295.4安全WMN很容易遭受來自各個協(xié)議層上的攻擊，而至今尚無有效和可擴放的安全解決方案。需要研究分布式的鑒別、授權(quán)和安全的密鑰管理方法。設(shè)計和實現(xiàn)一個實用的安全系統(tǒng)，包括跨層安全網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和各種入侵檢測算法，5.4安全WMN很容易遭受來自各個協(xié)議層上的攻擊，而至今尚305.5跨層設(shè)計MAC、路由和傳輸層協(xié)議需要與物理層一起互動地工作。具體的跨層設(shè)計方法有待研究。5.5跨層設(shè)計MAC、路由和傳輸層協(xié)議需要與物理層一起互動315.6結(jié)論WMN的性能遠(yuǎn)低于預(yù)期，許多問題需要解決，最重要和最迫切的是擴放性和安全性?；诂F(xiàn)有的MAC、路由和傳輸協(xié)議，WMN的性能對于節(jié)點數(shù)量和跳數(shù)沒有擴放性，需要為WMN研究新的MAC、路由及傳輸協(xié)議。目前的安全方法可能對特定層上的特定攻擊有作用，需要能夠預(yù)防或?qū)Ω端袑由瞎舻木C合機制。目前的WMN只能部分實現(xiàn)自組織和自配置。WMN集成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的能力還非常有限。5.6結(jié)論WMN的性能遠(yuǎn)低于預(yù)期，許多問題需要解決，最重要326.無線網(wǎng)絡(luò)容量研究[3]考慮兩種類型的網(wǎng)絡(luò)：任意（arbitrary）網(wǎng)絡(luò)：n個節(jié)點任意放置，每個節(jié)點任意選擇一個目的節(jié)點，以任意速率和功率水平發(fā)送數(shù)據(jù)。隨機（random）網(wǎng)絡(luò)：n個節(jié)點隨機均勻分布，每個節(jié)點隨機選擇一個目的節(jié)點（與隨機選擇位置最近的節(jié)點）與之通信，所有節(jié)點是同構(gòu)的（有相同的通信距離）?？紤]兩種通信干擾模型：協(xié)議模型（protocolmodel）物理模型（physicalmodel）6.無線網(wǎng)絡(luò)容量研究[3]考慮兩種類型的網(wǎng)絡(luò)：336.1任意網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型：令Xi表示一個節(jié)點的位置（也表示節(jié)點本身），假設(shè)節(jié)點Xi在第m條子信道上向節(jié)點Xj發(fā)送，那么當(dāng)在同一個子信道上同時發(fā)送的其它節(jié)點Xk滿足以下條件時，Xj能正確接收：|Xk-Xj|≥(1+Δ)|Xi-Xj|Δ>0可以是協(xié)議規(guī)定的一個保護區(qū)，以防止鄰近節(jié)點在同一個子信道上同時發(fā)送；也可以允許節(jié)點的傳輸范圍有一定程度的誤差。6.1任意網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型：34物理模型物理模型：令{Xk;k∈Τ}為在某個時刻、在一個特定的子信道上同時發(fā)送的節(jié)點集合，令Pk為節(jié)點Xk選擇的發(fā)送功率水平，那么當(dāng)滿足以下條件時，節(jié)點Xi的發(fā)送可被節(jié)點Xj正確接收：β為成功接收所要求的最小信噪比，N為環(huán)境噪聲功率，信號功率隨距離r指數(shù)下降，衰減指數(shù)α通常假設(shè)大于2。物理模型物理模型：35傳輸容量比特-距離乘積：在一次成功的一跳傳輸中，當(dāng)一個比特朝著目的節(jié)點前進(jìn)一米時，稱網(wǎng)絡(luò)傳輸了一個比特-距離（bit-meter）。給定時間和空間上的一組成功傳輸，其比特-距離乘積之和是對網(wǎng)絡(luò)傳輸容量的指示。傳輸容量比特-距離乘積：36協(xié)議模型下的實驗結(jié)果以下結(jié)果假設(shè)n個節(jié)點任意分布在1m2的圓形區(qū)域上，每個節(jié)點的傳輸速率為Wbits/sec。網(wǎng)絡(luò)最大傳輸容量：如果節(jié)點位置、流量模式及每個節(jié)點的發(fā)送功率都是最佳選擇的，則該任意網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量為：上界為：節(jié)點最大傳輸容量：如果網(wǎng)絡(luò)最大傳輸容量在n個節(jié)點間平分，則每個節(jié)點的最大傳輸容量為：若距目的節(jié)點1m，則每個節(jié)點可獲得的吞吐量為：協(xié)議模型下的實驗結(jié)果以下結(jié)果假設(shè)n個節(jié)點任意分布在1m37物理模型下的實驗結(jié)果網(wǎng)絡(luò)最大傳輸容量：當(dāng)滿足Pmax/Pmin<β時，傳輸容量上界為：物理模型下的實驗結(jié)果網(wǎng)絡(luò)最大傳輸容量：386.2隨機網(wǎng)絡(luò)假設(shè)所有節(jié)點的傳輸距離均為r。協(xié)議模型：節(jié)點Xi在第m條子信道上向節(jié)點Xj發(fā)送，當(dāng)滿足以下兩個條件時，Xj能正確接收：1）|Xi-Xj|≤r2）在同一個子信道上同時發(fā)送的其它節(jié)點Xk滿足：|Xk-Xj|

≥(1+Δ)r6.2隨機網(wǎng)絡(luò)假設(shè)所有節(jié)點的傳輸距離均為r。39物理模型

所有節(jié)點的發(fā)送功率均為P。物理模型：令{Xk;k∈Τ}為在某個時刻、在一個特定的子信道上同時發(fā)送的節(jié)點集合，那么當(dāng)滿足以下條件時，節(jié)點Xi的發(fā)送可被節(jié)點Xj正確接收：物理模型所有節(jié)點的發(fā)送功率均為P。40實驗結(jié)果 協(xié)議模型下，每個節(jié)點可獲得吞吐量：物理模型下，每個節(jié)點可獲得吞吐量：實驗結(jié)果 協(xié)議模型下，每個節(jié)點可獲得吞吐量：416.3討論本質(zhì)上說，相鄰節(jié)點共享信道的需要限制了無線網(wǎng)絡(luò)的容量。每個用戶可獲得的吞吐量隨用戶數(shù)量增加而趨近于零，因此，無線網(wǎng)絡(luò)只應(yīng)當(dāng)包含少量用戶多數(shù)傳輸只應(yīng)發(fā)生在鄰近區(qū)域，只有少量長距離傳輸（比如使用分簇結(jié)構(gòu)），這樣可以縮小源-目的距離。本文未考慮由信道接入、節(jié)點移動、鏈路失效、路由等引起的開銷，這些開銷將進(jìn)一步減小節(jié)點的吞吐量。有向天線將有助于提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量。6.3討論本質(zhì)上說，相鄰節(jié)點共享信道的需要限制了無線網(wǎng)絡(luò)的427.WMN中的路由測度研究[4]路由測度（routingmetric）用來在所有可能的路由中確定一條最佳路由。路由測度的設(shè)計要根據(jù)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的特性決定，WMN路由測度的設(shè)計要考慮以下兩方面的因素：所使用的路由協(xié)議：哪一類路由協(xié)議適合WMN，路由測度的設(shè)計應(yīng)與路由協(xié)議相符合；Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性：靜止節(jié)點+共享無線介質(zhì)，有效的路由測度應(yīng)考慮鏈路的信道分配，反映出干擾對路徑性能的影響。7.WMN中的路由測度研究[4]路由測度（routing437.1適合Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議按需路由：路由發(fā)現(xiàn)通常采用洪泛方法，適用于鏈路經(jīng)常中斷（如節(jié)點移動）的網(wǎng)絡(luò)。Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點是靜止的，鏈路中斷概率較低，基于洪泛的路由發(fā)現(xiàn)是冗余的。按需路由一般來說不適合mesh網(wǎng)絡(luò)。源路由（先應(yīng)式路由）：源節(jié)點為一個數(shù)據(jù)流計算路由，將整條路徑放在包頭中。mesh網(wǎng)絡(luò)的包長通常很小，將整條路徑放在包頭中的消息開銷很大。一般來說，源路由也不適合mesh網(wǎng)絡(luò)。逐跳路由（先應(yīng)式路由）：包頭中的消息開銷小，在網(wǎng)絡(luò)路由中占據(jù)主導(dǎo)地位，也適合mesh網(wǎng)絡(luò)。逐跳路由的關(guān)鍵是要仔細(xì)設(shè)計路由測度以避免出現(xiàn)路由環(huán)路。7.1適合Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議按需路由：447.2對路由測度的要求路由測度不能引起頻繁的路由改變，以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。路由測度必須反映mesh網(wǎng)絡(luò)的特性，以確保最小加權(quán)路徑性能良好。路由測度必須保證最小加權(quán)路徑可以被多項式復(fù)雜度的算法找到。路由測度必須保證不會形成轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路。7.2對路由測度的要求路由測度不能引起頻繁的路由改變，以確45路由穩(wěn)定性路由權(quán)重的穩(wěn)定性與路由測度所反映的路由特性有關(guān)，分為：負(fù)載敏感型：根據(jù)路由上的負(fù)載為路由分配權(quán)重，如擁塞節(jié)點的個數(shù)；拓?fù)湟蕾囆停焊鶕?jù)路由的拓?fù)涮匦詾槁酚芍付ㄒ粋€權(quán)重，如跳數(shù)、鏈路容量等。路由測度適應(yīng)的路由協(xié)議：負(fù)載敏感測度：只適用于按需路由，在流量變化較大的網(wǎng)絡(luò)中與先應(yīng)式路由一起使用會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定；拓?fù)湟蕾嚋y度：可用于按需路由和先應(yīng)式路由，Mesh網(wǎng)絡(luò)較適合采用拓?fù)湟蕾嚋y度。路由穩(wěn)定性路由權(quán)重的穩(wěn)定性與路由測度所反映的路由特性有關(guān)，分46最小權(quán)重路由的性能路由測度必須能反映出影響網(wǎng)絡(luò)性能的路徑特性，路徑特性有以下幾種：路徑長度（跳數(shù)）：較多的跳數(shù)會增大端到端延遲和減少流的吞吐量，因此隨著路徑長度的增大應(yīng)增加路徑權(quán)重。鏈路容量：隨著節(jié)點間距離的增大，鏈路容量下降。應(yīng)權(quán)衡路徑長度和鏈路容量的關(guān)系。包丟失率：重傳會影響使用該鏈路的流的吞吐量和延遲，因此路由測度必須反映鏈路的包丟失率。干擾：路由測度必須同時反映流內(nèi)干擾和流間干擾：流間干擾：相鄰數(shù)據(jù)流之間的干擾；流內(nèi)干擾：同一個數(shù)據(jù)流中相鄰節(jié)點間的干擾。最小權(quán)重路由的性能路由測度必須能反映出影響網(wǎng)絡(luò)性能的路徑特性47流間干擾和流內(nèi)干擾流間干擾流內(nèi)干擾流間干擾和流內(nèi)干擾流間干擾流內(nèi)干擾48計算最小權(quán)重路徑的有效算法研究表明，存在多項式復(fù)雜度的最小權(quán)重路由計算算法的充分必要條件是路由測度具有保序性。保序性（isotonicity）：在兩條路徑上添加相同的一段路徑后，這兩條路徑的權(quán)重大小順序不變。Bellman-Ford算法或Dijkstra算法計算最小權(quán)重路徑的充分必要條件為路由測度具有保序性。計算最小權(quán)重路徑的有效算法研究表明，存在多項式復(fù)雜度的最小權(quán)49無環(huán)路由研究表明，如果在逐跳路由中使用Dijkstra算法，保序性是實現(xiàn)無環(huán)轉(zhuǎn)發(fā)的充分必要條件。這意味著，對于非保序的路由測度，只能使用按需路由、源路由或距離矢量路由，因為這些路由協(xié)議不要求保序性來確保無環(huán)路由。在mesh網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)當(dāng)使用保序的路由測度。無環(huán)路由研究表明，如果在逐跳路由中使用Dijkstra算法，507.3Mesh網(wǎng)絡(luò)中使用的路由測度Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由測度應(yīng)當(dāng)是保序、拓?fù)湟蕾嚭湍軌蚍从砿esh網(wǎng)絡(luò)特性的。針對WMN已提出了以下一些路由測度：跳數(shù)ExpectedTransmissionCount（ETX）ExpectedTransmissionTime（ETT）WeightedCumulativeETT（WCETT）MetricofInterferenceandChannel-switching（MIC）7.3Mesh網(wǎng)絡(luò)中使用的路由測度Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由測度51（1）跳數(shù)跳數(shù)反映了路徑長度對流性能的影響。跳數(shù)測度是保序的，存在有效的算法能夠找到最小跳數(shù)的無環(huán)路徑。跳數(shù)測度沒有考慮不同無線鏈路上傳輸速率和丟包率的差異以及網(wǎng)絡(luò)中的干擾，在WMN中不能獲得良好的性能。（1）跳數(shù)跳數(shù)反映了路徑長度對流性能的影響。52（2）平均傳輸次數(shù)（ETX）ETX定義為在無線鏈路上成功傳輸一個數(shù)據(jù)包所需要的MAC層傳輸次數(shù)的期望值。路徑的權(quán)重定義為該路徑上所有鏈路的ETX總和。由于長路徑和易損路徑具有較大的權(quán)重，因此ETX測度反映了路徑長度和包丟失率的影響。ETX是保序的。ETX沒有考慮干擾以及鏈路速率的影響。（2）平均傳輸次數(shù)（ETX）ETX定義為在無線鏈路上成功傳輸53（3）平均傳輸時間（ETT）ETT定義為在無線鏈路上成功傳輸一個數(shù)據(jù)包所需的MAC層傳輸時間的期望值，引入了鏈路傳輸速率的影響。鏈路的ETX和ETT的關(guān)系如下（s為包長，b為鏈路的傳輸速率）： ETT=ETX*s/b路徑的權(quán)重定義為該路徑上所有鏈路的ETT總和。ETT測度反映了路徑長度、包丟失率和鏈路容量的影響。ETT是保序的。ETT沒有反映網(wǎng)絡(luò)中的干擾。（3）平均傳輸時間（ETT）ETT定義為在無線鏈路上成功傳輸54（4）加權(quán)累積ETT（WCETT）路徑p的WCETT定義如下（Xj是路徑p中信道j被使用的次數(shù)，maxXj為路徑上同一個信道被使用的最大次數(shù)：WCETT測度在ETT的基礎(chǔ)上考慮了流內(nèi)干擾。缺點：沒有顯式考慮流間干擾；WCETT不是保序的，沒有有效的算法計算最小權(quán)重路徑。（4）加權(quán)累積ETT（WCETT）路徑p的WCETT定義如下55WCETT測度非保序的例子WCETT測度非保序的例子56（5）干擾和信道切換測度（MIC）路徑p的MIC定義如下：IRU是鏈路l上的傳輸所消耗的鄰居節(jié)點信道時間的總和，反映了流間干擾，CSC反映了流內(nèi)干擾。MIC本身不是保序的，但可以轉(zhuǎn)換成在虛擬網(wǎng)絡(luò)上保序的MIC，從而可以在虛擬網(wǎng)絡(luò)上使用有效的算法來計算最小權(quán)重路由。仿真實驗表明，MIC的性能最好（吞吐量高、延遲小、信道利用率大）。（5）干擾和信道切換測度（MIC）路徑p的MIC定義如下：578.負(fù)載平衡[2][6]無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載平衡有三種方式：基于路徑的負(fù)載平衡：將”接入路由器-網(wǎng)關(guān)“之間的流量分布到幾條不同的路徑上來提高網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性?；诰W(wǎng)關(guān)的負(fù)載平衡：將與因特網(wǎng)交互的流量分布到多個網(wǎng)關(guān)上?；贛esh路由器的負(fù)載平衡：實現(xiàn)Mesh骨干網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)載平衡。8.負(fù)載平衡[2][6]無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載平衡有三種588.1基于路徑的負(fù)載平衡備用路徑路由（AlternatePathrouting）改進(jìn)傳輸性能的前提條件是：存在不相交的幾條路徑備用路徑長度在可接受的范圍內(nèi)（不會導(dǎo)致延遲太大）無線網(wǎng)絡(luò)中的路徑耦合盡可能小衡量路由r1和r2之間耦合度的指標(biāo)：當(dāng)r1上的一個節(jié)點發(fā)送時，r2上無法接收數(shù)據(jù)的節(jié)點的平均數(shù)量。8.1基于路徑的負(fù)載平衡備用路徑路由（Alternate59無線網(wǎng)絡(luò)中路徑耦合的例子無線網(wǎng)絡(luò)中路徑耦合的例子608.2基于網(wǎng)關(guān)的負(fù)載平衡（1）[2]采用的負(fù)載平衡策略：提供接入服務(wù)的中繼節(jié)點在其維護的生成樹上，選擇可獲得最好性能（由路由測度決定）的網(wǎng)關(guān)作為缺省網(wǎng)關(guān)。典型地，接入中繼將其產(chǎn)生的所有流量路由到缺省網(wǎng)關(guān)。每個接入中繼使用一個RTT探測工具監(jiān)視到各個網(wǎng)關(guān)的最佳路由的質(zhì)量，具有最小RTT值的網(wǎng)關(guān)被設(shè)為最小負(fù)載網(wǎng)關(guān)。當(dāng)接入中繼檢測到最小負(fù)載網(wǎng)關(guān)與缺省網(wǎng)關(guān)不同時，由該接入中繼產(chǎn)生的新的數(shù)據(jù)流將使用最小負(fù)載網(wǎng)關(guān)作為它的因特網(wǎng)出口。8.2基于網(wǎng)關(guān)的負(fù)載平衡（1）[2]采用的負(fù)載平衡策略：61基于網(wǎng)關(guān)的負(fù)載均衡（2）[6]允許每個節(jié)點將其流量平均分配到所有可訪問的網(wǎng)關(guān)上，提出了兩種調(diào)度方案。方案一：使用一個網(wǎng)絡(luò)控制器，維護完整的網(wǎng)絡(luò)信息，負(fù)責(zé)為每個節(jié)點選擇到各個網(wǎng)關(guān)的最佳路由。算法為每個節(jié)點-網(wǎng)關(guān)對維護k條最短路徑。在每一輪迭代中，選擇當(dāng)前優(yōu)先級最高的節(jié)點（節(jié)點的優(yōu)先級等于剩余流量加轉(zhuǎn)發(fā)流量），嘗試為其分配當(dāng)前最短路徑；如果當(dāng)前最短路徑上任何一條鏈路無法提供所需的容量（總流量的1/m，m為可用的網(wǎng)關(guān)數(shù)量），則嘗試分配次短路徑；分配成功后更新相關(guān)鏈路的代價（剩余容量），所有未分配最短路徑的節(jié)點重新計算它們的最短路徑。這個過程不斷重復(fù)，直至為所有節(jié)點分配好最短路徑?；诰W(wǎng)關(guān)的負(fù)載均衡（2）[6]允許每個節(jié)點將其流量平均分配到62基于網(wǎng)關(guān)的負(fù)載均衡（3）方案二：采用貪婪調(diào)度方法假設(shè)節(jié)點到n個網(wǎng)關(guān)均有最短路徑，跳數(shù)分別為h1、h2、……、hn,則分配給網(wǎng)關(guān)i的流量為：Ti={[(h1h2…h(huán)n)/(h2h3…h(huán)n+h1h3…h(huán)n+......+h1h2…h(huán)n-1)]*(1/hi)}即較多的流量被分配給跳數(shù)較少的網(wǎng)關(guān)。例如，若節(jié)點到三個網(wǎng)關(guān)的最小跳數(shù)分別為2、3和4，則它會發(fā)送12/26的流量給最近的網(wǎng)關(guān)，發(fā)送8/26的流量給次近的網(wǎng)關(guān)，發(fā)送6/26的流量給最遠(yuǎn)的網(wǎng)關(guān)。基于網(wǎng)關(guān)的負(fù)載均衡（3）方案二：638.3基于mesh路由器的負(fù)載平衡[5]在路由測度WCETT中引入負(fù)載因素，提出了WCETT-LB路由測度。路徑p的WCETT-LB定義為：WCETT-LB(p)=WCETT(p)+L(p)QLi為路徑p上節(jié)點i的平均隊列長度，bi是節(jié)點i的傳輸速率，QLi/bi稱為節(jié)點i的擁塞水平。Min(ETT)是網(wǎng)絡(luò)中的最小ETT，Ni是選擇節(jié)點i為下一跳的節(jié)點集合，min(ETT)*Ni反映了節(jié)點i上的負(fù)載集中程度。論文稱WCETT-LB是保序的。8.3基于mesh路由器的負(fù)載平衡[5]在路由測度WCET64全局擁塞認(rèn)知的路由方案每個mesh路由器定期計算自己的擁塞水平，超過門限σ時重新計算WCETT-LB，并向Ni中的節(jié)點廣播更新的WCETT-LB。收到WCETT-LB更新廣播的節(jié)點再向以它為下一跳的節(jié)點廣播，直至擁塞信息傳播到接入路由器。收到WCETT-LB更新消息的接入節(jié)點，重新計算一條最佳路徑，計算最佳路徑上的WCETT-LBbest。若WCETT-LBcurrent-WCETT-LBbest≥δ，切換到最佳路徑上，否則繼續(xù)使用當(dāng)前路徑。全局擁塞認(rèn)知的路由方案每個mesh路由器定期計算自己的擁塞水65例子例子66仿真實驗結(jié)果吞吐量端到端延遲仿真實驗結(jié)果吞吐量端到端延遲679.網(wǎng)關(guān)放置[6]Mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計涉及許多問題，網(wǎng)關(guān)放置是WMN設(shè)計的基本問題之一。增加網(wǎng)關(guān)數(shù)量有助于提高網(wǎng)絡(luò)性能，但每個網(wǎng)關(guān)必須配置因特網(wǎng)接口，這使得網(wǎng)關(guān)（IGW）比普通mesh路由器（MR）成本高很多，節(jié)省網(wǎng)關(guān)數(shù)量也非常重要。網(wǎng)關(guān)放置是一個復(fù)雜的問題，可以描述為一個約束優(yōu)化問題。[6]設(shè)計了能夠反映WMN特性的網(wǎng)絡(luò)模型，給出了網(wǎng)關(guān)放置的問題描述，并提出了求解這一問題的啟發(fā)式算法。9.網(wǎng)關(guān)放置[6]Mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計涉及許多問題，網(wǎng)關(guān)放置689.1網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述每個MR配置有一個或幾個無線接口；具有幾個無線接口的MR可以同時在幾個不重疊的信道上與相鄰的MR通信；IGW通過無線鏈路與相鄰MR通信，通過有線鏈路連接因特網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)場景9.1網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述每個MR配置有一個或幾個無線接口；69網(wǎng)絡(luò)模型無向圖G=（V,E），V={v1,…,vn}是網(wǎng)絡(luò)中n個節(jié)點（MR和IGW）的集合，其中m個是IGW，其余為普通MR，m<(n–m)。每個MR節(jié)點（vi）配置一組射頻無線接口，用ρ(vi)={1,2,…,|ρ(vi)|}表示，同一個節(jié)點的不同射頻接口配置在不同的信道上。集合CH={1,2,…,c}代表無線系統(tǒng)中c個不重疊的信道。信道i∈CH上可能的數(shù)據(jù)速率用wibit/s表示。MR用于骨干連接的射頻傳輸距離均為Rtran，當(dāng)且僅當(dāng)兩個節(jié)點之間的距離小于通信距離時，它們之間存在一條邊。E={e1,…,ek}為邊集。給定一個MRvi∈V，其流量可能包括兩部分：1）本地因特網(wǎng)流量Tl(vi)，由其服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動用戶產(chǎn)生；2）中繼因特網(wǎng)流量Tr(vi)，為其它MR轉(zhuǎn)發(fā)的流量。部署完成后，節(jié)點vi∈V的物理位置固定，每個節(jié)點都有持續(xù)的電源供應(yīng)，IGW的有線連接及因特網(wǎng)帶寬j是無限的，IGW成本比MR高。網(wǎng)絡(luò)模型無向圖G=（V,E），V={v1,…,v70問題描述IGW放置問題定義為：給定一個具有n個MR的網(wǎng)絡(luò)，從中選擇m個節(jié)點I={I1,…,Im}，使得WMN能夠滿足每個MR的因特網(wǎng)流量需求（即Tl(vi)）。IGW放置問題需要滿足以下約束條件：全覆蓋：每個MR至少連接到一個IGW上（通過一跳或多跳路徑）。IGW的吞吐能力：網(wǎng)絡(luò)中所有IGW的吞吐能力之和不小于網(wǎng)絡(luò)中總的流量需求：MR的吞吐能力：通過一個M（vi）R的流量不能超過它的吞吐能力：共信道干擾（co-channelinterference）：IGW和MR的吞吐能力受干擾影響。投資成本問題描述IGW放置問題定義為：71干擾模型理想鏈路模型：如果路徑的跳數(shù)不超過一個給定值，路徑吞吐量不下降；超過該給定值，吞吐量為0?；谔鴶?shù)的吞吐量下降模型：從MRvi到一個IGW的長為p跳的路徑，為獲得的吞吐量Tl(vi)，實際需要的吞吐量T’l(vi,p)可用下式估算，其中α為每跳多消耗的吞吐量比例：基于碰撞的模型：令Rint為一個信道的干擾范圍（Rint>Rtran），在這個范圍內(nèi)信道不能被重用，Wint為在該范圍內(nèi)使用信道的最大吞吐量。若使用多個正交信道，則Wint是在Rint范圍內(nèi)使用所有正交信道的最大吞吐量。干擾模型理想鏈路模型：72優(yōu)化目標(biāo)最小化IGW的數(shù)量：確定IGW的位置，使得用最少數(shù)量的IGW提供足夠的網(wǎng)絡(luò)吞吐能力。最小化MR-IGW的跳數(shù)：研究表明，每個節(jié)點可獲得的吞吐量λ為：當(dāng)使用多個信道時，因此，IGW的放置應(yīng)使得MR-IGW的平均跳數(shù)最小。）可承受的計算復(fù)雜度：尋找IGW的最佳放置是一個NP難的問題。優(yōu)化目標(biāo)最小化IGW的數(shù)量：739.2WMN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與IGW放置為了有效部署WMN，提出了一些WMN架構(gòu)，以下為[6]介紹的兩種：IGW指向和連接的簇以IGW為根的樹9.2WMN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與IGW放置為了有效部署WMN，提出了74（1）IGW指向和連接的簇一個IGW指向和連接的簇是一個連通圖Clusteri=(Vi,Ei)，其中Vi={Ii,v1’,…,vi’}，Ii是簇頭，v1’,…,vi’為MR，Ei={e1’,…,ei’}是指向IGWIi