無線網(wǎng)格網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

張記瑞　黃圣春　魏急波

摘 要： 作為一種新興的無線組網(wǎng)技術(shù)，無線網(wǎng)格網(wǎng)在災(zāi)后救援、臨時大型活動及時通信和家庭辦公多媒體數(shù)據(jù)交互等多個領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。介紹了無線網(wǎng)格網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，并針對MAC協(xié)議設(shè)計的兩個關(guān)鍵技術(shù)：時隙分配和跨層設(shè)計進(jìn)行了闡述和總結(jié)，為解決現(xiàn)有無線網(wǎng)格網(wǎng)協(xié)議中時隙利用率低和多跳傳輸效率不高提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)格網(wǎng)； 時隙分配； 跨層； MAC協(xié)議

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）19?0057?03

Abstract： As an emerging wireless networking technique， wireless mesh network has a vast application prospect in the fields of rescue after disaster， instant messaging for temporary large?scale activities and telecommuting multimedia data interaction. The network structures and standardized protocols of the wireless mesh network are introduced. The two key technologies of time slot allocation and cross?layer design for MAC protocol design are presented and summarized， which provides the basis for improving the time slot utilization ratio and multi?hop transmission efficiency in the existing wireless mesh network protocols.

Keywords： wireless mesh network； time slot allocation； cross?layer； MAC protocol

0 引 言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對通信網(wǎng)絡(luò)的依賴也日趨強(qiáng)烈。據(jù)中國網(wǎng)絡(luò)信息中心發(fā)布的《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》顯示，截止2014年底，我國手機(jī)網(wǎng)民規(guī)模已經(jīng)達(dá)到5.56億人，占網(wǎng)民總數(shù)的85.8%。然而，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的問題依然存在，在偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)架設(shè)成本高、基站損壞導(dǎo)致信息傳輸中斷，人們迫切希望找到一種抗毀性強(qiáng)、可靠性高、支持多跳、具有自組織特性的網(wǎng)絡(luò)，于是一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——無線網(wǎng)格網(wǎng)（Wireless Mesh Networks，WMN）進(jìn)入了人們的視野。

由于無線網(wǎng)格網(wǎng)具有容錯能力強(qiáng)、易于架設(shè)以及高帶寬等特性，各標(biāo)準(zhǔn)組織都已經(jīng)或準(zhǔn)備將其納入到自己的規(guī)范中[1]。無線網(wǎng)格網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架靈活，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變，節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)、離網(wǎng)便捷，使得網(wǎng)絡(luò)具有較好的延展性[2]。對于臨時舉辦大型活動、災(zāi)后應(yīng)急救援、家庭辦公場所的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸，無線網(wǎng)格網(wǎng)發(fā)揮著很大的作用。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線網(wǎng)格網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要可以分為以下三類：

（1） 骨干無線網(wǎng)格網(wǎng)

圖1為骨干無線網(wǎng)格網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)是由無線Mesh路由器（Wireless Mesh Router，WMR）作為網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)或者專有網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh客戶端再通過連接網(wǎng)關(guān)，通過無線Mesh路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)無線Mesh客戶端的數(shù)據(jù)傳輸。這與蜂窩網(wǎng)最大的不同在于，蜂窩網(wǎng)基站之間是有線網(wǎng)進(jìn)行連接，而無線網(wǎng)格網(wǎng)路由器之間為無線數(shù)據(jù)傳輸。

（2） 客戶端無線網(wǎng)格網(wǎng)

圖2為客戶端無線網(wǎng)格網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是利用客戶端設(shè)備自身網(wǎng)絡(luò)建立一個點(diǎn)對點(diǎn)的通信傳輸鏈路。兩個距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)之間通信可通過客戶端作為中繼節(jié)點(diǎn)傳輸?？蛻舳藷o線網(wǎng)格網(wǎng)隨著客戶的移動，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟矔S之改變。這種網(wǎng)絡(luò)具有自愈性高，抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3） 混合無線網(wǎng)格網(wǎng)

圖3為混合無線網(wǎng)格網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了骨干Mesh網(wǎng)和客戶端Mesh網(wǎng)的融合，在支持通過Mesh路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)的同時，客戶端之間也可實(shí)現(xiàn)直接通信。

2 標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議

2.1 IEEE 802.11

作為移動通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議，IEEE 802.11在無線網(wǎng)格網(wǎng)中也被廣泛使用。無線網(wǎng)格網(wǎng)可以看作是一種特殊的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)[3]，同時融合了WLAN網(wǎng)絡(luò)，所以根據(jù)文獻(xiàn)[4]，IEEE 802.11也能夠?qū)o線網(wǎng)格網(wǎng)有著較好的支持。正如文獻(xiàn)[5]中所提到的，分布式協(xié)調(diào)（Distributed Coordination Function，DCF）機(jī)制是在IEEE 802.11定義中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸最基本也是最常用的方式，該機(jī)制將載波偵聽技術(shù)（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）和確認(rèn)技術(shù)（Acknowledgement，ACK）相融合。由于當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送產(chǎn)生沖突時，采用二進(jìn)制指數(shù)隨機(jī)退避策略，節(jié)點(diǎn)發(fā)送將難以保證公平性。文獻(xiàn)[6]給出了一個緩解由于競爭導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)非公平性的方法。由于存在著隱藏終端和暴露終端的問題，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，沖突將更加劇烈，網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降明顯，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β室矊㈦S之降低。

2.2 IEEE 802.15

通過定義無線個人局域網(wǎng)通信技術(shù)（Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN）的PHY層和MAC層內(nèi)容，使得IEEE 802.15能夠有效支持工業(yè)界中低功耗的無線網(wǎng)格網(wǎng)。文獻(xiàn)[7]給出IEEE 802.15的兩種組網(wǎng)模式：一種是任意節(jié)點(diǎn)都可以與其他相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的全網(wǎng)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)；另一種是只有部分節(jié)點(diǎn)可以與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳通信，其余節(jié)點(diǎn)只能和一跳鄰節(jié)點(diǎn)相互通信的部分網(wǎng)格網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該協(xié)議主要是針對避免沖突、低能耗等重點(diǎn)問題展開研究。endprint

2.3 IEEE 802.16

IEEE 802.16協(xié)議[8]下的無線網(wǎng)格網(wǎng)是基于時分雙工（Time Devision Duplexing，TDD）的工作模式。該協(xié)議主要用于解決無線城域網(wǎng)（Wireless Metropolitan Area Networks，WMAN）的接入問題，其中包括PHY層和MAC層的詳細(xì)問題。通過基站（Base Station，BS）對時隙進(jìn)行預(yù)約和分配，可以有效避免沖突。每個節(jié)點(diǎn)都可以作為中繼進(jìn)行時隙多跳傳輸。該協(xié)議下的無線網(wǎng)格網(wǎng)分為集中式調(diào)度和分布式調(diào)度兩種，基于調(diào)度機(jī)制可實(shí)現(xiàn)由基站劃分預(yù)約時隙的集中式調(diào)度以及三次握手協(xié)商的分布式調(diào)度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時隙分配

由于基于CSMA/CA的載波偵聽技術(shù)，在節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多或業(yè)務(wù)量增大時，產(chǎn)生較大的沖突會引起節(jié)點(diǎn)退避，這樣吞吐量會急劇下降。而時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技術(shù)通過對時隙的預(yù)約和分配，可以有效避免沖突，實(shí)現(xiàn)時隙的優(yōu)化分配，是提高傳輸效率的保證。

3.1.1 集中式時隙分配算法

集中式時隙分配主要是由無線網(wǎng)格網(wǎng)中的中心節(jié)點(diǎn)對全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時隙劃分。這樣的好處是，中心節(jié)點(diǎn)通過獲取全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)湫畔ⅲ瑥亩鴮r隙利用最大化。文獻(xiàn)[9]給出了一種有序頂點(diǎn)著色算法（SVC），該算法主要利用圖論中的染色問題，對傳統(tǒng)的啟發(fā)式時隙分配算法[10]進(jìn)行了改進(jìn)，通過獲取最小幀長和時隙復(fù)用最大化兩步，實(shí)現(xiàn)時隙優(yōu)化分配。具體方法如下：

（1） 對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)按序標(biāo)號，并列出每個節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)相鄰節(jié)點(diǎn)。接下來按照相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)由多到少排列，依次占用時隙，保證同一時隙內(nèi)沒有在兩跳內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。把所有節(jié)點(diǎn)都分配時隙后，此時所得到的幀長即為最小化幀長；

（2） 實(shí)現(xiàn)時隙復(fù)用最大化，將鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)由少到多排列，并依次占用時隙，做到盡可能使時隙復(fù)用最大化。

然而，SVC并不能尋找到一個時隙復(fù)用最大化的解，只能通過該算法找到次優(yōu)解。除了SVC外，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時隙分配算法[11]也可以找到最小幀長。然而，尚沒有有效的算法可以直接尋找到時隙復(fù)用最大化解。

3.1.2 分布式時隙分配算法

相比于集中式算法，分布式算法的優(yōu)點(diǎn)是可以不用獲取全網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅲ恍枰辣竟?jié)點(diǎn)兩跳范圍內(nèi)的鄰節(jié)點(diǎn)信息即可。最先提出的分布式時隙分配算法是分布式貪婪算法[12]，該算法需要獲取本節(jié)點(diǎn)兩跳以內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)的信息，通常采取假設(shè)，即已獲得了本節(jié)點(diǎn)兩跳以內(nèi)鄰節(jié)點(diǎn)信息。在分布式貪婪算法中，幀長是固定的，時隙數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)相等，保證每個節(jié)點(diǎn)都能夠占用到不同的時隙。當(dāng)有空閑時隙時，節(jié)點(diǎn)可以通過競爭占用。該算法實(shí)現(xiàn)較為簡單，時隙分配效率也較高，然而如何獲取節(jié)點(diǎn)的兩跳鄰節(jié)點(diǎn)信息，還需進(jìn)一步研究。

3.2 跨層設(shè)計

在無線網(wǎng)格網(wǎng)中，PHY層無線信道容量和誤比特率的變換特性，使得盡管有多種方法來提高物理信道的性能，但是分層設(shè)計依然無法保證低丟包率和可靠的傳輸性能。為了達(dá)到較好的傳輸性能，需要將MAC層、傳輸層、路由層等與PHY層實(shí)現(xiàn)有效融合。在MAC協(xié)議的跨層設(shè)計中，有兩種主要的方法可采用[13]。一種是采用基于定向天線的MAC協(xié)議；另一種是采用有能量約束的MAC協(xié)議。

當(dāng)采用定向天線時，可以有效消除暴露終端的問題，如圖4所示。然而帶來的問題是潛在的隱藏終端數(shù)會增多，如圖5所示，同時，也面臨一些系統(tǒng)復(fù)雜度的問題。當(dāng)采用有能量約束的MAC協(xié)議時，在節(jié)點(diǎn)密度大而采用較小發(fā)送功率時，也可以較好地避免隱藏終端，當(dāng)然，隨著發(fā)射功率的降低，能夠避免隱藏終端干擾的可能性也會降低，所以隱藏終端問題依然會比較突出。除此之外，文獻(xiàn)[14]也給出了一種通過跨層設(shè)計解決分層設(shè)計中多跳傳輸帶來的低吞吐量的問題。

4 結(jié) 語

到目前為止，無線網(wǎng)格網(wǎng)的多跳傳輸時隙還沒有達(dá)到人們理想的預(yù)期，主要是由于IEEE 802.11協(xié)議廣泛成熟的應(yīng)用，IEEE 802.11協(xié)議所采用的CSMA/CA機(jī)制決定了當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)多或數(shù)據(jù)量大時，會導(dǎo)致吞吐量急劇下降，這使得該協(xié)議在拓寬到兩跳及其以上的應(yīng)用上還存在著一些瓶頸。文獻(xiàn)[15]是MIT計算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室搭建的基于IEEE 802.11無線網(wǎng)格網(wǎng)平臺Roofnet，通過該平臺的實(shí)測結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)由一跳擴(kuò)展到兩跳時，網(wǎng)絡(luò)吞吐量下降超過了[23。]本文通過對MAC協(xié)議中基于TDMA MAC協(xié)議的時隙劃分和跨層技術(shù)的研究與分析，旨在為下一步研究中找到一種避免沖突、提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的傳輸協(xié)議，以此來解決目前還存在的時隙利用率不高，多跳傳輸效率低等問題。

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