移动通信-附加 无线多跳网络(WMN)
多无线、多跳WMN网络中路由度量的改进
了现有路 由度量在用 于 ＷＭＮ网络中时存在 的缺陷 ， 在以 Ｌ Ｑ Ｓ Ｒ协议 为 基 础 的条件 下分析 了一 种新 的路 由度量 ＷＣ Ｅ Ｔ Ｔ 。 由实 验结 果可 以得 出： ＷＣ Ｅ Ｔ Ｙ 这种新 型度量增大 了 Ｔ Ｃ Ｐ的吞 吐量 ，提高 了 网络 的传输效 率。 １现有 的两种 不同机制 的路 由度量 １ ． １最短 路径 最短路 径策略是基 于跳数 的 ，在选路 时 以源到 目的地 的跳 数最少 为准则来选取路径的。相邻的节点通过通告报文和响应报文来交换选 路信 息 ， 这些信 息 中包 括路径 的费用 ， 即跳 数 。 目前大部 分选路 协议 都 是采取这种路由度量的， 如Ｒ Ｉ Ｐ 协议 ， Ｏ Ｓ Ｐ Ｆ 协议， Ｉ Ｇ Ｒ Ｐ 协议等等。 但在 无线 环境下 ， 采取 这种 路 由度 量 ， 选 路效 率 比较低 ， 网络 的吞吐 量受 到 了限制 。 １ ． ２ Ｅ Ｔ Ｘ （ 预期传输次数 ） Ｅ Ｔ Ｘ策略是通过检测链路上数据包的传输次数（ 包括重传的次数 ） 来选取路径的。每个节点每隔一秒发送 ｐ ｒ ｏ ｂ ｅ 分组 ； ｐ ｒ ｏ ｂ ｅ 分组包含前 １ ０秒 内从邻 居节 点接收 到的 ｐ ｒ ｏ ｂ ｅ 分 组的数 量。 通过 收集到 的 ｐ ｒ ｏ ｂ ｅ 数 计算 出分组 丢失率 。 假设源 到 目的地 的单跳 正向分 组丢失率 为 ｐ ｆ ， 逆向 分组 丢失率 为 ｐ ｒ 。如果 发送方 没有接 收到接收 方返 回的 Ａ Ｃ Ｋ认证 ， 则 认 为传输失败 。失败 的概 率为 ：
ｔ ＝
这里 的 Ｂ 为加权 系数 ， 其值为 ０ ＜［ － ３ －１ ＜ 。可 以认 为该公式 是吞 吐量 和时延的折衷， 前半部分是这条路径上的时延， 后半部分 由于代表了瓶 颈 跳数的影 响 ， 可 以看作是路径上 的吞吐量 。 ３路 由度量仿真 ３ ． １仿真环境 假设共有 ２ ３ 个固定节点 ， 每个节点配备—个无线 ８ ０ ２ ． １ ｌ ａ 网卡， 一 个 无线 ８ ０ ２ ． １ ｌ ｇ 网卡。从 ２ ３ ＊ ２ ２ ＝ ２ ５ ６ 对接 收 、发送 方 当中选 取 １ ０ ０ 对， Ｔ Ｃ Ｐ的传输 时间为 ２ 分钟 。 网络层采用 Ｌ Ｑ Ｓ Ｒ路由协议， 接人层采用 Ｃ Ｓ ＭＡ协议。 路由度量分 别采取 Ｅ Ｔ Ｘ和 ＷＣ Ｅ Ｔ Ｙ 。 ３ ． ２仿 真结果分析 可知， 随着跳 数的增加 ， 基 于 ＷＣ Ｅ ｒ 这种 路 由度 量 的 Ｔ Ｃ Ｐ吞吐量 比基 于 Ｅ Ｔ Ｘ 的稍大一 些。由于取 的是 ８ ０ ２ ． １ ｌ ａ 和８ ０ ２ ． １ ｌ ｇ 两 个不 同的频 率和信道， 网络的 Ｔ Ｃ Ｐ 吞吐量提高的幅度不大， 但在真正的多无线条件 下， 其 效果还是非常可关 的 。Ｅ Ｔ Ｘ不考 虑信道 的带宽 ， 忽 略信道分集 ， 即 使信道的可用带宽比较窄 ， 只要该信道下的分组丢失率 比较小 ， 也选择 该信道， 因此大多工作在 ８ ０ ２ ． １ ｌ ａ ， 导致 Ｔ Ｃ Ｐ吞吐量的降低。而 ＷＣ Ｅ Ｔ Ｙ 考虑信道的带宽和信道分集 ，当 ８ ０ ２ ． １ ｌ ｇ 信道上的可用带宽比较大时， 即使 跳数可能 增多 ， ＷＣ Ｅ Ｔ ｒ 也会选 取该信 道 ，因为有 利于 Ｔ Ｃ Ｐ 吞 吐量 Ｐ １ 一（ １ 一Ｐ， ） ・ （ １ 一Ｐ。 ） 传输效率的提高。 当传输失败时， ８ ０ ２ ． １ １ Ｍ Ａ Ｃ协议会重传， 经过 Ｋ次重传后 ， 传输成 的增大， ４加权 系数 Ｂ对 Ｔ Ｃ Ｐ吞吐量 的影 响 功的概率 为 ： （ ） ： “． （ １ ＿ｐ ） 当１ ３ ＝ ０时， ＷＣ Ｅ Ｔ Ｙ只依靠分组丢失率和链路带宽来选取路由， 不 考 虑信 道 的分 集 ，其 Ｔ Ｃ Ｐ的吞 吐量 最小 。 当 Ｂ比较小 时 ，如 １ ３ ０． ＝ ｔ ， 则最终 的单跳 传输 次数为 ： ＷＣ Ｅ Ｔ ｒ 选路考虑信道分集的概率比较小， Ｔ Ｃ Ｐ的吞吐量提高的幅度不 是很大 。对于 一条 给定跳 数的路径 ， 当１ ３ ０． ＝ ９ 、 在跳数 大 于 ２ 时， 其Ｔ Ｃ Ｐ 的吞吐量相对大些。当路径跳数超过 ６ 时 ， Ｂ的取值对 Ｔ Ｃ Ｐ 吞吐量的影 基于 Ｅ Ｔ Ｘ的选路 协议在选 路时选 取链路 上传输 次数最少 的路 径 ， 响不是那么明显了，这主要是因为在实验时只使用了两个不交叉的频 即值 Ｅ Ｔ Ｘ之和最 小的路径 。 率。 当使 用多频率通信 时 ， Ｔ Ｃ Ｐ 吞 吐量受 影响 的路径跳 数会增 大。 在实 际 ２一种新 的度量算 法一 基于 Ｅ ｒ ｒ 的 ＷＣ Ｅ Ｔ Ｙ 要根据 网络 的负载 ， 动态地 选取 Ｂ的值 。 Ｅ ｒ ｒ （ 预期 传输时 间 ） 考 虑分组丢失 率和链路带 宽 。 假设 —个分组 单 通信 中 ， ５结束语 跳 的预期传输时 间为 Ｅ ｒ Ｉ Ｔ Ｉ ’ ， 则它 可定义为带 宽调整 的 Ｅ Ｔ Ｘ ， ＷＣ Ｅ Ｔ Ｔ 路 由度量不仅考虑到分组丢失率和链路带宽， 还考虑到信 ￣ ０ Ｅ ｑ Ｔ ＝ Ｅ Ｔ Ｘ・ ｓ Ｂ 道间的干扰和信道分集 ，在实际运用中使用 Ｄ ｉ ｊ ｋ ｓ ｔ ｒ ａ 算法寻找 ＷＣ Ｅ ｒ 使用 ＷＣ Ｅ Ｔ Ｆ 这种路由度 Ｓ 为分组大小 ， Ｂ为链路带宽。这里的 Ｅ Ｔ Ｔ是指占用信道的时间 ， 值最小的路径。在多信道多跳 ＷＭＮ网络中， 网络的通信容量、 传输效率和吞吐量得到了很大的提高。 不包括信道等待时间。 要计算出 Ｅ 订， 必须要知道正向分组丢失率 ｐ 、 逆 量 ，
无线mesh网络与ad hoc网络的区别
MANET——Mobile Adhoc net
Ad hoc网络特点：
1、无中心、自组织性，采用分布式算法
2、动态变化的网络拓扑
3、无线传输带宽窄
4、安全性差
5、无线多跳路由
6、存在单向信道
7、采用空间复用的信道共享方式
WSN——wireless sensor net
WMN——Wireless mesh net
无线mesh的特点：
1、频谱效率高
2、覆盖率强
3、可扩展性强
4、可靠性强
无线mesh网络与ad hoc网络的区别：
1、无线mesh网络的节点一般是静止的，而ad hoc网络是由移动节点组成的无线分布式多跳网络，一般没有静止节点和设备
2、 Mesh网络的拓扑结构比较稳定，一般只在干扰变化和节点接入、推出时有变化；ad hoc网络的拓扑处于不定状态
3、 Mesh功能旨在用户接入；ad hoc目的是用户之间的通信
4、 Mesh用户数多，可以用在骨干网，稳定性，吞吐量要求较高；ad hoc用户数少，要求比较快速的路由算法
5、 Mesh目的是组成一个异构的大网，Ad hoc目的是组成可自由通信的小网，两者是互补关系，同时存在一定程度的重叠。
Mesh架构
无线Mesh网络之关键技术、架构及应用Mesh 2008-11-15 20:39:08 阅读124 评论0 字号：大中小订阅摘要：本文介绍了无线Mesh网络（WMNs）的概念及特点，简要分析了无线Mesh网络的体系结构及关键技术。
重点对无线Mesh网络应用场景及模式进行了分类归纳，并对未来无线Mesh网络的演进发展方向进行了探讨。
1.无线Mesh网络的概念及特点随着无线通信技术和Internet高速发展，融合二者实现Mobile Internet成为目前的研究热点。
宽带无线Mesh 网络（Wireless Mesh Networks, 又称无线网状网、无线网格网等）也因此越来越多地得到人们的关注。
无线Mesh网络是一种基于多跳路由、对等网络技术的新型网络结构，具有移动宽带的特性。
它由Ad-Hoc 网络发展变化而来，承袭了Ad-Hoc网络动态扩展、自组网、自配置、自管理以及自愈合等优良特性[1]。
无线Mesh网络与传统无线网络相比具有如下特点：(1)无线Mesh网络可以看作是Ad-Hoc网络的商用化版本、是Ad-Hoc与IEEE 802系列网络融合的产物，也可以看作是因特网的一种无线版本。
(2)传输速率高：由于采用多跳传输，减小传输距离，使得路径损耗大大降低，从而获得高的数据速率。
此外，还可融合其他先进空口技术（如OFDM、UWB、MIMO等）进一步提高传输速率。
(3)覆盖范围大：由于支持多跳中继，终端用户可以通过无线路由器或其他节点中转连接至网络。
接入点的覆盖范围大大增加，并且可支持非视距范围的覆盖。
(4)可靠性高：无线Mesh网络配备多条冗余路由。
一旦其中一条链路中断，数据包可自动重新寻路继续传输，不会影响整个网络的运行。
从而避免出现单跳网络中一个节点出现故障，造成大范围服务中断的问题。
(5)网络配置和维护简便快捷：无线Mesh网络所需设备小巧轻便，易于安装。
并且由于其路由选择特性使得链路中断，局部扩容和升级而不影响整个网络的运行。
无线MESH——概念及基本专业技术
PC无线Mesh网络概念及基本技术admin2011/11/29无线Mesh网络是一种新型的无线宽带接入网络，它融合了无线局域网和Adhoc网络的优势，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，成为无线宽带接入的一种有效手段。
文章简要介绍无线Mesh网络的概念和系统特性，并阐述基本技术等。
目录1、引言 (3)2、无线Mesh网络的概念 (3)3、无线Mesh基本技术 (4)3.1无线Mesh路由器的无线传输技术 (4)3.2多信道接入的MAC技术 (5)3.3接入WGW的路由技术 (6)3.4无线Mesh路由器配置技术 (7)4、无线Mesh网络的特性 (8)5、Mesh网络的不足 (8)6、Mesh网络的使用 (9)7、展望 (10)1、引言无线网状网(WMN)是近年被高度重视和快速发展的新型网络技术，支持宽带高速多媒体业务服务。
随着未来无线分布技术和无线分布网络的发展，无线Mesh技术和网络将会成为无线移动通信的基本网络技术和网络结构，渗透到各种无线网络中，发挥更大作用。
无线Mesh网络（WMN）技术曾是一项军事技术，战场上的移动网络需要很高的数据速率、很低的被检出概率和防止人为干扰的能力，而Mesh技术就具备了这些能力。
随着人们对802.11a、802.11b和802.11g等局域网（LAN）技术了解的深入，Mesh技术才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点，并沿着不同的分支演进。
目前，业界讨论最多的“无线网状网”技术是一种灵活的广域无线局域网（WLAN）解决方案，它突破了Wi-Fi技术对每个接入点的有线连接要求，将多个接入点通过无线方式连接在一起，无需进行布线就可形成一个无线网络或“热区”，从而在室内和室外提供宽广的无线覆盖。
目前，许多知名厂商（如摩托罗拉、思科、Strix、Tropos等）都已经有成熟产品问世，促进各个行业组织制订标准，以推进网状网技术的可操作性。
Wireless mesh networks
Client WMNs
Client meshing provides peer-to peer networks among client devices. 执行routing和self-configuration,不需要mesh router
Client WMNs
特性: 一个封包要传送到指定的目的地,需要经过多 个中间的节点转送才能到目的地节点. 通常使用同一种无线电技术所构成 . the requirements on end-user devices is increased when compared to infrastructure meshing,
目前,企业的无线通信系统大都采 用传统的cellular network,为用户 提供点到点和点到多点传输.
无线Mesh network则不同, 它允许 network 用户共享频宽,消除了目前 单跳网络的瓶颈,并且能够实现 network负载的动态平衡.
Metropolitan area networks
Characteristic
增大现有无线网路的覆盖范围,同时不牺牲通 道容量(channel capacity). 在没有direct line-of-sight(LOS)的用户之间提 供non-line-of-sight(NLOS)连结. 可以使用较短的link距离实现更高的吞吐量而 不牺牲有效无线电的范围. 节点间干扰小,频率再利用率就会更有效率.
Physical layer
MIMO(multiple-input, multiple-output ) M,N,K,L的值>1 MIMO的运作方式说明: 在相同频率与时间内,利用多重天线传输两或多个独立的资料串 流(Data Streams);当讯号传送过程中遇到障碍物时会出现反弹或 散射;而各自的讯号分别在不同的时间,角度,衰减情况下会到 达接收端;并藉由多重天线来汇集散射的讯号. 接收器内的数位讯号处理器(DSP)会针对这些讯号藉由运算执行来 重整为资料串流.由於有多重天线之故,因此让进入数位讯号处 理器(DSP)的讯号量增加,也使其能够取得更正确且快速的重整资 料串流.
无线mesh网络的体系结构
无线mesh网络的3大体系结构无线Mesh网络作为一种无线宽带接入网络技术，由于其不需要基站等预先构筑的基础设施而发展迅速，它使用分布式想法构建动态的adhoc无线多跳网络，复盖区域内的用户可以随时随地高速无线接入互联网。
无线自组织网络无线网状网络是从无线自组织网络发展而来的。
adhoc网络是多跳、无中心、adhoc网络，是多跳网络(Multi-hopNetwork)、无基础设施网络(InfrastructurelessNetwork)。
移动adhoc网络因其独立于基础架构、动态、多跳、易于构建的特性而备受关注。
它们特别适用于特定的特殊环境和紧急通信，如战场推进中的军事通信，为现有的无线和有线网络提供多跳扩展，以及地震和灾难救援。
在这种网络中，终端的无线目标范围有限，使得不能直接通信的两个用户终端能够使用其它节点传送分组。
每个节点同时是一个路由器，可以完成到其他节点的发现和路由功能。
如图1所示，当节点n-4想要与n-1通信时，由于长距离而不能直接通信，但是通过中继节点n-3和n-2能够通信。
图1无线自组织网络图示无线网状网络无线mesh网络继承了无中心、无基础设施、多跳、自组织网络的特点，开发了提供IP宽带接入的新体系结构。
无线网状网络由网状网络路由器和网状网络客户端两个节点组成。
体系结构可分为三种类型：1、骨干网络体系结构(基础架构/骨干WMN)如在图2，骨干网络架构包括用于向客户机提供IP宽带接入的网状路由器。
无线网格网络的主干网络可以使用包括IEEE802.11相关技术在内的各种无线技术来构筑。
网状骨干是可以自我配置和自我修复的网络。
通过网状路由器的网关功能与互联网连接。
典型的客户端和现有的无线网络可以通过网状路由器的网关或中继功能访问无线网状骨干网络。
图2无线Mesh网络骨干架构示意图2、客户端WMN客户端体系结构由Mesh客户端组成，该客户端在用户设备之间提供点对点无线服务。
如图3中所示，客户端形成提供路由和配置功能以支持用户终端的应用的网络。
wan的系统结构和网络应用
无线网格网WMN由Mesh Router和Mesh Client组成。
Mesh Router只具有很小的移动性并且组成了WMN的基本骨干结构。
它们为mesh client和传统的客户端提供网络接入。
通过设置mesh router为网关并利用桥接功能，wmn可以和现存的大多数网络如Internet，蜂窝网，IEEE802.11，IEEE 802.15，IEEE802.16，IEEE802.20等进行集成。
Mesh client既可以是固定节点，也可以是移动节点。
在Mesh Router的协助下，这些或固定或移动的客户端形成了网格网络。
WMN架构一开始的提出就是为了提高Ad Hoc，WLAN（Wireless local area networks），WPANs（Wireless personal area networks）和WMANs（Wireless metropolitan area networks）等这些无线网络的性能，并解决无线技术固有的限制。
WMN在不同的区域为不同的用户提供不同的无线服务。
如家庭个人用户，校园用户，城市商业用户等。
尽管目前在无线网格网领域内进行了大量的研究，但是几乎在所有的协议层上都遇到了挑战。
1．本文首先描述近来在WMN领域的最新研究。
2．重点讨论WMN的系统结构和网络应用，因为它们影响着协议的设计。
3．网络的理论容量和各种协议4．最后会谈到WMN测试环境，产业应用和当前的标准。
在WMN中，节点是由mesh router和mesh client两种类型的节点构成的。
每个节点既要担当主机（host）的角色，也要担当路由器的角色。
转发来自其他接点的数据包将是一个最常见的任务，因为目标节点不总是在单跳的无线传输范围之内。
WMN中所有节点都具有自组织和自配置的能力。
它们能自动建立并维护由它们自己构成的网格网络的连接性。
事实上，这个行为完全等同于建立并维护有效的Ad Hoc网络。
mesh网络资料
一，无线mesh网络的原理无线mesh网络，由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中路由器构成骨干网络，并和有线的互联网相连接，负责为客户端提供多跳的无线互联网连接。
无线Mesh网络（无线网状网络WMN）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。
在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与接入点相连的无线链路来访问网络，形成一个局部的BSS(Basic Service Set)。
用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点，这种网络结构被称为单跳网络。
而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。
这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。
依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。
这样的访问方式就是多跳访问。
其实人们熟知的互联网就是一个Mesh网络的典型例子。
例如，当我们发送一份E-mail时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。
在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。
与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。
在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。
添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。
从下图来看，传统的WLAN，主要是由固定存在的AP来做一个区域的接入，由AP来与设备进行数据交换，AP再与路由进行交换，路由又与路由交换。
第九讲 移动AD HOC网络与无线MESH网络简介
致谢
本演示文档的模板来自网络，向模板的 作者表示感谢！ 本课件中的图片来自参考书和网络，向 图片的作者表示感谢！ 不妥之处，请不吝指教（Mail： wellwang@）。谢谢！ 参考书
[1] 汪涛. 无线网络技术导论(第二版) [M]. 北京: 清华大学出版社, 2012. [2] David D. Coleman, David A. Westcott. CWNA官方学习指南(第3版): 认证 无线网络管理员PW0-105 [M]. 朱志立, 译. 北京: 清华大学出版社, 2014. [3] 谢希仁. 计算机网络(第5版) [M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.
移动Ad Hoc网络是由一组无线移动节点 组成，是一种不需要依靠现有固定通信网 络基础设施的、能够迅速展开使用的网络 体系，所需人工干预最少，是没有任何中 心实体、自组织、自愈的网络； 各个网络节点相互协作、通过无线链路进 行通信、交换信息，实现信息和服务的共 享；
一、移动Ad Hoc网络的定义
四、无线Mesh网络的主要优缺点
存在的主要问题
在WMN连接性和多路支持方面，每个节点链 路连接度也是一个至关重要的问题，并非使 用射频信道数越多，网络性能越好。 在WMN带宽利用和资源分配算法方面，目前 还没有提出非常有效的可用算法和协议。
小结
移动Ad Hoc网络的定义 移动Ad Hoc网络的特点 无线Mesh网络的定义 无线Mesh网络的主要优缺点
四、无线Mesh网络的主要优缺点
主要优点
可靠性大大增强。 具有冲突保护机制。 简化链路设计。 网络的覆盖范围增大。 组网灵活、维护方便。 投资成本低、风险小。
四、无线Mesh网络的主要优缺点
9 无线Mesh网络
最大108Mbps 城域覆盖,按需 建设 空口加密,节点 认证,用户认证, 专网 低 低
20
安全
建网成本 使用费
YHZ
WMN与MANET比较
关联：WMN由MANET发展变化而来
MANET可以认为是WMN的一个子集
现有的MANET的技术和协议都可以应用在WMN中 多个独立的MANET可以通过WMN整合在一起
因特网 网关节点
WMN路由器
因特网 网关节点
YHZ 无线网络技术 3
无线网状网 – MESH路由器
YHZ
无线网络技术
4
无线网状网 – 用户终端
可以通过无线或有线方式连接 MESH路由器 也可以参与用户自组网，具有相 应的数据转发功能 通常配备一个无线接口（如WiFi） 软硬件平台比MESH路由器简单， 成本低
问题：如果家中房间较多，若布置多个Wi-Fi接入点，每个接入点都要 和宽带Modem通过网线连接
YHZ
无线网络技术
11
无线网状网的应用 – 社区无线宽带
社区用户共享同一个宽带连接 通过在屋顶布置MESH路由器构建社区网络
YHZ
无线网络技术
12
无线网状网的应用 – 无线城市
无线城市可以通过无线网状网技术构建，采用IEEE 802.11n的无线网状网最高 传输速度达到540Mbps 是新建无线宽带网络较经济的方案，尤其适用于基础设施欠缺的偏远地区
无线网状网可以显著扩大无线宽带网络的覆盖面积，并且 应用的成本较低，是构建社区网络和无线城市的理想方案 WMN已被纳入到802.11s、802.16等标准中。
YHZ
无线网络技术
2
无线网状网络结构
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其他相关技术
网络拓扑控制 网络协议 网络安全 时间同步 定位技术 数据管理 无线通信技术 嵌入式操作系统 应用层技术
主要内容
无线多跳网络的概述 无线多跳网络体系结构
无线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术
研究方向和总结
可能的研究方向
无线多跳网络设计 物理层、数据链路层、网络层 组网优化 跨层优化 通过不同协议层间交互与自适应的协调，充分有效利用带 宽和能量等资源，达到性能最优化。 优化理论、网络信息论 无线传感器网络 节能设计（软硬件、组网、协议等） 在网信息汇聚 多模式传感器网络设计和信息融合 WSN与物联网 WSN与环境智能（多媒体处理、模式识别、人机接口）
无线多跳网络介绍
Introduction to Wireless Multi-hop Networks
由磊 天津大学 电子信息工程学院 2012-06-05
youlei@
主要内容
无线多跳网络的概述 无线多跳网络体系结构
无线多跳网络的应用 无线多跳网络设计的关键技术
研究方向和总结
无线多跳网络中源节点的数据报文通过多个相继的无线 链路，以无线多跳的方式发送到目的节点。
4
无线多跳网络的优势和特点（1）
为什么要用无线多跳网络？ 功率一定，提高传输速率 传输速率一定，节省功率 简单举例
1400 m
0.01 0.009 Direct Transmission Only Relay Transmission Only
管理平面：
保证网络正常运行 网络维护管理 节点管理 能量和功率管理 移动性管理
主要内容
无线多跳网络的概述 无线多跳网络体系结构
无线多跳网络设计的应用-----举例 无线多跳网络设计的关键技术
研究方向和总结
应用：犯罪/事故现场远程监控与同步指挥调度 Ad hoc方式 组网 应对突发事件 即时通信 快速部署
网络层的路由技术
路由技术：确定数据从源节点到目的节点的传输路径。
源节点
目的节点
无线多跳网络路由分类 反应式（reactive）路由（又称为按需路由） 先应式（proactive ）路由（又称为表驱动路由）
路由技术
反应式（reactive）路由协议只在网络中的节点需要通信的时候才查找路由，在 这类路由协议中，每个节点并不保存及时准确的路由信息，只有当源节点要向目标 节点发送数据的时候，源节点才向网络中发起路由查找的过程，找到相应的路由之 后开始发送数据。 由于按需式路由减少了维护路由表的开销，在Ad Hoc网络中得到了大量使用。如 DSR、AODV 特点：路由请求延迟高、路由开销低 先应式（proactive ）路由路由协议通过不断的检测网络的拓扑和链路的变化 情况动态的更新路由表，在这种路由协议中，每个节点都维护一张或多张表格， 这些表格包含到达网络中其他节点的路由信息。当检测到网络的拓扑结构发生变 化的时候，节点在网络中发送更新的信息，收到更新信息的节点更新自己的表格 ，以维护一致、准确、及时的路由信息。 特点： 所有路由都已经存在并且随时可用，路由请求的延迟低 每个节点维护到网络中所有节点的路由，路由开销高 常见的先应式路由，OLSR、TBRPF
应用：无线城市、无线校园
取代或作为WiFi的补充 采用mesh方式组网 低成本组网和维护 可靠性强、快速部署 负载均衡
应用：智能停车场系统
采用无线传感器网络组网 每个车位下面或上面都安装一个传感器，传感器负责感知停车 信息（如是否有车存在，什么时间停放或开走等） 传感器信息以多跳方式发送到汇聚节点，又汇聚节点发送到管 理终端。 大大方便司机或停车场管理员
主要内容
无线多跳网络的概述 无线多跳网络体系结构
无线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术
研究方向和总结
网络结构
平面结构（完全分布式）
所有节点的地位平等 小规模网络，可扩展性差
层次结构（分层分布式）
网络被划分为簇（cluster）：每个簇由一个簇头和 多个簇成员组成，簇头可形成更高一级的网络 可扩展性强，大规模组网，易于管理
物理层技术
两个节点之间传输比特流的规则，如 调制方式 帧结构 编码方式 交错方式 功率级别 天线、载频、带宽 …… 不同的物理层具有不同的频谱效率 BPSK QPSK QAM OFDM + MIMO 智能天线
MAC层技术
介质访问控制（MAC）协议决定无线信道在多个节点之 间的的使用方式，负责在节点之间分配有限的无线通信 资源。 分类： 基于竞争的MAC：CSMA/CA、 ALOHA
随机接入 MAC 协议中，如某节点有信息需要发送，它将以某 种方式竞争信道使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去，所有 的可达节点都能接收到该节点发送的信息，如果检测出是发给自己 的则接收下来，否则丢弃。
基于协商分配的MAC：TDMA, CDMA, FDMA
基于协商分配的MAC中，网络节点通过信息交互，根据一 定的规则在无线链路之间分配信道资源（如时隙、码字或频率 ），所分配的资源互不干扰。
有限的无线传输带宽
节能问题
安全问题
无线信道更容易受到各种攻击 缺乏物理保护使得攻击可能来自内部 移动性使得节点之间的信任关系不断变化 安全策略应具有可扩展性
无线多跳网络设计的关键技术 与传统固定网络和蜂窝移动通信网相比，无线多 跳网络设计面临着巨大的挑战 网络分层体系架构 物理层 MAC层（数据链路层） 网络层 传输层 应用层 无线多跳网络的各个协议层的设计依赖于具体应 用。
无线多跳网络的历史发展（2）
无线传感器网络
由美国DARPA资助的项目（如分布式传感器）发展而来 随着无线通信的发展，在上世纪90年代末被提出 本世纪前十年出现了一系列的丰富的研究成果 是物联网的基础技术之一
美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线 传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大 技术之一。 传感器网络被列为未来3大高科技产业一。 美国的《技术评论》将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术 《商业周刊》 预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入 其中等
4 无线中继网络
基于中继的无线网络是由多个与特定基站关联的低成本无线中 继组成，一般小规模较少。 为了便于控制和降低传输时延，基站与其控制范围内的中继采 用树形路由，中继到基站最大跳数一般限制在2-3跳。 部署中继有两个作用：增加基站的覆盖范围和提高基站所辖小 区的接入容量。
应用：未来移动通信网络性能增强
无线多跳网络常见类型 移动ad hoc网络 无线mesh网络 无线传感器网络 无线中继网络
1. 移动ad hoc网络
由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成 网络中每个移动终端自由移动 网络中所有移动终端地位相等 可以在任何时候、任何地点快速构建 不需要现有信息基础网络设施的支持 是一个多跳、临时、无中心网络
应用：葡萄园环境监测系统
无线传感器网络应用在智能农业 研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年 的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的 日照、温度、湿度的确切关系。 传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一定的时间检测一次土壤温度、 湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。
传感器要求：数量多、大范围覆盖、电池供电、长时间监控 因此，采用无线多跳传输、节点可以周期性睡眠。
主要内容
无线多跳网络的概述 无线多跳网络体系结构
无线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术
研究方向和总结
无线多跳网络设计所面临的问题
特殊的信道共享方式 动态变化网络拓扑
常规路由协议花较高代价（带宽、能源、CPU等） 获得的路由信息可能已经陈旧 减少节点之间交换的信息量 减少控制信息带来的附加开销 功率控制 电池供电
应用： 宽带家庭网络互连 社区网络互连 企业网络互连 城域网络互连
3 无线传感器网络
各个无线节点静态地随机分布在某一个区域。传感器负责收集区域内 的声音、电磁或地震信号等多种信号，将它们发送到网关节点。 网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息；并有更大的发送范围 ，可将信息送往某个大型网络使远程用户检测到该信息。 Sensor数量多、分布稠密、网络拓扑经常变化、能量、计算能力和 存储空间有限 应用： 军事 环境观测和预报系统 医疗护理 智能家居 建筑物状态监控
节点结构-----硬件设计
一般是嵌入式设备 嵌入式硬件（处理器、DSP、存储、收发器、电源 等），要求功耗低 嵌入式操作系统，实时性要求高 一个无线传感器节点的结构
协议架构----软件设计
数据传输平面（自上而下）
保证数据正确传输 应用层、传输层、网络层、数据链路层（或媒质接入 层）、物理层
主要内容
无线多跳网络的概述 无线多跳网络体系结构
无线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术
研究方向和总结
无线多跳网络的概念 无线单跳网络
BS
VS.
无线多跳网络MS源自MS 无线单跳网络中所有源节点的数据报文只能发送给在其 通信范围内的一个集中式节点（如基站），由该节点通 过有线方式转发到目的节点。（如蜂窝网络，WiFi无 线局域网络）
Direct Transmission
BS
RS
MS
Relaying Transmission
无线多跳网络的历史发展（1）
移动Ad hoc网络是其他多跳的基础。
20世纪70年代，美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动了 “战场环境中的无线分组数据网”项目，研究在战场环境下利用 分组无线网进行数据通信。 1983年和1994年，DARPA又分别于启动了抗干扰自适应网络 SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移动信息系统 GloMo(GlobleMobile Information Systems)项目，对能够满足军 事应用需要的移动通信系统进行更深入的研究。 后来，IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描 述这种特殊的自组织无中心多跳无线网络结构，Ad hoc网络由此 诞生。 无线mesh网络 由ad hoc 网络发展而来 本世纪初期被提出，是军用转民用的典型技术 主要用于宽带无线局域网或城域网的扩展覆盖、灵活低成本组网 和维护等 。