0 引言

　　Mesh網(wǎng)起源于海灣戰(zhàn)爭時(shí)期美國的軍事領(lǐng)域，作為一種新型的公共無線城域網(wǎng)解決方案，已經(jīng)在美國等地被廣泛用于市政、公共安全、教育、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域。它提供持續(xù)的連接，并且當(dāng)鏈路中斷或者阻塞時(shí)可以通過“多跳”的形式從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到另一節(jié)點(diǎn)，直到目的地址。與其他網(wǎng)絡(luò)不同的是Mesh網(wǎng)的各個(gè)組成部分通過多跳的形式彼此連接，一般來說這些節(jié)點(diǎn)是不移動(dòng)的(這點(diǎn)與adhoc網(wǎng)絡(luò)不同)。Mesh 網(wǎng)可以看作是adhoc網(wǎng)絡(luò)的一種。因此移動(dòng)adhoc網(wǎng)(MANet)和mesh網(wǎng)之間有緊密聯(lián)系。但移動(dòng)adhoc網(wǎng)還需要考慮各個(gè)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。

　　1 WMN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

　　無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)是移動(dòng)adhoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài)，它繼承了adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，具有自配置、自組織與自管理等特性，能以很低的發(fā)射功率提供無處不在的寬帶服務(wù)。WMN是動(dòng)態(tài)自組織自配置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)形成類似于adhoc一樣的網(wǎng)絡(luò)并保持網(wǎng)絡(luò)的連通。因此，WMN不僅是 adhoc網(wǎng)絡(luò)的另一種形態(tài)，而且能使adhoc網(wǎng)絡(luò)更多樣化。

　　2 WMN中的MAC層

　　2．1 WMN與無線網(wǎng)絡(luò)的不同

　　WMN網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議與典型的無線網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議是不一樣的。WMN的MAC協(xié)議關(guān)注的是大于一跳時(shí)的通信。典型的MAC協(xié)議僅局限于單跳通信而路由協(xié)議則需考慮多跳通信的問題。該假設(shè)使協(xié)議設(shè)計(jì)簡單化。但是這種方法不適用WMN，因?yàn)樵赪MN內(nèi)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收不僅受單跳節(jié)點(diǎn)的影響，兩跳甚至多跳外的節(jié)點(diǎn)都有影響。多跳無線局域網(wǎng)中的隱藏節(jié)點(diǎn)問題就是個(gè)例子。MAC層是分布式互相協(xié)作共同完成多點(diǎn)到多點(diǎn)間的通信。在WMN網(wǎng)絡(luò)中，沒有中央控制器。 MAC功能通過分布式的方法來完成。所以MAC協(xié)議在傳輸時(shí)能保證所有的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，任何具有Mesh網(wǎng)絡(luò)功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能與其鄰居節(jié)點(diǎn)通信。因此，在這些節(jié)點(diǎn)之間可以建立多點(diǎn)對多點(diǎn)通信。網(wǎng)絡(luò)的自組織性對MAC層來說是必需的。

　　2．2 在單通道MAC層中改進(jìn)現(xiàn)有的MAC協(xié)議

　　通過提高CSMA／CA協(xié)議，人們提出了很多多跳adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。這些方案通常都是調(diào)整CSMA／CA參數(shù)，比如調(diào)整競爭窗口的大小或者更改回退機(jī)制等。這些方案可提高單跳通信機(jī)制的吞吐量。但對于像WMN這樣的多跳網(wǎng)絡(luò)來講，那些方案并不能顯著減少相鄰節(jié)點(diǎn)之間競爭的可能。一旦競爭頻繁發(fā)生，就不停的有回退等待的情況，由于各節(jié)點(diǎn)之間的累積效應(yīng)，端到端的吞吐量會(huì)顯著下降。

　　2．3 為單通道MAC層提出新的MAC協(xié)議

　　為從根本上解決WMN網(wǎng)絡(luò)端到端之間吞吐量低的問題，必需提出新的設(shè)計(jì)方案。到目前為止幾乎沒有TD-MA或者CDMA的MAC協(xié)議是針對WMN提出的。這可能有兩方面原因：一方面是因?yàn)橛肨DMA或者CDMA開發(fā)一個(gè)分布式相互協(xié)作的MAC協(xié)議非常復(fù)雜，開銷很大。另一方面可能由于TDMA或者CDMA 與目前的MAC協(xié)議存在兼容性問題。例如，IEEE802．16中，最初的MAC協(xié)議都是TDMA方案。適用于IEEE802．16的分布式 TDMAMAC協(xié)議仍在研究。在基于IEEE802．11的wMN中，如何設(shè)計(jì)一個(gè)涵蓋CSMA／CA的分布式TDMAMAC協(xié)議還是一個(gè)相當(dāng)有挑戰(zhàn)的問題。因?yàn)橐O(shè)計(jì)一個(gè)分布式TDMA或者CSMAMAC協(xié)議有許多問題需要考慮，比如基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸β士刂频木W(wǎng)絡(luò)自組織能力等。

　　2．4 多通道MAC協(xié)議

　　多通道MAC能在多種不同的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，在各平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的方式也有所不同。如果主要關(guān)注成本和兼容性，那么多通道的無線單收發(fā)機(jī)是首選的硬件平臺(tái)。該網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一次只能使用一個(gè)收發(fā)機(jī)和一條信道。然而，為了提高系統(tǒng)容量，不同節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)使用不同信道。為了協(xié)調(diào)該情況下不同節(jié)點(diǎn)之間信息的發(fā)送，就需要多信道MAC協(xié)議。

　　每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在多無線電MAC體系中都有各自的MAC層和物理層。這些無線電之間的通信是完全獨(dú)立的。因此，虛擬的MAC協(xié)議比如多射頻MAC協(xié)議 (MUP)要求在MAC層頂端以便協(xié)調(diào)各通道之間的通信。事實(shí)上一個(gè)無線電可以有多條信道。然而為了簡化設(shè)計(jì)和應(yīng)用，每個(gè)無線電只用一條信道。

　　3 WMN中的網(wǎng)絡(luò)層

　　3．1 設(shè)計(jì)路由協(xié)議

　　盡管目前adhoe網(wǎng)絡(luò)已有許多路由協(xié)議，但是專門為WMN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)路由協(xié)議仍然有其積極意義。首先，新的性能指標(biāo)需要去開發(fā)和利用以提高路由協(xié)議的性能。另外，現(xiàn)存的路由協(xié)議仍有很多的局限性。此外，必須考慮跨層交互以提高WMN網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議的性能。更重要的是WMN和adhoc網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點(diǎn)的功率和移動(dòng)性都存在很大的區(qū)別。在WMN網(wǎng)絡(luò)中，骨干網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)幾乎不移動(dòng)并且在功耗方面沒有限制，而客戶端節(jié)點(diǎn)對移動(dòng)性和功率等都要考慮。

 　　3．2 WMN網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議

　　基于對現(xiàn)存adhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能和WMN網(wǎng)絡(luò)需求的特殊性的考慮，WMN網(wǎng)絡(luò)理想的路由協(xié)議必須包括性能指標(biāo)，具有鏈接失敗負(fù)載平衡的容錯(cuò)能力，可測量性以及支持Mesh路由器和客戶端等特點(diǎn)。許多現(xiàn)存的路由協(xié)議都用最小跳數(shù)作為路由選擇的標(biāo)準(zhǔn)。該方案已被證明在很多情況下并不是最好的方法。假設(shè)兩個(gè)具有最小跳數(shù)的節(jié)點(diǎn)之間鏈路質(zhì)量很差，如果用最小跳數(shù)作為選擇標(biāo)準(zhǔn)的話，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的吞吐量將會(huì)很低。為了解決該問題，性能指標(biāo)還需要考慮鏈路質(zhì)量問題。一旦發(fā)生擁塞現(xiàn)象，最小跳數(shù)也不是精確的性能指標(biāo)。通常往返時(shí)間(RTT)也是衡量網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)性能指標(biāo)。路由路徑的選擇需要考慮多個(gè)性能指標(biāo)。

 　　設(shè)計(jì)WMN網(wǎng)絡(luò)時(shí)目標(biāo)之一是保證鏈接失敗后網(wǎng)絡(luò)的健壯性。如果某條鏈路斷開了，路由協(xié)議要迅速找到另一條鏈路以避免服務(wù)中斷。WMN網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)不同用戶之間網(wǎng)絡(luò)資源的共享。當(dāng)部分WMN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，新的數(shù)據(jù)流應(yīng)避開該部分網(wǎng)絡(luò)。性能指標(biāo)如RTT等有助于實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，但并不是總是有效，因?yàn)镽TT可能被鏈路質(zhì)量所影響。在大范圍的無線網(wǎng)絡(luò)中建立一條路由路徑可能需要很長時(shí)間，并且端到端的延遲會(huì)增大。此外，即使路由路徑已建立，路徑上各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)也會(huì)變動(dòng)。因此，在WMN網(wǎng)絡(luò)中測量路由非常困難?？紤]骨干網(wǎng)中路由器幾乎不移動(dòng)和沒有功耗限制的特點(diǎn)，路由器的路由協(xié)議可以設(shè)計(jì)的比現(xiàn)存的 adhoc路由協(xié)議簡單的多。但是對客戶端來說，路由協(xié)議必須有adhoc路由協(xié)議的全部功能。因此，有必要為WMN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)有效的路由協(xié)議使其不僅適應(yīng)路由器同時(shí)也支持客戶端。

　　3．3 網(wǎng)橋和路由

　　網(wǎng)橋用于控制數(shù)據(jù)流。其工作于MAC層，網(wǎng)橋是一個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)移動(dòng)的過程，依賴于三個(gè)F：泛洪搜索(Flood-ing)，轉(zhuǎn)發(fā) (Forwarding)，過濾(Filtering)。網(wǎng)橋是通過創(chuàng)建端口地址表來運(yùn)作的。當(dāng)網(wǎng)橋中的某個(gè)端口收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，它檢查其目的地址并與端口地址表比較。如果網(wǎng)橋不能找到合適的目的地址它會(huì)以泛洪的方式向周圍的所有端口發(fā)送幀。另外，網(wǎng)橋關(guān)注數(shù)據(jù)幀的源地址和幀進(jìn)入網(wǎng)橋的端口，利用該信息更新它的端口地址表。

　　路由方法是網(wǎng)絡(luò)層控制數(shù)據(jù)流的方法。與第二層MAC層的網(wǎng)橋相比，有兩個(gè)關(guān)鍵的不同之處，一是網(wǎng)橋是自適應(yīng)設(shè)備，而路由要手動(dòng)配置。從本質(zhì)上來講網(wǎng)橋是一個(gè)即插即用設(shè)備，安裝好后無需手動(dòng)配置。而路由器需要為每個(gè)接口定義地址以及其他的配置數(shù)據(jù)，或手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)或從先前定義的配置列表中選擇。第二個(gè)不同是路由器可以平衡通信量改變路由，因此路由器需要能通過網(wǎng)絡(luò)改變數(shù)據(jù)流的機(jī)制。路由器使用路由協(xié)議使數(shù)據(jù)從源地址通過中間設(shè)備發(fā)送至目標(biāo)地址。當(dāng)通信阻塞或者現(xiàn)存的路徑不起作用時(shí)中間路由器能改變路由尋找更合適的路徑。相比較而言，位于第二層的網(wǎng)橋只能簡單的檢查MAC地址或者轉(zhuǎn)發(fā)，泛洪搜索或過濾數(shù)據(jù)包，而不能改變數(shù)據(jù)流的發(fā)送路徑。

　　4 總結(jié)

　　到目前為止，多跳adhoc網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性問題一直沒能很好解決。大部分現(xiàn)存的基于CSMA／CA的MAC協(xié)議只能解決部分問題。除了CSMA／CA技術(shù)，如果開發(fā)一套分布式方案能部分消除TDMA或CDMA在adhoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的困難，那么基于TDMA和CDMA的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也可應(yīng)用于WMN。為了設(shè)計(jì)一個(gè)可擴(kuò)展的MAC方案使之適用于WMN網(wǎng)絡(luò)，還需考慮論文先前討論的WMN網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)的區(qū)別。關(guān)于WMN的擴(kuò)展性可以在MAC層中通過兩種方式實(shí)現(xiàn)。第一種是改善現(xiàn)存的MAC協(xié)議或者提出新的MAC協(xié)議以提高單信道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間端到端的吞吐量。第二種方式是允許每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能多信道傳輸。在以后的研究中，將分別研究現(xiàn)存的單信道MAC協(xié)議和多信道MAC協(xié)議。IEEE802．11協(xié)議是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于WMN網(wǎng)絡(luò)的無線電技術(shù)，因此以后研究的焦點(diǎn)也會(huì)集中在IEEE802．11MAC協(xié)議，例如帶RTS／CTS的CSMA／CA協(xié)議。多播應(yīng)用中的路由是另一個(gè)重要的研究課題。對于該路由協(xié)議研究先前只關(guān)注第三層的功能，這樣的路由協(xié)議可能不能滿足當(dāng)前狀況。第二層的MAC協(xié)議和第三層的路由協(xié)議之間應(yīng)采用多種性能指標(biāo)。然而媒體訪問控制和路由的交互如此緊密僅僅靠改變協(xié)議層的一些參數(shù)是遠(yuǎn)不夠的，或許融合媒體訪問控制和路由的部分功能是個(gè)有效的方法。