無線網(wǎng)狀網(wǎng)與協(xié)作中繼技術(shù)(已修改)
2025-01-20 08:30 本頁面
【正文】 無線網(wǎng)狀網(wǎng)與協(xié)作中繼技術(shù) 摘要 ：無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) (WMN)是一種特殊的 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)，具有分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其傳輸骨干網(wǎng)具有多跳、拓?fù)浞€(wěn)定、無供電約束、業(yè)務(wù)流量相對匯聚等特性。提高 WMN 頻譜空間復(fù)用度是增加網(wǎng)絡(luò)容量有效的方法，而其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是有效控制無線鏈路間的干擾范圍。基于多信道的組網(wǎng)技術(shù)是 WMN 關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心是信道的分配，通過合理的信道分配以獲得最大信道利用率。 WMN中路由度量的選取需要考慮多跳無線鏈路間的相互干擾，而通過采用負(fù)載均衡路由技術(shù)可以均衡網(wǎng)絡(luò)資源的使用，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量和節(jié)點(diǎn)的吞吐率。 無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) (WMN)是一種多跳、自組織的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，一般由 Mesh 路由器和 Mesh 客戶節(jié)點(diǎn)組成。其典型結(jié)構(gòu)是一種分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)： Mesh 路由器互聯(lián)構(gòu)成多跳無線骨干網(wǎng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的中繼；骨干網(wǎng)一般通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，而 Mesh客戶節(jié)點(diǎn)通過 Mesh 路由器接入到 WMN。通過 WMN 最終實(shí)現(xiàn) Mesh 客戶節(jié)點(diǎn)間、客戶節(jié)點(diǎn)與 Inter 等其他網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通。 與蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)不同， WMN 是一種多跳的，具有自形成、自愈和自組織能力的無線網(wǎng)絡(luò)。雖然 WMN 具有上述無線 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特性，但是 WMN 與無線 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)之間仍然存在許多重大差別。首先， Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)是移動(dòng)的，所以其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)變化特性；而在 WMN 中，負(fù)責(zé)中繼的 Mesh 路由器一般是靜止的，所以骨干網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持相對穩(wěn)定。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性使得設(shè)備供電受限，在 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)中必須考慮功耗因素，而 WMN 的中繼節(jié)點(diǎn)保持靜止，便于實(shí)現(xiàn)外部供電，所以功耗的限制相對減弱。另外， Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的對等網(wǎng)絡(luò)通信，而 WMN 著眼于為各種業(yè)務(wù)需求的客戶節(jié)點(diǎn)提供無線寬帶接入功能。 對于任何一種無線網(wǎng)絡(luò)來講，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量都是組網(wǎng)協(xié)議首要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。與一般的多跳無 線自組織網(wǎng)絡(luò)相同， WMN中無線鏈路間也存在較強(qiáng)的相互影響，這使得 “ 提高 WMN 網(wǎng)絡(luò)傳輸容量 ” 的設(shè)計(jì)目標(biāo)更具挑戰(zhàn)性。目前 WMN 組網(wǎng)協(xié)議設(shè)計(jì)的基本思路是：充分挖掘 WMN 自身特點(diǎn)，采用跨層聯(lián)合設(shè)計(jì)，提高網(wǎng)絡(luò)容量，同時(shí)提供一定的 QoS 保障。本文圍繞 “ 提高 WMN 網(wǎng)絡(luò)容量 ” 這一核心問題，從提高頻譜空間復(fù)用度、多信道技術(shù)以及路由優(yōu)化等方面分析并總結(jié)當(dāng)前 WMN 組網(wǎng)協(xié)議中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。 1 提高 WMN 的空間復(fù)用度 WMN 是一種多跳無線網(wǎng)絡(luò)，由于無線信道的廣播特性，網(wǎng)絡(luò)中任意一條鏈路都和地理位置與其相鄰的無線鏈路間存在相互干擾，制約了網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量。另一方面，由于無線信道的衰減特性，多跳網(wǎng)絡(luò)具有潛在的空間復(fù)用特性。設(shè)法提高網(wǎng)絡(luò)的空間復(fù)用度，就能增加并行傳輸?shù)逆溌窋?shù)目，從而提升網(wǎng)絡(luò)容量。 具有高空間復(fù)用度的組網(wǎng)協(xié)議的 WMN 基本設(shè)計(jì)思想是：有效控制無線鏈路間的干擾范圍。本文重點(diǎn)介紹采用高級物理層技術(shù)如定向天線、多輸入多輸出 (MIMO)等的 WMN 和結(jié)合物理層功率控制的媒體接入控制 (MAC)協(xié)議。 基于定向天線技術(shù)的 WMN 與傳統(tǒng)的全向天線不同，定向天線 (智能天線 )可以將能量集中于某一方向傳輸，使天線在該方向上具 有最強(qiáng)的增益，而其他方向上增益較小。而正是由于定向天線的傳播具有這種波束方向性，可以提高 WMN 的空間復(fù)用度。但是，在提高空間復(fù)用度的同時(shí)，定向天線也給共享信道的訪問引入了新的問題：定向隱藏終端問題、 “ 耳聾 ” 問題以及接收節(jié)點(diǎn)定位問題。 定向隱藏終端問題是指：物理上相鄰的節(jié)點(diǎn)，由于傳輸方向的不匹配彼此互不可見，形成隱藏終端。例如在圖 1 中，相鄰節(jié)點(diǎn) A、 B 分別向節(jié)點(diǎn) C 發(fā)送，由于 A、 B 在發(fā)送之前都無法通過載波偵聽發(fā)現(xiàn)對方正在發(fā)送，即節(jié)點(diǎn) A、 B 是一對隱藏節(jié)點(diǎn)，所以傳輸會(huì)在節(jié)點(diǎn) C 處發(fā)生碰撞。顯然這種隱藏終端問題在全向 天線網(wǎng)絡(luò)中是不會(huì)發(fā)生的。 “ 耳聾 ” 問題是指：發(fā)送節(jié)點(diǎn)不能與 某個(gè)節(jié)點(diǎn)建立無線通信，原因是該節(jié)點(diǎn)正在另一個(gè)方向上偵聽或者接收。接收節(jié)點(diǎn)定位問題是指：在通信前，發(fā)送節(jié)點(diǎn)必須首先確定接收節(jié)點(diǎn)的位置，才能確定發(fā)射波束的方向，所以節(jié)點(diǎn)必須對鄰居節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行跟蹤和定位。 為了有效解決定向天線引入的新問題，基于定向天線的 MAC 研究大多采用跨層設(shè)計(jì)機(jī)制，通過 MAC 子層與物理層的協(xié)同工作，可以提高 WMN 容量。 DMAC 協(xié)議是基于 分布式協(xié)調(diào)功能 (DCF)的定向天線 MAC 協(xié)議。該協(xié)議通過定向發(fā)送請求發(fā)送 (RTS)、數(shù)據(jù)(DATA)、確認(rèn) (ACK)幀，達(dá)到減少暴露終端數(shù)目以及提高空間復(fù)用度，而允許發(fā)送 (CTS)幀仍然采用全向傳輸，從而減少潛在的隱藏終端；協(xié)議采用全球定位系統(tǒng) (GPS)定位鄰居節(jié)點(diǎn)。 基于帶外音的定向 MAC 協(xié)議 [1]提出采用全向帶外音解決 “ 耳聾 ” 問題。協(xié)議采用定向傳輸 RTS、 CTS、 DATA 和 ACK，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，收、發(fā)節(jié)點(diǎn)都調(diào)整回全向發(fā)送帶外音，提示鄰居節(jié)點(diǎn)可以與其通 信。 文獻(xiàn) [2]在 DCF 基礎(chǔ)上提出定向虛擬載波偵聽 (DVCS)機(jī)制，協(xié)議通過對控制幀接收功率的測量，估算出信號的入射角度 (AOA)，進(jìn)而控制波束方向，實(shí)現(xiàn)定向傳輸。并且在 DVCS 機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)為每一個(gè)方向都設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分配向量 (NAV)
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