【導(dǎo)讀】XUDONGWANG,KIYON,INC.Wirelessmeshworks(WMNs)aredynamicallyself-organizedand

　　

【正文】 從 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)重新 審視 現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計(jì)，尤其是 IEEE 網(wǎng)絡(luò)， adhoc 網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 。 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 組織 ，如 IEEE 、 IEEE 和 IEEE ， 都 積極致力于無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)新規(guī)范。 在這篇文章中，我們提出無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法的最新進(jìn)展 的 調(diào)查。我們的目的是提供一個(gè)更好地了解這一新興技術(shù)的研究 難題 。我們的目的是提供一個(gè)更好地了解這一新興技術(shù)的研究難題。本文的其余部分安排如下：首先介紹無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以客觀的突出無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和影響協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。然后 以 一個(gè)開放的研究問(wèn)題為重點(diǎn) ， 進(jìn)行無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 的最新進(jìn)展的詳細(xì)研究。文章 用結(jié)束語(yǔ)總結(jié) 。 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié) 構(gòu) 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 的結(jié)構(gòu)可分為三種類型： 基礎(chǔ)設(shè)施 /骨干無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)。 在這個(gè)架構(gòu)中， Mesh 路由器形成一個(gè)為客戶提供的基礎(chǔ)設(shè)施，如圖 1 所示，其中虛線和實(shí)線分別表示無(wú)線和有線連接。除了大多采用的 技術(shù) ， 可以使用各類無(wú)線電技術(shù)構(gòu)建無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施 /骨干。 網(wǎng)絡(luò) 路由器形成一個(gè)自我配置，自我修復(fù)，彼此間聯(lián)系的 網(wǎng)絡(luò) 。 網(wǎng)絡(luò) 路由器具有網(wǎng)關(guān)功能，可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。這種做法，也被稱為網(wǎng)格化基礎(chǔ)設(shè)施，提供了傳統(tǒng)的客戶端的骨干， 可以通過(guò) Mesh路由器的網(wǎng)關(guān) /網(wǎng)橋功能 ，融合 現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 與 無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)。具有以太網(wǎng)接口的傳統(tǒng)客戶端可以通過(guò)以太網(wǎng)鏈路連接到網(wǎng)格路由器。對(duì)于傳統(tǒng)的客戶端與 Mesh 路由器相同的無(wú)線電技術(shù)，他們可以用 Mesh 路由器直接溝通。如果使用不同的無(wú)線電技術(shù)，客戶必須與 擁 有以太網(wǎng)連接的網(wǎng)狀路由器的基站 進(jìn)行 通信。 客戶端無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)格化客戶端 在 客戶端設(shè)備之間提供對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。在這種類型的架構(gòu)中，客戶端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)來(lái)執(zhí)行路由和配置的功能，以及向客戶提供終端用戶應(yīng)用程序。因此，對(duì)于這些類型的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀路由器 不是必須的 ?？蛻舳藷o(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)通常使用設(shè)備上的一類無(wú)線電通訊設(shè)備組成 。 因此 ，客戶端無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 和 傳統(tǒng)的 adhoc 網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是相同的。然而， 當(dāng)與 基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)格化相比 ， 終端用戶設(shè)備上的要求增加 了 ，因?yàn)樵诳蛻舳藷o(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) ， 終端用戶必須執(zhí)行附加功能，如路由和自配置。 混合無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)。 這種體系結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)設(shè)施和客戶端網(wǎng)格化 的 組 合，如圖 2 所示 。 Mesh 客戶端可以通過(guò) Mesh 路由器，以及直接與其他 Mesh客戶 聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn) 網(wǎng)絡(luò)。雖然基礎(chǔ)設(shè)施提供了連接其他網(wǎng)絡(luò) 方式，如互聯(lián)網(wǎng)、WiFi、 WiMAX、 蜂窩 和 傳感器網(wǎng)絡(luò)， 但是 服務(wù)對(duì)象的路由功能在無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò)里提供改進(jìn)的連接和覆蓋范圍面。 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 的特點(diǎn)概括如下 ， 考慮了 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 混合架構(gòu) ， 因?yàn)樗?了無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 所有 的 優(yōu)點(diǎn) ： ?無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)支持特設(shè)網(wǎng)絡(luò)，并有自我形成，自我愈合和自我組織的能力。 ?無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 是 多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，但由 Mesh 路由器提供無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施 /骨干。 ?Mesh 路由器具有最小的流動(dòng)性和執(zhí)行專用的路由和配置，從而顯著降低 Mesh 客戶及其他終端節(jié)點(diǎn)的負(fù)載。 ?在 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施的支持 下 ，終端節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)很容易 實(shí)現(xiàn) 。 ?Mesh 路由器集成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，包括有線和無(wú)線兩種。因此，在無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò) 中 存在多種類型的網(wǎng)絡(luò)接 入 。 ?Mesh 路由器和 Mesh 客戶 對(duì) 功耗約束不同。 ?無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)并不是獨(dú)立的，需要與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的兼容和互操作。 因此，無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)多樣化了 ad hoc 網(wǎng)絡(luò)的功能，而不是僅是另一種類型的 ad hoc 網(wǎng)絡(luò)。這些額外的功能要求新 的 算法和實(shí)現(xiàn)無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 的設(shè)計(jì)原則。 關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要素 影響無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的性能的關(guān)鍵因素歸納如下。 無(wú)線電技術(shù)。 已經(jīng)提出了許多方法，近年來(lái)增加無(wú)線系統(tǒng)，容量和靈活性。典型的例子包括定向和智能天線，多輸入多輸出（ MIMO）系統(tǒng)，和 多射頻 /多通道 系統(tǒng)。 為了進(jìn)一步提高無(wú)線電臺(tái)的性 能 和由 更高層協(xié)議 來(lái) 控制，更先進(jìn)的無(wú)線電技術(shù)已被用于無(wú)線通信，如重構(gòu)收音機(jī)，頻率捷變 /感知無(wú)線電，軟件無(wú)線電。雖然這些無(wú)線電技術(shù)仍處于起步階段，他們有望成為未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)控制能力。這些先進(jìn)的無(wú)線電技術(shù)，都需要在更高層協(xié)議，尤其是 MAC 和路由協(xié)議的革命性設(shè)計(jì)。 可擴(kuò)展性。 可擴(kuò)展性是無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵要求。如果沒有此功能 的 支持 ，隨著 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加 ， 網(wǎng)絡(luò)性能顯著下降。例如，路由協(xié)議可能無(wú)法找到一個(gè)可靠的路由路徑，傳輸協(xié)議可能連接松動(dòng)， MAC 協(xié)議可能會(huì)遇到吞吐量的顯著減少。為了確保無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，從 MAC層到應(yīng)用層所有的協(xié)議需要具有可擴(kuò)展性。 網(wǎng)狀連接。 無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的許多優(yōu)勢(shì)來(lái)源于網(wǎng)狀連接。為了確?？煽康木W(wǎng)狀連接，網(wǎng)絡(luò)自組織和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制算法是必要的。拓?fù)涓兄?MAC 和路由協(xié)議，可以顯著提高無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的性能。 寬帶和 QoS。 與古典 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的大多數(shù)應(yīng)用程序是 具有異構(gòu) QoS 要求的寬帶服務(wù)。因此，除了終端到終端的傳輸延遲和公平性，更多的性能指標(biāo)，如時(shí)延抖動(dòng) 、 聚集點(diǎn)和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量 、 丟包率，必須考慮通信協(xié)議。 安全。 雖然近年來(lái)已為無(wú)線局域網(wǎng)提出了許多安全方案， 但是 他們?nèi)匀徊煌耆m用于無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)。例如，有沒有集中的受信任的權(quán)威機(jī)權(quán) 分發(fā) 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的公共密鑰 ， 由于 其 分布式系統(tǒng)架構(gòu) ?；?Adhoc 網(wǎng)絡(luò)提出 的 現(xiàn)有的安全方案，可以 被 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)采納。然而， Adhoc 網(wǎng)絡(luò)的大部分安全解決方案 在 實(shí)際實(shí)施上仍不夠成熟。此外，無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)和Adhoc 網(wǎng)絡(luò) 之間的不同網(wǎng)絡(luò) 架構(gòu) ， 通常 呈現(xiàn)出 Adhoc 網(wǎng)絡(luò) 的 解決方案 對(duì)于無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 是 無(wú)效 的 。 易于使用。 協(xié)議必須旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)盡可能的自治。此外，網(wǎng)絡(luò)管理工具需要開發(fā)， 要 高效地維持運(yùn)轉(zhuǎn)， 有 監(jiān)控性能， 可 配置無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。這些工具，連同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自治機(jī)制，使無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng) 實(shí)現(xiàn) 快速部署。 兼容性和互操作性。 在無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 里 ，支持傳統(tǒng)和網(wǎng)狀客戶端的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)是默認(rèn) 的 規(guī)定。因此，無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)需要向后兼容傳統(tǒng)的客戶機(jī)節(jié)點(diǎn)。這要求 Mesh 路由器要能夠整合異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。 總結(jié) 雖然可以基于現(xiàn)有的技術(shù)建立無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) ，利用 現(xiàn)有的無(wú)線 Mesh網(wǎng)絡(luò) 的現(xiàn)場(chǎng) 試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的性能仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。正如在整篇文章中解釋的，仍 存在 許多研究的問(wèn)題。其中，最重要和最緊迫的是 可擴(kuò)展性和安全性。 可擴(kuò)展性。 基于現(xiàn)有的 MAC、 路由 和傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)性能 同 節(jié)點(diǎn)的數(shù)量 及 網(wǎng)絡(luò)中的的跳數(shù) 是不 可擴(kuò)展 的 。增加網(wǎng)絡(luò)容量 可以使 這個(gè)問(wèn)題得到緩解 ，即 通過(guò) 采用 多渠道 /每節(jié)點(diǎn)無(wú)線電通訊設(shè)備或開發(fā)具有更高傳輸速度的無(wú)線射頻技術(shù) 。 然而，這些方法沒有真正提高無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)的可擴(kuò)展性，因?yàn)閷?shí)際上并未提高資源利用率。因此，為了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，發(fā)展新的 MAC，路由，無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議是必不可少的。 安全。 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)在各個(gè)協(xié)議層的安全攻擊是脆弱的。當(dāng)前的安全方法在特定協(xié)議層的特定攻擊可能是有效的。但是，仍然存在 一種需求，防止或?qū)顾袇f(xié)議層的攻擊 的 全面的機(jī)制 的需求 。 此外，自我組織和自我配置能力 是 無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò) 的 所需功能。它需要無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議來(lái)分配和協(xié)作。然而，目前的無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)只能部分實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，由于在 同一 Mesh 路由器 中構(gòu)建 多個(gè)無(wú)線接口和相 應(yīng)的網(wǎng)關(guān) /網(wǎng)橋功能的難度 ， 目前的無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)仍然有非常有限的整合異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的能力 。 盡管 存在 這些開放的研究問(wèn)題，我們 仍然 認(rèn)為，無(wú)線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)將成為下一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最有前途的技術(shù)之一。