无线网状网体系结构浅探[转]

时间：2010-08-25 来源：cocos_zhouhao

设计题目：无线网状网体系结构浅探
概要：
无线网状网(Wireless Mesh Networks简称WMNs),是由网格路由器(mesh router)和网格客户端(mesh clients)组成，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，同时它本身可以动态地不断扩展，自组网、自管理，自动修复、自我平衡。其中网格路由器是构成无线网状网的骨干，提供网格客户端和传统客户端(conventional clients)对网络的访问服务。通过网格路由器可以实现无线网状网与互联网(Internet)、蜂窝网(cellular)、IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.16和传感器网络等网络的综合桥接功能。无线网状网能够极大的改善ad hoc网络、无线局域网(WLANs)、无线个人地区网络(WPANs)和无线城域网(WMANs)的性能，能够对很大的区域像社区，校园，城市等提供无线服务。尽管无线网状网的性能如此突出，然而在网络体系的各层研究中仍有很多问题有待解决，如网络的容量，网络各层协议设计等问题。所以本文对无线网状网与Wi-Fi,WinMax,ad hoc网络做了概要地比较，同时对无线网状网各层协议设计及实现出现的问题做出简单的探讨。
关键词：无线网状网，WMNs, 多跳网络，动态扩展，自组网，自管理，自动修复，自我平衡，路由协议，介质访问，自组网络，可靠性
引言: 由于无线网状网(WMNs)技术的出现，“无线是有线的补充”这句话将不再成立。突破当前流行的Wi-Fi技术对每个接入点的有线连接要求，无限扩大Wi-Fi “热点”的覆盖区域，甚至使整个城域范围都成为一个能够提供无线互联网接入服务的“热区”，从而使人们自由自在地享受宽带无线上网服务的便利和乐趣，听起来多么诱人！无线网状网技术的出现，将使这样的构想成为现实。
   正文:
   无线网状网介绍
   作为一种全新、灵活的广域WLAN解决方案，无线网状网能够在某一城市地区或大型园区的整个范围内，实现无线局域网的轻松扩展与延伸。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非常宽广的无线覆盖—— 这就是无线网状网的最大优势所在。此外，无线网状网络的接入点可以安装在街道灯柱、大楼侧墙或任何能够提供电源的位置上，这使它的安装部署具有极大的灵活性。而且由于采用了与Wi-Fi相同的IEEE 802.11b/g标准，所有原来设置用于Wi-Fi的笔记本电脑、PDA、手机等终端设备都不需要再安装新的硬件或软件，就可以接入无线网状网，这一点也从终端方面为无线网状网的推广扫除了障碍。
与有线网络相比，无线网状网的安装不需要进行大量的布线或基础设施，其成本低得多，更重要的是能够大大节省租用专线的数量，从而节省专线（E1/E3）租费。而且一旦投入运行，mesh具有强大的自修复和自适应能力，维护费用也非常低。
无线网状网的体系结构
无线网有三种体系结构：
1、基础下部组织/骨干网络（图1示）：

               基础下部组织/骨干网络
在这种体系结构中，网状路由器为与他们相连接的客户端组织成为基础下部组织。网状路由器实现了自组织和自我修复网络链路功能。此种结构支持多种形式的无线技术，如用的最多的802.11标准。而且为其它的形式网络的访问提供AP服务。
2、客户端网络（图2示）

                     客户端网络
由客户端节点组织而成的网络形式。在此网络中，客户端提供端到端的网络连接形式。由节点实现路由和自我配置功能。
3、混合型网络（图3示）

                     混合型网络
  这种网络结构结合了基础下部组织/骨干网络和客户端网络两种网络的特点。客户端可以通过网状路由器和其它的客户端来进行访问网络的通信。而且网状路由器可以实现与其它类型的网络像Wi-Fi，Wi-MAX, Sensor Networks, Cellular Networks等实现互操作。此种结构网络是最为常用的网络类型。
无线网状网特性
1、多跳的无线网络
实现了不用通过牺牲信道性能来提高无线网络的覆盖范围扩大。
2、支持Ad hoc网络，自我形成，自我修复，自我配置。
由于网络的很强的适应性，容错性，易于配置和管理性，多点通信这些特性。无线网状网会越来越受到广泛的应用。
3、基于节点类型的灵活性
网状路由器具有最小的移动性，而客户端具有最强的移动性。
4、多种类型的网络访问
可以能过有线的连接来与因特网通信，而且支持P2P连接。
5、依据节点类型来限制能量的使用
这一项措施针对不同的节点类型来进行的，其中路由器不受限制，客户端受到限制。“无线传感网络中，节能，永远是最受关注的。”
6、与其它的无线网络的兼容性的互操作性
提供和基它多种无线网络的互操作性。与Wi-Fi，Wi-MAX, Sensor Networks, Cellular Networks等实现互操作。
   基于这些特性，无线网状网被认为是一种特殊的Ad Hoc网络类型，由于相对于WI-FI网络的蜂窝网络来说，缺少了有线的基础下部组织。无线网状网使用Ad hoc网络的技术,传统的算法和设计原则不能满足无线网状网的发展要求,无线网状网的目标是使ad hoc网络实现多样化,而不是单单作为ad hoc网络的一种特殊的类型网。因此，ad hoc网络可以看成是无线网状网的一个子集，为了更好的证明这种观点，做了以下比较。在比较中，考虑的无线网状网的混合型网络体系结构，在这种结构中，可以体现无线网状网的所有的优点。
1、无线的基础下部组织/骨干结构
无线网状网由网状路由器构成无线骨干。此骨干提供大的覆盖面，联通性，在无线区域内具有很好的性能比。然而，ad hoc 网络是基于不可靠的单独的分布式终端系统。
2、综合性
无线网状网支持传统的客户端形式，而且通过和现在的几乎所有的无线无络像Wi-Fi, Internet, 蜂窝网，传感器网络等能过网状路由器实现兼容性。因此，在一种网络中的用户可以向其它网络中的用户提供服务。通过无线网状网实现的无线网络的综合与因特网的骨干很类似，就像物理层的与网络的性能和拓扑相比来说变得越来越不重要一样。
3、专门的路由和配置结构
在Ad hoc网络里，终端设备为其它所有的节点提供路由和配置管理服务。然而，在无线网状网中，是由特定的网状路由器来完成这些功能。这样可以实现节能，提高终端节点的移动性，和减轻终端节点的负担。此外，节约了网络的建造成本。
4、多波通信
网状路由器可以采用多波形式来完成路由和网络访问的功能。这样就能够使无线区域的两种传输模式彻底的分离开，路由控制和网络访问操作。当路由器之间进行路径选择的时候，终端系统可以使用另外一波段来进行网络的访问性操作，改善了整个网络的性能。另一方面，在ad hoc网络中这此功能只能通过一种信道来完成，当然结果也是不一样，整体性能肯定会下降。
5、移动性
由于Ad hoc网络的终端为其它终端提供路由功能，所以网络的拓扑结构和联通性也会随着终端的移动而改变，这样就给传统的网络协议在网络的配置和布置上提出了新的挑战性的要求。而由于无线网状网利用网状路由器来实现这些功能，所以终端设备在与ad hoc网络终端设备移动性的比较上具有高好的移动性。

   无线网状网与其它同类技术的比较以及应用方向
无线网状网 Vs Wi-Fi
Wi-Fi是基于IEEE802.11x标准的技术。目前，Wi-Fi包括IEEE802.11b、802.11a和802.11g。Wi-Fi发射采用的是低功率无线电信号，穿透能力差，不能穿过金属，水或其它密度高的材料。通常情况下，在一般典型的居家或办公室里，Wi-Fi网络的传输距离大约为25到50米。在户外开放的环境里，Wi-Fi网络的传输距离也只有300米左右。由于Wi-Fi网络的特点是带宽较高但通信范围较小，并且不具有移动性，但价格便宜，因此，它主要用于小范围的无线通讯，被定义为无线局域网。
目前，Wi-Fi网络迅速向人群聚集的地点或楼宇内发展，像咖啡店、酒店、机场候机大厅、写字楼等地为用户接入互联网的服务。
无线网状网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，同时它本身可以动态地不断扩展，自组网、自管理，自动修复、自我平衡。相对于Wi-Fi，无线Mesh在组网方式、传输距离以及移动性上都有很大的改进，特别是它具有兼容Wi-Fi的特性，因此无线Mesh网络会对Wi-Fi在增加传输距离和移动性，扩展Wi-Fi应用上提供很大帮助。同时，终端目前的普及应用又会为无线Mesh的迅速推广带来好处。因此，Wi-Fi和无线Mesh网络可以相互补充、相互融合。
无线网状网Vs 3G
众所周知3G已经酝酿很久，而且得到世界著名的各大通信公司的支持和拥护，我们国内也有TD-SCDMA专有技术，可谓众望所归。无需质疑，3G肯定会到来，只是一个时间的问题，但由于2.5G和WLAN的加强运作，延长了2G的寿命，再加上无线IP城域网的出现，以及3G标准和技术上存在的一些问题，使得3G处于非常被动的局面。到目前为止，数字移动电话在一些基本应用上已经做得很完美，如语音通信、短消息、简单的新闻服务以及股市行情等等。下一步移动通信所要解决的就是实现移动电话之间更加直接的视频通信，但是目前实际运行当中的3G的数据传输速率还不理想。巨额的牌照费，技术问题、终端问题使3G的发展任重而道远，运营商需要投入大量的资金、人力来建设和完善，这些因素都会给3G的发展带来巨大的挑战。
无线网状网络也具有移动、宽带的特性，与3G提供的业务有些相近。但是二者的定位有所不同。
3G定位在广域网，与2G、2.5G一样，将继续为公众移动通信服务，3G发展必须依赖大规模布网，时间会比较长。而无线Mesh是基于IP的，定位在城域网，组网灵活，可以先在小范围使用，然后逐渐发展起来，更适合于各垂直行业的专网应用。它先于3G进入市场，同时它又具有很强的兼容性，便于将来与3G兼容，解决3G末端接入的问题。“移动走向IP”和“IP走向移动”是通信发展的趋势，相信在未来的通信市场，3G与Mesh的结合存在很大的可能性。
无线网状网Vs  WiMAX
WiMAX是当前市场比较看好的技术，定位在无线IP城域网，包含802.16a、802.16e。802.16a的标准已经制定，只支持视线范围传输，固定点接入，支持点对点或点对多点组网；802.16e标准尚处在开发阶段，将会支持非视线传输和具有一定的移动性。目前市场上WiMAX成熟的商用化产品还没有推出。非常有意思的是，Mesh是有了商用化产品，标准刚刚开始制定，而WiMAX却是有了标准，还没有商用化产品。从市场角度讲，无线Mesh与802.16a虽然都是城域网应用，但是不会产生任何竞争，无线Mesh是移动城域网，目标是为专网中的个体提供移动宽带服务；而802.11a解决的点对点或点对多点的固定接入。待802.16e产品(加入了移动性能)出来，可能会与无线网状网有竞争关系，但因目前标准还未出来，所以还存在着一些不确定的因素。
总体来说，在占有市场空间方面，无线网状网已经先于WiMAX、3G进入市场。同时，无线网状网也可以依靠已被市场接受的Wi-Fi终端迅速发展起来。从技术上分析，无线网状网、Wi-Fi、WiMAX彼此可以相互补充，共同组成无线城域网。Wi-Fi以低廉的成本，普及的应用占据末端局域网接入市场，WiMAX则可以作为城域范围的固定点接入，无线网状网能够实现城域范围内的移动宽带专用通信网。当然，随着技术和市场的不断发展，无线网状网与将来的802.16e和3G在业务层面上的确存在着重叠的地方，由此也会带来一定的竞争，但我们目前所能得出的结论则是：它们之间的互补性要大于竞争性。
影响网络性能的临界因素
1、无线射频技术
受到半导体技术的发速发展的刺激，射频技术和通信理论，无线技术受到了前所未有的革新。许多增加无线网容量和适应性的途径被提到议程上来。典型的例子：方向智能电线，MIMO（多输入多输出）系统，多波多信道系统。到目前，MIMO系统已经成为IEEE802.11N的关键技术，WI-FI高速扩展，多波芯片集和他们的发展平台已经在市场上运行。
为了在高层协议更好的改善无线技术的性能和控制。更多先进的无线技术，像重新配置无线电技术，频率感知无线电技术，甚至软件无线电设备已经在无线通信上使用。虽然这些无线电技术仍然不是很成熟，但由于他们的动态控制电波的性能使他们被期待成为以后的无线电网络的平台基础。这些先进的无线电技术都需要一个完全革命的设计在高层协议，特别是MAC和路由协议。例如，当可方向性电脑在IEEE802.11网络应用的时候，一种可以深入计算选择可方向天线象限的协议被开发。方向性电线能够减少暴露的节点，但是他们也生成更多的隐藏的节点，因此MAC协议重新设计来解决这个问题。对于MIMO系统，新的MAC协议也是必须的。当软件无线电被老虎的时候，更多的功能强大的MAC协议，像可编程MAC等，也需要被开发。
2、可测量性
在WMNS中多跳通信是很普通的。对于多跳网络，显著的特点就是通信协议需要解决的可测量性问题。当网络的尺寸增大的时候，网络性能会显著的降低，路由协议可能会找不到一个可靠的路径选择，传输协议可能失去连接，连MAC协议也可能会大幅的流量减少。一个典型的例子，目前的IEEE802.11MAC协议和它所派生出来的协议不能解决合理的流量控制，当跳数增加到4跳或者是更高的时候。（对802.11b,TCP流量小于10Mbps).低可测量性的原因是当网络规模增大时，端到端的可靠性传输发送下降。在WMNS中，基于它的AD HOC网络的体系结构，集中多路径访问机制像TDMA和CDMA都很难完成，由于它们的复杂性和对TDMA等常规的时间同步要求。当一个分布式的多跳网络在考虑中时，在全局网络中的精确的时间同步是很难完成的。因此，分布式的多路径访问机制像CSMA/CA更受欢迎，然而，CSMA/CA有很低的频率空间再使用效率，这个因素严重的限制了基于CSMA/CA多跳网络的可测量性。为了改善WMNS的可测量性，设计一个混合CSMA/CA和TDMA或者CDMA的多访问机制是一件很有趣且有挑战性的研究课题。
3、网络联通性
起源于在协议设计中很必需的条件，网格联通性的许多WMNS网络的优点，特别是MAC和路由协议。网络自组织和拓扑控制机制也通常是需要的。知道拓扑的MAC和路由协议能够显著改善WMNS网络的性能。
4、宽带和服务质量
   和其它的AD HOC网络不同的是，多数的WMNS的应用是基于服务质量的宽带应用。因此，考虑端对端的传输延迟和透明性。通信协议必须采用更好的算法来解决，节点吞吐量，延迟，丢包率，和聚合性。
5、兼容性和互操作性
WMNS网络一直渴望的是网格客户端和传统的客户端有WMNS网络中都能受到支持。因此，WMNS需要回访协调传统的客户端；否则，配置WMNS的动机会折衷。为综合WMNS和其它的无线网络，需要具有兼容不同无线网络互操作性的特殊的路由器。
6、安全性
没有一个令人信服的安全性解决方案。WMNS就不能成功。虽然有许多的安全机制已经在无线网络上实施，但是他们仍旧不能用在WMNS，上，因为，没有一个可集中的认证机构来分配公钥在一个基于分布式系统体系的WMNS中。现有的在AD HOC网络中使用的安全体制能够被WMNS采用。但是还是有几个问题存在：
a.大多数的AD HOC网络的安全解决方案仍旧不成熟，对于在实际应用上来说
b.WMNS的网络体系结构不同于一般的ADHOC网络，可能在安全机制的需求上也是不同的。
结果，新的安全机制从加密算法到安全密钥分发被广泛的搜索，安全的MAC和路由协议，入侵检测，和安全检测也在研究当中。
有解决方法的最终。易于使用。所有的设计的协议能够使网络尽可能的自治，能源管理，自组织，动态拓扑管理，能够很好的处理暂时性的连接失败，和用户认证机制。附加上，网络管理工具也需要开发，来更好的维护操作，监视网络性能状况，配置WMNS的网络参数。这些工具结合协议中自治的机制，能够更快的配置WMNS。

WMNS性能分析以及所面对的问题
   能力受到各种因素的影响，像网络体系结构，网络拓扑，通信模式，网络结点密度，每个节点使用的信道数，传输功率水平，和节点的移动。清晰的理解网络性能和上述因素的关系能够提供珍上在协议，体系结构，配置和操作网络的指导性建议。
      性能分析
近十年，AD hoc网络的许多研究成果可以用到WMNS的研究上来。
对于一个固定的多跳网络来说，当一个节点有6个相邻的时候，具有最优的传输功效。参考这个数值，一个最适宜的折衷方案，从源到目的端的节点数和信道空间重新利用效率完成。这个结果对于具有最小移动性的WMNS的基础下部结构是很用的。当涉及到混合WMNS中的移动性时，到目前还没有任何的理论研究报告。许多实验结果表明，模拟的固定的网络在理论上是可行的。
分析来看随着节点密度的增加每个节点的吞吐能力严重下降。“一个节点只能应该与邻近的节点通信”。为了验证这个论点，两个很重要的论据要被证明。“吞吐能力能够得到加强通过布置转播节点”，“节点应该被组在群”。因此，一个节点和其它节点通信并不一定是附近的，通过转播节点和群概念的引导行为。然后，这些机制受到限制。在第一条中，为了显著提高吞吐量需要许多的转播节点。这样会增加网络的整体开销。第二条中，群组方案在AD HOC网络和WMNS中并不是首选，因为在分布式系统中很难管理群组。
在混合体系结构中，节点只能和附近的节点通信。如果他们需要和其它多跳远的节点通信，基站或者是访问点（AP）能够通过有线网络来转发数据包。混合体系结构能够改善AD HOC网络的性能，然而，它仍旧不能被许多的应用所采用，因为基站之间的有线传输，在许多AD HOC网络中并不存在。
虽然一种机制可以通过利用节点的移动性来增加AD HOC网络的容量.当一个节点要发送数据包到另一个节点时,只有当目的节点靠近源节点时才会发送数据。因此通过节点的移动性，一个节点只有和他附近的节点相通信。这种机制有一个弊端：传输延迟会变得很大而且要求更大的缓冲。
结果，理论上的可行性结果在实际的网络体系结构中仍旧不能很好的实行。然而，这种研究依赖于假设传输模式是在一个巨大的ＡＤ　ＨＯＣ网络里。因此，节点通常只和附近的节点通信。这种假设并不是在网络中一直成立的，除非故意设计成这样的网络。
大多数的现有的分析途径都是基于渐近的分析。更广的容量范围来源于这样的分析方法，并不会真正的揭示具有一个给定节点数的AD HOC网络的确切的容量值，特别是当节点数量很少的时候。
研究的问题。
      在WMNS的能力分析上，许多研究问题仍然存在。由于下面的几个原因。
   1、理论的结果，对于AD HOC网络和WMNS网络，仍旧是基于单一的假设，就像上面提到的。新的研究提出了诸如传输功率，传输模式，优化路由路径，等等的临界因素。这些研究仍然是一个极富有挑战性的课题。
   2、尽管在AD HOC网络的能力分析上取得了许多的研究进展，但是WMNS还没有被充分的探究，由于WMNS与AD HOC网络的不同性。在AD HOC网络中的取得最优的节点密度和最好的性能，可能不能直接应用到WMNS中。因为，不论是静止的还是移动的AD HOC网络都是WMNS的子集。
3、增加WMNS网络性能的重要技术还没有在AD HOC分析模型中被考虑。例如，在WMNS中的每个节点的多信道或多波通信应用。不过，有一个问题出现：对每一个网络节点，最优的信道或波段的数是多少？当另外一些新的先进的技术，像定向天线，MIMO系统等，被考虑采用的时候，新的分析模型也就应之而出了。
WMNS的层次设计以及设计中的问题

   WMN体系结构分为五层，包括物理层、MAC层、网络层、传输层和应用层五层。其各自所具有的特点与传统网络的ISO七层模型有所不同。具体各层的特点和有关的问题如下（这里只讨论最低两层：物理层与MAC层）：
物理层设计以及所面临的问题

取决于先进的物理层技术
快速更新的物理层技术像射频和电路技术，对无线通信技术的推动是革命性的。传统网络的物理层主要以有线为主，包括光纤、同轴电缆、双绞线为主。主要在信道上传输原始的比特流，并且传输带宽要受传输介质的制约。传输过程之中容易受到传输介质的状况的控制。无线网状网络的不同之处在于它将原始的比特流经过调制成为信号波，然后再经过扩频等处理，将信号以微波的形式发出，经过接受方天线接收，并进行与发送方相反的处理，将信号还原如解频、解调制并进行采样、量化、编码得工作。将信号还原为比特流信号。这也是大多数无线网络的运用的共同方式。而WMN网络又有不同之处，为了增大无线网络的容量，多种不同的高速有效的物理层技术被使用。无线网状网的核心是移动跳接式路由技术(Mobile Ad Hoc)，这是它能实现移动宽带的根本。在一些厂家的产品中还采用了QDMA (Quad Division Multiple Access，是频分多址、时分多址、码分多址、带有避免冲突的载波侦听多路存取协议的结合技术)专利技术，提高了它的频谱利用率和抗干扰特性。
      技术不断更新，新的技术标准不断推出，极大地推动了无线局域网的发展。下一代移动通信的关键技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线（Smart Antenna）、LDPC（奇偶校验码）、自适应技术和软件无线电SDR（Soft Defined Radio）等，开始应用到无线局域网中，提升了WLAN的性能。
      在WMN网络中，为了更进一步的增大容量和减少被信号衰减、延迟和信号拥塞所产生的损耗，多天线系统被利用于无线网络的传输之中。既可以一点对多天的进行传输。这样就解除了信号衰弱、延迟和信号拥塞所带来的损耗。WMN网络物理层技术的主要功能包括二个方面:有效频谱利用和较好的处理信号拥塞、信号衰弱和信号干扰。因此天线多样性和职能天线技术在WMNs网络中被应用。如果多天线存在于发送者和接受者，那么多天线系统也是一个多样性和同步传输存在的MIMO（多输入多数处系统）系统。如果多天线在发送者而接受者只有一个单独的天线，那么天线多样性和职能天线技术则不能被应用除非信道状态信息（CSI）时可用的。由此看来，发送者和接受之间的信号传输物理层的主要工作，而信号的传输中又会受到各种因素的制约，怎样利用信噪比传输信号是物理层主要问题。
物理层开发所面临的问题
在物理层所面临的问题是双重的：
首先，需要进一步改善传输速率和物理层技术的性能。在一个大的网络为了获得更高的传输速率需要一种比OFDM与UWB技术更先进的宽带传输机制。多天线系统已经研究很多看。然后，它的复杂性和高成本对于要被广泛普及的无线网状网来说仍然是不太实用的。在它能够被商业利用之前，仍旧有许多的问题要解决。
其次，为了更好的利用物理层提供的先进的技术特性，高层的协议，特别是MAC协议，需要仔细认真的设计。否则，物理层技术带来的种种优势会大打折扣。对于定向天线和智能天线，许多的MAC协议已经在AD HOC网络中被提出来。然后，对于多天线系统，一个高效的获得高传输速率的协议仍旧是必需的。在感知无线电方面，对于实际应用于WMNS网络，意义更为重大的研究成果也仍旧在研究当中。
MAC层设计以及所面临的问题
MAC层，又称介质访问控制层。由于几乎所有的无线网都以多路复用信道作为通信的基础。
MAC层的主要特点有：
（1）连接多跳网络；
（2）支持多点到多点通信；
（3）网络自组织结构；
（4）可移动性。

这些不同的方面必须被考虑到区设计一个可升级的MAC在WMN中，WMN的可测量性能够由MAC层的两种途径阐述。第一种：当在网络节点中应用单信道时，增强现有MAC协议或者应用新的MAC协议去增加端到段的吞吐量。第二种：允许在每个网络节点多道传输。
先比较无线网状网中的MAC协议与传统的无线网络的MAC协议的不同。如下：
1、无线mesh网络中的MAC层是针对于多跳通信的。传统的MAC协议只针对于单跳通信，多跳通信是由网络层协议来实现。这种设定使得协议的设计相对来说要简单，MAC和跳由协议都是透明的。然而，这种方法不能很好的在WMNs中运行，因为在一个节点进行的数据的传输和接收，不只单单与它附近的节点有关，而且与他相隔2跳或者是更多跳的节点也是相关的。这种在多跳无线网络中隐藏节点的问题就是一个很好的例子。
2、MAC层是分布式，协作式，为多点通信提供服务。在WMNs中没有集中的控制器是不行的。MAC层的功能就是完成这种分布式的方案。MAC协议保证了所有的节点在传输过程的协调性。另外，在mesh网络中的任何节点是可以与他的任何一个邻居节点相通信的。因此多点到多点通信的模式能够在这样的节点中建立起来。
3、网络的自组织需要MAC。MAC协议知道整个网络的拓扑，能够帮助邻居节点和多跳距离节点的更好的协作性。在一个多跳的环境中，这样能够显著的改善MAC层的性能。许多实例中，网络的自组织是基于优化的网络拓扑能源控制，邻居节点之间的最小的干扰，因此，这样改善了网络的整体性能。
4、移动性影响了MAC层的性能。动态移动性改变了网络的配置，因此，这样会严重的影响MAC协议的性能。为了更好的适应移动性，甚至来利用终端的移动性，网络节点需要互相交换网络的拓扑信息。
这些不同点，在设置一个可扩展的WMNs的MAC层时一定要被考虑到。MAC层能够以两种方式来表明WMNs的可测量性。第一种方式，加强MAC协议或者者是提出新的MAC协议来增大端到端的吞吐量，当网络中只有一个信道可用的时候。第二种方式，网络网络节点的多信道通信。下面介绍的就是，现在的单信道与多信道MAC协议的研究。自从IEEE802.11无线技术被广泛的应用到WMNs中，绝大多数的讨论研究也都是围绕IEEE802.11 MAC理论的，如CSMA/CA和RTS/CTS技术。

单信道MAC层
在这种案例下有三种方案协议：
1、改善现有的MAC协议
目前多跳自组网络中的几种MAC协议都已经被CSMA/CA协议所加强，这些机制通常用来调整CSMA/CA的参数值，例如滑动窗口的大小，修改传输时间机制的。他们能够改善单跳通信网络的吞吐量。然而，对于WMNs网络中的多跳网络来说，这样的解决方案仍旧是一个低性能的端到端的解决方案，因为它们不能显著地减少邻居节点之间的碰撞率。随着碰撞发生的越来越频繁，传输时间机制占用正长的时间，网络的整体性能会大大的降低。
2、利用先进物理层技术的跨层设计
   在此类中有两种高级的机制：基于定向天线的MAC和能源控制MAC。第一种机制消除了暴露节点性，如果天线波的传送假设很完美的话。然后由于定向的传输方式，许多隐藏的节点也会大大的增加。因此为解决这种情况新的解决方案一定要研发。此外，基于定向天线的MAC协议也面对着诸如，成本，系统复杂度，以及易操作定向天线的实用性等等的问题。第二种机制主要开发目的是为了减少能源的消耗。这些机制减少了暴露节点的问题，特别是在一个密集度相当高的网络当中，因此改善了WMNS中的频谱空间重新利用性。然而，隐藏节点问题仍旧存在，而且可能会变得更糟，因为低的传输功率会减小检测隐藏妨碍的可能性。
3、完全革新的MAC协议设计
为了从根本上解决在多跳网络中的端到端通信的低吞吐量状况，一个全新的MAC协议是很必需的。由多跳网络中的狭隘的可测量性所决定，如CSMA/CA，随机的访问协议并不是一个很有效的解决方法。因此重新设计基于TDMA或者是CDMA的MAC协议是一个新的重要的研究课题。到目前，不少的TDMA或CDMA的MAC协议被提出来。对于分布式的TDMA或CDMA的MAC协议来说，基于拓扑控制和能源控制的网络自组织性也是要被考虑进来的。
多信道MAC层

多道道的MAC层能够在不同的硬件平台上进行布署，同时这些硬件平台也影响了MAC层的设计问题。多信道的MAC层分为如下几类：
1、多信道单收发器的MAC(multi-Channel single-transceiver MAC)
如果成本和兼容性是首要考虑的问题。无线电通信的单接收器装置是一个很好的硬件平台。因为只有一个接收器是可用的，所有在每个网络节点中一次只能允许一个信道在使用。然而，为了改善系统的性能，不同的节点可能会同时用不同的信道来进行通信操作。在这种情况下为了调整好节点之间的传输性，像多波MAC协议和SSCH(the seed-sloted channel hopping)机制是需要的。其中SSCH机制实际上是一种虚拟的MAC协议，由于它工作在IEEE802.11MAC层的顶端，所以在IEEE802.11MAC层中并不需要被修改。
  2、多信道多收发器MAC(multi-channel multi-transceiver MAC)
  具有多个平行射频芯片（multiple parallel RF front-end chips）和基带处理模块（baseband processing modules）的无线电装置能够同时支持多个信道。在物理层的上层，只有MAC层来调整多信道传输的功能。然而怎样设计一个MAC协议来对这种物理平台实现高效效，仍旧是一个具有挑战性的研究课题。
3、多无线接收装置MAC(multi-radio MAC)
  每个网络节点对于自己的MAC和物理层具有多个无线电接收装置。这些装置之间的通信都是相互独立的。因此一个虚拟的MAC协议如MUP（multi-radio unification protocol）协议，来调整所有信道之间的通信是需要的。事实上，一个无线接收装置可以具有多个信道。然而，为了简单设计的应用起见，每个装置只能使用一个信道。
   MAC层所面临的问题

   大家都知道，在多跳网络中的可测量性问题到目前还没有得到解决。大多数现有的MAC协议都是基于CSMA/CA机制，但是只能解决部分的问题，但是同时又提出来了新的问题。因此，怎么从根本上改善CSMA/CA的可测量性是一个富有挑战性的课题。对于基于非CDMA/CA机制，基于TDMA和CDMA的机制已经在WMNs 中应用起来。当更为先进的物理层技术，如MIMO和感知无线电技术在物理层应用的时候，新颖的MAC协议也需要被提出来，来充分的利用物理层的先进技术。
由于WMNs网络和ad hoc网络的不同，在ad hoc网络中可行的MAC协议在WMNs中就不一定可行。在mesh网络中，网状路由器和客户端具有不同的特性，例如，移动性，能量消耗限制等。同样的分布式解决方法在网状路由器和客户端之间也是不可能都能够衽的。因此，为无线网状网设计的MAC协议一定要考虑不同节点类型的不同性。
Mesh网络中的网状路由器能够对各种不同的无线技术做出响应。因此，在MAC层中也一定要开发先进的桥接功能来实现不同的无线网络，如IEEE802.11,802.16,802.15等之间的协同工作。
为多收发器制定的多信道MAC协议还没有被完全的研究，可能是由于这样的装置的高成本性。然而，随着成本的降低，多信道多收发装置的MAC可能会是一个理想的mesh网络的解决方案。为了真正的获得频谱功效，多信道MAC协议包括单信道的MAC协议一定能从根本上解决这一问题。否则，每点上的信道吞吐量是很低的。怎么应用全新的单信道解决方案到一个多波或者是多信道系统会是另外的一项研究的项目。
现在大多数的在MAC层的研究成果都是关注于性能，吞吐量，和清晰透明性的。然而，mesh网络中的许多的应用需要支持宽带的多媒体通信，因此，开发一个具有多服务质量，例如，延迟，丢包率等的MAC协议仍旧是一个很重要的课题。
另外一个关于MAC的挑战就是协议的实施了。因为当MAC协议被修改的时候，不论是硬件还是软件都是息息相关的。
结束语

这篇论文是对无线网状网络作的一个小小的浅探，包括了网状网的定义，特性，与其它无线网络的比较，影响网络的临界因素等。而且对网络的最低两层：物理层和MAC层做了一些详细的探讨，和它们所面临的问题。综合种种来看，我认为，无线网状网既是无线局域网的延伸，又可以作为3G的补充，解决了接入网的瓶颈问题。相信WMNs的使用会给人们的通信带来更好的方便，真正能够实现处处有网络。WMN在战场、救灾等特殊领域有着不可替代的作用，同时在我们的日常公共通信服务中也有着巨大的应用潜力。因此无线网状网技术将给无线宽带领域带来重大变革。
参考文献：
  [1]Wireless Mesh Networks-A Survey  Received 1 June 2004; received in revised form 1 November 2004; accepted 20 December 2004
  [2] A Rate-Adaptive MAC Protocol for Multi-Hop
Wireless Networks Richard Draves Jitendra Padhye Brian Zill
[3] Routing in Multi-Radio, Multi-Hop Wireless Mesh Networks    Microsoft Research
[4]
www.chinaitlab.com

[5] Ad Hoc网络性能测试关键技术研究，来源：电子工程专辑作者：杨盘隆

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