WiFi-Mesh无线自组网系统关键技术综述

第27卷暋第2期装暋备暋学暋院暋学暋报

JournalofEuimentAcademqpyAril暋2016p

Vol.27暋No灡2

WiFi灢Mesh无线自组网系统关键技术综述

()装备学院信息装备系,北京101416

刘作学,暋代健美

暋暋摘暋暋暋要暋WiFiMesh无线自组网系统是基于802.11协议和无线路由协议灢

实现的一类自组织网络系统的统称。按照分层的方法对系统的多天线技术、多载波调制技术、媒体接入控制机制和路由算法等关键技术进行了分析和讨论,对多天线条件下信道状态信息的获取技术、正交频分复用条件下的降低峰均比技术、载波侦听多址接入/冲突避免和时分多址的改进机制,以及混合无线Mesh协议和最佳移动网络路由协议的研究现状、难点和未来改进方向进行了重点阐述,对可能用于WiFiMesh灢无线自组网系统的新技术进行了展望。

关暋键暋词暋信道状态信息;峰均比;载波侦听多址接入/冲突避免;时分多址;中图分类号暋TP393.0文献标志码暋A

/DOI暋10.3783.issn.2095灢3828.2016.02.021j()文章编号暋2095灢3828201602灢0095灢07

路由协议

ComrehensiveStudnKeechnoloiesofWiFi灢MeshWirelessNetworkpyoyTg

(,,)DeartmentofInformationEuimentEuimentAcademBeiin01416,Chinapqpqpyjg1

,LIUZuoxue暋DAIJianmei

),fchannelstateinformation(CSIinmultiantennalconditioneaktoaveraepowerratioreducgyopg灢灢

,/inechniueinorthoonalfreuencivisionmultilexinOFDM)carriersensemultileaccessgtqgqydpg(p,collisionavoidance,imrovementmechanismoftimedivisionmultileaccess(TDMA)hbridwireppy灢

,lessMeshprotocolandotimizedmobilenetworkroutinrotocol.IntheendthepaershowsthepgppoutlookofthenewtechnoloieswhichmaeusedforWiFiMeshwirelessadhocnetworksstem.gyby灢灢);;Kewords暋channelstateinformation(CSIeaktoaveraepowerratio(PAPR)carriersensepgy

//;;multileaccesscollisionavoidance(CSMACA)timedivisionmultileaccess(TDMA)routinppg

controlmechanism,routinlorithmandsomeotherketechnoloiesforthesstemandputspriorigagygy灢

,tnthestatusquochallenesandfuturedevelomentdirectiononinformationacuisitiontechnoloyogpq灢

Abstract暋WiFiMeshwirelessnetworkisacollectivenameforateofadhocnetworksstemsypy灢灢

basedon802.11protocolandwirelessroutinrotocol.Withalaeredaroach,thepaermakesagpyppp灢

,m,mnalsisanddiscussiononthemultiantennaltechnoloulticarriertechnoloediaaccessedygygy灢灢灢

rotocolp

既具有a暋暋WiFiMesh无线自组网系统,dhoc灢

网络自组织、自愈、自管理和多跳中继的特性,又具有W接入简单、容易实现等特iFi网络带宽高、点,在飞行器组网、车联网、智慧城市构建、抢险救灾应急通信、战场战术分队组网等方面有着广阔

的应用空间。目前,国内外已经研发了一些实用的W如美国siFiMesh产品(trix公司系列产灢

,品)装备学院自主研发的“无线Mesh自组网系统暠已经在多个野战、试验基地,以及多次通信保障任务中使用,取得了良好的应用效果。随

暋收稿日期暋2015灢12灢08

,男,教授,主要研究方向为军事无线通信技术。暋作者简介暋刘作学(1962-)lzx626@sohu.com

96装暋备暋学暋院暋学暋报暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋2016年暋

着信息技术的不断发展,以及无线自组网用户数和大容量高速业务的持续增加,人们对WiFi灢

如何使其具有Mesh自组网提出了更高的要求,更快的传输速度、更大的系统接入能力、更高的频谱效率以及更强的无线信道抗干扰能力,还需要进行大量、深入的研究。

WiFiMesh无线自组网系统的关键技术主灢

要包括遵循802.11标准的物理层(PhsicalLayy灢

用信干比反馈和功率最优分配策略,间接获取也达到了提升系统性能的目的。尽管CSI信息,

该算法仅考虑了传统无线局域网接入点(多天线)与客户端(单天线)的通信过程,但其思想完全可用于多天线Mesh节点间的通信。1.2暋OFDM的抗PAPR技术

,技术和媒体访问控制(erPHY)MediaAccess

,技术,以及网络路由技术等,本文ControlMAC)将一个宽的带宽分割成多个紧密相form,IFFT)

、邻(甚至部分重合)相互正交的子载波,有效提升该技术利用OFDM是一种多载波调制技术,

快速傅里叶反变换(InverseFastFourierTrans灢

将对上述三方面关键技术的研究现状及难点、改进方向和应用策略等进行分析和阐述,为Me暋sh无线自组网系统的后续研究提供参考W。iFi灢

物理层技术

802.11的物理层技术经历了从单载波直接序列扩频(DirectSeu(iSvSisSio)n到M正ul交tip频lex分in复qg

,用eOF(nOceDrMthS)opreadSp

ectrum,、g二进制相移键控onalFrequency

幅Bi度nar调y制Pha(sQeSuadhrifatKtureeyiAng

mp

,lBitPuSdKe)M到o高dul阶ati正on交,MAM)、单天线到多输入输出(Multi较调制效率已接近理论极限ultipleOutput,MIMO)天线的发展过程pleI的调制技术,多天线技术和M,nI相比p

utMO

.1暋MIMO多天线的OFDM技术还有很大的发展空间。

CSI获取技术

MIMO多天线技术是在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,通过增加收发天线数提高系统容量的下一代移动通信核心技术。由于能

有效提高系统的频谱利用率和功率效率,02.11n和802.11ac标准相继完整引入了单用户

MMIIMO通信技术和多用户MOMIMO(自,一直是MMUMIIMO灢MI提MO出)

以通信技术来,MO研究的焦C点SI。Multi灢user的有效获取问题和难点,也是制约M0I2MO使用性能的重要因素。.11ac标准使用“基于接收端有限反802.11n和馈I暠E的E方E法获取信道状态信息,该方法与文献[都是基于信号处理直接获取1灢3]

相似,精度和准确度受输入参数和环境影响明显CSI信息的思路,其。在现有机制下,发送节点(如Mesh节点或Mesh接入点)并不能获知各用户信道是否有波动,即无法精确快速获取CSI信息,从而无法通过发送端的预编码来减小或者消除用户间的干扰,难以满足现实需要;文献[4

]给出了另一种解决思路,通过利了频谱利用效率;利用串并变换将高速的信息流变换成多路低速的数据流,有效提高了抗频率选择性衰落的能力。基于抗干扰能力上的优势,列标准将8OFDM/在频//率利/用率和

在802O02.11agnacad等系.F1D1M作为必选的另一物理层关键技术。系统中,从12.5kHz

子O载FD波M子载波的频率隔设定为3,间数根据带宽的不同其中数据子载波最高达52个(802.11a/g)到484个(802.11ac)不等,的结合,大幅度提升了46数8个,据传O输FD速M与率。M但IMO

是,O较高的容易引起器件的非线性失真FDM普遍存在PAPR高的问题,,降低功放效率P,A从而PR造成频谱“外泄暠和子载波间的干扰,造成系统的误码性能下降,缩短电池的工作时间O。FDM降低括信号畸变类技

术、概率类技术和混合类技术PAPR的技术主要包。

)信号畸变技术[5灢6]

提出的1“限幅+扩幅暠组合方法。典,型该方法通过设置

的有,文献[7]适当的波峰和波谷阈值来改善PAPR性能,这类方法具有实现过程简单、降低特点,但会产生带内畸变和带外扩展PAPR效果明显的;文献[计了一种联合抑制PAPR算法,该算法通过对信8]设号进行编码来降低计算复杂度非常高,P编解码比较复杂APR,不会产生限幅噪声,而且信息速,但率降低很快,只适用于子载波数比较少的情况。

空频2)分概组率码类技(SS术pac。e灢

典fre型qu的en有cy,利Bl用ockAlaCmodoeusti

,选择映射法FBC)

固有的冗余性而提出的不需传输边信息的(用交织、时域备选技术的SelectiveMa“p半盲ping

级寻优的改进部分传输序列法S,S(PLLaMM方法)方法[9

]暠[10

],rtialTrans,利m多itIS的部分Feq

FuTen次数的ce,PTS[1]

“基)于方时法1域子,以块及信能号够部大分幅循度环减移少位传输序列算法暠(mitSeq

uence,MPTS)[12]M等od方ifi法edP,其ar思tia路lT是r通ans过灢

1DDQ188等:暋第2期暋暋暋暋暋暋暋暋暋刘作学,WiFiMesh无线自组网系统关键技术综述灢

破坏子载波相位之间的相关性来降低高OFDM

信号幅值出现的概率,具有较好的降PAPR性但实现复杂度仍然较大。

2.2暋基于802.11的TDMA改进技术

97

能,改进算法相对于经典算法的计算量有所减少,)混合类技术是上述方法的联合,包括信号3

畸变类和概率类的联合、限幅类和编码类的联合,

13]

,以及概率类与编码类的联合等[目前相关成果

[1]

率先证明了TMoraes等2DMA用于

[2]

、公路链状802.11系统的可行性,ROSALNet2

]2324]、网[点对点长距离系统[等应用进一步证明,

/相比较C基于TSMACA机制,DMA的WiFi灢

抖动和Mesh无线自组网系统具有更好的延时、健壮性,传输距离更远,对移动性支持更好。TD灢MA的实现难点是同步精度难以保证,Dukicj

]25

等[提出了基于软件的TDMAMAC协议

不多。

2暋MAC层技术

(,该协议通过锁相环实现了节点SoftTDMAC)灢

现,这种机制在高负荷的网络中会产生大量的节

802.11的MAC层基于CSMA/CA机制实

点碰撞,导致不公平、不可预测和不稳定[14

]问题,

很多文献从改进CSMA/CA性能的角度进行了

研究;但该协议不能从根本上解决冲突问题,而将DMA机制引入802.11协议,可以达到保证信息数据的无冲突传输,并使系统适于室外长距离、多跳传输的目的。

.1暋CSMA/CA机制的公平性改善技术

1成功传输后禁止竞争窗口复位到最小值来提高吞1)竞争窗口调节法[5]

。这种方法通过每次吐量,但没有考虑短期的公平性,使某些节点由于经历连续的碰撞而被迫处于长时间的退避阶段,造成传输速率更低。

竞争者2

)(竞争参数调整法[16]

用户)的数量并调整竞争参数来提高吞吐。这种方法通过估计

量并兼顾公平性,但复杂度大幅提高,而且当出现信道错误时,会使估计结果的准确性大大降低。避机制改为确定性退避来实现近似无碰撞传输3

)确定性退避法。这类方法通过将随机退,从而提高系统的吞吐量,文献[具有碰撞避免增强功能的确定17性灢18退]避提出了一种方法(MACS灢

问题/E,也考虑了多跳特性CA);文献[19]在此,但存在系统用户数不能基础上考虑了公平性超过确定性退避值的;文献[确定性退避的方法,通过修改20]提出了迟滞纳用户数的增加,结C合SMA公平/E分C享A实现

了系统容(hare

fair灢

目前)策略,有些方法已经进行了软硬件实现,进一步保证了长期的公平性。,下一步有望被是,上述方法主要考虑了802.11标准协议接纳。但需要注意的和公平性问题,并没有突破CSMA/CA的退避机制

制,无法从根本上解决数据碰撞的问题CSMA/CA本身的限,在大容量用户情况下提升吞吐量的能力有限。

的两两同步,然后通过建立基于最小跳数的全网同步树,实现了全网的紧同步,降低了全网的同步错误,提高了同步精度和分配效率,但可靠性不高;文献[26]讨论了LiT灢MAC的原理和具体实现问题,该方法能够提高时间同步的可靠性,并兼顾了多信道、长距离传输等问题,但需要统一的集中管理器进行时间调度,抗干扰性不足。上述改进思路主要是对灵活性低等D问MA8题,,02.如果仍11协议进行修改以支持高同步精度T但基存于在软互件相定无义法网兼络容(、S系of统wareDefinedNet,思想,在不改变t灢

原有架构的基础上叠加一个统一的控制层来实现

灢

workingSDN)tTDMA精度ocol,,P,再利用精准时间协议将大幅提高系统的通用性TP)和一些新技术实(现PreciseTimePro灢

,微促进多网融合秒量级的定时。2.3暋CSMA/TDMA结合技术将CSMA和TDMA结合使用是另一种研究思路,这种方法是对实现复杂度和性能的折中考虑,比较适合节点数量不多的多跳网络。等[27

]T(提出了基于Say

adines方案hotS,该方案将时间帧分为lotTDTMADMA的单触发时隙预留O灢basedR2es种子帧ervatio,n一种是,OS灢

遵循R)

帧,主要完成控制命令等数据量较少的短报文传CSMA/CA信道接入方案的CONTROL子输;另一种是按照固定调度的方式进行接入的D案既ATA子帧,

主要完成业务数据的传输。这种方利用TDMA实现了固定时隙分配,

又利用C加了系统带宽SMA实现了全网节点时隙的动态按需分配,增,比较适合多跳传输的应用场景,但该算法并没有考虑业务的服务质量(Se,)问题。文献[]也利用确定性退避Qualityo

f的方法结合rviceQoSTDMA固定时隙调度思想提出了一28

种不间断无冲突MAC自适应算法,

在无需考虑流量类型和终端数量的情况下能保证无碰撞的数据传输。

T2s98装暋备暋学暋院暋学暋报暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋暋2016年暋

3暋网络路由技术

网络路由技术是实现WiFiMesh无线自组灢网系统多跳、自组织特性的决定性技术,目前的路由协议主要有基于网络层设计的三层路由协议和基于链路层设计的二层路由协议2类。相比较三层路由协议,二层路由协议不需要在用户空间和内核空间频繁地进行数据读取、写入和交换,可极大地降低数据包处理开销,并实现对网络层的透29]

。其中最有明性,大大提高了协议的可扩展性[

动而引起的边界效应并补偿不稳定性的目的,非国外很多学者对这种路由算法的实用性进行了测

39灢41]

,试[并与一些开源的路由协议进行了对比分

[8]

。常适用于传输质量不稳定的WiFiMesh网络3灢

析,证明该算法在丢包率、延迟、网络的吞吐量等方面具有很好的表现,与HWMP相比,具有更优

42灢43]

。但这种路由协议还存在网络拓的稳定性[

44灢45]

,扑变化后,收敛速度慢的问题[可以从以下

几个方面进行改进:

)探测包(,发送1OriinatorMessaeOGM)gg

代表性的(二层路由协议是混合无线最H佳y

br移id动W网ire络les路sM由e协shP议r(oBtoetctoelr,HWMMesApp

roPhac)协议

[30

]和MobileAdhocNetworkin,BhToMA.1暋N灢HWMadv

)灢[31]路由协议。gAdvancedAT灢

P路由协议及其改进技术

WiFiHWMMeshP协议是网络开发制定的综合路802.11s工作组专门为由协议,该协议结合了反应式路由协议和基于树状拓扑的先验灢

式路由协议的优点,能较好地适应无线Mesh网络。当前的改进思路主要是通过增加不同的路由

判据(来实现性能的优化:基于预留的通过在路由请求和转发包中引入Reservation灢

basedHWMP,R灢HWMRSpePc)HWM和协T议[3P

2]

字段,提高了端到端的服务质量(Sp

ec议T[3X路由协议[33]5]分别通过引、Q入灢HWM期望传P[34]

和QoS输数量HWM);HWM(ExP+P协灢

p

ected和吞吐量等ransmission路c由ou判nt据,E,T降X低)

、了时延特性时延和丢、链路包率质;aE量l灢

ihmir等[36]

将链路消亡时间(e,LET)引入路由判据,利用LiLnEkTE决xpi定ra链tio路

n的稳定性,提高了移动性适应能力。此外,能量有

效的

HWM3P](energy灢

efficientHWMP,判据HWM,提高了能量有效性P)

协议[7

通过将节点剩余能量作为路由。上述改进协议能够在一定程度上提高等性能,但与传统的协议一样QoS、时延、吞吐量,它们都缺乏有效的、能量有效性拥塞控制策略,也没有充分考虑负载均衡的问题,当网络中有大量数据需传输时,将产生网络根节点流量过载的情况。

.2暋BATMAN灢adv路由协议及其改进技术

人工智BA能TMA(N灢adv协议是一种新的议。基本思路是通过整个网络的所有节点共同维collectiveintelligence)引入了综合思想的路由协护网络拓扑信息,来达到更好地对抗由于网络波

间隔优化。协议默认设置的OGM发送间隔是

是会降低,缩小发送2个间终隔端能的够带加宽快。路研径究发发现现的,当时间,但发送间隔设置为和带宽的平衡。

0.2s[4

6]时,能够取得收敛O速GM

度开始工作时2

)滑动窗口机制优化,由于尚未收到任何本地邻居节点传。研究发现,当节点刚来的完成赋值初始化工作OGM报文,本节点记录的最新序列号尚未,因此当收到计算收到的OGM报文与节点记录的最新序列号OGM报文时,

的差值将产生超出窗口范围的错误,从而引发滑动窗口复位,进入保护周期,丢弃。文献[OGM报文,路

由收敛速度降低负责检查节点的本地邻居列表的开关47]在代码中增加了一个,当本地邻居列表为空时,关闭窗口保护机制;当存在新的邻居时,再打开窗口保护,避免了源节点列表更新的延迟,提高了路由的收敛速度。

算方式3)优链路传输质量化。通过改进(Tr本an地smitQuality

,TQ)计局速感知TQ的计算方法4

49]

,从而达到快速切换,可实现对路径TQ、传输、提升路由收敛速度的变TQ和全

[8灢化的快目的。

此外,改进信号强度、改进消息处理机制也可以对路由收敛速度进行优化。

暋WiFi灢Mesh系统关键技术展望

技术W、MAiFi灢

Mesh系统性能的提升需要从物理层C层技术和网络路由技术等多方面进行优化和改进。由上述分析可以看出:

1)MIMO和OFDM技术将得到更快发展。除了解决MIMO性能CSI的有效获取问题,

为了进一步提升,

在有效解决因收发天线数量增加所带来的收发机波束矩阵计算复杂度问题,以及因天线数量和移动用户终端节点增加所带来的能量

消耗问题的前提下[50灢51

],综合考虑更多天线带来

31s

ETtTe34的体积、重量增加问题,将贝尔实验室科学家Ma灢

[52]

rzetta提出的大规模MIMO(MassiveMIMO)灢技术引入系统具有很大的可行性。解决OFDM的P针对能量APR问题需要考虑应用环境特点:有效性要求高而数据带宽要求相对低的军事战术通信场合,利用信号畸变技术降低PAPR具有较大的可行性和合理性;随着处理器运算能力的大幅度提升,运用联合类算法将是降低P保证APR、系统性能的可靠手段。

等:暋第2期暋暋暋暋暋暋暋暋暋刘作学,WiFiMesh无线自组网系统关键技术综述灢99

链路状态下信息传输的鲁棒性。

需要说明的是,安全性技术也是WiFiMesh灢

无线自组网系统的关键技术之一,限于篇幅和研究方向,本文对此并未涉及。

)参考文献暋(References

[1]SAMARDZIJAD,MANDAYAMN.Pilotassistedestima灢

tionofMIMOfadinhannelresonseandachievabledatagcp[],ratesJ.IEEETransactionsonSinalProcessin2003,51gg2)CSMA和TDMA各有优势。在负载较小、传输距离较近、实时性要求不高的情况下,可

通过优化统的使用需求CSMA满足,并保证系统的通用性和可扩展性WiFi灢

Mesh无线自组网系;在负载较多、传输距离较远、实时性要求高的场合,引入TDMA的性能优势更加明显,但要考虑实现的复杂度和同步精度问题;对于节点数不多的多跳网络,CSMA/TDMA的组合方式在一定程度上能够取得实现复杂度和系统性能的平衡。

从目前情3

)二况层看路,由尽协管议HWM是未P来是系8统02应.1用1s的的首标选准。路由协议,人们对其进行了广泛的研究,但其实际使用性能较弱、稳定性不高,距离实际部署及应用差距较大;而对于目前已发布2015.1release版的开源BAT思MA想N和灢a得益于其轻量化、跨基dv协议,平台的设计于统计方法的路由查找策略,在对收敛速度进行根本性优化的前提下,其发展空间更加广阔,是非常值得关注的一种实用路由协议。

暋结束语

随着信息科技的不断进步,包括蜂窝通信系统、宽带无线接入系统在内的多种无线网络发展迅猛,上述关键技术性能的提高,将使基于的展。Wi未Fi灢Mesh无线自组网系统继续得以8长02足.1发1来,通过引入新技术,还将使无线自组网系统性能得到更大程度的提高WiFi灢。Me如sh,

引入协作通信技术,通过为系统提供“用户合作分

集暠[53]实现无线资源(信道容量优化和频谱共享)

的高效管理;引入认知无线电技术,通过使系统快速识别和调整可用频率而大幅度提升频谱利用效

率;引入内容缓存技术[灢55]

数据有效降低因链路异常中断,通,过而导致消息丢失动态缓存重要

的概率;引入延时容忍网络(w技[56

]DelayTolerantNet灢

议对端到端的链路变化进行预估ork,DTN)

术,通过某种存,储也可实现波动

感知路由协[2]tMA(11nerisR):tiZ2cE88sT2foT灢2rAhiTL0.

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