A Survey on Wireless Mesh Networks
Abstract
Wireless mesh networks (WMNs) have emerged as a key technology for next-generation wireless networking. Because of their advantages over other wireless networks, WMNs are undergoing rapid progress and inspiring numerous applica-ions. However, many technical issues still exist in this field. In order to provide a better understanding of the research challenges of WMNs, this article presents a detailed investigation of current state-of-the-art protocols and algorithms for WMNs. Open research issues in all protocol layers are also discussed, with an objective to spark new research interests in this field.
Introduction
Wireless mesh networks (WMNs) are dynamically self-organized and self-configured, with the nodes in the network automatically establishing an ad hoc network and maintaining the mesh connectivity. WMNs are comprised of two types of nodes: mesh routers and mesh clients. Other than the routing capability for gateway/bridge functions as in a conventional wireless router, a mesh router contains additional routing functions to support mesh networking. Through multi-hop communications, the same coverage can be achieved by a mesh router with much lower transmission power. To further improve the flexibility of mesh networking, a mesh router is usually equipped with multiple wireless interfaces built on either the same or different wireless access technologies. In spite of all these differences, mesh and conventional wireless routers are usually built based on a similar hardware platform.
Mesh routers have minimal mobility and form the mesh backbone for mesh clients. Thus, although mesh clients can also work as a router for mesh networking, the hardware plat-form and software for them can be much simpler than those for mesh routers. For example, communication protocols for mesh clients can be light-weight, gateway or bridge functions do not exist in mesh clients, only a single wireless interface is needed in a mesh client, and so on.
In addition to mesh networking among mesh routers and mesh clients, the gateway/bridge functionalities in mesh routers enable the integration of WMNs with various other networks. Conventional nodes equipped with wireless network interface cards (NICs) can connect directly to WMNs through wireless mesh routers. Customers without wireless NICs can access WMNs by connecting to wireless mesh routers through, for example, Ethernet. Thus, WMNs will greatly help users to be always-on-line anywhere, anytime.
Consequently, instead of being another type of ad-hoc net-working, WMNs diversify the capabilities of ad-hoc networks. This feature brings many advantages to WMNs, such as low up-front cost, easy network maintenance, robustness, reliable service coverage, etc. Therefore, in addition to being widely accepted in the traditional application sectors of ad hoc net-works, WMNs are undergoing rapid commercialization in many other application scenarios such as broadband home net-working, community networking, building automation, high-speed metropolitan area networks, and enterprise networking.
To date, several companies have already realized the potential of this technology and offer wireless mesh networking products. A few test beds have been established in university research labs. However, for a WMN to be all it can be, considerable research efforts are still needed. For example, the available MAC and routing protocols are not scalable; throughput drops significantly as the number of nodes or hops in WMNs increases. Thus, existing protocols need to be enhanced or re-invented for WMNs. Researchers have started to revisit the protocol design of existing wireless networks, especially of IEEE 802.11 networks, ad hoc networks, and wireless sensor networks, from the perspective of wireless mesh networking. Industrial standards groups, such as IEEE 802.11, IEEE 802.15, and IEEE 802.16, are all actively work-ing on new specifications for WMNs.
In this article we present a survey of recent advances in protocols and algorithms for WMNs. Our aim is to provide a better understanding of research challenges of this emerging technology. The rest of this article is organized as follows. The network architectures of WMNs are first presented, with an objective to highlight the characteristics of WMNs and the critical factors influencing protocol design. A detailed study on recent advances of WMNs is then carried out, with an emphasis on open research issues. The article concludes with final remarks.
Network Architecture and Critical Design Factors
Network Architecture
The architecture of WMNs can be classified into three types:
Infrastructure/Backbone WMNs. In this architecture, mesh routers form an infrastructure for clients, as shown in Fig. 1, where dashed and solid lines indicate wireless and wired links, respectively. The WMN infrastructure/backbone can be built using various types of radio technologies, in addition to the mostly used IEEE 802.11 technologies. The mesh routers form a mesh of self-configuring, self-healing links among themselves. With gateway functionality, mesh routers can be connected to the Internet. This approach, also referred to as infrastructure meshing, provides a backbone for conventional clients and enables integration of WMNs with existing wireless networks, through gateway/bridge functionalities in mesh routers. Conventional clients with an Ethernet interface can be connected to mesh routers via Ethernet links. For conventional clients with the same radio technologies as mesh routers, they can directly communicate with mesh routers. If different radio technologies are used, clients must communicate with their base stations that have Ethernet connections to mesh routers.
Client WMNs. Client meshing provides peer-to-peer
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无线网状网（WMN）综述
摘要
无线网状网（WMNs）是下一代无线网络的一项关键技术。由于比其他无线网络具有 优势，WMNs 发展迅速并具有广泛的应用。但是这一领域仍然存在着许多技术问题。为了 便于更好的理解在WMNs中遇到的挑战，本文详细调查了当前WMNs的各种协议和算法。此外为了能启发这一领域新的研究思路，还讨论了各个协议层的开放性问题。
1 引言
无线网状网（WMNs）是一种动态自组织和自配置网络，网络中的所有节点自动建立 一个 ad hoc 网络并维护网络的连通性。WMNs 包含了两种类型的节点：网状路由器和网状客户端。网状路由器除了具有传统无线路由器所具有的网关/网桥功能外，还包括额外的路由功能以支持网状网。通过多跳通信，网状路由器可以以相对较低的发射功率实现相同的 覆盖范围。为了进一步提高网状网的灵活性，网状路由器通常具有以相同或不同无线接入技术实现的多个无线接口。尽管具有这些差异，网状路由器和传统的无线路由器通常是建立在相同的硬件平台上。
网状路由器具有最小的移动性，并形成骨干网供网状客户端接入。因此，尽管网状客户端也可以作为网状网的路由器来工作，但它们的硬件和软件平台要比网状路由器简单的多。例如，用于网状客户端的通信协议可以是轻分量的，网状客户端中并不存在网关或网桥的功能，而只需要单一的无线接口，等等。在网状网中除了网状路由器和网状客户端外，网状路由器中的网关/网桥功能可以使WMNs 与其他网络集成。传统的具有无线接口卡（NICs）的节点可以直接通过 网状路由器接入到WMNs。没有无线NICs的客户端可以通过以太网等来连接到 网状 路由器以接入WMNs。因此，WMNs将极大的有助于用户随时随地保持在线。因此，WMNs并不是另一种形式的ad-hoc网络，而是ad-hoc网络功能的扩展。这就为WMNs 带来了很多的优点，例如低连接成本，简单的网络维护，健壮性，可靠的服务覆盖， 等等。故而，WMNs 除了被传统的 ad-hoc 网络应用方面所广泛接受外，还在其他许多应用中被快速商业化，如宽带家庭网络，社区网络，建筑物自动控制，高速城域网以及企业网等。
到目前为止，一些公司已经实现了这一技术并提供无线 网状 网产品。在一些大学的研 究实验室里已经建立了测试床。但是，要使WMN尽可能完善，还需要大量的研究工作。 例如，已有的MAC和路由协议还不适用于大规模网络；随着网络节点数目以及通信跳数的 增多，网络吞吐量显著下降。因此，需要加强WMN中现有的协议或重新设计新的协议。
有些学者已经开始从无线 网状 网的角度重新研究已有的无线网络的协议设计，特别是 IEEE802.11网络，ad hoc网络，以及无线传感器网络。工业标准小组， 像IEEE802.11,IEEE802.15 以及 IEEE802.16，正在积极的为WMNs定制新的规范。
本文介绍了WMNs中协议和算法研究的最新进展，目的在对这一技术中的研究挑战提 供一个更好的理解。本文的其余部分组织如下：首先介绍WMNs的新的体系结构，意在强调WMNs的特点及影响协议设计的关键因素。然后详细的介绍了WMNs最新进展方面的研 究，重点指出了开放研究问题，最后则是对全文的总结。
2网络体系结构及关键设计因素
2.1网络结构
WMNs的网络结构可以被分为三类：
基础设施/骨干WMNs。在这种结构中，网状路由器为客户端形成一个基础设施网，如图1所示，其中虚线和实线分别表示无线和有线链路。除了通常所采用的 IEEE802.11技术外，WMN 基础设施/骨干网还可以通过多种类型的无线电技术来搭建。网状路由器之间形成一个具有自配置自愈链路的网状网。通过使用网关功能，网状路由器可以连接到 Interne上。这种方法也被叫做“基础设施 网状化”，为传统的客户端提供一个骨干网，并通过网关/网桥的功能使得WMNs可以与其他现有网络进行集成。带有以太网接口的传统客户端可以通过一条链路连接到 网状 路由器。对于与网状路由器采用相同无线电技术的传统客户 端，它们可以直接和网状路由器通信。如果两者采用的是不同的无线电技术，则客户端必须与基站通信，基站再通过以太网连接到网状路由器。
客户端WMNs。客户端网状化提供了客户端设备间的一种对等网络。在这种类型的结构中，客户端节点组成实际的网络，实现路由和配置功能，同时为客户提供终端用户应用。因此，网状路由器在这类网络中并不是必需的。客户端WMNs通常在终端设备上采用同一种无线电技术来组网，因此客户端WMN通常与传统的ad hoc网络相同。但是，由于终端用户必须实现额外的功能如路由和自配置，与基础设施网状化相比，客户端WMNs提高了对终端用户设备的要求。
混合WMNs。这类结构结合了基础设施和客户端网状化，如图2所示。网状客户端既可以直接通过与其他网状客户端的网状连接直接接入网络，也可以通过网状路由器接入网络。混WMNs 中的基础设施网提供了到其他网络的连接，例如Internet，Wi-Fi，WiMAX,蜂窝网，以及传感器网络等，而客户端所具有的路由能力则提高了WMNs中的覆盖性和连通性。由于混合结构包含了WMNs的所有优点，因此下面提到的WMNs指的是混合结构的WMNs，其主要特点如下：
WMNs支持ad hoc网络，并且具备自形成，自愈和自组织能力。
WMNs是多跳的无线网络，但是需要通过 网状 路由器提供基础设备/骨干网。
网状路由器具有较小的移动性，主要实现路由和自配置功能，可以有效减少网络客户端和其他端节点的负担。
通过基础设施可以较容易的提供端节点的移动性支持。
网状路由器集成了不同类型的网络，包括有线和无线网络。因此，多种类型的网络接入共存于WMNs。
网状路由器和网状客户端的功率消耗约束不同。
WMNs并不是独立存在的，需要与其他无线网络兼容，并能互操作。
因此，WMNs 是 ad hoc 网络功能的扩展，而不仅仅是另一种类型的 ad hoc 网络。这些 额外的功能使得为实现 WMNs，有必要研究新的算法和设计原则。
2.2 关键设计因素
影响WMNs性能的关键因素可以归纳如下：
无线电技术。近年来已经提出了许多方法用来提高无线系统的容量和灵活性。典型的方 法包括定向天线和智能天线，多输入多输出（MIMO）系统，以及多天线/多信道系统。
为了进一步提高无线电技术的性能并通过上层协议对其进行控制，更先进的无线电技术 被用于无线通信，例如可重配置无线电技术、频率灵敏/感知无线电技术、软件无线电技术等。尽管这些技术仍然处于初级研究阶段，但是由于其具有的动态控制能力，有望成为无线 网络将来的平台。这些先进的无线电技术都要求高层协议设计的创新，尤其是 MAC 和路由层协议。
可扩展性。可扩展性是 WMNs 中的一个关键要求。如果不支持这种特性，网络性能将会随着网络大小的增加而显著下降。比如，路由协议将没有能力找到一个可达的路径，传输 层协议可能会释放连接，MAC协议可能遭受吞吐量的显著下降。为了保证WMNs的可扩展 性，所有从 MAC 层到应用层的协议都需要具有可扩展性。
网状连通性。WMNs的许多优点都是源于WMNs具有的网状连通性。为了保证可靠的网状连通性，需要采用网络自组织和拓扑控制算法。拓扑感知MAC协议和路由协议可以有效提高WMNs的性能。
带宽和QoS。不同于传统的ad hoc网络，WMNs的大多数应用都是具有不同Qos 要求的宽带服务。因此，除了端到端的传输延迟和公平性以外，通信协议还需要考虑更多的性能 指标，如延迟抖动、总吞吐量和每个节点的吞吐量，以及丢包率。
安全性。尽管近年来已经提出了许多用于无线局域网的安全机制，但是它们不能完全被 应用于WMNs。例如，由于WMN的分布式系统结构，没有一个集中的认证机构用来分发WMN中的公钥。现有的针对ad hoc网络的安全机制可以用于WMNs。然而，大多数用于ad hoc网络的安全方案都没有成熟到可以在实践中实现。此外，WMNs和ad hoc所具有的不同体系结构通常使得适用于ad hoc网络的方案在WMNs中无效。
易用性。协议的设计必须使得网络能够尽可能的自治。此外，还需要开发网络管理工具 以有效的维护WMNs的运转，监视网络性能以及配置网络参数。这些工具与网络协议的自制机制相结合，能够快速配置WMNs。
兼容性和互操作性。WMN要求具备的一个特性就是同时支持传统客户端和网状客户端的网络接入。因此，WMNs 需要后向兼容传统客户端节点。这就要求网状路由器必须具备集成不同网络的能力。
3 进展及研究挑战
WMNs的特点及关键设计因素为通信协议的设计带来了许多的挑战，其中通信协议包 括从物理层到应用层的各层。尽管WMNs的研究和发展在近几年取得了一些进展，但仍然存在着许多挑战：理论上的网络容量仍然未知，各个层的协议还需要进行改进，网络管理需要设计新的机制，以及网络安全依然有待提高。
3.1 网络容量
到目前为止，已经调查了许多针对ad hoc网络容量的研究工作。考虑到WMNs和ad hoc网络的相似性，可以利用调查结果来研究 WMNs 的容量。
文献中提出ad hoc网络容量的下限和上限范围，该文提出了一种重要的思路作为提 高ad hoc容量的方法：节点只需要与邻居节点通信。为了实现这一思路，该文提出了两种主要的机制：
通过配置中继节点来增加吞吐量。
节点需要分组成不同的簇。
也就是说，节点与其他非邻居节点的通信必须通过中继节点或者簇。然而，考虑到分布 式系统例如ad hoc或WMNs，节点的分簇或中继节点的分配是一个具有挑战性的问题。
文献[2]中提出了一种通过利用节点移动性来增加ad hoc网络容量的机制。源节点只有在目的节点靠近它的时候才发送数据给目的节点。因此，利用节点的移动性，节点仅仅只与它的邻居节点通信。但是这种机制具有一个局限性：传输延迟相当大，且节点需要的缓存可能变得无穷大。 文献[1,2]中的分析方法有效的促进了对无线网络容量的研究进程。这些方法的一个局限在于没有适当的考虑网络协议。不同的媒体访问控制，功率控制以及路由协议对无线网络容 量具有重要的影响作用。但是，在[1,2]的分析方法中，仅仅只是提出了非常单一的模型。
文献中所分析的方法的另一个局限在于，理论上的容量范围是基于渐进的分析。这些结果不能揭示一个给定节点数量的网络的精确容量，尤其当网络中的节点数目很小的时候。这是由于在渐进的分析中，网络大小或者节点密度并不匹配WMNs中实际的数值。无论一个WMN如何配置，网络大小和节点密度都不可能是无穷大的。此外，由于WMNs和ad hoc网络的差异，针对ad hoc的分析结果并不能被直接应用于WMNs。因此，需要针对WMNs的新的分析结果。
3.2分层的通信协议
3.2.1物理层
先进的物理层技术。一些先进的物理层技术已经被用于WMNs。现有WMNs的无线电技术通过结合不同的调制和编码速率，可以支持多种发射速率。在这些方式下，可以通过链 路的适应性来提供自适应错误恢复。正交频分复用（OFDM）技术及超带宽技术等机制可以被用来支持高速率的数据发射。为了进一步增加容量及减轻衰退、延迟传播及多信道冲突造 成的损害，提出了多天线系统例如天线多样性，智能天线以及多输入多输出（MIMO）系统等用于无线通信的技术。尽管这些物理层技术同样需要于其他无线网络，但是要把这些技术 用于WMNs是一个更具挑战的问题。例如，在多个节点间进行网状组网使得系统模型比 传统的无线局域网中的MIMO系统或蜂窝网更加复杂。
为了实现 WMNs 中更好的频谱利用和可行的频率规划，正在开发灵活的频率或有感知 的无线电技术，以动态的获取还未使用的频带。FCC 已经认可了这一有前景的技术并且迫切的促进它的详尽实现。在软件无线电平台上实现有感知的无线电技术是最有力的解决方案之一，因为无线电的所有组成部分，例如射频带宽，信道接入方式及信道调制都是可以编程实现的。尽管物理上的测试床已经可用，软件无线电平台目前还并不是一个成熟的技术。不过，从长远来看，它将是无线通信的一项关键技术，因为它能够使所有先进的物理层技术可编程实现。
开放的研究问题。物理层的开放性问题包括两部分：
需要进一步提高发射速率以及物理层技术的性能。需要除了OFDM或UWB以外的新的宽带发射机制，以实现大规模网络中较高的发射速率。多天线系统已经在几年前被提了出来。但是，它们的复杂性及开销过高而无法被广泛的接受用于商业化。 频率-灵活技术仍然处于研究的早期阶段，在它们能被接受用于商业化使用前还有大量的研究工作等着完成。
为了最充分的利用物理层提供的先进特性，高层协议，尤其是MAC层协议需要与物理层协议进行交互。因此，物理层的一些组建需要进行特定的设计，使得高层可以访问和控制它们。这就使得硬件设计更具挑战，并且促使低成本的软件无线电技 术的创新。
3.2.2MAC 层
WMNs 中的 MAC 层不同于传统的无线网络中的 MAC 层：
WMNs 中的 MAC 与多跳通信相关。
MAC 是分布式的，需要相互协作，实现多对多的通信。
需要采用网络自组织的方式在邻居节点和距离为多跳的节点间进行更好的协作。
移动性较低，但是仍然影响 MAC 的性能。
WMNs 中的 MAC 协议可以被设计成作用于单一信道或同时作用于多个信道。
单信道的 MAC。在 WMNs 中通常可以采用三种方法来设计单信道的 MAC 协议。 修改已有的 MAC 协议。比如说，在 IEEE802.11网状 网中，可以通过调整 CSMA/CA参数来进行改进 MAC 协议，例如竞争窗口的大小以及后台程序的修改。不过，这种解决方法仅能达到较低的端到端吞吐量，因为它并不能有效的减少
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