隨著人們對網絡通信需求的不斷提高，人們希望不論何時、何地、與何人都能夠進行快速、準確的通信，為了提高工作效率，并且克服現有通信系統(tǒng)的缺點，達到通信的“無所不在”，近，人們提出了一種新型的寬帶無線網絡結構無線網格網（WMN）。

　　WMN是移動Ad Hoc網絡的一種特殊形態(tài)，它的早期研究均源于移動Ad Hoc網絡的研究與開發(fā)。它是一種高容量高速率的分布式網絡，不同于傳統(tǒng)的無線網絡，可以看成是一種WLAN和Ad Hoc網絡的融合，且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，作為一種可以解決“一公里”瓶頸問題的新型網絡結構。WMN被寫入了IEEE802.16（即World Interoperability for Microwave Access，WiMax）無線城域網（Wireless Municipal Area Network，WMAN）標準中。

　　目前存在的多徑路由協(xié)議基本上可以分為兩類：一類是表驅動協(xié)議（如QOLSR[1]）。在該類協(xié)議中，各節(jié)點通過周期性的廣播路由信息分組，交換路由信息，主動發(fā)現路由，同時，節(jié)點必須維護去往全網所有節(jié)點的路由；另一類是按需路由協(xié)議（如AOMDV[2]、MSR[3]和MRABM[4]），這類協(xié)議僅在源節(jié)點要發(fā)送分組但沒有去往目的節(jié)點的路徑時，才“按需”進行路由發(fā)現。這些路由協(xié)議都在不同程度上提高了網絡的路由性能，但仍存在一定不足。除MRABM以外，其余幾種路由協(xié)議均是基于源節(jié)點或中間節(jié)點維護的路由協(xié)議，當所有路徑都失效時，再重新發(fā)起路由建立過程。本文結合以上兩點，提出一種基于源節(jié)點建立、目的節(jié)點維護mesh結構的路由協(xié)議。該協(xié)議既能為源節(jié)點建立到目的節(jié)點的實時路徑，有效利用網絡資源，減少網絡擁塞，降低丟包率，又能盡量減少控制開銷。

　　1 mesh網絡模型

　　由多個節(jié)點互聯而成的mesh結構中，每個節(jié)點既是主機，也是路由器。當源節(jié)點與目的節(jié)點不能直接通信時，就需要其他中間節(jié)點通過存儲轉發(fā)幫助完成通信，這樣便構成了多跳網絡。而mesh結構中兩個節(jié)點之間具有不只一條路徑的特性，使得網絡中任何一條鏈路的中斷或任何一個節(jié)點的離開均不會導致通信的中斷。mesh結構示意圖如圖1所示。

　　鏈路AC斷開后，上游節(jié)點A由于收不到下游節(jié)點C的聯絡信息便可知道鏈路AC已中斷，這條路由已不可用，從而不再把數據發(fā)給節(jié)點C，轉而把數據發(fā)給它的另一個相鄰節(jié)點B，節(jié)點B將沿它到節(jié)點D的路徑把數據發(fā)送至目的節(jié)點D。可見，鏈路AC的中斷不會導致通信的中斷。

　　2 多徑路由協(xié)議

　　在無線mesh網絡中，數據從需要發(fā)送到發(fā)送完畢，主要經歷mesh的建立、mesh的完善、mesh的維護、數據發(fā)送和mesh結構的消失幾個階段。

　　2.1 mesh的建立

　　無線網狀網（WMN）技術是面向基于IP接入的新型無線移動通信技術，適合于區(qū)域環(huán)境覆蓋和寬帶高速無線接入。無線Mesh網絡基于呈網狀分布的眾多無線接入點間的相互合作和協(xié)同，具有寬帶高速和高頻譜效率的優(yōu)勢，具有動態(tài)自組織、自配置、自維護等突出特點，因此，無線Mesh技術和網絡的研究開發(fā)與實際應用，成為當前無線移動通信的熱門課題之一，特別在未來移動通信系統(tǒng)長期演進（LTE）中，無線Mesh技術和網絡成為矚目焦點。

　　當源節(jié)點要向目的節(jié)點發(fā)送數據時，首先檢查自己的路由緩沖器，如果有到達目的節(jié)點的路徑，就開始發(fā)送數據；若沒有，就通過廣播路由請求分組RREQ（route request）發(fā)起路由發(fā)現過程，RREQ報文格式如圖2所示。

　　接收到路由請求分組的中間節(jié)點，檢查它是否有到達目的節(jié)點的路徑。若有，就沿反向路徑發(fā)送路由回復分組RREP（route reply），并將RREQ沿其短路徑傳送至目的節(jié)點；若無，則判斷是否次收到該RREQ分組，如果是，就將該節(jié)點添加到路由信息表中，繼續(xù)廣播路由請求分組，否則就丟棄該分組。RREP格式如圖3所示。

　　源節(jié)點收到RREP后，開始傳送數據。

　　2.2 mesh的完善

　　mesh初步結構建立以后，源節(jié)點便具有了至少一條通往目的節(jié)點的路徑。源節(jié)點沿已有的路徑向目的節(jié)點發(fā)送數據包。同時，目的節(jié)點接收到RREQ后，將向周圍節(jié)點廣播一種叫做RRTB的消息分組，RRTB消息分組的內容包括：

　?。?）RRTB:控制分組的類型；

　?。?）源節(jié)點id:發(fā)送RREQ消息的節(jié)點標示；

　　（3）目的節(jié)點id:發(fā)送該RRTB消息的節(jié)點標示；

　?。?）序列號：該RRTB分組的序列號；

　?。?）距離目的節(jié)點的跳數：該節(jié)點距離目的節(jié)點的跳數；

　?。?）父節(jié)點id:發(fā)送該RRTB消息分組到該節(jié)點的節(jié)點標示。

　　目的節(jié)點為RRTB消息產生的節(jié)點，所以其距離目的節(jié)點的跳數為0，其父節(jié)點id為目的節(jié)點標示。序列號由目的節(jié)點更新，采用序列號逐漸增大的方式。

　　中間節(jié)點收到RRTB消息分組后，檢查是否次收到該消息分組，若是則修改路由表：在路由表中增加一個路由條目；若不是則丟棄。該路由條目的源節(jié)點為發(fā)送RREQ的節(jié)點，目的節(jié)點為發(fā)送RRTB的節(jié)點，并建立與鄰居節(jié)點的關系。中間節(jié)點建立路由表的內容有：

　　（1）源節(jié)點id:發(fā)送RREQ消息的節(jié)點標示；

　　（2）目的節(jié)點id:發(fā)送RRTB消息的節(jié)點標示；

　?。?）鄰居節(jié)點id:發(fā)送該RRTB消息到本節(jié)點的節(jié)點標示；

　?。?）距離目的節(jié)點的跳數：鄰居節(jié)點距離目的節(jié)點的跳數；

　　（5）鄰居節(jié)點的父節(jié)點id:發(fā)送該RRTB消息分組到鄰居節(jié)點的節(jié)點標示；

　　（6）收到時間：本節(jié)點收到該RRTB消息分組的時間。

　　中間節(jié)點選擇到目的節(jié)點少跳數的鄰居節(jié)點為路徑，且作為本節(jié)點的RRTB消息分組的內容，而不再向周圍節(jié)點廣播自己的RRTB消息分組。這樣，源節(jié)點和中間節(jié)點都建立了到目的節(jié)點的路徑和其他路徑，mesh結構得到了進一步完善。

　　中間節(jié)點在收到個RTBB消息后，延時一段時間再向周圍節(jié)點廣播自己的RRTB消息分組，以獲得足夠的路由信息來選出路徑。為了防止路由表膨脹，節(jié)點僅記錄符合一定跳數條件的RRTB消息攜帶的路徑信息，否則丟棄該RRTB消息。

　　2.3 mesh的維護

　　mesh結構的更新采用事件驅動的方式。在數據傳輸過程中，如果某個中間節(jié)點沒有到達目的節(jié)點的路由時，并沿路徑首先向目的節(jié)點傳輸該消息分組，目的節(jié)點收到該分組后，將啟動路由更新，向周圍節(jié)點廣播新的RRTB消息分組，中間節(jié)點和源節(jié)點將根據新收到的RRTB消息分組更新自己的路由表，建立新的路徑和其余多條路徑。

　　可見，這樣的路由維護方式不需要源節(jié)點發(fā)起RREQ的重建過程，只需要目的節(jié)點發(fā)起RRTB消息分組，比一般的路由重建時間少，且采用事件驅動更新方式，更新次數少，直接進行路由更新避免了路由陳舊問題。

　　2.4 數據傳送

　　源節(jié)點收到周圍節(jié)點發(fā)送來的RRTB消息，建立到目的節(jié)點的完善的路由表。低負載時，源節(jié)點可以選擇一條到目的節(jié)點的路徑傳送數據，也可以選擇多條路徑傳送數據。高負載時，源節(jié)點可以選擇多條路徑甚至所有的路徑同時傳送數據。各路徑可以等概率傳輸，也可以按需傳輸。數據分配采用每包分配粒度。

　　若某個中間節(jié)點與其所有下游節(jié)點的鏈路都斷開，則該節(jié)點將向上游節(jié)點回傳數據分組，上游節(jié)點收到回傳的數據分組，就沿其他路徑傳送數據，并刪除到該節(jié)點的路由，從而盡量減少數據分組的丟失。

　　若節(jié)點移動造成網絡分割，而數據包在網絡分割點上時，則該節(jié)點首先緩存該數據分組。若超過mesh結構的更新時間仍沒有收到目的節(jié)點的更新分組，便丟棄該數據分組。

　　2.5 mesh結構的消失

　　當源節(jié)點向目的節(jié)點的傳送完數據以后，源節(jié)點沿短路徑向目的節(jié)點發(fā)送stop消息分組，目的節(jié)點收到該stop消息分組后，將停止發(fā)送mesh更新消息分組。stop消息格式如圖4所示。

　　中間節(jié)點若在超時范圍內仍沒有收到目的節(jié)點的更新消息分組，則自動從路由表中刪除本項路由信息。

　　3 實驗仿真和評價

　　本文采用OPNET進行仿真實驗，比較本文提出的協(xié)議和MRABM、AOMDV路由協(xié)議的性能。仿真條件為40個節(jié)點在1 000 m×1 000 m的正方形區(qū)域內隨機移動，移動符合waypoint模型。設節(jié)點的移動速度分別為0 m/s、2 m/s、4 m/s、6 m/s、8 m/s和10 m/s,停留時間為0 s。節(jié)點通信距離為200 m，鏈路帶寬為2 Mb/s，MAC層采用IEEE802.11介質訪問控制，傳輸層采用UDP協(xié)議，應用層采用恒定比特率數據流，數據流為10，分組長度為512 B，產生時間間隔為0.1 s，仿真時間為1 000 s。

　　仿真關注以下性能參數：

　?。?）路由開銷：路由協(xié)議建立路由和維護路由，所有節(jié)點發(fā)送的路由包。

　?。?）端到端延時：從源節(jié)點的網絡層發(fā)送數據包，到目的節(jié)點網絡層收到該數據包的時間平均值。

　?。?）丟包率：丟失的數據包占所發(fā)送數據包的比率。

　　仿真結果如圖5、圖6、圖7所示。

　　從圖5中可以看到，由于MRABM和本文算法均采用目的節(jié)點更新mesh結構的機制，所以在節(jié)點移動造成網絡拓撲結構改變時，不會存在路由修護和路由重建過程，控制開銷將保持平穩(wěn)，不會急劇增長。然而MRABM的路徑建立采用基于目的節(jié)點的方法，且定期進行路徑更新而不是采用事件驅動，將產生大量的控制開銷，本文算法基于源節(jié)點建立路徑節(jié)約了大量的控制開銷。

　　如圖6所示， MRABM和本文算法的丟包率都較小，這是因為兩種算法都是當一條鏈路斷開后，節(jié)點將立即為數據分組選擇另一條路徑傳送數據，幾乎不會發(fā)生丟包現象，且它們能實時維護源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑和其余多條路徑，所以大流量傳輸時，這兩種算法均能有效平衡網絡負載，減少網絡擁塞，降低丟包率。而AOMDV采用的固定多徑傳輸則容易造成網絡擁塞。

　　由圖7可知，MRABM和本文算法的端到端時延都較小，這是因為當節(jié)點移動造成鏈路斷開時，這兩種算法都不需要等待路徑修復或路由重建過程，而AOMDV在所有路徑失效后，將由源節(jié)點發(fā)起路由重建，所以端到端時延較大。

　　由于WMN網絡本身的組網特點，只要在需要的地方加上WR等少量的無線設備，即可與已有的設施組成無線的寬帶接入網。WMN網絡的路由選擇特性使鏈路中斷或局部擴容和升級不影響整個網絡運行，因此提高了網絡的柔韌性和可行性，和傳統(tǒng)網絡相比功能更強大、更完善。WMN網絡初建成本低，AP和WR一旦投入使用，其位置基本固定不變，因而節(jié)省了網絡資源。WMN具有可伸縮性、易擴容、自動配置和應用范圍廣等優(yōu)勢，對于投資者來說在短期之內即可獲得盈利。 另外，基于源節(jié)點建立的路徑，有效地控制了RREQ在全網的泛洪，減少了控制開銷，更合理地利用了網絡資源。