摘 要： 智慧城市的建設過程中面臨著現(xiàn)有多種異構網(wǎng)絡融合以及熱點區(qū)域高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡覆蓋的難題?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/無線Mesh網(wǎng)絡" title="無線Mesh網(wǎng)絡" target="_blank">無線Mesh網(wǎng)絡構建以Internet為核心網(wǎng)絡的分層網(wǎng)絡體系結構，以IP協(xié)議作為異構網(wǎng)絡之間的互連協(xié)議，利用IP架構的統(tǒng)一網(wǎng)絡平臺可以實現(xiàn)異構網(wǎng)絡的融合。利用無線Mesh網(wǎng)絡多跳無線通信和自動配置拓撲組網(wǎng)的特性，實現(xiàn)熱點區(qū)域覆蓋，將很好地滿足未來智慧城市的覆蓋需求。
關鍵詞： 智慧城市；無線Mesh網(wǎng)絡；異構網(wǎng)絡融合；自組織網(wǎng)絡
0 引言
智慧城市[1]是一個不斷發(fā)展的概念，其目標是利用新一代信息和通信技術實現(xiàn)城市的智慧管理和運行，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，進而使人們在城市的生活更便捷、美好、和諧。智慧城市是城市在信息化進程中的一個必然階段，單從技術角度來看，智慧城市要求以移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術實現(xiàn)智能感知、泛在互聯(lián)、普適計算和融合應用。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是智慧城市的“神經(jīng)”和“血管”，承載未來智慧城市中的高速數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到未來城市的規(guī)模，可以預見數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡需要具有高帶寬、高可靠性、覆蓋范圍廣、易于擴展等特性，同時還要具有相對較低的布線成本。
無線Mesh網(wǎng)絡[2-3]（Wireless Mesh Networks，WMNs）是新一代的大規(guī)模、高性能無線接入網(wǎng)絡，具有智慧城市對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡所要求的特性。因此無線Mesh網(wǎng)絡技術將成為實現(xiàn)未來智慧城市高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術之一。
本文首先簡要介紹了WMNs的架構和技術優(yōu)勢，之后詳細闡述了作為高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，WMNs在智慧城市中的應用，然后對WMNs當前面臨的技術挑戰(zhàn)、研究重點以及未來發(fā)展進行了討論，最后對全文進行了總結。
1 無線Mesh網(wǎng)絡介紹
無線Mesh網(wǎng)絡是一種自組織、自配置的多跳無線網(wǎng)絡，構成WMNs的網(wǎng)絡節(jié)點只有兩種：Mesh路由器（Mesh Router，MR）和Mesh終端（Mesh Client，MC），其網(wǎng)絡結構如圖1所示。
在WMNs中，MR以無線互聯(lián)的方式構成WMNs骨干網(wǎng)，WMNs骨干網(wǎng)通過網(wǎng)關MR以有線的方式與Internet相連。MR不僅作為AP（Access Point）為覆蓋范圍內的MCs提供無線連接，同時作為路由器為其他MR轉發(fā)數(shù)據(jù)報文，MCs與覆蓋區(qū)域內的MR建立無線連接，以無線多跳的方式通過網(wǎng)關MR接入Internet。相比傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)，WMNs具有諸多技術優(yōu)勢：（1）所有MR之間以多跳無線連接方式通信，提供了更廣的覆蓋范圍；（2）WMNs骨干網(wǎng)MR之間多點到多點的連接保證了網(wǎng)絡的高可靠性；（3）WMNs本身的無線自組織特性易于網(wǎng)絡的擴展覆蓋；（4）只有網(wǎng)關MR與Internet之間是有線連接，網(wǎng)絡布線成本大大降低。
目前IEEE 802標準組織已經(jīng)為WMNs專門制定了IEEE 802.11s協(xié)議，通過在WLAN AP間建立無線連接，擴展WLAN的覆蓋范圍，同時實現(xiàn)AP之間的自配置組網(wǎng)，WMNs技術將會不斷得到發(fā)展。
2 無線Mesh網(wǎng)絡在智慧城市中的應用
目前關于智慧城市的探討、研究很多，真正意義上的智慧城市本質是可持續(xù)發(fā)展，這種可持續(xù)發(fā)展包括經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。智慧城市是一個由多個相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的子系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)，其中以新一代信息技術為基礎的信息子系統(tǒng)是智慧城市的物理基礎，信息技術也是智慧城市形成的最主要推動力。具體來講，信息技術主要包括感知層技術，如傳感器技術、自動識別技術等；網(wǎng)絡層技術，如寬帶城域網(wǎng)、高速接入網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡等；應用層技術，如云計算、大數(shù)據(jù)等。其中，無線通信網(wǎng)絡做為感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，在智慧城市的建設中發(fā)揮的作用越來越重要。
2.1 融合現(xiàn)有多種無線異構網(wǎng)絡
當前多種無線通信技術并存，且相對獨立，造成了相互干擾、資源浪費、無法切換等問題。無線Mesh網(wǎng)絡可以和多種寬帶無線接入技術相結合，實現(xiàn)現(xiàn)有異構無線網(wǎng)絡的融合與協(xié)同，最終實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的無縫傳輸。
利用WMNs構建基于IP架構的統(tǒng)一網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)多種無線接入網(wǎng)絡的融合，如圖2所示。這是一種分層體系結構，基于IP的Internet作為核心網(wǎng)路，并將IP協(xié)議作為異構網(wǎng)絡之間的互連協(xié)議，WMNs骨干網(wǎng)中的MR作為接入路由器（Access Router，AR）向下連接2G/3G網(wǎng)絡、WLAN等不同接入網(wǎng)絡的基站或接入點，向上則連接網(wǎng)關MR充當?shù)腎nternet接入網(wǎng)關（Gateway，GW）接入Internet核心網(wǎng)絡，接入網(wǎng)關同時還為異構網(wǎng)絡之間的切換提供支持。
利用WMNs構建的這種基于IP核心網(wǎng)絡的分層架構，不僅具有很好的可擴展性，而且充分利用了現(xiàn)有的Internet基礎網(wǎng)絡設施，因此降低了網(wǎng)絡融合的技術復雜度和建設成本，從而縮短了建設周期。該架構在可擴展性、技術復雜度、建設成本和建設周期方面均具有明顯優(yōu)勢，非常適合用于智慧城市建設中各種異構網(wǎng)絡的融合。
2.2 構建高速數(shù)據(jù)網(wǎng)路
圖3所示為WMNs實現(xiàn)網(wǎng)絡覆蓋的架構。下層以MR作為AP為覆蓋范圍內的終端提供無線網(wǎng)絡接入，上層以MR作為網(wǎng)關將覆蓋范圍內的終端接入Internet核心網(wǎng)絡。MR之間基于IP協(xié)議建立無線連接，通過自動配置拓撲來組網(wǎng)。相比傳統(tǒng)的WLAN覆蓋方式，這種網(wǎng)絡結構最大的優(yōu)勢是MR不僅作為AP提供網(wǎng)絡接入，同時還作為路由器轉發(fā)其他MR的報文，并能夠自動建立和維護連接，這些特點首先使得該網(wǎng)絡易于部署，具有很好的擴展性，其次MR之間的多跳無線通信擴大了網(wǎng)絡的覆蓋范圍，最后MR多點之間的連接增加了網(wǎng)絡的可靠性，可以很好地滿足智慧城市中區(qū)域覆蓋的要求。
3 無線Mesh網(wǎng)絡技術挑戰(zhàn)與發(fā)展
相比傳統(tǒng)的WLAN技術，WMNs的技術優(yōu)勢在于以較低的布線成本實現(xiàn)更廣覆蓋且易于擴展，同時具有更高的帶寬和可靠性。但當網(wǎng)絡規(guī)模擴大時，多跳無線傳輸路徑的增加會極大地降低端到端的吞吐量；為了保證帶寬需求和可靠性傳輸，額外的協(xié)議開銷會增加網(wǎng)絡負荷，影響網(wǎng)絡性能。當前WMNs受到了廣泛關注和深入研究，其中研究的重點就是網(wǎng)絡性能優(yōu)化[4]，主要包括WMNs路由協(xié)議、信道分配、路由和信道聯(lián)合優(yōu)化以及拓撲規(guī)劃。
?。?）WMNs路由協(xié)議
在WMNs中，移動終端通過無線多跳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關MR，期間需經(jīng)過多個節(jié)點的傳輸，這就可能導致很大的鏈路時延，所以WMNs需要高性能的路由協(xié)議。最小跳數(shù)路由算法（Minimum Hop Routing Algorithm，MHRA）和最短路徑路由算法（Shortest Path Routing Algorithm，SPRA）是最易于實現(xiàn)也是目前廣泛使用的兩種路由算法，但這兩種算法沒有考慮負載均衡，可能導致網(wǎng)絡擁塞的發(fā)生，從而造成較大的網(wǎng)絡時延。隨著WMNs網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，WMNs節(jié)點也會增加，鄰居節(jié)點的增加可以為數(shù)據(jù)傳輸提供冗余鏈路以提高可靠性，但如果路由選擇不當，過多的跳數(shù)也會使得傳輸時延大大增加。一種基于鏈路狀態(tài)預測（Link State Prediction，LSP）的時延感知路由算法（Delay Aware Routing Algorithm，DARA）成為研究熱點。首先通過鏈路狀態(tài)預測模型，計算出每條鏈路的估計時延，根據(jù)時延大小為鏈路分配權重系數(shù)，從低于預設時延閾值的鏈路中選出K個權重最小的鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以避免所有的數(shù)據(jù)報文都選擇同一條鏈路，從而減少擁塞的發(fā)生。
?。?）信道分配
IEEE 802.11 b/g標準規(guī)定了11條無線信道，其中3條為正交信道，其余8條為部分重疊信道。盡管重疊信道之間同信道干擾相對小很多，但目前仍然盡量避免使用它們，原因是它們引入了鄰信道干擾。目前已有學者提出了利用重疊信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ⒆C明可以消除由此引入的鄰信道干擾，這成為了信道分配研究方面的一個熱點。
（3）路由和信道聯(lián)合優(yōu)化
路由協(xié)議性能的好壞關系到鏈路時延的大小，進而影響網(wǎng)絡性能，信道分配算法決定節(jié)點間通信鏈路的信道資源，影響鏈路的容量、時延等特征，從而影響感知路由協(xié)議的路由選擇，所以路由和信道分配關系密切。為了最大限度地提高網(wǎng)絡性能，應該考慮路由和信道的聯(lián)合優(yōu)化，這方面也有不少學者正在從事相關研究工作。
（4）拓撲規(guī)劃
路由協(xié)議和信道分配都是針對已有的WMNs網(wǎng)絡拓撲結構進行性能優(yōu)化，不合理的網(wǎng)絡規(guī)劃會壓縮性能優(yōu)化的空間，因此拓撲規(guī)劃研究同樣具有重要意義。正六邊形網(wǎng)絡覆蓋一直以來被認為是最優(yōu)的拓撲形式，但參考文獻[5]提出在消除覆蓋死角方面，正三角形網(wǎng)絡結構具有更好的效果，同時成本更低。針對WMNs技術特性的拓撲規(guī)劃是智慧城市建設需要考慮的重要方面。
4 總結
智慧城市是新一代信息通信技術在城市建設發(fā)展過程中的應用成果。它讓家長利用移動終端可以隨時觀察到孩子在幼兒園里的情況；讓汽車駕駛員在上路前可以實時看到市內任何一條道路的車流量；讓道路養(yǎng)護人員可以隨時監(jiān)測市內道路的壞損狀況；讓公安人員可以查看市內公共場所犯罪現(xiàn)場的視頻記錄……這些應用成果將極大地改善人們的生活。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是智慧城市建設中的一個重要環(huán)節(jié)，無線Mesh網(wǎng)絡所表現(xiàn)出來的諸多技術優(yōu)勢使得其在今后的智慧城市建設中占據(jù)重要地位，尤其是在現(xiàn)有多種異構網(wǎng)絡融合方面和區(qū)域網(wǎng)絡覆蓋方面。目前，構建大規(guī)模、高性能WMNs的技術問題還沒有完全解決，有關WMNs各方面的深入研究仍在繼續(xù)，技術難點和重點集中在網(wǎng)絡性能優(yōu)化上，主要包括路由協(xié)議、信道分配、路由信道聯(lián)合優(yōu)化以及拓撲規(guī)劃。此外，WMNs的一些關鍵技術也需要在實際環(huán)境中進一步驗證。
參考文獻
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