摘 要： 介紹了無線Mesh網絡(WMN)的一些基本概念和結構特點，分析了WMN與其他無線網絡的區(qū)別、融合及應用領域，討論了實現(xiàn)WMN的相關標準和關鍵技術。
關鍵詞： 無線網狀網(WMN) 移動自組網(Ad Hoc) 標準 路由
隨著全球無線通信技術的飛速發(fā)展和應用，尤其是移動Ad Hoc的發(fā)展，一種新興的具有極大優(yōu)勢和潛力的寬帶無線接入技術引起了學術界和寬帶接入市場的關注——無線Mesh網，即無線網狀網WMN(Wireless Mesh Network)。WMN是Ad Hoc網絡的一種特殊形態(tài)，不同于傳統(tǒng)的無線網絡，它具有無中心、多跳路由和自組織等特性；同時它又有很強的擴展性和兼容性，可與其他無線網絡相結合，能快捷、低成本地擴展無線接入系統(tǒng)的覆蓋范圍，提高帶寬容量和通信可靠性。WMN是一種很有應用前景的無線寬帶接入技術，可提供個域網、局域網、城域網范圍的無線接入服務，目前國內外已有眾多學者和科研單位對它進行研究，且已有一定的商業(yè)應用，相關的標準也在制定當中。
1 WMN網絡結構
WMN是一種網內節(jié)點可隨意分布并與相鄰節(jié)點相互連接而形成的網狀結構，含有兩種節(jié)點類型：Mesh路由器(MR)和Mesh客戶終端(MC)。前者具有路由轉發(fā)能力，可作為網關或路橋接入其他網絡，通常固定并外接電源。后者諸如手提電腦、手機、PDA等裝有無線網卡、天線的用戶終端，具有一定的分組轉發(fā)功能，但不具備網關功能，支持移動，可由電池供電[1]。
骨干網" title="骨干網">骨干網結構如圖1所示。WMN中MR網狀互連形成WMN骨干網,再通過Mesh網關路由器與Internet或其他無線網(WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網絡)相連，為用戶端提供接入服務。圖1中大橢圓內就是由MR組成WMN的骨干網結構，客戶端" title="客戶端">客戶端和其他無線網絡可通過MR接入WMN。
客戶端Mesh結構如圖2所示。僅由MC網狀互連組成了WMN客戶端網?？蛻舳私M成一個能提供路由和配置功能的小型局域網，在用戶間提供點到點服務。網絡中各節(jié)點不需要具備網關功能，所以網絡中無需MR?？蛻舳薓esh結構的WMN等同于Ad Hoc網：任意節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包可經由多個節(jié)點轉發(fā)抵達目的節(jié)點。雖然節(jié)點不需要有網關和中繼功能,但路由和自組織能力是必須的。
混合結構如圖3所示。Mesh客戶端結構可以通過MR接入Mesh骨干網從而形成以上兩種結構的綜合。這種混合結構提供與其他網絡的連接，同時客戶端的路由能力可以為WMN增強連接性、擴大覆蓋范圍。圖中虛線和實線分別表示無線和有線連接，具有以太網接口的客戶端以有線連接MR，并接入WMN?；旌辖Y構是WMN最常用的結構。
2 WMN的特點
(1)多跳路由。WMN采用Ad Hoc式的多跳路由技術，與傳統(tǒng)單跳無線網相比，無線鏈路更短、發(fā)射功率更小、節(jié)點間干擾更少、頻率重用率更高。這樣可以在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統(tǒng)容量，擴展現(xiàn)有無線網絡的覆蓋范圍；同時可在不具有視距無線鏈路的用戶之間，提供非視距連接。
(2)自組織、自愈。WMN結構靈活、易于部署和配置、容錯，它可以自動發(fā)現(xiàn)新節(jié)點并完成配置過程，自動維護網絡正常運行，在出現(xiàn)節(jié)點、鏈路故障時也可自動調整完成網絡自愈。
(3)多種網絡接入與融合。在WMN中，既支持無線終端接入骨干網，又支持終端之間的對等通信。此外，把WMN技術與其他無線網絡相結合，通過骨干網為這些無線網絡的終端用戶提供接入業(yè)務?；诂F(xiàn)有網絡技術或標準的WMN在支持原標準的基礎上與這些標準相兼容，還與它們有互操作性。
(4)移動性、能耗與節(jié)點類型相關。WMN中，MR一般靜止不動，而MC支持高速移動；MR一般采用外接電源，無能耗限制；而移動MC需要采用能耗較小的通信協(xié)議。因此WMN的MAC、路由協(xié)議" title="路由協(xié)議">路由協(xié)議需要針對MR和MC分別設計和優(yōu)化。
3 與其他幾種無線網絡技術的區(qū)別和聯(lián)系
3.1 WMN與Ad Hoc
WMN來源于Ad Hoc，但與之有較大的差異。(1)WMN中具有由MR組成的骨干網，能在大范圍內提供高連通性和健壯性的接入服務，還可通過Mesh網關融合其他無線網；Ad Hoc僅由用戶終端組網，不存在專門提供網絡連接服務的骨干網，節(jié)點不具備網關橋接功能，只限于局域組網。(2)Ad Hoc終端的移動性和不可靠性使其網絡拓撲、鏈路變化較大，給路由協(xié)議和網絡配置帶來了很大的挑戰(zhàn)；而WMN中MR一般固定且比用戶終端可靠得多，拓撲結構相對穩(wěn)定，同時MR無能耗限制，簡化了設計難度。(3)Ad Hoc中每個終端設備都要為所有其他節(jié)點執(zhí)行路由轉發(fā)功能；在WMN中，雖然MC也有路由轉發(fā)功能，但主要由MR執(zhí)行，大大減輕了MC的負載。(4)Ad Hoc主要業(yè)務是網內點到點的通信，而WMN主要是往來于互聯(lián)網的業(yè)務[2]。
3.2 WMN與蜂窩移動通信系統(tǒng)
蜂窩移動通信系統(tǒng)正由2G進入移動寬帶的第三代(3G)，能提供諸如視頻等多媒體通信業(yè)務。但目前實際運行當中的3G數(shù)據(jù)傳輸速率還不理想，且巨額的牌照費、技術、終端問題使3G的發(fā)展受到限制。WMN與3G業(yè)務相近，但二者定位不同：3G定位在廣域網，依賴于大規(guī)模布網，周期長；而WMN基于IP，定位于城域網，組網靈活，可先由小范圍使用再逐漸擴展開來，更適合于各垂直行業(yè)的專網應用。與3G相比，WMN大大提高了帶寬(能達到54Mbps，甚至更高)，大大降低了骨干網的建設成本和風險，同時它很強的兼容性便于將來與3G融合，解決3G末端接入的問題。
3.3 WMN與WiMAX
微波存取全球互通WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是IP城域網技術，包含802.16a和802.16e。前者只支持視距固定點接入；后者尚處于開發(fā)階段，支持非視距傳輸和低速移動性。WiMAX系統(tǒng)可以有兩種組網方式：點到多點(PMP)模式和Mesh模式。前者基站承擔移動臺的接入與數(shù)據(jù)轉發(fā)，業(yè)務流只發(fā)生在基站和移動臺之間；后者用戶站之間、用戶站與基站之間均可直接通信，這種靈活組網方式將帶來性能的改進：拓展通信覆蓋率、更高頻譜效率和更低的運營成本。
4 WMN的應用
WMN的應用場景和應用范圍相當廣泛，它能實現(xiàn)家庭寬帶個域網、樓宇自動化網絡、社區(qū)組網、交通醫(yī)療系統(tǒng)網絡、校園組網、企業(yè)組網以及城域組網等多層次、大范圍的無線應用。
此外，WMN還可以與其他無線技術(如固定無線接入和WLAN等)相結合,實現(xiàn)城域范圍內無線接入。工作在高G頻段上的固定無線接入系統(tǒng)受視距傳輸?shù)南拗?，無法直接面向眾多終端用戶，但卻能實現(xiàn)很高的系統(tǒng)容量；WMN中網關節(jié)點需要連接到主干網接口上, 若接口采用有線技術將受到一定限制。將上述兩種網絡結合起來，通過固定寬帶接入系統(tǒng)實現(xiàn)網關節(jié)點到骨干網的接入將是一種非常有效的方案。同理，WMN也可以與WLAN結合，將多個WLAN通過WMN方式連接起來，實現(xiàn)各WLAN之間的互通，并使多個WLAN共享網絡出口。WMN與其他無線接入技術的結合如圖4所示。Mesh網關路由器(圖中黑點表示)同時充當固定無線基站的接收端和WLAN的接入點，將兩者有效結合。
5 標準化及商業(yè)化
WMN的迅速發(fā)展使得工業(yè)標準化組織也積極致力于在無線標準中加入對Mesh組網方式的支持，目前已成立為WMN 制定新標準的子工作組：IEEE802.11無線局域網工作組在2004年成立了802.11s子工作組，制定標準化擴展服務集(ESS)，專門為WMN定義MAC和物理層協(xié)議以實現(xiàn)WLAN多個接入點(AP)能像MR一樣自配置組網；802.15無線個域網在2003年成立Mesh研究組TG5，研究利用短距離、低成本設備通過Mesh方式覆蓋一個較大的環(huán)境。802.16無線城域網在2003年頒布的802.16a標準中設計了對Mesh結構的支持。802.20移動寬帶無線接入工作組致力于在室內環(huán)境中支持WMN結構[3]。
隨著WMN技術的發(fā)展應用，相關商業(yè)產品也相繼問世：美國Microsoft研究實驗室在一個稱為網狀連接層(MCL)的軟件模塊上實現(xiàn)了Ad Hoc路由和鏈路質量的測量；Intel公司網絡結構實驗室用微傳感器組建測試平臺，研究WMN網絡性能的改善；Nortel公司的WMN無線AP可同時工作在2.4GHz和5GHz頻段，并配備有智能天線；MeshNetworks公司研發(fā)了基于積分多址" title="多址">多址接入(QDMA)的相關硬件及軟件系統(tǒng)，支持WMN終端在移動情況下的無線接入；Nokia公司將無線路由器安裝在屋頂上的WMN方案也得到不少運營商的關注。
6 關鍵技術
在WMN的設計中, 不僅需要解決無線傳輸中的天線設計、多址接入控制、路由協(xié)議等問題，還要考慮各層功能的實現(xiàn)與上下層之間的相互影響, 故WMN的設計遠比傳統(tǒng)單跳無線網復雜。
6.1 物理層無線電技術
傳統(tǒng)的定向、全向天線并不太適合WMN。新興的物理層無線電技術如智能天線、正交頻分復用(OFDM)、多進多出(MIMO)、超寬帶(UMB)技術以及多無線電／多信道" title="多信道">多信道系統(tǒng)已經成為下一代無線接入系統(tǒng)的關鍵技術。此外，為了進一步改善無線射頻性能以及高層協(xié)議的控制，更先進的可重配置無線電、感知無線電，甚至軟件無線電技術也已開始在無線系統(tǒng)中運用。這些高級物理層無線電技術的開發(fā)設計不僅對物理層性能起著決定性作用，而且要求整合MAC層和網絡層進行整體設計,以便最大限度地提高網絡性能。
6.2 MAC層多址訪問機制
WMN是分布式多跳無線網狀網?，F(xiàn)有的無線網絡MAC機制大多都是針對單跳無線網絡設計的，并不適于WMN。現(xiàn)有無線MAC機制可以分為單信道、多信道單收發(fā)器和多信道多收發(fā)器技術，容量逐級增大但復雜度也逐級變大。多址接入上常見的CSMA/CA、TDMA、CDMA等協(xié)議需要改進以適應WMN的分布式多址接入控制。此外，還要求能夠有效地進行空間頻率復用，以提高網絡容量。還有些廠家采用了QDMA(FDMA、CDMA、TDMA、CSMA/CA相結合)專利技術以提高頻譜效率和抗干擾性。MAC層機制設計將成為影響WMN性能和成功與否的關鍵技術之一，需要解決無線多跳、分布協(xié)作式多點對多點的通信、自組織、規(guī)模擴展性和節(jié)點移動性等問題。
6.3 WMN路由協(xié)議
WMN的很多技術特點和優(yōu)勢來自于Mesh多跳路由，路由協(xié)議設計成其關鍵技術之一。由于WMN與Ad Hoc特點相似，其路由協(xié)議設計可參考Ad Hoc現(xiàn)有的路由協(xié)議。WMN路由設計時應能適應其結構特點，具有較好的健壯性和可擴展性[4]。
(1)多判據(jù)路由。在WMN中，路由協(xié)議不能僅僅根據(jù)“最小跳數(shù)”來進行路由選擇，而要綜合考慮時延、跳數(shù)和吞吐量等多種性能度量指標來選擇。多判據(jù)路由的關鍵是如何提取性能判據(jù)和如何將它們整合到路由設計中。
(2)多徑路由。WMN路由協(xié)議要提供網絡容錯性和健壯性支持，能在無線鏈路失效時迅速選擇替代鏈路以避免業(yè)務中斷；此外還要能夠利用流量工程技術，在多條路徑間進行負載均衡，最大限度地利用系統(tǒng)資源。
(3)多信道路由。在無線節(jié)點可安裝多塊無線網卡，使用多信道多收發(fā)器來轉發(fā)和接收數(shù)據(jù)。多信道路由能在不需修改MAC協(xié)議的基礎上大大提高網絡容量，但也增加了設計的難度。多信道路由的關鍵在于信道分配和算法設計。
(4)節(jié)點自適應。WMN中路由協(xié)議要求能同時支持MR和MC。對于固定的MR，由于沒有功耗限制，可以采用比現(xiàn)有Ad Hoc路由協(xié)議簡單得多的路由協(xié)議；而MC的移動性需要采用類似Ad Hoc節(jié)能路由協(xié)議。這樣，需要一種行之有效的路由協(xié)議能自動適應MR和MC。
(5)分級路由。為解決在網絡規(guī)模擴大時網絡性能降低的問題，可采用分級路由技術，將網內節(jié)點分簇，在簇內與簇間使用不同的路由(如簇內按需路由、簇間先驗路由)，分別發(fā)揮其優(yōu)點，實現(xiàn)大規(guī)模WMN路由。其關鍵在于簇劃分和簇頭的選擇，另外簇頭有可能造成網絡瓶頸。
(6)組播支持。由于WMN直接面向用戶節(jié)點，一個經常出現(xiàn)的問題是：當所有用戶同時訪問同一個熱點資源時，如視頻點播，網絡中產生大量的冗余業(yè)務量，進而可能發(fā)生擁塞，因此WMN需要支持組播功能。
6.4 跨層設計
WMN不同于有線和傳統(tǒng)無線單跳網，節(jié)點所有協(xié)議層都會相互影響，尤其是底三層。由于WMN在拓撲、傳輸和業(yè)務上的特性，僅用傳統(tǒng)的用于有線網絡的分層協(xié)議設計方法已不能保證其服務質量(QoS)。探索基于物理層、MAC層、網絡層等WMN跨層設計方法可以使無線資源利用率和多媒體業(yè)務的QoS兩方面達到較好的折衷?？梢詮膬煞矫嬷挚鐚釉O計：一是在設計單層協(xié)議時引入其他層次的性能因素，尤其在設計高層協(xié)議時考慮底層參數(shù)，如在傳輸層引入MAC層的丟包率能夠使TCP根據(jù)丟包率判斷擁塞程度。再如可從物理層引入鏈路狀態(tài)作為設計路由算法的一個性能依據(jù)。二是集幾個層次協(xié)議設計于一體，如考慮到MAC和網絡層的交互可將其兩層協(xié)議合并設計為一體。第二種方案通常更有效。目前WMN跨層設計中亟待深入研究的關鍵技術包括自適應速率與節(jié)能機制、基于QoS需求的跨層MAC協(xié)議設計和路由協(xié)議設計等[5]。
6.5 安全性能
安全問題是WMN必須面對的一大難題。在一個多終端的WMN中，安全的數(shù)據(jù)流量在到達接收端之前可能要通過多個未授權的節(jié)點，這會給黑客們創(chuàng)造可乘之機。當WMN大面積鋪開時，這些問題將會變得更加突出。目前一些安全機制可以運用于WMN，如直序擴頻技術、隧道封包加密和用戶設備認證注冊等，還有一些基于安全性能設計的MAC及路由協(xié)議以及入侵監(jiān)測應急系統(tǒng)，它們提供了一定的安全保障，但還是比較有限，大多只針對特定層次，所以基于跨層的安全保障措施是關鍵。
此外，WMN還需要解決諸如帶寬與QoS業(yè)務支持、與其他網絡的兼容和協(xié)作、網絡管理(配置、監(jiān)控、計費等)和易用性等問題。
WMN是一種新型的無線多跳路由寬帶接入網，其以少量的基礎設施構成覆蓋范圍寬廣的寬帶無線網絡，投資成本低，建網時間短，組網靈活，維護方便，易于擴展升級。目前，WMN技術雖有一定的商用，但還處于初步發(fā)展階段，要充分發(fā)揮其潛力，還需要解決諸如物理層和MAC層協(xié)議設計、路由算法等多項技術難題。WMN作為一種新的具有眾多優(yōu)點的技術，通過與其他無線網絡技術相結合，必將在下一代寬帶無線網絡中發(fā)揮重要作用。
參考文獻
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