摘　要： 介紹了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN)的一些基本概念和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了WMN與其他無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別、融合及應(yīng)用領(lǐng)域，討論了實(shí)現(xiàn)WMN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和關(guān)鍵技術(shù)。
　　關(guān)鍵詞： 無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN) 移動自組網(wǎng)(Ad Hoc) 標(biāo)準(zhǔn) 路由

5 標(biāo)準(zhǔn)化及商業(yè)化
　　WMN的迅速發(fā)展使得工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織也積極致力于在無線標(biāo)準(zhǔn)中加入對Mesh組網(wǎng)方式的支持，目前已成立為WMN 制定新標(biāo)準(zhǔn)的子工作組：IEEE802.11無線局域網(wǎng)工作組在2004年成立了802.11s子工作組，制定標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)，專門為WMN定義MAC和物理層協(xié)議以實(shí)現(xiàn)WLAN多個(gè)接入點(diǎn)(AP)能像MR一樣自配置組網(wǎng)；802.15無線個(gè)域網(wǎng)在2003年成立Mesh研究組TG5，研究利用短距離、低成本設(shè)備通過Mesh方式覆蓋一個(gè)較大的環(huán)境。802.16無線城域網(wǎng)在2003年頒布的802.16a標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計(jì)了對Mesh結(jié)構(gòu)的支持。802.20移動寬帶無線接入工作組致力于在室內(nèi)環(huán)境中支持WMN結(jié)構(gòu)^[3]。
　　隨著WMN技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，相關(guān)商業(yè)產(chǎn)品也相繼問世：美國Microsoft研究實(shí)驗(yàn)室在一個(gè)稱為網(wǎng)狀連接層(MCL)的軟件模塊上實(shí)現(xiàn)了Ad Hoc路由和鏈路質(zhì)量的測量；Intel公司網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室用微傳感器組建測試平臺，研究WMN網(wǎng)絡(luò)性能的改善；Nortel公司的WMN無線AP可同時(shí)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(guān)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(yùn)營商的關(guān)注。
6 關(guān)鍵技術(shù)
　　在WMN的設(shè)計(jì)中, 不僅需要解決無線傳輸中的天線設(shè)計(jì)、多址接入控制、路由協(xié)議等問題，還要考慮各層功能的實(shí)現(xiàn)與上下層之間的相互影響, 故WMN的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)單跳無線網(wǎng)復(fù)雜。
6.1 物理層無線電技術(shù)
　　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(shù)如智能天線、正交頻分復(fù)用(OFDM)、多進(jìn)多出(MIMO)、超寬帶(UMB)技術(shù)以及多無線電／多信道" title="多信道">多信道系統(tǒng)已經(jīng)成為下一代無線接入系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。此外，為了進(jìn)一步改善無線射頻性能以及高層協(xié)議的控制，更先進(jìn)的可重配置無線電、感知無線電，甚至軟件無線電技術(shù)也已開始在無線系統(tǒng)中運(yùn)用。這些高級物理層無線電技術(shù)的開發(fā)設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行整體設(shè)計(jì),以便最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)性能。
6.2 MAC層多址訪問機(jī)制
　　WMN是分布式多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)。現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)MAC機(jī)制大多都是針對單跳無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，并不適于WMN。現(xiàn)有無線MAC機(jī)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(shù)，容量逐級增大但復(fù)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(jìn)以適應(yīng)WMN的分布式多址接入控制。此外，還要求能夠有效地進(jìn)行空間頻率復(fù)用，以提高網(wǎng)絡(luò)容量。還有些廠家采用了QDMA(FDMA、CDMA、TDMA、CSMA/CA相結(jié)合)專利技術(shù)以提高頻譜效率和抗干擾性。MAC層機(jī)制設(shè)計(jì)將成為影響WMN性能和成功與否的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要解決無線多跳、分布協(xié)作式多點(diǎn)對多點(diǎn)的通信、自組織、規(guī)模擴(kuò)展性和節(jié)點(diǎn)移動性等問題。
6.3 WMN路由協(xié)議
　　WMN的很多技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢來自于Mesh多跳路由，路由協(xié)議設(shè)計(jì)成其關(guān)鍵技術(shù)之一。由于WMN與Ad Hoc特點(diǎn)相似，其路由協(xié)議設(shè)計(jì)可參考Ad Hoc現(xiàn)有的路由協(xié)議。WMN路由設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)能適應(yīng)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有較好的健壯性和可擴(kuò)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(jìn)行路由選擇，而要綜合考慮時(shí)延、跳數(shù)和吞吐量等多種性能度量指標(biāo)來選擇。多判據(jù)路由的關(guān)鍵是如何提取性能判據(jù)和如何將它們整合到路由設(shè)計(jì)中。
　　(2)多徑路由。WMN路由協(xié)議要提供網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性和健壯性支持，能在無線鏈路失效時(shí)迅速選擇替代鏈路以避免業(yè)務(wù)中斷；此外還要能夠利用流量工程技術(shù)，在多條路徑間進(jìn)行負(fù)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(diǎn)可安裝多塊無線網(wǎng)卡，使用多信道多收發(fā)器來轉(zhuǎn)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(chǔ)上大大提高網(wǎng)絡(luò)容量，但也增加了設(shè)計(jì)的難度。多信道路由的關(guān)鍵在于信道分配和算法設(shè)計(jì)。
　　(4)節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)。WMN中路由協(xié)議要求能同時(shí)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(yīng)MR和MC。
　　(5)分級路由。為解決在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能降低的問題，可采用分級路由技術(shù)，將網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分簇，在簇內(nèi)與簇間使用不同的路由(如簇內(nèi)按需路由、簇間先驗(yàn)路由)，分別發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模WMN路由。其關(guān)鍵在于簇劃分和簇頭的選擇，另外簇頭有可能造成網(wǎng)絡(luò)瓶頸。
　　(6)組播支持。由于WMN直接面向用戶節(jié)點(diǎn)，一個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的問題是：當(dāng)所有用戶同時(shí)訪問同一個(gè)熱點(diǎn)資源時(shí)，如視頻點(diǎn)播，網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的冗余業(yè)務(wù)量，進(jìn)而可能發(fā)生擁塞，因此WMN需要支持組播功能。
6.4 跨層設(shè)計(jì)
　　WMN不同于有線和傳統(tǒng)無線單跳網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)所有協(xié)議層都會相互影響，尤其是底三層。由于WMN在拓?fù)?、傳輸和業(yè)務(wù)上的特性，僅用傳統(tǒng)的用于有線網(wǎng)絡(luò)的分層協(xié)議設(shè)計(jì)方法已不能保證其服務(wù)質(zhì)量(QoS)。探索基于物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層等WMN跨層設(shè)計(jì)方法可以使無線資源利用率和多媒體業(yè)務(wù)的QoS兩方面達(dá)到較好的折衷?？梢詮膬煞矫嬷挚鐚釉O(shè)計(jì)：一是在設(shè)計(jì)單層協(xié)議時(shí)引入其他層次的性能因素，尤其在設(shè)計(jì)高層協(xié)議時(shí)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(shè)計(jì)路由算法的一個(gè)性能依據(jù)。二是集幾個(gè)層次協(xié)議設(shè)計(jì)于一體，如考慮到MAC和網(wǎng)絡(luò)層的交互可將其兩層協(xié)議合并設(shè)計(jì)為一體。第二種方案通常更有效。目前WMN跨層設(shè)計(jì)中亟待深入研究的關(guān)鍵技術(shù)包括自適應(yīng)速率與節(jié)能機(jī)制、基于QoS需求的跨層MAC協(xié)議設(shè)計(jì)和路由協(xié)議設(shè)計(jì)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(gè)多終端的WMN中，安全的數(shù)據(jù)流量在到達(dá)接收端之前可能要通過多個(gè)未授權(quán)的節(jié)點(diǎn)，這會給黑客們創(chuàng)造可乘之機(jī)。當(dāng)WMN大面積鋪開時(shí)，這些問題將會變得更加突出。目前一些安全機(jī)制可以運(yùn)用于WMN，如直序擴(kuò)頻技術(shù)、隧道封包加密和用戶設(shè)備認(rèn)證注冊等，還有一些基于安全性能設(shè)計(jì)的MAC及路由協(xié)議以及入侵監(jiān)測應(yīng)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(guān)鍵。
　　此外，WMN還需要解決諸如帶寬與QoS業(yè)務(wù)支持、與其他網(wǎng)絡(luò)的兼容和協(xié)作、網(wǎng)絡(luò)管理(配置、監(jiān)控、計(jì)費(fèi)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(wǎng)，其以少量的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成覆蓋范圍寬廣的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，投資成本低，建網(wǎng)時(shí)間短，組網(wǎng)靈活，維護(hù)方便，易于擴(kuò)展升級。目前，WMN技術(shù)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(shè)計(jì)、路由算法等多項(xiàng)技術(shù)難題。WMN作為一種新的具有眾多優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)，通過與其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，必將在下一代寬帶無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。
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