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，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
隨著全球無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)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(shù)引起了學(xué)術(shù)界和寬帶接入市場的關(guān)注——無線Mesh網(wǎng)，即無線網(wǎng)狀網(wǎng)WMN(Wireless Mesh Network)。WMN是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài)，不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)相結(jié)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(yīng)用前景的無線寬帶接入技術(shù)，可提供個域網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)范圍的無線接入服務(wù)，目前國內(nèi)外已有眾多學(xué)者和科研單位對它進(jìn)行研究，且已有一定的商業(yè)應(yīng)用，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在制定當(dāng)中。
1 WMN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
WMN是一種網(wǎng)內(nèi)節(jié)點可隨意分布并與相鄰節(jié)點相互連接而形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)發(fā)能力，可作為網(wǎng)關(guān)或路橋接入其他網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)卡、天線的用戶終端，具有一定的分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，但不具備網(wǎng)關(guān)功能，支持移動，可由電池供電[1]。
骨干網(wǎng)" title="骨干網(wǎng)">骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。WMN中MR網(wǎng)狀互連形成WMN骨干網(wǎng),再通過Mesh網(wǎng)關(guān)路由器與Internet或其他無線網(wǎng)(WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網(wǎng)絡(luò))相連，為用戶端提供接入服務(wù)。圖1中大橢圓內(nèi)就是由MR組成WMN的骨干網(wǎng)結(jié)構(gòu)，客戶端" title="客戶端">客戶端和其他無線網(wǎng)絡(luò)可通過MR接入WMN。
客戶端Mesh結(jié)構(gòu)如圖2所示。僅由MC網(wǎng)狀互連組成了WMN客戶端網(wǎng)?？蛻舳私M成一個能提供路由和配置功能的小型局域網(wǎng)，在用戶間提供點到點服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點不需要具備網(wǎng)關(guān)功能，所以網(wǎng)絡(luò)中無需MR?？蛻舳薓esh結(jié)構(gòu)的WMN等同于Ad Hoc網(wǎng)：任意節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包可經(jīng)由多個節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)抵達(dá)目的節(jié)點。雖然節(jié)點不需要有網(wǎng)關(guān)和中繼功能,但路由和自組織能力是必須的。
混合結(jié)構(gòu)如圖3所示。Mesh客戶端結(jié)構(gòu)可以通過MR接入Mesh骨干網(wǎng)從而形成以上兩種結(jié)構(gòu)的綜合。這種混合結(jié)構(gòu)提供與其他網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)接口的客戶端以有線連接MR，并接入WMN?；旌辖Y(jié)構(gòu)是WMN最常用的結(jié)構(gòu)。
2 WMN的特點
(1)多跳路由。WMN采用Ad Hoc式的多跳路由技術(shù)，與傳統(tǒng)單跳無線網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)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(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運行，在出現(xiàn)節(jié)點、鏈路故障時也可自動調(diào)整完成網(wǎng)絡(luò)自愈。
(3)多種網(wǎng)絡(luò)接入與融合。在WMN中，既支持無線終端接入骨干網(wǎng)，又支持終端之間的對等通信。此外，把WMN技術(shù)與其他無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，通過骨干網(wǎng)為這些無線網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供接入業(yè)務(wù)?；诂F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)的WMN在支持原標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上與這些標(biāo)準(zhǔn)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(guān)。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(shè)計和優(yōu)化。
3 與其他幾種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(wǎng)，能在大范圍內(nèi)提供高連通性和健壯性的接入服務(wù)，還可通過Mesh網(wǎng)關(guān)融合其他無線網(wǎng)；Ad Hoc僅由用戶終端組網(wǎng)，不存在專門提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)的骨干網(wǎng)，節(jié)點不具備網(wǎng)關(guān)橋接功能，只限于局域組網(wǎng)。(2)Ad Hoc終端的移動性和不可靠性使其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、鏈路變化較大，給路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，同時MR無能耗限制，簡化了設(shè)計難度。(3)Ad Hoc中每個終端設(shè)備都要為所有其他節(jié)點執(zhí)行路由轉(zhuǎn)發(fā)功能；在WMN中，雖然MC也有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，但主要由MR執(zhí)行，大大減輕了MC的負(fù)載。(4)Ad Hoc主要業(yè)務(wù)是網(wǎng)內(nèi)點到點的通信，而WMN主要是往來于互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)[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(jìn)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(wù)。但目前實際運行當(dāng)中的3G數(shù)據(jù)傳輸速率還不理想，且巨額的牌照費、技術(shù)、終端問題使3G的發(fā)展受到限制。WMN與3G業(yè)務(wù)相近，但二者定位不同：3G定位在廣域網(wǎng)，依賴于大規(guī)模布網(wǎng)，周期長；而WMN基于IP，定位于城域網(wǎng)，組網(wǎng)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(wǎng)應(yīng)用。與3G相比，WMN大大提高了帶寬(能達(dá)到54Mbps，甚至更高)，大大降低了骨干網(wǎng)的建設(shè)成本和風(fēng)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(wǎng)技術(shù)，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(wǎng)方式：點到多點(PMP)模式和Mesh模式。前者基站承擔(dān)移動臺的接入與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，業(yè)務(wù)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(wǎng)方式將帶來性能的改進(jìn)：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(yīng)用
WMN的應(yīng)用場景和應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，它能實現(xiàn)家庭寬帶個域網(wǎng)、樓宇自動化網(wǎng)絡(luò)、社區(qū)組網(wǎng)、交通醫(yī)療系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、校園組網(wǎng)、企業(yè)組網(wǎng)以及城域組網(wǎng)等多層次、大范圍的無線應(yīng)用。
此外，WMN還可以與其他無線技術(shù)(如固定無線接入和WLAN等)相結(jié)合,實現(xiàn)城域范圍內(nèi)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(wǎng)關(guān)節(jié)點需要連接到主干網(wǎng)接口上, 若接口采用有線技術(shù)將受到一定限制。將上述兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，通過固定寬帶接入系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點到骨干網(wǎng)的接入將是一種非常有效的方案。同理，WMN也可以與WLAN結(jié)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(wǎng)絡(luò)出口。WMN與其他無線接入技術(shù)的結(jié)合如圖4所示。Mesh網(wǎng)關(guān)路由器(圖中黑點表示)同時充當(dāng)固定無線基站的接收端和WLAN的接入點，將兩者有效結(jié)合。
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)化擴展服務(wù)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(wǎng)；802.15無線個域網(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研究實驗室在一個稱為網(wǎng)狀連接層(MCL)的軟件模塊上實現(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)實驗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方案也得到不少運營商的關(guān)注。
6 關(guān)鍵技術(shù)
在WMN的設(shè)計中, 不僅需要解決無線傳輸中的天線設(shè)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(shè)計遠(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)中運用。這些高級物理層無線電技術(shù)的開發(fā)設(shè)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(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行整體設(shè)計,以便最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)性能。
6.2 MAC層多址訪問機制
WMN是分布式多跳無線網(wǎng)狀網(wǎng)?，F(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)MAC機制大多都是針對單跳無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，并不適于WMN?，F(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(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層機制設(shè)計將成為影響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(shù)特點和優(yōu)勢來自于Mesh多跳路由，路由協(xié)議設(shè)計成其關(guān)鍵技術(shù)之一。由于WMN與Ad Hoc特點相似，其路由協(xié)議設(shè)計可參考Ad Hoc現(xiàn)有的路由協(xié)議。WMN路由設(shè)計時應(yīng)能適應(yīng)其結(jié)構(gòu)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(jìn)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(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)計中。
(2)多徑路由。WMN路由協(xié)議要提供網(wǎng)絡(luò)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(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)計的難度。多信道路由的關(guān)鍵在于信道分配和算法設(shè)計。
(4)節(jié)點自適應(yīng)。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(yīng)MR和MC。
(5)分級路由。為解決在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大時網(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、簇間先驗路由)，分別發(fā)揮其優(yōu)點，實現(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，一個經(jīng)常出現(xiàn)的問題是：當(dāng)所有用戶同時訪問同一個熱點資源時，如視頻點播，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
WMN不同于有線和傳統(tǒng)無線單跳網(wǎng)，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?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：一是在設(shè)計單層協(xié)議時引入其他層次的性能因素，尤其在設(shè)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(shè)計路由算法的一個性能依據(jù)。二是集幾個層次協(xié)議設(shè)計于一體，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)計為一體。第二種方案通常更有效。目前WMN跨層設(shè)計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)能機制、基于QoS需求的跨層MAC協(xié)議設(shè)計和路由協(xié)議設(shè)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(dá)接收端之前可能要通過多個未授權(quán)的節(jié)點，這會給黑客們創(chuàng)造可乘之機。當(dāng)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(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(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)時間短，組網(wǎng)靈活，維護(hù)方便，易于擴展升級。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、路由算法等多項技術(shù)難題。WMN作為一種新的具有眾多優(yōu)點的技術(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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