無(wú)線Ｍｅｓｈ網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用

鄒志龍　楊　慧

摘要:作為一種新型無(wú)線技術(shù),Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域一直以來(lái)備受關(guān)注。通過(guò)分析它的多級(jí)跳點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以總結(jié)出它比傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有更大的容量、速率和覆蓋范圍;它涉及了智能天線、MAC層多址訪問(wèn)等一系列關(guān)鍵技術(shù),應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

關(guān)鍵詞:Mesh;多級(jí)跳點(diǎn);智能天線;多址訪問(wèn);自適應(yīng)配置;應(yīng)用領(lǐng)域

中圖分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)22-0000-00

0 引言

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異,新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和技術(shù)不斷被提出,其中無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)正倍受科學(xué)家和工程師的關(guān)注。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)又稱無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng),它融合了無(wú)線局域網(wǎng)WLAN和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì),是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網(wǎng)絡(luò),它可以和多種寬帶無(wú)線接入技術(shù)如802.11、802.16、802.20以及3G移動(dòng)通信等技術(shù)相結(jié)合,組成一個(gè)含有多跳無(wú)線鏈路的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它可以大大增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍,同時(shí)可以提高無(wú)線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性,是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無(wú)線接入技術(shù)。

1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無(wú)線Mesh網(wǎng)是低功率的多級(jí)跳點(diǎn)(multi-hop)系統(tǒng),它是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳統(tǒng)的無(wú)線接入技術(shù)中,主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一般都存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)一方面與各個(gè)無(wú)線終端通過(guò)單跳無(wú)線鏈路相連,控制各無(wú)線終端對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn);另一方面,中心節(jié)點(diǎn)又通過(guò)有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連,提供到骨干網(wǎng)的連接。而無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào),它采用網(wǎng)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),也可以說(shuō)是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)相臨其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),以無(wú)線多跳方式相連。它們處理消息的方式是把信息包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn),直到信息包到達(dá)目的地。傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)過(guò)濾掉所有信息包,只留下自己的信息包,而網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收要傳給其它節(jié)點(diǎn)的信息包,并把它們?cè)俅蝹魉统鋈?。每個(gè)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以作為接入終端,也可具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能,具有極高的組網(wǎng)自由度。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)提供從源頭到目的地的多條冗余通信路徑。如果一條路徑由于硬件故障或干擾而停止工作,網(wǎng)狀網(wǎng)會(huì)自動(dòng)改變信息包的路由,使它們穿過(guò)一條替代路徑。

無(wú)線Mesh技術(shù)的出現(xiàn),代表著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的又一大跨越,它將傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線“熱點(diǎn)”擴(kuò)展為真正大面積覆蓋的無(wú)線“熱區(qū)”。

2 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

Mesh網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)方面不僅要考慮需無(wú)線傳輸中的各種問(wèn)題,如天線設(shè)計(jì)、多址接入、控制等,還需要考慮各種網(wǎng)絡(luò)層功能的實(shí)現(xiàn)以及上下層功能之間的相互影響,這就使得無(wú)線Mesh網(wǎng)的設(shè)計(jì)要更復(fù)雜。其涉及到的關(guān)鍵技術(shù)如下:

2.1 智能天線技術(shù)

當(dāng)采用定向天線時(shí),用戶節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)方式連接,降低了所需的發(fā)射功率,同時(shí)也減少路徑之間的同頻干擾,能夠?qū)崿F(xiàn)很高的頻譜效率,但是存在一些其他方面的問(wèn)題,每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)需要多個(gè)定向天線和射頻單元,任意兩點(diǎn)之間都需要精確的對(duì)準(zhǔn),當(dāng)有節(jié)點(diǎn)加入或退出網(wǎng)絡(luò)時(shí),網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,需要重新調(diào)整定向天線,增加了使用難度。另一種方案是采用全向天線或區(qū)域天線,但由于多個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)要共享同一無(wú)線信道,系統(tǒng)的頻譜效率將會(huì)大大降低。更合適的方案是采用智能天線技術(shù),智能天線是具有測(cè)向和波束成形能力的天線陣列,使用智能天線技術(shù),用戶節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)周圍節(jié)點(diǎn)的狀況,在軟件控制下調(diào)整波束方向,分別對(duì)應(yīng)多個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn),起到空分復(fù)用的作用,提高了系統(tǒng)的容量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí),可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)整波束的方向來(lái)重新建立用戶節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。

2.2 MAC層多址訪問(wèn)機(jī)制

無(wú)線mesh網(wǎng)是分布式無(wú)線多跳網(wǎng)狀網(wǎng)?，F(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)MAC機(jī)制大多都是針對(duì)單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的,這種面向單跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的MAC機(jī)制并不適于分布式無(wú)線多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),如802.11WLAN的MAC機(jī)制在無(wú)線鏈路跳數(shù)達(dá)到四跳時(shí),性能下降非常大。同時(shí),在無(wú)線mesh網(wǎng)這種分布式無(wú)線多跳網(wǎng)狀網(wǎng)中,由于實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步和碼管理困難,采用TDMA和CDMA多址接入也比較復(fù)雜。此外,在無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中,還要求能夠有效的進(jìn)行空間頻率重用,以提高網(wǎng)絡(luò)容量。這樣,MAC層機(jī)制設(shè)計(jì)將成為影響無(wú)線mesh網(wǎng)性能和成功與否的關(guān)鍵技術(shù)因素之一。

2.3 自適應(yīng)配置技術(shù)

在無(wú)線Mesh網(wǎng)中,兩相鄰節(jié)點(diǎn)的信道參數(shù),如載干比、延遲擴(kuò)展等,會(huì)受多種因素的影響,例如相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離、新節(jié)點(diǎn)的加入、某些用戶節(jié)點(diǎn)處于不工作狀態(tài)等。自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)的主要思想是根據(jù)傳輸信道的實(shí)際參數(shù)動(dòng)態(tài)改變調(diào)制方式,使得任何時(shí)刻信道的容量都能達(dá)到最大,同時(shí)保證鏈路在惡劣環(huán)境下的可用性。

用戶節(jié)點(diǎn)可以采用不同的調(diào)制技術(shù)與不同的相鄰節(jié)點(diǎn)通信,在同一條路徑上根據(jù)其信道參數(shù)的變化來(lái)更改調(diào)制方式。

另一個(gè)更復(fù)雜的問(wèn)題是,即使某條路徑上能達(dá)到最佳性能,并不意味著在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的總體性能最佳?？赡苄枰獜娜W(wǎng)的角度考慮每條鏈路上的調(diào)制方式的選擇。

2.4 Mesh路由協(xié)議

無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中,mesh路由協(xié)議的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵。首先,在無(wú)線多跳mesh網(wǎng)絡(luò)中,路由協(xié)議不能僅僅根據(jù)“最小跳數(shù)”來(lái)進(jìn)行路由選擇,而要綜合考慮多種性能度量指標(biāo)來(lái)進(jìn)行路由選擇。其次,mesh路由協(xié)議要提供網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性和健壯性支持,能夠在無(wú)線鏈路失效時(shí),迅速選擇替代鏈路避免業(yè)務(wù)提供中斷。第三,mesh路由協(xié)議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,盡量最大限度利用系統(tǒng)資源。第四,路由協(xié)議要求能同時(shí)支持mesh路由器和mesh終端。對(duì)于靜止不動(dòng)的mesh路由器,由于沒(méi)有功耗限制,可以采用比現(xiàn)有adhoc路由協(xié)議簡(jiǎn)單得多的路由協(xié)議;而對(duì)于mesh終端,則需要采用類似adhoc的路由協(xié)議。這樣,就需要一種行之有效的路由協(xié)議能夠自適應(yīng)支持mesh路由器和mesh終端。

2.5 寬帶Qos業(yè)務(wù)支持

與adhoc網(wǎng)絡(luò)不同,無(wú)線mesh網(wǎng)的大多數(shù)應(yīng)用都是具有不同Qos要求的寬帶業(yè)務(wù)。這樣,除了端到端時(shí)延和公平性以外,還需要在通信協(xié)議中考慮時(shí)延抖動(dòng)、聚合吞吐量、每節(jié)點(diǎn)吞吐量以及分組丟失率等性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.6 無(wú)線交換技術(shù)

交換方式的選擇對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)性能有很大的影響。承載的業(yè)務(wù)滿足多業(yè)務(wù)QoS支持的要求,網(wǎng)絡(luò)層一般使用分組交換?；贗P的分組交換,對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量不能很好保證;ATM需要額外的帶寬消耗和復(fù)雜的協(xié)議;及MPLS。另外,選擇交換方式時(shí)還要考慮到無(wú)線Mesh網(wǎng)的特性,如鏈路的可靠性較差、節(jié)點(diǎn)的加入和退出、多跳對(duì)延時(shí)的影響等。

2.7 安全性

用戶鑒權(quán)和數(shù)據(jù)加密。如何識(shí)別新加入用戶節(jié)點(diǎn)的身份并對(duì)空中傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)進(jìn)行加密保證網(wǎng)的安全性。包括:網(wǎng)絡(luò)管理。如何提供一個(gè)簡(jiǎn)單的界面對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行管理、配置、監(jiān)控、計(jì)費(fèi)等;干擾共存。在使用同一頻段時(shí),如何與其他系統(tǒng),如點(diǎn)到多點(diǎn)固定寬帶無(wú)線接入網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)等共存。

3 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

Mesh網(wǎng)絡(luò)在家庭、企業(yè)和公共場(chǎng)所等諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 家庭

家庭式無(wú)線Mesh聯(lián)網(wǎng)可以連接臺(tái)式PC機(jī)、筆記本和手持計(jì)算機(jī)、HDTV、DVD播放器、游戲控制臺(tái),以及其他各種消費(fèi)類電子設(shè)備,而不需要復(fù)雜的布線和安裝過(guò)程。在家庭Mesh網(wǎng)絡(luò)中,各種家用電器既是網(wǎng)上的用戶,也作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分為其他設(shè)備提供接入服務(wù)。當(dāng)家用電器增多時(shí),這種組網(wǎng)方式可以提供更多的容量和更大的覆蓋范圍。Mesh技術(shù)應(yīng)用家庭環(huán)境中的另外一個(gè)關(guān)鍵好處是它能夠支持帶寬高度集中的應(yīng)用,如高清晰度視頻等。

3.2 企業(yè)

大型企業(yè)用戶相對(duì)集中,通信量大且對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求較高。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)用戶共享帶寬,消除了目前單跳網(wǎng)絡(luò)的瓶頸,并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動(dòng)態(tài)平衡。在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中增加或調(diào)整AP也比有線AP更容易、配置更靈活、安裝和使用成本更低。尤其是對(duì)于那些需要經(jīng)常移動(dòng)接入點(diǎn)的企業(yè),無(wú)線Mesh技術(shù)的多跳結(jié)構(gòu)和配置靈活將非常有利于網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級(jí)。

3.3 學(xué)校

校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與大型企業(yè)非常相似,但也有自己的特點(diǎn)。一是校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大,不僅地域范圍大,用戶多,而且通信量也大,因?yàn)榕c一般企業(yè)用戶相比學(xué)生會(huì)更多地使用多媒體;二是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求高,網(wǎng)絡(luò)必須能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)、室外、禮堂、宿舍、圖書(shū)館和公共場(chǎng)所等之間的無(wú)縫漫游;三是負(fù)載平衡非常重要,由于學(xué)生經(jīng)常要集中活動(dòng),當(dāng)學(xué)生同時(shí)在某個(gè)位置使用網(wǎng)絡(luò)時(shí),就可能發(fā)生通信擁塞現(xiàn)象。采用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)方式組網(wǎng),不僅易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的升級(jí)和調(diào)整,而且能夠?qū)崿F(xiàn)室外和室內(nèi)之間的無(wú)縫漫游。

3.4 高速公路

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以為各類車輛內(nèi)的乘客提供高速移動(dòng)狀態(tài)下的多媒體服務(wù)、定位服務(wù)。如在城鐵、地鐵、公交車、火車上為乘客提供高速網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)、到站提示、車輛定位、實(shí)時(shí)影視、廣告等各類服務(wù)。同時(shí),由于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以兼容Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,因此Wi-Fi終端用戶也可享受移動(dòng)寬帶服務(wù)。

3.5 油田和旅游場(chǎng)所

Mesh非常適合于在那些地理位置偏遠(yuǎn)布線困難或經(jīng)濟(jì)上不合算,而又需要為用戶提供寬帶無(wú)線Internet訪問(wèn)的地方,如旅游場(chǎng)所、度假村、汽車旅館等。Mesh能夠以最低的成本為這些場(chǎng)所提供寬帶服務(wù)。

3.6 醫(yī)院

Mesh還為像醫(yī)院這樣的公共場(chǎng)所提供了一種理想的聯(lián)網(wǎng)方案。由于醫(yī)院建筑物的構(gòu)造密集而又復(fù)雜,一些區(qū)域還要防止電磁輻射,因此是安裝無(wú)線網(wǎng)絡(luò)難度最大的領(lǐng)域之一。醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)主要的特點(diǎn)。一是布線比較困難:在傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式中,需要在建筑物上穿墻鑿洞才能布線,這顯然不利于網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的變化。二是對(duì)網(wǎng)絡(luò)的健壯性要求很高: 如果醫(yī)院里有重要的活動(dòng)(如手術(shù)),網(wǎng)絡(luò)任何可能的故障都將會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的后果。 采用無(wú)線Mesh組網(wǎng)則是解決這些問(wèn)題的理想方案。如果要對(duì)醫(yī)院無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行調(diào)整,只需要移動(dòng)現(xiàn)有的Mesh節(jié)點(diǎn)的位置或安裝新的Mesh節(jié)點(diǎn)就可以了,過(guò)程非常簡(jiǎn)單,安裝新的Mesh節(jié)點(diǎn)也非常方便。而無(wú)線Mesh的健壯性和高帶寬也使它更適合于在醫(yī)院中部署。

3.7 應(yīng)急通訊

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可作為公共安全及城市監(jiān)管部門/應(yīng)急指揮的通訊平臺(tái) - 特種行業(yè)特定應(yīng)用。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括:特定區(qū)域的公共安全,應(yīng)急通訊,軍隊(duì)/特警部隊(duì)的相關(guān)應(yīng)用,警察局、消防部門、國(guó)土安全局等建立的專網(wǎng),采用2.4G/4.9G雙頻點(diǎn)。需要支持的基本業(yè)務(wù)技術(shù)包括:提供指揮、調(diào)度、監(jiān)控、定位、數(shù)據(jù)采集,IP視頻監(jiān)控,實(shí)時(shí)上行視頻傳送,Adhoc應(yīng)用。營(yíng)運(yùn)模式擬采用由特種行業(yè)自行建設(shè)及維護(hù)。

在公共安全和緊急救助行業(yè)中,大多數(shù)工作人員都處于移動(dòng)狀態(tài),因此在通信方面必須依賴于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以滿足其對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)度、移動(dòng)視頻監(jiān)控、車輛/人員定位、移動(dòng)指揮車應(yīng)急通信等業(yè)務(wù)需求。應(yīng)急指揮車輛或現(xiàn)場(chǎng)工作人員只要有一臺(tái)筆記本電腦或者手持終端就可以通過(guò)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)人員之間及與總部保持視頻、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音通信。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)無(wú)疑是需要快速部署或臨時(shí)安裝的場(chǎng)景最方便經(jīng)濟(jì)有效的組網(wǎng)方法,應(yīng)急通訊也是無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)的最初出發(fā)點(diǎn)。

應(yīng)急通訊可分為如下幾大類:因發(fā)生自然災(zāi)害時(shí)的通信保障:洪水、地震、臺(tái)風(fēng)、泥石流、雪災(zāi)等;因發(fā)生公共衛(wèi)生突發(fā)事件時(shí)的通信保障:重大疫情、重大傷亡救治等;因發(fā)生社會(huì)安全突發(fā)事件時(shí)的通信保障:大規(guī)模集會(huì)、游行以及恐怖暴力事件等;因舉行重大活動(dòng)時(shí)的通信保障:國(guó)事會(huì)議、大型體育運(yùn)動(dòng)會(huì)、大型展覽、軍事演習(xí)等;因電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)自身運(yùn)營(yíng)事故導(dǎo)致企業(yè)自身網(wǎng)絡(luò)發(fā)生重大異?；蛑袛嗲闆r時(shí)的通信保障。

4 結(jié)論

總之,作為一種新型的網(wǎng)絡(luò),由于其組網(wǎng)快速靈活,接入速率高,覆蓋范圍廣,投資較小,技術(shù)相對(duì)成熟,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)間短,便于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn),將對(duì)于網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商具有巨大的誘惑力。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)既是WLAN的延伸,又可以作為3G的補(bǔ)充,也可以與WiMAX相輔相成,亦解決了無(wú)線接入的“最后一公里”的瓶頸問(wèn)題。因而無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將給無(wú)線寬帶網(wǎng)領(lǐng)域帶來(lái)重大的變革。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙紅禮.無(wú)線局域網(wǎng)[M].北京:科學(xué)出版社,2004:103-127.

[2] 段水福,歷曉華,段煉.無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].浙江:淅江大學(xué)出版社,2007:133-136.

[3] 汪濤.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:155-171.