無線Mesh網(wǎng)絡技術發(fā)展分析

鄭海虹

摘要：無線Mesh網(wǎng)絡（WMN，Wireless Mesh Network，也稱無線網(wǎng)格網(wǎng)）是一種新型的無線寬帶接入網(wǎng)絡，近年受到人們的高度重視并取得了快速發(fā)展。文章介紹了WMN的特點、體系結構和應用，客觀地探討了WMN的理論網(wǎng)絡容量以及WMN發(fā)展所需解決的若干問題。

關鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡；多跳；容量分析

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）09-2077-04

1 WMN簡介

因特網(wǎng)業(yè)務的不斷增長促使了通信技術的快速發(fā)展，各種無線網(wǎng)絡逐漸出現(xiàn)，形成了下一代網(wǎng)絡，它們能夠提供更好的接入服務。大約在20世紀90年代中期出現(xiàn)了一種重要無線網(wǎng)絡技術，即無線Mesh網(wǎng)絡（WMN，Wireless Mesh Network，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)等）[1]。WMN是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡結構，是一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡。

WMN具有動態(tài)自組織、自配置的特性，網(wǎng)絡中的結點自動建立并維護它們之間的網(wǎng)格連接。這些特性使WMN具有許多優(yōu)點，比如前期投入成本低、網(wǎng)絡維護方便、健壯性好和服務覆蓋范圍增大。WMN中的Mesh路由器具有網(wǎng)關/網(wǎng)橋功能，這使得WMN能夠與多種現(xiàn)有無線網(wǎng)絡（比如蜂窩網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)、Wi-Fi、WiMAX、WiMedia互操作，可實現(xiàn)網(wǎng)絡融合。

2 WMN網(wǎng)絡體系結構

WMN采用網(wǎng)格狀的拓撲結構。WMN中包含兩種結點：Mesh路由器結點和Mesh客戶結點。Mesh路由器具有特殊的路由功能以支持Mesh網(wǎng)絡。為提高Mesh網(wǎng)絡的靈活性，Mesh路由器通常配有多個無線接口，這些接口可自行選用相同或不同的無線接入技術。無線Mesh路由器通過多跳接力的方式擴大覆蓋范圍。Mesh客戶結點具有Mesh網(wǎng)絡所必須的功能（也可作為路由器使用），通常只有一個無線接口。Mesh客戶結點的軟硬件都比Mesh路由器的簡單許多，但設備形式更多樣化，可以是便攜/臺式PC、掌上電腦、PDA、IP電話、RFID閱讀器、控制器等。

根據(jù)結點的功能，WMN的體系結構可分為三大類：骨干WMN、客戶WMN、混合WMN。[2]

2.1 骨干WMN

骨干WMN的體系結構如圖1所示，虛線、實線分別表示無線連接、有線連接。骨干WMN由Mesh路由器構成基礎設施。骨干WMN可使用多種無線電技術，用得最多的是IEEE 802.11。Mesh路由器之間形成了具有自配置、自修復連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡。由于具有網(wǎng)關功能，Mesh路由器可連接到Internet，使WMN能夠通過Mesh路由器的網(wǎng)關/網(wǎng)橋功能與現(xiàn)存有線網(wǎng)絡相融合。骨干WMN是最普遍使用的類型。

2.2 客戶WMN

客戶WMN中不需要Mesh路由器，完全由客戶結點組成實際網(wǎng)絡、執(zhí)行路由和配置功能并為用戶提供終端用戶應用，其結構如圖2所示。在客戶WMN中，向網(wǎng)絡中某個結點發(fā)送的數(shù)據(jù)包需經過多個結點（多跳）才能到達目標結點。客戶WMN通常使用同一種無線電技術來構成。與骨干WMN相比，客戶WMN需要增強客戶WMN中的終端用戶設備的功能。

2.3 混合WMN

混合WMN是骨干WMN和客戶WMN的組合，其結構如圖3所示。Mesh客戶可通過Mesh路由器接入網(wǎng)絡，也可直接與其它Mesh客戶通訊。骨干WMN提供與其它網(wǎng)絡（Internet、Wi-Fi、WiMAX、蜂窩網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡）的連接；客戶的路由能力提供了WMN內的增強連接和覆蓋?；旌象w系結構適用于各種情況。

3 WMN的結構特點

3.1 多跳無線網(wǎng)絡

WMN在不犧牲當前信道容量的前提下，擴展了當前無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，為位于非可視范圍內的用戶提供非可視距離連接。為實現(xiàn)這些目標，必須采用多跳的網(wǎng)絡連接方式。多跳連接方式使用較短距離的鏈路，因而沒有犧牲無線電的有效覆蓋范圍、可減少結點間的干擾、更有效地實現(xiàn)頻率復用，最終提供更高的系統(tǒng)吞吐量。

3.2 具備自形成、自恢復和自組織能力

由于具有靈活的網(wǎng)絡結構、容易配置、容錯能力和網(wǎng)格連通性（如多點到多點的連接），WMN增強了網(wǎng)絡性能?；赪MN的這些特性，WMN的前期投資較低，并且網(wǎng)絡可按需逐步擴展。

3.3 移動性

Mesh路由器通常有較低的移動性，而Mesh客戶可能是靜止結點也可能是移動結點。

3.4 多種網(wǎng)絡接入方式

在WMN中，支持回程接入Internet和P2P通訊。另外，可通過WMN實現(xiàn)將WMN與其它無線網(wǎng)絡的集成，并對這些網(wǎng)絡的終端用戶提供服務。

3.5 功耗限制

通常，Mesh路由器在功耗方面沒有嚴格的限制。但是Mesh客戶需要高能效協(xié)議。例如，網(wǎng)格功能傳感器需要高功效的通訊協(xié)議。因為無線傳感器網(wǎng)絡首要關注的是電源效率，所以為Mesh路由器優(yōu)化的MAC或路由協(xié)議可能并不適用于Mesh客戶（如傳感器）。

3.6 與其它無線網(wǎng)絡的兼容與互操作

例如，基于IEEE802.11技術構造的WMN必須與IEEE802.11標準相容，同時要與網(wǎng)格和傳統(tǒng)的Wi-Fi客戶端相兼容。這種WMN也要具有與其它無線網(wǎng)絡（如WiMAX、ZigBee和蜂窩網(wǎng)）的互操作性。

4 WMN支持的應用

WMN可支持大量應用，這些應用都具有巨大的市場潛力。根據(jù)WMN的功能，WMN的應用可分為如下幾類。

4.1 Internet接入

各種Internet應用給人們提供了重要的及時信息，使生活更方便，提高了工作效率和生產力。例如，email、搜索引擎（如google）、網(wǎng)上行動（如易趣，eBay）、在線購買、聊天、視頻流等已經成為生活不可少的部分。因此，人們對互聯(lián)網(wǎng)很有興趣。在家庭或中小型商業(yè)環(huán)境中，最主要的網(wǎng)絡接入解決方案仍舊是DSL或有線Modem與IEEE802.11接入點。與這些方法相比，WMN有許多潛在的優(yōu)點：低成本、高速率、易安裝。因此，Internet接入將大大推動WMN的發(fā)展。

4.2 WMN中的分布式信息存儲和共享

這類應用不需要Internet的回程接入。這類應用的用戶只在WMN內部通訊。一個用戶可能需要存儲大量數(shù)據(jù)到另外一個用戶所擁有的磁盤上，或使用P2P網(wǎng)絡技術從其它用戶磁盤上下載文件，或查詢/檢索分布數(shù)據(jù)庫服務器上的信息。WMN內的用戶也可以聊天、視頻通話和玩網(wǎng)絡游戲。在終端用戶上實現(xiàn)這些應用需要在應用層上有某些配套協(xié)議。

4.3 通過多個無線網(wǎng)絡的信息交換

這類應用也不需要接入Internet。例如，蜂窩電話與Wi-Fi電話通過WMN進行通話是不需要Internet的。類似的，Wi-Fi網(wǎng)絡的用戶希望監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡中各個傳感器。所有這些應用必須由應用層終端用戶的新算法或軟件來支持。

5 WMN的網(wǎng)絡容量

WMN的網(wǎng)絡容量受許多因素的影響，如網(wǎng)絡體系結構、網(wǎng)絡拓撲、交通格局、網(wǎng)絡結點密度、每個結點使用的信道數(shù)量、傳輸功率水平、結點移動性。下面簡要地介紹網(wǎng)絡容量與上述因素之間的關系。

5.1 網(wǎng)絡容量分析

可以用Ad Hoc網(wǎng)絡容量方面的研究工作分析WMN的網(wǎng)絡容量。

在文獻[4]中說明：在靜態(tài)多跳網(wǎng)絡中，當結點有6個鄰居結點時，結點將達到最優(yōu)傳輸功率水平。根據(jù)這個值，最佳折衷存在于從源結點到目標結點的跳數(shù)和信道空間利用率之間。這個結論可用于具有最小移動性的WMN的基礎設施。在混合WMN中，迄今還沒有關于移動性的理論性結果。一些實驗性研究，對靜態(tài)網(wǎng)絡的仿真結果證實了[4]的理論結果。

文獻[5]中給出了網(wǎng)絡容量的上下界分析。從結果分析可看出，當結點密度增長時，每個結點的吞吐量急劇下降。文中給出一個提高Ad Hoc網(wǎng)絡容量的重要提示：結點只與附近的結點通訊。并給出兩種實現(xiàn)方案：部署中繼結點和結點簇。當結點與不在其附近的結點進行通訊時，必須經過中繼結點或簇進行。這種方案有一定的限制。第一種方案，為大幅度地提高吞吐量需要大量的中繼結點，增加了網(wǎng)絡成本。第二種方案，在Ad Hoc網(wǎng)絡或WMN中設置簇結點不是一個可取的辦法，因為在分布式系統(tǒng)中難以進行簇的管理。

文獻[6，7]設計了混合網(wǎng)絡體系結構以提高Ad Hoc網(wǎng)絡容量。在混合體系結構里，結點只與附近的結點通訊。如果需要與幾跳距離遠的結點通訊，使用有線網(wǎng)絡，由基站或接入點對包進行中轉?；旌象w系結構可提高Ad Hoc網(wǎng)絡的容量，但還不適用于多數(shù)應用，因為在許多Ad Hoc網(wǎng)絡中并不存在基站間的有線連接。

文獻[8]提出的方案通過利用結點的移動性增加了Ad Hoc網(wǎng)絡的容量。當某一結點需要向另一結點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，只有當目標結點在源結點附近時，源結點才進行發(fā)送。因此，借助于結點的移動性，結點只與自己附近的結點通訊。這種方案也有限制：傳輸延遲會變得很大，結點需要的緩沖區(qū)也很大。

文獻[5]中分析的方法極大地推動了對Ad Hoc網(wǎng)絡容量的研究?？墒牵€有一定的局限性。網(wǎng)絡協(xié)議還沒有全部被分析到。例如，通常用來提高網(wǎng)絡容量的分析中沒有考慮能量控制機制。另外一個例子的分析中也沒有考慮到Ad Hoc路由協(xié)議的全部特點。在任何一個路由協(xié)議中，包的路由不一定要沿著源結點和目標結點之間的直線方向進行，因為路由協(xié)議是根據(jù)某些度量（如跳數(shù)、鏈路質量等）來確定路徑的。

在實際網(wǎng)絡中，理論容量值的適用性仍然不清楚。文獻[9]對文獻[5]中的理論結果與基于IEE802.11的Ad Hoc網(wǎng)絡進行了比較。但是進行這項研究的前提是假定在大型Ad Hoc網(wǎng)絡中流量方式是區(qū)域的，因此結點只與附近的結點通訊。這個假想在現(xiàn)實網(wǎng)絡中不會總是成立的，除非網(wǎng)絡是有意按此方式來設計的。目前，大部分分析方法采用漸近分析。由這種方法推出的容量上界或下界值并不能真正說明給定結點數(shù)的Ad Hoc網(wǎng)絡的真實容量，特別是當結點數(shù)量較小時。近來，文獻[10]中提出一種分析方法來研究WMN的確切容量。這種分析利用WMN的低移動性來簡化研究。文獻[10]的分析方法包含三個不一定有效的假設：所有結點的流量都被送到一個網(wǎng)關，但在WMN中情況并不如此；每個結點對帶寬公平共享?？墒?，當網(wǎng)絡結點之間距離不同時，這個假設無效；單向傳輸很容易被擴展為雙向傳輸。但，如果是雙向傳輸，則網(wǎng)絡容量將完全不同。

5.2 開放研究課題

仍然有許多關于WMN容量分析的課題需要進行研究，原因如下：

Ad Hoc或WMN的容量理論值都在在一些簡化假定下推出的。根據(jù)關鍵因素（如傳輸功率水平、流量方式、優(yōu)化路由等）推出新的理論值仍然是具有挑戰(zhàn)性的研究方向。

在Ad Hoc網(wǎng)絡的容量分析已經取得了許多研究成果，由于WMN與Ad Hoc的區(qū)別，WMN還沒有進行徹底研究。關于Ad Hoc網(wǎng)絡容量和結點密度優(yōu)化的研究成果不能直接應用于WMN。

增加WMN容量的重要技術在Ad Hoc網(wǎng)絡的分析模型中并未加以考慮，例如，單頻多信道或多頻單結點。這就產生一個重要的問題：對網(wǎng)絡結點來說，優(yōu)化信道或頻率數(shù)值是多少。

6 結論

目前，WMN發(fā)展迅速，有多項鼓舞人心的成果。WMN將為個人、區(qū)域、校園、城市提供大量多樣化的無線服務。我們可使用現(xiàn)有的技術來構造WMN，但現(xiàn)有WMN的性能仍舊遠遠低于人們的期望。還有許多問題和技術有待解決。

為實現(xiàn)可擴展性，必須開發(fā)WMN的新MAC、路由和傳輸協(xié)議；目前的WMN只能部分實現(xiàn)自組織和自配置；目前WMN的安全措施可以在指定協(xié)議層有效防止某些特別攻擊，但缺少在不同協(xié)議層上阻止或反擊的綜合機制；WMN在集成異構無線網(wǎng)絡的方面能力非常有限；依靠單層協(xié)議的改進不能夠全部解決所有的問題，從物理到應用層的所有協(xié)議都需要改進或重寫，為達到優(yōu)化性能需要在這些層之間進行跨層設計。

WMN是下一代無線網(wǎng)絡很有前途的技術，眾多的應用加快了WMN的發(fā)展。WMN技術還處于初級階段，要充分發(fā)揮其潛力，還需要做更多的研究工作。

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