無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在智慧城市中的應(yīng)用研究

劉紀(jì)偉，陳洪偉

（1.國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心河北分中心，河北石家莊050021；2.石家莊市京昆高速公路京石管理處，河北石家莊050204）

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在智慧城市中的應(yīng)用研究

劉紀(jì)偉1，陳洪偉2

（1.國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全管理中心河北分中心，河北石家莊050021；2.石家莊市京昆高速公路京石管理處，河北石家莊050204）

智慧城市的建設(shè)過(guò)程中面臨著現(xiàn)有多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合以及熱點(diǎn)區(qū)域高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難題?；跓o(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以Internet為核心網(wǎng)絡(luò)的分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，以IP協(xié)議作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連協(xié)議，利用IP架構(gòu)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。利用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳無(wú)線通信和自動(dòng)配置拓?fù)浣M網(wǎng)的特性，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，將很好地滿足未來(lái)智慧城市的覆蓋需求。

智慧城市；無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合；自組織網(wǎng)絡(luò)

0 引言

智慧城市[1]是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，其目標(biāo)是利用新一代信息和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市的智慧管理和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而使人們?cè)诔鞘械纳罡憬?、美好、和諧。智慧城市是城市在信息化進(jìn)程中的一個(gè)必然階段，單從技術(shù)角度來(lái)看，智慧城市要求以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能感知、泛在互聯(lián)、普適計(jì)算和融合應(yīng)用。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是智慧城市的“神經(jīng)”和“血管”，承載未來(lái)智慧城市中的高速數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到未來(lái)城市的規(guī)模，可以預(yù)見(jiàn)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)需要具有高帶寬、高可靠性、覆蓋范圍廣、易于擴(kuò)展等特性，同時(shí)還要具有相對(duì)較低的布線成本。

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)[2-3]（Wireless Mesh Networks，WMNs）是新一代的大規(guī)模、高性能無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，具有智慧城市對(duì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)所要求的特性。因此無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)智慧城市高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。

本文首先簡(jiǎn)要介紹了WMNs的架構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，之后詳細(xì)闡述了作為高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，WMNs在智慧城市中的應(yīng)用，然后對(duì)WMNs當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、研究重點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了討論，最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)介紹

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、自配置的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成WMNs的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只有兩種：Mesh路由器（Mesh Router，MR）和Mesh終端（Mesh Client，MC），其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在WMNs中，MR以無(wú)線互聯(lián)的方式構(gòu)成WMNs骨干網(wǎng)，WMNs骨干網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)MR以有線的方式與Internet相連。MR不僅作為AP（Access Point）為覆蓋范圍內(nèi)的MCs提供無(wú)線連接，同時(shí)作為路由器為其他MR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，MCs與覆蓋區(qū)域內(nèi)的MR建立無(wú)線連接，以無(wú)線多跳的方式通過(guò)網(wǎng)關(guān)MR接入Internet。相比傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)，WMNs具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）所有MR之間以多跳無(wú)線連接方式通信，提供了更廣的覆蓋范圍；（2）WMNs骨干網(wǎng)MR之間多點(diǎn)到多點(diǎn)的連接保證了網(wǎng)絡(luò)的高可靠性；（3）WMNs本身的無(wú)線自組織特性易于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展覆蓋；（4）只有網(wǎng)關(guān)MR與Internet之間是有線連接，網(wǎng)絡(luò)布線成本大大降低。

目前IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)為WMNs專門制定了IEEE 802.11s協(xié)議，通過(guò)在WLAN AP間建立無(wú)線連接，擴(kuò)展WLAN的覆蓋范圍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AP之間的自配置組網(wǎng)，WMNs技術(shù)將會(huì)不斷得到發(fā)展。

2 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在智慧城市中的應(yīng)用

目前關(guān)于智慧城市的探討、研究很多，真正意義上的智慧城市本質(zhì)是可持續(xù)發(fā)展，這種可持續(xù)發(fā)展包括經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。智慧城市是一個(gè)由多個(gè)相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其中以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的信息子系統(tǒng)是智慧城市的物理基礎(chǔ)，信息技術(shù)也是智慧城市形成的最主要推動(dòng)力。具體來(lái)講，信息技術(shù)主要包括感知層技術(shù)，如傳感器技術(shù)、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)等；網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，如寬帶城域網(wǎng)、高速接入網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)等；應(yīng)用層技術(shù)，如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。其中，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)做為感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，在智慧城市的建設(shè)中發(fā)揮的作用越來(lái)越重要。

2.1 融合現(xiàn)有多種無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前多種無(wú)線通信技術(shù)并存，且相對(duì)獨(dú)立，造成了相互干擾、資源浪費(fèi)、無(wú)法切換等問(wèn)題。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以和多種寬帶無(wú)線接入技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合與協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的無(wú)縫傳輸。

利用WMNs構(gòu)建基于IP架構(gòu)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的融合，如圖2所示。這是一種分層體系結(jié)構(gòu)，基于IP的Internet作為核心網(wǎng)路，并將IP協(xié)議作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連協(xié)議，WMNs骨干網(wǎng)中的MR作為接入路由器（Access Router，AR）向下連接2G/ 3G網(wǎng)絡(luò)、WLAN等不同接入網(wǎng)絡(luò)的基站或接入點(diǎn)，向上則連接網(wǎng)關(guān)MR充當(dāng)?shù)腎nternet接入網(wǎng)關(guān)（Gateway，GW）接入Internet核心網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)關(guān)同時(shí)還為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換提供支持。

圖2 基于IP的分層融合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

利用WMNs構(gòu)建的這種基于IP核心網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)，不僅具有很好的可擴(kuò)展性，而且充分利用了現(xiàn)有的Internet基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，因此降低了網(wǎng)絡(luò)融合的技術(shù)復(fù)雜度和建設(shè)成本，從而縮短了建設(shè)周期。該架構(gòu)在可擴(kuò)展性、技術(shù)復(fù)雜度、建設(shè)成本和建設(shè)周期方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)，非常適合用于智慧城市建設(shè)中各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。

2.2 構(gòu)建高速數(shù)據(jù)網(wǎng)路

圖3所示為WMNs實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的架構(gòu)。下層以MR作為AP為覆蓋范圍內(nèi)的終端提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，上層以MR作為網(wǎng)關(guān)將覆蓋范圍內(nèi)的終端接入Internet核心網(wǎng)絡(luò)。MR之間基于IP協(xié)議建立無(wú)線連接，通過(guò)自動(dòng)配置拓?fù)鋪?lái)組網(wǎng)。相比傳統(tǒng)的WLAN覆蓋方式，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是MR不僅作為AP提供網(wǎng)絡(luò)接入，同時(shí)還作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他MR的報(bào)文，并能夠自動(dòng)建立和維護(hù)連接，這些特點(diǎn)首先使得該網(wǎng)絡(luò)易于部署，具有很好的擴(kuò)展性，其次MR之間的多跳無(wú)線通信擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，最后MR多點(diǎn)之間的連接增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，可以很好地滿足智慧城市中區(qū)域覆蓋的要求。

3 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展

圖3 WMNs網(wǎng)絡(luò)覆蓋架構(gòu)

相比傳統(tǒng)的WLAN技術(shù)，WMNs的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于以較低的布線成本實(shí)現(xiàn)更廣覆蓋且易于擴(kuò)展，同時(shí)具有更高的帶寬和可靠性。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，多跳無(wú)線傳輸路徑的增加會(huì)極大地降低端到端的吞吐量；為了保證帶寬需求和可靠性傳輸，額外的協(xié)議開銷會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，影響網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)前WMNs受到了廣泛關(guān)注和深入研究，其中研究的重點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化[4]，主要包括WMNs路由協(xié)議、信道分配、路由和信道聯(lián)合優(yōu)化以及拓?fù)湟?guī)劃。

（1）WMNs路由協(xié)議

在WMNs中，移動(dòng)終端通過(guò)無(wú)線多跳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)MR，期間需經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸，這就可能導(dǎo)致很大的鏈路時(shí)延，所以WMNs需要高性能的路由協(xié)議。最小跳數(shù)路由算法（Minimum Hop Routing Algorithm，MHRA）和最短路徑路由算法（Shortest Path Routing Algorithm，SPRA）是最易于實(shí)現(xiàn)也是目前廣泛使用的兩種路由算法，但這兩種算法沒(méi)有考慮負(fù)載均衡，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，從而造成較大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。隨著WMNs網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，WMNs節(jié)點(diǎn)也會(huì)增加，鄰居節(jié)點(diǎn)的增加可以為數(shù)據(jù)傳輸提供冗余鏈路以提高可靠性，但如果路由選擇不當(dāng)，過(guò)多的跳數(shù)也會(huì)使得傳輸時(shí)延大大增加。一種基于鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)（Link State Prediction，LSP）的時(shí)延感知路由算法（Delay Aware Routing Algorithm，DARA）成為研究熱點(diǎn)。首先通過(guò)鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，計(jì)算出每條鏈路的估計(jì)時(shí)延，根據(jù)時(shí)延大小為鏈路分配權(quán)重系數(shù)，從低于預(yù)設(shè)時(shí)延閾值的鏈路中選出K個(gè)權(quán)重最小的鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以避免所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都選擇同一條鏈路，從而減少擁塞的發(fā)生。

（2）信道分配

IEEE 802.11 b/g標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了11條無(wú)線信道，其中3條為正交信道，其余8條為部分重疊信道。盡管重疊信道之間同信道干擾相對(duì)小很多，但目前仍然盡量避免使用它們，原因是它們引入了鄰信道干擾。目前已有學(xué)者提出了利用重疊信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ⒆C明可以消除由此引入的鄰信道干擾，這成為了信道分配研究方面的一個(gè)熱點(diǎn)。

（3）路由和信道聯(lián)合優(yōu)化

路由協(xié)議性能的好壞關(guān)系到鏈路時(shí)延的大小，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)性能，信道分配算法決定節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的信道資源，影響鏈路的容量、時(shí)延等特征，從而影響感知路由協(xié)議的路由選擇，所以路由和信道分配關(guān)系密切。為了最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)性能，應(yīng)該考慮路由和信道的聯(lián)合優(yōu)化，這方面也有不少學(xué)者正在從事相關(guān)研究工作。

（4）拓?fù)湟?guī)劃

路由協(xié)議和信道分配都是針對(duì)已有的WMNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行性能優(yōu)化，不合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃會(huì)壓縮性能優(yōu)化的空間，因此拓?fù)湟?guī)劃研究同樣具有重要意義。正六邊形網(wǎng)絡(luò)覆蓋一直以來(lái)被認(rèn)為是最優(yōu)的拓?fù)湫问?，但參考文獻(xiàn)[5]提出在消除覆蓋死角方面，正三角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更好的效果，同時(shí)成本更低。針對(duì)WMNs技術(shù)特性的拓?fù)湟?guī)劃是智慧城市建設(shè)需要考慮的重要方面。

4 總結(jié)

智慧城市是新一代信息通信技術(shù)在城市建設(shè)發(fā)展過(guò)程中的應(yīng)用成果。它讓家長(zhǎng)利用移動(dòng)終端可以隨時(shí)觀察到孩子在幼兒園里的情況；讓汽車駕駛員在上路前可以實(shí)時(shí)看到市內(nèi)任何一條道路的車流量；讓道路養(yǎng)護(hù)人員可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)市內(nèi)道路的壞損狀況；讓公安人員可以查看市內(nèi)公共場(chǎng)所犯罪現(xiàn)場(chǎng)的視頻記錄……這些應(yīng)用成果將極大地改善人們的生活。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是智慧城市建設(shè)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)出來(lái)的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得其在今后的智慧城市建設(shè)中占據(jù)重要地位，尤其是在現(xiàn)有多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方面和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面。目前，構(gòu)建大規(guī)模、高性能WMNs的技術(shù)問(wèn)題還沒(méi)有完全解決，有關(guān)WMNs各方面的深入研究仍在繼續(xù)，技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化上，主要包括路由協(xié)議、信道分配、路由信道聯(lián)合優(yōu)化以及拓?fù)湟?guī)劃。此外，WMNs的一些關(guān)鍵技術(shù)也需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]許慶瑞，吳志巖，陳力田.智慧城市的愿景與架構(gòu)[J].管理工程學(xué)報(bào)，2012，26（4）：1-7.

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[3]AKYILDIZ I F，WANG X D.A survey on wireless mesh networks[J].IEEE Communications Magazine，2005，43（9）：S23-S30.

[4]CHEONG L C，SHENG C L，KEE C Y.Innovations to improve wireless mesh network performance[C].IEEE Symposium on Wireless Technology and Applications（ISWTA），2013：80-84.

[5]ROBINSON J，KNIGHTLY E W.A performance study of deployment factors in wireless mesh networks[C].26thIEEE International Conference on Computer Communications，Anchorage，AK，2007：2054-2062.

Research on the app lication of w ireless Mesh netw ork in smart city

Liu Jiwei1，Chen Hongwei2
（1.Hebei Center of Network and Information Security Administration Center，Shijiazhuang 050021，China；2.Jingshi Administration of Shijiazhuang Jingkun Freeway，Shijiazhuang 050204，China）

Integration of heterogeneous wireless networks and high-speed data networks coverage of hotspots are the two problems in the construction of smart cities.Based on wireless mesh networks，a layered network architecture with the Internet as the core network is constructed.The IP protocol is used as the interconnection protocol between the heterogeneous networks.Using the unified network platform based on IP architecture enables the integration of heterogeneous networks.Using the natures of wireless multi-hop communications and auto-configuration networking of wireless mesh networks，hotspots coveraging can be achieved.This will meet the requirement of coverage in smart city very well.

smart city；wireless mesh networks；integration of heterogeneous networks；auto-configuration network

TN915

A

1674-7720（2015）09-0065-03

2014-12-04）

劉紀(jì)偉（1986-），男，研究生，工程師，主要研究方向：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、下一代因特網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

陳洪偉（1987-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：交通通信網(wǎng)絡(luò)、智能交通。