無線Mesh網(wǎng)絡(luò)原理及其在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

唐艷

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱　150010）

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)原理及其在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

唐艷

（國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，哈爾濱150010）

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈等諸多優(yōu)點，因而在應(yīng)急通信等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信原理及其在應(yīng)急通信中的應(yīng)用。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；自組織；應(yīng)急通信

1　引言

隨著突發(fā)自然災(zāi)害的頻發(fā)和安全局勢的逐年趨緊，世界各國都在加強突發(fā)應(yīng)急體系建設(shè)及相關(guān)技術(shù)研究。作為應(yīng)急通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)急自組織通信網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)技術(shù)成為世界性的熱門研發(fā)領(lǐng)域，得到各國政府、工業(yè)及學術(shù)界的廣泛關(guān)注。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種動態(tài)的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)，具備快速布設(shè)、快速開通、機動性好、環(huán)境適應(yīng)強等特點，非常適合組建應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)開展救援行動和應(yīng)對突發(fā)事件。

2　無線Mesh網(wǎng)絡(luò)原理

2.1技術(shù)特點

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的、具有自組織和自愈特點的分布式寬帶無線網(wǎng)絡(luò)，它可以看成是一種融合了無線局域網(wǎng)（WLAN）和移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點并且發(fā)揮了兩者優(yōu)勢的新型網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)主要由路由器節(jié)點和終端節(jié)點組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。路由器節(jié)點互聯(lián)構(gòu)成無線骨干網(wǎng)，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以與互聯(lián)網(wǎng)建立連接；終端節(jié)點通過路由器節(jié)點可以接入互聯(lián)網(wǎng)，并與其他終端節(jié)點組網(wǎng)，實現(xiàn)終端節(jié)點之間、終端節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通。

圖1　無線Mesh網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有如下幾個優(yōu)點：

（1）前期投入少。由于不需要固定網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，部署無線Mesh網(wǎng)絡(luò)需要的資金成本和時間更少。

（2）可靠性高。在單跳無線網(wǎng)絡(luò)中，如果某一個AP點出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)也會隨之癱瘓。而無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點之間提供冗余路徑，如果某一節(jié)點出現(xiàn)故障，可以重新選擇有效路由完成數(shù)據(jù)傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)的性能不會受到影響。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在相對長的時間內(nèi)具有更高的可靠性。

（3）覆蓋范圍廣。由于無線電傳播特性，網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨著節(jié)點之間無線鏈路長度的增加而減小，這使得單跳無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和連接性受到了嚴重制約。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)利用多跳和多信道通信技術(shù)，可以滿足長距離的通信需求且使節(jié)點獲得最大可能的吞吐量。

（4）組網(wǎng)靈活。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一個動態(tài)的自組織、自配置網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可以靈活地部署在任何有電源的位置，不依賴固定基礎(chǔ)設(shè)施即可自動建立和維護多跳的網(wǎng)絡(luò)連接。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的如上特點，決定了基于該網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)事件應(yīng)急通信系統(tǒng)有能力保證在突發(fā)事件發(fā)生時，快速地組建通信體系以滿足應(yīng)急事件中信息的傳遞需求。

2.2接入控制協(xié)議

接入控制協(xié)議是用來管理和協(xié)調(diào)用戶競爭/共享信道資源的協(xié)議。信道接入?yún)f(xié)議能否有效使用無線信道的有限帶寬，能否保證多個節(jié)點公平接入共享信道，直接影響無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。多數(shù)傳統(tǒng)接入控制協(xié)議（如ALOHA，時隙ALOHA，CSMA，CSMA/CA等）是為節(jié)點之間共享單一信道而設(shè)計的，盡管協(xié)議比較健壯且易于實現(xiàn)，但建立在這些基本的接入控制協(xié)議上的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)將因為多跳路由產(chǎn)生碰撞和干擾而降低吞吐量。

由于受到研究者的關(guān)注，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)范化和標準化工作進展迅速，IEEE 802.11，IEEE 802.15，IEEE 802.16等工作組均陸續(xù)發(fā)布了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)標準或草案。IEEE802.11系列協(xié)議是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用的典型協(xié)議，IEEE 802.15和IEEE 802.16系列協(xié)議也提供了對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)模式的支持。

2.3網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

路由協(xié)議決定了網(wǎng)絡(luò)功能的實現(xiàn)和效率，是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的重要研究內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、無線信道資源受限和節(jié)點設(shè)備能量有限等特點，給無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外研究人員進行了大量研究工作，提出了適用于不同應(yīng)用需求的路由協(xié)議。根據(jù)目的節(jié)點數(shù)目不同，可分為單播路由協(xié)議和多播路由協(xié)議。單播路由協(xié)議的研究相對成熟，隨著面向點到多點或多點到多點的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用需求的增多，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多播路由技術(shù)將得到更多的關(guān)注。

單播路由是網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點面向另一個節(jié)點的可用路由。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)單播路由協(xié)議可從多個角度加以分類：根據(jù)是否使用GPS等提供的定位信息（坐標位置和速度），可以將其分為地理位置輔助路由協(xié)議和非地理位置輔助路由協(xié)議；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)，可以將其分為平面路由協(xié)議和分級路由協(xié)議；根據(jù)路由發(fā)現(xiàn)策略，可以將其分為主動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。

與單播路由相比，多播路由不需要為每個目的節(jié)點分別建立路由，信息僅需發(fā)送一次且在網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點處信息被復(fù)制和分發(fā)，減少了廣播方式造成網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，且有利于信息的保密和安全工作。根據(jù)尋路機制和路由維護策略的不同，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多播路由協(xié)議主要分為樹狀、網(wǎng)狀、混合型以及無狀態(tài)四種類型。

圖2　NS2模擬過程截圖

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的通用評價指標包括分組投遞率、控制開銷和端到端平均時延。使用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2可在不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)下進行無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法仿真，NS2模擬過程截圖如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)束之后，整個模擬過程的數(shù)據(jù)都存放在Trace文件中，通過對Trace文件進行分析處理，最終獲取評價參數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的實際部署提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.4與其他應(yīng)急通信方式的比較

衛(wèi)星通信、短波通信、移動通信和微波通信，是目前軍用、民用領(lǐng)域常用的應(yīng)急通信方式，表1為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)和上述四種通信方式的簡單性能比較。在執(zhí)行重大災(zāi)害應(yīng)急救援任務(wù)時，應(yīng)根據(jù)不同公共突發(fā)事件對通信的要求，選擇合適的通信手段，做到各種通信手段揚長避短，靈活運用，保障應(yīng)急救援的順利進行。

表1　性能比較

3　無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中的應(yīng)用

3.1單一組網(wǎng)模式

重大突發(fā)公共事件一旦發(fā)生，將對通信、廣播、電力等基礎(chǔ)設(shè)施造成極大破壞，使得通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，將災(zāi)區(qū)變?yōu)樾畔⒐聧u。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)對于應(yīng)急救援的開展至關(guān)重要?；跓o線Mesh網(wǎng)絡(luò)進行應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)布控，為救援人員配置應(yīng)急通信節(jié)點設(shè)備，通過一對一或一對多的通信方式，安全可靠地在應(yīng)急指揮中心和現(xiàn)場傳遞指揮控制信息和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)。圖3為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)急通信中的單一組網(wǎng)模式。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的快速部署保障了應(yīng)急通信指揮的順利開展，提高了突發(fā)公共事件應(yīng)急處置效率。

圖3　基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的單一組網(wǎng)模式

3.2混合組網(wǎng)模式

有些情況使用單一應(yīng)急通信方式難以滿足需求，需要采用多種應(yīng)急通信方式組合的技術(shù)手段，使應(yīng)急救援人員不受地點和接入方式的限制，盡可能的利用現(xiàn)有和臨時部署的通信網(wǎng)絡(luò)保障通信暢通。圖4為基于衛(wèi)星、短波和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng)模式。在突發(fā)性緊急情況的應(yīng)急報警階段，由于公眾通信網(wǎng)絡(luò)完全遭到破壞，可用短波電臺將信息傳送至上級指揮中心。衛(wèi)星通信具有廣域無縫覆蓋優(yōu)勢，但面向大規(guī)模用戶的組網(wǎng)能力較弱。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種擁有大量節(jié)點的自組織網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)能力較強，但受到路由復(fù)雜度等因素影響通信范圍較為有限。上級指揮中心可將衛(wèi)星通信和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)進行有效結(jié)合，快速搭建應(yīng)急現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)。該應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)能夠有效保障指揮命令及時下達，做好組織協(xié)調(diào)各部門之間的協(xié)同工作，最大限度地提高應(yīng)急反應(yīng)能力。

圖4　基于衛(wèi)星、短波和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng)模式

4　結(jié)束語

未來網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)融合與互補的趨勢。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的無線自組織網(wǎng)絡(luò)形式，不僅可以與衛(wèi)星、短波等應(yīng)急通信方式有效結(jié)合，還可以作為4G等移動通信網(wǎng)絡(luò)和WPAN等城域網(wǎng)的擴展和延伸，具有巨大的市場前景。有關(guān)預(yù)測表明，如果無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)完全融合之后，將為用戶提供更廣泛的無線接入覆蓋，全面提升無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，開拓更廣泛的應(yīng)用前景。

Principle and Application in Emergency Communication of Wireless Mesh Network

Tang Yan
（State Radio Monitoring Center Harbin Monitoring Station，Harbin，150010）

Wireless Mesh Network has many advantages such as self organization and self healing，so it has wide application prospects in emergency communication and other fields. This paper mainly introduces the communication principle and application in emergency communication of Wireless Mesh Network.

Wireless Mesh Network； self organization； emergency communication

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.007

中國分類號：TN92A

1672-7274（2015）04-0028-04

唐艷，女，碩士，1987年生，畢業(yè)于北京交通大學電子信息工程學院，現(xiàn)就職于國家無線電監(jiān)測中心哈爾濱監(jiān)測站，主要從事無線通信技術(shù)等相關(guān)研究工作。

［1］I. F. Akyildiz and X. Wang. A survey on wireless mesh networks. IEEE Commun. Mag. vol 43.2005.

［2］王海濤.應(yīng)急通信的研究發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)手段分析.信息通信技術(shù)，2011