基于Wi—Fi Mesh網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域通信平臺問題研究

楊麗雯 張永繼

摘要：構(gòu)建惡劣區(qū)域通信平臺是目前通信領域研究的一項重點內(nèi)容。文中分析了Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域通信平臺的可行性，給出了固定區(qū)域、機動區(qū)域、救援場所的Mesh網(wǎng)絡組織方式，并從網(wǎng)絡保障能力方面進行了定性分析，可以為基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域通信平臺提供參考。

關鍵詞：計算機網(wǎng)絡；區(qū)域通信平臺；WiFi-Mesh網(wǎng)絡；無線鏈路

中圖分類號：TN929.5

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.023

0 引言

隨著近年來地震等自然災害的頻繁發(fā)生，如何實現(xiàn)受災區(qū)域內(nèi)通信的快速恢復，在氣象、地質(zhì)、環(huán)境等惡劣條件下快速建立基本的通信樞紐，為搶險救災、應急通信、人員指揮提供技術(shù)支撐，成為各級通信部門重點研究的課題。面對固定通信樞紐破壞嚴重、固定通信設施互通不暢的問題，必須研究基于無線信道連接的區(qū)域應急通信平臺，本文結(jié)合對WiFi-Mesh網(wǎng)絡技術(shù)的研究，提出了基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域通信平臺的基本思路。

1 Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡概述

無線Mesh網(wǎng)絡（Wireless Mesh Network，WMN）是基于IP協(xié)議的無線寬帶接人技術(shù)，是移動Ad Hoc網(wǎng)絡的一種特殊形態(tài)，它融合了WLAN和Ad hoc網(wǎng)絡的優(yōu)勢，支持多點對多點的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有自組網(wǎng)、自修復、多跳級聯(lián)、節(jié)點自我管理等智能優(yōu)勢以及移動寬帶、無線定位等特點，是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網(wǎng)絡形式，作為一種可以有效解決“最后一公里”瓶頸問題的新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從某種意義上講，Mesh網(wǎng)絡更主要的是一種網(wǎng)絡架構(gòu)思想，主要功能體現(xiàn)在無中心、自組網(wǎng)、多級跳接和路由判斷選擇等方面。已經(jīng)商用的無線網(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品基本都基于Wi-Fi，稱之為Wi-Fi Mesh，其典型組網(wǎng)概念如圖1所示。

無線Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡（無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡）也稱為“多跳”網(wǎng)絡，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡技術(shù)。在無線Mesh網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都可以同時作為AP和Repeater（中繼器），網(wǎng)絡中的每個Mesh節(jié)點既是通信的發(fā)起者，也是數(shù)據(jù)分組的中間轉(zhuǎn)發(fā)者，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。

2 Wi-Fi Mesh模式構(gòu)建區(qū)域通信平臺可行性分析

2.1 部署安裝簡便

安裝Mesh節(jié)點非常簡單，可以很容易增加新的節(jié)點來擴大無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍和網(wǎng)絡容量。Mesh網(wǎng)絡的設計目標就是將有線設備和有線AP的數(shù)量降至最低，因此大大降低了成本和安裝時間。無線Mesh網(wǎng)絡的配置和其他網(wǎng)管功能與傳統(tǒng)的WLAN相同，用戶使用WLAN的經(jīng)驗可以很容易應用到Mesh網(wǎng)絡上。

2.2 非視距傳播（NLOS）

利用無線Mesh技術(shù)可以很容易實現(xiàn)NLOS配置，與發(fā)射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后再將接收到的信號轉(zhuǎn)發(fā)給非直接視距的用戶。按照這種方式，信號能夠自動選擇最佳路徑并最終到達無直接視距的目標用戶。無線Mesh網(wǎng)絡能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U展了無線寬帶的應用領域和覆蓋范圍。

2.3 穩(wěn)定性好

Mesh網(wǎng)絡不依賴于某單一節(jié)點的性能，因此比單跳網(wǎng)絡更加健壯。在單跳網(wǎng)絡中，如果某一個節(jié)點出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡也就隨之癱瘓。而在Mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，如果最近的節(jié)點出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動路由到備用路徑繼續(xù)進行傳輸，整個網(wǎng)絡的運行不會受到影響。

2.4 結(jié)構(gòu)靈活

在多跳網(wǎng)絡中，設備通過不同的節(jié)點同時連接到網(wǎng)絡，因此不會導致系統(tǒng)性能的降低。Mesh網(wǎng)絡還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能。在無線Mesh網(wǎng)絡中，每個設備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡可以根據(jù)每個節(jié)點的通信負載情況動態(tài)地分配通信路由，從而有效地避免了節(jié)點的通信擁塞。

2.5 高帶寬

而Mesh網(wǎng)絡選擇經(jīng)多個短跳來傳輸數(shù)據(jù)，從而獲得高網(wǎng)絡帶寬。在Mesh網(wǎng)絡中，一個節(jié)點不僅能傳送和接收信息，還能充當路由器對其附近節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)信息，同時由于每個短跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小，節(jié)點之間的無線信號干擾也較小，網(wǎng)絡的信道質(zhì)量和信道利用效率也大大提高。

3 基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域通信平臺

3.1 固定區(qū)域Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡設備配置

以指揮控制、通信接力等重要通信車輛為主，配置Mesh路由基站設備，構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡骨干節(jié)點，該節(jié)點具備AP接人功能，普通用戶可以Wi-Fi方式直接接人，同時，該類節(jié)點至少具備兩條及以上的無線鏈路回傳能力，能夠自動檢測鄰近的同類節(jié)點設備，與其自動建立Mesh通信鏈路。手持機、計算機、服務器、傳真機、打印機等終端設備配置兼容Wi-Fi和Mesh自組網(wǎng)工作方式的網(wǎng)卡。區(qū)域附屬保障車輛配置雙向無線連接遠程客戶端設備（ CPE），車輛附近距離基站較遠的用戶可通過客戶端（CPE）中繼的方式接人基站。

3.2 機動區(qū)域Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡組織應用

在通信保障力量機動途中，以通信節(jié)點車輛配置的Mesh基站為節(jié)點，可以非常輕松的組成鏈式網(wǎng)絡，這一串連式多跳網(wǎng)絡可以克服復雜地形和長距離影響，首尾節(jié)點可以通過跳躍方式建立無線鏈路，沒有安裝Mesh基站的保障車輛，可以配載中繼CPE設備，以客戶端身份通過Wi-Fi方式連接基站，同時對車內(nèi)用戶實現(xiàn)二次Wi-Fi覆蓋，所有的用戶手持終端均可以在行進途中以Wi-Fi方式就近直接或以中繼方式接人Mesh基站，滿足機動中無線局域網(wǎng)全員覆蓋。機動區(qū)域Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡拓撲如圖2所示。

3.3 應急救援場所開設地域內(nèi)的Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡組織應用

應急救援力量到達預定地域后，按擬訂開設預案分布式展開，指控車輛上安裝的無線Mesh節(jié)點設備可自我配置，一個MAP啟動后，它首先掃描附近的網(wǎng)絡，然后與所有檢測到的MAP建立臨時連接。通過這種連接，MAP可以與AC聯(lián)系，并下載配置。完成配置文件的下載后，MP會與享有相同預共享密鑰的鄰居建立安全的連接，組成網(wǎng)狀無線骨干網(wǎng)絡，用戶節(jié)點通過AP+CPE方式接入骨干網(wǎng)，為用戶提供無線數(shù)據(jù)、無線語音以及無線視頻監(jiān)控等支持。應急救援指揮所開設地域內(nèi)的Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡拓撲如圖3所示。

4 基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡構(gòu)建區(qū)域通信平臺保障能力分析

4.1 關于網(wǎng)絡開通效率問題

Mesh自組織網(wǎng)絡在惡劣環(huán)境中可以快速部署，新加入的節(jié)點也可以被自動發(fā)現(xiàn)，并可進而自主配置。降低了野外環(huán)境下組網(wǎng)的難度，爭取了寶貴的救援時間?；谏掌脚_覆蓋的野戰(zhàn)Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡的開通效率主要取決于空中平臺的開通效率，地面Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡的自組網(wǎng)過程時效性已經(jīng)得到實驗和實用證明，空中平臺、各個車載Mesh模塊以及便攜MESH模塊的位置基本確定后，對于系統(tǒng)不同的應用模式，各個Mesh模塊可以靈活適應，不需要人工分析、配置，從設備加電到系統(tǒng)中的網(wǎng)絡節(jié)點組網(wǎng)成功的時間不超過4分鐘。

4.2 關于網(wǎng)絡覆蓋能力問題

近年來，世界各國普遍重視無人機、系留氣球、飛艇等臨近空間飛行器的開發(fā)，其作為空中通信中繼平臺的功能和性能日漸成熟。國內(nèi)某公司已經(jīng)實現(xiàn)了在4000米高空向8000平方公里面積的Wi-Fi信號覆蓋，Wi-Fi信號可以覆蓋直徑100千米的范圍。地面Mesh骨干網(wǎng)絡覆蓋能力主要取決于基站模式和發(fā)射功率，當前Mesh產(chǎn)品標稱發(fā)射功率通常不超過30dBm（1W），在視距可見的情況下，固定Mesh站點間的距離可達幾十公里（定向天線高架情況下），車載Mesh基站（全向天線）的覆蓋范圍在1-2公里左右，便攜MESH模塊的覆蓋范圍不小于300米?？梢灶A見，在惡劣災害環(huán)境下，如果適當提高基站發(fā)射功率，Mesh骨干網(wǎng)絡覆蓋能力將會比上述標準明顯提高。

4.3 關于網(wǎng)絡業(yè)務支持問題

網(wǎng)絡時延問題一直是Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡最難解決的問題，但是路由算法等應用機制的不斷改進和創(chuàng)新，端到端的QoS機制越來越成熟完善，Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡的運行效率越來越高，對話音和視頻等實時業(yè)務的支持能力也越來越好。現(xiàn)有的研究試驗結(jié)果表明，規(guī)劃良好的Wi-Fi MESH網(wǎng)絡在靜止或運動情況下，均能夠較好的支持Ping、Http、Ftp、Email、視頻流、VOIP等業(yè)務。為了滿足像VoIP這類實時通信應用的要求，Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡可采用多模塊、多射頻和多信道的體系架構(gòu)，從而提供經(jīng)過多跳后高吞吐量、低時延和為語音流量設置高優(yōu)先級所要求的容量和覆蓋。便攜MESH模塊10跳之后，網(wǎng)絡延時不超過50ms。在10跳以上的情況下，每一跳的時延可以保持在4到5毫秒，大大低于語音所要求的120毫秒，使得語音這樣的實時業(yè)務得到最優(yōu)化。

4.4 關于網(wǎng)絡用戶移動性問題

雖然Wi-Fi用戶本身不支持高速移動，但是考慮到Wi-Fi用戶在高速移動的車輛內(nèi)部是通過遠程Mesh客戶端接人的，用戶終端與此客戶端是相對靜止關系，且目前車載Mesh系統(tǒng)已經(jīng)具備了高速移動支持能力，能夠快速感知拓撲結(jié)構(gòu)變化，車輛可以在高達300公里/小時的車速條件下保持無線網(wǎng)絡連接，在地形平坦的地區(qū)，采用全向天線，在有效通訊范圍內(nèi)，網(wǎng)絡可在時速150公里/小時的高速移動狀態(tài)下達到6Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，在固定節(jié)點之間組網(wǎng)中，Mesh拓撲可組成穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)，即便任何一點或幾點設備出現(xiàn)問題，不會影響整網(wǎng)的正常工作。整個網(wǎng)絡具有頑強的生命力，被譽為“打不垮的網(wǎng)絡”。

5 結(jié)束語

Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡目前已經(jīng)在部分場合得到成功實踐，成為了替代固定通信基站的理想方法，在如搶險救災等惡劣環(huán)境下，Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡對于快速組織應急指揮場所、搭建形成通信網(wǎng)絡、實現(xiàn)區(qū)域通信平臺具有獨特的優(yōu)勢，后續(xù)應結(jié)合升空平臺等網(wǎng)絡載體的研究，進一步形成區(qū)域通信平臺建設的標準流程，并著力解決各種應急通信手段互通不起來和帶寬不夠用的問題，為災害搶險等任務提供有效方法。