Mesh自組網通信系統(tǒng)

李曙光

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

目前現有的通信網絡大都是基于穩(wěn)定可靠的通信基礎設施之上的，一旦這些通信基礎設施遭到破壞，常規(guī)的通信手段都不再可行。而往往就是在這樣的時候，保持可靠的通信顯得尤為重要。而常用網絡應用領域的集群通信系統(tǒng)，除了依賴基礎設施以外，在網絡帶寬上也有很大限制，多使用窄帶技術，30K左右?guī)?，數據?6Kbps左右，這就使得其數據傳輸能力大大受限。因此，目前的通信網絡現狀遠沒有達到完美，還有很多缺陷需要進一步彌補和完善。本文將要介紹的Mesh自組網通信系統(tǒng)，能夠在很大程度上彌補和完善上述缺點，擺脫對基礎網絡設施的依賴，并且使用寬帶技術，大大增加了數據傳輸能力。

無線Mesh網絡是一種新的完全不同于以往無線網絡技術的新型多跳（Multi-hop）網絡[1,2,3]。傳統(tǒng)的無線網絡中，每個節(jié)點都需要一條獨立的通信鏈路來連接入點(Access Point，AP)從而實現上網功能，如果客戶節(jié)點需要與其他節(jié)點進行通信，則必須要通過一個固定的接入點來實現，限制了通信范圍。而無線Mesh網絡中所有節(jié)點都具有多跳功能可以做到發(fā)送和接收信號同時進行，并且既可以用作接入點又可以作為路由器節(jié)點，很大程度上提高了網絡的覆蓋能力。

1 組成

自組網通信系統(tǒng)設備包括無線電終端、網關（GW）、中繼器（Repeater）和網管系統(tǒng)（NMS）四部分。在實際組網應用中，并不一定所有設備都會用到，根據網絡規(guī)模大小以及實際應用需求，設備的選擇和網絡結構具有很大的靈活性。

1.1 無線電終端

無線電終端可以實現語音業(yè)務、視頻業(yè)務及數據業(yè)務，最大可以傳 16Mb/s數據率，具有雙工通信、抗干擾通信、寬帶通信、低延時通信等能力。

無線電終端采用的主要技術有：

（1）信源編解碼模塊使用具有高效壓縮能力的H.264視頻編碼標準；

（2）信道編譯碼模塊采用高性能的LDPC（低密度校驗碼）糾錯編碼算法；

（3）通信抗干擾體制采用FH（跳頻）方案；同時憑借跳頻序列的正交，實現跳頻多址傳輸；

（4）視頻傳輸采用 OFDM（正交頻分）多載波傳輸技術，有效抗多徑效應。

無線電終端根據使用平臺及功能又分為手持終端、固定終端、機載終端及車載終端4類。

1.2 網關

在規(guī)模較大，應用較為復雜的網絡中，網關起著非常重要的作用。

首先，網關具有中繼器的功能，可以將局部Mesh子網絡同網絡的其他部分連按起來，作為內部終端通信的網關，讓兩個使用不同信道號的子網實現通信。

另外，網關還有著與其他外部網絡通信的功能?？梢耘c 400M/800M 集群、有線固話交換機、VHF/UHF無線對講系統(tǒng)、GSM手機網絡、WLAN無線網絡實現互聯(lián)互通，可以通過標準IP接口接入傳統(tǒng)的基礎設施。

最后，需要說明一點，對于網關的日常維護主要是通過NMS（網管系統(tǒng)）代理，通過提供指令里的報告和統(tǒng)計信息與NMS管理系統(tǒng)通信。

1.3 中繼器

中繼器在規(guī)模較大，應用較為復雜的網絡中，起著非常重要的作用。在我們這個系統(tǒng)中中繼器和網關的硬件結構完全一樣，根據不同的設置決定了不同的應用。中繼器可以擴大Mesh網絡的覆蓋范圍。無論其他用戶是否存在都可確保預先定義區(qū)域的無縫覆蓋。

中繼器在網絡中相當于一個激活的終端（包括一個終端ID），但是沒有聲音和數據的輸入輸出功能?？梢詫⒅欣^器設置為雙頻段，使其有兩個信道可同時中繼。另外，中繼器的安裝和配置非常簡單,可以根據實際環(huán)境選擇安裝載體，如廣告牌、建筑物等。

1.4 網管系統(tǒng)

NMS由兩部分構成

（1）NMS管理員-管理整個系統(tǒng)（PC端的NMS模式）；

（2）NMS代理與NMS管理員通信，并且作為連接局域子網絡的中轉站（PC模式，屬于 GW的一部分）。

NMS主要特點：

（1）能夠顯示連通性圖表；

（2）能夠顯示系統(tǒng)成員間的連接質量；

（3）能夠顯示和監(jiān)控每個成員；

（4）緊急情況下，最高指揮官可以一鍵實現全網應急廣播，確保指揮通暢；

（5）智能終端可以將拍攝的視頻和圖片發(fā)回指揮中心，網管平臺可以根據需要管理和分發(fā)視頻給對應的移動管理終端，讓指揮人員在運動中也可以實時的掌握現場的情況。

2 信道選擇模式

本系統(tǒng)有三種信道選擇模式：

（1）Normal CS模式

該模式用于終端設備，信道號一旦定義好，將不會根據環(huán)境信號強弱而隨之發(fā)生切換。

（2）Acs模式

該模式用于終端設備，自動搜索信號，搜索順序按照自定義信道優(yōu)先級排列順序。當前優(yōu)先級最高的信道號搜索不到時，將順序向下一個信道號搜索，直到成功注冊到一個信道號位置。

（3）Beacom CS模式

該模式用于網關（GW）和中繼器（Repeater），信道號一旦定義好，將不會根據環(huán)境信號強弱而隨之發(fā)生切換。與Normal CS模式的區(qū)別是，GW和Repeater必須定義為Beacom CS模式，才能為定義為ACS模式的終端提供網絡搜索環(huán)境。也就是說，定義為 ACS模式的終端，只會注冊到定義為Beacom CS模式設備的信道號，而不會注冊到定義為Normal CS模式設備的信道號。

綜上所述，在實際應用中，如果網絡中有部署網關（GW 或中繼器（Repeater），網絡拓撲中有多個子網之間需要實現相互通信的情況下，終端設備信道選擇模式需要設置為 ACS模式，否則將影響終端在子網間的切換：而如果網絡中沒有部署GW和Repeater，只有終端設備自組網，則終端設備信道選擇模式需要設置為Normal CS模式，否則終端將不停的搜索信道號，但始終無法鎖定信道，無法實現通信。

3 特點

與傳統(tǒng)的無線局域網通信系統(tǒng)技術相比，無線Mesh網絡通信系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，大概可以總結為如下幾點[3]：

3.1 網絡部署方便快捷

Mesh網節(jié)點都有自組織和自配置的功能，而骨干網的接入不需要提供過多的有線接入，僅MPP（控制管理所有節(jié)點，具有網關功能可以其他網絡的連接）節(jié)點需要提供有線接入，所以很方便的變換整個網絡的拓撲結構，也可方便調整個別 Mesh路由器的位置，同時可以隨時調整結構和添加減少網絡節(jié)點數目，因此在Mesh網部署方便。

3.2 傳輸距離大

由于Mesh網絡是多跳網絡，傳輸過程通過選擇最優(yōu)的路由來傳輸，與MAP（通過無線與MPP共同組成骨干網并對Client提供無線接入服務）節(jié)點直接視距連接的節(jié)點可以接收無線信號，然后再將接收到的信號轉發(fā)給非直接視距的節(jié)點。按照這種方式，信號能夠自動選擇最佳路徑不斷從一個節(jié)點跳轉到另一個更接近目標節(jié)點的節(jié)點，最后成功到達目標節(jié)點，從而實現非視距通信，拓展了通信傳輸距離。

3.3 魯棒性

Mesh網中兩個節(jié)點之間有多條通路鏈路，每個節(jié)點不依賴某個單一的節(jié)點，因為每個節(jié)點同時可作為接入點和路由器，每個節(jié)點都有一條以上數據鏈路，如果某條鏈路上的節(jié)點出現故障無法通信時，將自動路由到備用鏈路，保證整個網絡的正常運行。而在單跳網絡中，如果某個節(jié)點故障就引起整個網絡將出現網絡阻塞甚至癱瘓。因此無線Mesh網絡比單跳網絡更加健壯。

3.4 結構靈活

無線Mesh網絡提高可靠性的措施就是冗余。兩個網絡節(jié)點有多條鏈路可以通信，為了避免通信擁塞，兩個網絡節(jié)點選擇通信負載較小的鏈路。而在傳統(tǒng)網絡中，接入點是與其他節(jié)點共享的很容易造成擁塞。

4 組網方案

4.1 小型網絡

小型網絡適合小范圍平臺組網，容量最好在幾個到幾十個；其次，活動很可能不在固定地點，需要隨時移動并保持聯(lián)系，地方偏僻沒有條件建設固定的基礎網絡設備。

由于此類應用場中，沒有部署網關（GW）或中繼器（Repeater），完全依靠終端彼此間的跳接形成網絡信號覆蓋，因此所有終端需要將信道選擇模式設定為NormalCS模式，且設定為相同的信道號。這種網絡結構對接入用戶數沒有限制，但同時進行的會話數限制為64。而且考慮到跳接次數過多后會影響語音通話質量，因此在此類應用時，建議網絡規(guī)模不要過大。

這種網絡結構的好處是，無須基站、路由器等任何基礎網絡設備即可實現網內所有終端彼此間的通信。點對點通信（不經中繼）距離在空曠地帶不小于 1km，在城市普通環(huán)境下不小于 500m；網內通信經9次以下中繼可正常通信。只要不超出這個范圍，所有終端即使在整體移動當中（比如車隊行進中）也能隨時保持彼此間的通信，如圖1小型網絡組網示意圖。

圖1 小型網絡組網示意圖

4.2 中型網絡

中型網絡適合于礦井，工廠等特殊區(qū)域，由于坑道，樓板等障礙物較多，需要用網關（GW）、中繼器（Repeater），對于障礙物較多，影響網絡覆蓋的問題，我們也有較好的解決辦法。由于這種應用場合是要求網絡覆蓋一個固定區(qū)域，因此我們可以經過實地勘察，在樓梯拐角，坑道拐彎等處部署中繼器（Repeater），掃除網絡覆蓋自點，實現規(guī)定區(qū)域內的全網絡覆蓋，也能避免由于平臺分布不均導致的個別終端脫網。如圖2中型網絡組網示意圖。

圖2 中型網絡組網示意圖

4.3 大型網絡

大型網絡適合于機場等場合，特點是對網絡覆蓋的面積和質量都有較高要求，業(yè)務應用種類較為復雜，需要用網管系統(tǒng)。

首先，對網絡拓撲結構做簡要說明。在這類大型網絡應用中，實際上存在兩張網即骨干網和Mesh自組網。

骨干網可以新建，也可以根據現場實際情況對已有網絡資源進行利用。骨干網是有線網絡，最簡單的就是以一臺交換機為核心，分別用網線連接各個網關（GW）和負責網絡管理（NMS）的PC機。骨干網的作用是實現網關之間的互聯(lián)以及網管系統(tǒng)（NMS）對各個網關的維護管理。

Mesh自組網即終端與終端之間以及終端與中繼器（Repeater、網關（GW）之間的無線網絡。網關（GW）的信道選擇模式需要設置為 BeacomCS模式，為該子網下信道選擇模式設置為 ACS模式的終端提供可登陸的信道。

中繼器（Repeater）的信道選擇模式根據具體需求，可以設置為BeacomCS模式，也可以設置為ACS模式。終端的信道選擇模式根據具體需求，可以設置為NormalCS模式，也可以設置為ACS模式。通過網關（GW）的多信道劃分，增加了用戶容量，一個或多個GW使用一個信道，定義為一個子網。共 40個信道可用，每個子網對接入用戶數沒有限制，但同時進行的會話數限制為每個信道64，如果客戶的數量比較多，需要保證更大數量的同時會話量，那么，我們可以很簡單的通過增加網關的射頻信道來實現，那就是：64*N。而用戶組的定義并不受制于地域（子網），也就是說，一個用戶組內的用戶，可以分屬不同子網。終端用戶從一個子網切換到另一個子網，不影響群組內的通訊業(yè)務。

此外，在使用該網絡的時候，需要區(qū)分語音與視頻通信及數據通信，語音與視頻通信有容量的限制，數據通信采用分組交換，因此，有排隊時間，但沒有數量的限制。圖3大型網絡組網示意圖。

圖3 大型網絡組網示意圖

5 結論

本文Mesh自組網通信系統(tǒng)組網方式靈活，終端本身自帶路由轉發(fā)功能，無需任何基礎網絡設備即可實現自組網。在網絡覆蓋和網絡質量要求較高的應用場合，也可以部署中繼器（Repeater）來滿足需求。如果有與外網（400M/800M集群、有線固話交換機、VHF/VHF無線網、GSM 手機網絡、WLAN無線網絡等）實現互聯(lián)互通的需求，或者需要使用多頻段來擴大網絡容量，還可以部署網關（GW）來滿足需求。在一定程度上彌補和完善了目前現有網絡的不足，在一些特殊領域或緊急情況時能夠發(fā)揮很大作用。

[1]Lan F.Akyildiz,Xudong Wang,Weilin Wang.Wireless mesh networks:a survey [J].Computer Networks,2005,47（4）:445一487.

[2]楊峰,黃俊,羅小華.無線Mesh網絡綜述[J].數據通信,2009:15-17.

[3]無線mesh網絡[OL].Http://baike.baidu.com/view/1215700.html.