WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

劉作學(xué)，　代健美

(裝備學(xué)院 信息裝備系, 北京 101416)

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WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

劉作學(xué)，代健美

(裝備學(xué)院 信息裝備系, 北京 101416)

摘要WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)是基于802.11協(xié)議和無線路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)的一類自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的統(tǒng)稱。按照分層的方法對(duì)系統(tǒng)的多天線技術(shù)、多載波調(diào)制技術(shù)、媒體接入控制機(jī)制和路由算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和討論，對(duì)多天線條件下信道狀態(tài)信息的獲取技術(shù)、正交頻分復(fù)用條件下的降低峰均比技術(shù)、載波偵聽多址接入/沖突避免和時(shí)分多址的改進(jìn)機(jī)制，以及混合無線Mesh協(xié)議和最佳移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究現(xiàn)狀、難點(diǎn)和未來改進(jìn)方向進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，對(duì)可能用于WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的新技術(shù)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞信道狀態(tài)信息；峰均比；載波偵聽多址接入/沖突避免；時(shí)分多址；路由協(xié)議

WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)，既具有ad hoc網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈、自管理和多跳中繼的特性，又具有WiFi網(wǎng)絡(luò)帶寬高、接入簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在飛行器組網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市構(gòu)建、搶險(xiǎn)救災(zāi)應(yīng)急通信、戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)組網(wǎng)等方面有著廣闊的應(yīng)用空間。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了一些實(shí)用的WiFi-Mesh產(chǎn)品(如美國(guó)strix公司系列產(chǎn)品)，裝備學(xué)院自主研發(fā)的“無線Mesh自組網(wǎng)系統(tǒng)”已經(jīng)在多個(gè)野戰(zhàn)部隊(duì)、試驗(yàn)基地，以及多次通信保障任務(wù)中使用，取得了良好的應(yīng)用效果。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以及無線自組網(wǎng)用戶數(shù)和大容量高速業(yè)務(wù)的持續(xù)增加，人們對(duì)WiFi-Mesh自組網(wǎng)提出了更高的要求，如何使其具有更快的傳輸速度、更大的系統(tǒng)接入能力、更高的頻譜效率以及更強(qiáng)的無線信道抗干擾能力，還需要進(jìn)行大量、深入的研究。

WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括遵循802.11標(biāo)準(zhǔn)的物理層(Physical Layer，PHY)技術(shù)和媒體訪問控制(Media Access Control，MAC)技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)等，本文將對(duì)上述三方面關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)、改進(jìn)方向和應(yīng)用策略等進(jìn)行分析和闡述，為WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的后續(xù)研究提供參考。

1物理層技術(shù)

802.11的物理層技術(shù)經(jīng)歷了從單載波直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)到正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)到高階正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)、單天線到多輸入輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線的發(fā)展過程，相比較調(diào)制效率已接近理論極限的調(diào)制技術(shù)，MIMO多天線技術(shù)和OFDM技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。

1.1MIMO多天線的CSI獲取技術(shù)

MIMO多天線技術(shù)是在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，通過增加收發(fā)天線數(shù)提高系統(tǒng)容量的下一代移動(dòng)通信核心技術(shù)。由于能有效提高系統(tǒng)的頻譜利用率和功率效率，802.11n和802.11ac標(biāo)準(zhǔn)相繼完整引入了單用戶MIMO 通信技術(shù)和多用戶MIMO (Multi-user MIMO，MU-MIMO)通信技術(shù)。

自MIMO提出以來， CSI的有效獲取問題一直是MIMO研究的焦點(diǎn)和難點(diǎn)，也是制約MIMO使用性能的重要因素。802.11n和IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)使用 “基于接收端有限反饋”的方法獲取信道狀態(tài)信息，該方法與文獻(xiàn)[1-3]相似，都是基于信號(hào)處理直接獲取CSI信息的思路，其精度和準(zhǔn)確度受輸入?yún)?shù)和環(huán)境影響明顯。在現(xiàn)有機(jī)制下，發(fā)送節(jié)點(diǎn)(如Mesh節(jié)點(diǎn)或Mesh接入點(diǎn))并不能獲知各用戶信道是否有波動(dòng)，即無法精確快速獲取CSI信息，從而無法通過發(fā)送端的預(yù)編碼來減小或者消除用戶間的干擾，難以滿足現(xiàn)實(shí)需要；文獻(xiàn)[4]給出了另一種解決思路，通過利用信干比反饋和功率最優(yōu)分配策略，間接獲取CSI信息，也達(dá)到了提升系統(tǒng)性能的目的。盡管該算法僅考慮了傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)接入點(diǎn)(多天線)與客戶端(單天線)的通信過程，但其思想完全可用于多天線Mesh節(jié)點(diǎn)間的通信。

1.2OFDM的抗PAPR技術(shù)

OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，該技術(shù)利用快速傅里葉反變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)將一個(gè)寬的帶寬分割成多個(gè)緊密相鄰(甚至部分重合)、相互正交的子載波，有效提升了頻譜利用效率；利用串并變換將高速的信息流變換成多路低速的數(shù)據(jù)流，有效提高了抗頻率選擇性衰落的能力?；贠FDM在頻率利用率和抗干擾能力上的優(yōu)勢(shì)，802.11a/g/n/ac/ad等系列標(biāo)準(zhǔn)將OFDM作為必選的另一物理層關(guān)鍵技術(shù)。在802.11系統(tǒng)中，OFDM子載波的頻率間隔設(shè)定為312.5 kHz，子載波數(shù)根據(jù)帶寬的不同從52個(gè)(802.11a/g)到484個(gè)(802.11ac)不等，其中數(shù)據(jù)子載波最高達(dá)468個(gè)，OFDM與MIMO的結(jié)合，大幅度提升了數(shù)據(jù)傳輸速率。但是，OFDM普遍存在PAPR高的問題，較高的PAPR容易引起器件的非線性失真，降低功放效率，從而造成頻譜“外泄”和子載波間的干擾，造成OFDM系統(tǒng)的誤碼性能下降，縮短電池的工作時(shí)間。

降低PAPR的技術(shù)主要包括信號(hào)畸變類技術(shù)、概率類技術(shù)和混合類技術(shù)。

1) 信號(hào)畸變技術(shù)[5-6]。典型的有，文獻(xiàn)[7]提出的“限幅+擴(kuò)幅”組合方法，該方法通過設(shè)置適當(dāng)?shù)牟ǚ搴筒ü乳撝祦砀纳芇APR性能，這類方法具有實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單、降低PAPR效果明顯的特點(diǎn)，但會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)畸變和帶外擴(kuò)展；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合抑制PAPR算法，該算法通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼來降低PAPR，不會(huì)產(chǎn)生限幅噪聲，但計(jì)算復(fù)雜度非常高，編解碼比較復(fù)雜，而且信息速率降低很快，只適用于子載波數(shù)比較少的情況。

2) 概率類技術(shù)。典型的有，利用 Alamouti 空頻分組碼(Space-frequency Block Codes，SFBC)固有的冗余性而提出的不需傳輸邊信息的選擇映射法(Selective Mapping，SLM)方法[9]，利用交織、時(shí)域備選技術(shù)的“半盲SLM方法”[10]，多級(jí)尋優(yōu)的改進(jìn)部分傳輸序列法(Partial Transmit Sequence，PTS) 方法[11]，以及能夠大幅度減少IFFT次數(shù)的“基于時(shí)域子塊信號(hào)部分循環(huán)移位的部分傳輸序列算法”(Modified Partial Transmit Sequence，MPTS)[12]等方法，其思路是通過破壞子載波相位之間的相關(guān)性來降低高OFDM信號(hào)幅值出現(xiàn)的概率，具有較好的降PAPR性能，改進(jìn)算法相對(duì)于經(jīng)典算法的計(jì)算量有所減少，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度仍然較大。

3)混合類技術(shù)是上述方法的聯(lián)合，包括信號(hào)畸變類和概率類的聯(lián)合、限幅類和編碼類的聯(lián)合，以及概率類與編碼類的聯(lián)合等[13]，目前相關(guān)成果不多。

2MAC層技術(shù)

802.11的MAC層基于CSMA/CA機(jī)制實(shí)現(xiàn)，這種機(jī)制在高負(fù)荷的網(wǎng)絡(luò)中會(huì)產(chǎn)生大量的節(jié)點(diǎn)碰撞，導(dǎo)致不公平、不可預(yù)測(cè)和不穩(wěn)定[14]問題，很多文獻(xiàn)從改進(jìn)CSMA/CA性能的角度進(jìn)行了研究；但該協(xié)議不能從根本上解決沖突問題，而將TDMA機(jī)制引入802.11協(xié)議，可以達(dá)到保證信息數(shù)據(jù)的無沖突傳輸，并使系統(tǒng)適于室外長(zhǎng)距離、多跳傳輸?shù)哪康摹?/p>

2.1CSMA/CA機(jī)制的公平性改善技術(shù)

1) 競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)節(jié)法[15]。這種方法通過每次成功傳輸后禁止競(jìng)爭(zhēng)窗口復(fù)位到最小值來提高吞吐量，但沒有考慮短期的公平性，使某些節(jié)點(diǎn)由于經(jīng)歷連續(xù)的碰撞而被迫處于長(zhǎng)時(shí)間的退避階段，造成傳輸速率更低。

2) 競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)調(diào)整法[16]。這種方法通過估計(jì)競(jìng)爭(zhēng)者(用戶)的數(shù)量并調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)參數(shù)來提高吞吐量并兼顧公平性，但復(fù)雜度大幅提高，而且當(dāng)出現(xiàn)信道錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)使估計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性大大降低。

3) 確定性退避法。這類方法通過將隨機(jī)退避機(jī)制改為確定性退避來實(shí)現(xiàn)近似無碰撞傳輸，從而提高系統(tǒng)的吞吐量，文獻(xiàn)[17-18]提出了一種具有碰撞避免增強(qiáng)功能的確定性退避方法(CSMA/ECA)；文獻(xiàn)[19]在此基礎(chǔ)上考慮了公平性問題，也考慮了多跳特性，但存在系統(tǒng)用戶數(shù)不能超過確定性退避值的限制；文獻(xiàn)[20]提出了遲滯確定性退避的方法，通過修改CSMA/ECA實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容納用戶數(shù)的增加，結(jié)合公平分享(fair-share)策略，進(jìn)一步保證了長(zhǎng)期的公平性。

目前，有些方法已經(jīng)進(jìn)行了軟硬件實(shí)現(xiàn)，下一步有望被802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接納。但需要注意的是，上述方法主要考慮了CSMA/CA的退避機(jī)制和公平性問題，并沒有突破CSMA/CA本身的限制，無法從根本上解決數(shù)據(jù)碰撞的問題，在大容量用戶情況下提升吞吐量的能力有限。

2.2基于802.11的TDMA改進(jìn)技術(shù)

Moraes等[21]率先證明了TDMA用于802.11系統(tǒng)的可行性，ROSALNet[22]、公路鏈狀網(wǎng)[23]、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)長(zhǎng)距離系統(tǒng)[24]等應(yīng)用進(jìn)一步證明，相比較CSMA/CA機(jī)制，基于TDMA的WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)具有更好的延時(shí)、抖動(dòng)和健壯性，傳輸距離更遠(yuǎn)，對(duì)移動(dòng)性支持更好。TDMA的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是同步精度難以保證，Djukic等[25]提出了基于軟件的TDMA MAC協(xié)議(Soft-TDMAC)，該協(xié)議通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的兩兩同步，然后通過建立基于最小跳數(shù)的全網(wǎng)同步樹，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)的緊同步，降低了全網(wǎng)的同步錯(cuò)誤，提高了同步精度和分配效率，但可靠性不高；文獻(xiàn)[26]討論了LiT-MAC的原理和具體實(shí)現(xiàn)問題，該方法能夠提高時(shí)間同步的可靠性，并兼顧了多信道、長(zhǎng)距離傳輸?shù)葐栴}，但需要統(tǒng)一的集中管理器進(jìn)行時(shí)間調(diào)度，抗干擾性不足。上述改進(jìn)思路主要是對(duì)802.11協(xié)議進(jìn)行修改以支持高同步精度TDMA，但仍存在互相無法兼容、系統(tǒng)靈活性低等問題，如果基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking，SDN)思想，在不改變?cè)屑軜?gòu)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)統(tǒng)一的控制層來實(shí)現(xiàn)TDMA，再利用精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議(Precise Time Protocol，PTP)和一些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)微秒量級(jí)的定時(shí)精度，將大幅提高系統(tǒng)的通用性，促進(jìn)多網(wǎng)融合。

2.3CSMA/TDMA結(jié)合技術(shù)

將CSMA和TDMA結(jié)合使用是另一種研究思路，這種方法是對(duì)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和性能的折中考慮，比較適合節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多的多跳網(wǎng)絡(luò)。Sayadi等[27]提出了基于TDMA的單觸發(fā)時(shí)隙預(yù)留(One shot Slot TDMA-based Reservation，OSTR)方案，該方案將時(shí)間幀分為2種子幀，一種是遵循CSMA/CA信道接入方案的CONTROL子幀，主要完成控制命令等數(shù)據(jù)量較少的短報(bào)文傳輸；另一種是按照固定調(diào)度的方式進(jìn)行接入的DATA子幀，主要完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。這種方案既利用TDMA實(shí)現(xiàn)了固定時(shí)隙分配，又利用CSMA實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙的動(dòng)態(tài)按需分配，增加了系統(tǒng)帶寬，比較適合多跳傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景，但該算法并沒有考慮業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)問題。文獻(xiàn)[28]也利用確定性退避的方法結(jié)合TDMA固定時(shí)隙調(diào)度思想提出了一種不間斷無沖突MAC自適應(yīng)算法，在無需考慮流量類型和終端數(shù)量的情況下能保證無碰撞的數(shù)據(jù)傳輸。

3網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)是實(shí)現(xiàn)WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)多跳、自組織特性的決定性技術(shù)，目前的路由協(xié)議主要有基于網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)的三層路由協(xié)議和基于鏈路層設(shè)計(jì)的二層路由協(xié)議2類。相比較三層路由協(xié)議，二層路由協(xié)議不需要在用戶空間和內(nèi)核空間頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、寫入和交換，可極大地降低數(shù)據(jù)包處理開銷，并實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的透明性，大大提高了協(xié)議的可擴(kuò)展性[29]。其中最有代表性的二層路由協(xié)議是混合無線Mesh協(xié)議(Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP)[30]和最佳移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking Advanced，BATMAN-adv)[31]路由協(xié)議。

3.1HWMP路由協(xié)議及其改進(jìn)技術(shù)

HWMP協(xié)議是802.11s工作組專門為WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)開發(fā)制定的綜合路由協(xié)議，該協(xié)議結(jié)合了反應(yīng)式路由協(xié)議和基于樹狀拓?fù)涞南闰?yàn)式路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，能較好地適應(yīng)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前的改進(jìn)思路主要是通過增加不同的路由判據(jù)來實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化：基于預(yù)留的HWMP(Reservation-based HWMP，R-HWMP)協(xié)議[32]通過在路由請(qǐng)求和轉(zhuǎn)發(fā)包中引入RSpec和TSpec字段，提高了端到端的服務(wù)質(zhì)量(QoS)；HWMP-ETX路由協(xié)議[33]、Q-HWMP[34]和HWMP+協(xié)議[35]分別通過引入期望傳輸數(shù)量(Expected Transmission count，ETX)、時(shí)延特性、鏈路質(zhì)量和吞吐量等路由判據(jù)，降低了時(shí)延和丟包率；Eltahir等[36]將鏈路消亡時(shí)間(Link Expiration Time，LET)引入路由判據(jù)，利用LET決定鏈路的穩(wěn)定性，提高了移動(dòng)性適應(yīng)能力。此外，能量有效的HWMP(energy-efficient HWMP，eHWMP)協(xié)議[37]通過將節(jié)點(diǎn)剩余能量作為路由判據(jù)，提高了能量有效性。上述改進(jìn)協(xié)議能夠在一定程度上提高QoS、時(shí)延、吞吐量、能量有效性等性能，但與傳統(tǒng)的協(xié)議一樣，它們都缺乏有效的擁塞控制策略，也沒有充分考慮負(fù)載均衡的問題，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量數(shù)據(jù)需傳輸時(shí)，將產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)流量過載的情況。

3.2BATMAN-adv路由協(xié)議及其改進(jìn)技術(shù)

BATMAN-adv協(xié)議是一種新的引入了綜合人工智能(collective intelligence)思想的路由協(xié)議?；舅悸肥峭ㄟ^整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ瑏磉_(dá)到更好地對(duì)抗由于網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)而引起的邊界效應(yīng)并補(bǔ)償不穩(wěn)定性的目的，非常適用于傳輸質(zhì)量不穩(wěn)定的WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)[38]。國(guó)外很多學(xué)者對(duì)這種路由算法的實(shí)用性進(jìn)行了測(cè)試[39-41]，并與一些開源的路由協(xié)議進(jìn)行了對(duì)比分析，證明該算法在丟包率、延遲、網(wǎng)絡(luò)的吞吐量等方面具有很好的表現(xiàn)，與HWMP相比，具有更優(yōu)的穩(wěn)定性[42-43]。但這種路由協(xié)議還存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，收斂速度慢的問題[44-45]，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：

1) 探測(cè)包(Originator Message，OGM)發(fā)送間隔優(yōu)化。協(xié)議默認(rèn)設(shè)置的OGM發(fā)送間隔是1 s，縮小發(fā)送間隔能夠加快路徑發(fā)現(xiàn)的時(shí)間，但是會(huì)降低2個(gè)終端的帶寬。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)OGM發(fā)送間隔設(shè)置為0.2 s[46]時(shí)，能夠取得收斂速度和帶寬的平衡。

2) 滑動(dòng)窗口機(jī)制優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛開始工作時(shí)，由于尚未收到任何本地鄰居節(jié)點(diǎn)傳來的OGM 報(bào)文，本節(jié)點(diǎn)記錄的最新序列號(hào)尚未完成賦值初始化工作，因此當(dāng)收到OGM報(bào)文時(shí)，計(jì)算收到的OGM報(bào)文與節(jié)點(diǎn)記錄的最新序列號(hào)的差值將產(chǎn)生超出窗口范圍的錯(cuò)誤，從而引發(fā)滑動(dòng)窗口復(fù)位，進(jìn)入保護(hù)周期，丟棄OGM 報(bào)文，路由收斂速度降低。文獻(xiàn)[47]在代碼中增加了一個(gè)負(fù)責(zé)檢查節(jié)點(diǎn)的本地鄰居列表的開關(guān)，當(dāng)本地鄰居列表為空時(shí)，關(guān)閉窗口保護(hù)機(jī)制；當(dāng)存在新的鄰居時(shí)，再打開窗口保護(hù)，避免了源節(jié)點(diǎn)列表更新的延遲，提高了路由的收斂速度。

3) 鏈路傳輸質(zhì)量(Transmit Quality，TQ)計(jì)算方式優(yōu)化。通過改進(jìn)本地TQ、傳輸TQ和全局TQ的計(jì)算方法[48-49]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑變化的快速感知，從而達(dá)到快速切換、提升路由收斂速度的目的。

此外，改進(jìn)信號(hào)強(qiáng)度、改進(jìn)消息處理機(jī)制也可以對(duì)路由收斂速度進(jìn)行優(yōu)化。

4WiFi-Mesh系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望

WiFi-Mesh系統(tǒng)性能的提升需要從物理層技術(shù)、MAC層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)等多方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。由上述分析可以看出：

1) MIMO和OFDM技術(shù)將得到更快發(fā)展。除了解決CSI的有效獲取問題，為了進(jìn)一步提升MIMO性能，在有效解決因收發(fā)天線數(shù)量增加所帶來的收發(fā)機(jī)波束矩陣計(jì)算復(fù)雜度問題，以及因天線數(shù)量和移動(dòng)用戶終端節(jié)點(diǎn)增加所帶來的能量消耗問題的前提下[50-51]，綜合考慮更多天線帶來的體積、重量增加問題，將貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Marzetta提出的大規(guī)模MIMO(Massive-MIMO)[52]技術(shù)引入系統(tǒng)具有很大的可行性。解決OFDM的PAPR問題需要考慮應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)：針對(duì)能量有效性要求高而數(shù)據(jù)帶寬要求相對(duì)低的軍事戰(zhàn)術(shù)通信場(chǎng)合，利用信號(hào)畸變技術(shù)降低PAPR具有較大的可行性和合理性；隨著處理器運(yùn)算能力的大幅度提升，運(yùn)用聯(lián)合類算法將是降低PAPR、保證系統(tǒng)性能的可靠手段。

2) CSMA和TDMA各有優(yōu)勢(shì)。在負(fù)載較小、傳輸距離較近、實(shí)時(shí)性要求不高的情況下，可通過優(yōu)化CSMA滿足WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的使用需求，并保證系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性；在負(fù)載較多、傳輸距離較遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合，引入TDMA的性能優(yōu)勢(shì)更加明顯，但要考慮實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和同步精度問題；對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)不多的多跳網(wǎng)絡(luò)，CSMA/TDMA的組合方式在一定程度上能夠取得實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和系統(tǒng)性能的平衡。

3) 二層路由協(xié)議是未來系統(tǒng)應(yīng)用的首選。從目前情況看，盡管HWMP是802.11s的標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議，人們對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究，但其實(shí)際使用性能較弱、穩(wěn)定性不高，距離實(shí)際部署及應(yīng)用差距較大；而對(duì)于目前已發(fā)布2015.1 release版的開源BATMAN-adv協(xié)議，得益于其輕量化、跨平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想和基于統(tǒng)計(jì)方法的路由查找策略，在對(duì)收斂速度進(jìn)行根本性優(yōu)化的前提下，其發(fā)展空間更加廣闊，是非常值得關(guān)注的一種實(shí)用路由協(xié)議。

5結(jié) 束 語(yǔ)

隨著信息科技的不斷進(jìn)步，包括蜂窩通信系統(tǒng)、寬帶無線接入系統(tǒng)在內(nèi)的多種無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅猛，上述關(guān)鍵技術(shù)性能的提高，將使基于802.11的WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)繼續(xù)得以長(zhǎng)足發(fā)展。未來，通過引入新技術(shù)，還將使WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)性能得到更大程度的提高。如，引入?yún)f(xié)作通信技術(shù)，通過為系統(tǒng)提供“用戶合作分集”[53]實(shí)現(xiàn)無線資源(信道容量?jī)?yōu)化和頻譜共享)的高效管理；引入認(rèn)知無線電技術(shù)，通過使系統(tǒng)快速識(shí)別和調(diào)整可用頻率而大幅度提升頻譜利用效率；引入內(nèi)容緩存技術(shù)[54-55]，通過動(dòng)態(tài)緩存重要數(shù)據(jù)有效降低因鏈路異常中斷，而導(dǎo)致消息丟失的概率；引入延時(shí)容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Network，DTN)技術(shù)[56]，通過某種存儲(chǔ)感知路由協(xié)議對(duì)端到端的鏈路變化進(jìn)行預(yù)估，也可實(shí)現(xiàn)波動(dòng)鏈路狀態(tài)下信息傳輸?shù)聂敯粜浴?/p>

需要說明的是，安全性技術(shù)也是WiFi-Mesh無線自組網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，限于篇幅和研究方向，本文對(duì)此并未涉及。

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(編輯：李江濤)

Comprehensive Study on Key Technologies of WiFi-Mesh Wireless Network

LIU Zuoxue，DAI Jianmei

(Department of Information Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractWiFi-Mesh wireless network is a collective name for a type of ad-hoc network systems based on 802.11 protocol and wireless routing protocol. With a layered approach, the paper makes analysis and discussion on the multi-antennal technology, multi-carrier technology, media-accessed control mechanism, routing algorithm and some other key technologies for the system and puts priority on the status quo, challenges and future development direction on information acquisition technology of channel state information (CSI) in multi-antennal condition, peak to average power ratio reducing technique in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), carrier sense multiple access/collision avoidance , improvement mechanism of time division multiple access (TDMA), hybrid wireless Mesh protocol and optimized mobile network routing protocol. In the end, the paper shows the outlook of the new technologies which may be used for WiFi-Mesh wireless ad-hoc network system.

Keywordschannel state information (CSI); peak to average power ratio (PAPR); carrier sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA); time division multiple access (TDMA); routing protocol

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.021

文章編號(hào)2095-3828(2016)02-0095-07

中圖分類號(hào)TP393.0

作者簡(jiǎn)介劉作學(xué)(1962-)，男，教授，主要研究方向?yàn)檐娛聼o線通信技術(shù)。lzx626@sohu.com

收稿日期2015-12-08