無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的概念及關(guān)鍵技術(shù)

摘要無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，它融合了無線局域網(wǎng)和Adhoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、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，成為無線寬帶接入的一種有效手段。文章簡要介紹無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的概念和系統(tǒng)特性，詳細闡述摩托羅拉Mesh技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、頻率配置和關(guān)鍵技術(shù)等。

0、引言

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN）技術(shù)曾是一項軍事技術(shù)，戰(zhàn)場上的移動網(wǎng)絡(luò)需要很高的數(shù)據(jù)速率、很低的被檢出概率和防止人為干擾的能力，而Mesh技術(shù)就具備了這些能力。隨著人們對802.11a、802.11b和802.11g等局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)了解的深入，Mesh技術(shù)才逐步成為企業(yè)界和消費者矚目的焦點，并沿著不同的分支演進。

目前，業(yè)界討論最多的“無線網(wǎng)狀網(wǎng)”技術(shù)是一種靈活的廣域無線局域網(wǎng)（WLAN）解決方案，它突破了Wi-Fi技術(shù)對每個接入點的有線連接要求，將多個接入點通過無線方式連接在一起，無需進行布線就可形成一個無線網(wǎng)絡(luò)或“熱區(qū)”，從而在室內(nèi)和室外提供寬廣的無線覆蓋。目前，許多知名廠商（如摩托羅拉、思科、Strix、Tropos等）都已經(jīng)有成熟產(chǎn)品問世，促進各個行業(yè)組織制訂標準，以推進網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)的可操作性。

目前，基于Mesh技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)集成了健壯的安全性和全面的可管理性，可提供移動寬帶和靈活的自組網(wǎng)通信，并擁有對局部區(qū)域可靠和安全的覆蓋能力，已成為符合國際電聯(lián)（ITU）公眾保護及救災(zāi)（PPDR）業(yè)務(wù)要求的一項優(yōu)秀解決方案。Mesh網(wǎng)絡(luò)不僅有助于改善城市信息化的應(yīng)用環(huán)境，而且對提升城市的綜合服務(wù)能力也有十分明顯的作用。

1、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的概念

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是基于IP協(xié)議的無線寬帶接入技術(shù)，它融合了WLAN和Adhoc網(wǎng)絡(luò)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(fù)、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(luò)，成為寬帶接入的一種有效手段。從某種意義上講，Mesh網(wǎng)絡(luò)更主要的是一種網(wǎng)絡(luò)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。

無線Mesh技術(shù)是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的WLAN中，每個客戶端均通過一條與接入點（AP）相連的無線鏈路訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶若要進行相互通信，必須首先訪問一個固定的AP，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可同時作為路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都能發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都能與一個或多個對等節(jié)點進行直接通信。

這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣�的話，�?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個節(jié)點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

其實我們熟知的Internet就是一個Mesh網(wǎng)絡(luò)的典型例子。當(dāng)我們發(fā)送一份Email時，電子郵件并不是直接到達收件人的信箱中，而是通過路由器從一個服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到另外一個服務(wù)器，經(jīng)過多次路由轉(zhuǎn)發(fā)才到達用戶的信箱。在轉(zhuǎn)發(fā)過程中，路由器一般會選擇效率最高的傳輸路徑，以便使電子郵件能盡快到達用戶的信箱。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可看作“Internet的無線版”。

2、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性

1）自組織

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和授權(quán)最終用戶可即時加入網(wǎng)絡(luò)，擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并可連接至所有其他節(jié)點。

2）自愈

如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺設(shè)備發(fā)生故障或從其拓撲位置上拆卸，網(wǎng)絡(luò)會自動適應(yīng)這種改變。既使發(fā)端與對端之間的連接涉及多臺中繼設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)也會找到從發(fā)端到對端的新的路由。

3）多跳式

每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端設(shè)備（無線通信單元）均能轉(zhuǎn)發(fā)和路由發(fā)送至另一個對端的數(shù)據(jù)包，能選擇并確定一個從發(fā)端到對端的最佳路由。

4）點對點網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)通常由平等的網(wǎng)元構(gòu)成，只要發(fā)端和對端的距離足夠近，就能直接連接發(fā)端和對端。而不必通過中央管理節(jié)點。

3、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)模式

筆者參與了2007年在上海進行的無線Mesh技術(shù)測試和組網(wǎng)應(yīng)用的研究，比較了解無線Mesh技術(shù)的系統(tǒng)性能和關(guān)鍵技術(shù)，下面詳細介紹試驗所采用的MotoMesh技術(shù)。

在采用MotoMesh技術(shù)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)中，其拓撲結(jié)構(gòu)呈格柵狀，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個網(wǎng)絡(luò)由無線接入點（AP）、無線路由器（WR）、終端用戶/設(shè)備（CLIENT）組成。

圖1  MotoMesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

一個AP能在幾十至上百米的范圍內(nèi)連接多個WR，AP的主要作用是將無線網(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)，其次要將各個與WR相連的無線客戶端連接在一起，使裝有無線網(wǎng)卡的終端設(shè)備能通過AP共享核心網(wǎng)的資源。智能接入點（IAP）是在AP的基礎(chǔ)上增加了Adhoc路由選擇功能。此外，AP/IAP還具有網(wǎng)管功能，實現(xiàn)對無線接入網(wǎng)絡(luò)的控制和管理，將傳統(tǒng)的智能性分散到接入點（AP/IAP）中，大大節(jié)省了骨干網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，提高了網(wǎng)絡(luò)的可延展性。在IAP的下層配置WR，為底層的移動終端設(shè)備（即用戶）提供分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能，從IAP下載并實現(xiàn)無線廣播軟件更新。根據(jù)當(dāng)時可使用的節(jié)點配置臨時決定轉(zhuǎn)發(fā)分組信息的路由，即實現(xiàn)動態(tài)路由。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通過使用WR可以實現(xiàn)移動終端設(shè)備與接入點間通信范圍的彈性延展。

終端用戶/設(shè)備兼?zhèn)渲鳈C和路由器兩種角色。一方面，節(jié)點作為主機運行相關(guān)的應(yīng)用程序；另一方面，節(jié)點作為路由器需要運行相關(guān)的路由協(xié)議，參與路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等常見的路由操作。

MotoMesh系統(tǒng)有兩種典型的實現(xiàn)模式：

1）基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)狀網(wǎng)模式（infrastructuremeshing）

該模式在接入點與終端用戶之間形成無線回路。移動終端通過WR的路由選擇和中繼功能與IAP形成無線鏈路，IAP通過路由選擇及管理控制等功能，為移動終端選擇與目的節(jié)點通信的最佳路徑，從而形成無線回路。同時，移動終端通過IAP可與其他網(wǎng)絡(luò)相連，從而實現(xiàn)無線寬帶接入。采用該結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)成本，提高了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性。

2）終端用戶網(wǎng)狀網(wǎng)模式（clientmeshing）

終端用戶自身配置無線收發(fā)裝置，通過無線信道的連接形成一個點到點的網(wǎng)絡(luò)，這是一種任意網(wǎng)狀網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點可以任意移動，可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化。在這種環(huán)境中，由于終端的無線通信覆蓋范圍有限，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉(zhuǎn)發(fā)進行數(shù)據(jù)通信。在任一時刻，終端設(shè)備在不需要其他基礎(chǔ)設(shè)施的條件下可獨立運行，它可支持移動終端較高速率的移動，快速形成寬帶網(wǎng)絡(luò)，終端用戶模式事實上就是一個Adhoc網(wǎng)絡(luò)，它可以在沒有或不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境。

由于兩種模式具有優(yōu)勢互補性，因此，同時支持兩種模式的網(wǎng)絡(luò)能在一個廣闊的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多跳的無線通信，移動終端既可以與其他網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)無線寬帶接入，又可以在不具備基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的條件下與其他用戶進行直接通信，并且可以作為中間的路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)，送往目的節(jié)點。

4、MotoMesh網(wǎng)絡(luò)的頻率配置

Mesh網(wǎng)絡(luò)作為典型的多點對多點網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點的移動會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化，網(wǎng)管需要定期收集各節(jié)點的連接信息，這將會增加網(wǎng)絡(luò)負荷，加大網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)開銷。同時，在無線網(wǎng)絡(luò)中，受外界環(huán)境各種衰落的影響，信號的質(zhì)量變化較大，又會造成信道的不穩(wěn)定。MotoMesh系統(tǒng)通過4個相對獨立的模塊，能根據(jù)客戶需要進行靈活配置，有效解決鏈路回傳與用戶接入的信道共享問題，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和頻譜利用率。

一套MotoMesh系統(tǒng)中有兩套標準的802.11（Wi-Fi）射頻組件和兩套摩托羅拉網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（MEA）移動寬帶射頻組件，其中一套Wi-Fi和MEA射頻組件工作在2.4GHz免許可頻段，另一套工作頻率為4.9GHz公共安全許可頻段，即2.4GHz-WiFi/24GHz-MEA/4.9GHz-WiFi/4.9GHz-MEA。

2.4GHz頻段使用的頻率范圍為2400MHz～2483.5MHz，共分為4個信道，3個Mesh信道（其中第一個為控制信道），1個802.11g信道，4個信道帶寬均為20MHz。

4.9GHz頻段所使用的頻率范圍為4940MHz～4990MHz，共分為2個信道，第一個信道為Mesh信道，信道帶寬為20MHz，控制和數(shù)據(jù)共享該信道。第二個為802.11a信道，信道帶寬為10MHz。

MotoMesh架構(gòu)采用多套射頻組件和多個頻段，所以能為公共安全、市政工程和公共接入提供彼此獨立的專用無線寬帶接入服務(wù)。IAP的雙重獨立同傳連接實現(xiàn)了公共網(wǎng)絡(luò)與其他無關(guān)回傳網(wǎng)絡(luò)的物理分離，提高了公共安全用戶的通信安全性。

5、MotoMesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1網(wǎng)狀可擴展路由（MSR）

摩托羅拉Mesh網(wǎng)絡(luò)采用了一種專有的距離矢量路由算法MSR，可提供多種已知路由，但不維持關(guān)于某個地區(qū)內(nèi)的所有節(jié)點的信息。這種距離矢量算法沿著最佳路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，同時維持兩個備份路由。通過衡量鏈路規(guī)格選擇最佳路由。多種鏈路規(guī)格的組合可提高系統(tǒng)在數(shù)據(jù)包可靠性、延遲和抖動方面的性能。提供備份路由是為了支持在混亂的環(huán)境中迅速改變的移動節(jié)點的信號特征。

因為無線網(wǎng)絡(luò)具備根本不同的特性，所以針對有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的路由協(xié)議不可用于移動自組織網(wǎng)絡(luò)，主要問題是無線鏈路的不可靠性。選擇距離最短的通道通常不是這些移動無線協(xié)議最重要的特性。諸如快速路由匯聚、高反應(yīng)能力、鏈路可靠性、避免擁塞、負載平衡、限制每個節(jié)點必須進行的處理、電池性能和傳輸功率（自干擾）等才是無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)更重要的特性。

對最初找到連接至對端的路由時的延遲及當(dāng)前路由發(fā)生故障時找到另一個替代路由時的延遲來說，路由設(shè)置時延非常重要，它與蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的越區(qū)切換類似。較低路由成本對最大限度提高用戶系統(tǒng)的吞吐量非常重要。網(wǎng)絡(luò)可擴展性會受路由成本的影響，因為一旦達到允許的路由成本限值，就不能再擴展網(wǎng)絡(luò)。移動性支持通過在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中進行越區(qū)切換以及在有線網(wǎng)橋必須進行的上下文切換實現(xiàn)。路由規(guī)格的可用性會影響在一個高度動態(tài)的拓撲網(wǎng)絡(luò)中快速、準確地做出明智決策的能力。

5.2自適應(yīng)控制傳輸協(xié)議（ATP）

ATP是負責(zé)確定傳輸功率和數(shù)據(jù)率的算法，可用于確保在相應(yīng)節(jié)點實現(xiàn)最可靠的接收。

選擇路由時必須對連接至所有可用相鄰節(jié)點的鏈路的輸入質(zhì)量進行測量，以便在選擇連接至每個對端的下一個跳躍點時，做出考慮周全的決策。該質(zhì)量值主要以能量值的形式表示，其中包含了與每個相鄰節(jié)點進行通話時所使用的功率水平和數(shù)據(jù)率。能量值轉(zhuǎn)換為鏈路阻值，并且沿整個路由擴散。能量值是用于評估能否成功地將數(shù)據(jù)包發(fā)送至相鄰節(jié)點或通過特定路由發(fā)送數(shù)據(jù)包的重要規(guī)格。

ATP可提供關(guān)于鏈路丟失的實時信息。由ATP算法確定鏈路丟失，以衡量傳輸成功和傳輸失敗的信號質(zhì)量，從而實現(xiàn)良好信號瞬間丟失與真正的壞信號之間的平衡。當(dāng)路由選擇收到該通知時，將該相鄰節(jié)點用作下一個跳躍點的任何對端均必須立即切換至另一個替代路由。該相鄰鏈路狀態(tài)被設(shè)置為斷開，在重新設(shè)置之前，不可被用作下一個跳躍點。

ATP業(yè)務(wù)旨在支持MSR協(xié)議以數(shù)據(jù)包為單位，平衡地實現(xiàn)可靠的傳輸和盡可能最高的數(shù)據(jù)率。

5.3正交分割多址接入技術(shù)（QDMA）

摩托羅拉公司的QDMA?無線通信平臺運行在2.4GHzISM頻段和4.9GHz頻段，是專門為廣域范圍內(nèi)通信的最優(yōu)化以及移動網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的。

在2.4GHz的ISM頻段，由于它在接入控制（MAC）子層使用多信道方式（3個數(shù)據(jù)信道和1個控制信道），因此與單個信道相比，更適用于高密度的WMN終端設(shè)備。QDMA技術(shù)提供一個高性能的射頻前端，該前端包含類似于多抽頭Rake接收機的功能和一種克服射頻環(huán)境快速變化的公平算法。

QDMA可在較廣的移動通信范圍內(nèi)提供較強的糾錯能力，同時，增強的抗干擾能力和信號的靈敏度可為基于QDMA技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)提供達到250mph的移動速度，適于部署在直升飛機中，理論上可提供最高達6Mbps的突發(fā)數(shù)據(jù)率，并且可在超過80mph的速度下保持1Mbps的吞吐量。

5.4正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）

無線Mesh系統(tǒng)物理層可采用OFDM技術(shù)。OFDM技術(shù)是將高速的數(shù)據(jù)流通過串/并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個正交子信道中，在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此，每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。所采用的數(shù)字信息調(diào)制有時間差分移相健控（TDPSK）和頻率差分移相鍵控（FDPSK），以快速傅里葉變換（IFFT和FFT）算法實施數(shù)字信息調(diào)制和解調(diào)功能。由于無線信道的頻率選擇性，所有的子信道不會同時處于深衰落中，因此，可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，利用信噪比高的子信道提升系統(tǒng)性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統(tǒng)在某種程度上能抵抗這種干擾。

OFDM技術(shù)結(jié)合了分集、時空編碼、干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大程度地提高系統(tǒng)性能，使無線Mesh系統(tǒng)性能得到進一步優(yōu)化。

6、結(jié)束語

從國外的研究情況來看，2004年1月，IEEE802.11WorkingGroup專門正式成立了網(wǎng)狀網(wǎng)研究組（MeshStudy Group），標志著Mesh技術(shù)正式邁上了廣泛標準化道路。同時，其他標準（如802.15.3a、802.15.4和專用短程通信（DSRC））也開始探索如何通過網(wǎng)狀網(wǎng)嵌入式設(shè)備來改進其現(xiàn)有技術(shù)，IEEE802.16已經(jīng)將網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)納入其MAC層協(xié)議標準中。隨著無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加和融入更多的安全性，無線Mesh技術(shù)會越來越顯示出其優(yōu)勢，成為無線寬帶領(lǐng)域中的生力軍。

國內(nèi)的Mesh技術(shù)市場推廣工作也在一步步展開，個別大學(xué)進行了校園無線網(wǎng)狀網(wǎng)接入的嘗試。此次上海針對MotoMesh技術(shù)系統(tǒng)進行的性能研究是目前國內(nèi)搭建規(guī)模最大、技術(shù)測試最深入的一次技術(shù)試驗，初步摸清了MotoMesh系統(tǒng)的容量、傳輸吞吐率、多級跳接、移動性能等性能指標，對自組織對等網(wǎng)、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）管理能力、多業(yè)務(wù)接入能力以及系統(tǒng)安全性方面功能也進行了驗證。

我們有理由相信，隨著無線Mesh技術(shù)研究的不斷深入，其應(yīng)用的領(lǐng)域會越來越廣，它在無線寬帶接入方面有著非常大的市場潛力。