無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)分析 （上）

傳統(tǒng)的無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用時(shí)常常因?yàn)榫�纜的限制而不能靈活地進(jìn)行擴(kuò)展。根據(jù)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN）的節(jié)點(diǎn)功能對(duì)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并討論基于各種無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)。最后介紹無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景，并指出研究重點(diǎn)。

1、概述

在無(wú)線通信中，傳統(tǒng)的做法是通常是在接入用戶的“最后一公里”的接入網(wǎng)部分采用各種無(wú)線接入技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)提供方能迅速將網(wǎng)絡(luò)覆蓋至用戶需求的熱點(diǎn)地區(qū)，用戶也可以擺脫接入線纜的限制而隨意接入通信網(wǎng)絡(luò)。盡管各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳輸速率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上同期的有線傳輸技術(shù)，但卻為通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供良好的技術(shù)支持。

但是，隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大，各類無(wú)線接入點(diǎn)的有線連接要求使其在某些缺乏有線基礎(chǔ)架構(gòu)的環(huán)境中遇到諸多挑戰(zhàn)和不便。而新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Network，WMN）因其具有寬帶無(wú)線匯聚連接功能、有效的路由及故障發(fā)現(xiàn)特性、無(wú)需有線網(wǎng)絡(luò)資源等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，它可以與多種寬帶無(wú)線接入技術(shù)如802.11、802.15、802.16、802.20以及3G移動(dòng)通信等相結(jié)合，組成一個(gè)多跳無(wú)線鏈路的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這種無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以有效減少故障干擾、降低發(fā)射器功率、延長(zhǎng)電池使用壽命、極大地提高頻率復(fù)用度，從而提高網(wǎng)絡(luò)容量、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并有效地提高通信可靠性。目前它已經(jīng)被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

2、WMN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的無(wú)線接入技術(shù)中，主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，例如移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站、802.11 WLAN中的AP等。中心節(jié)點(diǎn)一方面與各個(gè)無(wú)線終端通過(guò)單跳無(wú)線鏈路相連，控制各無(wú)線終端對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)；另一方面，中心節(jié)點(diǎn)又通過(guò)有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連，提供到骨干網(wǎng)的連接。

而在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，采用網(wǎng)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以說(shuō)是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)相鄰的其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以無(wú)線多跳方式相連。目前，普遍認(rèn)為無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)包含兩類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：Mesh路由器和Mesh客戶端。

Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)的無(wú)線路由器的網(wǎng)關(guān)/中繼功能外，還支持Mesh網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的路由功能。Mesh路由器通常具有多個(gè)無(wú)線接口，這些無(wú)線接口可以基于相同的無(wú)線接入技術(shù)構(gòu)建，也可以基于不同的無(wú)線接入技術(shù)。與傳統(tǒng)的無(wú)線路由器相比，無(wú)線Mesh路由器可以通過(guò)無(wú)線多跳通信，以更低的發(fā)射功率獲得同樣的無(wú)線覆蓋范圍。

Mesh終端也具有一定的Mesh網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是一般不具有網(wǎng)關(guān)橋接功能。通常，Mesh終端只具有一個(gè)無(wú)線接口，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度遠(yuǎn)小于Mesh路由器。

根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能的不同，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3類：骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)（分級(jí)結(jié)構(gòu)）、客戶端Mesh結(jié)構(gòu)（平面結(jié)構(gòu)）、混合結(jié)構(gòu)。

2.1　骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)

骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh路由器組成，是一個(gè)可以自配置和自愈的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能與因特網(wǎng)相連，普通客戶端和已有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)或中繼功能接入WMN，網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1　骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)

其中虛線和實(shí)線分別表示無(wú)線和有線連接，使用包括IEEE 802.11在內(nèi)的多種無(wú)線技術(shù)，具有以太網(wǎng)接口的普通客戶端通過(guò)以太接口直接接入Mesh路由器。如果普通客戶端采用與Mesh路由器相同的無(wú)線技術(shù)，則可以直接建立通信；若采用不同的無(wú)線技術(shù)，則不同的客戶端需要先接入具有以太接口的基站再與Mesh路由器相連。

2.2　客戶端Mesh結(jié)構(gòu)

客戶端Mesh結(jié)構(gòu)是由Mesh客戶端組成，在用戶設(shè)備間提供點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線服務(wù)�？蛻舳私M成一個(gè)能提供路由和配置功能的網(wǎng)絡(luò)，支持用戶的終端應(yīng)用。由于組成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)不需要具有網(wǎng)關(guān)或中繼功能，所以不需要Mesh路由器，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2　客戶端Mesh結(jié)構(gòu)

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的客戶端通常只使用一種無(wú)線技術(shù)。任意節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包可以經(jīng)過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)抵達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，雖然節(jié)點(diǎn)不需要有網(wǎng)關(guān)和中繼功能，但路由和自組織能力是必需的。

2.2　混合結(jié)構(gòu)

綜合以上2種結(jié)構(gòu)，構(gòu)建一種混合結(jié)構(gòu)，Mesh客戶端可以通過(guò)Mesh路由器接入骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。這種結(jié)構(gòu)提供了與其它一些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連接，如因特網(wǎng)、WLAN、WiMax、蜂窩和傳感器網(wǎng)絡(luò)。在這種結(jié)構(gòu)中，可以利用客戶端的路由能力為無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)連接性、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

圖3　混合結(jié)構(gòu)

3、WMN的組網(wǎng)擴(kuò)展技術(shù)

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)就是多跳技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)線接入技術(shù)相融合的結(jié)果，如多跳技術(shù)分別與無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）和無(wú)線寬帶城域網(wǎng)（WMAN）融合之后，造就了基于WLAN的WMN、基于WPAN的WMN和基于WMAN的WMN，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中無(wú)處不在的接入理念將得到充分的發(fā)揮與體現(xiàn)。然而，傳統(tǒng)的基于單跳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議機(jī)制無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)或性能要求，相關(guān)的技術(shù)如組網(wǎng)技術(shù)、MAC層協(xié)議等成為迫切需要改進(jìn)的熱點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織（IEEE）也積極致力于為無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)制定新的標(biāo)準(zhǔn)。下面對(duì)IEEE特別關(guān)心的組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了討論。

3.1　WLAN中的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展技術(shù)

IEEE在1997年制定了一個(gè)WLAN標(biāo)準(zhǔn)，即802.11協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶終端之間的無(wú)線接入，主要工作在ISO協(xié)議的最低兩層（PHY層和MAC層）。最初802.11業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到2 Mbit/s，但隨后提出的802.11b和802.11 a/g峰值速率可以分別達(dá)到11 Mbit/s和54 Mbit/s，而研究中802.11 n的速率可以達(dá)到100 Mbit/s。有這樣的速率保證，對(duì)于家庭、辦公、校園和社區(qū)網(wǎng)絡(luò)，就可以摒棄傳統(tǒng)的線纜連接，增加組網(wǎng)靈活性，同時(shí)減少敷設(shè)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷。

然而，傳統(tǒng)的802.11 Ad hoc模式的MAC層協(xié)議的固有屬性并不支持網(wǎng)狀連接，使得網(wǎng)絡(luò)性能很差。為此，IEEE成立802.11 s子工作組，制定標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)展服務(wù)集（ESS），即802.11 s專門為無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)定義MAC層協(xié)議以及基于該MAC層的網(wǎng)絡(luò)和其它協(xié)議。

在傳統(tǒng)的802.11中有兩種基本結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。802.11 s工作組為支持這兩種結(jié)構(gòu)制定了新的規(guī)范。圖4所示的樹(shù)形多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)是基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。該網(wǎng)絡(luò)主要由3種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：Mesh節(jié)點(diǎn)（MP）、Mesh接入點(diǎn)（MAP）、傳統(tǒng)WLAN站點(diǎn)。其中，MP又分為一般MP和根MP。根MP是傳統(tǒng)AP的擴(kuò)展，它的一端通過(guò)有線或無(wú)線方式接入到因特網(wǎng)，而另一端則以生成樹(shù)的形式向下延伸。一個(gè)生成樹(shù)有且僅有一個(gè)根MP，它掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的情況，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、鏈路負(fù)載等，其作用相當(dāng)于一個(gè)中心控制設(shè)備。由于受功率限制，根MP只能與它單跳范圍內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)通信。同理，這棵生成樹(shù)的其他一般MP也只能與它單跳范圍內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。因此，如果網(wǎng)絡(luò)中不在單跳范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)想要進(jìn)行通信時(shí)，就必須要使用草案中提出的路由協(xié)議，如RM-AODV、RM-OLSR等。為了保持與傳統(tǒng)WLAN站點(diǎn)的兼容性，MAP扮演了多種角色：對(duì)于在它傳輸范圍之內(nèi)的傳統(tǒng)802.11站點(diǎn)，它可以看成一個(gè)AP；而對(duì)于其他MP來(lái)說(shuō)，它又可以看成是普通的MP。

圖4　802.11 s草案的樹(shù)形多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?