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无线Mesh技术和网络
摘要：无线网状网(WMN)是近年被高度重视和快速发展的新型网络技术，支持宽带高速多媒体业务服务。文章就无线Mesh网络技术和应用进行讨论，综述无线Mesh网络的发展由来、基本技术、典型应用和现在的发展。随着未来无线分布技术和无线分布网络的发展，无线Mesh技术和网络将会成为无线移动通信的基本网络技术和网络结构，渗透到各种无线网络中，发挥更大作用。
关键词：无线网状网；Mesh路由器；无线宽带接入,未来无线通信
Abstract:TheWirelessMeshNetwork (WMN) has been actively researched and developed as a new network technology to support broadband and high speed multimedia services. In this paper, WMN technologies and applications are studied and analyzed deeply, including WMN evolution, key techniques, typical systems and recent development. With the development of distributed wireless technology and distributed wireless networks in the future, the WMN technology and networks will become the basic networking technology and network structure of wireless communications, and will be involved in all wireless networks.
Keywords:wirelessMeshnetwork; Mesh router; wireless broadband access; future wireless communications
基金项目：国家自然科学基金资助项目(60572066)
无线网状网(WMN)技术是面向基于IP接入的新型无线移动通信技术，适合于区域环境覆盖和宽带高速无线接入。无线Mesh网络基于呈网状分布的众多无线接入点间的相互合作和协同，具有宽带高速和高频谱效率的优势，具有动态自组织、自配置、自维护等突出特点，因此，无线Mesh技术和网络的研究开发与实际应用，成为当前无线移动通信的热门课题之一，特别在未来移动通信系统长期演进(LTE)中，无线Mesh技术和网络成为瞩目焦点[1-6]。
1 无线Mesh网络的由来
无线Mesh网络的出现和发展，是与西方发达国家，特别是美国，在20世纪80年代Internet和无线局域网的兴起和应用直接相关。个人计算机的应用和Internet的出现，使人们的信息交流和信息应用变得极其方便和容易，极大地改变了人们的社会活动和生活状况，促进了社会飞速发展和进步。但是，已经有的城市建设布局和建筑物，不可能为Internet的需要任意更改和重建。建设布局不能改，城市建筑不能破坏，使Internet的覆盖和应用造成极大困难。因此，无线通信和无线覆盖具有极好的应用前景。无线覆盖作为Internet面向用户终端的接入手段，十分有效和方便，得到各方的重视，纷纷开展研究和应用，例如IEEE 802系列标准和产品，就是无线Mesh的典型代表。但是，各城市、各地区的有限的Internet接入点和网络连接位置，给通过无线实现全区域覆盖带来难题。
图1是一个无线IP接入点(无线网关)，对给定地区的无线覆盖图。在城市和高楼街区的特定环境，不可能对建筑物和街区作较大规模的建设和更改，某个较大区域可能只有一个无线网关(WGW)接入Internet。显然，要实现单一覆盖，在无线移动频段，WGW和相应的用户终端的发射信号功率将会很大，这往往是不允许或是做不到的。另外，对IP数据传输，要求数据速率高、通信质量好、差错率低，也需要足够的接收信号功率。WGW覆盖区域大，也就要求信号发射功率大。比如，图1中终端1到WGW距离是R1，稳定接收的发射信号功率为P1；终端4到WGW距离是R4，稳定接收的发射信号功率为P4。如果R4是R1的4倍，无线信号传播衰落因子a =4(一般为3～5)，即R4=4R1，则：
P4=4aP1=256P1
显然，为覆盖边缘地方，信号功率要增大250多倍，这是普通个人终端不可能实现的。另外，如果WGW使用的无线移动频段的带宽为B，作单一覆盖，每个用户终端的传送数据需要带宽b，则整个区域同时支持的最大多用户数为：
M =B /b
很明显，这里的单一覆盖，没有对给定频段进行复用，支持的终端数少，多用户能力不高。发射信号功率要求大，支持用户数又不高，是图1所示的单一无线IP接入点覆盖的重要缺陷。
为了解决这一难题，20世纪80年代提出了两种有效的解决方案。
一种解决方案如图2所示。为了保持如图1的较小信号发射功率P1都能应用到所有终端，并使在覆盖边缘或远端的用户终端能接入WGW，采用通过具有路由功能的邻近终端作中继接力，经过多跳，接入到WGW，实现微小功率下的Internet接入。这种形成微小功率区域覆盖的解决方案的综合，构成Ad Hoc网络。这种网络可实现微小信号功率接入，同时接入最大用户数不会增加，但是用户终端间中继接力通信需要增加额外开销。这对具有路由功能的终端依赖较大，在终端移动情况下路由选择和网络拓扑不能固定，变动大。不过，Ad Hoc网络不需要增添另外的无线路由器来实现微小区覆盖，通过终端的中继接力接入Internet，对构建终端不太移动、位置分布比较随机的无线传感器网络非常方便、实用和有效。
另外一种解决方案如图3所示。将一个WGW支持的相关区域内划分成不同的多个微小区域，可彼此重叠，各微小区设立一个无线路由器(WR)，形成众多无线路由器的网络覆盖。每个用户终端就近接入相应的WR，WR或直接接到GW，或通过邻近WR中继接力接到GW，实现整个区域的Internet接入。如果每个WGW都是这样一种引入众多WR的区域覆盖，多个GW覆盖区域的综合，就构成一种新型无线网络：无线Mesh网络，如图4所示。图4中众多WR相互合作和协同，成网状分布，对整个城市或任意区域无线覆盖，实现无线移动通信。
无线Mesh网络的基本小区是如图3所示的一个GW下的多个无线路由器(又称为Mesh路由器)覆盖的网络小区，其Mesh路由器和用户终端的最大发射信号功率可以做到仅为P1，而区域内的无线移动频段同时支持的最大多用户数为：
M mesh=NB /b
N 是该区域的Mesh路由器数目，理论上N 越大，能同时接纳的用户数越多。因此，无线Mesh网络，不仅能解决无线IP接入点少、接入Internet不方便的问题，还能在微小信号功率下完成工作，实现大量用户终端的Internet应用。
尽管作为Internet接入的WGW的位置和数量多少受城市环境和现有建筑格局所影响，仅在某些固定位置与Internet有线连接。但利用用户终端无线接入的众多Mesh路由器实现新的网络布局，可以根据位置环境、传播特性、终端用户分布等情况灵活设定。WR可多可少，可稀可密。通常WR与GW之间也采用无线通信，只不过是采用与不同于终端用户的无线频段实现固定点间的无线通信。所以，无线Mesh网络的网络结构和组网方法，结构灵活，易于安装，具有动态自组织、自配置、自维护等突出特点。
2 无线Mesh基本技术
从图3可以看出，无线Mesh网络在通常的WGW(实现无线Internet接入)、无线用户终端的基础上，增添了无线路由器，由如图5所示的原有基础的无线接入网络结构演变成如图6所示的无线Mesh网络结构。无线Mesh网络增加了无线路由器层，各路由器间由无线连接，路由器与无线IP接入点(WGW)间由无线连接，并可交叉链接，形成密集网络。由此衍生出无线Mesh网络特有的基本技术和处理方法，它们都是与常规单纯的无线接入网络不同的新增无线路由器层直接相关联的。
2.1无线Mesh路由器的无线传输技术
在研究无线Mesh网络技术过程中，常常把Mesh路由器(如WR)的无线传输技术，称为无线Mesh网络的物理层技术。这里传输主要是指WR与用户终端间的无线传输、WR之间的无线传输和WR与WGW间的无线传输。
WR与用户终端间的无线传输是按用户终端支持的无线技术和标准化要求，实现类似于基站或无线接入点的功能，能够支持各种不同无线空中接口的接入要求。无线Mesh网络结构支持不同的标准化接入系统，有不同的无线传输技术，WR与用户终端间的无线传输都能适应。
WR之间的无线传输和WR与WGW间的无线传输是需要定义和确认的。原则上，采用何种传输技术与用户终端支持的技术标准和系统方式没有直接关系，可以尽量采用现有的先进技术和方法。由于WR相当于基站，是位置固定的，是支持多用户综合高速数据的，是密集覆盖并要尽量避免彼此间干扰的，是有多种路由选择的。因此，智能定向天线技术、高效可控调制编码技术、低临界发射功率控制技术等是最重要的物理层传输技术。
智能定向天线技术是一种信号功率集中的指定方向波束成形技术，如图7所示。在3G系统中，特别是在同频工作的TD-SCDMA系统中，得到广泛应用。智能天线技术是一种特别的多输入多输出(MIMO)技术，使用相位受控的m个天线振子组合，可形成m个不同方向的低功率定向发射，使到达接收点的信号功率最强，而对其他邻近WR的辐射最小，影响最小，实现网络密集覆盖的低功率应用。在不好直接利用智能天线的场合，也要采用MIMO技术，提高功率效率和传输效率。
高效可控调制编码技术是未来无线通信的共同要求。但是，WR之间和WR与WGW间的无线传输，由于位置固定、传输路径固定、信道衰落起伏平稳，因此能采用有效的信道估计补偿技术实现比移动环境高得多的传输调制效率和编码效率，完成高速通信。正交频分复用(OFDM)技术、正交幅度调制(QAM)迭代技术、Turbo编解码技术等能够实现高速、可控可管、自适应，都是首选技术。
低临界发射功率控制技术是信号功率效率提高的关键，与网络拓扑结构密切相关。无线Mesh网络采用无线接入密集覆盖办法，能实现低信号功率应用。为最大减小对邻近WR的干扰，发射功率最小临界化的功率控制十分重要。图8是临界低功率发射控制示意图，图8a发射功率过小，仅部分连接；图8b是发射功率过大，各WR覆盖彼此交叉重叠过多，相互干扰严重；图8c是发射功率控制到合适临界的状况，相互交叉重叠不多，各WR都可经由单跳或多跳连接到WGW，全可联通，是最佳控制。当然，信号发射功率控制，不仅考虑网络拓扑结构，还要考虑到数据业务负载，传输时延和业务质量等要求，实现优秀综合性能的最大网络容量。
2.2多信道接入的MAC技术
提供媒体访问控制(MAC)接入的多信道技术，同通常的无线通信网络一样，有频分多址(FDMA)技术、时分多址(TDMA)技术、码分多址(CDMA)技术和使用定向天线的空分多址(SDMA)技术，实用中经常是这些多址技术的部分或全部综合应用，形成彼此独立互不串扰的多信道接入技术。由于WR的定点定向传输可以充分利用智能天线技术实现空分多址，实现尽可能多的互不干扰独立传输信道。相对常规无线通信，这是无线Mesh网络的又一特色。在多址接入技术支持下，无线Mesh网络的MAC层设计与通常的典型无线网络的MAC设计一样，同接入点相关。由于无线Mesh网络不是单跳而是多跳系统，需要支持多跳的MAC设计。首先是就近Mesh路由器的接入选择。无线Mesh网络是自组织网络，网络路由连接和用户终端接入状况的拓扑结构随地理位置、通信环境、用户移动、WR布局等不同而不同，是变动的。如图9所示，图9(a)是一种Mesh拓扑结构，终端经过3次跳转接力，接入Internet接入点GW1，完成MAC过程。图9(b)是同一地区同样的Mesh路由器和WGW布局，但Mesh拓扑连接不同，该终端在同样位置，选择同样的Mesh路由器，要经过4次跳转接力，接入Internet接入点GW3，完成MAC过程。但如果选择临近的另外不同的Mesh路由器，可能只经过2跳或3跳，就能接入GW1。因此，无线Mesh网络的就近Mesh路由器的接入选择，是动态的，与通常设计不同。典型的有应用于IEEE 802.11的多信道MAC技术协议(MMAC协议)，并考虑MAC层与网络层的交互，引入多信道协同子层(MCCL)，以此增加网络能力。
2.3接入WGW的路由技术
用户终端通过WR接到无线IP接入点的路由技术和相关协议是多跳的无线Mesh网络的最重要技术。研究和设计接入Internet的路由技术和协议，基本考虑准则有：尽量少的多跳数、尽量小的时延、尽量大的数据速率、尽量低的差错率、尽量大的路由稳定等。这样，接入WGW的路由协议设计有如下几点要尤其注意：首先，无线Mesh网络中的路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择；其次，路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断；第三，路由协议要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源；第四，路由协议要求能同时支持路由器和用户终端。
无线Mesh路由协议可参照Ad Hoc网络路由协议，目前几种典型的路由协议有：动态源路由协议(DSR)、目的序列距离矢量路由协议(DSDV)、临时按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距离矢量路由协议(AODV)等。DSR是最常见的一种对等的基于拓扑的反应式自组织路由协议，它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息，通过比对，实现路由创建。图10表示一个无线Mesh网络，可能有上下行不同的路由选择。无线Mesh网络中Mesh路由器通常都是静止不动的，原则上没有功耗限制，也没有用户移动带来的路由器位置改变和路由拓扑改变，因此，可将现有Ad Hoc路由协议加以简化，进行跨层设计，建立简单得多的路由协议。但是，对于移动用户终端需要采用完全类似Ad Hoc的路由协议，寻求就近接入点和接入路由。
接入网络的路由协议的另一个问题是如何选择路由实现接入的公平性，让用户终端接入网络的机会、数据速率和通信质量是基本上一致的。图11给出了实现公平性的基本路由选择方式，在可能情况下，对各自Mesh路由器转接基本能力相同时，尽量选择如图11(a)的并行接入方式，WR各自支持接入的用户终端，以可能的最大数据速率支持连接到Internet，各用户享受的支持是相同的公平的。采用图11(b)的串行接入方式，在Mesh路由器基本相同能力情况下，要公平就不能实现最大速率。这时，WR4通过WR3把用户终端以数据速率S4接入WGW，如果WR3有用户接入，WR3能支持的速率就是S3-S4，如果WR最大支持能力为S，则可能实现的公平接入是：S3=S4=S/2，WR4没有达到最大支持能力，WR3达到最大支持能力，但它直接联络的用户只能实现WR3部分接入能力。只有在WR3接入能力明显大于WR4接入能力时，串行接入方式对实现接入公平，才比较有效。这种接入公平性的考虑，也是实现网络各Mesh路由器最大能力的接入考虑，可使网络容量最大。
2.4无线Mesh路由器配置技术
网络设备通常是指Internet接入点和Mesh路由器。在覆盖区域给定的情况下，WGW放置位置可以变动的话，放置位置的确定；在WR布局密度和数目给定情况下，放置位置的确定，是构建无线Mesh网络的基本研究课题。在大多数情况下，WGW位置是确定的，因此主要研究Mesh路由器的配置问题。
Mesh路由器的配置，如上节的路由选择所述一样，有并行配置和串行配置的两种方式。
为实现最大网络能力，需要凭借在串行配置下的多跳链路(路由)。这种链路为提高效率，采用分时工作，因此要研究避免碰撞的分时策略和处理方法。如图12所示。
采用串行配置，Mesh路由器的最大接入能力在不同位置有不同要求，可以通过不同调制方式和不同微区大小覆盖来转接任务大的Mesh路由器，使用高速传输技术，覆盖较小区域，减少用户终端直接接入需求量。
而在多跳末端位置的Mesh路由器由于转接工作少，可采用较低数据速率和较大区域覆盖，实现最优网络能力。如图13所示。
3 典型应用及标准
无线Mesh网络是针对Internet无线接入和应用发展起来的，它的典型应用主要表现在城市特定区域、复杂街区、建筑物群内外、办公区、家庭内等。英国Lam Tech公司推出的城市特定区域覆盖的无线Mesh网络，采用了90 Mb/s宽带Internet接入、4方向的定向天线收发；Motorola建在美国奥兰多的无线Mesh网络适合移动宽带接入，采用自适应传输、预优先MAC和路由协议；BelAir网络公司建于加拿大安大略湖边的802.11b无线Mesh网络，每个路由器有3个射频、8个方向的定向天线，可动态控制发射信号功率与数据速率，实现负载平衡的建筑物内外覆盖；Telabria公司建在英国Kent州的无线Mesh网络利用双载波与802.11兼容，实现家庭或办公地点的室内外覆盖。除此以外，推出无线Mesh网络，提供不同环境下的宽带数据服务的还有很多公司，如Aerial宽带公司、Firetide公司、Intel公司、Microsoft公司、Nokia公司、Notel网络公司、SkyPilot网络公司、Strix系统公司等。
所有这些公司推出的产品和应用，基本上都是以802.11、802.15、802.16标准为代表，有相应的基于无线Mesh技术和网络的标准建议。802.11s是为拓展802.11覆盖于2004年提出的，Intel公司和Cisco公司积极主导的，兼容802.11a/b/g的无线分布系统标准，可实现自动构建路径和自配置拓扑结构的多跳网络，同时支持广播和多播业务。802.15.1与802.15.4是Bluetooth和Zigbee的标准，均有构建无线Mesh网络的相关建议，其中802.15.1趋向于支持个人周边区域的无线低速率通信，用简便硬件支持窄带宽的多跳分散网络；802.15.4采用Mesh拓扑结构支持低速通信，更适合无线传感器网络应用。802.15.5是一种更适合于无线个域网(WPAN)的Mesh网络拓扑标准，易于网络构建，用于在不增加发射功率和影响接收灵敏度情况下拓展网络的覆盖，减小路由器冗余，可有效提高网络能力。802.16是WiMAX的技术标准，为扩展特别的用户链路，建议采用集中式调度和分布式调度。802.20和802.22是大区域覆盖的移动宽带高速无线接入系统标准，用于部分地区和室内外密集应用环境，是有利用无线Mesh网络的技术标准。4 技术拓展新应用
无线Mesh网络，尽管是在Internet网络应用较早时期发展起来的技术，目前主要针对IEEE802系列的无线接入和网络的应用，但它的网络结构和组网方法在未来无线移动通信中，仍有极大的研究价值和应用前景。
4.13GPPLTE中的Mesh网络架构
3GPP组织从推动3G WCDMA的标准化研究和应用开始，使以WCDMA/TD-SCDMA为基础的第3代移动通信系统不断完善和增强。3GPP在现有3G移动通信系统(UMTS)R99之后，相继推出高速数据分组接入(HSDPA)的R5、高速上行分组接入(HSUPA)的R6的标准版本。进入21世纪以来，以IEEE 802系列为代表的宽带无线接入技术和标准建议受到了广泛关注，特别是它们更高的数据速率，对移动性的支持，逐渐形成了对现有移动通信系统的竞争态势。因此，为对抗这种技术竞争和市场竞争，3GPP在2004年启动了3G长期演进(LTE)项目。LTE系统使用20 MHz带宽，空中接口峰值速率下行100 Mb/s(频谱效率5 bps/Hz)、上行50 Mb/s(频谱效率2.5 bps/Hz)。采用IP网络作为承载网，为达到简化信令流程，缩短延迟的目的，LTE舍弃了UTRAN的RNC+NodeB的基站系统结构，完全仅由增强基站(eNB)组成。LTE系统的拓扑结构如图14所示，基站之间底层采用IP传输，在逻辑上通过X2接口互相连接，是传统的Mesh型网络。这样的网络结构设计，主要用于支持用户终端在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。而每个基站通过S1接口和服务网关(SGW)相连。而S1接口也采用Mesh或部分Mesh型的连接形式，实现一个基站可以和多个SGW相连，为运营商和用户不断增长的需求提供更好的支持，希望做到今后10年甚至更长时间，一直保持UMTS系统优势。
4.2无线移动系统中的Mesh转发器
移动通信中经常面临小区边缘间覆盖的空洞(信号弱不能稳定接收地点)和部分远端地区的接入要求，就利用直放站作简单的基站延伸，达到需要的覆盖要求。由于直放站过于简单，信号质量差，接入能力低，对周围干扰大，没有升级适应能力。近年，用引入Mesh技术的Mesh转发器代替直放站，是达到上述目的的有效手段，如图15所示。图中，基站能提供的覆盖有限，邻近小区间、高大障碍物后，都有信号微弱地区，引入Mesh转发器做中继后，能很好覆盖，并可在移动用户变动情况下，自适应调度Mesh转发器的工作状态，可根据需要最大负载运行或暂停工作，实现网络能力合理、有效。这样，采用Mesh转发器后，网络有扩展和重组能力，还可不断升级，对覆盖区域的任何用户提供高质量和高速率的宽带服务。
5 结束语
无线Mesh网络是为适应无线接入Internet需要而发展起来的一种网络，在传统的无线宽带接入系统中，得到了发展和应用。随着无线移动通信的高速发展和Internet的广泛应用，无线Mesh网络已经作为一种网络技术和网络形态，得到进一步的重视和开发，会逐渐成为无线移动接入网络的基本网络技术，渗透到未来各种无线网络中。
无线Mesh网络是随同Ad Hoc网络发展起来的，当初都是为了解决无线接入网络问题，但由于采用的技术手段各不相同(Ad Hoc靠移动用户终端支持路由功能、中继接入。无线Mesh靠固定设置无线路由器扩展覆盖接入)，其特性能力和应用明显不同。无线Mesh网络、适合个人终端应用、业务种类多、覆盖要求好、具有公共服务特性的应用场合。Ad Hoc网络更适合环境和应用复杂、任意性强、接入支持变动大的特别应用场合，比如无线传感器网络和军用网络。
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