摘 要： 介紹了無線Mesh網絡(WMN)的一些基本概念和結構特點，分析了WMN與其他無線網絡的區別、融合及應用領域，討論了實現WMN的相關標準和關鍵技術。
關鍵詞： 無線網狀網(WMN) 移動自組網(Ad Hoc) 標準 路由
隨著全球無線通信技術的飛速發展和應用，尤其是移動Ad Hoc的發展，一種新興的具有極大優勢和潛力的寬帶無線接入技術引起了學術界和寬帶接入市場的關注——無線Mesh網，即無線網狀網WMN(Wireless Mesh Network)。WMN是Ad Hoc網絡的一種特殊形態，不同于傳統的無線網絡，它具有無中心、多跳路由和自組織等特性；同時它又有很強的擴展性和兼容性，可與其他無線網絡相結合，能快捷、低成本地擴展無線接入系統的覆蓋范圍，提高帶寬容量和通信可靠性。WMN是一種很有應用前景的無線寬帶接入技術，可提供個域網、局域網、城域網范圍的無線接入服務，目前國內外已有眾多學者和科研單位對它進行研究，且已有一定的商業應用，相關的標準也在制定當中。
1 WMN網絡結構
WMN是一種網內節點可隨意分布并與相鄰節點相互連接而形成的網狀結構，含有兩種節點類型：Mesh路由器(MR)和Mesh客戶終端(MC)。前者具有路由轉發能力，可作為網關或路橋接入其他網絡，通常固定并外接電源。后者諸如手提電腦、手機、PDA等裝有無線網卡、天線的用戶終端，具有一定的分組轉發功能，但不具備網關功能，支持移動，可由電池供電[1]。
骨干網" title="骨干網">骨干網結構如圖1所示。WMN中MR網狀互連形成WMN骨干網,再通過Mesh網關路由器與Internet或其他無線網(WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網絡)相連，為用戶端提供接入服務。圖1中大橢圓內就是由MR組成WMN的骨干網結構，客戶端" title="客戶端">客戶端和其他無線網絡可通過MR接入WMN。
客戶端Mesh結構如圖2所示。僅由MC網狀互連組成了WMN客戶端網。客戶端組成一個能提供路由和配置功能的小型局域網，在用戶間提供點到點服務。網絡中各節點不需要具備網關功能，所以網絡中無需MR。客戶端Mesh結構的WMN等同于Ad Hoc網：任意節點發出的數據包可經由多個節點轉發抵達目的節點。雖然節點不需要有網關和中繼功能,但路由和自組織能力是必須的。
混合結構如圖3所示。Mesh客戶端結構可以通過MR接入Mesh骨干網從而形成以上兩種結構的綜合。這種混合結構提供與其他網絡的連接，同時客戶端的路由能力可以為WMN增強連接性、擴大覆蓋范圍。圖中虛線和實線分別表示無線和有線連接，具有以太網接口的客戶端以有線連接MR，并接入WMN。混合結構是WMN最常用的結構。
2 WMN的特點
(1)多跳路由。WMN采用Ad Hoc式的多跳路由技術，與傳統單跳無線網相比，無線鏈路更短、發射功率更小、節點間干擾更少、頻率重用率更高。這樣可以在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統容量，擴展現有無線網絡的覆蓋范圍；同時可在不具有視距無線鏈路的用戶之間，提供非視距連接。
(2)自組織、自愈。WMN結構靈活、易于部署和配置、容錯，它可以自動發現新節點并完成配置過程，自動維護網絡正常運行，在出現節點、鏈路故障時也可自動調整完成網絡自愈。
(3)多種網絡接入與融合。在WMN中，既支持無線終端接入骨干網，又支持終端之間的對等通信。此外，把WMN技術與其他無線網絡相結合，通過骨干網為這些無線網絡的終端用戶提供接入業務。基于現有網絡技術或標準的WMN在支持原標準的基礎上與這些標準相兼容，還與它們有互操作性。
(4)移動性、能耗與節點類型相關。WMN中，MR一般靜止不動，而MC支持高速移動；MR一般采用外接電源，無能耗限制；而移動MC需要采用能耗較小的通信協議。因此WMN的MAC、路由協議" title="路由協議">路由協議需要針對MR和MC分別設計和優化。
3 與其他幾種無線網絡技術的區別和聯系
3.1 WMN與Ad Hoc
WMN來源于Ad Hoc，但與之有較大的差異。(1)WMN中具有由MR組成的骨干網，能在大范圍內提供高連通性和健壯性的接入服務，還可通過Mesh網關融合其他無線網；Ad Hoc僅由用戶終端組網，不存在專門提供網絡連接服務的骨干網，節點不具備網關橋接功能，只限于局域組網。(2)Ad Hoc終端的移動性和不可靠性使其網絡拓撲、鏈路變化較大，給路由協議和網絡配置帶來了很大的挑戰；而WMN中MR一般固定且比用戶終端可靠得多，拓撲結構相對穩定，同時MR無能耗限制，簡化了設計難度。(3)Ad Hoc中每個終端設備都要為所有其他節點執行路由轉發功能；在WMN中，雖然MC也有路由轉發功能，但主要由MR執行，大大減輕了MC的負載。(4)Ad Hoc主要業務是網內點到點的通信，而WMN主要是往來于互聯網的業務[2]。
3.2 WMN與蜂窩移動通信系統
蜂窩移動通信系統正由2G進入移動寬帶的第三代(3G)，能提供諸如視頻等多媒體通信業務。但目前實際運行當中的3G數據傳輸速率還不理想，且巨額的牌照費、技術、終端問題使3G的發展受到限制。WMN與3G業務相近，但二者定位不同：3G定位在廣域網，依賴于大規模布網，周期長；而WMN基于IP，定位于城域網，組網靈活，可先由小范圍使用再逐漸擴展開來，更適合于各垂直行業的專網應用。與3G相比，WMN大大提高了帶寬(能達到54Mbps，甚至更高)，大大降低了骨干網的建設成本和風險，同時它很強的兼容性便于將來與3G融合，解決3G末端接入的問題。
3.3 WMN與WiMAX
微波存取全球互通WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是IP城域網技術，包含802.16a和802.16e。前者只支持視距固定點接入；后者尚處于開發階段，支持非視距傳輸和低速移動性。WiMAX系統可以有兩種組網方式：點到多點(PMP)模式和Mesh模式。前者基站承擔移動臺的接入與數據轉發，業務流只發生在基站和移動臺之間；后者用戶站之間、用戶站與基站之間均可直接通信，這種靈活組網方式將帶來性能的改進：拓展通信覆蓋率、更高頻譜效率和更低的運營成本。
4 WMN的應用
WMN的應用場景和應用范圍相當廣泛，它能實現家庭寬帶個域網、樓宇自動化網絡、社區組網、交通醫療系統網絡、校園組網、企業組網以及城域組網等多層次、大范圍的無線應用。
此外，WMN還可以與其他無線技術(如固定無線接入和WLAN等)相結合,實現城域范圍內無線接入。工作在高G頻段上的固定無線接入系統受視距傳輸的限制，無法直接面向眾多終端用戶，但卻能實現很高的系統容量；WMN中網關節點需要連接到主干網接口上, 若接口采用有線技術將受到一定限制。將上述兩種網絡結合起來，通過固定寬帶接入系統實現網關節點到骨干網的接入將是一種非常有效的方案。同理，WMN也可以與WLAN結合，將多個WLAN通過WMN方式連接起來，實現各WLAN之間的互通，并使多個WLAN共享網絡出口。WMN與其他無線接入技術的結合如圖4所示。Mesh網關路由器(圖中黑點表示)同時充當固定無線基站的接收端和WLAN的接入點，將兩者有效結合。
5 標準化及商業化
WMN的迅速發展使得工業標準化組織也積極致力于在無線標準中加入對Mesh組網方式的支持，目前已成立為WMN 制定新標準的子工作組：IEEE802.11無線局域網工作組在2004年成立了802.11s子工作組，制定標準化擴展服務集(ESS)，專門為WMN定義MAC和物理層協議以實現WLAN多個接入點(AP)能像MR一樣自配置組網；802.15無線個域網在2003年成立Mesh研究組TG5，研究利用短距離、低成本設備通過Mesh方式覆蓋一個較大的環境。802.16無線城域網在2003年頒布的802.16a標準中設計了對Mesh結構的支持。802.20移動寬帶無線接入工作組致力于在室內環境中支持WMN結構[3]。
隨著WMN技術的發展應用，相關商業產品也相繼問世：美國Microsoft研究實驗室在一個稱為網狀連接層(MCL)的軟件模塊上實現了Ad Hoc路由和鏈路質量的測量；Intel公司網絡結構實驗室用微傳感器組建測試平臺，研究WMN網絡性能的改善；Nortel公司的WMN無線AP可同時工作在2.4GHz和5GHz頻段，并配備有智能天線；MeshNetworks公司研發了基于積分多址" title="多址">多址接入(QDMA)的相關硬件及軟件系統，支持WMN終端在移動情況下的無線接入；Nokia公司將無線路由器安裝在屋頂上的WMN方案也得到不少運營商的關注。
6 關鍵技術
在WMN的設計中, 不僅需要解決無線傳輸中的天線設計、多址接入控制、路由協議等問題，還要考慮各層功能的實現與上下層之間的相互影響, 故WMN的設計遠比傳統單跳無線網復雜。
6.1 物理層無線電技術
傳統的定向、全向天線并不太適合WMN。新興的物理層無線電技術如智能天線、正交頻分復用(OFDM)、多進多出(MIMO)、超寬帶(UMB)技術以及多無線電／多信道" title="多信道">多信道系統已經成為下一代無線接入系統的關鍵技術。此外，為了進一步改善無線射頻性能以及高層協議的控制，更先進的可重配置無線電、感知無線電，甚至軟件無線電技術也已開始在無線系統中運用。這些高級物理層無線電技術的開發設計不僅對物理層性能起著決定性作用，而且要求整合MAC層和網絡層進行整體設計,以便最大限度地提高網絡性能。
6.2 MAC層多址訪問機制
WMN是分布式多跳無線網狀網。現有的無線網絡MAC機制大多都是針對單跳無線網絡設計的，并不適于WMN。現有無線MAC機制可以分為單信道、多信道單收發器和多信道多收發器技術，容量逐級增大但復雜度也逐級變大。多址接入上常見的CSMA/CA、TDMA、CDMA等協議需要改進以適應WMN的分布式多址接入控制。此外，還要求能夠有效地進行空間頻率復用，以提高網絡容量。還有些廠家采用了QDMA(FDMA、CDMA、TDMA、CSMA/CA相結合)專利技術以提高頻譜效率和抗干擾性。MAC層機制設計將成為影響WMN性能和成功與否的關鍵技術之一，需要解決無線多跳、分布協作式多點對多點的通信、自組織、規模擴展性和節點移動性等問題。
6.3 WMN路由協議
WMN的很多技術特點和優勢來自于Mesh多跳路由，路由協議設計成其關鍵技術之一。由于WMN與Ad Hoc特點相似，其路由協議設計可參考Ad Hoc現有的路由協議。WMN路由設計時應能適應其結構特點，具有較好的健壯性和可擴展性[4]。
(1)多判據路由。在WMN中，路由協議不能僅僅根據“最小跳數”來進行路由選擇，而要綜合考慮時延、跳數和吞吐量等多種性能度量指標來選擇。多判據路由的關鍵是如何提取性能判據和如何將它們整合到路由設計中。
(2)多徑路由。WMN路由協議要提供網絡容錯性和健壯性支持，能在無線鏈路失效時迅速選擇替代鏈路以避免業務中斷；此外還要能夠利用流量工程技術，在多條路徑間進行負載均衡，最大限度地利用系統資源。
(3)多信道路由。在無線節點可安裝多塊無線網卡，使用多信道多收發器來轉發和接收數據。多信道路由能在不需修改MAC協議的基礎上大大提高網絡容量，但也增加了設計的難度。多信道路由的關鍵在于信道分配和算法設計。
(4)節點自適應。WMN中路由協議要求能同時支持MR和MC。對于固定的MR，由于沒有功耗限制，可以采用比現有Ad Hoc路由協議簡單得多的路由協議；而MC的移動性需要采用類似Ad Hoc節能路由協議。這樣，需要一種行之有效的路由協議能自動適應MR和MC。
(5)分級路由。為解決在網絡規模擴大時網絡性能降低的問題，可采用分級路由技術，將網內節點分簇，在簇內與簇間使用不同的路由(如簇內按需路由、簇間先驗路由)，分別發揮其優點，實現大規模WMN路由。其關鍵在于簇劃分和簇頭的選擇，另外簇頭有可能造成網絡瓶頸。
(6)組播支持。由于WMN直接面向用戶節點，一個經常出現的問題是：當所有用戶同時訪問同一個熱點資源時，如視頻點播，網絡中產生大量的冗余業務量，進而可能發生擁塞，因此WMN需要支持組播功能。
6.4 跨層設計
WMN不同于有線和傳統無線單跳網，節點所有協議層都會相互影響，尤其是底三層。由于WMN在拓撲、傳輸和業務上的特性，僅用傳統的用于有線網絡的分層協議設計方法已不能保證其服務質量(QoS)。探索基于物理層、MAC層、網絡層等WMN跨層設計方法可以使無線資源利用率和多媒體業務的QoS兩方面達到較好的折衷。可以從兩方面著手跨層設計：一是在設計單層協議時引入其他層次的性能因素，尤其在設計高層協議時考慮底層參數，如在傳輸層引入MAC層的丟包率能夠使TCP根據丟包率判斷擁塞程度。再如可從物理層引入鏈路狀態作為設計路由算法的一個性能依據。二是集幾個層次協議設計于一體，如考慮到MAC和網絡層的交互可將其兩層協議合并設計為一體。第二種方案通常更有效。目前WMN跨層設計中亟待深入研究的關鍵技術包括自適應速率與節能機制、基于QoS需求的跨層MAC協議設計和路由協議設計等[5]。
6.5 安全性能
安全問題是WMN必須面對的一大難題。在一個多終端的WMN中，安全的數據流量在到達接收端之前可能要通過多個未授權的節點，這會給黑客們創造可乘之機。當WMN大面積鋪開時，這些問題將會變得更加突出。目前一些安全機制可以運用于WMN，如直序擴頻技術、隧道封包加密和用戶設備認證注冊等，還有一些基于安全性能設計的MAC及路由協議以及入侵監測應急系統，它們提供了一定的安全保障，但還是比較有限，大多只針對特定層次，所以基于跨層的安全保障措施是關鍵。
此外，WMN還需要解決諸如帶寬與QoS業務支持、與其他網絡的兼容和協作、網絡管理(配置、監控、計費等)和易用性等問題。
WMN是一種新型的無線多跳路由寬帶接入網，其以少量的基礎設施構成覆蓋范圍寬廣的寬帶無線網絡，投資成本低，建網時間短，組網靈活，維護方便，易于擴展升級。目前，WMN技術雖有一定的商用，但還處于初步發展階段，要充分發揮其潛力，還需要解決諸如物理層和MAC層協議設計、路由算法等多項技術難題。WMN作為一種新的具有眾多優點的技術，通過與其他無線網絡技術相結合，必將在下一代寬帶無線網絡中發揮重要作用。
參考文獻
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