無線Mesh技術和網絡

摘要：無線網狀網(WMN)是近年被高度重視和快速發展的新型網絡技術，支持寬帶高速多媒體業務服務。文章就無線Mesh網絡技術和應用進行討論，綜述無線Mesh網絡的發展由來、基本技術、典型應用和現在的發展。隨著未來無線分布技術和無線分布網絡的發展，無線Mesh技術和網絡將會成為無線移動通信的基本網絡技術和網絡結構，滲透到各種無線網絡中，發揮更大作用。

    關鍵詞：無線網狀網；Mesh路由器；無線寬帶接入,未來無線通信

    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

    基金項目：國家自然科學基金資助項目(60572066)

    無線網狀網(WMN)技術是面向基于IP接入的新型無線移動通信技術，適合于區域環境覆蓋和寬帶高速無線接入。無線Mesh網絡基于呈網狀分布的眾多無線接入點間的相互合作和協同，具有寬帶高速和高頻譜效率的優勢，具有動態自組織、自配置、自維護等突出特點，因此，無線Mesh技術和網絡的研究開發與實際應用，成為當前無線移動通信的熱門課題之一，特別在未來移動通信系統長期演進(LTE)中，無線Mesh技術和網絡成為矚目焦點[1-6]。

    1  無線Mesh網絡的由來

    無線Mesh網絡的出現和發展，是與西方發達國家，特別是美國，在20世紀80年代Internet和無線局域網的興起和應用直接相關。個人計算機的應用和Internet的出現，使人們的信息交流和信息應用變得極其方便和容易，極大地改變了人們的社會活動和生活狀況，促進了社會飛速發展和進步。但是，已經有的城市建設布局和建筑物，不可能為Internet的需要任意更改和重建。建設布局不能改，城市建筑不能破壞，使Internet的覆蓋和應用造成極大困難。因此，無線通信和無線覆蓋具有極好的應用前景。無線覆蓋作為Internet面向用戶終端的接入手段，十分有效和方便，得到各方的重視，紛紛開展研究和應用，例如IEEE 802系列標準和產品，就是無線Mesh的典型代表。但是，各城市、各地區的有限的Internet接入點和網絡連接位置，給通過無線實現全區域覆蓋帶來難題。

    圖1是一個無線IP接入點(無線網關)，對給定地區的無線覆蓋圖。在城市和高樓街區的特定環境，不可能對建筑物和街區作較大規模的建設和更改，某個較大區域可能只有一個無線網關(WGW)接入Internet。顯然，要實現單一覆蓋，在無線移動頻段，WGW和相應的用戶終端的發射信號功率將會很大，這往往是不允許或是做不到的。另外，對IP數據傳輸，要求數據速率高、通信質量好、差錯率低，也需要足夠的接收信號功率。WGW覆蓋區域大，也就要求信號發射功率大。比如，圖1中終端1到WGW距離是R1，穩定接收的發射信號功率為P1；終端4到WGW距離是R4，穩定接收的發射信號功率為P4。如果R4是R1的4倍，無線信號傳播衰落因子a =4(一般為3～5)，即R4=4R1，則：

    P4=4aP1=256P1

    顯然，為覆蓋邊緣地方，信號功率要增大250多倍，這是普通個人終端不可能實現的。另外，如果WGW使用的無線移動頻段的帶寬為B，作單一覆蓋，每個用戶終端的傳送數據需要帶寬b，則整個區域同時支持的最大多用戶數為：

    M =B /b

    很明顯，這里的單一覆蓋，沒有對給定頻段進行復用，支持的終端數少，多用戶能力不高。發射信號功率要求大，支持用戶數又不高，是圖1所示的單一無線IP接入點覆蓋的重要缺陷。

    為了解決這一難題，20世紀80年代提出了兩種有效的解決方案。

    一種解決方案如圖2所示。為了保持如圖1的較小信號發射功率P1都能應用到所有終端，并使在覆蓋邊緣或遠端的用戶終端能接入WGW，采用通過具有路由功能的鄰近終端作中繼接力，經過多跳，接入到WGW，實現微小功率下的Internet接入。這種形成微小功率區域覆蓋的解決方案的綜合，構成Ad Hoc網絡。這種網絡可實現微小信號功率接入，同時接入最大用戶數不會增加，但是用戶終端間中繼接力通信需要增加額外開銷。這對具有路由功能的終端依賴較大，在終端移動情況下路由選擇和網絡拓撲不能固定，變動大。不過，Ad Hoc網絡不需要增添另外的無線路由器來實現微小區覆蓋，通過終端的中繼接力接入Internet，對構建終端不太移動、位置分布比較隨機的無線傳感器網絡非常方便、實用和有效。

    另外一種解決方案如圖3所示。將一個WGW支持的相關區域內劃分成不同的多個微小區域，可彼此重疊，各微小區設立一個無線路由器(WR)，形成眾多無線路由器的網絡覆蓋。每個用戶終端就近接入相應的WR，WR或直接接到GW，或通過鄰近WR中繼接力接到GW，實現整個區域的Internet接入。如果每個WGW都是這樣一種引入眾多WR的區域覆蓋，多個GW覆蓋區域的綜合，就構成一種新型無線網絡：無線Mesh網絡，如圖4所示。圖4中眾多WR相互合作和協同，成網狀分布，對整個城市或任意區域無線覆蓋，實現無線移動通信。

    無線Mesh網絡的基本小區是如圖3所示的一個GW下的多個無線路由器(又稱為Mesh路由器)覆蓋的網絡小區，其Mesh路由器和用戶終端的最大發射信號功率可以做到僅為P1，而區域內的無線移動頻段同時支持的最大多用戶數為：

    M mesh=NB /b

    N 是該區域的Mesh路由器數目，理論上N 越大，能同時接納的用戶數越多。因此，無線Mesh網絡，不僅能解決無線IP接入點少、接入Internet不方便的問題，還能在微小信號功率下完成工作，實現大量用戶終端的Internet應用。

    盡管作為Internet接入的WGW的位置和數量多少受城市環境和現有建筑格局所影響，僅在某些固定位置與Internet有線連接。但利用用戶終端無線接入的眾多Mesh路由器實現新的網絡布局，可以根據位置環境、傳播特性、終端用戶分布等情況靈活設定。WR可多可少，可稀可密。通常WR與GW之間也采用無線通信，只不過是采用與不同于終端用戶的無線頻段實現固定點間的無線通信。所以，無線Mesh網絡的網絡結構和組網方法，結構靈活，易于安裝，具有動態自組織、自配置、自維護等突出特點。

    2  無線Mesh基本技術

    從圖3可以看出，無線Mesh網絡在通常的WGW(實現無線Internet接入)、無線用戶終端的基礎上，增添了無線路由器，由如圖5所示的原有基礎的無線接入網絡結構演變成如圖6所示的無線Mesh網絡結構。無線Mesh網絡增加了無線路由器層，各路由器間由無線連接，路由器與無線IP接入點(WGW)間由無線連接，并可交叉鏈接，形成密集網絡。由此衍生出無線Mesh網絡特有的基本技術和處理方法，它們都是與常規單純的無線接入網絡不同的新增無線路由器層直接相關聯的。

    2.1無線Mesh路由器的無線傳輸技術

    在研究無線Mesh網絡技術過程中，常常把Mesh路由器(如WR)的無線傳輸技術，稱為無線Mesh網絡的物理層技術。這里傳輸主要是指WR與用戶終端間的無線傳輸、WR之間的無線傳輸和WR與WGW間的無線傳輸。

    WR與用戶終端間的無線傳輸是按用戶終端支持的無線技術和標準化要求，實現類似于基站或無線接入點的功能，能夠支持各種不同無線空中接口的接入要求。無線Mesh網絡結構支持不同的標準化接入系統，有不同的無線傳輸技術，WR與用戶終端間的無線傳輸都能適應。

    WR之間的無線傳輸和WR與WGW間的無線傳輸是需要定義和確認的。原則上，采用何種傳輸技術與用戶終端支持的技術標準和系統方式沒有直接關系，可以盡量采用現有的先進技術和方法。由于WR相當于基站，是位置固定的，是支持多用戶綜合高速數據的，是密集覆蓋并要盡量避免彼此間干擾的，是有多種路由選擇的。因此，智能定向天線技術、高效可控調制編碼技術、低臨界發射功率控制技術等是最重要的物理層傳輸技術。

    智能定向天線技術是一種信號功率集中的指定方向波束成形技術，如圖7所示。在3G系統中，特別是在同頻工作的TD-SCDMA系統中，得到廣泛應用。智能天線技術是一種特別的多輸入多輸出(MIMO)技術，使用相位受控的m個天線振子組合，可形成m個不同方向的低功率定向發射，使到達接收點的信號功率最強，而對其他鄰近WR的輻射最小，影響最小，實現網絡密集覆蓋的低功率應用。在不好直接利用智能天線的場合，也要采用MIMO技術，提高功率效率和傳輸效率。

    高效可控調制編碼技術是未來無線通信的共同要求。但是，WR之間和WR與WGW間的無線傳輸，由于位置固定、傳輸路徑固定、信道衰落起伏平穩，因此能采用有效的信道估計補償技術實現比移動環境高得多的傳輸調制效率和編碼效率，完成高速通信。正交頻分復用(OFDM)技術、正交幅度調制(QAM)迭代技術、Turbo編解碼技術等能夠實現高速、可控可管、自適應，都是首選技術。

    低臨界發射功率控制技術是信號功率效率提高的關鍵，與網絡拓撲結構密切相關。無線Mesh網絡采用無線接入密集覆蓋辦法，能實現低信號功率應用。為最大減小對鄰近WR的干擾，發射功率最小臨界化的功率控制十分重要。圖8是臨界低功率發射控制示意圖，圖8a發射功率過小，僅部分連接；圖8b是發射功率過大，各WR覆蓋彼此交叉重疊過多，相互干擾嚴重；圖8c是發射功率控制到合適臨界的狀況，相互交叉重疊不多，各WR都可經由單跳或多跳連接到WGW，全可聯通，是最佳控制。當然，信號發射功率控制，不僅考慮網絡拓撲結構，還要考慮到數據業務負載，傳輸時延和業務質量等要求，實現優秀綜合性能的最大網絡容量。

    2.2多信道接入的MAC技術

    提供媒體訪問控制(MAC)接入的多信道技術，同通常的無線通信網絡一樣，有頻分多址(FDMA)技術、時分多址(TDMA)技術、碼分多址(CDMA)技術和使用定向天線的空分多址(SDMA)技術，實用中經常是這些多址技術的部分或全部綜合應用，形成彼此獨立互不串擾的多信道接入技術。由于WR的定點定向傳輸可以充分利用智能天線技術實現空分多址，實現盡可能多的互不干擾獨立傳輸信道。相對常規無線通信，這是無線Mesh網絡的又一特色。在多址接入技術支持下，無線Mesh網絡的MAC層設計與通常的典型無線網絡的MAC設計一樣，同接入點相關。由于無線Mesh網絡不是單跳而是多跳系統，需要支持多跳的MAC設計。首先是就近Mesh路由器的接入選擇。無線Mesh網絡是自組織網絡，網絡路由連接和用戶終端接入狀況的拓撲結構隨地理位置、通信環境、用戶移動、WR布局等不同而不同，是變動的。如圖9所示，圖9(a)是一種Mesh拓撲結構，終端經過3次跳轉接力，接入Internet接入點GW1，完成MAC過程。圖9(b)是同一地區同樣的Mesh路由器和WGW布局，但Mesh拓撲連接不同，該終端在同樣位置，選擇同樣的Mesh路由器，要經過4次跳轉接力，接入Internet接入點GW3，完成MAC過程。但如果選擇臨近的另外不同的Mesh路由器，可能只經過2跳或3跳，就能接入GW1。因此，無線Mesh網絡的就近Mesh路由器的接入選擇，是動態的，與通常設計不同。典型的有應用于IEEE 802.11的多信道MAC技術協議(MMAC協議)，并考慮MAC層與網絡層的交互，引入多信道協同子層(MCCL)，以此增加網絡能力。

    2.3接入WGW的路由技術

    用戶終端通過WR接到無線IP接入點的路由技術和相關協議是多跳的無線Mesh網絡的最重要技術。研究和設計接入Internet的路由技術和協議，基本考慮準則有：盡量少的多跳數、盡量小的時延、盡量大的數據速率、盡量低的差錯率、盡量大的路由穩定等。這樣，接入WGW的路由協議設計有如下幾點要尤其注意：首先，無線Mesh網絡中的路由協議不能僅僅根據“最小跳數”來進行路由選擇，而要綜合考慮多種性能度量指標，綜合評估后進行路由選擇；其次，路由協議要提供網絡容錯性和健壯性支持，能夠在無線鏈路失效時，迅速選擇替代鏈路避免業務提供中斷；第三，路由協議要能夠利用流量工程技術，在多條路徑間進行負載均衡，盡量最大限度利用系統資源；第四，路由協議要求能同時支持路由器和用戶終端。

    無線Mesh路由協議可參照Ad Hoc網絡路由協議，目前幾種典型的路由協議有：動態源路由協議(DSR)、目的序列距離矢量路由協議(DSDV)、臨時按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距離矢量路由協議(AODV)等。DSR是最常見的一種對等的基于拓撲的反應式自組織路由協議，它的特點是采用積極的緩存策略以及從源路由中提取拓撲信息，通過比對，實現路由創建。圖10表示一個無線Mesh網絡，可能有上下行不同的路由選擇。無線Mesh網絡中Mesh路由器通常都是靜止不動的，原則上沒有功耗限制，也沒有用戶移動帶來的路由器位置改變和路由拓撲改變，因此，可將現有Ad Hoc路由協議加以簡化，進行跨層設計，建立簡單得多的路由協議。但是，對于移動用戶終端需要采用完全類似Ad Hoc的路由協議，尋求就近接入點和接入路由。

    接入網絡的路由協議的另一個問題是如何選擇路由實現接入的公平性，讓用戶終端接入網絡的機會、數據速率和通信質量是基本上一致的。圖11給出了實現公平性的基本路由選擇方式，在可能情況下，對各自Mesh路由器轉接基本能力相同時，盡量選擇如圖11(a)的并行接入方式，WR各自支持接入的用戶終端，以可能的最大數據速率支持連接到Internet，各用戶享受的支持是相同的公平的。采用圖11(b)的串行接入方式，在Mesh路由器基本相同能力情況下，要公平就不能實現最大速率。這時，WR4通過WR3把用戶終端以數據速率S4接入WGW，如果WR3有用戶接入，WR3能支持的速率就是S3-S4，如果WR最大支持能力為S，則可能實現的公平接入是：S3=S4=S/2，WR4沒有達到最大支持能力，WR3達到最大支持能力，但它直接聯絡的用戶只能實現WR3部分接入能力。只有在WR3接入能力明顯大于WR4接入能力時，串行接入方式對實現接入公平，才比較有效。這種接入公平性的考慮，也是實現網絡各Mesh路由器最大能力的接入考慮，可使網絡容量最大。

    2.4無線Mesh路由器配置技術

    網絡設備通常是指Internet接入點和Mesh路由器。在覆蓋區域給定的情況下，WGW放置位置可以變動的話，放置位置的確定；在WR布局密度和數目給定情況下，放置位置的確定，是構建無線Mesh網絡的基本研究課題。在大多數情況下，WGW位置是確定的，因此主要研究Mesh路由器的配置問題。

    Mesh路由器的配置，如上節的路由選擇所述一樣，有并行配置和串行配置的兩種方式。

    為實現最大網絡能力，需要憑借在串行配置下的多跳鏈路(路由)。這種鏈路為提高效率，采用分時工作，因此要研究避免碰撞的分時策略和處理方法。如圖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，可以通過不同調制方式和不同微區大小覆蓋來轉接任務大的Mesh路由器，使用高速傳輸技術，覆蓋較小區域，減少用戶終端直接接入需求量。

    而在多跳末端位置的Mesh路由器由于轉接工作少，可采用較低數據速率和較大區域覆蓋，實現最優網絡能力。如圖13所示。

    3  典型應用及標準

    無線Mesh網絡是針對Internet無線接入和應用發展起來的，它的典型應用主要表現在城市特定區域、復雜街區、建筑物群內外、辦公區、家庭內等。英國Lam Tech公司推出的城市特定區域覆蓋的無線Mesh網絡，采用了90 Mb/s寬帶Internet接入、4方向的定向天線收發；Motorola建在美國奧蘭多的無線Mesh網絡適合移動寬帶接入，采用自適應傳輸、預優先MAC和路由協議；BelAir網絡公司建于加拿大安大略湖邊的802.11b無線Mesh網絡，每個路由器有3個射頻、8個方向的定向天線，可動態控制發射信號功率與數據速率，實現負載平衡的建筑物內外覆蓋；Telabria公司建在英國Kent州的無線Mesh網絡利用雙載波與802.11兼容，實現家庭或辦公地點的室內外覆蓋。除此以外，推出無線Mesh網絡，提供不同環境下的寬帶數據服務的還有很多公司，如Aerial寬帶公司、Firetide公司、Intel公司、Microsoft公司、Nokia公司、Notel網絡公司、SkyPilot網絡公司、Strix系統公司等。

    所有這些公司推出的產品和應用，基本上都是以802.11、802.15、802.16標準為代表，有相應的基于無線Mesh技術和網絡的標準建議。802.11s是為拓展802.11覆蓋于2004年提出的，Intel公司和Cisco公司積極主導的，兼容802.11a/b/g的無線分布系統標準，可實現自動構建路徑和自配置拓撲結構的多跳網絡，同時支持廣播和多播業務。802.15.1與802.15.4是Bluetooth和Zigbee的標準，均有構建無線Mesh網絡的相關建議，其中802.15.1趨向于支持個人周邊區域的無線低速率通信，用簡便硬件支持窄帶寬的多跳分散網絡；802.15.4采用Mesh拓撲結構支持低速通信，更適合無線傳感器網絡應用。802.15.5是一種更適合于無線個域網(WPAN)的Mesh網絡拓撲標準，易于網絡構建，用于在不增加發射功率和影響接收靈敏度情況下拓展網絡的覆蓋，減小路由器冗余，可有效提高網絡能力。802.16是WiMAX的技術標準，為擴展特別的用戶鏈路，建議采用集中式調度和分布式調度。802.20和802.22是大區域覆蓋的移動寬帶高速無線接入系統標準，用于部分地區和室內外密集應用環境，是有利用無線Mesh網絡的技術標準。4  技術拓展新應用

    無線Mesh網絡，盡管是在Internet網絡應用較早時期發展起來的技術，目前主要針對IEEE802系列的無線接入和網絡的應用，但它的網絡結構和組網方法在未來無線移動通信中，仍有極大的研究價值和應用前景。

    4.13GPPLTE中的Mesh網絡架構

    3GPP組織從推動3G WCDMA的標準化研究和應用開始，使以WCDMA/TD-SCDMA為基礎的第3代移動通信系統不斷完善和增強。3GPP在現有3G移動通信系統(UMTS)R99之后，相繼推出高速數據分組接入(HSDPA)的R5、高速上行分組接入(HSUPA)的R6的標準版本。進入21世紀以來，以IEEE 802系列為代表的寬帶無線接入技術和標準建議受到了廣泛關注，特別是它們更高的數據速率，對移動性的支持，逐漸形成了對現有移動通信系統的競爭態勢。因此，為對抗這種技術競爭和市場競爭，3GPP在2004年啟動了3G長期演進(LTE)項目。LTE系統使用20 MHz帶寬，空中接口峰值速率下行100 Mb/s(頻譜效率5 bps/Hz)、上行50 Mb/s(頻譜效率2.5 bps/Hz)。采用IP網絡作為承載網，為達到簡化信令流程，縮短延遲的目的，LTE舍棄了UTRAN的RNC+NodeB的基站系統結構，完全僅由增強基站(eNB)組成。LTE系統的拓撲結構如圖14所示，基站之間底層采用IP傳輸，在邏輯上通過X2接口互相連接，是傳統的Mesh型網絡。這樣的網絡結構設計，主要用于支持用戶終端在整個網絡內的移動性，保證用戶的無縫切換。而每個基站通過S1接口和服務網關(SGW)相連。而S1接口也采用Mesh或部分Mesh型的連接形式，實現一個基站可以和多個SGW相連，為運營商和用戶不斷增長的需求提供更好的支持，希望做到今后10年甚至更長時間，一直保持UMTS系統優勢。

    4.2無線移動系統中的Mesh轉發器

    移動通信中經常面臨小區邊緣間覆蓋的空洞(信號弱不能穩定接收地點)和部分遠端地區的接入要求，就利用直放站作簡單的基站延伸，達到需要的覆蓋要求。由于直放站過于簡單，信號質量差，接入能力低，對周圍干擾大，沒有升級適應能力。近年，用引入Mesh技術的Mesh轉發器代替直放站，是達到上述目的的有效手段，如圖15所示。圖中，基站能提供的覆蓋有限，鄰近小區間、高大障礙物后，都有信號微弱地區，引入Mesh轉發器做中繼后，能很好覆蓋，并可在移動用戶變動情況下，自適應調度Mesh轉發器的工作狀態，可根據需要最大負載運行或暫停工作，實現網絡能力合理、有效。這樣，采用Mesh轉發器后，網絡有擴展和重組能力，還可不斷升級，對覆蓋區域的任何用戶提供高質量和高速率的寬帶服務。

    5  結束語

    無線Mesh網絡是為適應無線接入Internet需要而發展起來的一種網絡，在傳統的無線寬帶接入系統中，得到了發展和應用。隨著無線移動通信的高速發展和Internet的廣泛應用，無線Mesh網絡已經作為一種網絡技術和網絡形態，得到進一步的重視和開發，會逐漸成為無線移動接入網絡的基本網絡技術，滲透到未來各種無線網絡中。

    無線Mesh網絡是隨同Ad Hoc網絡發展起來的，當初都是為了解決無線接入網絡問題，但由于采用的技術手段各不相同(Ad Hoc靠移動用戶終端支持路由功能、中繼接入。無線Mesh靠固定設置無線路由器擴展覆蓋接入)，其特性能力和應用明顯不同。無線Mesh網絡、適合個人終端應用、業務種類多、覆蓋要求好、具有公共服務特性的應用場合。Ad Hoc網絡更適合環境和應用復雜、任意性強、接入支持變動大的特別應用場合，比如無線傳感器網絡和軍用網絡。

    6  參考文獻

    [1]SICHITIUML. Wireless mesh networks challenges and opportunities [R]. Raleigh, NC, USA: NC State University, USA, 2006.

    [2]AKYILDIZIF, WANG Xudong, WANG Weilin. Wireless mesh networks: a survey [J]. Computer Networks, 2005, 47(4): 445-487.

    [3]OYMANO,LANEMAN J N, SANDHU S. Multihop relaying for broadband wireless mesh networks: from theory to practice [J]. IEEE Communications Magazine, 2007, 45(11):116-122.

    [4]NGUYENUT, JIN X. Multicast routing in wireless mesh networks: Minimum cost trees or shortest path trees? [J]. IEEE Communications Magazine, 2007, 45(11):72-77.

    [5]SKALLIH,GHOSH S, DAS S K, atel. Channel assignment strategies for multiradio wireless Mesh networks: Issues and solutions [J]. IEEE Communications Magazine, 2007, 45(11):86-95.

    [6]WEIHY, HAAS Z J. Interference-aware IEEE 802.16 WiMAX mesh networks [C]//Proceedings of 61st Vehicular Technology Conference(VTC2005-Spring): Vol5 (3102-3106), May 29-Jun 1, 2005, Stockholm, Sweden.朱近康，中國科學技術大學電子工程與信息科學系教授、博士生導師、個人通信與擴頻實驗室主任。曾任國家高技術研究發展計劃資助項目(“863”計劃)通信主題專家組成員、個人通信專家組組長，中國科學技術大學校學術委員會副主任，信息科學技術學院常務副院長和學術委員會主任。近年研究方向為無線移動通信方法和技術、CDMA與擴頻通信、無線移動通信網及通信信號處理等。