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摘要：無線寬帶接入系統(tǒng)發(fā)展迅速，但帶寬容量低、覆蓋范圍小等缺點限制了它的進一步發(fā)展。作為“最后一公里”寬帶無線接入非常重要的技術之一，無線Mesh網絡(WMN)可以和多種無線網絡系統(tǒng)，如無線局域網(WLAN)、無線個域網(WPAN)以及無線城域網(WMAN)等相結合，改善無線網絡的性能，提高網絡的覆蓋范圍。隨著無線Mesh網絡技術的廣泛應用，IEEE802的相關標準組正在致力于推動WMN技術的發(fā)展，制訂相關的技術標準。目前，WMN標準已經出現(xiàn)在IEEE802.11s、802.15、802.16、802.20中。
關鍵詞：無線Mesh網絡；IEEE802系列；無線多跳網絡；Mesh標準
Abstract:Withtherapiddevelopment of wireless broadband access system, its shortcomings, such as low bandwidth capacity and small coverage, limit its further development. As a very important "last mile" broadband wireless access technology, Wireless Mesh Networks (WMN) can be integrated with a variety of wireless networks, such as the Wireless Local Area Network (WLAN), Wireless Personal Area Network (WPAN) and Wireless Municipal Area Network (WMAN), improving the performance and coverage of wireless networks. With the extensive application of WMN technology, IEEE 802 standards group is committed to the development of WMN technology, and institute its technical standards. Presently, the technical standards of WMN have emerged in the IEEE 802.11s, 802.15, 802.16, 802.20.
Keywords:wirelessMeshnetwork; IEEE802 series; wireless multi-hop network; Mesh standard
進入21世紀以來，隨著人們對網絡服務需求的不斷提高，為了使網絡能夠隨時隨地提供便捷、準確的通信服務，無線網絡技術越來越受到人們的重視。其中無線Mesh網絡就是無線網絡研究中的一個熱點課題。無線Mesh網絡，即無線網狀網，是新近出現(xiàn)的一種無線多跳網狀拓撲網絡，具有自組織、自管理、自愈能力，且具有與現(xiàn)有無線網絡的兼容性及互操作性。它可以和多種寬帶無線接入技術相結合，組成一個含有多跳無線鏈路的無線網狀網絡。這種無線網狀網，可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，同時可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性，是無線寬帶接入的一個理想解決方案。
1無線Mesh網絡的結構
無線Mesh 網絡是一種與傳統(tǒng)的無線網絡完全不同的網絡。傳統(tǒng)的無線接入技術中，主要采用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構中一般都存在一個中心節(jié)點，例如移動通信系統(tǒng)中的基站、802.11無線局域網(WLAN)中的接入點(AP)等等。中心節(jié)點與各個無線終端通過單跳無線鏈路相連，控制各無線終端對無線網絡的訪問；同時，又通過有線鏈路與有線骨干網相連，提供到骨干網的連接。而在無線Mesh網絡中，采用網狀Mesh拓撲結構，是一種多點到多點網絡拓撲結構。在這種Mesh網絡結構中，各網絡節(jié)點通過相鄰其他網絡節(jié)點，以無線多跳方式相連。
在WMN中包括兩種類型的節(jié)點：無線Mesh路由器和無線Mesh用戶端。WMN的系統(tǒng)結構根據(jù)節(jié)點功能的不同分為3類：骨干網Mesh結構、客戶端Mesh結構、混合結構[1]。
骨干網Mesh結構是由Mesh路由器網狀互連形成的，無線Mesh骨干網再通過其中的Mesh路由器與外部網絡相連。Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)的無線路由器的網關、中繼功能外，還具有支持Mesh網絡互連的路由功能，可以通過無線多跳通信，以低得多的發(fā)射功率獲得同樣的無線覆蓋范圍。
客戶端Mesh結構是由Mesh用戶端之間互連構成一個小型對等通信網絡，在用戶設備間提供點到點的服務。Mesh網用戶終端可以是手提電腦、手機、PDA等裝有無線網卡、天線的用戶設備。這種結構實際上就是一個Ad hoc網絡，可以在沒有或不便使用現(xiàn)有的網絡基礎設施的情況下提供一種通信支撐。
Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網絡形成Mesh網絡的混合結構，如圖1所示，其中虛線和實線分別表示無線和有線連接。這種結構提供與其他一些網絡結構的連接，增強了連接性，擴大了覆蓋范圍。
2IEEE802系列中關于Mesh網絡的標準
目前，無線Mesh網絡技術正在世界范圍內得到越來越多的應用，而技術標準化是大規(guī)模應用所必需的重要環(huán)節(jié)。目前，無線Mesh網絡標準散見于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等標準草案中，下面將簡要介紹
IEEE802系列中與無線Mesh網絡有關的標準。
2.1IEEE802.11sMesh標準
IEEE 802.11在大規(guī)模應用時遇到的一個難點是系統(tǒng)的覆蓋能力有限，WLAN受發(fā)射功率的限制，覆蓋范圍一般在100 m范圍內。為了擴大網絡的覆蓋范圍，通常通過增加AP的辦法來實現(xiàn)，但這種方法增加了公眾網的建設成本。無線Mesh網絡作為一種新的組網技術為解決上述問題提供了新的途徑。
IEEE802.11s任務組，主要研究支持無線分布式系統(tǒng)(WDS)的協(xié)議，為WMN定義媒體接入控制(MAC)層和物理層協(xié)議，以實現(xiàn)WLAN在多個AP之間通過自配置多跳的方式組網，提高WLAN的覆蓋范圍。WDS是802.11網絡的一部分，用來作中繼橋接的功能，可以讓無線AP之間通過無線進行橋接(中繼)，同時不影響其無線AP覆蓋的功能。支持WDS技術的無線AP或無線路由器具有混合的無線局域網工作模式，可以支持點對點、點對多點的數(shù)據(jù)傳輸[2]。
IEEE 802 .11s提出了無線Mesh網絡的參考體系結構，如圖2所示。Mesh媒體接入協(xié)調功能組件(MMACFC)位于物理層之上、Mesh路由組件之下，負責有效的競爭接入和WMN中多跳節(jié)點間數(shù)據(jù)包發(fā)送接收的調度。當安全的Mesh鏈路建立以后，Mesh節(jié)點需要與其他Mesh節(jié)點協(xié)調以解決競爭和共享無線媒體的問題，來保證該節(jié)點本身及其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包通過多跳的WMN有效轉發(fā)。直觀上看，MMACFC等同于802.11 WLAN中的分布式協(xié)調功能(DCF)或802.11e中增強的分布式信道接入機制(EDCA)。對DCF或EDCA加以必要的改進，可高效地工作于多跳Mesh網絡中。MMACFC需要解決的問題有：隱藏終端問題、暴露終端問題、在多跳Mesh路徑上從源節(jié)點到目的節(jié)點的流量控制、在多跳轉發(fā)路徑上的有效調度、對多跳多媒體業(yè)務(視頻或語音)分布式允許接入控制、分布式保證服務質量(QoS)的業(yè)務管理、本地業(yè)務和轉發(fā)業(yè)務的有效處理、不同網絡環(huán)境下的可升級性、Mesh節(jié)點間信道工作接入的調度、使用多信道提高Mesh網絡的性能等[3]。
IEEE802.11s的目標是突破傳統(tǒng)AP功能上的限制，使之具有Mesh路由器的功能，業(yè)務流轉發(fā)給鄰近的AP進行的多跳傳輸。這種方式決定了WMN具有較高的可靠性、較大的伸縮性和較低的投資成本等特點。這樣，在新的WLAN架構中，WLAN的AP自動形成WLAN的WMN骨干網[4]。IEEE 802.11 Mesh網絡可以是骨干網Mesh結構，也可以是客戶端Mesh結構�？蛻舳薓esh結構中，所有設備工作在WLAN 的Ad hoc網絡模式下，WMN通過自動配置實現(xiàn)節(jié)點間的互聯(lián)，擺脫了以往對AP的依賴。
2.2IEEE802.15Mesh網絡標準
IEEE 802 .15標準簇主要針對無線個域網開發(fā)的，主要定義了WPAN的物理層和MAC層。目前，802. 15. 1—802. 15. 3 本質上均不能直接支持網狀網絡結構，而只是點到多點方式下的微微網結構，但散射網已經有了WMN 的雛形[5]。
IEEE802.15.4標準的研究定位于低數(shù)據(jù)速率、長電池壽命要求的應用設備，為WPAN提供綜合的網絡解決方案。ZigBee協(xié)議是運行在IEEE802.15.4的MAC和物理層以上的高層協(xié)議，它的網絡層明確定義了3種網絡拓撲結構，星形、簇形和Mesh結構。在Mesh結構中，網絡中的所有無線節(jié)點都相同，可以直接互相通信，每一次網絡都會選擇一條或者多條路由進行多跳傳輸，將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息傳給中心節(jié)點，如圖3所示。Mesh網的每個節(jié)點都有多條路徑到達中心節(jié)點，因此它的容故障能力較強，而且這種多跳系統(tǒng)以多跳代替了單跳的傳輸距離，減小了源節(jié)點所需要的發(fā)送功率。
IEEE 802.15.5目前還在開發(fā)中，定位于WMN的MAC層，不需要ZigBee或IP路由支持，它繼承了802.15.1—802.15.4的一些基本思想，但完全支持Mesh結構。在802.15.5標準中，Mesh網絡被定義為一個個域網(PAN)，有兩種組網方式：全網狀拓撲和部分網狀拓撲。在全網狀拓撲結構中，每一個節(jié)點直接與其他任何一個節(jié)點相連；在部分網狀拓撲結構中，只有部分節(jié)點與其他所有節(jié)點相連，而其他節(jié)點則只是與交換較多數(shù)據(jù)的節(jié)點相連。802.15.5標準主要涉及的問題包括：碰撞避免的信標調度策略、路由算法、分布式安全問題、能效操作模式、對于網狀節(jié)點和網狀PAN 移動性的支持等。
2.3IEEE802.16Mesh網絡標準
IEEE802.16標準定義了無線城域網空中接口規(guī)范，為無線城域網(WMAN)提供“最后一公里”接入，是一種點對多點技術。鑒于無線Mesh網技術的不斷發(fā)展，IEEE802.16標準工作組將Mesh結構納入最近推出的IEEE802.16d/e 標準中。無線Mesh網絡是對IEEE802.16標準中的點到多點(P2MP)網絡結構的補充。網絡中的每個節(jié)點都與周圍鄰居節(jié)點形成多條鏈路，并且可以選擇其中的一條鏈路，用來傳輸來自本節(jié)點或其他節(jié)點的信息。這樣，連接斷開的可能性要遠低于P2MP模式。同時，隨著節(jié)點數(shù)的增加，IEEE802.16 Mesh網絡的健壯性加強，覆蓋范圍擴大。
IEEE802.16 Mesh網絡支持兩種不同的物理層，支持自適應調制和編碼，因此鏈路速率隨著信道條件的變化而變化。對基于無線Mesh結構的WMAN來說，用戶站(SS)間可直接或間接通信，不必通過基站(BS)中轉。由于每個SS可以作為一個中轉站，信號是以逐跳方式傳輸?shù)�，增加了網絡的覆蓋范圍，當增加用戶時不必再增加BS，其拓撲結構可以動態(tài)改變。另外，Mesh系統(tǒng)可以利用地形和建筑物，使用低傳輸功率和相對短的鏈路來減少干擾。還可使用方向性天線來大大地減少干擾和傳輸功率。減少內部干擾可以增加頻率的再使用，提供頻譜利用率；減少外部干擾，可以減少保護頻帶。同時，SS之間距離的縮短減小了室外天線功率和體積，降低了SS通信設備的成本。Mesh拓撲結構在可靠性、覆蓋面積、規(guī)劃用戶和前期的低投入方面都有很好的表現(xiàn)。
另外，IEEE802.16 Mesh的集中式調度是基于時分多址(TDMA)方式的，可提供全面有效的資源利用率[6]。IEEE802.16d標準中的Mesh拓撲結構如圖4所示。為了支持用戶的可移動性，在IEEE802.16d的基礎上制定了新的標準IEEE802.16e。802.16e支持本地和地區(qū)的移動性，支持漫游和切換，移動速度可達到150 km/h[7]。目前，IEEE802.16工作組內新組建的Mesh Ad hoc特別委員會正在研究點到點數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С帧⑿盘栒系K穿越等問題。WMN可使數(shù)據(jù)從一點繞過障礙物跳躍到另一點，只需少量網格即可帶來單個基站覆蓋范圍的大幅度改進。如果這一小組的提案得以采納，它們將成為特別任務組f著手IEEE802.16f標準的開發(fā)，將推動WiMAX獲得更大的發(fā)展[8]。
2.4IEEE802.20Mesh網絡標準
IEEE802.20，即移動寬帶無線接入 (MBWA)工作組，主要研究為移動用戶開發(fā)的標準。制定802.20 標準的目的：一是兼取固定無線接人網絡的高數(shù)據(jù)傳輸速率和蜂窩網絡的高移動性之優(yōu)勢，解決固定無線接入的低移動性和高速移動業(yè)務需求增長之間的矛盾；二是實現(xiàn)低成本、隨時隨地接入，各種IP業(yè)務共存的移動寬帶無線接入網在全世界范圍內的配置。這個標準的頻譜利用效率很高，可以提供更高的QoS通信保障，支持在3 GHz頻帶可靠地進行高速無線數(shù)據(jù)傳輸，有望為以250 km/ h速度移動的用戶提供高達1 Mb/s的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，這將允許高速列車上的用戶使用視頻會議等應用[9]。
802. 20 填補了當前802. 16 的低移動性高數(shù)據(jù)速率與蜂窩網高移動性低數(shù)據(jù)速率之間的性能空間。IEEE802.20網絡是一個基于純IP的網絡。在室內、外環(huán)境中，802. 20均支持WMN結構。在這種網絡結構中，移動節(jié)點之間可以直接或間接通信，避免“三角路由”的出現(xiàn)，改善移動網絡性能，同時能迅速地接入主干網絡，為移動用戶提供快捷準確的服務[10]。
3結束語
隨著無線Mesh網絡在越來越多的范圍內得到應用，制定出相關標準成為迫切的需要。目前，國際標準化組織，特別是IEEE正在致力于與學術界共同推動無線Mesh網絡的標準化工作，在802.11s、802.15、802.16d/e、802.20等標準中均規(guī)范了Mesh組網技術，在網絡第二協(xié)議層中完成接入控制、網狀組網、路由、鏈路擁塞控制、快速移動和切換支持和安全認證等功能。中國除個別機構參與了部分標準制定外，一些研究工作沒能完全跟上國際主流趨勢，迫切需要開展基于相關標準的無線Mesh網關鍵技術的研究。
4參考文獻
[1]范濤,張燕.無線Mesh網絡的組網及其相關標準[J].數(shù)據(jù)通信, 2005(4): 40-42.
[2]IEEE802.11Standard Group WebSite[EB/OL]. http://www.ieee802.org/11/.
[3]孫偉峰.基于802.11無線—結合網絡的QoS研究[D].合肥:中國科技大學, 2007.
[4]夏征兵,宋玲.基于Mesh結構的寬帶無線接入網技術[J]. 電子技術應用, 2006(10).
[5]關于IEEE802.15系列的標準[EB/OL].2006-12.http://www.txrzx.com.
[6]曾智慧.基于IEEE802.16標準的無線Mesh結構研究[D].上海: 同濟大學, 2006.
[7]IEEE802.16Standard Group WebSite[EB/OL]. http://www.ieee802.org/16/.
[8]方旭明,戚彩霞,向征. IEEE 802 系列無線網絡網狀組網與移動切換技術綜述[J].計算機應用, 2006, 26(8):1756-1761.
[9]IEEE802.20Standard Group WebSite[EB/OL]. http://www.ieee802.org/20/.
[10]焦健.高速移動數(shù)據(jù)傳輸新標準IEEE802.20及其切換策略研究[D].北京: 北京交通大學, 2006.
收稿日期：2008-01-14
作者簡介：
陳琳琳，西安電子科技大學在讀碩士研究生，研究方向為無線Mesh網絡、子網移動技術。劉乃安，西安電子科技大學通信工程學院教授、研究生導師。主要研究領域為無線通信與射頻電路、寬帶無線IP網絡與技術、擴展頻譜通信與通信對抗。先后主持和參加多項國家“863”計劃項目、國家自然科學基金項目、電子發(fā)展基金及創(chuàng)新基金項目等，已出版十多本教材與著作，在國內外重要期刊上發(fā)表數(shù)十篇論文。
