無線Mesh網(wǎng)絡組網(wǎng)技術分析 （下）

對于終端設備的網(wǎng)絡結(jié)構，802.11 s草案定義了一種如圖5所示的Ad hoc方式多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)來作為其擴展。該網(wǎng)絡仍然由MP、MAP和傳統(tǒng)WLAN站點組成。MP和MAP的功能同傳統(tǒng)移動Ad hoc網(wǎng)絡中的移動節(jié)點非常類似，既可以發(fā)送本節(jié)點所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，也可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包。另外，該網(wǎng)絡每個MP和MAP都是平等的，網(wǎng)絡中沒有中心控制節(jié)點，這是與樹形網(wǎng)狀網(wǎng)的最大不同。節(jié)點之間形成無線P2P的網(wǎng)絡，不需任何網(wǎng)絡基礎設施來支持。

圖5　802.11 s草案的Ad hoc方式多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲

3.2　WPAN中的網(wǎng)絡擴展技術

802.15提供了簡單、低耗能無線連接的標準，是IEEE工作組針對WPAN開發(fā)的，正發(fā)展成為包括便攜式和移動計算設備的PAN或短距離無線網(wǎng)絡的標準。該標準主要定義了WPAN的PHY層和MAC層。其中又分成幾個子工作組，相應子工作組與其定義內(nèi)容對照如表1所示。

表1　802.15各子工作組定義內(nèi)容

到目前為止，802.15.1～802.15.4本質(zhì)上均不能直接支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構，而只是PMP方式下的微微網(wǎng)結(jié)構，但散射網(wǎng)已經(jīng)有了WMN的雛形。802.15.5工作組成立最晚，2005年1月才開始征集方案。目前，標準正在制定過程中，它繼承了802.15.1～802.15.4的一些基本思想，但完全支持網(wǎng)狀結(jié)構和移動性管理，因為該標準工作尚未完成，所以以下僅重點介紹一些代表性的方案。

在802.15.5標準中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡被定義為一個PAN，有兩種方式：全網(wǎng)狀拓撲和部分網(wǎng)狀拓撲。在全網(wǎng)狀拓撲中，每一個節(jié)點直接與其他任何一個節(jié)點相連；在部分網(wǎng)狀拓撲中，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。標準主要涉及的問題包括：碰撞避免的信標調(diào)度策略、短地址分配算法、數(shù)據(jù)傳輸中RTS/CTS的采用、路由算法、分布式安全問題、能效操作模式、對于網(wǎng)狀節(jié)點和網(wǎng)狀PAN移動性的支持等。

協(xié)議草案中提出的方案中采用了一種基于信標的調(diào)度策略。假設設備順序相關聯(lián)，并無明晰的網(wǎng)絡初始化過程。節(jié)點設備之間的父子關系通過關聯(lián)來表征。一個節(jié)點能聽到的鄰居（包括父與子）均為該節(jié)點的鄰居。圖6所示為網(wǎng)狀網(wǎng)絡組網(wǎng)示例。其中，節(jié)點1（微微網(wǎng)控制器，PNC）首先開機，任意節(jié)點為與該PAN相關聯(lián)的節(jié)點。虛線圓圈中數(shù)字表示該節(jié)點發(fā)射信號覆射的范圍。節(jié)點1激活后首先開始掃描，若在其輻射范圍沒有發(fā)現(xiàn)其他能關聯(lián)的設備，它就自動成為PNC，一旦一個節(jié)點成為PNC，它就開始在它的超幀的起始部分發(fā)送信標。隨后，節(jié)點2聽到了來自PNC的信標，開始與之關聯(lián)，并從中獲取PAN ID（個域網(wǎng)ID，一個PAN中的節(jié)點設備必須具有相同的PAN ID，否則不能直接通信）、短地址和其他信息，確定何時發(fā)送自己的信標。在節(jié)點1和2A聽信標過程中，同時記錄了各自鄰居表中的鄰居信息。如此，逐步完成所有節(jié)點的關聯(lián)操作。

圖6　802.11.5網(wǎng)狀組網(wǎng)過程方案

如圖7所示，每個網(wǎng)狀設備節(jié)點在BOP（Beacon-Only Period）期間發(fā)送信標，實施信標調(diào)度。圖6中節(jié)點之間的實線表示節(jié)點之間的關聯(lián)，點劃線表示節(jié)點之間的直接通信能力。其中的關聯(lián)策略是：新節(jié)點盡可能關聯(lián)到離PNC近的節(jié)點：如果關聯(lián)的節(jié)點接收信號強度（RSSI）對于可靠通信還不夠大，則選擇其他節(jié)點作為其父節(jié)點。通常情況下，每個設備都要發(fā)送信標信號，但也有例外，端節(jié)點設備（如節(jié)點8）可以不必發(fā)送信標，以免發(fā)生信標沖突。當兩個以上PAN處于一個區(qū)域時，就需要進行網(wǎng)絡合并，如果解決不好，會影響信道的使用效率，對于這個問題目前有一些建議，但尚沒有確定的解決方案。

圖7　802.11.5網(wǎng)狀組網(wǎng)幀結(jié)構

從以上基于調(diào)度的網(wǎng)狀組網(wǎng)方案中可以看出，方案仍然沒有擺脫中心控制的思想，與802.11 s標準草案完全分布式思想相比，所適用的應用場景要有限得多。

3.3　WMAN中的網(wǎng)絡擴展技術

802工作組在成功制定WLAN標準的基礎上，按照寬帶無線因特網(wǎng)接入需求，進一步發(fā)展制定了WMAN標準：802.16d/e，通常稱為WiMax。802.16定義了MAC層的兩種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構：點對多點（PMP）和網(wǎng)狀網(wǎng)，其中，網(wǎng)狀結(jié)構是為了解決覆蓋問題，每個用戶單元都是網(wǎng)絡設施的一部分，通過多跳路由來實現(xiàn)網(wǎng)絡的全覆蓋。如圖8所示，網(wǎng)狀網(wǎng)絡由單個中心節(jié)點控制，這個節(jié)點定義為Mesh基站。該節(jié)點與網(wǎng)狀網(wǎng)絡外的回程設備建立直接鏈路，作為到外網(wǎng)的接口。

標準為網(wǎng)狀模式定義了5種管理消息：網(wǎng)狀配置消息MSH-NCFG：網(wǎng)狀接入消息MSH-NENT；網(wǎng)狀集中調(diào)度消息MSH-CSCH；網(wǎng)狀集中調(diào)度配置消息MSH-CSCF；網(wǎng)狀分布式調(diào)度消息MSH-DSCH。新節(jié)點進入網(wǎng)絡的過程如下：首先，新節(jié)點搜索MSH-NCFG消息來達到與網(wǎng)絡的粗同步。這個正在加入的節(jié)點被稱為候選節(jié)點，它必須從廣播MSH-NCFG消息的所有的鄰居節(jié)點之中選擇一個候選負責節(jié)點，以便建立連接加入網(wǎng)絡。然后，候選節(jié)點發(fā)送帶有NetEntryRequest（網(wǎng)絡接入請求）的網(wǎng)狀網(wǎng)絡接入消息（MSH-NENT）給這個候選負責節(jié)點，候選負責節(jié)點評估這個消息，接受請求然后開放負責信道，或者拒絕請求。如果候選負責節(jié)點接受了這個請求，就稱這個候選負責節(jié)點為負責節(jié)點。最后，候選節(jié)點需要經(jīng)過鑒權進入網(wǎng)絡，候選節(jié)點發(fā)送鑒權信息和鑒權請求給負責節(jié)點，負責節(jié)點將該消息管道化后發(fā)送給鑒權節(jié)點，鑒權節(jié)點對候選節(jié)點驗證并判斷候選節(jié)點是否能加入到網(wǎng)絡中來。候選節(jié)點進入網(wǎng)絡后注冊節(jié)點，獲得Node ID。

圖8　802.16（WiMax）與網(wǎng)狀結(jié)構的結(jié)合

通過網(wǎng)狀連接，原本受制于高頻段視距傳輸?shù)墓潭�無線寬帶接入（FixedWireless Broadband Access，F(xiàn)WBA）系統(tǒng)就可以實現(xiàn)系統(tǒng)容量的倍增。通常，WMN中的眾多網(wǎng)關節(jié)點需要一個連接到骨干網(wǎng)的接口，這一接口如果采用光纖等有線技術，則在網(wǎng)絡規(guī)劃時將受到極大限制，但如果通過FWBA系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)關節(jié)點到骨干網(wǎng)的接入將是一個非常有效的方案。圖9為802.16基于網(wǎng)狀結(jié)構的FWBA系統(tǒng)結(jié)構圖，其中4個網(wǎng)狀子網(wǎng)“AirHood”分別稱為“AirHead”的基站連接，基站連接到回程點，通過這個回程點，將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)管系統(tǒng)服務器，最終連到因特網(wǎng)。

該結(jié)構更好地解決了網(wǎng)絡覆蓋問題，容納多用戶接入。通過圖10可以看到網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構對網(wǎng)絡容量提升的定量分析。其中，有M個基站的覆蓋率是1-（1-z）m，802.16（WiMax）與PMP相比，具有更大的覆蓋率。顯然，隨著基站“AirHead”數(shù)目的增加，網(wǎng)絡覆蓋率也增大。

圖9　802.16（WiMax）基于網(wǎng)狀結(jié)構的WBA系統(tǒng)

圖10　802.16（WiMax）網(wǎng)狀結(jié)構的網(wǎng)絡覆蓋率

4、WMN的應用前景

隨著技術的發(fā)展，IEEE802成立IEEE802.11s工作組、該組目的是為WMN定義MAC和PHY層去提高WLAN覆蓋，使其能全球覆蓋。在新的WLAN架構中，WLAN的接入點（AP）之間可通過單跳或多跳相互傳遞信息，自動形成WLAN的WMN骨干網(wǎng)。隨著新AP加入，系統(tǒng)容量會增加。另外，許多其他的IEEE標準工作組（如802.15.5、802.20、802.16a）也正將WMN技術引入到相應的標準中以提高各自系統(tǒng)容量和信息傳輸可靠性。

工業(yè)界也開始關注和研究該技術以及開發(fā)基于該技術的產(chǎn)品。已有公司和制造商開始向市場提供針對室內(nèi)和室外環(huán)境并具有知識產(chǎn)權WMN解決方案，像Tropos、BelAir等已在市場上出售基于802.11的產(chǎn)品。例如Tropos公司的室外蜂窩Wi-Fi網(wǎng)絡，每個Wi-Fi蜂窩實際上是一個具有路由功能的WLAN。Tropos的關鍵技術之一是其高效的無線設計，確保高性能、大面積覆蓋和高吞吐量。AP達1W的發(fā)射功率遠遠超過普通AP的100 mW發(fā)射功率，提供更大的覆蓋范圍和穿透墻壁能力；接收靈敏度比普通AP高8 dB，提供給用戶更高的使用帶寬；雙集天線設計，保證接收信號的質(zhì)量。另一個關鍵技術就是使用了MetroMesh操作系統(tǒng)。MetroMesh系統(tǒng)集成了業(yè)內(nèi)最完備的網(wǎng)絡路由智能技術，在Wi-Fi無線網(wǎng)絡環(huán)境中由下而上優(yōu)化吞吐量，能輕松地管理上千個Wi-Fi蜂窩單元，從而使得Wi-Fi可以部署從前無法部署的城域網(wǎng)。由于802.11是針對固定、短距離和低功耗的應用，因此不能很好支持移動和大范圍的應用。正因如此，于是MeshNetwork開發(fā)一種稱為正交分割多址接入（QDMA）技術平臺，該平臺具有以下功能：多跳Rake接收機、實時的均衡算法，可彌補移動環(huán)境信道的快速衰落。

對于WMAN，WiMax技術是目前比較被大家所看好的一項技術，其標準為802.16a/d/e。802.16a/d已經(jīng)制定，但它只支持視線范圍傳輸?shù)墓潭�點接入，而802.16e標準還有待確定，它將會支持非視線傳輸，并帶有一定的移動性�？偟膩碚f，在占有市場空間方面，WMN已先于WiMax、3G進入市場。同時，WMN也可以依靠被市場接受的Wi-Fi終端迅速發(fā)展起來，并已經(jīng)占據(jù)了一部分市場。從技術上分析，WMN、Wi-Fi、WiMax彼此可以相互補充，共同組成無線城域網(wǎng)。Wi-Fi以低廉的成本、普及的應用占據(jù)末端局域網(wǎng)接入市場，WiMax則可以作為城域范圍的固定點接入，WMN能夠?qū)崿F(xiàn)城域范圍內(nèi)的移動寬帶專用通信網(wǎng)�；蛟S在不久的將來，802.16e的提出以及目前也存在的基于802.20x標準的移動寬帶無線接入（WBMA）在應用中有一定的競爭，但是由于具體要求的不同使得他們之間的互補性要大于競爭性。

此外，將WMN引入移動通信網(wǎng)，同一基站不同手機用戶之間可直接通過無線Ad Hoc進行通信，同一交換中心控制的基站之間也通過多跳無線形成無線基站網(wǎng)絡。這樣，它們能有效地減輕基站和交換中心對無線資源管理和調(diào)度的工作量，增加同一基站和同一交換中心內(nèi)不同用戶之間的通信速度、效率和可靠性。

WMN這一新興網(wǎng)絡不僅在無線寬帶接入中有著廣闊的應用空間，在其他方面如結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像采集模塊可以對目標對象進行監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，并廣泛應用到環(huán)境檢測、工業(yè)、交通等領域。隨著其他技術的不斷更新完善，WMN更好的與之相融合、互補，從而能夠揚長避短發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。

5、結(jié)束語

WMN這一新興網(wǎng)絡不僅在無線寬帶接入中有著廣闊的應用空間。在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡應用中，面臨3個方面的挑戰(zhàn)：一是網(wǎng)狀組網(wǎng)的關鍵技術；二是克服節(jié)點快速移動所帶來的網(wǎng)絡性能的惡化；三是進行大規(guī)模應用所必需的標準化技術。目前國內(nèi)外相關技術研究工作相當廣泛，已有產(chǎn)品問世，但還缺乏這3個方面的有機結(jié)合。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網(wǎng)狀網(wǎng)的標準化工作，在802.11 s/16d/16e/20/15.5等標準中均規(guī)范了網(wǎng)狀組網(wǎng)技術，在網(wǎng)絡第二協(xié)議層中完成接入控制、網(wǎng)狀組網(wǎng)、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。但是，WMN相關技術還遠遠沒有成熟，因此需要加緊對其核心技術的研究，如設計適合WMN的路由算法、無線資源調(diào)度算法及用戶如何在骨干網(wǎng)不同小區(qū)間實現(xiàn)切換等。