無線Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)分析 （下）

對(duì)于終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(kuò)展。該網(wǎng)絡(luò)仍然由MP、MAP和傳統(tǒng)WLAN站點(diǎn)組成。MP和MAP的功能同傳統(tǒng)移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)非常類似，既可以發(fā)送本節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，也可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。另外，該網(wǎng)絡(luò)每個(gè)MP和MAP都是平等的，網(wǎng)絡(luò)中沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，這是與樹形網(wǎng)狀網(wǎng)的最大不同。節(jié)點(diǎn)之間形成無線P2P的網(wǎng)絡(luò)，不需任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(luò)拓?fù)?

3.2　WPAN中的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展技術(shù)

802.15提供了簡單、低耗能無線連接的標(biāo)準(zhǔn)，是IEEE工作組針對(duì)WPAN開發(fā)的，正發(fā)展成為包括便攜式和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的PAN或短距離無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要定義了WPAN的PHY層和MAC層。其中又分成幾個(gè)子工作組，相應(yīng)子工作組與其定義內(nèi)容對(duì)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(luò)結(jié)構(gòu)，而只是PMP方式下的微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)和移動(dòng)性管理，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)工作尚未完成，所以以下僅重點(diǎn)介紹一些代表性的方案。

在802.15.5標(biāo)準(zhǔn)中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)被定義為一個(gè)PAN，有兩種方式：全網(wǎng)狀拓?fù)浜筒糠志W(wǎng)狀拓?fù)�。在全網(wǎng)狀拓?fù)渲校�每一個(gè)節(jié)點(diǎn)直接與其他任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)相連；在部分網(wǎng)狀拓?fù)渲校�只有部分�?jié)點(diǎn)與其他所有節(jié)點(diǎn)相連，而其他節(jié)點(diǎn)則只是與交換較多數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)相連。標(biāo)準(zhǔn)主要涉及的問題包括：碰撞避免的信標(biāo)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(duì)于網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)狀PAN移動(dòng)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(biāo)的調(diào)度策略。假設(shè)設(shè)備順序相關(guān)聯(lián)，并無明晰的網(wǎng)絡(luò)初始化過程。節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的父子關(guān)系通過關(guān)聯(lián)來表征。一個(gè)節(jié)點(diǎn)能聽到的鄰居（包括父與子）均為該節(jié)點(diǎn)的鄰居。圖6所示為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示例。其中，節(jié)點(diǎn)1（微微網(wǎng)控制器，PNC）首先開機(jī)，任意節(jié)點(diǎn)為與該P(yáng)AN相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)。虛線圓圈中數(shù)字表示該節(jié)點(diǎn)發(fā)射信號(hào)覆射的范圍。節(jié)點(diǎn)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(guān)聯(lián)的設(shè)備，它就自動(dòng)成為PNC，一旦一個(gè)節(jié)點(diǎn)成為PNC，它就開始在它的超幀的起始部分發(fā)送信標(biāo)。隨后，節(jié)點(diǎn)2聽到了來自PNC的信標(biāo)，開始與之關(guān)聯(lián)，并從中獲取PAN ID（個(gè)域網(wǎng)ID，一個(gè)PAN中的節(jié)點(diǎn)設(shè)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(shí)發(fā)送自己的信標(biāo)。在節(jié)點(diǎn)1和2A聽信標(biāo)過程中，同時(shí)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(diǎn)的關(guān)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(gè)網(wǎng)狀設(shè)備節(jié)點(diǎn)在BOP（Beacon-Only Period）期間發(fā)送信標(biāo)，實(shí)施信標(biāo)調(diào)度。圖6中節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)線表示節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，點(diǎn)劃線表示節(jié)點(diǎn)之間的直接通信能力。其中的關(guān)聯(lián)策略是：新節(jié)點(diǎn)盡可能關(guān)聯(lián)到離PNC近的節(jié)點(diǎn)：如果關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）對(duì)于可靠通信還不夠大，則選擇其他節(jié)點(diǎn)作為其父節(jié)點(diǎn)。通常情況下，每個(gè)設(shè)備都要發(fā)送信標(biāo)信號(hào)，但也有例外，端節(jié)點(diǎn)設(shè)備（如節(jié)點(diǎn)8）可以不必發(fā)送信標(biāo)，以免發(fā)生信標(biāo)沖突。當(dāng)兩個(gè)以上PAN處于一個(gè)區(qū)域時(shí)，就需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)合并，如果解決不好，會(huì)影響信道的使用效率，對(duì)于這個(gè)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(gòu)

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(biāo)準(zhǔn)草案完全分布式思想相比，所適用的應(yīng)用場景要有限得多。

3.3　WMAN中的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展技術(shù)

802工作組在成功制定WLAN標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，按照寬帶無線因特網(wǎng)接入需求，進(jìn)一步發(fā)展制定了WMAN標(biāo)準(zhǔn)：802.16d/e，通常稱為WiMax。802.16定義了MAC層的兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（PMP）和網(wǎng)狀網(wǎng)，其中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是為了解決覆蓋問題，每個(gè)用戶單元都是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的一部分，通過多跳路由來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。如圖8所示，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由單個(gè)中心節(jié)點(diǎn)控制，這個(gè)節(jié)點(diǎn)定義為Mesh基站。該節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外的回程設(shè)備建立直接鏈路，作為到外網(wǎng)的接口。

標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的過程如下：首先，新節(jié)點(diǎn)搜索MSH-NCFG消息來達(dá)到與網(wǎng)絡(luò)的粗同步。這個(gè)正在加入的節(jié)點(diǎn)被稱為候選節(jié)點(diǎn)，它必須從廣播MSH-NCFG消息的所有的鄰居節(jié)點(diǎn)之中選擇一個(gè)候選負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)，以便建立連接加入網(wǎng)絡(luò)。然后，候選節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有NetEntryRequest（網(wǎng)絡(luò)接入請(qǐng)求）的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)接入消息（MSH-NENT）給這個(gè)候選負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)，候選負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)評(píng)估這個(gè)消息，接受請(qǐng)求然后開放負(fù)責(zé)信道，或者拒絕請(qǐng)求。如果候選負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)接受了這個(gè)請(qǐng)求，就稱這個(gè)候選負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)為負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)。最后，候選節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過鑒權(quán)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，候選節(jié)點(diǎn)發(fā)送鑒權(quán)信息和鑒權(quán)請(qǐng)求給負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)將該消息管道化后發(fā)送給鑒權(quán)節(jié)點(diǎn)，鑒權(quán)節(jié)點(diǎn)對(duì)候選節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證并判斷候選節(jié)點(diǎn)是否能加入到網(wǎng)絡(luò)中來。候選節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后注冊(cè)節(jié)點(diǎn)，獲得Node ID。

圖8　802.16（WiMax）與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的倍增。通常，WMN中的眾多網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)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(shù)，則在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)將受到極大限制，但如果通過FWBA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到骨干網(wǎng)的接入將是一個(gè)非常有效的方案。圖9為802.16基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的FWBA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中4個(gè)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(diǎn)，通過這個(gè)回程點(diǎn)，將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)管系統(tǒng)服務(wù)器，最終連到因特網(wǎng)。

該結(jié)構(gòu)更好地解決了網(wǎng)絡(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量提升的定量分析。其中，有M個(gè)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(luò)覆蓋率也增大。

圖9　802.16（WiMax）基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的WBA系統(tǒng)

圖10　802.16（WiMax）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率

4、WMN的應(yīng)用前景

隨著技術(shù)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(gòu)中，WLAN的接入點(diǎn)（AP）之間可通過單跳或多跳相互傳遞信息，自動(dòng)形成WLAN的WMN骨干網(wǎng)。隨著新AP加入，系統(tǒng)容量會(huì)增加。另外，許多其他的IEEE標(biāo)準(zhǔn)工作組（如802.15.5、802.20、802.16a）也正將WMN技術(shù)引入到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(guān)注和研究該技術(shù)以及開發(fā)基于該技術(shù)的產(chǎn)品。已有公司和制造商開始向市場提供針對(duì)室內(nèi)和室外環(huán)境并具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(luò)，每個(gè)Wi-Fi蜂窩實(shí)際上是一個(gè)具有路由功能的WLAN。Tropos的關(guān)鍵技術(shù)之一是其高效的無線設(shè)計(jì)，確保高性能、大面積覆蓋和高吞吐量。AP達(dá)1W的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，保證接收信號(hào)的質(zhì)量。另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)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(luò)路由智能技術(shù)，在Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中由下而上優(yōu)化吞吐量，能輕松地管理上千個(gè)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(duì)固定、短距離和低功耗的應(yīng)用，因此不能很好支持移動(dòng)和大范圍的應(yīng)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(shù)平臺(tái)，該平臺(tái)具有以下功能：多跳Rake接收機(jī)、實(shí)時(shí)的均衡算法，可彌補(bǔ)移動(dòng)環(huán)境信道的快速衰落。

對(duì)于WMAN，WiMax技術(shù)是目前比較被大家所看好的一項(xiàng)技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)接入，而802.16e標(biāo)準(zhǔn)還有待確定，它將會(huì)支持非視線傳輸，并帶有一定的移動(dòng)性。總的來說，在占有市場空間方面，WMN已先于WiMax、3G進(jìn)入市場。同時(shí)，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(shù)上分析，WMN、Wi-Fi、WiMax彼此可以相互補(bǔ)充，共同組成無線城域網(wǎng)。Wi-Fi以低廉的成本、普及的應(yīng)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(diǎn)接入，WMN能夠?qū)崿F(xiàn)城域范圍內(nèi)的移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)寬帶無線接入（WBMA）在應(yīng)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(bǔ)性要大于競爭性。

此外，將WMN引入移動(dòng)通信網(wǎng)，同一基站不同手機(jī)用戶之間可直接通過無線Ad Hoc進(jìn)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(luò)。這樣，它們能有效地減輕基站和交換中心對(duì)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(luò)不僅在無線寬帶接入中有著廣闊的應(yīng)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(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，并廣泛應(yīng)用到環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)、交通等領(lǐng)域。隨著其他技術(shù)的不斷更新完善，WMN更好的與之相融合、互補(bǔ)，從而能夠揚(yáng)長避短發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)。

5、結(jié)束語

WMN這一新興網(wǎng)絡(luò)不僅在無線寬帶接入中有著廣闊的應(yīng)用空間。在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，面臨3個(gè)方面的挑戰(zhàn)：一是網(wǎng)狀組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)；二是克服節(jié)點(diǎn)快速移動(dòng)所帶來的網(wǎng)絡(luò)性能的惡化；三是進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用所必需的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究工作相當(dāng)廣泛，已有產(chǎn)品問世，但還缺乏這3個(gè)方面的有機(jī)結(jié)合。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，特別是IEEE正在致力于與學(xué)術(shù)界共同推動(dòng)無線網(wǎng)狀網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，在802.11 s/16d/16e/20/15.5等標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)范了網(wǎng)狀組網(wǎng)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)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(dòng)和切換支持和安全認(rèn)證等功能。但是，WMN相關(guān)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟，因此需要加緊對(duì)其核心技術(shù)的研究，如設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)切換等。