新一代寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

樊自甫 萬曉榆 重慶郵電學(xué)院信科股份有限公司

　　近年來，WLAN在接入領(lǐng)域中得到了迅速發(fā)展，依其所具有的巨大數(shù)據(jù)傳輸速率，WLAN也被認(rèn)為是3G或3G后移動數(shù)據(jù)通信部分的一個(gè)主要競爭對手。但WLAN也有其不足之處，其中最主要的一個(gè)便是接入點(diǎn)（AP）的覆蓋范圍較為有限，若要在一個(gè)相對較大的區(qū)域提供無線覆蓋，就需要在該地區(qū)內(nèi)配置多個(gè)接入點(diǎn)，因而增加了建設(shè)基于WLAN的公共寬帶網(wǎng)的成本。雖然人們對此提出了一些解決方法，如通過多種無線技術(shù)的共存來提高無線的覆蓋和位置的適應(yīng)性等等，但這些方法中大多是以增加接入點(diǎn)或降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率為代價(jià)。于是人們把目光轉(zhuǎn)向了另一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——Wireless Mesh（無線網(wǎng)狀網(wǎng)），希望通過這種全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來克服傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中所存在的固有缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無線寬帶領(lǐng)域中的一次變革。

　　Wireless Mesh的結(jié)構(gòu)

　　通常我們可以把無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分成兩種：一種是點(diǎn)到多點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)，如IEEE802.11無線LAN；一種是點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，如移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)（MANET）。通常認(rèn)為，Wireless Mesh是點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一種，把它看成是移動Ad hoc技術(shù)的一種簡化版本。但兩者又有一定的區(qū)別，主要的不同在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連接上，即Wireless Mesh中的接入點(diǎn)既可以作為MANET的一種對等的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體，又可作為一連接到其它有線網(wǎng)絡(luò)的橋接器。實(shí)際上，Wireless Mesh吸收了星型與網(wǎng)狀兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，是對兩者的一種無縫融合（圖4），這種融合是通過在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行WMR（Wireless Mesh Routing）協(xié)議來完成的。Wireless Mesh與傳統(tǒng)無線星型網(wǎng)絡(luò)的差別在于：Wireless Mesh采用了對等式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，需要在一種分散式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行構(gòu)建。

　　如圖1所示，Wireless Mesh中主要存在著兩種網(wǎng)絡(luò)實(shí)體：移動節(jié)點(diǎn)（MN）與接入點(diǎn)（AP），與傳統(tǒng)點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不同，Wireless Mesh的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由選擇的功能，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與其臨近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，在網(wǎng)絡(luò)中MN既是業(yè)務(wù)的使用者又是業(yè)務(wù)的提供者，也就是說它具有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以向網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)（MN或AP）轉(zhuǎn)發(fā)它所接收到的數(shù)據(jù)包，因而Wireless Mesh也是一種自組織和自管理網(wǎng)絡(luò)。

　　圖2是Wireless Mesh的協(xié)議堆，從圖2中可以看出，為提供多次反射無線路由功能，在AP和MN都執(zhí)行WMR路由協(xié)議。而且，為實(shí)現(xiàn)與IP的兼容，WMR被作為一中間層協(xié)議放置在MAC層和IP層之間，這樣一來，在不需要對其它協(xié)議層做太大改動的情況下便可以很好地執(zhí)行WMR協(xié)議。因此，通過圖2的軟件結(jié)構(gòu)，WMR能夠較好地工作于現(xiàn)有的各種無線標(biāo)準(zhǔn)（如802.11b、802.11e）和現(xiàn)有的多數(shù)應(yīng)用中。

　　與傳統(tǒng)無線星型網(wǎng)絡(luò)的比較

　　從以上介紹中可以看出，Wireless Mesh在組網(wǎng)與選路等特征上與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)存在著明顯的區(qū)別。實(shí)際上，Wireless Mesh更像是Internet網(wǎng)絡(luò)的一種無線版本，由于節(jié)點(diǎn)只和其臨近節(jié)點(diǎn)通信，從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包將根據(jù)WMR協(xié)議的配置逐點(diǎn)（hop）傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比具有較多的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

　　可靠性提高

　　通常提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用多條路徑進(jìn)行接續(xù)，以便鏈路出現(xiàn)故障時(shí)不會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。而在傳統(tǒng)的點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的接入采用了星型（Star）結(jié)構(gòu)，即多個(gè)節(jié)點(diǎn)將首先接入到一個(gè)中心點(diǎn)，再由中心點(diǎn)接入到網(wǎng)絡(luò)中。這樣一來，若其中某一節(jié)點(diǎn)出故障，特別是中心點(diǎn)出現(xiàn)了故障將會影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作，因而這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性得不到很好的保證。例如：在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，星型結(jié)構(gòu)的中心便是移動交換中心（MSC），位于周邊的若干個(gè)BTS首先接入到一個(gè)BSC上，然后再通過BSC連接到MSC（圖4），若其中某一BTS與BSC間的鏈路出故障，則此BTS便無法接入MSC。為提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，目前的點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也采用了一些保護(hù)措施。如MHSP（Monitored Hot-Standby Protection），為主鏈路配置后備鏈路，此方法雖然簡單，但每條路徑都需要配備有兩個(gè)獨(dú)立的鏈路和一個(gè)保護(hù)交換，而且同時(shí)只能有一個(gè)信道用于業(yè)務(wù)的傳送，大大降低了信道帶寬的使用效率。而在Wireless Mesh（圖3）中，鏈路為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可使用的鏈路數(shù)大大增加，且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有選路功能，如果其中的某一條鏈路出了故障，節(jié)點(diǎn)便可以自動轉(zhuǎn)移到其它可選鏈路進(jìn)行接入，因而對網(wǎng)絡(luò)的可靠性有了很大程度的提高。從圖3中我們還可以看出，BTS與BSC之間采用了無線連接方式，這也給出了蜂窩移動通信系統(tǒng)在采用Mesh拓?fù)浜蟮牟煌�之處�?/p>

　　碰撞減輕

Wireless Mesh可以較大程度地減輕了業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)碰撞現(xiàn)象的發(fā)生。Wireless Mesh中提供了多個(gè)可選路徑，業(yè)務(wù)在執(zhí)行過程中受路徑碰撞的影響便會降低，而且，Wireless Mesh中還提供了碰撞保護(hù)機(jī)制，那些未經(jīng)認(rèn)證的無線鏈路若能去執(zhí)行Mesh業(yè)務(wù)而引起碰撞時(shí)，系統(tǒng)將自動對此碰撞與鏈路進(jìn)行標(biāo)識，并將在此鏈路上執(zhí)行的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到可選鏈路中。另外，在Wireless Mesh節(jié)點(diǎn)中的可選鏈路與本身鏈路的夾角通常為一鈍角，甚至為相反方向（圖3），這為減輕鏈路間的干擾創(chuàng)造了條件，我們知道，天氣對無線信道會有一定的影響，如雨天會對無線鏈路造成一定的功率衰減，但是天氣的影響是局部的、有方向性的，通常同一方向的可選路由或可選鏈路處于這種天氣條件下的幾率要大于方向相差較大的可選路由或鏈路，因而呈鈍角關(guān)系的路由或鏈路受到這種天氣因素的影響便會大大降低，這也從一個(gè)側(cè)面減輕了業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)發(fā)生碰撞的可能性。

　　簡化無線鏈路設(shè)計(jì)與星型網(wǎng)絡(luò)相比，Wireless Mesh在無線鏈路的設(shè)計(jì)上也有所簡化，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是Wireless Mesh的節(jié)點(diǎn)間呈網(wǎng)狀或環(huán)狀連接，相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間通信時(shí)的數(shù)據(jù)包將通過多個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，逐點(diǎn)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。但在星型網(wǎng)絡(luò)中，較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包通常是用一個(gè)較長鏈路連接到某一中心點(diǎn)，再由此中心點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)包。與點(diǎn)對多點(diǎn)鏈路相比，Wireless Mesh無線鏈路的長度通常更短，因而Wireless Mesh對天線傳輸距離與性能的要求便會大大降低，降低了天線的成本；二是無線鏈路越短，所需的發(fā)射功率越低，降低了射頻信號間的干擾，從而也減少了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的自干擾現(xiàn)象。

　　可測量性

　　與星型網(wǎng)絡(luò)相比，Wireless Mesh是一種對等網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)是對等的，這樣連接到一共同節(jié)點(diǎn)的鏈路數(shù)目就會減少，因而需要進(jìn)行信道分配的無線鏈路數(shù)目也會隨之減少，增加了網(wǎng)絡(luò)的可測量性。另外，對于網(wǎng)絡(luò)帶寬的配置，可以通過對接入點(diǎn)（AP）的配置來完成，而且還可以通過運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)和接入點(diǎn)上的Wireless Mesh路由（WMR）協(xié)議對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行帶寬的匹配，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)間帶寬的平衡。因而與星型網(wǎng)絡(luò)相比，Wireless Mesh網(wǎng)絡(luò)具有更好的可測量性。

　　維護(hù)簡便

Wireless Mesh簡化了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與升級，如前所述，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有多條可選路由，因而局部地區(qū)的升級與擴(kuò)容將不會影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，方便了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與操作。

　　Wireless Mesh的需求

　　盡管Wireless Mesh有上述優(yōu)點(diǎn)，但這些優(yōu)點(diǎn)也是建立在對網(wǎng)絡(luò)的某些特定需求之上：首先，Wireless Mesh的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由選擇功能，因而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都需要配置若干條路由，并對其進(jìn)行控制與管理，增加了節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)；其次，與無線星型網(wǎng)絡(luò)相比，Wireless Mesh需要在節(jié)點(diǎn)間建立更多的無線鏈路，如果網(wǎng)絡(luò)較為稀疏，一環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)將需要有N+1條無線鏈路，如果網(wǎng)絡(luò)較為密集，就大約需要有2N條鏈路；最后，使用Wireless Mesh時(shí)需要對網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由選擇功能，必要的話還需要對部分鏈路的容量重新配置。為此，在設(shè)計(jì)Wireless Mesh時(shí)采用了一種分層機(jī)制，即在需求較低的鏈路上使用低容量鏈路，在需求較高的鏈路上使用高容量鏈路，在圖4中以蜂窩移動系統(tǒng)為例對此進(jìn)行了說明。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)點(diǎn)對多點(diǎn)（即星型）網(wǎng)絡(luò)將變得越來越復(fù)雜，對數(shù)據(jù)率的要求也將越來越高，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須能夠支持和維護(hù)多種不同類型的數(shù)據(jù)流，使得網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率大大降低；而且，傳統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)的可靠性也有待提高，雖然目前也采用了一些提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的措施，但大多要以降低帶寬使用效率或增加成本為代價(jià)；另外，傳統(tǒng)星型網(wǎng)絡(luò)在操作與維護(hù)的費(fèi)用、安裝與擴(kuò)容的速度、位置的適應(yīng)性、可測量性等均存在著諸多不足。從文中的分析我們可以看出，在點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中以上這些指標(biāo)的性能將會有較大的提高。目前，Wireless Mesh正處于研究與初步應(yīng)用階段，人們也正在努力尋求Wireless Mesh技術(shù)與其它技術(shù)（如智能天線、UWB等）的融合，希望通過對這些先進(jìn)技術(shù)的引入來提高Wireless Mesh的性能，如美國的SkyPilot公司將智能天線技術(shù)應(yīng)用于Wireless Mesh中，并成功實(shí)現(xiàn)了頻譜的重復(fù)使用，大大提高了頻譜的利用率。Wireless Mesh在軍事與無線組網(wǎng)等領(lǐng)域必會有廣泛的應(yīng)用前景，并有望給無線寬帶領(lǐng)域帶來一場重大變革。

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