無線mesh網(wǎng)絡(luò)

1、無線Mesh網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)限制了它的進(jìn)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(shù)之一，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN）可以和多種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）以及無線城域網(wǎng)（WMAN）等相結(jié)合，改善無線網(wǎng)絡(luò)的性能， 提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。 隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用， IEEE 802的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組正在致力于推動(dòng)WMN技術(shù)的發(fā)展，制訂相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，WMN 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出現(xiàn)在 IEEE 802.11s、802.15、802.16、802.20 中。關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；IEEE802系列

2、；無線多跳網(wǎng)絡(luò)；Mesh標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求的不斷提高，為了使網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)隨地提供便捷、準(zhǔn)確的通信服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越受到人們的重視。其中無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)就是無線網(wǎng)絡(luò) 研究中的一個(gè)熱點(diǎn)課題。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，即無線網(wǎng)狀網(wǎng)，是新近出現(xiàn)的一種無線多跳網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，具有自組織、自管理、自愈能力，且具有與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的兼容性及互操作性。 它可以和多種寬帶無線接入技術(shù)相結(jié)合，組成一個(gè)含有多跳無線鏈路的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。這種無線網(wǎng)狀網(wǎng)，可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，同時(shí)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(gè)理想解決方案。1無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) 無線Me

3、sh網(wǎng)絡(luò)是一種與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的無線接入技術(shù)中， 主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中一般都存在一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，例如移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基站、802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）中的接入點(diǎn)（AP）等等。中心節(jié)點(diǎn)與各個(gè)無線終端通過單跳無線鏈路相連，控制各無線終端對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的訪問；同時(shí)，又通過有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連，提供到骨干網(wǎng)的連接。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，采用網(wǎng)狀Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過相鄰其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以無線多跳方式相連。在WMN中包括兩種類型的節(jié)點(diǎn)：無線Mesh路由器和無線Mesh用戶端。WMN的

4、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能的不同分為3類：骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)、客戶端 Mesh結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)1。骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)是由Mesh路由器網(wǎng)狀互連形成的，無線Mesh骨干網(wǎng)再通過其中的Mesh路由器與外部網(wǎng)絡(luò)相連。Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)的無線路由器的網(wǎng)關(guān)、中繼功能外，還具有支持Mesh網(wǎng)絡(luò)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?？蛻舳薓esh結(jié)構(gòu)是由Mesh用戶端之間互連構(gòu)成一個(gè)小型對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)，在用戶設(shè)備 間提供點(diǎn)到點(diǎn)的服務(wù)。Mesh網(wǎng)用戶終端可以是手提電腦、手機(jī)、PDA等裝有無線網(wǎng)卡、天線的用戶設(shè)備。這種結(jié)卞實(shí)際上就是一個(gè)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，可以在沒有或不便

5、使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)形成Mesh網(wǎng)絡(luò)的混合結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中虛線和實(shí)線分別表示無線和有線連接。這種結(jié)構(gòu)提供與其他一些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的 連接，增強(qiáng)了連接性，擴(kuò)大了覆蓋范圍。，圖1 Mgh網(wǎng)絡(luò)海臺(tái)結(jié)構(gòu)圖2 IEEE802系列中關(guān)于 Mesh網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)目前，無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在世界范圍內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用，而技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化是大規(guī)模應(yīng)用所必需的重要環(huán)節(jié)。目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)散見于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等標(biāo)準(zhǔn)草案中，下面將簡(jiǎn)要介紹IEEE802系歹U中與無線Mesh網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的

6、標(biāo)準(zhǔn)。2.1 IEEE 802.11s Mesh 標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)遇到的一個(gè)難點(diǎn)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(nèi)。為了擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，通常通過增加 AP的辦法來實(shí)現(xiàn)，但這種方法增加了公眾網(wǎng)的建設(shè)成本。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新的組網(wǎng)技術(shù)為解決上述問題提供了新的途徑。IEEE802.11s任務(wù)組，主要研究支才!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(shí)現(xiàn) WLAN在多個(gè)AP之間通過自配置多跳的方式組 網(wǎng)，提高 WLAN的覆蓋范圍。 WDS是802.11網(wǎng)絡(luò)的一部分，用來作中繼橋

7、接的功能，可以 讓無線AP之間通過無線進(jìn)行橋接（中繼），同時(shí)不影響其無線 AP覆蓋的功能。支持WDS技 術(shù)的無線AP或無線路由器具有混合的無線局域網(wǎng)工作模式，可以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸2。IEEE 802 .11s提出了無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)的參考體系結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。Mesh媒體接入?yún)f(xié)調(diào) 功能組件（MMACFC）位于物理層之上、Mesh路由組件之下，負(fù)責(zé)有效的競(jìng)爭(zhēng)接入和WMN中多跳節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包發(fā)送接收的調(diào)度。當(dāng)安全的Mesh鏈路建立以后，Mesh節(jié)點(diǎn)需要與其他Mesh節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)以解決競(jìng)爭(zhēng)和共享無線媒體的問題，來保證該節(jié)點(diǎn)本身及其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包通過多跳的 WMN有效轉(zhuǎn)發(fā)。直觀上看，MMAC

8、FC等同于802.11 WLAN中的分布式協(xié)調(diào) 功能（DCF）或802.11e中增強(qiáng)的分布式信道接入機(jī)制（EDCA）。對(duì)DCF或EDCA加以必要的改進(jìn)，可高效地工作于多跳Mesh網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的流量控制、在多跳轉(zhuǎn)發(fā)路徑上的 有效調(diào)度、對(duì)多跳多媒體業(yè)務(wù)(視頻或語音)分布式允許接入控制、分布式保證服務(wù)質(zhì)量(QoS) 的業(yè)務(wù)管理、本地業(yè)務(wù)和轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的有效處理、不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的可升級(jí)性、Mesh節(jié)點(diǎn)間信道工作接入的調(diào)度、使用多信道提高M(jìn)esh網(wǎng)絡(luò)的性能等3。，圖W IEEE跳£11與由能相件結(jié)構(gòu)IEE

9、E802.11s的目標(biāo)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(wù) 流轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近的 AP進(jìn)行的多跳傳輸。這種方式?jīng)Q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(diǎn)。 這樣，在新的WLAN架構(gòu)中，WLAN的AP自動(dòng)形成 WLAN 的WMN骨干網(wǎng)4。IEEE 802.11 Mesh網(wǎng)絡(luò)可以是骨干網(wǎng) Mesh結(jié)構(gòu)，也可以是客戶端 Mesh 結(jié)構(gòu)?？蛻舳?Mesh結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備工作在 WLAN 的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)模式下，WMN通過自 動(dòng)配置實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的互聯(lián)，擺脫了以往對(duì) AP的依賴。2.2 IEEE802.15 Mesh網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802 .15標(biāo)準(zhǔn)簇主

10、要針對(duì)無線個(gè)域網(wǎng)開發(fā)的，主要定義了 WPAN的物理層和 MAC層。目前，802.15.1802.15. 3本質(zhì)上均不能直接支持網(wǎng)狀 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而只是點(diǎn)到多點(diǎn)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5。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的研究定位于低數(shù)據(jù)速率、長(zhǎng)電池壽命要求的應(yīng)用設(shè)備， 為WPAN提供綜合的網(wǎng)絡(luò)解決方案。ZigBee協(xié)議是運(yùn)行在IEEE802.15.4的MAC和物理層以上的高層協(xié) 議，它的網(wǎng)絡(luò)層明確定義了 3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星形、簇形和 Mesh結(jié)構(gòu)。在Mesh結(jié)構(gòu)中， 網(wǎng)絡(luò)中的所有無線節(jié)點(diǎn)都相同，可以直接互相通信，每一次網(wǎng)絡(luò)都會(huì)選擇一條或者多條路由進(jìn)行多跳傳輸，將所要傳輸?shù)臄?shù)

11、據(jù)信息傳給中心節(jié)點(diǎn)，如圖3所示。Mesh網(wǎng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有多條路徑到達(dá)中心節(jié)點(diǎn)，因此它的容故障能力較強(qiáng)，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(diǎn)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 802.15.1802.15.4的一些基本思想，但完全支持Mesh結(jié)構(gòu)。在802.15.5標(biāo)準(zhǔn)中，Mesh網(wǎng)絡(luò)被定義為一個(gè)個(gè)域網(wǎng)（PAN）,有兩種組網(wǎng)方式：全網(wǎng)狀拓?fù)浜筒糠志W(wǎng)狀拓?fù)洹?在全網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，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)浣Y(jié)構(gòu)中， 只有部分節(jié)點(diǎn)與其他所有節(jié)點(diǎn)相連，而其他節(jié)點(diǎn)

12、則只是與交換較多數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)相連。802.15.5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、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。2.3 IEEE802.16 Mesh 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)定義了無線城域網(wǎng)空中接口規(guī)范，為無線城域網(wǎng)（WMAN）提供最后一公里”接入，是一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)技術(shù)。鑒于無線 Mesh網(wǎng)技術(shù)的 不斷發(fā)展,IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)工彳組將 Mesh結(jié)構(gòu)納入最近推出的IEEE802.16d/e標(biāo)準(zhǔn)中。無 線Mesh網(wǎng)絡(luò)是對(duì)IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)中的點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié) 點(diǎn)都與周圍鄰居節(jié)點(diǎn)

13、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(diǎn)或其他節(jié)點(diǎn)的信息。這樣，連接斷開的可能性要遠(yuǎn)低于P2MP模式。同時(shí)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，IEEE802.16 Mesh網(wǎng)絡(luò)的健壯性加強(qiáng)，覆蓋范圍擴(kuò)大。IEEE802.16 Mesh網(wǎng)絡(luò)支持兩種不同的物理層，支持自適應(yīng)調(diào)制和編碼，因此鏈路速率 隨著信道條件的變化而變化。對(duì)基于無線Mesh結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)。由于每個(gè) SS可以作為一個(gè)中轉(zhuǎn)站，信號(hào)是以逐跳方 式傳輸?shù)?，增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，當(dāng)增加用戶時(shí)不必再增加BS,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)改變。另外，Mesh系統(tǒng)可以利用地形和建筑物

14、，使用低傳輸功率和相對(duì)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(nèi)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(hù)頻帶。同時(shí)， 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(shè)備的成本。Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(diào)度是基于時(shí)分多址 （TDMA）方式的，可提供全面有 效的資源利用率6。IEEE802.16d標(biāo)準(zhǔn)中的Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。為了支持用戶的可移 動(dòng)性，在IEEE802.16d的基礎(chǔ)上制定了新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16e

15、。802.16e支持本地和地區(qū)的移動(dòng)性，支持漫游和切換，移動(dòng)速度可達(dá)到150 km/h 7 o目前，IEEE802.16工作組內(nèi)新組建的Mesh Ad hoc特別委員會(huì)正在研究點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?、信?hào)障礙穿越等問題。WMN可使數(shù)據(jù)從一點(diǎn)繞過障礙物跳躍到另一點(diǎn)，只需少量網(wǎng)格即可帶來單個(gè)基站覆蓋范圍的大幅度改進(jìn)。如果這一小組的提案得以采納，它們將成為特別任務(wù)組f著手IEEE802.16f標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，將推動(dòng) WiMAX獲得更大的發(fā)展8，圖4 WMAX與WMN的結(jié)合2.4 IEEE802.20 Mesh 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.20,即移動(dòng)寬帶無線接入（MBWA）工作組，主要研究為移動(dòng)用戶開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)

16、。制定802.20標(biāo)準(zhǔn)的目的：一是兼取固定無線接人網(wǎng)絡(luò)的高數(shù)據(jù)傳輸速率和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高移 動(dòng)性之優(yōu)勢(shì)，解決固定無線接入的低移動(dòng)性和高速移動(dòng)業(yè)務(wù)需求增長(zhǎng)之間的矛盾；二是實(shí)現(xiàn)低成本、隨時(shí)隨地接入，各種IP業(yè)務(wù)共存的移動(dòng)寬帶無線接入網(wǎng)在全世界范圍內(nèi)的配置。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行高速無線數(shù)據(jù)傳輸，有望為以 250 km/ h速度移動(dòng)的用戶提供高達(dá)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(huì)議等應(yīng)用9。802. 20填補(bǔ)了當(dāng)前802. 16的低移動(dòng)性高數(shù)據(jù)速率與蜂窩網(wǎng)高移動(dòng)性低數(shù)據(jù)速率之間 的性能空間。IEEE802.

17、20網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)基于純IP的網(wǎng)絡(luò)。在室內(nèi)、外環(huán)境中，802. 20均支持WMN結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)性能，同時(shí)能迅速地接入主干網(wǎng)絡(luò)，為移動(dòng)用戶提供快捷準(zhǔn)確的服務(wù)1°,3結(jié)束語隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在越來越多的范圍內(nèi)得到應(yīng)用，制定出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)成為迫切的需要。目前，國(guó)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Mesh網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，在 802.11s、802.15、802.16d/e、802.20等標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)范了 Mesh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)

18、和切換支持和安全認(rèn)證等功能。中國(guó)除個(gè)別機(jī)構(gòu)參與了部分標(biāo)準(zhǔn)制定外，一些研究工作沒能完全跟上國(guó)際主流趨勢(shì)，迫切需要開展基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的無線Mesh網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究。4參考文獻(xiàn)：1范濤,張燕.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)J.數(shù)據(jù)通信，2005(4): 40-42.2 IEEE 802.11 Standard Group WebSiteEB/OL. /11/ .3孫偉峰.基于802.11無線一結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的QoS研究D.合肥：中國(guó)科技大學(xué)，2007.4夏征兵，宋玲.基于Mesh結(jié)構(gòu)的寬帶無線接入網(wǎng)技術(shù)J.電子技術(shù)應(yīng)用，2006(10).5 關(guān)于 IEEE802.15 系列的標(biāo)準(zhǔn) EB/OL. 2006-12. .6曾智慧.基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)的