基于Mesh结构的宽带无线接入网技术
2008-04-10
作者：夏征兵，宋 玲
摘 要： 介绍了无线Mesh网络(WMN)的一些基本概念和结构特点，分析了WMN与其他无线网络的区别、融合及应用领域，讨论了实现WMN的相关标准和关键技术。
关键词： 无线网状网(WMN) 移动自组网(Ad Hoc) 标准 路由
随着全球无线通信技术的飞速发展和应用，尤其是移动Ad Hoc的发展，一种新兴的具有极大优势和潜力的宽带无线接入技术引起了学术界和宽带接入市场的关注——无线Mesh网，即无线网状网WMN(Wireless Mesh Network)。WMN是Ad Hoc网络的一种特殊形态，不同于传统的无线网络，它具有无中心、多跳路由和自组织等特性；同时它又有很强的扩展性和兼容性，可与其他无线网络相结合，能快捷、低成本地扩展无线接入系统的覆盖范围，提高带宽容量和通信可靠性。WMN是一种很有应用前景的无线宽带接入技术，可提供个域网、局域网、城域网范围的无线接入服务，目前国内外已有众多学者和科研单位对它进行研究，且已有一定的商业应用，相关的标准也在制定当中。
1 WMN网络结构
WMN是一种网内节点可随意分布并与相邻节点相互连接而形成的网状结构，含有两种节点类型：Mesh路由器(MR)和Mesh客户终端(MC)。前者具有路由转发能力，可作为网关或路桥接入其他网络，通常固定并外接电源。后者诸如手提电脑、手机、PDA等装有无线网卡、天线的用户终端，具有一定的分组转发功能，但不具备网关功能，支持移动，可由电池供电[1]。
骨干网" title="骨干网">骨干网结构如图1所示。WMN中MR网状互连形成WMN骨干网,再通过Mesh网关路由器与Internet或其他无线网(WLAN、WiMAX、蜂窝和传感器网络)相连，为用户端提供接入服务。图1中大椭圆内就是由MR组成WMN的骨干网结构，客户端" title="客户端">客户端和其他无线网络可通过MR接入WMN。
客户端Mesh结构如图2所示。仅由MC网状互连组成了WMN客户端网。客户端组成一个能提供路由和配置功能的小型局域网，在用户间提供点到点服务。网络中各节点不需要具备网关功能，所以网络中无需MR。客户端Mesh结构的WMN等同于Ad Hoc网：任意节点发出的数据包可经由多个节点转发抵达目的节点。虽然节点不需要有网关和中继功能,但路由和自组织能力是必须的。
混合结构如图3所示。Mesh客户端结构可以通过MR接入Mesh骨干网从而形成以上两种结构的综合。这种混合结构提供与其他网络的连接，同时客户端的路由能力可以为WMN增强连接性、扩大覆盖范围。图中虚线和实线分别表示无线和有线连接，具有以太网接口的客户端以有线连接MR，并接入WMN。混合结构是WMN最常用的结构。
2 WMN的特点
(1)多跳路由。WMN采用Ad Hoc式的多跳路由技术，与传统单跳无线网相比，无线链路更短、发射功率更小、节点间干扰更少、频率重用率更高。这样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量，扩展现有无线网络的覆盖范围；同时可在不具有视距无线链路的用户之间，提供非视距连接。
(2)自组织、自愈。WMN结构灵活、易于部署和配置、容错，它可以自动发现新节点并完成配置过程，自动维护网络正常运行，在出现节点、链路故障时也可自动调整完成网络自愈。
(3)多种网络接入与融合。在WMN中，既支持无线终端接入骨干网，又支持终端之间的对等通信。此外，把WMN技术与其他无线网络相结合，通过骨干网为这些无线网络的终端用户提供接入业务。基于现有网络技术或标准的WMN在支持原标准的基础上与这些标准相兼容，还与它们有互操作性。
(4)移动性、能耗与节点类型相关。WMN中，MR一般静止不动，而MC支持高速移动；MR一般采用外接电源，无能耗限制；而移动MC需要采用能耗较小的通信协议。因此WMN的MAC、路由协议" title="路由协议">路由协议需要针对MR和MC分别设计和优化。
3 与其他几种无线网络技术的区别和联系
3.1 WMN与Ad Hoc
WMN来源于Ad Hoc，但与之有较大的差异。(1)WMN中具有由MR组成的骨干网，能在大范围内提供高连通性和健壮性的接入服务，还可通过Mesh网关融合其他无线网；Ad Hoc仅由用户终端组网，不存在专门提供网络连接服务的骨干网，节点不具备网关桥接功能，只限于局域组网。(2)Ad Hoc终端的移动性和不可靠性使其网络拓扑、链路变化较大，给路由协议和网络配置带来了很大的挑战；而WMN中MR一般固定且比用户终端可靠得多，拓扑结构相对稳定，同时MR无能耗限制，简化了设计难度。(3)Ad Hoc中每个终端设备都要为所有其他节点执行路由转发功能；在WMN中，虽然MC也有路由转发功能，但主要由MR执行，大大减轻了MC的负载。(4)Ad Hoc主要业务是网内点到点的通信，而WMN主要是往来于互联网的业务[2]。
3.2 WMN与蜂窝移动通信系统
蜂窝移动通信系统正由2G进入移动宽带的第三代(3G)，能提供诸如视频等多媒体通信业务。但目前实际运行当中的3G数据传输速率还不理想，且巨额的牌照费、技术、终端问题使3G的发展受到限制。WMN与3G业务相近，但二者定位不同：3G定位在广域网，依赖于大规模布网，周期长；而WMN基于IP，定位于城域网，组网灵活，可先由小范围使用再逐渐扩展开来，更适合于各垂直行业的专网应用。与3G相比，WMN大大提高了带宽(能达到54Mbps，甚至更高)，大大降低了骨干网的建设成本和风险，同时它很强的兼容性便于将来与3G融合，解决3G末端接入的问题。
3.3 WMN与WiMAX
微波存取全球互通WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)是IP城域网技术，包含802.16a和802.16e。前者只支持视距固定点接入；后者尚处于开发阶段，支持非视距传输和低速移动性。WiMAX系统可以有两种组网方式：点到多点(PMP)模式和Mesh模式。前者基站承担移动台的接入与数据转发，业务流只发生在基站和移动台之间；后者用户站之间、用户站与基站之间均可直接通信，这种灵活组网方式将带来性能的改进：拓展通信覆盖率、更高频谱效率和更低的运营成本。
4 WMN的应用
WMN的应用场景和应用范围相当广泛，它能实现家庭宽带个域网、楼宇自动化网络、社区组网、交通医疗系统网络、校园组网、企业组网以及城域组网等多层次、大范围的无线应用。
此外，WMN还可以与其他无线技术(如固定无线接入和WLAN等)相结合,实现城域范围内无线接入。工作在高G频段上的固定无线接入系统受视距传输的限制，无法直接面向众多终端用户，但却能实现很高的系统容量；WMN中网关节点需要连接到主干网接口上, 若接口采用有线技术将受到一定限制。将上述两种网络结合起来，通过固定宽带接入系统实现网关节点到骨干网的接入将是一种非常有效的方案。同理，WMN也可以与WLAN结合，将多个WLAN通过WMN方式连接起来，实现各WLAN之间的互通，并使多个WLAN共享网络出口。WMN与其他无线接入技术的结合如图4所示。Mesh网关路由器(图中黑点表示)同时充当固定无线基站的接收端和WLAN的接入点，将两者有效结合。
5 标准化及商业化
WMN的迅速发展使得工业标准化组织也积极致力于在无线标准中加入对Mesh组网方式的支持，目前已成立为WMN 制定新标准的子工作组：IEEE802.11无线局域网工作组在2004年成立了802.11s子工作组，制定标准化扩展服务集(ESS)，专门为WMN定义MAC和物理层协议以实现WLAN多个接入点(AP)能像MR一样自配置组网；802.15无线个域网在2003年成立Mesh研究组TG5，研究利用短距离、低成本设备通过Mesh方式覆盖一个较大的环境。802.16无线城域网在2003年颁布的802.16a标准中设计了对Mesh结构的支持。802.20移动宽带无线接入工作组致力于在室内环境中支持WMN结构[3]。
随着WMN技术的发展应用，相关商业产品也相继问世：美国Microsoft研究实验室在一个称为网状连接层(MCL)的软件模块上实现了Ad Hoc路由和链路质量的测量；Intel公司网络结构实验室用微传感器组建测试平台，研究WMN网络性能的改善；Nortel公司的WMN无线AP可同时工作在2.4GHz和5GHz频段，并配备有智能天线；MeshNetworks公司研发了基于积分多址" title="多址">多址接入(QDMA)的相关硬件及软件系统，支持WMN终端在移动情况下的无线接入；Nokia公司将无线路由器安装在屋顶上的WMN方案也得到不少运营商的关注。
6 关键技术
在WMN的设计中, 不仅需要解决无线传输中的天线设计、多址接入控制、路由协议等问题，还要考虑各层功能的实现与上下层之间的相互影响, 故WMN的设计远比传统单跳无线网复杂。
6.1 物理层无线电技术
传统的定向、全向天线并不太适合WMN。新兴的物理层无线电技术如智能天线、正交频分复用(OFDM)、多进多出(MIMO)、超宽带(UMB)技术以及多无线电／多信道" title="多信道">多信道系统已经成为下一代无线接入系统的关键技术。此外，为了进一步改善无线射频性能以及高层协议的控制，更先进的可重配置无线电、感知无线电，甚至软件无线电技术也已开始在无线系统中运用。这些高级物理层无线电技术的开发设计不仅对物理层性能起着决定性作用，而且要求整合MAC层和网络层进行整体设计,以便最大限度地提高网络性能。
6.2 MAC层多址访问机制
WMN是分布式多跳无线网状网。现有的无线网络MAC机制大多都是针对单跳无线网络设计的，并不适于WMN。现有无线MAC机制可以分为单信道、多信道单收发器和多信道多收发器技术，容量逐级增大但复杂度也逐级变大。多址接入上常见的CSMA/CA、TDMA、CDMA等协议需要改进以适应WMN的分布式多址接入控制。此外，还要求能够有效地进行空间频率复用，以提高网络容量。还有些厂家采用了QDMA(FDMA、CDMA、TDMA、CSMA/CA相结合)专利技术以提高频谱效率和抗干扰性。MAC层机制设计将成为影响WMN性能和成功与否的关键技术之一，需要解决无线多跳、分布协作式多点对多点的通信、自组织、规模扩展性和节点移动性等问题。
6.3 WMN路由协议
WMN的很多技术特点和优势来自于Mesh多跳路由，路由协议设计成其关键技术之一。由于WMN与Ad Hoc特点相似，其路由协议设计可参考Ad Hoc现有的路由协议。WMN路由设计时应能适应其结构特点，具有较好的健壮性和可扩展性[4]。
(1)多判据路由。在WMN中，路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑时延、跳数和吞吐量等多种性能度量指标来选择。多判据路由的关键是如何提取性能判据和如何将它们整合到路由设计中。
(2)多径路由。WMN路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能在无线链路失效时迅速选择替代链路以避免业务中断；此外还要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，最大限度地利用系统资源。
(3)多信道路由。在无线节点可安装多块无线网卡，使用多信道多收发器来转发和接收数据。多信道路由能在不需修改MAC协议的基础上大大提高网络容量，但也增加了设计的难度。多信道路由的关键在于信道分配和算法设计。
(4)节点自适应。WMN中路由协议要求能同时支持MR和MC。对于固定的MR，由于没有功耗限制，可以采用比现有Ad Hoc路由协议简单得多的路由协议；而MC的移动性需要采用类似Ad Hoc节能路由协议。这样，需要一种行之有效的路由协议能自动适应MR和MC。
(5)分级路由。为解决在网络规模扩大时网络性能降低的问题，可采用分级路由技术，将网内节点分簇，在簇内与簇间使用不同的路由(如簇内按需路由、簇间先验路由)，分别发挥其优点，实现大规模WMN路由。其关键在于簇划分和簇头的选择，另外簇头有可能造成网络瓶颈。
(6)组播支持。由于WMN直接面向用户节点，一个经常出现的问题是：当所有用户同时访问同一个热点资源时，如视频点播，网络中产生大量的冗余业务量，进而可能发生拥塞，因此WMN需要支持组播功能。
6.4 跨层设计
WMN不同于有线和传统无线单跳网，节点所有协议层都会相互影响，尤其是底三层。由于WMN在拓扑、传输和业务上的特性，仅用传统的用于有线网络的分层协议设计方法已不能保证其服务质量(QoS)。探索基于物理层、MAC层、网络层等WMN跨层设计方法可以使无线资源利用率和多媒体业务的QoS两方面达到较好的折衷。可以从两方面着手跨层设计：一是在设计单层协议时引入其他层次的性能因素，尤其在设计高层协议时考虑底层参数，如在传输层引入MAC层的丢包率能够使TCP根据丢包率判断拥塞程度。再如可从物理层引入链路状态作为设计路由算法的一个性能依据。二是集几个层次协议设计于一体，如考虑到MAC和网络层的交互可将其两层协议合并设计为一体。第二种方案通常更有效。目前WMN跨层设计中亟待深入研究的关键技术包括自适应速率与节能机制、基于QoS需求的跨层MAC协议设计和路由协议设计等[5]。
6.5 安全性能
安全问题是WMN必须面对的一大难题。在一个多终端的WMN中，安全的数据流量在到达接收端之前可能要通过多个未授权的节点，这会给黑客们创造可乘之机。当WMN大面积铺开时，这些问题将会变得更加突出。目前一些安全机制可以运用于WMN，如直序扩频技术、隧道封包加密和用户设备认证注册等，还有一些基于安全性能设计的MAC及路由协议以及入侵监测应急系统，它们提供了一定的安全保障，但还是比较有限，大多只针对特定层次，所以基于跨层的安全保障措施是关键。
此外，WMN还需要解决诸如带宽与QoS业务支持、与其他网络的兼容和协作、网络管理(配置、监控、计费等)和易用性等问题。
WMN是一种新型的无线多跳路由宽带接入网，其以少量的基础设施构成覆盖范围宽广的宽带无线网络，投资成本低，建网时间短，组网灵活，维护方便，易于扩展升级。目前，WMN技术虽有一定的商用，但还处于初步发展阶段，要充分发挥其潜力，还需要解决诸如物理层和MAC层协议设计、路由算法等多项技术难题。WMN作为一种新的具有众多优点的技术，通过与其他无线网络技术相结合，必将在下一代宽带无线网络中发挥重要作用。
参考文献
1 Akyildiz I.A survey on wireless mesh networks[J].IEEE Communications Magazine，2005；43(9)：23~30
2 Bruno R.Mesh networks：Commodity multihop Ad Hoc networks[J].IEEE Communications Magazine，2005；43(3)：123~131
3 Ian F.Wireless mesh network：a survey[J].Computer Network， 2005；47(4)：445~487
4 Draves R，Padhye J，Zill B.Routing in multi-radio，multihop wireless mesh networks.In：ACM annual internationl conference on mobile computing and networking(MOBICOM)[C]，2004：114~128
5 Iannone L.Evaluating a cross-layer approach for routing in Wireless mesh networks.Telecommunication systems Journal，2006；31(2)：173~193