无线Mesh网络组网技术分析

传统的无线区域网络在进行大规模应用时常常因为线缆的限制而不能灵活地进行扩展。根据无线Mesh网络（WMN）的节点功能对组网结构进行分析，并讨论基于各种无线区域网络的网状网技术。最后介绍无线Mesh网络的应用前景，并指出研究重点。

1、概述

在无线通信中，传统的做法是通常是在接入用户的“最后一公里”的接入网部分采用各种无线接入技术，使得网络提供方能迅速将网络覆盖至用户需求的热点地区，用户也可以摆脱接入线缆的限制而随意接入通信网络。尽管各种无线网络技术在传输速率上远远比不上同期的有线传输技术，但却为通信网络的发展提供良好的技术支持。

但是，随着网络覆盖区域的扩大，各类无线接入点的有线连接要求使其在某些缺乏有线基础架构的环境中遇到诸多挑战和不便。而新的无线网络技术——无线网状网（Wireless Mesh Network，WMN）因其具有宽带无线汇聚连接功能、有效的路由及故障发现特性、无需有线网络资源等独特的优势，正受到越来越多的关注。在实际网络发展中，它可以与多种宽带无线接入技术如802.11、802.15、802.16、802.20以及3G移动通信等相结合，组成一个多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网络可以有效减少故障干扰、降低发射器功率、延长电池使用寿命、极大地提高频率复用度，从而提高网络容量、无线网络的覆盖范围，并有效地提高通信可靠性。目前它已经被业内普遍认为是无线网络技术的一个发展方向。

2、WMN的网络结构

传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、802.11 WLAN中的AP等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问；另一方面，中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连，提供到骨干网的连接。

而在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，也可以说是一种多点到多点的网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻的其它网络节点以无线多跳方式相连。目前，普遍认为无线Mesh网络包含两类网络节点：Mesh路由器和Mesh客户端。

Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关/ 中继功能外，还支持Mesh网络互联的路由功能。Mesh路由器通常具有多个无线接口，这些无线接口可以基于相同的无线接入技术构建，也可以基于不同的无线接入技术。与传统的无线路由器相比，无线Mesh路由器可以通过无线多跳通信，以更低的发射功率获得同样的无线覆盖范围。

Mesh终端也具有一定的Mesh网络互联和分组转发功能，但是一般不具有网关桥接功能。通常，Mesh终端只具有一个无线接口，实现复杂度远小于Mesh路由器。

根据各个节点功能的不同，无线Mesh网络结构分为3类：骨干网Mesh结构（分级结构）、客户端Mesh结构（平面结构）、混合结构。

2.1　骨干网Mesh结构

骨干网Mesh结构由Mesh路由器组成，是一个可以自配置和自愈的网络，通过Mesh路由器的网关功能与因特网相连，普通客户端和已有无线网络可以通过Mesh路由器的网关或中继功能接入WMN，网络如图1所示。

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图1　骨干网Mesh结构

其中虚线和实线分别表示无线和有线连接，使用包括IEEE 802.11在内的多种无线技术，具有以太网接口的普通客户端通过以太接口直接接入Mesh路由器。如果普通客户端采用与Mesh路由器相同的无线技术，则可以直接建立通信；若采用不同的无线技术，则不同的客户端需要先接入具有以太接口的基站再与Mesh路由器相连。

2.2　客户端Mesh结构

客户端Mesh结构是由Mesh客户端组成，在用户设备间提供点到点的无线服务。客户端组成一个能提供路由和配置功能的网络，支持用户的终端应用。由于组成网络的节点不需要具有网关或中继功能，所以不需要Mesh路由器，网络结构见图2。

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图2　客户端Mesh结构

这种网络结构中的客户端通常只使用一种无线技术。任意节点发出的数据包可以经过多个节点的转发抵达目的节点，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需的。

2.2　混合结构

综合以上2种结构，构建一种混合结构，Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络，如图3所示。这种结构提供了与其它一些网络结构的连接，如因特网、WLAN、WiMax、蜂窝和传感器网络。在这种结构中，可以利用客户端的路由能力为无线Mesh网络增强连接性、扩大网络覆盖范围。

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图3　混合结构

3、WMN的组网扩展技术

无线Mesh网络就是多跳技术与传统的无线接入技术相融合的结果，如多跳技术分别与无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）和无线宽带城域网（WMAN）融合之后，造就了基于WLAN的WMN、基于WPAN的WMN和基于WMAN的WMN，无线网络中无处不在的接入理念将得到充分的发挥与体现。然而，传统的基于单跳网络的协议机制无法满足网络设计或性能要求，相关的技术如组网技术、MAC层协议等成为迫切需要改进的热点问题。同时，工业标准化组织（IEEE）也积极致力于为无线Mesh网络制定新的标准。下面对IEEE特别关心的组网技术进行了讨论。

3.1　WLAN中的网络扩展技术

IEEE在1997年制定了一个WLAN标准，即802.11协议，该标准主要用于解决办公室局域网和校园网中用户终端之间的无线接入，主要工作在ISO协议的最低两层（PHY层和MAC层）。最初802.11业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2 Mbit/s，但随后提出的802.11b和802.11 a/g峰值速率可以分别达到11 Mbit/s和54 Mbit/s，而研究中802.11 n的速率可以达到100 Mbit/s。有这样的速率保证，对于家庭、办公、校园和社区网络，就可以摒弃传统的线缆连接，增加组网灵活性，同时减少敷设和维护网络的开销。

然而，传统的802.11 Ad hoc模式的MAC层协议的固有属性并不支持网状连接，使得网络性能很差。为此，IEEE成立802.11 s子工作组，制定标准化的扩展服务集（ESS），即802.11 s专门为无线Mesh网络定义MAC层协议以及基于该MAC层的网络和其它协议。

在传统的802.11中有两种基本结构：基础设施的网络结构和终端设备的网络结构。802.11 s工作组为支持这两种结构制定了新的规范。图4所示的树形多跳WLAN网状网是基础设施的网络结构的扩展。该网络主要由3种节点构成：Mesh节点（MP）、Mesh接入点（MAP）、传统WLAN站点。其中，MP又分为一般MP和根MP。根MP是传统AP的扩展，它的一端通过有线或无线方式接入到因特网，而另一端则以生成树的形式向下延伸。一个生成树有且仅有一个根MP，它掌握整个网络的情况，如网络拓扑图、链路负载等，其作用相当于一个中心控制设备。由于受功率限制，根MP只能与它单跳范围内的子节点通信。同理，这棵生成树的其他一般MP也只能与它单跳范围内的子节点和父节点进行通信。因此，如果网络中不在单跳范围之内的节点想要进行通信时，就必须要使用草案中提出的路由协议，如RM-AODV、RM-OLSR等。为了保持与传统WLAN站点的兼容性，MAP扮演了多种角色：对于在它传输范围之内的传统802.11站点，它可以看成一个AP；而对于其他MP来说，它又可以看成是普通的MP。

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图4　802.11 s草案的树形多跳WLAN网状网拓扑

对于终端设备的网络结构，802.11 s草案定义了一种如图5所示的Ad hoc方式多跳WLAN网状网来作为其扩展。该网络仍然由MP、MAP和传统WLAN站点组成。MP和MAP的功能同传统移动Adhoc网络中的移动节点非常类似，既可以发送本节点所产生的数据包，也可以转发来自其他节点的数据包。另外，该网络每个MP和MAP都是平等的，网络中没有中心控制节点，这是与树形网状网的最大不同。节点之间形成无线P2P的网络，不需任何网络基础设施来支持。

图5　802.11 s草案的Ad hoc方式多跳WLAN网状网络拓扑

3.2　WPAN中的网络扩展技术

802.15提供了简单、低耗能无线连接的标准，是IEEE工作组针对WPAN开发的，正发展成为包括便携式和移动计算设备的PAN或短距离无线网络的标准。该标准主要定义了WPAN的PHY层和MAC层。其中又分成几个子工作组，相应子工作组与其定义内容对照如表1所示。

表1　802.15各子工作组定义内容

到目前为止，802.15.1～802.15.4本质上均不能直接支持网状网络结构，而只是PMP方式下的微微网结构，但散射网已经有了WMN的雏形。802.15.5工作组成立最晚，2005年1月才开始征集方案。目前，标准正在制定过程中，它继承了802.15.1～802.15.4的一些基本思想，但完全支持网状结构和移动性管理，因为该标准工作尚未完成，所以以下仅重点介绍一些代表性的方案。
在802.15.5标准中，网状网络被定义为一个PAN，有两种方式：全网状拓扑和部分网状拓扑。在全网状拓扑中，每一个节点直接与其他任何一个节点相连；在部分网状拓扑中，只有部分节点与其他所有节点相连，而其他节点则只是与交换较多数据的节点相连。标准主要涉及的问题包括：碰撞避免的信标调度策略、短地址分配算法、数据传输中RTS/CTS的采用、路由算法、分布式安全问题、能效操作模式、对于网状节点和网状PAN移动性的支持等。

协议草案中提出的方案中采用了一种基于信标的调度策略。假设设备顺序相关联，并无明晰的网络初始化过程。节点设备之间的父子关系通过关联来表征。一个节点能听到的邻居（包括父与子）均为该节点的邻居。图6所示为网状网络组网示例。其中，节点1（微微网控制器，PNC）首先开机，任意节点为与该PAN相关联的节点。虚线圆圈中数字表示该节点发射信号覆射的范围。节点1激活后首先开始扫描，若在其辐射范围没有发现其他能关联的设备，它就自动成为PNC，一旦一个节点成为PNC，它就开始在它的超帧的起始部分发送信标。随后，节点2听到了来自PNC的信标，开始与之关联，并从中获取PANID（个域网ID，一个PAN中的节点设备必须具有相同的PANID，否则不能直接通信）、短地址和其他信息，确定何时发送自己的信标。在节点1和2A听信标过程中，同时记录了各自邻居表中的邻居信息。如此，逐步完成所有节点的关联操作。

图6　802.11.5网状组网过程方案

如图7所示，每个网状设备节点在BOP（Beacon-OnlyPeriod）期间发送信标，实施信标调度。图6中节点之间的实线表示节点之间的关联，点划线表示节点之间的直接通信能力。其中的关联策略是：新节点尽可能关联到离PNC近的节点：如果关联的节点接收信号强度（RSSI）对于可靠通信还不够大，则选择其他节点作为其父节点。通常情况下，每个设备都要发送信标信号，但也有例外，端节点设备（如节点8）可以不必发送信标，以免发生信标冲突。当两个以上PAN处于一个区域时，就需要进行网络合并，如果解决不好，会影响信道的使用效率，对于这个问题目前有一些建议，但尚没有确定的解决方案。

图7　802.11.5网状组网帧结构

从以上基于调度的网状组网方案中可以看出，方案仍然没有摆脱中心控制的思想，与802.11 s标准草案完全分布式思想相比，所适用的应用场景要有限得多。
3.3　WMAN中的网络扩展技术

802工作组在成功制定WLAN标准的基础上，按照宽带无线因特网接入需求，进一步发展制定了WMAN标准：802.16d/e，通常称为WiMax。802.16定义了MAC层的两种网络拓扑结构：点对多点（PMP）和网状网，其中，网状结构是为了解决覆盖问题，每个用户单元都是网络设施的一部分，通过多跳路由来实现网络的全覆盖。如图8所示，网状网络由单个中心节点控制，这个节点定义为Mesh基站。该节点与网状网络外的回程设备建立直接链路，作为到外网的接口。

标准为网状模式定义了5种管理消息：网状配置消息MSH-NCFG：网状接入消息MSH-NENT；网状集中调度消息MSH-CSCH；网状集中调度配置消息MSH-CSCF；网状分布式调度消息MSH-DSCH。新节点进入网络的过程如下：首先，新节点搜索MSH-NCFG消息来达到与网络的粗同步。这个正在加入的节点被称为候选节点，它必须从广播MSH-NCFG消息的所有的邻居节点之中选择一个候选负责节点，以便建立连接加入网络。然后，候选节点发送带有NetEntryRequest（网络接入请求）的网状网络接入消息（MSH-NENT）给这个候选负责节点，候选负责节点评估这个消息，接受请求然后开放负责信道，或者拒绝请求。如果候选负责节点接受了这个请求，就称这个候选负责节点为负责节点。最后，候选节点需要经过鉴权进入网络，候选节点发送鉴权信息和鉴权请求给负责节点，负责节点将该消息管道化后发送给鉴权节点，鉴权节点对候选节点验证并判断候选节点是否能加入到网络中来。候选节点进入网络后注册节点，获得Node ID。

图8　802.16（WiMax）与网状结构的结合

通过网状连接，原本受制于高频段视距传输的固定无线宽带接入（FixedWireless Broadband Access，FWBA）系统就可以实现系统容量的倍增。通常，WMN中的众多网关节点需要一个连接到骨干网的接口，这一接口如果采用光纤等有线技术，则在网络规划时将受到极大限制，但如果通过FWBA系统，实现网关节点到骨干网的接入将是一个非常有效的方案。图9为802.16基于网状结构的FWBA系统结构图，其中4个网状子网“AirHood”分别称为“AirHead”的基站连接，基站连接到回程点，通过这个回程点，将信息传输到网管系统服务器，最终连到因特网。

该结构更好地解决了网络覆盖问题，容纳多用户接入。通过图10可以看到网状网络结构对网络容量提升的定量分析。其中，有M个基站的覆盖率是1-（1-z）m，802.16（WiMax）与PMP相比，具有更大的覆盖率。显然，随着基站“AirHead”数目的增加，网络覆盖率也增大。

图9　802.16（WiMax）基于网状结构的WBA系统

图10　802.16（WiMax）网状结构的网络覆盖率

4、WMN的应用前景

随着技术的发展，IEEE802成立IEEE802.11s工作组、该组目的是为WMN定义MAC和PHY层去提高WLAN覆盖，使其能全球覆盖。在新的WLAN架构中，WLAN的接入点（AP）之间可通过单跳或多跳相互传递信息，自动形成WLAN的WMN骨干网。随着新AP加入，系统容量会增加。另外，许多其他的IEEE标准工作组（如802.15.5、802.20、802.16a）也正将WMN技术引入到相应的标准中以提高各自系统容量和信息传输可靠性。

工业界也开始关注和研究该技术以及开发基于该技术的产品。已有公司和制造商开始向市场提供针对室内和室外环境并具有知识产权WMN解决方案，像Tropos、BelAir等已在市场上出售基于802.11的产品。例如Tropos公司的室外蜂窝Wi-Fi网络，每个Wi-Fi蜂窝实际上是一个具有路由功能的WLAN。Tropos的关键技术之一是其高效的无线设计，确保高性能、大面积覆盖和高吞吐量。AP达1W的发射功率远远超过普通AP的100 mW发射功率，提供更大的覆盖范围和穿透墙壁能力；接收灵敏度比普通AP高8dB，提供给用户更高的使用带宽；双集天线设计，保证接收信号的质量。另一个关键技术就是使用了MetroMesh操作系统。

MetroMesh系统集成了业内最完备的网络路由智能技术，在Wi-Fi无线网络环境中由下而上优化吞吐量，能轻松地管理上千个Wi-Fi蜂窝单元，从而使得Wi-Fi可以部署从前无法部署的城域网。由于802.11是针对固定、短距离和低功耗的应用，因此不能很好支持移动和大范围的应用。正因如此，于是MeshNetwork开发一种称为正交分割多址接入（QDMA）技术平台，该平台具有以下功能：多跳Rake接收机、实时的均衡算法，可弥补移动环境信道的快速衰落。

对于WMAN，WiMax技术是目前比较被大家所看好的一项技术，其标准为802.16a/d/e。802.16a/d已经制定，但它只支持视线范围传输的固定点接入，而802.16e标准还有待确定，它将会支持非视线传输，并带有一定的移动性。总的来说，在占有市场空间方面，WMN已先于WiMax、3G进入市场。同时，WMN也可以依靠被市场接受的Wi-Fi终端迅速发展起来，并已经占据了一部分市场。从技术上分析，WMN、Wi-Fi、WiMax彼此可以相互补充，共同组成无线城域网。Wi-Fi以低廉的成本、普及的应用占据末端局域网接入市场，WiMax则可以作为城域范围的固定点接入，WMN能够实现城域范围内的移动宽带专用通信网。或许在不久的将来，802.16e的提出以及目前也存在的基于802.20x标准的移动宽带无线接入（WBMA）在应用中有一定的竞争，但是由于具体要求的不同使得他们之间的互补性要大于竞争性。

此外，将WMN引入移动通信网，同一基站不同手机用户之间可直接通过无线Ad Hoc进行通信，同一交换中心控制的基站之间也通过多跳无线形成无线基站网络。这样，它们能有效地减轻基站和交换中心对无线资源管理和调度的工作量，增加同一基站和同一交换中心内不同用户之间的通信速度、效率和可靠性。
WMN这一新兴网络不仅在无线宽带接入中有着广阔的应用空间，在其他方面如结合数据、图像采集模块可以对目标对象进行监控或数据采集，并广泛应用到环境检测、工业、交通等领域。随着其他技术的不断更新完善，WMN更好的与之相融合、互补，从而能够扬长避短发挥出各自的优势。

5、结束语

WMN这一新兴网络不仅在无线宽带接入中有着广阔的应用空间。在无线网状网络应用中，面临3个方面的挑战：一是网状组网的关键技术；二是克服节点快速移动所带来的网络性能的恶化；三是进行大规模应用所必需的标准化技术。目前国内外相关技术研究工作相当广泛，已有产品问世，但还缺乏这3个方面的有机结合。国际标准化组织，特别是IEEE正在致力于与学术界共同推动无线网状网的标准化工作，在802.11s/16d/16e/20/15.5等标准中均规范了网状组网技术，在网络第二协议层中完成接入控制、网状组网、路由、链路拥塞控制、快速移动和切换支持和安全认证等功能。但是，WMN相关技术还远远没有成熟，因此需要加紧对其核心技术的研究，如设计适合WMN的路由算法、无线资源调度算法及用户如何在骨干网不同小区间实现切换等。