無(wú)線Mesh技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線Mesh技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)

摘要：無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)是近年被高度重視和快速發(fā)展的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持寬帶高速多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)。文章就無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行討論，綜述無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展由來(lái)、基本技術(shù)、典型應(yīng)用和現(xiàn)在的發(fā)展。隨著未來(lái)無(wú)線分布技術(shù)和無(wú)線分布網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無(wú)線Mesh技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為無(wú)線移動(dòng)通信的基本網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，滲透到各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)揮更大作用。

    關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)；Mesh路由器；無(wú)線寬帶接入,未來(lái)無(wú)線通信

    Abstract:TheWirelessMeshNetwork (WMN) has been actively researched and developed as a new network technology to support broadband and high speed multimedia services. In this paper, WMN technologies and applications are studied and analyzed deeply, including WMN evolution, key techniques, typical systems and recent development. With the development of distributed wireless technology and distributed wireless networks in the future, the WMN technology and networks will become the basic networking technology and network structure of wireless communications, and will be involved in all wireless networks.

    Keywords:wirelessMeshnetwork; Mesh router; wireless broadband access; future wireless communications

    基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60572066)

    無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)技術(shù)是面向基于IP接入的新型無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)，適合于區(qū)域環(huán)境覆蓋和寬帶高速無(wú)線接入。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)基于呈網(wǎng)狀分布的眾多無(wú)線接入點(diǎn)間的相互合作和協(xié)同，具有寬帶高速和高頻譜效率的優(yōu)勢(shì)，具有動(dòng)態(tài)自組織、自配置、自維護(hù)等突出特點(diǎn)，因此，無(wú)線Mesh技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的研究開(kāi)發(fā)與實(shí)際應(yīng)用，成為當(dāng)前無(wú)線移動(dòng)通信的熱門(mén)課題之一，特別在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)中，無(wú)線Mesh技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)成為矚目焦點(diǎn)[1-6]。

    1  無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的由來(lái)

    無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，是與西方發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是美國(guó)，在20世紀(jì)80年代Internet和無(wú)線局域網(wǎng)的興起和應(yīng)用直接相關(guān)。個(gè)人計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和Internet的出現(xiàn)，使人們的信息交流和信息應(yīng)用變得極其方便和容易，極大地改變了人們的社會(huì)活動(dòng)和生活狀況，促進(jìn)了社會(huì)飛速發(fā)展和進(jìn)步。但是，已經(jīng)有的城市建設(shè)布局和建筑物，不可能為Internet的需要任意更改和重建。建設(shè)布局不能改，城市建筑不能破壞，使Internet的覆蓋和應(yīng)用造成極大困難。因此，無(wú)線通信和無(wú)線覆蓋具有極好的應(yīng)用前景。無(wú)線覆蓋作為Internet面向用戶終端的接入手段，十分有效和方便，得到各方的重視，紛紛開(kāi)展研究和應(yīng)用，例如IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，就是無(wú)線Mesh的典型代表。但是，各城市、各地區(qū)的有限的Internet接入點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)連接位置，給通過(guò)無(wú)線實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋帶來(lái)難題。

    圖1是一個(gè)無(wú)線IP接入點(diǎn)(無(wú)線網(wǎng)關(guān))，對(duì)給定地區(qū)的無(wú)線覆蓋圖。在城市和高樓街區(qū)的特定環(huán)境，不可能對(duì)建筑物和街區(qū)作較大規(guī)模的建設(shè)和更改，某個(gè)較大區(qū)域可能只有一個(gè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)(WGW)接入Internet。顯然，要實(shí)現(xiàn)單一覆蓋，在無(wú)線移動(dòng)頻段，WGW和相應(yīng)的用戶終端的發(fā)射信號(hào)功率將會(huì)很大，這往往是不允許或是做不到的。另外，對(duì)IP數(shù)據(jù)傳輸，要求數(shù)據(jù)速率高、通信質(zhì)量好、差錯(cuò)率低，也需要足夠的接收信號(hào)功率。WGW覆蓋區(qū)域大，也就要求信號(hào)發(fā)射功率大。比如，圖1中終端1到WGW距離是R1，穩(wěn)定接收的發(fā)射信號(hào)功率為P1；終端4到WGW距離是R4，穩(wěn)定接收的發(fā)射信號(hào)功率為P4。如果R4是R1的4倍，無(wú)線信號(hào)傳播衰落因子a =4(一般為3～5)，即R4=4R1，則：

    P4=4aP1=256P1

    顯然，為覆蓋邊緣地方，信號(hào)功率要增大250多倍，這是普通個(gè)人終端不可能實(shí)現(xiàn)的。另外，如果WGW使用的無(wú)線移動(dòng)頻段的帶寬為B，作單一覆蓋，每個(gè)用戶終端的傳送數(shù)據(jù)需要帶寬b，則整個(gè)區(qū)域同時(shí)支持的最大多用戶數(shù)為：

    M =B /b

    很明顯，這里的單一覆蓋，沒(méi)有對(duì)給定頻段進(jìn)行復(fù)用，支持的終端數(shù)少，多用戶能力不高。發(fā)射信號(hào)功率要求大，支持用戶數(shù)又不高，是圖1所示的單一無(wú)線IP接入點(diǎn)覆蓋的重要缺陷。

    為了解決這一難題，20世紀(jì)80年代提出了兩種有效的解決方案。

    一種解決方案如圖2所示。為了保持如圖1的較小信號(hào)發(fā)射功率P1都能應(yīng)用到所有終端，并使在覆蓋邊緣或遠(yuǎn)端的用戶終端能接入WGW，采用通過(guò)具有路由功能的鄰近終端作中繼接力，經(jīng)過(guò)多跳，接入到WGW，實(shí)現(xiàn)微小功率下的Internet接入。這種形成微小功率區(qū)域覆蓋的解決方案的綜合，構(gòu)成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)微小信號(hào)功率接入，同時(shí)接入最大用戶數(shù)不會(huì)增加，但是用戶終端間中繼接力通信需要增加額外開(kāi)銷(xiāo)。這對(duì)具有路由功能的終端依賴(lài)較大，在終端移動(dòng)情況下路由選擇和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳荒芄潭?，變?dòng)大。不過(guò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要增添另外的無(wú)線路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)微小區(qū)覆蓋，通過(guò)終端的中繼接力接入Internet，對(duì)構(gòu)建終端不太移動(dòng)、位置分布比較隨機(jī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常方便、實(shí)用和有效。

    另外一種解決方案如圖3所示。將一個(gè)WGW支持的相關(guān)區(qū)域內(nèi)劃分成不同的多個(gè)微小區(qū)域，可彼此重疊，各微小區(qū)設(shè)立一個(gè)無(wú)線路由器(WR)，形成眾多無(wú)線路由器的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。每個(gè)用戶終端就近接入相應(yīng)的WR，WR或直接接到GW，或通過(guò)鄰近WR中繼接力接到GW，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的Internet接入。如果每個(gè)WGW都是這樣一種引入眾多WR的區(qū)域覆蓋，多個(gè)GW覆蓋區(qū)域的綜合，就構(gòu)成一種新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示。圖4中眾多WR相互合作和協(xié)同，成網(wǎng)狀分布，對(duì)整個(gè)城市或任意區(qū)域無(wú)線覆蓋，實(shí)現(xiàn)無(wú)線移動(dòng)通信。

    無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基本小區(qū)是如圖3所示的一個(gè)GW下的多個(gè)無(wú)線路由器(又稱(chēng)為Mesh路由器)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，其Mesh路由器和用戶終端的最大發(fā)射信號(hào)功率可以做到僅為P1，而區(qū)域內(nèi)的無(wú)線移動(dòng)頻段同時(shí)支持的最大多用戶數(shù)為：

    M mesh=NB /b

    N 是該區(qū)域的Mesh路由器數(shù)目，理論上N 越大，能同時(shí)接納的用戶數(shù)越多。因此，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，不僅能解決無(wú)線IP接入點(diǎn)少、接入Internet不方便的問(wèn)題，還能在微小信號(hào)功率下完成工作，實(shí)現(xiàn)大量用戶終端的Internet應(yīng)用。

    盡管作為Internet接入的WGW的位置和數(shù)量多少受城市環(huán)境和現(xiàn)有建筑格局所影響，僅在某些固定位置與Internet有線連接。但利用用戶終端無(wú)線接入的眾多Mesh路由器實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)布局，可以根據(jù)位置環(huán)境、傳播特性、終端用戶分布等情況靈活設(shè)定。WR可多可少，可稀可密。通常WR與GW之間也采用無(wú)線通信，只不過(guò)是采用與不同于終端用戶的無(wú)線頻段實(shí)現(xiàn)固定點(diǎn)間的無(wú)線通信。所以，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方法，結(jié)構(gòu)靈活，易于安裝，具有動(dòng)態(tài)自組織、自配置、自維護(hù)等突出特點(diǎn)。

    2  無(wú)線Mesh基本技術(shù)

    從圖3可以看出，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在通常的WGW(實(shí)現(xiàn)無(wú)線Internet接入)、無(wú)線用戶終端的基礎(chǔ)上，增添了無(wú)線路由器，由如圖5所示的原有基礎(chǔ)的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演變成如圖6所示的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)增加了無(wú)線路由器層，各路由器間由無(wú)線連接，路由器與無(wú)線IP接入點(diǎn)(WGW)間由無(wú)線連接，并可交叉鏈接，形成密集網(wǎng)絡(luò)。由此衍生出無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)特有的基本技術(shù)和處理方法，它們都是與常規(guī)單純的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)不同的新增無(wú)線路由器層直接相關(guān)聯(lián)的。

    2.1無(wú)線Mesh路由器的無(wú)線傳輸技術(shù)

    在研究無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)過(guò)程中，常常把Mesh路由器(如WR)的無(wú)線傳輸技術(shù)，稱(chēng)為無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的物理層技術(shù)。這里傳輸主要是指WR與用戶終端間的無(wú)線傳輸、WR之間的無(wú)線傳輸和WR與WGW間的無(wú)線傳輸。

    WR與用戶終端間的無(wú)線傳輸是按用戶終端支持的無(wú)線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化要求，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于基站或無(wú)線接入點(diǎn)的功能，能夠支持各種不同無(wú)線空中接口的接入要求。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持不同的標(biāo)準(zhǔn)化接入系統(tǒng)，有不同的無(wú)線傳輸技術(shù)，WR與用戶終端間的無(wú)線傳輸都能適應(yīng)。

    WR之間的無(wú)線傳輸和WR與WGW間的無(wú)線傳輸是需要定義和確認(rèn)的。原則上，采用何種傳輸技術(shù)與用戶終端支持的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)方式?jīng)]有直接關(guān)系，可以盡量采用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)和方法。由于WR相當(dāng)于基站，是位置固定的，是支持多用戶綜合高速數(shù)據(jù)的，是密集覆蓋并要盡量避免彼此間干擾的，是有多種路由選擇的。因此，智能定向天線技術(shù)、高效可控調(diào)制編碼技術(shù)、低臨界發(fā)射功率控制技術(shù)等是最重要的物理層傳輸技術(shù)。

    智能定向天線技術(shù)是一種信號(hào)功率集中的指定方向波束成形技術(shù)，如圖7所示。在3G系統(tǒng)中，特別是在同頻工作的TD-SCDMA系統(tǒng)中，得到廣泛應(yīng)用。智能天線技術(shù)是一種特別的多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)，使用相位受控的m個(gè)天線振子組合，可形成m個(gè)不同方向的低功率定向發(fā)射，使到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)功率最強(qiáng)，而對(duì)其他鄰近WR的輻射最小，影響最小，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的低功率應(yīng)用。在不好直接利用智能天線的場(chǎng)合，也要采用MIMO技術(shù)，提高功率效率和傳輸效率。

    高效可控調(diào)制編碼技術(shù)是未來(lái)無(wú)線通信的共同要求。但是，WR之間和WR與WGW間的無(wú)線傳輸，由于位置固定、傳輸路徑固定、信道衰落起伏平穩(wěn)，因此能采用有效的信道估計(jì)補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)比移動(dòng)環(huán)境高得多的傳輸調(diào)制效率和編碼效率，完成高速通信。正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)、正交幅度調(diào)制(QAM)迭代技術(shù)、Turbo編解碼技術(shù)等能夠?qū)崿F(xiàn)高速、可控可管、自適應(yīng)，都是首選技術(shù)。

    低臨界發(fā)射功率控制技術(shù)是信號(hào)功率效率提高的關(guān)鍵，與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線接入密集覆蓋辦法，能實(shí)現(xiàn)低信號(hào)功率應(yīng)用。為最大減小對(duì)鄰近WR的干擾，發(fā)射功率最小臨界化的功率控制十分重要。圖8是臨界低功率發(fā)射控制示意圖，圖8a發(fā)射功率過(guò)小，僅部分連接；圖8b是發(fā)射功率過(guò)大，各WR覆蓋彼此交叉重疊過(guò)多，相互干擾嚴(yán)重；圖8c是發(fā)射功率控制到合適臨界的狀況，相互交叉重疊不多，各WR都可經(jīng)由單跳或多跳連接到WGW，全可聯(lián)通，是最佳控制。當(dāng)然，信號(hào)發(fā)射功率控制，不僅考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還要考慮到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載，傳輸時(shí)延和業(yè)務(wù)質(zhì)量等要求，實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀綜合性能的最大網(wǎng)絡(luò)容量。

    2.2多信道接入的MAC技術(shù)

    提供媒體訪問(wèn)控制(MAC)接入的多信道技術(shù)，同通常的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)一樣，有頻分多址(FDMA)技術(shù)、時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)、碼分多址(CDMA)技術(shù)和使用定向天線的空分多址(SDMA)技術(shù)，實(shí)用中經(jīng)常是這些多址技術(shù)的部分或全部綜合應(yīng)用，形成彼此獨(dú)立互不串?dāng)_的多信道接入技術(shù)。由于WR的定點(diǎn)定向傳輸可以充分利用智能天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)空分多址，實(shí)現(xiàn)盡可能多的互不干擾獨(dú)立傳輸信道。相對(duì)常規(guī)無(wú)線通信，這是無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的又一特色。在多址接入技術(shù)支持下，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的MAC層設(shè)計(jì)與通常的典型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MAC設(shè)計(jì)一樣，同接入點(diǎn)相關(guān)。由于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)不是單跳而是多跳系統(tǒng)，需要支持多跳的MAC設(shè)計(jì)。首先是就近Mesh路由器的接入選擇。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)路由連接和用戶終端接入狀況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨地理位置、通信環(huán)境、用戶移動(dòng)、WR布局等不同而不同，是變動(dòng)的。如圖9所示，圖9(a)是一種Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端經(jīng)過(guò)3次跳轉(zhuǎn)接力，接入Internet接入點(diǎn)GW1，完成MAC過(guò)程。圖9(b)是同一地區(qū)同樣的Mesh路由器和WGW布局，但Mesh拓?fù)溥B接不同，該終端在同樣位置，選擇同樣的Mesh路由器，要經(jīng)過(guò)4次跳轉(zhuǎn)接力，接入Internet接入點(diǎn)GW3，完成MAC過(guò)程。但如果選擇臨近的另外不同的Mesh路由器，可能只經(jīng)過(guò)2跳或3跳，就能接入GW1。因此，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的就近Mesh路由器的接入選擇，是動(dòng)態(tài)的，與通常設(shè)計(jì)不同。典型的有應(yīng)用于IEEE 802.11的多信道MAC技術(shù)協(xié)議(MMAC協(xié)議)，并考慮MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的交互，引入多信道協(xié)同子層(MCCL)，以此增加網(wǎng)絡(luò)能力。

    2.3接入WGW的路由技術(shù)

    用戶終端通過(guò)WR接到無(wú)線IP接入點(diǎn)的路由技術(shù)和相關(guān)協(xié)議是多跳的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的最重要技術(shù)。研究和設(shè)計(jì)接入Internet的路由技術(shù)和協(xié)議，基本考慮準(zhǔn)則有：盡量少的多跳數(shù)、盡量小的時(shí)延、盡量大的數(shù)據(jù)速率、盡量低的差錯(cuò)率、盡量大的路由穩(wěn)定等。這樣，接入WGW的路由協(xié)議設(shè)計(jì)有如下幾點(diǎn)要尤其注意：首先，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議不能僅僅根據(jù)“最小跳數(shù)”來(lái)進(jìn)行路由選擇，而要綜合考慮多種性能度量指標(biāo)，綜合評(píng)估后進(jìn)行路由選擇；其次，路由協(xié)議要提供網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性和健壯性支持，能夠在無(wú)線鏈路失效時(shí)，迅速選擇替代鏈路避免業(yè)務(wù)提供中斷；第三，路由協(xié)議要能夠利用流量工程技術(shù)，在多條路徑間進(jìn)行負(fù)載均衡，盡量最大限度利用系統(tǒng)資源；第四，路由協(xié)議要求能同時(shí)支持路由器和用戶終端。

    無(wú)線Mesh路由協(xié)議可參照Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，目前幾種典型的路由協(xié)議有：動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議(DSR)、目的序列距離矢量路由協(xié)議(DSDV)、臨時(shí)按序路由算法(TORA)和Ad Hoc按需距離矢量路由協(xié)議(AODV)等。DSR是最常見(jiàn)的一種對(duì)等的基于拓?fù)涞姆磻?yīng)式自組織路由協(xié)議，它的特點(diǎn)是采用積極的緩存策略以及從源路由中提取拓?fù)湫畔ⅲㄟ^(guò)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)路由創(chuàng)建。圖10表示一個(gè)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，可能有上下行不同的路由選擇。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中Mesh路由器通常都是靜止不動(dòng)的，原則上沒(méi)有功耗限制，也沒(méi)有用戶移動(dòng)帶來(lái)的路由器位置改變和路由拓?fù)涓淖儯虼?，可將現(xiàn)有Ad Hoc路由協(xié)議加以簡(jiǎn)化，進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，建立簡(jiǎn)單得多的路由協(xié)議。但是，對(duì)于移動(dòng)用戶終端需要采用完全類(lèi)似Ad Hoc的路由協(xié)議，尋求就近接入點(diǎn)和接入路由。

    接入網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的另一個(gè)問(wèn)題是如何選擇路由實(shí)現(xiàn)接入的公平性，讓用戶終端接入網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)、數(shù)據(jù)速率和通信質(zhì)量是基本上一致的。圖11給出了實(shí)現(xiàn)公平性的基本路由選擇方式，在可能情況下，對(duì)各自Mesh路由器轉(zhuǎn)接基本能力相同時(shí)，盡量選擇如圖11(a)的并行接入方式，WR各自支持接入的用戶終端，以可能的最大數(shù)據(jù)速率支持連接到Internet，各用戶享受的支持是相同的公平的。采用圖11(b)的串行接入方式，在Mesh路由器基本相同能力情況下，要公平就不能實(shí)現(xiàn)最大速率。這時(shí)，WR4通過(guò)WR3把用戶終端以數(shù)據(jù)速率S4接入WGW，如果WR3有用戶接入，WR3能支持的速率就是S3-S4，如果WR最大支持能力為S，則可能實(shí)現(xiàn)的公平接入是：S3=S4=S/2，WR4沒(méi)有達(dá)到最大支持能力，WR3達(dá)到最大支持能力，但它直接聯(lián)絡(luò)的用戶只能實(shí)現(xiàn)WR3部分接入能力。只有在WR3接入能力明顯大于WR4接入能力時(shí)，串行接入方式對(duì)實(shí)現(xiàn)接入公平，才比較有效。這種接入公平性的考慮，也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各Mesh路由器最大能力的接入考慮，可使網(wǎng)絡(luò)容量最大。

    2.4無(wú)線Mesh路由器配置技術(shù)

    網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常是指Internet接入點(diǎn)和Mesh路由器。在覆蓋區(qū)域給定的情況下，WGW放置位置可以變動(dòng)的話，放置位置的確定；在WR布局密度和數(shù)目給定情況下，放置位置的確定，是構(gòu)建無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基本研究課題。在大多數(shù)情況下，WGW位置是確定的，因此主要研究Mesh路由器的配置問(wèn)題。

    Mesh路由器的配置，如上節(jié)的路由選擇所述一樣，有并行配置和串行配置的兩種方式。

    為實(shí)現(xiàn)最大網(wǎng)絡(luò)能力，需要憑借在串行配置下的多跳鏈路(路由)。這種鏈路為提高效率，采用分時(shí)工作，因此要研究避免碰撞的分時(shí)策略和處理方法。如圖12所示。

    采用串行配置，Mesh路由器的最大接入能力在不同位置有不同要求，可以通過(guò)不同調(diào)制方式和不同微區(qū)大小覆蓋來(lái)轉(zhuǎn)接任務(wù)大的Mesh路由器，使用高速傳輸技術(shù)，覆蓋較小區(qū)域，減少用戶終端直接接入需求量。

    而在多跳末端位置的Mesh路由器由于轉(zhuǎn)接工作少，可采用較低數(shù)據(jù)速率和較大區(qū)域覆蓋，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)能力。如圖13所示。

    3  典型應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)

    無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)Internet無(wú)線接入和應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的，它的典型應(yīng)用主要表現(xiàn)在城市特定區(qū)域、復(fù)雜街區(qū)、建筑物群內(nèi)外、辦公區(qū)、家庭內(nèi)等。英國(guó)Lam Tech公司推出的城市特定區(qū)域覆蓋的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，采用了90 Mb/s寬帶Internet接入、4方向的定向天線收發(fā)；Motorola建在美國(guó)奧蘭多的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)適合移動(dòng)寬帶接入，采用自適應(yīng)傳輸、預(yù)優(yōu)先MAC和路由協(xié)議；BelAir網(wǎng)絡(luò)公司建于加拿大安大略湖邊的802.11b無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)路由器有3個(gè)射頻、8個(gè)方向的定向天線，可動(dòng)態(tài)控制發(fā)射信號(hào)功率與數(shù)據(jù)速率，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡的建筑物內(nèi)外覆蓋；Telabria公司建在英國(guó)Kent州的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)利用雙載波與802.11兼容，實(shí)現(xiàn)家庭或辦公地點(diǎn)的室內(nèi)外覆蓋。除此以外，推出無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，提供不同環(huán)境下的寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)的還有很多公司，如Aerial寬帶公司、Firetide公司、Intel公司、Microsoft公司、Nokia公司、Notel網(wǎng)絡(luò)公司、SkyPilot網(wǎng)絡(luò)公司、Strix系統(tǒng)公司等。

    所有這些公司推出的產(chǎn)品和應(yīng)用，基本上都是以802.11、802.15、802.16標(biāo)準(zhǔn)為代表，有相應(yīng)的基于無(wú)線Mesh技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)建議。802.11s是為拓展802.11覆蓋于2004年提出的，Intel公司和Cisco公司積極主導(dǎo)的，兼容802.11a/b/g的無(wú)線分布系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)構(gòu)建路徑和自配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多跳網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)支持廣播和多播業(yè)務(wù)。802.15.1與802.15.4是Bluetooth和Zigbee的標(biāo)準(zhǔn)，均有構(gòu)建無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)建議，其中802.15.1趨向于支持個(gè)人周邊區(qū)域的無(wú)線低速率通信，用簡(jiǎn)便硬件支持窄帶寬的多跳分散網(wǎng)絡(luò)；802.15.4采用Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持低速通信，更適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。802.15.5是一種更適合于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)的Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?biāo)準(zhǔn)，易于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，用于在不增加發(fā)射功率和影響接收靈敏度情況下拓展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，減小路由器冗余，可有效提高網(wǎng)絡(luò)能力。802.16是WiMAX的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為擴(kuò)展特別的用戶鏈路，建議采用集中式調(diào)度和分布式調(diào)度。802.20和802.22是大區(qū)域覆蓋的移動(dòng)寬帶高速無(wú)線接入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，用于部分地區(qū)和室內(nèi)外密集應(yīng)用環(huán)境，是有利用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。4  技術(shù)拓展新應(yīng)用

    無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，盡管是在Internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較早時(shí)期發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，目前主要針對(duì)IEEE802系列的無(wú)線接入和網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，但它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方法在未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信中，仍有極大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

    4.13GPPLTE中的Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

    3GPP組織從推動(dòng)3G WCDMA的標(biāo)準(zhǔn)化研究和應(yīng)用開(kāi)始，使以WCDMA/TD-SCDMA為基礎(chǔ)的第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)不斷完善和增強(qiáng)。3GPP在現(xiàn)有3G移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)R99之后，相繼推出高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)的R5、高速上行分組接入(HSUPA)的R6的標(biāo)準(zhǔn)版本。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，以IEEE 802系列為代表的寬帶無(wú)線接入技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)建議受到了廣泛關(guān)注，特別是它們更高的數(shù)據(jù)速率，對(duì)移動(dòng)性的支持，逐漸形成了對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。因此，為對(duì)抗這種技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，3GPP在2004年啟動(dòng)了3G長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)項(xiàng)目。LTE系統(tǒng)使用20 MHz帶寬，空中接口峰值速率下行100 Mb/s(頻譜效率5 bps/Hz)、上行50 Mb/s(頻譜效率2.5 bps/Hz)。采用IP網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)，為達(dá)到簡(jiǎn)化信令流程，縮短延遲的目的，LTE舍棄了UTRAN的RNC+NodeB的基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完全僅由增強(qiáng)基站(eNB)組成。LTE系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖14所示，基站之間底層采用IP傳輸，在邏輯上通過(guò)X2接口互相連接，是傳統(tǒng)的Mesh型網(wǎng)絡(luò)。這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要用于支持用戶終端在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的移動(dòng)性，保證用戶的無(wú)縫切換。而每個(gè)基站通過(guò)S1接口和服務(wù)網(wǎng)關(guān)(SGW)相連。而S1接口也采用Mesh或部分Mesh型的連接形式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基站可以和多個(gè)SGW相連，為運(yùn)營(yíng)商和用戶不斷增長(zhǎng)的需求提供更好的支持，希望做到今后10年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，一直保持UMTS系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

    4.2無(wú)線移動(dòng)系統(tǒng)中的Mesh轉(zhuǎn)發(fā)器

    移動(dòng)通信中經(jīng)常面臨小區(qū)邊緣間覆蓋的空洞(信號(hào)弱不能穩(wěn)定接收地點(diǎn))和部分遠(yuǎn)端地區(qū)的接入要求，就利用直放站作簡(jiǎn)單的基站延伸，達(dá)到需要的覆蓋要求。由于直放站過(guò)于簡(jiǎn)單，信號(hào)質(zhì)量差，接入能力低，對(duì)周?chē)蓴_大，沒(méi)有升級(jí)適應(yīng)能力。近年，用引入Mesh技術(shù)的Mesh轉(zhuǎn)發(fā)器代替直放站，是達(dá)到上述目的的有效手段，如圖15所示。圖中，基站能提供的覆蓋有限，鄰近小區(qū)間、高大障礙物后，都有信號(hào)微弱地區(qū)，引入Mesh轉(zhuǎn)發(fā)器做中繼后，能很好覆蓋，并可在移動(dòng)用戶變動(dòng)情況下，自適應(yīng)調(diào)度Mesh轉(zhuǎn)發(fā)器的工作狀態(tài)，可根據(jù)需要最大負(fù)載運(yùn)行或暫停工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力合理、有效。這樣，采用Mesh轉(zhuǎn)發(fā)器后，網(wǎng)絡(luò)有擴(kuò)展和重組能力，還可不斷升級(jí)，對(duì)覆蓋區(qū)域的任何用戶提供高質(zhì)量和高速率的寬帶服務(wù)。

    5  結(jié)束語(yǔ)

    無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是為適應(yīng)無(wú)線接入Internet需要而發(fā)展起來(lái)的一種網(wǎng)絡(luò)，在傳統(tǒng)的無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)中，得到了發(fā)展和應(yīng)用。隨著無(wú)線移動(dòng)通信的高速發(fā)展和Internet的廣泛應(yīng)用，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)作為一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，得到進(jìn)一步的重視和開(kāi)發(fā)，會(huì)逐漸成為無(wú)線移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)的基本網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，滲透到未來(lái)各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。

    無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是隨同Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)初都是為了解決無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，但由于采用的技術(shù)手段各不相同(Ad Hoc靠移動(dòng)用戶終端支持路由功能、中繼接入。無(wú)線Mesh靠固定設(shè)置無(wú)線路由器擴(kuò)展覆蓋接入)，其特性能力和應(yīng)用明顯不同。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)、適合個(gè)人終端應(yīng)用、業(yè)務(wù)種類(lèi)多、覆蓋要求好、具有公共服務(wù)特性的應(yīng)用場(chǎng)合。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)更適合環(huán)境和應(yīng)用復(fù)雜、任意性強(qiáng)、接入支持變動(dòng)大的特別應(yīng)用場(chǎng)合，比如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和軍用網(wǎng)絡(luò)。

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