MESH自組網(wǎng)的技術結構詳細解析

1，MESH自組網(wǎng)介紹及其采用的主要技術

MESH自組網(wǎng)是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡。它是一種動態(tài)地建立新的鏈接和其他節(jié)點相連的一項技術,它具有自組網(wǎng)、自修復、多跳級聯(lián)、節(jié)點自我管理等優(yōu)點,可以大幅降低網(wǎng)絡部署的成本和復雜程度。

圖1.MESH自組網(wǎng)拓撲結構

目前，業(yè)內MESH自組網(wǎng)主要采用如下的技術：

1)按照組網(wǎng)頻段，Mesh分為多頻多信道組網(wǎng)和單頻組網(wǎng)。單頻組網(wǎng)收發(fā)采用單一頻率，帶寬容量減少一半。多頻多信道組網(wǎng)下，設備使用多個正交頻率，分別用于不同的鏈路，可增加系統(tǒng)吞吐量。

2)在無線射頻技術方面，為了提高傳輸速率和性能，近年來已經(jīng)廣泛使用OFDM、MIMO、智能天線等技術。

3)在資源調度方面，通常分為CSMA/CA模式和TDMA模式。CSMA/CA采用資源競爭模式，但節(jié)點和跳數(shù)多、網(wǎng)絡負載高時，資源有效利用率低。TDMA模式是一種基于時間分配的調度機制，當網(wǎng)絡負載較重的情況下，效率較高。

4)在網(wǎng)絡路由算法方面，不同于固定路由采用的RIP、OSPF路由協(xié)議，常見的Mesh無線路由算法包括DSDV、DSR、AODV等。

2、基于MESH自組網(wǎng)的無線產(chǎn)品

早期，寬帶MESH產(chǎn)品廣泛采用基于CSMA/CA的Wi-FiMESH技術。通過多頻模塊化設計，可以在ISM頻段上提供高容量、低成本的無線接入方案。Wi-Fi MESH產(chǎn)品在歐美國家“無線寬帶城市”建設中得到廣泛使用，國內運營商、學校、企業(yè)、工廠等也有大量使用。該時期出現(xiàn)了諸如SkyPilot、Azalea等大量的Wi-FiMESH廠家。但是，在3G/4G商用后，無線寬帶接入市場急劇萎縮，很多廠家相繼倒閉。

圖2. Wi-Fi MESH多頻模塊化示意圖

Wi-Fi MESH由于頻段、帶寬、穩(wěn)定性等問題，不太適合于應急通信等行業(yè)領域，采用同頻TDMA方式的MESH產(chǎn)品成為行業(yè)熱點。這類產(chǎn)品一般采用FPGA+ADC芯片架構，可以根據(jù)應用場景的信道特征靈活設計底層無線通信協(xié)議，廣泛使用OFDM、MIMO等技術。使用這種方案的產(chǎn)品成本較高、功耗較大、開發(fā)穩(wěn)定工作的產(chǎn)品周期較長。目前市面上采用此方案的公司比較多。

圖3.基于FPGA的MESH示意圖

此外還有采用LTE相關技術的MESH方案，其充分融合了LTE物理層技術，對其幀結構進行特殊設計，可以應用不同的調制編碼方式適應不同的信道變化，獲得最大的傳輸效率。LTE是一種非常完善、成熟的技術，可靠性、穩(wěn)定性可以得到保證，但是這種方案開發(fā)門檻高、投入較大，能夠做底層研發(fā)的公司較少。目前，中國信科集團旗下的辰芯科技有限公司在其SDR芯片CX1860 上開發(fā)了一套基于LTE協(xié)議的MESH方案，采用私有無線通信協(xié)議安全可靠性高，支持QoS機制保證無線傳輸業(yè)務質量，無線算法充分考慮了多徑信道環(huán)境，進行了優(yōu)化設計，在采用全向天線情況下也能實現(xiàn)遠距離高性能傳輸，最遠傳輸150公里；該方案除了具備FPGA方案的靈活性外，在集成度、功耗方面也更有優(yōu)勢，便于開發(fā)小型化的終端產(chǎn)品，相關廠商可以在此方案基礎上快速開發(fā)自己的MESH產(chǎn)品。

圖4.基于LTE的單芯片MESH示意圖

3、MESH自組網(wǎng)的應用

MESH自組網(wǎng)已經(jīng)應用在武警、消防、人防應急、三防應急、水利防汛、電力巡檢、電力搶險、“雪亮工程”、鐵路搶險、海事執(zhí)法、海監(jiān)巡查、海關邊防、碼頭監(jiān)控、森林防火、油田防盜、軍事偵察、電視轉播等領域。在城市、海上、山地等多種復雜環(huán)境中提供高質量圖像、語音、數(shù)據(jù)實時移動傳輸。

近幾年“雪亮工程”項目建設大多集中在城市中，下沉到縣、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)的工作尚顯薄弱?！把┝凉こ獭痹诳h鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)推行緩慢的原因之一就是部分農(nóng)村地區(qū)基礎設施相對薄弱，沒有滿足要求的光纖網(wǎng)絡資源，同時地形地貌等原因導致架線施工難度大、成本高。在鄉(xiāng)村、山區(qū)、草原等地廣人稀的區(qū)域，“雪亮工程”建設項目采用無線MESH視頻監(jiān)控技術具有如下優(yōu)勢：

1)相比有線傳輸，無線傳輸可以節(jié)省光纖線纜成本，且部署快捷方便、便于維護，節(jié)省施工人力成本；

2)不存在私拉亂接光纜現(xiàn)象；不影響現(xiàn)有線路，減少與其他線路部門的矛盾；

3)相比無線網(wǎng)橋，MESH多跳特性可實現(xiàn)長距離非視距傳輸?？山鉀Q“雪亮工程”中使用的電桿高度一般都只有數(shù)米，通常無線設備間會有樹木、建筑物、大山等遮擋，無法通視傳輸?shù)膯栴}；

4)與Wi-Fi網(wǎng)橋通過加大發(fā)射功率、采用定向天線方式相比， LTE MESH可以實現(xiàn)更高的接收靈敏度，采用全向天線遠距離傳輸，可避免定向天線安裝復雜、需要技術人員指導、容易出現(xiàn)歪斜等問題。

4、MESH自組網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢

設備小型化、便攜化是MESH產(chǎn)品未來發(fā)展趨勢之一，在充分考慮應用場景和保障必要的功能性能的前提下,研究輕便靈巧化技術,滿足單人背負和無人機載要求。

在應急通信領域，也廣泛應用Mesh自組網(wǎng)技術，Mesh與其他專網(wǎng)通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)融合也是未來發(fā)展重點。
來源；通信世界