无线Mesh网络组网技术分析 （下）

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Ad hoc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PAN ID（个域网ID，一个PAN中的节点设备必须具有相同的PAN ID，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-Only Period）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8 dB，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802.11 s/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。