1、无线网状网无线 Mesh 技术和网络无线网状网(WMN)技术是面向基于 IP 接入的新型无线移动通信技术，适合于区域环境覆盖和宽带高速无线接入。无线 Mesh 网络基于呈网状分布的众多无线接入点间的相互合作和协同，具有宽带高速 和高频谱效率的优势，具有动态自组织、自配置、自维护等突出特点，因此，无线 Mesh 技术和网络的研究开发与实际应用，成为当前无线移动通信的热门课题之一，特别在未来移动通信系统长期演进(LTE)中，无线 Mesh 技术和网络成为瞩目焦点1-6。1 无线 Mesh 网络的由来无线 Mesh 网络的出现和发展，是与西方发达国家，特别是美国，在 20 世纪 80 年代Inter
2、net 和无线局域网 的兴起和应用直接相关。个人计算机的应用和 Internet 的出现，使人们的信息交流和信息应用变得极其方便和容易，极大地改变了人们的社会活动和生活状况，促进了社会飞速发展和进步。但是，已经有的城市建设布局和建筑物，不可能为 Internet的需要任意更改和重建。建设布局不能改，城市建筑不能破坏，使 Internet 的覆盖和应用造成极大困难。因此，无线通信和无线覆盖具有极好的应用前景。无线覆盖作为 Internet面向用户终端的接入手段，十分有效和方便，得到各方的重视，纷纷开展研究和应用，例如 IEEE 802 系列标准和产品，就是无线 Mesh 的典型代表。但是，各城市
3、、各地区的有限的 Internet 接入点和网络连接位置，给通过无线实现全区域覆盖带来难题。 图 1 是一个无线 IP 接入点(无线网关) ，对给定地区的无线覆盖图。在城市和高楼街区的特定环境，不可能对建筑物和街区作较大规模的建设和更改，某个较大区域可能只有一个无线网关(WGW)接入 Internet。显然，要实现单一覆盖，在无线移动频段， WGW 和相应的用户终端的发射信号功率将会很大，这往往是不允许或是做不到的。另外，对 IP 数据传输，要求数据速率高、通信质量好、差错率低，也需要足够的接收信号功率。WGW 覆盖区域大，也就要求信号发射功率大。比如，图 1 中终端 1 到 WGW 距离是
4、R1，稳定接收的发射信号功率为 P1;终端 4 到 WGW 距离是 R4，稳定接收的发射信号功率为 P4。如果 R4是 R1 的 4 倍，无线信号传播衰落因子 a =4(一般为 35)，即 R4=4R1，则：P4=4aP1=256P1显然，为覆盖边缘地方，信号功率要增大 250 多倍，这是普通个人终端不可能实现的。另外，如果 WGW 使用的无线移动频段的带宽为 B，作单一覆盖，每个用户终端的传送数据需要带宽 b，则整个区域同时支持的最大多用户数为：M =B /b很明显，这里的单一覆盖，没有对给定频段进行复用，支持的终端数少，多用户能力不高。发射信号功率要求大，支持用户数又不高，是图 1 所示的
5、单一无线 IP 接入点覆盖的重要缺陷。为了解决这一难题，20 世纪 80 年代提出了两种有效的解决方案。一种解决方案如图 2 所示。为了保持如图 1 的较小信号发射功率 P1 都能应用到所有终端，并使在覆盖边缘或远端的用户终端能接入 WGW，采用通过具有路由功能的邻近终端作中继接力，经过多跳，接入到 WGW，实现微小功率下的 Internet 接入。这种形成微小功率区域覆盖的解决方案的综合，构成 Ad Hoc 网络。这种网络可实现微小信号功率接入，同时接入最大用户数不会增加，但是用户终端间中继接力通信需要增加额外开销。这对具有路由功能的终端依赖较大，在终端移动情况下路由选择和网络拓扑不能固定，
6、变动大。不过，Ad Hoc 网络不需要增添另外的无线路由器来实现微小区覆盖，通过终端的中继接力接入 Internet，对构建终端不太移动、位置分布比较随机的无线传感器网络非常方便、实用和有效。-分页栏-另外一种解决方案如图 3 所示。将一个 WGW 支持的相关区域内划分成不同的多个微小区域，可彼此重叠，各微小区设立一个无线路由器(WR)，形成众多无线路由器的网络覆盖。每个用户终端就近接入相应的 WR，WR 或直接接到 GW，或通过邻近 WR 中继接力接到 GW，实现整个区域的 Internet 接入。如果每个 WGW 都是这样一种引入众多 WR 的区域覆盖，多个 GW 覆盖区域的综合，就构成一
7、种新型无线网络：无线 Mesh 网络，如图4 所示。图 4 中众多 WR 相互合作和协同，成网状分布，对整个城市或任意区域无线覆盖，实现无线移动通信。无线 Mesh 网络的基本小区是如图 3 所示的一个 GW 下的多个无线路由器(又称为Mesh 路由器)覆盖的网络小区，其 Mesh 路由器和用户终端的最大发射信号功率可以做到仅为 P1，而区域内的无线移动频段同时支持的最大多用户数为：M mesh=NB /bN 是该区域的 Mesh 路由器数目，理论上 N 越大，能同时接纳的用户数越多。因此，无线 Mesh 网络，不仅能解决无线 IP 接入点少、接入 Internet 不方便的问题，还能在微小信
8、号功率下完成工作，实现大量用户终端的 Internet 应用。尽管作为 Internet 接入的 WGW 的位置和数量多少受城市环境和现有建筑格局所影响，仅在某些固定位置与 Internet 有线连接。但利用用户终端无线接入的众多 Mesh 路由器实现新的网络布局，可以根据位置环境、传播特性、终端用户分布等情况灵活设定。WR 可多可少，可稀可密。通常 WR 与 GW 之间也采用无线通信，只不过是采用与不同于终端用户的无线频段实现固定点间的无线通信。所以，无线 Mesh 网络的网络结构和组网方法，结构灵活，易于安装，具有动态自组织、自配置、自维护等突出特点。2 无线 Mesh 基本技术从图 3
9、可以看出，无线 Mesh 网络在通常的 WGW(实现无线 Internet 接入) 、无线用户终端的基础上，增添了无线路由器，由如图 5 所示的原有基础的无线接入网络结构演变成如图 6 所示的无线 Mesh 网络结构。无线 Mesh 网络增加了无线路由器层，各路由器间由无线连接，路由器与无线 IP 接入点(WGW)间由无线连接，并可交叉链接，形成密集网络。由此衍生出无线 Mesh 网络特有的基本技术和处理方法，它们都是与常规单纯的无线接入网络不同的新增无线路由器层直接相关联的。 -分页栏-2.1 无线 Mesh 路由器的无线传输技术在研究无线 Mesh 网络技术过程中，常常把 Mesh 路由器
10、 (如 WR)的无线传输技术，称为无线 Mesh 网络的物理层技术。这里传输主要是指 WR 与用户终端间的无线传输、WR之间的无线传输和 WR 与 WGW 间的无线传输。WR 与用户终端间的无线传输是按用户终端支持的无线技术和标准化要求，实现类似于基站或无线接入点的功能，能够支持各种不同无线空中接口的接入要求。无线 Mesh 网络结构支持不同的标准化接入系统，有不同的无线传输技术，WR 与用户终端间的无线传输都能适应。WR 之间的无线传输和 WR 与 WGW 间的无线传输是需要定义和确认的。原则上，采用何种传输技术与用户终端支持的技术标准和系统方式没有直接关系，可以尽量采用现有的先进技术和方法
11、。由于 WR 相当于基站，是位置固定的，是支持多用户综合高速数据的，是密集覆盖并要尽量避免彼此间干扰的，是有多种路由选择的。因此，智能定向天线技术、高效可控调制编码技术、低临界发射功率控制技术等是最重要的物理层传输技术。智能定向天线技术是一种信号功率集中的指定方向波束成形技术，如图 7 所示。在 3G系统中，特别是在同频工作的 TD-SCDMA 系统中，得到广泛应用。智能天线技术是一种特别的多输入多输出(MIMO)技术，使用相位受控的 m 个天线振子组合，可形成 m 个不同方向的低功率定向发射，使到达接收点的信号功率最强，而对其他邻近 WR 的辐射最小，影响最小，实现网络密集覆盖的低功率应用。
12、在不好直接利用智能天线的场合，也要采用MIMO 技术，提高功率效率和传输效率。高效可控调制编码技术是未来无线通信的共同要求。但是，WR 之间和 WR 与 WGW间的无线传输，由于位置固定、传输路径固定、信道衰落起伏平稳，因此能采用有效的信道估计补偿技术实现比移动环境高得多的传输调制效率和编码效率，完成高速通信。正交频分复用(OFDM)技术、正交幅度调制(QAM)迭代技术、 Turbo 编解码技术等能够实现高速、可控可管、自适应，都是首选技术。低临界发射功率控制技术是信号功率效率提高的关键，与网络拓扑结构密切相关。无线 Mesh 网络采用无线接入密集覆盖办法，能实现低信号功率应用。为最大减小对邻
13、近WR 的干扰，发射功率最小临界化的功率控制十分重要。图 8 是临界低功率发射控制示意图，图 8a 发射功率过小，仅部分连接; 图 8b 是发射功率过大，各 WR 覆盖彼此交叉重叠过多，相互干扰严重;图 8c 是发射功率控制到合适临界的状况，相互交叉重叠不多，各 WR都可经由单跳或多跳连接到 WGW，全可联通，是最佳控制。当然，信号发射功率控制，不仅考虑网络拓扑结构，还要考虑到数据业务负载，传输时延和业务质量等要求，实现优秀综合性能的最大网络容量。2.2 多信道接入的 MAC 技术提供媒体访问控制(MAC)接入的多信道技术，同通常的无线通信网络一样，有频分多址(FDMA)技术、时分多址(TDM
14、A)技术、码分多址( CDMA)技术和使用定向天线的空分多址(SDMA)技术，实用中经常是这些多址技术的部分或全部综合应用，形成彼此独立互不串扰的多信道接入技术。由于 WR 的定点定向传输可以充分利用智能天线技术实现空分多址，实现尽可能多的互不干扰独立传输信道。相对常规无线通信，这是无线 Mesh 网络的又一特色。在多址接入技术支持下，无线 Mesh 网络的 MAC 层设计与通常的典型无线网络的MAC 设计一样，同接入点相关。由于无线 Mesh 网络不是单跳而是多跳系统，需要支持多跳的 MAC 设计。首先是就近 Mesh 路由器的接入选择。无线 Mesh 网络是自组织网络，网络路由连接和用户终
15、端接入状况的拓扑结构随地理位置、通信环境、用户移动、WR 布局等不同而不同，是变动的。如图 9 所示，图 9(a)是一种 Mesh 拓扑结构，终端经过 3 次跳转接力，接入 Internet 接入点 GW1，完成 MAC 过程。图 9(b)是同一地区同样的 Mesh 路由器和 WGW 布局，但 Mesh 拓扑连接不同，该终端在同样位置，选择同样的 Mesh 路由器，要经过 4 次跳转接力，接入 Internet 接入点 GW3，完成 MAC 过程。但如果选择临近的另外不同的 Mesh 路由器，可能只经过 2 跳或 3 跳，就能接入 GW1。因此，无线 Mesh 网络的就近 Mesh 路由器的接
16、入选择，是动态的，与通常设计不同。典型的有应用于 IEEE 802.11 的多信道 MAC 技术协议(MMAC 协议)，并考虑 MAC 层与网络层的交互，引入多信道协同子层(MCCL)，以此增加网络能力。-分页栏-2.3 接入 WGW 的路由技术用户终端通过 WR 接到无线 IP 接入点的路由技术和相关协议是多跳的无线 Mesh 网络的最重要技术。研究和设计接入 Internet 的路由技术和协议，基本考虑准则有：尽量少的多跳数、尽量小的时延、尽量大的数据速率、尽量低的差错率、尽量大的路由稳定等。这样，接入 WGW 的路由协议设计有如下几点要尤其注意：首先，无线 Mesh 网络中的路由协议不能
17、仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择;其次，路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断;第三，路由协议要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源;第四，路由协议要求能同时支持路由器和用户终端。无线 Mesh 路由协议可参照 Ad Hoc 网络路由协议，目前几种典型的路由协议有：动态源路由协议(DSR)、目的序列距离矢量路由协议(DSDV)、临时按序路由算法(TORA)和 Ad Hoc 按需距离矢量路由协议(AODV)等。DSR 是最常见的一种对等的基于拓扑的反应
18、式自组织路由协议，它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息，通过比对，实现路由创建。图 10 表示一个无线 Mesh 网络，可能有上下行不同的路由选择。无线Mesh 网络中 Mesh 路由器通常都是静止不动的，原则上没有功耗限制，也没有用户移动带来的路由器位置改变和路由拓扑改变，因此，可将现有 Ad Hoc 路由协议加以简化，进行跨层设计，建立简单得多的路由协议。但是，对于移动用户终端需要采用完全类似 Ad Hoc的路由协议，寻求就近接入点和接入路由。接入网络的路由协议的另一个问题是如何选择路由实现接入的公平性，让用户终端接入网络的机会、数据速率和通信质量是基本上一致的。图 11
19、 给出了实现公平性的基本路由选择方式，在可能情况下，对各自 Mesh 路由器转接基本能力相同时，尽量选择如图 11(a)的并行接入方式，WR 各自支持接入的用户终端，以可能的最大数据速率支持连接到Internet，各用户享受的支持是相同的公平的。采用图 11(b)的串行接入方式，在 Mesh 路由器基本相同能力情况下，要公平就不能实现最大速率。这时，WR4 通过 WR3 把用户终端以数据速率 S4 接入 WGW，如果 WR3 有用户接入，WR3 能支持的速率就是 S3-S4，如果WR 最大支持能力为 S，则可能实现的公平接入是：S3=S4=S/2，WR4 没有达到最大支持能力，WR3 达到最大
20、支持能力，但它直接联络的用户只能实现 WR3 部分接入能力。只有在 WR3 接入能力明显大于 WR4 接入能力时，串行接入方式对实现接入公平，才比较有效。这种接入公平性的考虑，也是实现网络各 Mesh 路由器最大能力的接入考虑，可使网络容量最大。2.4 无线 Mesh 路由器配置技术网络设备通常是指 Internet 接入点和 Mesh 路由器。在覆盖区域给定的情况下， WGW放置位置可以变动的话，放置位置的确定;在 WR 布局密度和数目给定情况下，放置位置的确定，是构建无线 Mesh 网络的基本研究课题。在大多数情况下，WGW 位置是确定的，因此主要研究 Mesh 路由器的配置问题。Mesh
21、 路由器的配置，如上节的路由选择所述一样，有并行配置和串行配置的两种方式。为实现最大网络能力，需要凭借在串行配置下的多跳链路(路由) 。这种链路为?分时策略和处理方法。如图 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，可以通过不同调制方式和不同微区大小覆盖来转接任务大的 Mesh 路由器，使用高速传输技术，覆盖较小区域，减少用户终端直接接入需求量。-分页栏-而在多跳末端位置的 Mesh 路由器由于转接工作少，可采用较低数据速率和较大区域覆盖，实现最优网络能力。如图 13 所示。3 典型应用及标准无线 Mesh 网络是针对 Internet 无线接入和应用发展起
22、来的，它的典型应用主要表现在城市特定区域、复杂街区、建筑物群内外、办公区、家庭内等。英国 Lam Tech 公司推出的城市特定区域覆盖的无线 Mesh 网络，采用了 90 Mb/s 宽带 Internet 接入、4 方向的定向天线收发;Motorola 建在美国奥兰多的无线 Mesh 网络适合移动宽带接入，采用自适应传输、预优先 MAC 和路由协议;BelAir 网络公司建于加拿大安大略湖边的 802.11b 无线 Mesh 网络，每个路由器有 3 个射频、8 个方向的定向天线，可动态控制发射信号功率与数据速率，实现负载平衡的建筑物内外覆盖;Telabria 公司建在英国 Kent 州的无线
23、Mesh 网络利用双载波与 802.11 兼容，实现家庭或办公地点的室内外覆盖。除此以外，推出无线 Mesh 网络，提供不同环境下的宽带数据服务的还有很多公司，如 Aerial 宽带公司、Firetide 公司、Intel 公司、Microsoft 公司、Nokia 公司、Notel 网络公司、SkyPilot 网络公司、Strix 系统公司等。所有这些公司推出的产品和应用，基本上都是以 802.11、802.15、802.16 标准为代表，有相应的基于无线 Mesh 技术和网络的标准建议。 802.11s 是为拓展 802.11 覆盖于 2004 年提出的，Intel 公司和 Cisco 公
24、司积极主导的，兼容 802.11a/b/g 的无线分布系统标准，可实现自动构建路径和自配置拓扑结构的多跳网络，同时支持广播和多播业务。802.15.1 与802.15.4 是 Bluetooth 和 Zigbee 的标准，均有构建无线 Mesh 网络的相关建议，其中802.15.1 趋向于支持个人周边区域的无线低速率通信，用简便硬件支持窄带宽的多跳分散网络;802.15.4 采用 Mesh 拓扑结构支持低速通信，更适合无线传感器网络应用。802.15.5 是一种更适合于无线个域网(WPAN)的 Mesh 网络拓扑标准，易于网络构建，用于在不增加发射功率和影响接收灵敏度情况下拓展网络的覆盖，减小
25、路由器冗余，可有效提高网络能力。802.16 是 WiMAX 的技术标准，为扩展特别的用户链路，建议采用集中式调度和分布式调度。802.20 和 802.22 是大区域覆盖的移动宽带高速无线接入系统标准，用于部分地区和室内外密集应用环境，是有利用无线 Mesh 网络的技术标准。4 技术拓展新应用无线 Mesh 网络，尽管是在 Internet 网络应用较早时期发展起来的技术，目前主要针对IEEE802 系列的无线接入和网络的应用，但它的网络结构和组网方法在未来无线移动通信中，仍有极大的研究价值和应用前景。4.13GPPLTE 中的 Mesh 网络架构3 GPP 组织从推动 3GWCDMA 的标
26、准化研究和应用开始，使以 WCDMA/TD-SCDMA为基础的第 3 代移动通信系统不断完善和增强。3GPP 在现有 3G 移动通信系统(UMTS)R99之后，相继推出高速数据分组接入(HSDPA)的 R5、高速上行分组接入(HSUPA)的 R6 的标准版本。进入 21 世纪以来，以 IEEE 802 系列为代表的宽带无线接入技术和标准建议受到了广泛关注，特别是它们更高的数据速率，对移动性的支持，逐渐形成了对现有移动通信系统的竞争态势。因此，为对抗这种技术竞争和市场竞争，3GPP 在 2004 年启动了 3G 长期演进(LTE)项目。LTE 系统使用 20 MHz 带宽，空中接口峰值速率下行
27、100 Mb/s(频谱效率 5 bps/Hz)、上行 50 Mb/s(频谱效率 2.5 bps/Hz)。采用 IP 网络作为承载网，为达到简化信令流程，缩短延迟的目的，LTE 舍弃了 UTRAN 的 RNC+NodeB 的基站系统结构，完全仅由增强基站(eNB)组成。LTE 系统的拓扑结构如图 14 所示，基站之间底层采用 IP 传输，在逻辑上通过 X2 接口互相连接，是传统的 Mesh 型网络。这样的网络结构设计，主要用于支持用户终端在整个网络内的移动性，保证用户的无缝切换。而每个基站通过 S1 接口和服务网关(SGW)相连。而 S1 接口也采用 Mesh 或部分 Mesh 型的连接形式，实
28、现一个基站可以和多个 SGW 相连，为运营商和用户不断增长的需求提供更好的支持，希望做到今后 10年甚至更长时间，一直保持 UMTS 系统优势。4.2 无线移动系统中的 Mesh 转发器移动通信中经常面临小区边缘间覆盖的空洞(信号弱不能稳定接收地点) 和部分远端地区的接入要求，就利用直放站作简单的基站延伸，达到需要的覆盖要求。由于直放站过于简单，信号质量差，接入能力低，对周围干扰大，没有升级适应能力。近年，用引入 Mesh技术的 Mesh 转发器代替直放站，是达到上述目的的有效手段，如图 15 所示。图中，基站能提供的覆盖有限，邻近小区间、高大障碍物后，都有信号微弱地区，引入 Mesh 转发器
29、做中继后，能很好覆盖，并可在移动用户变动情况下，自适应调度 Mesh 转发器的工作状态，可根据需要最大负载运行或暂停工作，实现网络能力合理、有效。这样，采用 Mesh转发器后，网络有扩展和重组能力，还可不断升级，对覆盖区域的任何用户提供高质量和高速率的宽带服务。5 结束语无线 Mesh 网络是为适应无线接入 Internet 需要而发展起来的一种网络，在传统的无线宽带接入系统中，得到了发展和应用。随着无线移动通信的高速发展和 Internet 的广泛应用，无线 Mesh 网络已经作为一种网络技术和网络形态，得到进一步的重视和开发，会逐渐成为无线移动接入网络的基本网络技术，渗透到未来各种无线网络中。无线 Mesh 网络是随同 Ad Hoc 网络发展起来的，当初都是为了解决无线接入网络问题，但由于采用的技术手段各不相同(Ad Hoc 靠移动用户终端支持路由功能、中继接入。无线Mesh 靠固定设置无线路由器扩展覆盖接入 )，其特性能力和应用明显不同。无线 Mesh 网络、适合个人终端应用、业务种类多、覆盖要求好、具有公共服务特性的应用场合。Ad Hoc 网络更适合环境和应用复杂、任意性强、接入支持变动大的特别应用场合，比如无线传感器网络和军用网络。
