鄭海虹

摘要：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN，Wireless Mesh Network，也稱無線網(wǎng)格網(wǎng)）是一種新型的無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，近年受到人們的高度重視并取得了快速發(fā)展。文章介紹了WMN的特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，客觀地探討了WMN的理論網(wǎng)絡(luò)容量以及WMN發(fā)展所需解決的若干問題。

關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；多跳；容量分析

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）09-2077-04

1 WMN簡介

因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷增長促使了通信技術(shù)的快速發(fā)展，各種無線網(wǎng)絡(luò)逐漸出現(xiàn)，形成了下一代網(wǎng)絡(luò)，它們能夠提供更好的接入服務(wù)。大約在20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)了一種重要無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN，Wireless Mesh Network，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)等）[1]。WMN是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)。

WMN具有動(dòng)態(tài)自組織、自配置的特性，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)自動(dòng)建立并維護(hù)它們之間的網(wǎng)格連接。這些特性使WMN具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如前期投入成本低、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方便、健壯性好和服務(wù)覆蓋范圍增大。WMN中的Mesh路由器具有網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋功能，這使得WMN能夠與多種現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)（比如蜂窩網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)、Wi-Fi、WiMAX、WiMedia互操作，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合。

2 WMN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

WMN采用網(wǎng)格狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。WMN中包含兩種結(jié)點(diǎn)：Mesh路由器結(jié)點(diǎn)和Mesh客戶結(jié)點(diǎn)。Mesh路由器具有特殊的路由功能以支持Mesh網(wǎng)絡(luò)。為提高M(jìn)esh網(wǎng)絡(luò)的靈活性，Mesh路由器通常配有多個(gè)無線接口，這些接口可自行選用相同或不同的無線接入技術(shù)。無線Mesh路由器通過多跳接力的方式擴(kuò)大覆蓋范圍。Mesh客戶結(jié)點(diǎn)具有Mesh網(wǎng)絡(luò)所必須的功能（也可作為路由器使用），通常只有一個(gè)無線接口。Mesh客戶結(jié)點(diǎn)的軟硬件都比Mesh路由器的簡單許多，但設(shè)備形式更多樣化，可以是便攜/臺式PC、掌上電腦、PDA、IP電話、RFID閱讀器、控制器等。

根據(jù)結(jié)點(diǎn)的功能，WMN的體系結(jié)構(gòu)可分為三大類：骨干WMN、客戶WMN、混合WMN。[2]

2.1 骨干WMN

骨干WMN的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線、實(shí)線分別表示無線連接、有線連接。骨干WMN由Mesh路由器構(gòu)成基礎(chǔ)設(shè)施。骨干WMN可使用多種無線電技術(shù)，用得最多的是IEEE 802.11。Mesh路由器之間形成了具有自配置、自修復(fù)連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。由于具有網(wǎng)關(guān)功能，Mesh路由器可連接到Internet，使WMN能夠通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)/網(wǎng)橋功能與現(xiàn)存有線網(wǎng)絡(luò)相融合。骨干WMN是最普遍使用的類型。

2.2 客戶WMN

客戶WMN中不需要Mesh路由器，完全由客戶結(jié)點(diǎn)組成實(shí)際網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行路由和配置功能并為用戶提供終端用戶應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在客戶WMN中，向網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包需經(jīng)過多個(gè)結(jié)點(diǎn)（多跳）才能到達(dá)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)。客戶WMN通常使用同一種無線電技術(shù)來構(gòu)成。與骨干WMN相比，客戶WMN需要增強(qiáng)客戶WMN中的終端用戶設(shè)備的功能。

2.3 混合WMN

混合WMN是骨干WMN和客戶WMN的組合，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。Mesh客戶可通過Mesh路由器接入網(wǎng)絡(luò)，也可直接與其它Mesh客戶通訊。骨干WMN提供與其它網(wǎng)絡(luò)（Internet、Wi-Fi、WiMAX、蜂窩網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)）的連接；客戶的路由能力提供了WMN內(nèi)的增強(qiáng)連接和覆蓋?；旌象w系結(jié)構(gòu)適用于各種情況。

3 WMN的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1 多跳無線網(wǎng)絡(luò)

WMN在不犧牲當(dāng)前信道容量的前提下，擴(kuò)展了當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，為位于非可視范圍內(nèi)的用戶提供非可視距離連接。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須采用多跳的網(wǎng)絡(luò)連接方式。多跳連接方式使用較短距離的鏈路，因而沒有犧牲無線電的有效覆蓋范圍、可減少結(jié)點(diǎn)間的干擾、更有效地實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，最終提供更高的系統(tǒng)吞吐量。

3.2 具備自形成、自恢復(fù)和自組織能力

由于具有靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、容易配置、容錯(cuò)能力和網(wǎng)格連通性（如多點(diǎn)到多點(diǎn)的連接），WMN增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)性能。基于WMN的這些特性，WMN的前期投資較低，并且網(wǎng)絡(luò)可按需逐步擴(kuò)展。

3.3 移動(dòng)性

Mesh路由器通常有較低的移動(dòng)性，而Mesh客戶可能是靜止結(jié)點(diǎn)也可能是移動(dòng)結(jié)點(diǎn)。

3.4 多種網(wǎng)絡(luò)接入方式

在WMN中，支持回程接入Internet和P2P通訊。另外，可通過WMN實(shí)現(xiàn)將WMN與其它無線網(wǎng)絡(luò)的集成，并對這些網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供服務(wù)。

3.5 功耗限制

通常，Mesh路由器在功耗方面沒有嚴(yán)格的限制。但是Mesh客戶需要高能效協(xié)議。例如，網(wǎng)格功能傳感器需要高功效的通訊協(xié)議。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)首要關(guān)注的是電源效率，所以為Mesh路由器優(yōu)化的MAC或路由協(xié)議可能并不適用于Mesh客戶（如傳感器）。

3.6 與其它無線網(wǎng)絡(luò)的兼容與互操作

例如，基于IEEE802.11技術(shù)構(gòu)造的WMN必須與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)相容，同時(shí)要與網(wǎng)格和傳統(tǒng)的Wi-Fi客戶端相兼容。這種WMN也要具有與其它無線網(wǎng)絡(luò)（如WiMAX、ZigBee和蜂窩網(wǎng)）的互操作性。

4 WMN支持的應(yīng)用

WMN可支持大量應(yīng)用，這些應(yīng)用都具有巨大的市場潛力。根據(jù)WMN的功能，WMN的應(yīng)用可分為如下幾類。

4.1 Internet接入

各種Internet應(yīng)用給人們提供了重要的及時(shí)信息，使生活更方便，提高了工作效率和生產(chǎn)力。例如，email、搜索引擎（如google）、網(wǎng)上行動(dòng)（如易趣，eBay）、在線購買、聊天、視頻流等已經(jīng)成為生活不可少的部分。因此，人們對互聯(lián)網(wǎng)很有興趣。在家庭或中小型商業(yè)環(huán)境中，最主要的網(wǎng)絡(luò)接入解決方案仍舊是DSL或有線Modem與IEEE802.11接入點(diǎn)。與這些方法相比，WMN有許多潛在的優(yōu)點(diǎn)：低成本、高速率、易安裝。因此，Internet接入將大大推動(dòng)WMN的發(fā)展。

4.2 WMN中的分布式信息存儲和共享

這類應(yīng)用不需要Internet的回程接入。這類應(yīng)用的用戶只在WMN內(nèi)部通訊。一個(gè)用戶可能需要存儲大量數(shù)據(jù)到另外一個(gè)用戶所擁有的磁盤上，或使用P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從其它用戶磁盤上下載文件，或查詢/檢索分布數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的信息。WMN內(nèi)的用戶也可以聊天、視頻通話和玩網(wǎng)絡(luò)游戲。在終端用戶上實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用需要在應(yīng)用層上有某些配套協(xié)議。

4.3 通過多個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的信息交換

這類應(yīng)用也不需要接入Internet。例如，蜂窩電話與Wi-Fi電話通過WMN進(jìn)行通話是不需要Internet的。類似的，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的用戶希望監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器。所有這些應(yīng)用必須由應(yīng)用層終端用戶的新算法或軟件來支持。

5 WMN的網(wǎng)絡(luò)容量

WMN的網(wǎng)絡(luò)容量受許多因素的影響，如網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、交通格局、網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)密度、每個(gè)結(jié)點(diǎn)使用的信道數(shù)量、傳輸功率水平、結(jié)點(diǎn)移動(dòng)性。下面簡要地介紹網(wǎng)絡(luò)容量與上述因素之間的關(guān)系。

5.1 網(wǎng)絡(luò)容量分析

可以用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量方面的研究工作分析WMN的網(wǎng)絡(luò)容量。

在文獻(xiàn)[4]中說明：在靜態(tài)多跳網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)鄰居結(jié)點(diǎn)時(shí)，結(jié)點(diǎn)將達(dá)到最優(yōu)傳輸功率水平。根據(jù)這個(gè)值，最佳折衷存在于從源結(jié)點(diǎn)到目標(biāo)結(jié)點(diǎn)的跳數(shù)和信道空間利用率之間。這個(gè)結(jié)論可用于具有最小移動(dòng)性的WMN的基礎(chǔ)設(shè)施。在混合WMN中，迄今還沒有關(guān)于移動(dòng)性的理論性結(jié)果。一些實(shí)驗(yàn)性研究，對靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果證實(shí)了[4]的理論結(jié)果。

文獻(xiàn)[5]中給出了網(wǎng)絡(luò)容量的上下界分析。從結(jié)果分析可看出，當(dāng)結(jié)點(diǎn)密度增長時(shí)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的吞吐量急劇下降。文中給出一個(gè)提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的重要提示：結(jié)點(diǎn)只與附近的結(jié)點(diǎn)通訊。并給出兩種實(shí)現(xiàn)方案：部署中繼結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)簇。當(dāng)結(jié)點(diǎn)與不在其附近的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊時(shí)，必須經(jīng)過中繼結(jié)點(diǎn)或簇進(jìn)行。這種方案有一定的限制。第一種方案，為大幅度地提高吞吐量需要大量的中繼結(jié)點(diǎn)，增加了網(wǎng)絡(luò)成本。第二種方案，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)或WMN中設(shè)置簇結(jié)點(diǎn)不是一個(gè)可取的辦法，因?yàn)樵诜植际较到y(tǒng)中難以進(jìn)行簇的管理。

文獻(xiàn)[6，7]設(shè)計(jì)了混合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量。在混合體系結(jié)構(gòu)里，結(jié)點(diǎn)只與附近的結(jié)點(diǎn)通訊。如果需要與幾跳距離遠(yuǎn)的結(jié)點(diǎn)通訊，使用有線網(wǎng)絡(luò)，由基站或接入點(diǎn)對包進(jìn)行中轉(zhuǎn)。混合體系結(jié)構(gòu)可提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的容量，但還不適用于多數(shù)應(yīng)用，因?yàn)樵谠S多Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中并不存在基站間的有線連接。

文獻(xiàn)[8]提出的方案通過利用結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性增加了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的容量。當(dāng)某一結(jié)點(diǎn)需要向另一結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，只有當(dāng)目標(biāo)結(jié)點(diǎn)在源結(jié)點(diǎn)附近時(shí)，源結(jié)點(diǎn)才進(jìn)行發(fā)送。因此，借助于結(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，結(jié)點(diǎn)只與自己附近的結(jié)點(diǎn)通訊。這種方案也有限制：傳輸延遲會(huì)變得很大，結(jié)點(diǎn)需要的緩沖區(qū)也很大。

文獻(xiàn)[5]中分析的方法極大地推動(dòng)了對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量的研究。可是，它還有一定的局限性。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還沒有全部被分析到。例如，通常用來提高網(wǎng)絡(luò)容量的分析中沒有考慮能量控制機(jī)制。另外一個(gè)例子的分析中也沒有考慮到Ad Hoc路由協(xié)議的全部特點(diǎn)。在任何一個(gè)路由協(xié)議中，包的路由不一定要沿著源結(jié)點(diǎn)和目標(biāo)結(jié)點(diǎn)之間的直線方向進(jìn)行，因?yàn)槁酚蓞f(xié)議是根據(jù)某些度量（如跳數(shù)、鏈路質(zhì)量等）來確定路徑的。

在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，理論容量值的適用性仍然不清楚。文獻(xiàn)[9]對文獻(xiàn)[5]中的理論結(jié)果與基于IEE802.11的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了比較。但是進(jìn)行這項(xiàng)研究的前提是假定在大型Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中流量方式是區(qū)域的，因此結(jié)點(diǎn)只與附近的結(jié)點(diǎn)通訊。這個(gè)假想在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中不會(huì)總是成立的，除非網(wǎng)絡(luò)是有意按此方式來設(shè)計(jì)的。目前，大部分分析方法采用漸近分析。由這種方法推出的容量上界或下界值并不能真正說明給定結(jié)點(diǎn)數(shù)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)容量，特別是當(dāng)結(jié)點(diǎn)數(shù)量較小時(shí)。近來，文獻(xiàn)[10]中提出一種分析方法來研究WMN的確切容量。這種分析利用WMN的低移動(dòng)性來簡化研究。文獻(xiàn)[10]的分析方法包含三個(gè)不一定有效的假設(shè)：所有結(jié)點(diǎn)的流量都被送到一個(gè)網(wǎng)關(guān)，但在WMN中情況并不如此；每個(gè)結(jié)點(diǎn)對帶寬公平共享?？墒?，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間距離不同時(shí)，這個(gè)假設(shè)無效；單向傳輸很容易被擴(kuò)展為雙向傳輸。但，如果是雙向傳輸，則網(wǎng)絡(luò)容量將完全不同。

5.2 開放研究課題

仍然有許多關(guān)于WMN容量分析的課題需要進(jìn)行研究，原因如下：

Ad Hoc或WMN的容量理論值都在在一些簡化假定下推出的。根據(jù)關(guān)鍵因素（如傳輸功率水平、流量方式、優(yōu)化路由等）推出新的理論值仍然是具有挑戰(zhàn)性的研究方向。

在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的容量分析已經(jīng)取得了許多研究成果，由于WMN與Ad Hoc的區(qū)別，WMN還沒有進(jìn)行徹底研究。關(guān)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)容量和結(jié)點(diǎn)密度優(yōu)化的研究成果不能直接應(yīng)用于WMN。

增加WMN容量的重要技術(shù)在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的分析模型中并未加以考慮，例如，單頻多信道或多頻單結(jié)點(diǎn)。這就產(chǎn)生一個(gè)重要的問題：對網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)來說，優(yōu)化信道或頻率數(shù)值是多少。

6 結(jié)論

目前，WMN發(fā)展迅速，有多項(xiàng)鼓舞人心的成果。WMN將為個(gè)人、區(qū)域、校園、城市提供大量多樣化的無線服務(wù)。我們可使用現(xiàn)有的技術(shù)來構(gòu)造WMN，但現(xiàn)有WMN的性能仍舊遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人們的期望。還有許多問題和技術(shù)有待解決。

為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，必須開發(fā)WMN的新MAC、路由和傳輸協(xié)議；目前的WMN只能部分實(shí)現(xiàn)自組織和自配置；目前WMN的安全措施可以在指定協(xié)議層有效防止某些特別攻擊，但缺少在不同協(xié)議層上阻止或反擊的綜合機(jī)制；WMN在集成異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的方面能力非常有限；依靠單層協(xié)議的改進(jìn)不能夠全部解決所有的問題，從物理到應(yīng)用層的所有協(xié)議都需要改進(jìn)或重寫，為達(dá)到優(yōu)化性能需要在這些層之間進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)。

WMN是下一代無線網(wǎng)絡(luò)很有前途的技術(shù)，眾多的應(yīng)用加快了WMN的發(fā)展。WMN技術(shù)還處于初級階段，要充分發(fā)揮其潛力，還需要做更多的研究工作。

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