無線Ｍｅｓｈ網絡可擴展性相關技術

摘要：無線移動通信中傳輸的數據密度持續增長對無線Mesh網絡的系統性能提出了挑戰。在無線自組織網絡中，由于存在隨著節點數目的增加而平均節點容量逐步降低的規律，因此無線Mesh網絡的大規模組網難以實施。無線Mesh網絡可擴展性對于增強無線Mesh網絡的自適應組網能力至關重要，因此，文章對在Mesh基站和Mesh移動臺上采用的與可擴展性相關的關鍵技術，如信道分配技術、智能路由技術、多天線技術、節點分類和QoS分級技術、協作傳輸技術等，進行了探討。

關鍵詞：無線Mesh網絡；可擴展性；信道分配；協作傳輸

Abstract: With the rapid development of wireless mobile communications， the incremental data density challenges the system performance of wireless Mesh networks. For Ad hoc network， the average capacity decreases as the number of the nodes increases. Therefore， there exists a bottleneck in deploying large scale wireless Mesh networks. The scalability techniques are crucial for the adaptive networking of wireless Mesh networks. Key scalability techniques for wireless Mesh networks are studied， and the main techniques for the Mesh base station and Mesh mobile client， such as channel allocation， intelligent routing， multi-aerial， node classifying， QoS level， and cooperative transmission are introduced.

Key words: wireless Mesh networks; scalability; channel allocation; cooperative transmission

伴隨全球移動通信系統(GSM)等移動網絡在過去20年中的廣泛普及，全球移動語音通信業務獲得了巨大的成功。如今，隨著技術的更新換代，移動通信除繼續支持話音業務外，數據新業務的進展開始明顯加快，而且對高傳輸速率、高覆蓋以及良好的端到端服務質量(QoS)也有更迫切的要求。隨著無線通信業務需求的不斷增長，無線通信技術的發展日新月異，新的無線網絡架構和技術不斷被提出。在傳統蜂窩通信技術以及自組織網絡(Ad Hoc)技術的基礎上，無線Mesh網絡技術得到了快速發展，而且受到了工業界與學術界越來越廣泛的重視[1-2]。

無線Mesh網絡與Ad Hoc網絡以及蜂窩網絡如圖1所示。可以看出，無線Mesh網絡具有與Ad Hoc網絡類似的大部分特點，比如自組織、自漫游、自恢復等，因此具有開放式的網狀網絡架構。然而，在無線Mesh網絡中，各節點并不像Ad Hoc網絡中那樣全部是平等的，而是分為Mesh基站和Mesh移動臺。其中Mesh基站的功能要遠多于Mesh移動臺，而且承擔著比Mesh移動臺更多的網絡管理維護以及數據接力傳輸任務。換句話說，無線Mesh基站一直都固定擔任Ad Hoc網絡中簇頭的作用，而不是像Ad Hoc網絡中那樣簇頭只是臨時的[3]。因此，從這點上來看，無線Mesh網絡可以被看作是介于蜂窩網絡與無線Ad Hoc網絡之間的一種通信網絡，其一定程度上融合了傳統蜂窩網絡中集中式管理的特點，同時又保持了Ad Hoc網絡的靈活性。表1列出了3種無線網絡的基本特征。

無線Mesh網絡迅速發展的一個深層次原因是頻譜問題。隨著無線通信業務的發展，大量的多媒體業務需要更高速率的數據傳輸，因此也需要占用更大的帶寬。雖然新的傳輸技術，如多入多出(MIMO)技術、自適應調制編碼(AMC)技術以及近年出現的動態頻譜共享技術等可以在一定程度上提高系統的頻譜效率，從而緩解對頻譜的需求，然而，未來對頻譜的需求問題仍然很難讓人樂觀。從最新的世界無線電大會的頻譜分配結果來看，低端的頻譜占用越來越密集，因此未來無線通信系統如果需要更大的連續或對稱頻譜，將不得不尋求在更高的頻段進行傳輸[4]。由于無線信號在高頻段將衰減得更快，因此在相同的發射功率的情況下，每一個基站的覆蓋范圍將變得更小。另外，除了技術和成本因素，由于發射功率對人生活的影響等諸多原因，單純地增加基站發射功率顯然也是不現實的。這樣的情況下，無線Mesh網絡中多跳傳輸的特點和優勢正好得以發揮。尤其是在人口密集的城市高樓林立的情況下，由于大樓遮擋等原因而導致的無線信號覆蓋困難也可以由部署無線Mesh網絡來加以緩解。

無線Mesh網絡具有開放式的網絡架構，從理論上來說具有較好的可擴展性。然而，在實際的系統中，無線Mesh網絡的組網卻面臨著較多的實際問題。在現有無線Mesh相關的標準中，例如IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.15(Bluetooth和Zigbee)以及IEEE 802.16(WiMAX)，也未能給出很明確實用的組網方案[5]。其中一個重要原因是在無線自組織網絡中，存在隨著節點數目的增加網絡容量逐步降低的規律。文獻[6]表明在Ad Hoc多跳網絡中，每個節點的平均容量與變量

成比例，其中n是節點的數目。而在無線Mesh網絡中，由于受到中心網關的限制，其每個節點的平均容量變成與O(1/n)成比例[7]。因此，無線Mesh網絡的大規模組網難以實施，需要更為強大的硬件設施以及更為高效的協議支持。

本文重點探討無線Mesh網絡的可擴展性相關技術，目的是增強無線Mesh網絡的自適應組網能力。

1 無線Mesh網絡可擴展性相關技術

在無線Mesh網絡中，由于多跳傳輸的原因，提高容量與增大覆蓋范圍成為一對矛盾體。因此，研究無線Mesh網絡可擴展性相關技術，其目標是在保持容量的情況下擴大覆蓋范圍。而要達成以上的目標，需要從兩個層面開展研究：一個是Mesh基站的可擴展性，另一個就是每個Mesh移動臺的可擴展性。相比而言，目前Mesh移動臺可擴展性研究比較多，而且其與Ad Hoc網絡中的可擴展性研究有很多相似之處，但是Mesh基站的可擴展性卻更為重要，因為Mesh基站是無線Mesh網絡的骨干節點。

1.1 Mesh基站的可擴展性

根據無線Mesh基站的特點，其可擴展性相關技術主要包括信道分配技術、智能路由技術以及多天線技術等幾個方面。

(1)信道分配技術

無線Mesh網絡中的節點可以采用單信道或者多信道進行傳輸。然而，單信道的傳輸將引發非常復雜的共信道干擾問題，同時，還將加劇在無線自組織網絡中存在的隱性終端和暴露終端的問題。很明顯，在自組織網絡中，網關跳數越大的節點，由于平均分配的帶寬越小，其成功接入的機會就越小。雖然在跳數增加到很大時，可以使用頻率復用技術來緩解，但是在單信道的情況下，節點分配到的帶寬只能達到1/2m和1/m之間(m是跳數)，而且還存在著嚴重的接入不公平性。由于無線Mesh基站承擔著骨干節點的作用，因此其采用多信道的方式進行傳輸幾乎是必不可少的。在實際的系統中，無線Mesh基站一般是多模的，即可以在多種空中接口(如IEEE 802.11a/b/g等)上傳輸，這樣才能滿足實際傳輸的需要。

在多模的情況下，信道分配技術目前被認為是無線Mesh網絡中的一項較為實用有效的關鍵技術。然而，信道分配必須將Mesh基站與Mesh移動臺結合起來考慮。通常說來，是讓Mesh基站之間用802.11a接口進行傳輸，而將802.11b/g接口用于Mesh基站與屬下的Mesh移動臺之間進行連通。因此，對于相鄰的Mesh基站來說，必須要進行合理的頻率協調規劃。由于802.11a接口中從5.25～5.35 GHz以及5.725～5.825 GHz可以使用8個非重疊的信道，因此可以在相鄰的Mesh基站之間采用不同的信道進行傳輸。文獻[8]詳細總結了無線Mesh網絡中的信道分配問題，并且指出了信道分配中存在的問題和挑戰。

考慮到Mesh基站的可擴展性，當一個新的Mesh基站嘗試接入已有的Mesh網絡的時候，除了要研究高效的接入技術之外，合理的信道分配也非常重要。一個較為實用的方法是采用載波偵聽(CSMA)的方式來進行信道獲取。另外，離網關越近的Mesh基站，由于其需要中繼的數據也越多，通常其應該享有更高的信道使用優先級。合理的信道分配可以減少沖突概率，降低干擾，減少時延，從而增強無線Mesh基站的可擴展性。

(2)智能路由技術

智能路由技術是無線多跳網絡的核心技術，路由算法直接影響到整個無線Mesh網絡的性能。可以說，無線Mesh網絡和無線局域網(WLAN)一個最大的差別就是其路由功能。經過多年的發展，針對Ad Hoc網絡的路由協議的研究已經有了很多實用的成果，也涌現了很多經典的路由算法，主要可以分為先驗式、反應式以及混和式路由協議。由于網絡容量的限制，需要盡量減少路由協議的開銷，但是由于節點的移動性導致網絡拓撲變化，因此又不得不進行頻繁的信令傳輸以加快路由的更新。相比Ad Hoc網絡而言，由于無線Mesh網絡中的路由主要由Mesh基站承擔，因此其路由線路比Ad Hoc要相對固定一些，但也造成其路由的靈活性受到限制。

在無線Mesh網絡中，由于Mesh基站承擔著大部分路由功能，因此智能路由協議的設計必須考慮這一因素。另外，智能路由協議必須考慮到各個Mesh基站上的業務承載情況，即在一定程度上有利于負載均衡。負載均衡實際上也是網絡公平度的一個重要衡量指標。此外，在多跳中繼的過程中，為了保證遠端節點和近端節點信息傳輸延時的公平性，Mesh基站在發送數據的時候必須考慮優先轉發遠端節點過來的信息。

(3)多天線技術

多天線技術近10年來在移動通信領域得到了迅速發展，同時也在無線Mesh網絡中開始了廣泛的應用。多天線技術的作用主要在于提高無線Mesh網絡的容量、改善網絡路由性能、優化網絡能量消耗、協助進行節點定位以及提高用戶的QoS保障能力等。另外，由于多天線技術的應用可以提高容量以及增加覆蓋范圍，因此也可以極大地改善無線Mesh網絡的可擴展性。

對于Mesh基站來說，由于其很可能裝備多個天線和多個射頻模塊，因此可以應用波束成形、空分多址等技術。文獻[9]表明，通過在發射端或接收端應用波束成形技術，可以分別取得或 的容量增益，其中α和β分別為發射端和接收端的天線波束寬度。當在發射端和接收端聯合采用波束成形技術的時候，則可以得到的容量增益。通過采用波束成形技術，也可以增加Mesh基站的覆蓋范圍，一方面可以減少路由中的跳數，另一方面也改善了網絡的可擴展性。另外，通過空分多址技術，可以將傳輸信道從空間上分離，從而取得更多的可用信道，提高Mesh基站的接入概率。

1.2 Mesh移動臺可擴展性相關技術

Mesh移動臺的可擴展性主要指在一個Mesh基站為核心的區域里，如何在保證容量的情況下擴大覆蓋范圍的問題。涉及的主要技術有：信道分配技術、節點分類和QoS分級技術、協作傳輸技術等。

(1)信道分配技術

為了提高多跳網絡的性能，未來的無線Mesh網絡中的移動臺也可以是多模的，如配置IEEE 802.11b/g等等。IEEE 802.11b/g在2.4 GHz到2.4835 GHz上有3個不重疊的信道。這樣，Mesh移動臺也可以采用不同的空中接口或者運行在不同的信道上，用于與Mesh基站之間的互聯互通。一個實用的信道分配方案是在一個以Mesh基站為圓心的覆蓋范圍內，采取分圈的辦法將覆蓋范圍劃分，并且將每個圈之間采用的空中接口錯開。當新的Mesh移動臺接入網絡的時候，可以根據其所在的位置來選用其合適的信道進行傳輸。對于這種方案，重點是要考慮一個Mesh基站所能服務的圈數以及各個圈之間的合理距離。另外，與Mesh基站中的情況類似，離Mesh基站越近的Mesh移動臺，由于其需要中繼的數據也越多，通常其應該享有更高的信道使用優先級。而且，這些Mesh移動臺在發送數據的時候必須考慮優先轉發遠端Mesh移動臺過來的信息，以保證遠端節點和近端節點信息傳輸時延的公平性。

(2)節點分類和QoS分級技術

無線Mesh網絡必須能夠同時在節點稀疏和節點密集兩種場景下都能很好地工作。但是，如前所述，當節點密集的時候，傳輸時延將會變長。為了解決Mesh移動臺可擴展性的問題，文獻[10]提出了一種動態自適應算法以減少節點之間的沖突。該算法的主題思想是將節點進行分類，對于不同的節點，設置不同的接入優先權系數。這樣一來，節點之間的接入沖突就得到了有效控制，從而保證了更為有效的傳輸，降低了傳輸時延，節點密集的無線Mesh網絡的可擴展性也得到了有效的改善。

在文獻[11]中，提出了一種QoS分級的方法以改善無線Mesh網絡的可擴展性。將IEEE802.16協議中Mesh節點的下一個可接入時段長度和需要等待的時間抽象化，將它們與傳輸業務的QoS關聯起來。即對于不同的QoS業務，設定不同的下一個可接入時段長度以及需要等待的時間。通過QoS分級方法以及設定沖突指示，可以改善密集Mesh網絡的可擴展性問題。

(3)協作傳輸技術

一般來說，與Mesh基站不同，在Mesh移動臺端很難配置多個天線。即使可能配備兩個天線，也往往共用一個射頻模塊，通過發射天線選擇來取得有限的空間分集增益。但是，多個Mesh移動臺可以采用協作傳輸技術來取得更大的分集增益[12]。例如，多個Mesh移動臺可以通過組成一個虛擬的多天線來進行傳輸，即采用虛擬MIMO技術。另外，多個Mesh移動臺還可以采用合作編碼的方式來進行傳輸，獲得一定的分集增益。借助無線Mesh網絡的開放式架構，協作傳輸技術可以提高Mesh移動臺的傳輸速率，而且通過協作傳輸，提高了Mesh移動臺的傳輸范圍，這對于那些離Mesh基站較遠的Mesh移動臺尤其重要。因此，協作傳輸改善了Mesh移動臺的可擴展性。在協作傳輸中，合適的用戶配對是至關重要的，既要盡可能地提高協作用戶的吞吐量，又必須保持各個用戶間的公平性[13]。

2 結束語

受限于自組織網絡的固有弱點，無線Mesh網絡的可擴展性問題尤其突出。本文分別討論了Mesh基站和Mesh移動臺相關的可擴展性關鍵技術，其中對于Mesh基站主要討論信道分配技術、智能路由技術以及多天線技術等等；對于Mesh移動臺主要討論信道分配技術、節點分類和QoS分級技術以及協作傳輸技術等等。然而，在上述各種關鍵技術的實施時，仍面臨較多的挑戰，尤其是很多物理層技術的實現需要相關媒體訪問控制層協議的輔助，比如Mesh基站的波束成形技術和空分多址技術等等。因此，Mesh網絡的跨層優化需要進一步深入研究。

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收稿日期：2008-01-14

胡宏林，中國科技大學博士畢業，德國慕尼黑西門子公司博士后。上海無線通信研究中心研發一部部長，同時擔任中科院上海微系統與信息技術研究所副研究員。長期從事無線通信標準化以及關鍵技術研發工作。已著英文專業書籍4本，現擔任4家國際期刊編委。