用“無線網狀網”實現寬帶無線網絡技術分析

摘 要：無線網狀網技術是一種具有良好市場應用前景的新型寬帶無線網絡技術。本文通過簡要介紹無線網狀網的產生和發展，針對無線網狀網的定義、特點、應用以及影響網絡性能的關鍵技術等核心問題，進行了初步的探討和總結。

關鍵詞：無線網狀網 自組網 無線多跳

無線網狀網(wirelessmeshnetwork，WMN)是一種新型的寬帶無線網絡架構，由于具備不同于傳統無線網絡的特點，該技術在靈活組網、提高網絡覆蓋率、增加網絡容量、減少前期投資等諸多方面都顯現出很大的優勢，尤其適合用于寬帶無線接入骨干網。目前無線網狀網已經得到了國際學術界和工業界的廣泛關注，并正在得到越來越廣泛的應用。

一、“無線網狀網”技術特點

1. 由移動節點與接入點組成的WMN

這種情況下的WMN主要由移動節點(MN)和接入點(AP)構成。與傳統點對多點網絡不同，這種WMN中的每個節點都具備路由選擇的功能，而且每個節點只與其鄰近節點進行通信。在網絡中MN既是業務的使用者又是業務的提供者，即具有數據的轉發功能，可以向網絡中的其他節點(MN或AP)轉發它所接收到的數據包。該WMN吸收了星形網與網狀網兩種網絡的優點，是對兩者的一種無縫融合。具體來說，WMN可以看作是WLAN和adhoc網絡的融合，發揮了兩者的優勢，而這種融合是通過在網絡節點上執行WMR(wirelessmeshrouting)協議來完成的。應該注意的是，這里提到的AP之間是通過有線鏈路實現通信的。

2. 由網關節點、用戶節點、中繼節點和網管系統組成的WMN

這種情況下，網關節點是WMN和骨干網的接口，一般與高速路由器相連。在一個WMN中，網關節點可以有一個或多個，可以根據網絡的容量和可靠性要求來逐漸增加。實際上任何一個用戶節點都可以充當網關節點，因此可以選擇一個處于合適位置的節點作為網關節點。用戶節點直接與用戶終端或用戶網絡相連，除了提供業務接口外，還作為一個多端口的無線路由器，完成其他節點業務的中繼功能。中繼節點只包含中繼功能，用來擴展WMN或提高整個網絡的性能。網管系統主要負責對WMN進行配置，此外還具有資源分配、監控、認證等其他管理功能。這種情況下的WMN一般用在城域范圍內提供寬帶無線接入。

3. 由Mesh路由器和Mesh客戶端組成的WMN

在這種情況下，Mesh路由器具有較小的移動性或是靜止的，并且由多個Mesh路由器組成WMN的骨干網；Mesh路由器既可為Mesh客戶端提供網絡接入，又可為傳統網絡客戶端用戶提供網絡接入；在Mesh路由器里還集成了網關和網橋功能，可以實現WMN與其他網絡的有機融合，如互聯網、蜂窩網、基于IEEE802.11的無線局域網、基于IEEE802.15的無線個域網、基于IEEE802.16的無線城域網和無線傳感器網絡等。Mesh客戶端可以是固定的也可以是移動的，它們可以自己組成一個只包括Mesh客戶端的客戶端網狀網，也可以和Mesh路由器一起組成一個客戶端網狀網。在這種情況下的WMN中，每個節點(包括Mesh路由器和Mesh客戶端)運行時，不僅作為一個主機也作為一個路由器。當某些源節點想要傳輸數據給不在其無線直接傳輸范圍內的目的節點時，就可以通過其他節點代為傳送，通過中繼的方式實現源節點和目的節點之間的數據傳輸。

二、“無線網狀網”的網絡架構

WMN的網絡架構根據節點功能的不同，主要可以分為以下三類：

1. 基礎設施／骨干WMN

在這類WMN網絡架構中，客戶端連接到Mesh路由器上，由Mesh路由器為客戶端形成一個基礎，由網關節點、用戶節點、中繼節點和網管系統組成的WMN設施網，這些Mesh路由器自身形成了一個具有自配置自愈鏈路的網狀網。憑借網關功能，Mesh路由器可以連接到Internet上。這種也被稱為“基礎設施網狀化”的方法，通過使用Mesh路由器的網關／網橋功能，為傳統客戶端提供了骨干連接，并實現了WMN和現有無線網絡的集成。帶有以太網接口的傳統客戶端可以通過以太網鏈路連接到Mesh路由器上。對于和Mesh路由器采用相同無線電技術的傳統客戶端，它們可以直接和Mesh路由器通信。如果客戶端采用了與Mesh路由器不同的無線電技術，那么客戶端必須和基站通信，基站通過以太網連接到Mesh路由器上。

基礎設施／骨干WMN是最常用的網絡架構。例如，可以采用這種方法搭建社區和街區網絡，將Mesh路由器放置在街區內房子的屋頂，為屋內和沿路的用戶提供接入服務。

2. 客戶端WMN

客戶端網狀化使客戶端設備間形成了對等網絡。在這類網絡架構中，客戶端節點組成實際的網絡，既為客戶提供終端用戶應用，又完成路由和配置功能，因此，采用這種架構的網絡不需要Mesh路由器。在客戶端WMN中，預定送往網絡中某節點的數據包跳經多個節點到達目的地。客戶端WMN通常在終端設備上采用同一種無線電技術來組網，此外，由于其終端用戶必須執行路由和自配置等附加功能，所以與基礎設施網狀化相比，客戶端WMN對終端用戶設備的要求提高了。

3. 混合WMN

這種網絡架構是基礎設施網狀化和客戶端網狀化的結合。Mesh客戶端的網狀連接直接接入網絡，也可以通過Mesh路由器接入網絡。混合WMN中基礎設施網提供了到其他網絡的連接，客戶端具備的路由能力也提高了WMN內的網絡連通性和覆蓋范圍。這種混合網絡架構將是WMN三種架構中最具應用前景的。

三、影響“無線網狀網”網絡性能的技術分析

1. 無線電技術

半導體技術、射頻（RF）技術和通信理論的快速發展，推動無線電技術經歷了一場重大的變革。目前業界已經提出了許多方法來提高無線系統的容量和靈活性，典型的包括定向天線和智能天線、MIMO系統以及多無線電／多信道系統。

為了進一步提高無線電技術的性能，并且可以通過更上層的協議對其進行控制，無線通信中采用了一些更先進的無線電技術，如可重配置無線電技術、頻率靈敏／感知無線電技術、軟件無線電技術。盡管這些無線電技術仍處于研究的初級階段，但是由于它們能夠動態地控制無線電，所以人們期望這些技術能成為無線網絡將來的平臺。這些先進的無線電技術都要求在上層協議中采用一種變革性的設計，尤其是MAC協議和路由協議。

2. 可擴展性

多跳通信是WMN中普遍使用的一種通信方式。然而眾所周知，對于多跳組網方式，通信協議面臨著可擴展性問題，即：當網絡規模擴大時，網絡性能會顯著下降。路由協議也許無法找到一條可靠的（路由）路徑，傳輸協議也許會釋放連接，而MAC協議也許會經歷吞吐量的顯著下降。造成可擴展性較差的原因是：隨著網絡規模的擴大，端到端的可靠性急劇下降。WMN采用的主要是ad hoc的網絡結構，如何提高WMN的可擴展性，是一項富有挑戰性的研究課題。

3. 網狀網連通性

WMN的許多優點都源自其具有的網狀網連通性，因此保證網狀網連通性是協議設計的關鍵性要求，尤其是MAC協議和路由協議的設計。為此，通常需要網絡自組織和拓撲控制算法。拓撲感知MAC協議和路由協議能夠顯著提高WMN的性能。

4. 寬帶和QoS保證

WMN不同于其他ad hoc網絡，它的大部分應用是要提供有各種各樣QoS要求的寬帶服務。因此，通信協議除了要考慮端到端傳輸延遲和公平性外，還必須考慮更多的性能指標，如：延遲抖動、總吞吐量和每個節點的吞吐量以及丟包率。

5. 兼容性和互操作性

WMN要求具備的一個特性就是同時支持傳統客戶端和Mesh客戶端的網絡接入，因此，WMN需要后向兼容傳統客戶端節點，否則將大大削弱部署WMN的動力。另外WMN與其他無線網絡的集成，要求某些Mesh路由器具備在各個不同種類的無線網絡中共同操作的能力。

6. 安全性

如果沒有一套令人信服的安全解決方案，WMN將無法獲得成功。盡管現在已經提出了許多針對無線局域網的安全方案，但是這些方案對于WMN來說都不是現成可用的。因此，需要研究出新的安全方案，其涉及范圍從加密算法到安全密鑰分發、安全的MAC和路由協議、入侵檢測以及安全監控。

7. 易用性

協議的設計必須使網絡能夠盡可能地自治，包括功率管理、自組織、動態拓撲控制、抵御短暫鏈路失效的頑健性以及快速網絡訂購／用戶認證過程。此外，還需要開發WMN網絡管理工具，從而有效地維護網絡運行、監測網絡性能以及配置網絡參數。這些網絡管理工具連同協議中的自治機制，將使WMN具備快速部署的能力。

參考文獻：

［1］石柏銘等編著.計算機通信網與開放系統互連技術.人民郵電出版社，1993年4月.

［2］鄭相全等編著.無線自組網技術實用教程.清華大學出版社，2004年6月.

［3］Jim Geier著.王群，李馥娟，葉清揚譯.無線局域網.人民郵電出版社，2001年4月.