基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建無線城市

孫俊杰，萬 鑫，鄢 妍，譚金平

（1.江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330032；2.江西科技師范學(xué)院，江西 南昌 330013；3.南昌大學(xué)共青學(xué)院，江西 南昌 332020）

0 引言

無論是在公園、馬路邊小憩，還是在旅途中，都可隨時打開筆記本式計算機或智能手機上網(wǎng)，無須外接無線上網(wǎng)卡，也不用繳納費用，這就是未來“無線城市”的場景，它采用WiMAX，WiFi等低成本無線接入技術(shù)，結(jié)合Skype等VoIP技術(shù)，來顛覆傳統(tǒng)的信息運營模式，形成對城市的無縫覆蓋，將政府公務(wù)、公共監(jiān)控、應(yīng)急聯(lián)動以及公眾上網(wǎng)等眾多民生類元素融為一體，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的無處不在、無時不在，從而構(gòu)建完善的信息化環(huán)境，提升城市的信息化競爭力。而在一個大中型城市搭建全覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)，是一項成本不菲的浩大工程[1]。

筆者主要討論Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線個域網(wǎng)（WPAN）以及無線城域網(wǎng)（WMAN）等相結(jié)合，并提出一個無線城市覆蓋方案。

1 Mesh技術(shù)與IEEE 802.11結(jié)合發(fā)展

1.1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的網(wǎng)絡(luò)[2]。傳統(tǒng)的無線接入技術(shù)中，主要采用點到點或者點到多點的拓撲結(jié)構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)中一般都存在一個中心節(jié)點，例如移動通信系統(tǒng)中的基站、IEEE 802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）中的接入點（AP）等。中心節(jié)點與各個無線終端通過單跳無線鏈路相連，控制各無線終端對無線網(wǎng)絡(luò)的訪問。同時，又通過有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連，提供到骨干網(wǎng)的連接。而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，采用網(wǎng)狀Mesh拓撲結(jié)構(gòu)，是一種多點到多點網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在這種Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過相鄰其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以無線多跳方式相連。

在WMN（無線Mesh網(wǎng)絡(luò)）中包括兩種類型的節(jié)點：無線Mesh路由器和無線Mesh用戶端。WMN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)節(jié)點功能的不同分為3類：骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)、客戶端Mesh結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。

1.2 IEEE 802系列中Mesh相關(guān)標準及發(fā)展

目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在世界范圍內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用，而技術(shù)標準化是大規(guī)模應(yīng)用所必需的重要環(huán)節(jié)。目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)標準散見于IEEE 802.11s和IEEE 802.16等標準草案中。

1.2.1 IEEE 802.11s Mesh標準

IEEE 802.11在大規(guī)模應(yīng)用時的一個難點是系統(tǒng)覆蓋能力有限，WLAN受發(fā)射功率的限制，覆蓋范圍一般在100 m內(nèi)。為了擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，通常通過增加AP來實現(xiàn)，但增加了公眾網(wǎng)的建設(shè)成本。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種新的組網(wǎng)技術(shù)為解決上述問題提供了新的途徑。

IEEE 802.11s提出了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的參考體系結(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示。Mesh媒體接入?yún)f(xié)調(diào)功能組件（MMACFC）位于物理層之上、Mesh路由組件之下，負責(zé)有效的競爭接入和WMN中多跳節(jié)點間數(shù)據(jù)包發(fā)送接收的調(diào)度。當安全的Mesh鏈路建立以后，Mesh節(jié)點需要與其他Mesh節(jié)點協(xié)調(diào)以解決競爭和共享無線媒體的問題，以保證該節(jié)點本身及其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包通過多跳的WMN有效轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2.2 IEEE 802.16 Mesh網(wǎng)絡(luò)標準

IEEE 802.16標準定義了無線城域網(wǎng)空中接口規(guī)范，為無線城域網(wǎng)（WMAN）提供“最后一公里”接入，是一種點對多點技術(shù)。鑒于無線Mesh網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，IEEE 802.16標準工作組將Mesh結(jié)構(gòu)納入最近推出的IEEE 802.16d/e標準中。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是對IEEE 802.16標準中的點到多點（P2MP）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的補充。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都與周圍鄰居節(jié)點形成多條鏈路，并且可以選擇其中的一條鏈路，用來傳輸來自本節(jié)點或其他節(jié)點的信息。這樣，連接斷開的可能性要遠低于P2MP模式。同時，隨著節(jié)點數(shù)的增加，IEEE 802.16 Mesh網(wǎng)絡(luò)的健壯性加強，覆蓋范圍擴大。WiMAX與WMN的結(jié)合示意圖如圖2所示。

2 無線城市覆蓋方案原理與設(shè)計

2.1 覆蓋方案介紹

Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線局域網(wǎng)（WLAN）、無線城域網(wǎng)（WMAN）等相結(jié)合[4]，實現(xiàn)了無線城市覆蓋方案。結(jié)合上文提到的Mesh技術(shù)在IEEE 802.11，IEEE 802.16標準中的發(fā)展，采用混合結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)模式，實現(xiàn)無線城域覆蓋，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，WiMAX網(wǎng)絡(luò)用于覆蓋一個較廣的區(qū)域，在這個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，WMN將WiMAX與WiFi結(jié)合起來的，形成一個互補的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，改善無線網(wǎng)絡(luò)的性能，提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中提到的多跳WLAN網(wǎng)絡(luò)是IEEE 802.11s草案定義的一種如圖5所示的Ad Hoc方式多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)主要由3種節(jié)點構(gòu)成，即Mesh節(jié)點（MP）、Mesh接入點（MAP）和傳統(tǒng)WLAN站點。該網(wǎng)絡(luò)每個MP和MAP都是平等的，網(wǎng)絡(luò)中沒有中心控制節(jié)點，這是與樹形網(wǎng)狀網(wǎng)的最大不同。節(jié)點之間形成無線的P2P網(wǎng)絡(luò)，無需任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來支持[5]。

使用IEEE 802.15.4 Mesh網(wǎng)絡(luò)組成智能家居和城市小區(qū)環(huán)境監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)，采用客戶端Mesh結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點與其他節(jié)點之間關(guān)系都對等。這樣的組網(wǎng)模式具有低功耗、低成本、低速率特性，使其在無線城市的眾多領(lǐng)域都可以應(yīng)用。

圖5 IEEE 802.11s草案的Ad Hoc方式多跳WLAN網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.2 方案主要技術(shù)細節(jié)

在整個城市范圍內(nèi)，用戶使用的WiFi筆記本式計算機、PDA、手機等終端設(shè)備都不需要再安裝新的硬件或軟件，就可以接入WMN，所以主要采用WiFi網(wǎng)絡(luò)作為接入網(wǎng)，如圖6所示。

在本文覆蓋方案中，基礎(chǔ)設(shè)施骨干網(wǎng)采用Mesh結(jié)構(gòu)，由Mesh路由器組成的可以自配置、自愈的鏈路來充當，通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能與城市核心網(wǎng)相連，為WiFi覆蓋節(jié)點提供接入服務(wù)。

WiFi節(jié)點設(shè)備可以直接通過Mesh路由器接入上層Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互聯(lián)互通。在一些不適合設(shè)置Mesh路由器的區(qū)域，也可以采用WiMAX網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在這個區(qū)域內(nèi)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)以點到多點的方式連接多個Mesh路由器，Mesh路由器為WiFi節(jié)點提供接入服務(wù)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)作為城域網(wǎng)中骨干網(wǎng)的一個客戶節(jié)點，接入到城域Mesh骨干網(wǎng)當中。這樣，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點，任何終端都可與其他網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)無線寬帶接入，不僅降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本，也提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和可靠性。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠兼容市場上現(xiàn)有的設(shè)備，但任意兩個終端節(jié)點間不具備直接通信的功能[6]。

2.2.1 WiFi+wireless Mesh與WiMAX結(jié)合的覆蓋方案

WiFi+wireless Mesh技術(shù)在組網(wǎng)方式、傳輸距離以及移動性上都有很大的改進，能夠在某一城市地區(qū)或大型園區(qū)的范圍內(nèi)實現(xiàn)WiFi的輕松擴展與延伸。將多個接入點通過無線方式連接在一起，無須布線，就可形成一個無線網(wǎng)絡(luò)或“熱區(qū)”，從而在室內(nèi)和室外提供非常寬廣的無線覆蓋。

此外，WMN網(wǎng)絡(luò)的接入點可以安裝在街道燈柱、大樓側(cè)墻或任何能夠提供電源的位置上，這使它的安裝部署具有極大的靈活性。而且，由于WiFi+wireless Mesh技術(shù)采用了與WiFi相同的IEEE 802.11s標準，所有原來設(shè)置用于WiFi的筆記本式計算機、PDA、手機等終端設(shè)備都不用再安裝新的硬件或軟件，就可以接入WMN，這一點也從終端方面為WMN的推廣掃除了障礙。

通過在城市范圍內(nèi)的街道燈柱和其他交通控制裝置等位置上安裝多個WiFi傳感器，視地形和建筑物情況，每平方公里需要8～16個WiFi傳感器，而在公園、學(xué)校、火車站等人員密集且人員流動比較大的公共場所，可以根據(jù)實際情況采用覆蓋面積更大，支持移動性更好的WiMAX網(wǎng)絡(luò)，再就是市郊的旅游休閑場所，由于離市區(qū)有一定的距離，這個時候使用WiMAX網(wǎng)絡(luò)比較合適。WiMAX網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)中的終端節(jié)點接入Mesh骨干網(wǎng)路由器，骨干網(wǎng)路由器為其提供接入城市核心網(wǎng)服務(wù)。這里要指出，覆蓋方案中大部分用戶終端設(shè)備都是采用WiFi接入點，WiFi通過天線Mesh方式連接在一起，就形成一個“無線城市”，從而為全市范圍的用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)以及一些其他公共服務(wù)。一旦建成，將可以使所有用于WiFi的筆記本式計算機、PDA、手機等終端設(shè)備接入到“無線城市”。

2.2.2 無線城市組網(wǎng)的其他方案

2004年底，中國臺灣臺北市正式宣布推出“無線臺北”計劃，并于2005年5月啟動了“無線移動城市”項目，在臺北市內(nèi)部署WiFi網(wǎng)絡(luò)，采用了WiFi+wireless Mesh組網(wǎng)方式。根據(jù)計劃，“無線臺北”將分3階段建設(shè)。首先，2004底前安源信息在30個捷運車站及周邊商圈半徑150 m實現(xiàn)無線上網(wǎng)。到2005年中，約涵蓋全臺北50%的人口，年底擴大為90%?！盁o線臺北”計劃將無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于公眾網(wǎng)絡(luò)，用戶使用內(nèi)嵌WLAN的筆記本式計算機或PDA，即可連接到WLAN的接入點上，傳輸速率由11～54 Mbit/s。市政公共設(shè)施（13萬盞路燈、1 792座紅綠燈以及842個公交車站）將作為無線網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射器。截至2006年10月，臺北市已經(jīng)完成全市WLAN無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，有10 000個無線接入點投入運行，覆蓋臺北市95%以上的人口[7]。

與“無線臺北”計劃相比，本文提出的覆蓋方案引入了WiMAX Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一些特定領(lǐng)域的應(yīng)用，比單純使用WiFi無線城市的覆蓋方案，增強了連接性，擴大了覆蓋范圍，在支持終端的移動性方面有所提升。

2.3 方案應(yīng)用前景分析

整個無線城域覆蓋方案采用固定WiMAX+wireless Mesh以及移動WiMAX組建城域網(wǎng)方式，WiMAX技術(shù)的不斷升溫及其技術(shù)在覆蓋范圍、帶寬容量和傳輸速度上的性能優(yōu)勢，無線城市的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)可以提供的業(yè)務(wù)主要體現(xiàn)在政府、企業(yè)和公眾服務(wù)3個領(lǐng)域。

對政府來說，遍布城市的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)可以為市政府、公共安全部門、交通等城市職能部門提供電子政務(wù)、公共安全、智能交通、搶險救災(zāi)、教育、醫(yī)療、社區(qū)服務(wù)等寬帶網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，從而高效快捷地為市民服務(wù)。在重大突發(fā)事件的快速反應(yīng)和處理能力方面，以及在特殊需求方面，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)更能體現(xiàn)不可替代的優(yōu)勢。

對企業(yè)來說，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)能夠提供給企業(yè)高效、低成本、便利的移動商務(wù)解決方案，推動企業(yè)信息化與電子商務(wù)，全方位提高企業(yè)形象。另外，在WMN中增加或調(diào)整AP也比有線AP更容易，配置更靈活，安裝和使用成本更低。對于那些需要經(jīng)常移動接入點的企業(yè)，無線Mesh技術(shù)的多跳結(jié)構(gòu)和配置靈活將非常有利于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級。

對于公眾，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為人們之間的溝通提供多元化的渠道和方式，人們可以在家里、娛樂場所、酒店、機場、綠地、會議中心等地，隨時隨地享受無處不在的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，真正實現(xiàn)數(shù)字化生活。

另外，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)還能提供無線定位服務(wù)等。隨著無線城市的建設(shè)和運營，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)在商務(wù)、旅游、家庭、學(xué)校和醫(yī)院等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

[1]胡海波.Wirelessmesh技術(shù)在無線城市中的應(yīng)用[J].世界電信，2007（2）：56-60.

[2]田輝，陶小峰.IP化基站無線Mesh組網(wǎng)構(gòu)架[J].中興通訊技術(shù)，2008（4）：16-20.

[3]陳琳琳，劉乃安.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與IEEE802系列標準[J].中興通訊技術(shù)，2008（2）：8-11.

[4]張萬奎，張春業(yè).短距離無線通信技術(shù)及其融合發(fā)展研究[J].電測與儀表，2007（10）：48-52.

[5]酈亮.IEEE802.15.4標準及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2003（Z1）：14-16.

[6]方旭明，戚彩霞，向征.IEEE 802系列無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀組網(wǎng)與移動切換技術(shù)綜述[J].計算機應(yīng)用，2006（8）：1756-1761.

[7]陸建華.無錫地鐵數(shù)字電視覆蓋規(guī)劃初探[J].電視技術(shù)，2009，33（9）：4-5.