基于Wi—Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)問(wèn)題研究

楊麗雯 張永繼

摘要：構(gòu)建惡劣區(qū)域通信平臺(tái)是目前通信領(lǐng)域研究的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容。文中分析了Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)的可行性，給出了固定區(qū)域、機(jī)動(dòng)區(qū)域、救援場(chǎng)所的Mesh網(wǎng)絡(luò)組織方式，并從網(wǎng)絡(luò)保障能力方面進(jìn)行了定性分析，可以為基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)提供參考。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；區(qū)域通信平臺(tái)；WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線(xiàn)鏈路

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.023

0 引言

隨著近年來(lái)地震等自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，如何實(shí)現(xiàn)受災(zāi)區(qū)域內(nèi)通信的快速恢復(fù)，在氣象、地質(zhì)、環(huán)境等惡劣條件下快速建立基本的通信樞紐，為搶險(xiǎn)救災(zāi)、應(yīng)急通信、人員指揮提供技術(shù)支撐，成為各級(jí)通信部門(mén)重點(diǎn)研究的課題。面對(duì)固定通信樞紐破壞嚴(yán)重、固定通信設(shè)施互通不暢的問(wèn)題，必須研究基于無(wú)線(xiàn)信道連接的區(qū)域應(yīng)急通信平臺(tái)，本文結(jié)合對(duì)WiFi-Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，提出了基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)的基本思路。

1 Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network，WMN）是基于IP協(xié)議的無(wú)線(xiàn)寬帶接人技術(shù)，是移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài)，它融合了WLAN和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，支持多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、多跳級(jí)聯(lián)、節(jié)點(diǎn)自我管理等智能優(yōu)勢(shì)以及移動(dòng)寬帶、無(wú)線(xiàn)定位等特點(diǎn)，是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網(wǎng)絡(luò)形式，作為一種可以有效解決“最后一公里”瓶頸問(wèn)題的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從某種意義上講，Mesh網(wǎng)絡(luò)更主要的是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想，主要功能體現(xiàn)在無(wú)中心、自組網(wǎng)、多級(jí)跳接和路由判斷選擇等方面。已經(jīng)商用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品基本都基于Wi-Fi，稱(chēng)之為Wi-Fi Mesh，其典型組網(wǎng)概念如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)（無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）也稱(chēng)為“多跳”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無(wú)線(xiàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和Repeater（中繼器），網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)既是通信的發(fā)起者，也是數(shù)據(jù)分組的中間轉(zhuǎn)發(fā)者，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。

2 Wi-Fi Mesh模式構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)可行性分析

2.1 部署安裝簡(jiǎn)便

安裝Mesh節(jié)點(diǎn)非常簡(jiǎn)單，可以很容易增加新的節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和網(wǎng)絡(luò)容量。Mesh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是將有線(xiàn)設(shè)備和有線(xiàn)AP的數(shù)量降至最低，因此大大降低了成本和安裝時(shí)間。無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的配置和其他網(wǎng)管功能與傳統(tǒng)的WLAN相同，用戶(hù)使用WLAN的經(jīng)驗(yàn)可以很容易應(yīng)用到Mesh網(wǎng)絡(luò)上。

2.2 非視距傳播（NLOS）

利用無(wú)線(xiàn)Mesh技術(shù)可以很容易實(shí)現(xiàn)NLOS配置，與發(fā)射臺(tái)有直接視距的用戶(hù)先接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)，然后再將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給非直接視距的用戶(hù)。按照這種方式，信號(hào)能夠自動(dòng)選擇最佳路徑并最終到達(dá)無(wú)直接視距的目標(biāo)用戶(hù)。無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U(kuò)展了無(wú)線(xiàn)寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍。

2.3 穩(wěn)定性好

Mesh網(wǎng)絡(luò)不依賴(lài)于某單一節(jié)點(diǎn)的性能，因此比單跳網(wǎng)絡(luò)更加健壯。在單跳網(wǎng)絡(luò)中，如果某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)也就隨之癱瘓。而在Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，如果最近的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動(dòng)路由到備用路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行不會(huì)受到影響。

2.4 結(jié)構(gòu)靈活

在多跳網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備通過(guò)不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低。Mesh網(wǎng)絡(luò)還提供了更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能。在無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備都有多個(gè)傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地分配通信路由，從而有效地避免了節(jié)點(diǎn)的通信擁塞。

2.5 高帶寬

而Mesh網(wǎng)絡(luò)選擇經(jīng)多個(gè)短跳來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，從而獲得高網(wǎng)絡(luò)帶寬。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅能傳送和接收信息，還能充當(dāng)路由器對(duì)其附近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，同時(shí)由于每個(gè)短跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小，節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)信號(hào)干擾也較小，網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和信道利用效率也大大提高。

3 基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)

3.1 固定區(qū)域Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

以指揮控制、通信接力等重要通信車(chē)輛為主，配置Mesh路由基站設(shè)備，構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具備AP接人功能，普通用戶(hù)可以Wi-Fi方式直接接人，同時(shí)，該類(lèi)節(jié)點(diǎn)至少具備兩條及以上的無(wú)線(xiàn)鏈路回傳能力，能夠自動(dòng)檢測(cè)鄰近的同類(lèi)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，與其自動(dòng)建立Mesh通信鏈路。手持機(jī)、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、傳真機(jī)、打印機(jī)等終端設(shè)備配置兼容Wi-Fi和Mesh自組網(wǎng)工作方式的網(wǎng)卡。區(qū)域附屬保障車(chē)輛配置雙向無(wú)線(xiàn)連接遠(yuǎn)程客戶(hù)端設(shè)備（ CPE），車(chē)輛附近距離基站較遠(yuǎn)的用戶(hù)可通過(guò)客戶(hù)端（CPE）中繼的方式接人基站。

3.2 機(jī)動(dòng)區(qū)域Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)組織應(yīng)用

在通信保障力量機(jī)動(dòng)途中，以通信節(jié)點(diǎn)車(chē)輛配置的Mesh基站為節(jié)點(diǎn)，可以非常輕松的組成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，這一串連式多跳網(wǎng)絡(luò)可以克服復(fù)雜地形和長(zhǎng)距離影響，首尾節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)跳躍方式建立無(wú)線(xiàn)鏈路，沒(méi)有安裝Mesh基站的保障車(chē)輛，可以配載中繼CPE設(shè)備，以客戶(hù)端身份通過(guò)Wi-Fi方式連接基站，同時(shí)對(duì)車(chē)內(nèi)用戶(hù)實(shí)現(xiàn)二次Wi-Fi覆蓋，所有的用戶(hù)手持終端均可以在行進(jìn)途中以Wi-Fi方式就近直接或以中繼方式接人Mesh基站，滿(mǎn)足機(jī)動(dòng)中無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)全員覆蓋。機(jī)動(dòng)區(qū)域Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

3.3 應(yīng)急救援場(chǎng)所開(kāi)設(shè)地域內(nèi)的Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)組織應(yīng)用

應(yīng)急救援力量到達(dá)預(yù)定地域后，按擬訂開(kāi)設(shè)預(yù)案分布式展開(kāi)，指控車(chē)輛上安裝的無(wú)線(xiàn)Mesh節(jié)點(diǎn)設(shè)備可自我配置，一個(gè)MAP啟動(dòng)后，它首先掃描附近的網(wǎng)絡(luò)，然后與所有檢測(cè)到的MAP建立臨時(shí)連接。通過(guò)這種連接，MAP可以與AC聯(lián)系，并下載配置。完成配置文件的下載后，MP會(huì)與享有相同預(yù)共享密鑰的鄰居建立安全的連接，組成網(wǎng)狀無(wú)線(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)AP+CPE方式接入骨干網(wǎng)，為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)、無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音以及無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控等支持。應(yīng)急救援指揮所開(kāi)設(shè)地域內(nèi)的Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

4 基于Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域通信平臺(tái)保障能力分析

4.1 關(guān)于網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通效率問(wèn)題

Mesh自組織網(wǎng)絡(luò)在惡劣環(huán)境中可以快速部署，新加入的節(jié)點(diǎn)也可以被自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，并可進(jìn)而自主配置。降低了野外環(huán)境下組網(wǎng)的難度，爭(zhēng)取了寶貴的救援時(shí)間。基于升空平臺(tái)覆蓋的野戰(zhàn)Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)通效率主要取決于空中平臺(tái)的開(kāi)通效率，地面Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)過(guò)程時(shí)效性已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)和實(shí)用證明，空中平臺(tái)、各個(gè)車(chē)載Mesh模塊以及便攜MESH模塊的位置基本確定后，對(duì)于系統(tǒng)不同的應(yīng)用模式，各個(gè)Mesh模塊可以靈活適應(yīng)，不需要人工分析、配置，從設(shè)備加電到系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)成功的時(shí)間不超過(guò)4分鐘。

4.2 關(guān)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力問(wèn)題

近年來(lái)，世界各國(guó)普遍重視無(wú)人機(jī)、系留氣球、飛艇等臨近空間飛行器的開(kāi)發(fā)，其作為空中通信中繼平臺(tái)的功能和性能日漸成熟。國(guó)內(nèi)某公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在4000米高空向8000平方公里面積的Wi-Fi信號(hào)覆蓋，Wi-Fi信號(hào)可以覆蓋直徑100千米的范圍。地面Mesh骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力主要取決于基站模式和發(fā)射功率，當(dāng)前Mesh產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)發(fā)射功率通常不超過(guò)30dBm（1W），在視距可見(jiàn)的情況下，固定Mesh站點(diǎn)間的距離可達(dá)幾十公里（定向天線(xiàn)高架情況下），車(chē)載Mesh基站（全向天線(xiàn)）的覆蓋范圍在1-2公里左右，便攜MESH模塊的覆蓋范圍不小于300米。可以預(yù)見(jiàn)，在惡劣災(zāi)害環(huán)境下，如果適當(dāng)提高基站發(fā)射功率，Mesh骨干網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力將會(huì)比上述標(biāo)準(zhǔn)明顯提高。

4.3 關(guān)于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支持問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問(wèn)題一直是Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)最難解決的問(wèn)題，但是路由算法等應(yīng)用機(jī)制的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，端到端的QoS機(jī)制越來(lái)越成熟完善，Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率越來(lái)越高，對(duì)話(huà)音和視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的支持能力也越來(lái)越好。現(xiàn)有的研究試驗(yàn)結(jié)果表明，規(guī)劃良好的Wi-Fi MESH網(wǎng)絡(luò)在靜止或運(yùn)動(dòng)情況下，均能夠較好的支持Ping、Http、Ftp、Email、視頻流、VOIP等業(yè)務(wù)。為了滿(mǎn)足像VoIP這類(lèi)實(shí)時(shí)通信應(yīng)用的要求，Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)可采用多模塊、多射頻和多信道的體系架構(gòu)，從而提供經(jīng)過(guò)多跳后高吞吐量、低時(shí)延和為語(yǔ)音流量設(shè)置高優(yōu)先級(jí)所要求的容量和覆蓋。便攜MESH模塊10跳之后，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不超過(guò)50ms。在10跳以上的情況下，每一跳的時(shí)延可以保持在4到5毫秒，大大低于語(yǔ)音所要求的120毫秒，使得語(yǔ)音這樣的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)得到最優(yōu)化。

4.4 關(guān)于網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)移動(dòng)性問(wèn)題

雖然Wi-Fi用戶(hù)本身不支持高速移動(dòng)，但是考慮到Wi-Fi用戶(hù)在高速移動(dòng)的車(chē)輛內(nèi)部是通過(guò)遠(yuǎn)程Mesh客戶(hù)端接人的，用戶(hù)終端與此客戶(hù)端是相對(duì)靜止關(guān)系，且目前車(chē)載Mesh系統(tǒng)已經(jīng)具備了高速移動(dòng)支持能力，能夠快速感知拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，車(chē)輛可以在高達(dá)300公里/小時(shí)的車(chē)速條件下保持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，在地形平坦的地區(qū)，采用全向天線(xiàn)，在有效通訊范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)可在時(shí)速150公里/小時(shí)的高速移動(dòng)狀態(tài)下達(dá)到6Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，在固定節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)中，Mesh拓?fù)淇山M成穩(wěn)定可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，即便任何一點(diǎn)或幾點(diǎn)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，不會(huì)影響整網(wǎng)的正常工作。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有頑強(qiáng)的生命力，被譽(yù)為“打不垮的網(wǎng)絡(luò)”。

5 結(jié)束語(yǔ)

Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)在部分場(chǎng)合得到成功實(shí)踐，成為了替代固定通信基站的理想方法，在如搶險(xiǎn)救災(zāi)等惡劣環(huán)境下，Wi-Fi Mesh網(wǎng)絡(luò)對(duì)于快速組織應(yīng)急指揮場(chǎng)所、搭建形成通信網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信平臺(tái)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，后續(xù)應(yīng)結(jié)合升空平臺(tái)等網(wǎng)絡(luò)載體的研究，進(jìn)一步形成區(qū)域通信平臺(tái)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)流程，并著力解決各種應(yīng)急通信手段互通不起來(lái)和帶寬不夠用的問(wèn)題，為災(zāi)害搶險(xiǎn)等任務(wù)提供有效方法。