基于衛星及無線Mesh網的組網技術研究與應用

付榮國++肖飛+鄭黃海+張耀

摘 要： 針對地震現場應急通信網絡時間突發性、地點不確定性、業務緊急性和信息多樣性等特點，提出一種基于衛星及無線Mesh網的組網方法。首先，對無線Mesh網概念及其特點、組網模式進行闡述；其次，對無線Mesh網組網的關鍵技術進行詳細探討；結合衛星通信技術特點，對基于衛星及無線Mesh網的組網方法進行詳細設計并實現。該組網方法是一種搭建現場應急通信網絡平臺行之有效的方法。

關鍵詞： 衛星通信； 無線Mesh網； 組網技術； 應急通信

中圖分類號： TN915?34； TN927 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）11?0021?04

Research and application of networking technology

based on satellite and wireless Mesh network

FU Rongguo， XIAO Fei， ZHENG Huanghai， ZHANG Yao

（Emergency Rescue Center， Earthquake Administration of Jiangsu Province， Nanjing 210014， China）

Abstract： Aiming at the characteristics of time suddenness， location uncertainty， business urgency and information diversity of the emergency communication network at earthquake site， a networking method based on satellite and wireless Mesh network is put forward. The concept， characteristics and networking mode of wireless Mesh network are described. The key technologies of wireless Mesh network are discussed in detail. The characteristics of satellite communication technology are combined to design and implement the networking method based on satellite and wireless Mesh network in detail. The networking method is an effective one of the site comnunication network platform.

Keywords： satellite communication； wireless Mesh network； networking technology； emergency communication

0 引 言

我國是一個地震災害非常嚴重的國家，具有地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣等特點[1]，特別是近年來汶川8.0級、玉樹7.1級、雅安7.0級等強烈地震相繼發生，并產生了巨大影響。這些強烈地震往往會對通信基礎設施造成破壞，甚至損毀，使受災地區對外通信中斷，受災地區成為完完全全的信息孤島[2]，給救災組織、指揮調度、人員搜救、自救和次生災害預防等工作造成重大困難。因此，在地震現場需要利用各種通信資源快速有效地建立一種覆蓋面積大的暫時性應急通信網絡來實現實時的災情信息傳遞及上報[2?3]，為救災組織、輔助決策、指揮調度等提供有力保障，以最大限度降低災難損失和維護社會穩定。本文針對震后應急救援、信息傳輸等通信需求，提出一種基于衛星及無線Mesh網的現場組網方法，從而可以在震后復雜的現場環境下第一時間內快速投放組網，并大面積覆蓋，實現現場震情、災情信息采集的實時傳輸，為現場指揮部和后方指揮部應急救援指揮提供重要支持。

1 無線Mesh網

無線Mesh網也稱無線網狀網（簡稱WMN），是基于自組織網絡（Ad Hoc網）開發的無線多跳網絡技術。無線Mesh網絡處理消息的方式是把信息包從一個節點傳遞到另一個節點，直到信息包到達目的地。每個WMN的節點既可作為接入終端，也可具有路由和信息轉發功能。WMN運行方式像因特網，并提供從源頭到目的地的多條冗余通信路徑，即一條路徑由于硬件故障或干擾停止工作，WMN會自動改變信息包路由，使數據通過一條替代路徑進行傳遞。

1.1 網絡特點

WMN主要由包括一組呈網狀分布的無線路由（Access Point，AP）構成，AP均采用點對點方式通過無線中繼鏈路互聯，將傳統WLAN中的無線“熱點”擴展為真正大面積覆蓋的無線“熱區”，WMN具有以下特點：

（1） 自配置。WMN中AP具備自動配置和集中治理能力，簡化了網絡的治理維護。

（2） 自愈合。WMN中AP具備自動發現和動態路由連接，消除單點故障對業務的影響，提供冗余路徑。

（3） 高帶寬。將傳統WLAN的“熱點”覆蓋擴展為更大范圍的“熱區”覆蓋，消除原有的WLAN隨距離增加而導致帶寬下降。另外，采用Mesh結構的系統，信號能夠避開障礙物的干擾，使信號傳送暢通無阻，消除盲區。

（4） 高利用率。高利用率是WMN的另一個技術優勢。在單跳網絡中，一個固定的AP被多個設備共享使用，隨著網絡設備的增多，AP的通信網絡可用率會大大下降。而在WMN中每個節點都是AP，一旦某個AP可用率下降，數據會自動重新選擇一個AP完成傳輸。

（5） 兼容性。Mesh采用標準的802.11b/g制式，可廣泛地兼容無線客戶終端。

（6） 覆蓋范圍大。WMN支持多跳中繼，終端用戶可以通過路由器或其他節點中繼接入網絡，從而大大拓展網絡覆蓋范圍，并可根據需求快速布置接入點，實現廣域覆蓋。

1.2 組網方式

WMN的系統結構根據組網方式的不同分為三類[4?6]：骨干網Mesh結構、終端Mesh結構和混合結構。

1.2.1 骨干網Mesh結構

骨干網Mesh結構又叫分級結構，該結構是在接入點（AP）或基站（BS）與終端用戶之間形成無線回路。移動終端通過Mesh路由器的路由選擇和中繼功能與AP/BS形成無線鏈路，AP/BS通過路由選擇及管理控制等功能為移動終端選擇與目的節點通信的最佳路徑，從而形成無線的回路。同時移動終端還可通過AP/BS與其他網絡互聯，實現無線寬帶接入。該結構能有效降低系統成本，提高網絡覆蓋率和可靠性，但容易造成單點負載過重，網絡性能下降。

1.2.2 終端Mesh結構

終端Mesh結構是由終端用戶自身配置無線收發裝置，通過無線信道的連接形成一個點到點的網絡。這是一種任意網格的拓撲結構，節點可任意移動，網絡拓撲也隨之變化。在這種環境中， 由于終端的無線通信覆蓋范圍有限，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉發進行數據通信。該結構任一時刻終端設備不需其他基礎設施，可獨立運行。終端用戶模式事實上就是一個移動Ad Hoc網絡，它可以在現有網絡基礎設施沒有或不便利用的情況下提供一種通信支撐環境，缺點是網絡吞吐量較低，網絡規模較小。

1.2.3 混合結構

混合網絡結構不僅有骨干網的形式而且還能使終端Mesh化，也就是說它混合了骨干網和終端網結構，具有骨干網和終端網的優勢。Mesh終端通過Mesh路由接入骨干Mesh網，實現與因特網，WLAN，WiMax，蜂窩和傳感器網絡等的互聯；同時，終端既與骨干網絡相連，又可與其他終端用戶直接通信，并作為中間路由轉發其他節點的數據，從而增強網絡的覆蓋范圍。

2 無線Mesh網組網關鍵技術

無線Mesh網由于其具有無線傳輸、開放式等特性，導致信號易被干擾、鏈路易擁塞、安全性較差，因此，必須采用有效的組網技術避免網絡內部信道相互干擾，降低路由算法的復雜度，提高網絡安全。目前對WMN組網技術的研究主要包括三個方面：MAC（Media Access Control）協議、路由協議及安全機制。

2.1 MAC協議

為適應無線業務應用需求，WMN需要更復雜、高效的MAC協議，因此MAC協議成為WMN的一個研究熱點[7]。MAC協議主要提供無線信道資源分配與管理，要實現WMN多跳節點間對資源的協商，WMN的MAC層可采用單信道或多信道方式，對應的MAC協議也可分為單信道MAC協議和多信道MAC協議。

單信道MAC協議沒有專門的控制信道，采用信令和數據混合發送的策略。在WMN中通?？刹捎萌N不同的方式設計單信道MAC協議，即修改已有的MAC協議、跨層設計和完全創新的MAC協議。單信道MAC協議基本采用競爭方式或者TD方式，相對比較成熟，但對大規模節點的網絡來說效率低下，難以消除隱藏終端/暴露終端問題，且會限制網絡吞吐量，難以提供服務質量保證，因此目前對WMN研究傾向于采用多信道MAC協議。

多信道MAC協議采用多個非疊加的信道，將單個沖突域變為多個沖突域，從而提高整個網絡吞吐量。現有的多信道MAC協議按不同的信道資源分配方式可分為以下幾類：靜態信道分配、動態信道分配、集中式信道分配和分布式信道分配。

相對于單信道，多信道MAC協議雖使得網絡吞吐量提高，但又帶來了信道利用率下降的問題[8]。因此，多信道MAC協議的設計應該遵循節點同步、節點信道利用率高和高帶寬、低時延的基本要求。對于多信道的MAC 協議，它應該不僅僅提供信道資源的協商和分配，同時也要研究如何避免多信道的使用帶來的其他問題。事實上，WMN中多信道MAC協議設計主要以網絡的成本與性能來衡量。

2.2 路由協議

雖然WMN基于Ad Hoc網，且Ad Hoc網路由協議已比較成熟，但WMN作為多跳無線網絡，其網絡結構更復雜，實際應用更多元化，所以其路由協議具有自身特點[7]：

（1） 適應網絡拓撲變化。WMN網絡拓撲結構容易變化，WMN路由協議需要根據拓撲結構變化及時更新，以保證鏈路出現故障時能快速找到新路由，恢復網絡連通性。

（2） 低時延少開銷。WMN網絡多跳和無線信道資源有限，故WMN路由協議的路由開銷應盡量少，占據較少系統帶寬，其帶寬和時延控制要能支持實時數據流業務傳輸。

（3） 算法復雜度低。WMN路由協議算法的計算復雜度要低，滿足網絡快速收斂要求。

相比于傳統的Ad Hoc網路由協議，WMN由于Mesh路由沒有能耗限制，且移動性較小，因此WMN路由協議的設計目標主要是提高網絡的吞吐量。另外，WMN的路由選擇還需考慮鏈路質量狀況，以實現網絡負載均衡[9]。現有的WMN路由協議在路由選擇上應綜合參考多個網絡性能指標，如跳數、往返時延RTT （Round?Trip Time，RTT）、吞吐量、鏈路狀態等。

目前對WMN路由協議的研究十分活躍，常用的WMN路由協議主要分為表驅動路由協議和按需路由協議。

表驅動路由協議要求網絡中每個節點保存和維護到其他節點的所有路由信息，典型的有DSDV （Destination?Sequenced Distance Vector） ，特點是在Bellman?Ford 路由算法基礎上引入新的目的節點序列號以避免環路路由，但當網絡規模大時，路由表很大，容易導致網絡沖突，故總體效率不高。

按需路由協議的特點在于節點只有在發起數據業務請求時路由才尋址到目的節點，典型的有DSR（Dynamic Source Routing）和AODV（Ad Hoc On?Demand Distance Vector）。按需路由協議的缺點在于路由的發現過程在無線多跳環境下有相對較大的延遲和帶寬占用。

2.3 安全機制

WMN依靠無線傳輸，因此面臨著和其他無線網絡一樣的安全問題：首先，無線信道易被竊聽和干擾；其次，節點和終端設備易丟失，造成信息泄露，甚至網絡癱瘓；第三，其分布式結構導致沒有中心授權機構負責密鑰管理及分發。目前，WMN主要采用的安全技術有身份認證、加密算法、入侵檢測等[10]。

2.3.1 節點身份認證

由于WMN用戶終端是分布動態變化的，因此對新加入的設備需進行認證，節點身份認證最常用的是分布式和集中式兩種模式。分布式采用數字證書或預分配共享密鑰模式（PSK），但要注意的是PSK模式無法提供源身份的識別；集中式采用AAA認證服務器，身份通過后才能參與后面的密鑰協商、密鑰交換、路由更新等。

2.3.2 加密算法

目前應用最廣泛的加密協議有3種：有線對等保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）、無線保護訪問（WiFi Protected Access，WPA）及WPA2加密協議。WEP密鑰長度最初為64位，后來擴展到128位；WPA是引入了一個新的增強型的WEP協議（暫態密鑰完整性協議，Temporal Key Integrity Protocol，TKIP），同時引入了每包密鑰（Per?Packet Key）概念，因此每個數據包都被授予屬于它自己的密鑰；WPA2是基于WPA的一種新的加密方式，用一種稱為高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法取代了WPA中算法，所以安全性更高。

2.3.3 入侵檢測

WMN采用無線開放鏈路，且節點沒有物理保護易被偷竊、捕獲，因此網絡很容易被入侵，同時還需防范內部入侵。目前入侵檢測方法使用較多的有三種：

（1） 獨立入侵檢測：每個節點自己運行檢測程序，獨立對事件進行反應。

（2） 分布合作式入侵檢測：部分節點運行入侵檢測程序，通過互相協作實現入侵檢測，并對事件進行反應。

（3） 層次式入侵檢測：由一個主控節點對子節點進行控制，由主控節點負責分析和反應。

3 基于衛星及WMN的現場組網方法

衛星通信是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發無線電波，在兩個或多個地球站之間進行通信，實際上是微波接力通信的一種特殊形式[11]。衛星通信具有通信距離遠、覆蓋范圍廣且無縫隙覆蓋、通信容量大、抗毀能力強、機動能力好、建立通信鏈路快、容易部署等優勢，缺點是傳輸時延大，資源稀缺，存在盲區，容量有限，易受天氣等因素干擾，且使用成本很高。衛星通信既可用于平常的地面固定線路傳輸備份線路，又能夠在緊急情況下快速建立廣域網通信鏈路，非常適合地震等突發事件緊急情況下對應急通信廣度的需求。

將衛星通信與無線Mesh網的優點有效結合，組建基于衛星及無線Mesh網的地震應急現場通信網絡，既可利用衛星通信的特點擴大網絡的通信范圍，又可利用WMN結構靈活、健壯性好、自愈能力強、部署快、易安裝、成本低等優點，提高地震現場應急通信網絡的組網能力和擴展性。

3.1 組網步驟

（1） 利用文獻[1]的研究成果組建基于基礎設施骨干網結構的無線Mesh網，具體方法如下：首先，將一定數量Mesh路由器互聯組成骨干網；其次，各Mesh路由器在其網絡覆蓋范圍內連接無線路由器（WR）；再次，筆記本計算機、智能手機、平板電腦、PDA等移動終端與區域內的WR互聯，最終Mesh路由器、無線路由器（WR）和各移動終端組成多跳的Mesh網絡。

（2） 無線Mesh網通過網關接入衛星通信車的通信系統，具體連接方式為：無線Mesh骨干網與車載Mesh網關節點互聯，車載Mesh網關節點再與衛星通信車現有通信系統的交換機互聯，實現無線Mesh網與應急通信車的通信。

（3） 利用衛星通信車上的衛星通信終端通過衛星通信線路實現與后方地面固定通信基站的互聯，最終實現無線Mesh網與后方指揮中心通信系統的互聯互通。詳細網絡連接如圖1所示。

3.2 主要設備及技術

（1） 衛星通信系統采用江蘇省地震局現有的Ku波段的亞洲四號同步衛星通信系統，包括VSAT地面固定站、車載VSAT通信終端、衛星通信機、上變頻信號放大器、下變頻信號放大器及衛星天線系統等。

（2） Mesh網關選用具有將網關和接入控制（Access Controller，AC）功能集一體的多業務無線控制器，實現將Mesh骨干網接入應急通信車系統和對Mesh路由、無線路由器（WR）及終端用戶的接入控制和管理。

（3） 無線Mesh骨干網中的Mesh路由選用同時具備三個射頻（如一個射頻為2.4 GHz，一個射頻為5 GHz，另一個射頻可根據終端情況在2.4 GHz/5 GHz間可調）功能的無線AP，一個射頻負責與Mesh網關節點互聯，一個射頻負責接入Mesh骨干網，另一個可調射頻負責骨干網下層網絡接入。

（4） 無線路由器（WR）與Mesh路由器互聯采用無線分布式系統（Wireless Distribution System，WDS）方式，從而利用WDS同時提供無線信號覆蓋和無線橋接兩種功能實現無線網絡的擴展和網絡覆蓋的延伸。

3.3 網絡特點

使用該組網方案組建的網絡具有IP骨干網、無線Mesh骨干網和無線Mesh客戶網三層分級結構，具有如下特點：

（1） 分級結構和Mesh網絡的使用使得網絡易部署和擴展，同時可減少參與網絡自組織和動態路由的節點數量，降低組網開銷。

（2） 利用衛星通信車已有的集群通信系統、WiMAX無線網絡、WiFi無線網橋等無線通信方式，實現與現場其他通信系統的互聯和協同工作。

（3） 利用衛星通信車的車載衛星通信系統與后方應急指揮中心衛星通信，實現現場與后方的音視頻互聯互通，該車載衛星通信系統具有體積小、重量輕、可靠性高、操作簡便等特點。

（4） 無線Mesh骨干網中的Mesh路由使用多射頻技術，有一個自動可調射頻，使得Mesh骨干網下層的無線路由器（WR）不需要在同一信道，能夠有效防止Mesh骨干網下層網絡設備間的相互干擾。

4 結 語

通過對衛星通信、無線Mesh網及其組網技術的研究，提出一種基于衛星及無線Mesh網的現場組網方法，該方法具有組網快速、部署靈活、容易擴展、網絡覆蓋范圍大、通信距離廣、網絡終端移動性好、抗毀性強等特點，是一種搭建現場應急通信網絡平臺行之有效的方法，但還有一些問題需要進一步研究解決：

（1） Mesh路由與WR互聯采用WDS方式，基本解決了信號覆蓋和傳輸，但WDS是單信道MAC協議，會限制網絡吞吐量，難以提供服務質量保證，需要在今后加強研究，如采用多信道MAC協議。

（2） 當Mesh網規模變大時，相互間容易影響，降低網絡傳輸性能，甚至擁塞，需要在今后對網絡劃分和路由協議選擇進行研究分析和測試，如網絡規模較大時，可將網絡分簇[12]，簇頭協調簇內節點信道分配和代表簇內節點參與路由計算，簡化信道分配和路由算法，從而改善網絡傳輸性能并方便管理。

（3） 雖然使用無線控制器作為網關能夠實現接入控制和管理，但無線Mesh網絡使用無線電波傳輸，容易遭受如路由攻擊、非授權訪問攻擊、竊聽等，因此，在實際中如何既能保證鏈路傳輸的安全性，又不影響網絡的傳輸性能及組網的靈活便捷，需要進行研究。

參考文獻

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