加强无线网络管理能力的MESH技术

    网络服务的最终是要满足用户需求，这也是城市网络建设时，最需要考虑的问题。全球各地无线城市的建设，最好是从社会各角落需求考虑，充分满足社会各层次用户的需求。

    Mesh网络的建立的能够为以使城市走向自动化的智能仪表数据读取的公共事业服务。但是，这种网络可以开辟其他新的应用，为其他政府工作人员提供帮助。除了为政府工作人员提供服务以外，城市Mesh网络最大的好处就是为市民提供无线接入服务。

 

     一、Mesh技术介绍

 

    无线Mesh网络是基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Ad hoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的一种有效手段。从某种意义上讲，Mesh网络更主要的是一种网络架构思想，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等。

 

    二、无线Mesh网络的基本原理

 

    使用WMN技术构建的网络，其拓扑结构呈网格状。在WMN中包括两种类型的节点：无线Mesh路由和无线Mesh终端用户，其网络主干由呈网状分布的路由器连接而成。 

    WMN有两种典型的实现模式：基础设施Mesh模式和终端用户Mesh模式。在基础设施Mesh模式中，在Internet接入点（IAP）和终端用户之间可形成无线回路。IAP通过路由选择及管理控制等功能，为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径。同时，移动终端通过IAP可与其他网络连接，提高网络自身的兼容性。 

    在终端用户Mesh模式中，终端用户通过无线信道连接形成一个点到点的网络。终端设备在不需要其他基础设施的条件下可独立运行，兼具主机和路由器的角色：一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等操作。 

    WMN与移动Ad Hoc网络的区别主要表现在两方面：一是组网方式不同。移动Ad Hoc网络是扁平结构，而WMN是分层和等级结构，在每层内部形成多个小Ad Hoc网络，不同层之间通过无线互连起来，做到集中控制管理和自由动态组网有机结合。二是解决的问题不同。移动Ad Hoc网络设计的目的是为了实现用户移动设备之间的对等通信，如在突发情况下快速布置网络，而WMN看重的是为用户终端提供无线接入，如与3G、WiMAX的用户进行无线宽带接入。

 

   三、无线Mesh网络的特性 

 

    1.自组织 

    网络节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围，并可连接至所有其他节点。 

    2.自愈 

    如果网络中的某台设备发生故障或从其拓扑位置上拆卸，网络会自动适应这种改变。即使发端与对端之间的连接涉及多台中继设备，网络也会找到从发端到对端的新的路由。 

    3.多跳式 

    每个网络节点和用户端设备（无线通信单元）均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由。 

    4.点对点网络 

    自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连接发端和对端，而不必通过中央管理节点。

 

    四、Mesh技术的优点 

    如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。

    Mesh网络是一种新型的无线网络架构，它的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号，传统的WLAN一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题由此迎刃而解，无线Mesh技术的出现，代表无线网络技术的又一大跨越，有极为广阔的应用前景。无线Mesh是一种非常适合于覆盖大面积开放区城的无线区域网络解决方案。

 

    五、无线Mesh网络关键技术

 

    1.正交分割多址接入QDMA技术

    QDMA技术是专门为广域范围内通信的最优化以及移动网格网系统设计的。它起源于军事领域，是为了在特殊环境或紧急状况下提供可靠的通信方式。QDMA技术使用直接序列扩频（DSSS）调制技术，工作在2.4GHz的ISM频段上。由于它在MAC子层使用多信道方式：3个数据信道和1个控制信道，因此，与单个信道相比更能适用于高密度的WMN终端设备。QDMA技术提供一个高性能的射频前端，这种前端含有类似于多抽头Rake接收机（一般用于蜂窝网络）的功能和一种克服射频环境快速变化的公平算法。

    QDMA可在较广的移动通信范围内提供较强的纠错能力，同时增强的抗干扰能力和信号的灵敏度可使基于QDMA技术的通信网络提供达到250mph的移动速度，而在实际多址环境应用中的IEEE802.11协议只能达到20mph。目前QDMA数据传输的范围达到1600m，而802.11b只有20~50m。除了通信的范围和速率外，QDMA更独特的是内置的定位技术能够对通信设备进行精确定位而不依赖于全球定位系统（GPS），误差不超过10m。

 

    2.隐藏终端问题处理技术

    由于WMN采用无线传输媒质，因此它与其他无线传输网一样，不可避免地存在隐藏终端和暴露终端问题。由于无线媒质的特殊性，隐藏终端问题都可能发生，都会导致信号碰撞的发生。目前可通过IEEE802.11中的RTS/CTS协议（请求发送/允许发送协议）来避免，但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问题。

    尽管通过握手机制可以减少隐藏终端问题中冲突的概率和时间，但仍存在节点之间控制报文的冲突，而且不能解决暴露终端问题。事实上，WMN可看作简化的Ad Hoc网络，因此可根据Ad Hoc网络中的一些已有的成熟的方案来解决隐藏终端和暴露终端问题。

 

    3.路由技术

    WMN的多跳无线网具有动态拓扑的特点，因此对它的路由协议就存在很多要求。WMN的路由协议可以参考Ad Hoc网络现有的一些路由协议。Ad Hoc网络的路由协议大致可以分为先验式（Proactive）路由协议、反应式（Reactive）路由协议以及混合式路由协议。 

    目前几种典型的路由算法有：DSDV（目的序列距离矢量路由协议）、DSR（动态源路由协议）、TORA（临时按序路由算法）和AODV（Ad Hoc按需距离矢量路由协议）。最近，微软公司提出了一种多无线收发器、多跳无线网络的路由协议MR-LQSR，主要思想是在DSR协议的基础上采用最大吞吐量准则，已经开始考虑WMN的特征。

 

    4.正交频分复用OFDM技术

WMN物理层可以采用正交频分复用OFDM技术。OFDM技术是将高速的数据流通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个正交子信道中，在每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。所采用的数字信息调制有时间差分移相健控（TDPSK）和频率差分移相键控（FDPSK），以快速傅里叶变换（IFFT和FFT）算法实施数字信息调制和解调功能。

由于无线信道的频率选择性，所有的子信道不会同时处于深的衰落中，因此可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，利用信噪比高的子信道提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上能抵抗这种干扰。OFDM结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大程度提高系统性能，使WMN性能得到进一步优化。

 

    六、无线Mesh网络可扩展性相关技术

 

    1.Mesh基站可扩展技术

    根据无线Mesh基站的特点，其可扩展性相关技术主要包括信道分配技术、智能路由技术以及多天线技术等几个方面。

    (1)信道分配技术：由于无线Mesh基站承担着骨干节点的作用，因此其采用多信道的方式进行传输几乎是必不可少的。在实际的系统中，无线Mesh基站一般是多模的，即可以在多种空中接口(如IEEE 802.11a/b/g等)上传输，这样才能满足实际传输的需要。

    (2)智能路由技术：智能路由技术是无线多网络的核心技术，路由算法直接影响到整个无线Mesh网络的性能。经过多年的发展，针对Ad Hoc网络的路由协议的研究已经有了很多实用的成果，也涌现了很多经典的路由算法，主要可以分为先验式、反应式以及混和式路由协议。

    (3)多天线技术：多天线技术的作用主要在于提高无线Mesh网络的容量、改善网络路由性能、优化网络能量消耗、协助进行节点定位以及提高用户的QoS保障能力等。另外，由于多天线技术的应用可以提高容量以及增加覆盖范围，因此也可以极大地改善无线Mesh网络的可扩展性。

 

    2.Mesh移动台可扩展技术

    Mesh移动台的可扩展性涉及的主要技术有：信道分配技术、节点分类和QoS分级技术、协作传输技术等。

    (1)信道分配技术：为了提高多跳网络的性能，未来的无线Mesh网络中的移动台也可以是多模的，如配置IEEE 802.11b/g等等。IEEE 802.11b/g在2.4 GHz到2.4835 GHz上有3个不重叠的信道。这样，Mesh移动台也可以采用不同的空中接口或者运行在不同的信道上，用于与Mesh基站之间的互联互通。

    (2)节点分类和QoS分级技术：QoS分级的方法以改善无线Mesh网络的可扩展性。对于不同的QoS业务，设定不同的下一个可接入时段长度以及需要等待的时间。通过QoS分级方法以及设定冲突指示，可以改善密集Mesh网络的可扩展性问题。

    (3)协作传输技术：与Mesh基站不同，在Mesh移动台端很难配置多个天线。即使可能配备两个天线，也往往共用一个射频模块，通过发射天线选择来取得有限的空间分集增益。但是，多个Mesh移动台可以采用协作传输技术来取得更大的分集增益。

 

    七、Mesh技术最适合的八个热点应用

    家庭――移动通信的需求 

    企业――点到多点传输数据的需求 

    学校――多点布网的需求 

    医院――医疗实践的需要 

    旅游――休闲场所，解决游客的无聊

    公共安全、应急反应、快速部署和临时安装

    战争及紧急状态的需求

    工矿企业的生产需要

 

    八、无线Mesh网络所面临的挑战

    1.互操作性

    目前影响无线Mesh技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性。正如任何一种新兴的网络技术刚出现时一样，无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准，用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线Mesh产品，要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题。

鉴于此，目前一些公司正在开发能够适应不同无线环境的可配置的无线网络设备，互操作性有望得到一定程度的解决。但要想彻底解决互操作性问题，最终还需要业界制定统一的无线Mesh技术标准。

    2.通信延迟

    既然在Mesh网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，随着无线Mesh网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。一些对通信延迟要求高的应用，如话音或流媒体应用等，可能面临无法接受的延迟过长的问题。

目前解决这一问题主要是通过增加Mesh节点以及合适的网络协议。随着多无线Mesh节点技术的出现这一问题将得到最终解决。

    3.安全问题

    与WLAN的单跳机制相比，无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。Internet本身即是使用Mesh方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周知的。

尽管有线网络中使用的各种端到端安全技术，如虚拟专用网（VPN）同样可以用来解决无线Mesh的安全问题。但正如Internet一样，无线Mesh网络的安全是一个不容忽视的问题。