无线网格网关键技术及其应用研

无线网格网关键技术及其应用研究

作者：傲丹 方旭明 马忠建 　来源：北极星电技术网 　  http://www.csai.cn  2005年08月08日

　　一、引言

　　随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行快速、准确的通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺点，达到通信的“无 所不在”，最近，人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网(WMN)［1，2］。

　　WMN是移动Ad Hoc网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动Ad Hoc网络的研究与开发。它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成是一种WLAN和Ad Hoc网络的融合，且发挥了两者的优势，作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。WMN被写入了IEEE802.16（即World Interoperability for Microwave Access，WiMax）无线城域网（Wireless Municipal Area Network，WMAN）标准中。

　　WMN技术作为一项能够实现灵活组网的技术以及它本身的诸多优势必将给无线宽带领域带来重大变革。

　　二、无线网格网的研究现状

　　2004年1月，IEEE802.11 Working Group正式专门成立了网格研究组（Mesh Study Group），同年3月又成立了网格任务组（Mesh Task Group），标志着WMN技术正式迈上了广泛标准化道路。另外，其他标准如802.15.3a、802.15.4和专用短程通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）也开始探索如何通过网格嵌入式设备来改进其现有技术，IEEE802.16已经将网格技术纳入其MAC层协议标准中［3］。

　　1.应用基础理论与技术研究

　　近10来，包括移动Ad Hoc网络和WMN在内的许多研究，已经取得了众多成果，主要有以下方面：①路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征；②媒体接入控制（MAC）协议的研究。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题，如MACA协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议等［4，5，6］；③在网络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心是节点密度与分布问题［7~11］；④在多播/组播协议、TCP协议、地址和带宽等网络资源分配、功率（节能）控制、安全性问题、分布式算法、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少［6］；⑤一些针对WMN的协议和系统仿真与实验研究有了一些新的结果［12，13］。在短距离Ad Hoc网络的构建上，最近一些学者正在研究蓝牙散射网关键技术［4，5］。

　　2.专利技术

　　与WMN相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。例如MeshNetworks公司2002年6月获得专利“为端到端和端到基础设施的通信网络提供无线业务消息存储转发的系统和方法”［14］。该专利提出了一种实现不在彼此传输范围内的移动节点和无线基础设施部件间进行无线通信的系统和方法，基本思想是利用了中间移动节点所具有的存储转发信息的能力。2004年4月，该公司获得专利“无线端到端Ad Hoc网络路由中对IP地址到MAC地址映射及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”［15］。该专利的主要思想是采用一个Hash函数将IP地址变换为一个6字节的MAC地址，并附加在路由广播中主动传输给其他节点。此外，摩托罗拉公司在2003年10月获得专利“在Ad Hoc网格网络中提高服务效率的方法和设备”，其中涉及在WMN中增强业务有效性的通信系统与设备［16］。Caly公司于2002年3月获得专利“网格无线网络中包数据通信协议”，其中主要涉及网格无线网络节点之间包数据的通信方法［17］。

　　3.应用系统集成

　　近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段，WLAN技术、蓝牙技术、移动Ad Hoc网络技术和超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）技术等取得了令人瞩目的成就。一般认为，未来的4G系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成［26］，其中包括未来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共电话交换网络、WLAN、移动Ad Hoc网络等，这些网络均集成到因特网骨干网或通过WMN集成到因特网中，而WMN可看作“因特网的无线版”。可见，WMN将是未来无线通信领域重大技术革新。

　　三、无线网格网的构成

　　在使用无线网格网技术建设的网络中，其拓扑结构呈格栅状，图1所示为一种典型结构。整个网络由下列组成部分构成：智能接入点（IAP/AP）；无线路 由器(WR)；终端用户/设备(Client)。

　　在图1中，AP也称无线接入点或网络桥接器，一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线路由器，AP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要将各个与无线路由器相连的无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备可以通过AP共享核心网的资源。IAP（智能接入点）是在AP的基础上增加了Ad Hoc路由选择功能。除此之外，AP/IAP还具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理，把传统交换机的智能性分散到接入点（AP/IAP）中，大大节省了骨干网络建设的成本，提高了网络的可延展性。在智能接入点的下层，配置无线路由器，即WR，从而为底层的移动终端设备（即用户）提供分组路由和转发功能，并且从智能接入点下载并实现无线广播软件更新。转发分组信息的路由根据当时可使用的节点配置临时决定，即实现动态路由。在该网络结构中，通过使用无线路由器(WR)可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。

　　终端用户/设备(Client)兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等常见的路由操作。

　　基于以上的结构，WMN有2种典型的实现模式。

　　1.基础设施网格模式（infrastructure meshing）

　　该模式在接入点与终端用户之间形成无线的回路。移动终端通过WR的路由选择和中继功能与IAP形成无线链路，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，从而形成无线的回路。同时移动终端通过IAP可与其他网络相连，从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性。

　　2.终端用户网格模式（client meshing）

　　终端用户自身配置无线收发装置通过无线信道的连接形成一个点到点的网络，这是一种任意网格的拓扑结构，节点可以任意移动，可能导致网络拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻，终端设备在不需要其他基础设施的条件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带网络，终端用户模式事实上就是一个Ad Hoc网络，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。

　　由于两种模式具有优势互补性，因此同时支持两种模式的网络将在一个广阔的区域内实现多跳的无线通信，移动终端即可以与其他网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其他用户直接通信，并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据，送往目的节点。WMN不仅可以看作是WLAN与Ad hoc融合的一种网络，又可看作是因特网的一种无线版本。

　　值得一提的是，目前的热点技术WiMax因其远距离下的高容量（近50km的覆盖距离以及高达70Mbit/s的宽带接入）等优势，吸引了众多无线宽带接入提供商的注意。从这些网络提供商保护投资的角度出发，如果要迅速发展WiMax，必然要与目前已经蓬勃发展的Wi-Fi相融合。从组网结构上讲，可以采用2种融合模式：①在WLAN中，因为AP的覆盖范围非常有限（最远只有数百米），用户在热点地区以外，可以采用WiMax继续接入网络享受服务，但是这种接入方案需要在终端设备中配置双网卡；②采用WMN的组网模式，即采用双层结构，骨干网采用WiMax技术，接入网采用Wi-Fi，其网络结构如图2所示。

　　四、WMN与其他通信网络的区别

　　1.与蜂窝移动通信系统的区别

　　(1)可靠性提高在WMN中，链路为网格结构，如果其中的某一条链路出现了故障， 节点便可以自动转向其他可接入的链路，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高；但是在采用星型结构的蜂窝移动通信系统中，一旦某条链路出现故障，可能造成大范围的服务中断。

　　(2)传输速率大大提高

　　在采用WMN技术的网络中，可融合其他网络或技术（如Wi-Fi、UWB等），速率可以达到54Mbit/s，甚至更高。而目前正在发展的3G技术，其传输速率在高速移动环境中仅支持144kbit/s，步行慢速移动环境中支持384kbit/s，在静止状态下才达到2Mbit/s。

　　(3)降低成本

　　在WMN中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且AP、IR等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备便宜得多。

　　2.与Ad Hoc网络的区别

　　WMN与Ad Hoc网络均是点对点网络。Ad Hoc网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式。WMN把Ad Hoc网络技术应用到移动节点同时又使移动节点可通过IAP连接到其他网络，因此可以把WMN看成是Ad Hoc网络技术的另一种版本。但WMN与移动Ad Hoc网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务，而对于后者，节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。虽然人们对Ad Hoc网络的研究已经有相当长的时间，但是主要还是在理论上，而且主要应用在军事上，还未进行大规模的商用。

　　3.与WLAN的区别

　　从拓扑结构上讲，WLAN是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因而数据不可转发。WLAN可在较小的范围内提供高速数据服务（802.11b可达11Mbit/s，802.11a可达54Mbit/s），但由于典型情况下WLAN接入点的覆盖范围仅限于几百米，因此如果想在大范围内应用WLAN的这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于WMN，则可以通过WR对数据进行不断转发，直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务延伸到几公里远。WMN的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。

　　五、WMN的关键技术

　　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［18，19］。

　　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［4，20］。

　　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）［4，21］。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［12］。

　　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［22］。

　　六、WMN的优势

　　WMN与传统无线网络相比有许多优势。

　　（1）可靠性大大增强

　　WMN采用的网 格拓扑结构避免了点对多点星型结构，如802.11 WLAN和蜂窝网等由于集中控制方式而出现的业务汇聚、中心网络拥塞以及干扰、单点故障，从而带来额外可靠性保证成本投资。

　　（2）具有冲突保护机制

　　WMN可对产生碰撞的链路进行标识同时可选链路与本身链路之间的夹角为钝角，减轻了链路间的干扰。

　　（3）简化链路设计

　　WMN通常需要较短的无线链路长度，这样降低了天线的成本（传输距离与性能），另一方面，降低了发射功率，也将随之降低不同系统射频信号间的干扰和系统自干扰，最终简化了无线链路设计。

　　（4）网络的覆盖范围增大

　　由于WR与IAP的引入，终端用户可以在任何地点接入网络或与其他的节点联系，与传统的网络相比接入点的范围大大的增强，而且频谱的利用率提高，系统的容量增大。

　　（5）组网灵活、维护方便

　　由于WMN网络本身的组网特点，只要在需要的地方加上WR等少量的无线设备，即可与已有的设施组成无线的宽带接入网。WMN网络的路由选择特性使链路中断或局部扩容和升级不影响整个网络运行，因此提高了网络的柔韧性和可行性，和传统网络相比功能更强大、更完善。

　　（6）投资成本低、风险小

　　WMN网络初建成本低，AP和WR一旦投入使用，其位置基本固定不变，因而节省了网络资源。WMN具有可伸缩性、易扩容、自动配置和应用范围广等优势，对于投资者来说在短期之内即可获得盈利。

　　七、技术方案与前景

　　1.加拿大北电网络技术方案

　　由图3可以看出，北电网络的无线网格网解决方案由无线接入点7220（Wireless AP）、无线网关7250和网络管理系统3个主要的网络元素组成。该网络是基于WMN的构架模式，它包括一个具有智能天线、综合路由器、适应性路由机制以及安全容量机制的点到点的结构，终端用户没有路由功能，它们通过RF方式与无线智能接入点联系，然后接入网络。该网不受网线限制，可以随时建立和拆除，它允许用户在一定范围内任何时候都可以访问网络，不需要指定明确的接入地点，用户可在网络中漫游［23］。

　　2.美国PacketHop公司技术方案

　　该公司给出的这种网格网结构，其最大应用意义在于：可以利用mesh技术覆盖不同网络之间的服务盲区，从而非常方便地实现移动终端在异构网之间的无缝漫游。

　　在异构网之间的服务盲区里，利用智能路由器或具有路由功能的移动终端自动形成网格网，使两个处于不同结构网络里的节点可通过网格网进行通信［24］。这一方案已经被美国金门大桥成功应用。WMN有着非常广的应用环境，如军事基地无线数据网和战场临时通信网，校园高速无线接入覆盖，家庭娱乐和无线传感器网络扩展，特殊行业无线企业网，电信业扩大无线增值业务覆盖，交通行业的高速无线宽带接入网络，为公共服务和安全行业及执法机构等提供客户即时信息、数据库访问及移动办公业务。总之，WMN市场目前还处于萌芽期，有非常大的市场潜力，随着WMN技术研究的不断深入，应用范围会越来越广。

　　八、结束语

　　本文介绍了一种宽带接入网络——WMN。作为一种新型的网络，由于其组网的快速灵活性、节点的分布性等优点，WMN可以提供高速的接 入速率，更是优于其他的接入方式。此外，由于其以少量的基础设施，构成覆盖范围广的高速无线网络，投资较小，技术相对成熟，网络建设时间短，便于升级。对于网络运营商具有巨大的诱惑力。我们认为，WMN既是WLAN的延伸，又可以作为3G的补充，解决了接入网的瓶颈问题。WMN在战场、救灾等特殊领域有着不可替代的作用，同时在我们的日常公共通信服务中也有着巨大的应用潜力。因此无线网格网技术将给无线宽带领域带来重大变革。

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