无线Mesh网络技术的研究及应用

　　前言：无线Mesh网络是从移动Adhoc网络分离出来的，继承了部分WLANs技术发展中较新的网络技术。严格地说，无线Mesh网络(WMNs)是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络，与传统无线网络有较大差别[1]。传统的无线网络必须首先访问集中的接入点(AccessPoint，AP)才能进行无线连接。这样的话，即使两个相邻的节点，它们也必须通过接入点才能进行通信。而在WMNs中，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。“Mesh”这个词原来的意思就是指所有节点都互相连接[2]。
　　关键词：无线Mesh网络；路由协议；无线城市
　　1、无线Mesh网络网络层路由协议的分类及探究
　　在无线Mesh网络技术的研究中，路由协议是其中的关键内容。传统的无线网络可以看作一个单跳网络，它的分组处理不需要通过网络层，而主要使用的是数据链路层的信道接入控制。而Mesh网络是一个多跳网络，因此，数据包选择哪条路径进行转发非常重要。
　　1.1多信道路由协议
　　多信道资源可在无线网状网络中充分利用，而多信道方式又可分为单收发器和多收发器。它们对提高WMN的网络吞吐量有较大作用。有关单收发器和多收发器多信道的协议主要有：
　　1)使用单收发器多信道路由协议MCRP(Multi．ChannelRoutingProtoc01)能在彼此不受干扰的情况下在同一区域中使用多信道资源。由于单个节点只能侦听一个信道，信道的分配工作必须由路由协议完成。
　　2)MR．LQSR[3]，微软公司提出的一种使用多收发器多信道的路由协议，WCETT(WeightedCumu]afiveExpecledTransmissionTime)为其中适应多信道条件下的路由判断依据。WCETT综合考虑了最小条数和链路性能质量，较好地平衡了时延和吞吐量。
　　1.2路由选择多标准协议
　　最小条数是现有的许多路由协议的路由判据，但其有效性在实际应用中未能令人满意。路由选择多标准协议因此出现，它能解决路径质量差而导致的影响网络吞吐量等性能问题，正确反映出链路质量对各个指标的影响。
　　基于DSR的LQSR(LinkQualitySourceRouting)就是这样一种路由协议。LQSR以ETX、RTT和PktPair作为三种判断的标准，依据链路质量寻找路由。试验表明，最小跳数路由和分别以这三种标准为路由选择依据做比较，可以得出：对于无线Mesh网络中的固定节点，ETX效果最好。但对于移动节点，最小跳数方案效果最佳。这是由于在发送节点的移动时，ETX方式无法快速跟踪到链路质量的变化。可见，对于移动的节点，路由选择的依据若采用上述的标准，效果差强人意，必须要综合考虑多种因素。
　　1.3多速率路由协议
　　无线Mesh网络使用的协议可使用多速率传输机制。在实际应用中,长距离链路可以相应减少跳数，但传输速率低，短距离链路可以提高传输速率，但跳数增加。因此路由协议在多速率机制里的影响必须予以考虑。
　　
　　媒体时间度量MTM(MediumTuneMetric)就是为了解决多速率路由选择的问题而提出。网络吞吐量与数据包发送路径上占用的媒质时间成反比。根据媒质占用时间，MTM路由协议给网络中每条传输链路分配相应权值。具有最小权重值的路径就是路由算法选择的优化路径[4]。
　　1.4多路径路由协议
　　在多路径路由中：源地址和目的地址之间的多条可用路径由路由选择算法确定，数据包可任意选择其中一条路径进行传输。当出现连接失败时，数据包能立刻从由路由算法确定的其他路径重新传输。
　　当前的两类多路径协议：分离多径路由SMR(SplitMultipathRoutingwithMaximallyDisjointPaths)和多径源路由协议MSR(MuMpathSourceRouting)。SMR是在DSR的基础上作了一些改进，它的优点是能获取较多的非独立路径，缺点是发送RREQ包较多。MSR是在DSR的基础上扩展而来的，着重分析了在QoS方面就如何在多路径上进行负载分配来获得最小延时，但路由发现策略并没有实现独立的多路径是其不足之处。
　　2、无线Mesh网络在构建无线城市中的应用
　　无线城市提供遍布城市的无线提供网络服务，在市政、公共设施、办公楼、学校、住宅小区等场所为各种数据、语音和视频终端提供无线接入，如PDA、笔记本、摄像头、Wi-Fi手机、环境感应器等等。借助无线网络，可以为公众提供更便捷的服务。
　　
　　2.1工作方式
　　无线城市是由成百上千的网络节点，使用multi-channel、multi-radio的方式组建Mesh无线网状网络的基础架构系统，Mesh拓扑结构保证任何两个节点之间链路视距可达，避免了高大建筑等阻挡物。每个无线网络节点采用多个不同的信道同时工作，全网充分利用了2．4GHz和5GHz频段，提供效能并且避免大规模覆盖的干扰，而且每个无线网络节点内置多个功能不同的模块，分别处理用户接入和Mesh骨干业务，每跳带宽损耗低。
　　整个网络的数据处理转发决策由网络服务器模块的分布式处理机制决定，通过在多个光纤接口实现视频监控流在无线网状网络中的流量均衡。
　　2.2影响因素
　　在无线城市的建设过程中，各方面的原因都会产生不同的影响因素，而每一个因素都会影响整个网络的性能，这就要求在建设过程中充分考虑。以下就常见的链路信号强度预算，在移动中怎么防止多普勒效应的影响以及无线漫游三个方面分析一下它们如何影响到网络的性能。
　　1)链路信号强度预算
　　一般来说，由于存在较多的高大建筑物，在城市范围内部署无线网络都会受到非视距(LineofSight)问题的困扰，而这使得无线网络的中心基站与边缘基站之间存RF射频衰减因子模型为：
　　
　　节点之间的连接最大范围基于明确的视线条件，在天线波束(FresnelZone)路径中没有任何障碍物。基于RF衰减公式和经验数据，对实际的射频情况进行精确的计算和规划设计。
　　在桥接长距离的情况下，必须考虑到地球的曲率因素所引起的地表障碍情况，应该架高天线，减小信号与地表接触所导致的信号削弱的可能，而且由于无线信号的传送不是完全直线的(FresnelZone现象)，在架设天线的时候还必须考虑到Fresnel半径问题。因此天线的高度的确定必须结合此两种因素，从而保证无线连接的稳定高效[5]。
　　2)多普勒效应
　　当波源与接受方存在速度差异时，频率会有不同程度的“扭曲”，这就是多普勒效应。对于高速移动和快速切换的应用中，需要考虑多普勒效应的影响，多普勒效应对电磁波(RF信号)同样具有影响。
　　如波源静止，观察者相对于媒质运动：
　　
　　如上图，当观察者向着波源运动时(v0>0)时，在单位时间内，原来处在观察者处的波面向右移动U的距离，同时观察者自己向左移动了vo距离。这就相当于波通过观察者的总距离为(u+v0)，因此，在单位时问内，观察者接收到的“完整波”数目等于(u+v0)距离内的完整波数目，即观察者收到的频率为
　　
　　式中v为波的频率。由于波源在媒质中静止，波的频率等于波源频率，因此有
　　
　　这表明，当观察者以速度v0向着静止波源运动时，接收到的频率为波源频率的(1+v0／u)倍。当观察者背离波源运动(v0<0)时，上式仍然适用，只要将v0以负值带入即可，那时观察者接收到的频率要小于波源频率。当v0=-u时，则u0=0，相当于观察者随着原来的波阵面一起运动，也就接受不到振动了。
　　3)无线漫游
　　无线Mesh网的漫游在无线城市的设计中非常重要，这个提法有些类似与互联网的二层结构和三层结构，在这里将无线Mesh网也划分为两种类型：基于网络二层的无线Mesh网和基于网络三层的无线Mesh网。[6]
　　在OSI的网络分层模型里，第二层是数据链路层，第三层是网络层。从TCP/IP的角度来看的话，基于网络二层的无线Mesh网是把整个无线Mesh网当作一个IP子网。这个IP子网是一个完整的广播域。而基于网络三层的无线Mesh网则允许把整网划分为多个IP子网。各子网之间的通信是通过IP路由来实现的。虽然基于二层的无线Mesh网实现起来可能简单一些，但却有很多的缺点。比如一个IP子网是一个完整的广播域，在网络中，广播的流量是相当耗费资源的东西，所以应尽量地限制一个广播域的范围，否则网络的性能将不可忍受。而人们将整个因特网划分成如此多个IP子网来实现就是因为只有这样才能限制一个个广播域的范围，使之便于管理，提高因特网的可扩展性。同理，无线Mesh网作为网络的一种，同样要限制广播域的范围。在网络规模还非常小的时候，基于二层的方法可能还没有大问题，但如果无线Mesh网要覆盖稍大的区域时，就只有基于网络三层的无线Mesh网才可以。
　　因此在无线城市设计及建设中，基于三层的无线网状网在网络的可扩展性及网络性能方面具有明显优势，这也是三层的跨子网漫游能够获得支持的主要原因。
　　参考文献：
　　[1]方旭明等，“下一代无线因特网技术：无线Mesh网络，”北京：人民邮电出版社，2006年5月．
　　
　　[2]许建，杨庚．无线Mesh网络路由协议研究．江苏通信技术，2006．V0122．No．3：11．15