浅谈MESH无线网络的研究与应用

【摘要】 有线网络是目前油田广泛使用的网络，但有线网络始终存在两个不尽如人意的地方。一方面，因地理环境的限制，使得有线网络很难实现进一步的延伸；另一方面，随着移动计算设备的日益普及，有线接入点的固定性使得笔记本电脑等手持设备还不能成为真正意义上的自由存取网络的移动工具。无线网络的出现解决了有线网络无法克服的困难。

【关键词】 Mesh无线网络 Mesh路由器 MAC技术 WGW路由技术 非视距传输

有线网络是目前油田广泛使用的网络，但有线网络始终存在两个不尽如人意的地方：一方面，因地理环境的限制，使得有线网络很难实现进一步的延伸；另一方面，随着移动计算设备的日益普及，有线接入点的固定性使得笔记本电脑等手持设备还不能成为真正意义上的自由存取网络的移动工具。无线网络的出现解决了有线网络无法克服的困难。首先无线网络适用于很难布线的地方，如复杂街区、建筑物群内外、家庭内等，或者经常需要变动布线结构的地方。另外，因为无线网络支持十几公里的区域，因此对于油田这种点多线长的布线范围，Mesh无线网络非常适用。虽然无线网络有诸多优势，但无线网络与有线网络是互补的关系，而不是竞争。与有线网络相比，由于其具有部署快、成本低、覆盖广和带宽高等优点,受到学术和工业领域的广泛关注,更是给家庭宽带接入、社区网络建设、应急网络搭建等方面提供了便利。

Mesh的典型结构如图所示，整个网络由无线接入点(AP)－WGW、无线路由器(WR)、终端用户/设备(CLIENT)组成。

无线Mesh技术是一种与传统无线单跳网络结构完全不同的新型无线网络技术。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。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，数据可以自动重新选择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，继续选择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。

一、Mesh网络主要的关键技术

1、无线Mesh路由器的无线传输技术

在研究无线Mesh网络技术过程中，常常把Mesh路由器(如WR)的无线传输技术，称为无线Mesh网络的物理层技术。这里传输主要是指WR与用户终端间的无线传输、WR之间的无线传输和WR与WGW间的无线传输。

WR与用户终端间的无线传输是按用户终端支持的无线技术和标准化要求，实现类似于基站或无线接入点的功能，能够支持各种不同无线空中接口的接入要求。WR之间的无线传输和WR与WGW间的无线传输是需要定义和确认的。由于WR相当于基站，是位置固定的，是支持多用户综合高速数据的，是密集覆盖并要尽量避免彼此间干扰的，是有多种路由选择的。因此，智能定向天线技术、高效可控调制编码技术、低临界发射功率控制技术等是最重要的物理层传输技术。

2、多信道接入的MAC技术

MAC接入的多信道技术，有频分多址(FDMA)技术、时分多址(TDMA)技术、码分多址(CDMA)技术和使用定向天线的空分多址(SDMA)技术，实用中经常是这些多址技术的部分或全部综合应用，形成彼此独立互不串扰的多信道接入技术。由于WR的定点定向传输可以充分利用智能天线技术实现空分多址，实现尽可能多的互不干扰独立传输信道。相对常规无线通信，这是无线Mesh网络的一特色。

3、接入WGW的路由技术

用户终端通过WR接到无线IP接入点的路由技术和相关协议是多跳的无线Mesh网络的最重要技术。研究和设计接入Internet的路由技术和协议，基本考虑准则有：尽量少的多跳数、尽量小的时延、尽量大的数据速率、尽量低的差错率、尽量大的路由稳定等。这样，接入WGW的路由协议设计有如下几点要尤其注意：首先，无线Mesh网络中的路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择；其次，路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断；第三，路由协议要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源；第四，路由协议要求能同时支持路由器和用户终端。

二、无线Mesh网络的优势

1、快速部署和易于安装。安装Mesh节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。由于极大地简化了安装，用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。在无线Mesh网络中，不是每个Mesh节点都需要有线电缆连接，这是它与有线AP最大的不同。Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低，因此大大降低了总拥有成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。

2、非视距传输(NLOS)。利用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置，因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。

3、健壮性。Mesh网络比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。

4、结构灵活。Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在无线Mesh网络中，每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。而目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。

5、高带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，Mesh网络选择经多个短跳来传输数据，每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量这也是获得更高网络带宽的一种有效方法。

三、Mesh网络的应用前景

随着Mesh网络的进一步发展，油田网络用户数量的猛增，Mesh网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。

Mesh网络在家庭环境上具有突出的优势，家庭式无线Mesh联网可以连接台式PC机、笔记本和手持计算机、HDTV、DVD播放器、游戏控制台，以及其他各种消费类电子设备，而不需要复杂的布线和安装过程。在家庭Mesh网络中，各种家用电器既是网上的用户，也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。当家用电器增多时，这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。Mesh技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中的应用，如高清晰度视频等。除此之外，Mesh网络在智能传输系统、救护定位(火灾，医护等)、交通调度方面都有非常不错的前景。通过短距离、多次快速的信息传递，能够及时了解事件发生的情况。

近几年来，自然灾害的频发,对电网及其通信系统提出了严峻考验，可以利用Mesh网状网的快速组网、快速自愈的特性与其他相关设备结合形成完美的应急通信解决方案，以便在突发状态下迅速恢复主要故障线路的主要通信、故障点抢修、现场与指挥中心的联络、抢修现场调度指挥的通信、以及故障点多媒体数据采集等。