无线Mesh网络技术发展分析

摘要：无线Mesh网络（WMN，Wireless Mesh Network，也称无线网格网）是一种新型的无线宽带接入网络，近年受到人们的高度重视并取得了快速发展。文章介绍了WMN的特点、体系结构和应用，客观地探讨了WMN的理论网络容量以及WMN发展所需解决的若干问题。

关键词：无线Mesh网络；多跳；容量分析

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）09-2077-04

1 WMN简介

因特网业务的不断增长促使了通信技术的快速发展，各种无线网络逐渐出现，形成了下一代网络，它们能够提供更好的接入服务。大约在20世纪90年代中期出现了一种重要无线网络技术，即无线Mesh网络（WMN，Wireless Mesh Network，又称无线网状网、无线网格网等）[1]。WMN是一种新型的宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率的分布式网络。

WMN具有动态自组织、自配置的特性，网络中的结点自动建立并维护它们之间的网格连接。这些特性使WMN具有许多优点，比如前期投入成本低、网络维护方便、健壮性好和服务覆盖范围增大。WMN中的Mesh路由器具有网关/网桥功能，这使得WMN能够与多种现有无线网络（比如蜂窝网、无线传感器网、Wi-Fi、WiMAX、WiMedia互操作，可实现网络融合。

2 WMN网络体系结构

WMN采用网格状的拓扑结构。WMN中包含两种结点：Mesh路由器结点和Mesh客户结点。Mesh路由器具有特殊的路由功能以支持Mesh网络。为提高Mesh网络的灵活性，Mesh路由器通常配有多个无线接口，这些接口可自行选用相同或不同的无线接入技术。无线Mesh路由器通过多跳接力的方式扩大覆盖范围。Mesh客户结点具有Mesh网络所必须的功能（也可作为路由器使用），通常只有一个无线接口。Mesh客户结点的软硬件都比Mesh路由器的简单许多，但设备形式更多样化，可以是便携/台式PC、掌上电脑、PDA、IP电话、RFID阅读器、控制器等。

根据结点的功能，WMN的体系结构可分为三大类：骨干WMN、客户WMN、混合WMN。[2]

2.1 骨干WMN

骨干WMN的体系结构如图1所示，虚线、实线分别表示无线连接、有线连接。骨干WMN由Mesh路由器构成基础设施。骨干WMN可使用多种无线电技术，用得最多的是IEEE 802.11。Mesh路由器之间形成了具有自配置、自修复连接的网状网络。由于具有网关功能，Mesh路由器可连接到Internet，使WMN能够通过Mesh路由器的网关/网桥功能与现存有线网络相融合。骨干WMN是最普遍使用的类型。

2.2 客户WMN

客户WMN中不需要Mesh路由器，完全由客户结点组成实际网络、执行路由和配置功能并为用户提供终端用户应用，其结构如图2所示。在客户WMN中，向网络中某个结点发送的数据包需经过多个结点（多跳）才能到达目标结点。客户WMN通常使用同一种无线电技术来构成。与骨干WMN相比，客户WMN需要增强客户WMN中的终端用户设备的功能。

2.3 混合WMN

混合WMN是骨干WMN和客户WMN的组合，其结构如图3所示。Mesh客户可通过Mesh路由器接入网络，也可直接与其它Mesh客户通讯。骨干WMN提供与其它网络（Internet、Wi-Fi、WiMAX、蜂窝网和传感器网络）的连接；客户的路由能力提供了WMN内的增强连接和覆盖。混合体系结构适用于各种情况。

3 WMN的结构特点

3.1 多跳无线网络

WMN在不牺牲当前信道容量的前提下，扩展了当前无线网络的覆盖范围，为位于非可视范围内的用户提供非可视距离连接。为实现这些目标，必须采用多跳的网络连接方式。多跳连接方式使用较短距离的链路，因而没有牺牲无线电的有效覆盖范围、可减少结点间的干扰、更有效地实现频率复用，最终提供更高的系统吞吐量。

3.2 具备自形成、自恢复和自组织能力

由于具有灵活的网络结构、容易配置、容错能力和网格连通性（如多点到多点的连接），WMN增强了网络性能。基于WMN的这些特性，WMN的前期投资较低，并且网络可按需逐步扩展。

3.3 移动性

Mesh路由器通常有较低的移动性，而Mesh客户可能是静止结点也可能是移动结点。

3.4 多种网络接入方式

在WMN中，支持回程接入Internet和P2P通讯。另外，可通过WMN实现将WMN与其它无线网络的集成，并对这些网络的终端用户提供服务。

3.5 功耗限制

通常，Mesh路由器在功耗方面没有严格的限制。但是Mesh客户需要高能效协议。例如，网格功能传感器需要高功效的通讯协议。因为无线传感器网络首要关注的是电源效率，所以为Mesh路由器优化的MAC或路由协议可能并不适用于Mesh客户（如传感器）。

3.6 与其它无线网络的兼容与互操作

例如，基于IEEE802.11技术构造的WMN必须与IEEE802.11标准相容，同时要与网格和传统的Wi-Fi客户端相兼容。这种WMN也要具有与其它无线网络（如WiMAX、ZigBee和蜂窝网）的互操作性。

4 WMN支持的应用

WMN可支持大量应用，这些应用都具有巨大的市场潜力。根据WMN的功能，WMN的应用可分为如下几类。

4.1 Internet接入

各种Internet应用给人们提供了重要的及时信息，使生活更方便，提高了工作效率和生产力。例如，email、搜索引擎（如google）、网上行动（如易趣，eBay）、在线购买、聊天、视频流等已经成为生活不可少的部分。因此，人们对互联网很有兴趣。在家庭或中小型商业环境中，最主要的网络接入解决方案仍旧是DSL或有线Modem与IEEE802.11接入点。与这些方法相比，WMN有许多潜在的优点：低成本、高速率、易安装。因此，Internet接入将大大推动WMN的发展。

4.2 WMN中的分布式信息存储和共享

这类应用不需要Internet的回程接入。这类应用的用户只在WMN内部通讯。一个用户可能需要存储大量数据到另外一个用户所拥有的磁盘上，或使用P2P网络技术从其它用户磁盘上下载文件，或查询/检索分布数据库服务器上的信息。WMN内的用户也可以聊天、视频通话和玩网络游戏。在终端用户上实现这些应用需要在应用层上有某些配套协议。

4.3 通过多个无线网络的信息交换

这类应用也不需要接入Internet。例如，蜂窝电话与Wi-Fi电话通过WMN进行通话是不需要Internet的。类似的，Wi-Fi网络的用户希望监测无线传感器网络中各个传感器。所有这些应用必须由应用层终端用户的新算法或软件来支持。

5 WMN的网络容量

WMN的网络容量受许多因素的影响，如网络体系结构、网络拓扑、交通格局、网络结点密度、每个结点使用的信道数量、传输功率水平、结点移动性。下面简要地介绍网络容量与上述因素之间的关系。

5.1 网络容量分析

可以用Ad Hoc网络容量方面的研究工作分析WMN的网络容量。

在文献[4]中说明：在静态多跳网络中，当结点有6个邻居结点时，结点将达到最优传输功率水平。根据这个值，最佳折衷存在于从源结点到目标结点的跳数和信道空间利用率之间。这个结论可用于具有最小移动性的WMN的基础设施。在混合WMN中，迄今还没有关于移动性的理论性结果。一些实验性研究，对静态网络的仿真结果证实了[4]的理论结果。

文献[5]中给出了网络容量的上下界分析。从结果分析可看出，当结点密度增长时，每个结点的吞吐量急剧下降。文中给出一个提高Ad Hoc网络容量的重要提示：结点只与附近的结点通讯。并给出两种实现方案：部署中继结点和结点簇。当结点与不在其附近的结点进行通讯时，必须经过中继结点或簇进行。这种方案有一定的限制。第一种方案，为大幅度地提高吞吐量需要大量的中继结点，增加了网络成本。第二种方案，在Ad Hoc网络或WMN中设置簇结点不是一个可取的办法，因为在分布式系统中难以进行簇的管理。

文献[6，7]设计了混合网络体系结构以提高Ad Hoc网络容量。在混合体系结构里，结点只与附近的结点通讯。如果需要与几跳距离远的结点通讯，使用有线网络，由基站或接入点对包进行中转。混合体系结构可提高Ad Hoc网络的容量，但还不适用于多数应用，因为在许多Ad Hoc网络中并不存在基站间的有线连接。

文献[8]提出的方案通过利用结点的移动性增加了Ad Hoc网络的容量。当某一结点需要向另一结点发送数据包时，只有当目标结点在源结点附近时，源结点才进行发送。因此，借助于结点的移动性，结点只与自己附近的结点通讯。这种方案也有限制：传输延迟会变得很大，结点需要的缓冲区也很大。

文献[5]中分析的方法极大地推动了对Ad Hoc网络容量的研究。可是，它还有一定的局限性。网络协议还没有全部被分析到。例如，通常用来提高网络容量的分析中没有考虑能量控制机制。另外一个例子的分析中也没有考虑到Ad Hoc路由协议的全部特点。在任何一个路由协议中，包的路由不一定要沿着源结点和目标结点之间的直线方向进行，因为路由协议是根据某些度量（如跳数、链路质量等）来确定路径的。

在实际网络中，理论容量值的适用性仍然不清楚。文献[9]对文献[5]中的理论结果与基于IEE802.11的Ad Hoc网络进行了比较。但是进行这项研究的前提是假定在大型Ad Hoc网络中流量方式是区域的，因此结点只与附近的结点通讯。这个假想在现实网络中不会总是成立的，除非网络是有意按此方式来设计的。目前，大部分分析方法采用渐近分析。由这种方法推出的容量上界或下界值并不能真正说明给定结点数的Ad Hoc网络的真实容量，特别是当结点数量较小时。近来，文献[10]中提出一种分析方法来研究WMN的确切容量。这种分析利用WMN的低移动性来简化研究。文献[10]的分析方法包含三个不一定有效的假设：所有结点的流量都被送到一个网关，但在WMN中情况并不如此；每个结点对带宽公平共享。可是，当网络结点之间距离不同时，这个假设无效；单向传输很容易被扩展为双向传输。但，如果是双向传输，则网络容量将完全不同。

5.2 开放研究课题

仍然有许多关于WMN容量分析的课题需要进行研究，原因如下：

Ad Hoc或WMN的容量理论值都在在一些简化假定下推出的。根据关键因素（如传输功率水平、流量方式、优化路由等）推出新的理论值仍然是具有挑战性的研究方向。

在Ad Hoc网络的容量分析已经取得了许多研究成果，由于WMN与Ad Hoc的区别，WMN还没有进行彻底研究。关于Ad Hoc网络容量和结点密度优化的研究成果不能直接应用于WMN。

增加WMN容量的重要技术在Ad Hoc网络的分析模型中并未加以考虑，例如，单频多信道或多频单结点。这就产生一个重要的问题：对网络结点来说，优化信道或频率数值是多少。

6 结论

目前，WMN发展迅速，有多项鼓舞人心的成果。WMN将为个人、区域、校园、城市提供大量多样化的无线服务。我们可使用现有的技术来构造WMN，但现有WMN的性能仍旧远远低于人们的期望。还有许多问题和技术有待解决。

为实现可扩展性，必须开发WMN的新MAC、路由和传输协议；目前的WMN只能部分实现自组织和自配置；目前WMN的安全措施可以在指定协议层有效防止某些特别攻击，但缺少在不同协议层上阻止或反击的综合机制；WMN在集成异构无线网络的方面能力非常有限；依靠单层协议的改进不能够全部解决所有的问题，从物理到应用层的所有协议都需要改进或重写，为达到优化性能需要在这些层之间进行跨层设计。

WMN是下一代无线网络很有前途的技术，众多的应用加快了WMN的发展。WMN技术还处于初级阶段，要充分发挥其潜力，还需要做更多的研究工作。

参考文献：

[1] 方旭明.下一代无线因特网技术：无线Mesh网络[M].北京：人民邮电出版社，2006.

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