无线mesh网络

1、无线Mesh网络及相关标准摘要：无线宽带接入系统发展迅速，但带宽容量低、覆盖范围小等缺点限制了它的进一步发展。作为最后一公里”宽带无线接入非常重要的技术之一，无线Mesh网络(WMN)可以和多种无线网络系统，如无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)以及无线城域网(WMAN)等相结合，改善无线网络的性能， 提高网络的覆盖范围。随着无线Mesh网络技术的广泛应用，IEEE 802的相关标准组正在致力于推动WMN技术的发展，制订相关的技术标准。目前，WMN 标准已经出现在 IEEE 802.11s、802.15、802.16、802.20 中。关键词：无线Mesh网络；IEEE802系列；无

2、线多跳网络；Mesh标准进入21世纪以来，随着人们对网络服务需求的不断提高，为了使网络能够随时随地提供便捷、准确的通信服务，无线网络技术越来越受到人们的重视。其中无线Mesh网络就是无线网络研究中的一个热点课题。无线Mesh网络，即无线网状网，是新近出现的一种无线多跳网状拓扑网络，具有自组织、自管理、自愈能力，且具有与现有无线网络的兼容性及互操作性。它可以和多种宽带无线接入技术相结合，组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网，可以大大增加无线系统的覆盖范围，同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性，是无线宽带接入的一个理想解决方案。1无线Mesh网络的结构无线Mesh网络是一

3、种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、802.11无线局域网(WLAN)中的接入点(AP)等等。中心节点与各个无线终端通过单跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问；同时，又通过有线链路与有线骨干网相连，提供到骨干网的连接。而在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。在WMN中包括两种类型的节点：无线Mesh路由器和无线Mesh用户端。WMN的系统结构根据节

4、点功能的不同分为 3类：骨干网Mesh结构、客户端 Mesh结构、混合结构1。骨干网Mesh结构是由Mesh路由器网状互连形成的，无线Mesh骨干网再通过其中的Mesh路由器与外部网络相连。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关、中继功能外，还具有支持Mesh网络互连的路由功能，可以通过无线多跳通信，以低得多的发射功率获得 同样的无线覆盖范围。客户端Mesh结构是由Mesh用户端之间互连构成一个小型对等通信网络，在用户设备间提供点到点的服务。Mesh网用户终端可以是手提电脑、手机、PDA等装有无线网卡、天线的用户设备。这种结构实际上就是一个Ad hoc网络，可以在没有或不便使用现有的网络

5、基础设施的情况下提供一种通信支撑。Mesh客户端可以通过 Mesh路由器接入骨干 Mesh网络形成Mesh网络的混合结构，如 图1所示，其中虚线和实线分别表示无线和有线连接。这种结构提供与其他一些网络结构的 连接，增强了连接性，扩大了覆盖范围。圏1 M雋h阿踣混會结构图2 IEEE802系列中关于 Mesh网络的标准 目前，无线 Mesh网络技术正在世界范围内得 到越来越多的应用，而技术标准化是大规模应用所必需的重要环节。目前，无线Mesh网络标准散见于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等标准草案中，下面将简要介绍IEEE802系列中与无线Mesh网络有关的标准。2.1

6、 IEEE 802.11s Mesh 标准IEEE 802.11在大规模应用时遇到的一个难点是系统的覆盖能力有限，WLAN受发射功率的限制，覆盖范围一般在 100 m范围内。为了扩大网络的覆盖范围，通常通过增加AP的办法来实现，但这种方法增加了公众网的建设成本。无线Mesh网络作为一种新的组网技术为解决上述问题提供了新的途径。IEEE802.11S任务组，主要研究支持无线分布式系统（WDS）的协议，为 WMN定义媒体接入控制（MAC）层和物理层协议，以实现 WLAN在多个AP之间通过自配置多跳的方式组 网，提高 WLAN的覆盖范围。 WDS是802.11网络的一部分，用来作中继桥接的功能，可以

7、 让无线AP之间通过无线进行桥接（中继），同时不影响其无线 AP覆盖的功能。支持WDS技 术的无线AP或无线路由器具有混合的无线局域网工作模式，可以支持点对点、点对多点的数据传输2。IEEE 802 .11s提出了无线 Mesh网络的参考体系结构，如图 2所示。Mesh媒体接入协调 功能组件（MMACFC）位于物理层之上、 Mesh路由组件之下，负责有效的竞争接入和WMN中多跳节点间数据包发送接收的调度。当安全的Mesh链路建立以后，Mesh节点需要与其他Mesh节点协调以解决竞争和共享无线媒体的问题，来保证该节点本身及其他节点的数据包通过多跳的 WMN有效转发。直观上看，MMACFC等同于8

8、02.11 WLAN中的分布式协调 功能（DCF）或802.11e中增强的分布式信道接入机制 （EDCA）。对DCF或EDCA加以必要的改进，可高效地工作于多跳Mesh网络中。MMACFC需要解决的问题有：隐藏终端问题、暴露终端问题、在多跳 Mesh路径上从源节点到目的节点的流量控制、在多跳转发路径上的 有效调度、对多跳多媒体业务（视频或语音）分布式允许接入控制、分布式保证服务质量（QoS） 的业务管理、本地业务和转发业务的有效处理、不同网络环境下的可升级性、Mesh节点间信道工作接入的调度、使用多信道提高Mesh网络的性能等。圏2 IEEE S左/I"功龍组阵结构IEEE802.1

9、1S的目标是突破传统 AP功能上的限制，使之具有Mesh路由器的功能，业务 流转发给邻近的 AP进行的多跳传输。这种方式决定了 WMN具有较高的可靠性、 较大的伸 缩性和较低的投资成本等特点。 这样，在新的WLAN架构中，WLAN的AP自动形成 WLAN 的WMN骨干网。IEEE 802.11 Mesh网络可以是骨干网 Mesh结构，也可以是客户端 Mesh 结构。客户端 Mesh结构中，所有设备工作在 WLAN 的Ad hoc网络模式下，WMN通过自 动配置实现节点间的互联，摆脱了以往对 AP的依赖。2.2 IEEE802.15 Mesh网络标准IEEE 802 .15标准簇主要针对无线个域

10、网开发的，主要定义了 WPAN的物理层和 MAC层。目前，802. 15. 1 802. 15. 3本质上均不能直接支持网状 网络结构，而只是点到多点方式下的微微网结构，但散射网已经有了WMN的雏形5。IEEE802.15.4标准的研究定位于低数据速率、长电池寿命要求的应用设备，为WPAN提供综合的网络解决方案。ZigBee协议是运行在IEEE802.15.4的MAC和物理层以上的高层协 议，它的网络层明确定义了 3种网络拓扑结构，星形、簇形和Mesh结构。在Mesh结构中，网络中的所有无线节点都相同，可以直接互相通信，每一次网络都会选择一条或者多条路由进行多跳传输，将所要传输的数据信息传给中

11、心节点，如图3所示。Mesh网的每个节点都有多条路径到达中心节点，因此它的容故障能力较强，而且这种多跳系统以多跳代替了单跳的传输距离，减小了源节点所需要的发送功率。IEEE 802.15.5目前还在开发中，定位于WMN的MAC层，不需要 ZigBee或IP路由支持，它继承了 802.15.1 802.15.4的一些基本思想，但完全支持Mesh结构。在802.15.5标准中，Mesh网络被定义为一个个域网（PAN），有两种组网方式：全网状拓扑和部分网状拓扑。 在全网状拓扑结构中，每一个节点直接与其他任何一个节点相连；在部分网状拓扑结构中， 只有部分节点与其他所有节点相连，而其他节点则只是与交换较

12、多数据的节点相连。802.15.5标准主要涉及的问题包括：碰撞避免的信标调度策略、路由算法、分布式安全问题、能效操作模式、对于网状节点和网状PAN移动性的支持等。2.3 IEEE802.16 Mesh 网络标准IEEE802.16标准定义了无线城域网空中接口规范，为无线城域网（WMAN）提供最后一公里”接入，是一种点对多点技术。鉴于无线Mesh网技术的不断发展，IEEE802.16标准工作组将 Mesh结构纳入最近推出的IEEE802.16d/e标准中。无 线Mesh网络是对IEEE802.16标准中的点到多点（P2MP）网络结构的补充。网络中的每个节 点都与周围邻居节点形成多条链路，并且可以

13、选择其中的一条链路，用来传输来自本节点或其他节点的信息。这样，连接断开的可能性要远低于 P2MP模式。同时，随着节点数的增加， IEEE802.16 Mesh网络的健壮性加强，覆盖范围扩大。IEEE802.16 Mesh网络支持两种不同的物理层，支持自适应调制和编码，因此链路速率 随着信道条件的变化而变化。对基于无线Mesh结构的 WMAN来说，用户站（SS）间可直接或间接通信，不必通过基站 （BS）中转。由于每个 SS可以作为一个中转站，信号是以逐跳方 式传输的，增加了网络的覆盖范围，当增加用户时不必再增加BS，其拓扑结构可以动态改变。另外，Mesh系统可以利用地形和建筑物，使用低传输功率和

14、相对短的链路来减少干扰。 还可使用方向性天线来大大地减少干扰和传输功率。减少内部干扰可以增加频率的再使用， 提供频谱利用率；减少外部干扰，可以减少保护频带。同时，SS之间距离的缩短减小了室外天线功率和体积，降低了SS通信设备的成本。Mesh拓扑结构在可靠性、覆盖面积、规划用户和前期的低投入方面都有很好的表现。另外，IEEE802.16 Mesh的集中式调度是基于时分多址 （TDMA）方式的，可提供全面有 效的资源利用率6。IEEE802.16d标准中的Mesh拓扑结构如图4所示。为了支持用户的可移 动性，在IEEE802.16d的基础上制定了新的标准IEEE802.16e。802.16e支持本

15、地和地区的移动性，支持漫游和切换，移动速度可达到150 km/h。目前，IEEE802.16工作组内新组建的Mesh Ad hoc特别委员会正在研究点到点数据传输的支持、信号障碍穿越等问题。WMN可使数据从一点绕过障碍物跳跃到另一点，只需少量网格即可带来单个基站覆盖范围的大幅度改进。如果这一小组的提案得以采纳，它们将成为特别任务组f着手IEEE802.16f标准的开发，将推动 WiMAX获得更大的发展82.4 IEEE802.20 Mesh 网络标准IEEE802.20，即移动宽带无线接入(MBWA)工作组，主要研究为移动用户开发的标准。制定802.20标准的目的：一是兼取固定无线接人网络的高

16、数据传输速率和蜂窝网络的高移 动性之优势，解决固定无线接入的低移动性和高速移动业务需求增长之间的矛盾；二是实现低成本、随时随地接入，各种IP业务共存的移动宽带无线接入网在全世界范围内的配置。这个标准的频谱利用效率很高，可以提供更高的QoS通信保障，支持在3 GHz频带可靠地进行高速无线数据传输，有望为以250 km/ h速度移动的用户提供高达1 Mb/s的高带宽数据传输，这将允许高速列车上的用户使用视频会议等应用9。802. 20填补了当前802. 16的低移动性高数据速率与蜂窝网高移动性低数据速率之间的性能空间。IEEE802.20网络是一个基于纯IP的网络。在室内、外环境中，802. 20

17、均支持WMN结构。在这种网络结构中，移动节点之间可以直接或间接通信，避免三角路由”的出现，改善移动网络性能，同时能迅速地接入主干网络，为移动用户提供快捷准确的服务10<3结束语随着无线Mesh网络在越来越多的范围内得到应用，制定出相关标准成为迫切的需要。目前，国际标准化组织，特别是 IEEE正在致力于与学术界共同推动无线Mesh网络的标准化工作，在 802.11s、802.15、802.16d/e、802.20等标准中均规范了Mesh组网技术，在网络第二协议层中完成接入控制、网状组网、路由、链路拥塞控制、快速移动和切换支持和安全认证等功能。中国除个别机构参与了部分标准制定外，一些研究工作

18、没能完全跟上国际主流趋势，迫切需要开展基于相关标准的无线Mesh网关键技术的研究。4参考文献：1 范涛,张燕无线Mesh网络的组网及其相关标准J.数据通信，2005(4): 40-42.2 IEEE 802.11 Standard Group WebSiteEB/OL. /11/ .3 孙伟峰.基于802.11无线一结合网络的QoS研究D.合肥冲国科技大学，2007.4 夏征兵，宋玲.基于Mesh结构的宽带无线接入网技术J.电子技术应用，2006(10).5 关于 IEEE802.15 系列的标准EB/OL. 2006-12. . 曾智慧.基于IEEE802.16标准的无线