用“无线网状网”实现宽带无线网络技术分析
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作者: 王栋松
摘 要：无线网状网技术是一种具有良好市场应用前景的新型宽带无线网络技术。本文通过简要介绍无线网状网的产生和发展，针对无线网状网的定义、特点、应用以及影响网络性能的关键技术等核心问题，进行了初步的探讨和总结。
关键词：无线网状网 自组网 无线多跳
无线网状网(wirelessmeshnetwork，WMN)是一种新型的宽带无线网络架构，由于具备不同于传统无线网络的特点，该技术在灵活组网、提高网络覆盖率、增加网络容量、减少前期投资等诸多方面都显现出很大的优势，尤其适合用于宽带无线接入骨干网。目前无线网状网已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用。
一、“无线网状网”技术特点
1. 由移动节点与接入点组成的WMN
这种情况下的WMN主要由移动节点(MN)和接入点(AP)构成。与传统点对多点网络不同，这种WMN中的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其邻近节点进行通信。在网络中MN既是业务的使用者又是业务的提供者，即具有数据的转发功能，可以向网络中的其他节点(MN或AP)转发它所接收到的数据包。该WMN吸收了星形网与网状网两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合。具体来说，WMN可以看作是WLAN和adhoc网络的融合，发挥了两者的优势，而这种融合是通过在网络节点上执行WMR(wirelessmeshrouting)协议来完成的。应该注意的是，这里提到的AP之间是通过有线链路实现通信的。
2. 由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统组成的WMN
这种情况下，网关节点是WMN和骨干网的接口，一般与高速路由器相连。在一个WMN中，网关节点可以有一个或多个，可以根据网络的容量和可靠性要求来逐渐增加。实际上任何一个用户节点都可以充当网关节点，因此可以选择一个处于合适位置的节点作为网关节点。用户节点直接与用户终端或用户网络相连，除了提供业务接口外，还作为一个多端口的无线路由器，完成其他节点业务的中继功能。中继节点只包含中继功能，用来扩展WMN或提高整个网络的性能。网管系统主要负责对WMN进行配置，此外还具有资源分配、监控、认证等其他管理功能。这种情况下的WMN一般用在城域范围内提供宽带无线接入。
3. 由Mesh路由器和Mesh客户端组成的WMN
在这种情况下，Mesh路由器具有较小的移动性或是静止的，并且由多个Mesh路由器组成WMN的骨干网；Mesh路由器既可为Mesh客户端提供网络接入，又可为传统网络客户端用户提供网络接入；在Mesh路由器里还集成了网关和网桥功能，可以实现WMN与其他网络的有机融合，如互联网、蜂窝网、基于IEEE802.11的无线局域网、基于IEEE802.15的无线个域网、基于IEEE802.16的无线城域网和无线传感器网络等。Mesh客户端可以是固定的也可以是移动的，它们可以自己组成一个只包括Mesh客户端的客户端网状网，也可以和Mesh路由器一起组成一个客户端网状网。在这种情况下的WMN中，每个节点(包括Mesh路由器和Mesh客户端)运行时，不仅作为一个主机也作为一个路由器。当某些源节点想要传输数据给不在其无线直接传输范围内的目的节点时，就可以通过其他节点代为传送，通过中继的方式实现源节点和目的节点之间的数据传输。
二、“无线网状网”的网络架构
WMN的网络架构根据节点功能的不同，主要可以分为以下三类：
1. 基础设施／骨干WMN
在这类WMN网络架构中，客户端连接到Mesh路由器上，由Mesh路由器为客户端形成一个基础，由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统组成的WMN设施网，这些Mesh路由器自身形成了一个具有自配置自愈链路的网状网。凭借网关功能，Mesh路由器可以连接到Internet上。这种也被称为“基础设施网状化”的方法，通过使用Mesh路由器的网关／网桥功能，为传统客户端提供了骨干连接，并实现了WMN和现有无线网络的集成。带有以太网接口的传统客户端可以通过以太网链路连接到Mesh路由器上。对于和Mesh路由器采用相同无线电技术的传统客户端，它们可以直接和Mesh路由器通信。如果客户端采用了与Mesh路由器不同的无线电技术，那么客户端必须和基站通信，基站通过以太网连接到Mesh路由器上。
基础设施／骨干WMN是最常用的网络架构。例如，可以采用这种方法搭建社区和街区网络，将Mesh路由器放置在街区内房子的屋顶，为屋内和沿路的用户提供接入服务。
2. 客户端WMN
客户端网状化使客户端设备间形成了对等网络。在这类网络架构中，客户端节点组成实际的网络，既为客户提供终端用户应用，又完成路由和配置功能，因此，采用这种架构的网络不需要Mesh路由器。在客户端WMN中，预定送往网络中某节点的数据包跳经多个节点到达目的地。客户端WMN通常在终端设备上采用同一种无线电技术来组网，此外，由于其终端用户必须执行路由和自配置等附加功能，所以与基础设施网状化相比，客户端WMN对终端用户设备的要求提高了。
3. 混合WMN
这种网络架构是基础设施网状化和客户端网状化的结合。Mesh客户端的网状连接直接接入网络，也可以通过Mesh路由器接入网络。混合WMN中基础设施网提供了到其他网络的连接，客户端具备的路由能力也提高了WMN内的网络连通性和覆盖范围。这种混合网络架构将是WMN三种架构中最具应用前景的。
三、影响“无线网状网”网络性能的技术分析
1. 无线电技术
半导体技术、射频（RF）技术和通信理论的快速发展，推动无线电技术经历了一场重大的变革。目前业界已经提出了许多方法来提高无线系统的容量和灵活性，典型的包括定向天线和智能天线、MIMO系统以及多无线电／多信道系统。
为了进一步提高无线电技术的性能，并且可以通过更上层的协议对其进行控制，无线通信中采用了一些更先进的无线电技术，如可重配置无线电技术、频率灵敏／感知无线电技术、软件无线电技术。尽管这些无线电技术仍处于研究的初级阶段，但是由于它们能够动态地控制无线电，所以人们期望这些技术能成为无线网络将来的平台。这些先进的无线电技术都要求在上层协议中采用一种变革性的设计，尤其是MAC协议和路由协议。
2. 可扩展性
多跳通信是WMN中普遍使用的一种通信方式。然而众所周知，对于多跳组网方式，通信协议面临着可扩展性问题，即：当网络规模扩大时，网络性能会显著下降。路由协议也许无法找到一条可靠的（路由）路径，传输协议也许会释放连接，而MAC协议也许会经历吞吐量的显著下降。造成可扩展性较差的原因是：随着网络规模的扩大，端到端的可靠性急剧下降。WMN采用的主要是ad hoc的网络结构，如何提高WMN的可扩展性，是一项富有挑战性的研究课题。
3. 网状网连通性
WMN的许多优点都源自其具有的网状网连通性，因此保证网状网连通性是协议设计的关键性要求，尤其是MAC协议和路由协议的设计。为此，通常需要网络自组织和拓扑控制算法。拓扑感知MAC协议和路由协议能够显著提高WMN的性能。
4. 宽带和QoS保证
WMN不同于其他ad hoc网络，它的大部分应用是要提供有各种各样QoS要求的宽带服务。因此，通信协议除了要考虑端到端传输延迟和公平性外，还必须考虑更多的性能指标，如：延迟抖动、总吞吐量和每个节点的吞吐量以及丢包率。
5. 兼容性和互操作性
WMN要求具备的一个特性就是同时支持传统客户端和Mesh客户端的网络接入，因此，WMN需要后向兼容传统客户端节点，否则将大大削弱部署WMN的动力。另外WMN与其他无线网络的集成，要求某些Mesh路由器具备在各个不同种类的无线网络中共同操作的能力。
6. 安全性
如果没有一套令人信服的安全解决方案，WMN将无法获得成功。尽管现在已经提出了许多针对无线局域网的安全方案，但是这些方案对于WMN来说都不是现成可用的。因此，需要研究出新的安全方案，其涉及范围从加密算法到安全密钥分发、安全的MAC和路由协议、入侵检测以及安全监控。
7. 易用性
协议的设计必须使网络能够尽可能地自治，包括功率管理、自组织、动态拓扑控制、抵御短暂链路失效的顽健性以及快速网络订购／用户认证过程。此外，还需要开发WMN网络管理工具，从而有效地维护网络运行、监测网络性能以及配置网络参数。这些网络管理工具连同协议中的自治机制，将使WMN具备快速部署的能力。
参考文献：
［1］石柏铭等编著.计算机通信网与开放系统互连技术.人民邮电出版社，1993年4月.
［2］郑相全等编著.无线自组网技术实用教程.清华大学出版社，2004年6月.
［3］Jim Geier著.王群，李馥娟，叶清扬译.无线局域网.人民邮电出版社，2001年4月.
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