《无线网格网关键技术及应用研究》 引言

无线网格网关键技术及其应用研究 、引言 随着人们对网络通信需求的不断提高,人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行快 速、准确的通信,为了提高工作效率,并且克服现有通信系统的缺点,达到通信的ˆ无 所不在”,最近,人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网WMN)[1,2]。 WMN是移动 Ad hoc网络的一种特殊形态,它的早期研究均源于移动 Ad Hoc网络的研 究与开发。它是一种高容量高速率的分布式网络,不同于传统的无线网络,可以看成是 一种WLAN和 Ad hoc网络的融合,且发挥了两者的优势,作为一种可以解决“最后 公里”瓶颈问题的新型网络结构。WMN被写入了IEEE80216(即 World Interoperability for Microwave access, WiMax)无线城域网( Wireless Municipal Area Network,WMAN) 标准中 WMN技术作为一项能够实现灵活组网的技术以及它本身的诸多优势必将给无线宽带领 域带来重大变革 无线网格网的研究现状 2004年1月,IE802. l1 Working Group正式专门成立了网格研究组( Mesh stud Group),同年3月又成立了网格任务组( Mesh Task Group),标志着WMN技术正式迈 上了广泛标准化道路。另外,其他标准如802.153a、802154和专用短程通信( Dedicated Short Range communications,DSRC)也开始探索如何通过网格嵌入式设备来改进其现 有技术,IEEE802.16已经将网格技术纳入其MAC层协议标准中[3]。 1应用基础理论与技术研究 近10来,包括移动 Ad hoc网络和WMN在内的许多研究,已经取得了众多成果,主要 有以下方面:①路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征; ②媒体接入控制(MAC)协议的硏究。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题, 如MACA协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议 等[4,5,6]:③在网络连接性方面,主要的背景是无线传感器网络,探讨问题的核心 是节点密度与分布问题[7~1]:④在多播阻播协议、TCP协议、地址和带宽等网络资 源分配、功率(节能)控制、安全性问题、分布式算法、QoS等方面有一些研究成果 但各部分的数量相对较少[6]:⑤一些针对WM的协议和系统仿真与实验研究有了 些新的结果[12,13]。在短距离 Ad hoc网络的构建上,最近一些学者正在研究蓝牙散 射网关键技术[4,5] 2专利技术 与WMN相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。例如 MeshNetworks 公司2002年6月获得专利为端到端和端到基础设施的通信网络提供无线业务消息存储 转发的系统和方法”[14]。该专利提出了一种实现不在彼此传输范围内的移动节点和无

无线网格网关键技术及其应用研究 一、引言 随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行快 速、准确的通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺点，达到通信的“无 所不在”，最近，人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网(WMN)［1，2］。 WMN 是移动 Ad Hoc 网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动 Ad Hoc 网络的研 究与开发。它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成是 一种 WLAN 和 Ad Hoc 网络的融合，且发挥了两者的优势，作为一种可以解决“最后一 公里”瓶颈问题的新型网络结构。WMN被写入了IEEE802.16（即World Interoperability for Microwave Access，WiMax）无线城域网（Wireless Municipal Area Network，WMAN） 标准中。 WMN 技术作为一项能够实现灵活组网的技术以及它本身的诸多优势必将给无线宽带领 域带来重大变革。 二、无线网格网的研究现状 2004 年 1 月，IEEE802.11 Working Group 正式专门成立了网格研究组（Mesh Study Group），同年 3 月又成立了网格任务组（Mesh Task Group），标志着 WMN 技术正式迈 上了广泛标准化道路。另外，其他标准如 802.15.3a、802.15.4 和专用短程通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）也开始探索如何通过网格嵌入式设备来改进其现 有技术，IEEE802.16 已经将网格技术纳入其 MAC 层协议标准中［3］。 1.应用基础理论与技术研究 近 10 来，包括移动 Ad Hoc 网络和 WMN 在内的许多研究，已经取得了众多成果，主要 有以下方面：①路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征； ②媒体接入控制（MAC）协议的研究。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题， 如 MACA 协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的 MAC 协议 等［4，5，6］；③在网络连接性方面，主要的背景是无线传感器网络，探讨问题的核心 是节点密度与分布问题［7~11］；④在多播/组播协议、TCP 协议、地址和带宽等网络资 源分配、功率（节能）控制、安全性问题、分布式算法、QoS 等方面有一些研究成果， 但各部分的数量相对较少［6］；⑤一些针对 WMN 的协议和系统仿真与实验研究有了一 些新的结果［12，13］。在短距离 Ad Hoc 网络的构建上，最近一些学者正在研究蓝牙散 射网关键技术［4，5］。 2.专利技术 与 WMN 相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。例如 MeshNetworks 公司 2002 年 6月获得专利“为端到端和端到基础设施的通信网络提供无线业务消息存储 转发的系统和方法”［14］。该专利提出了一种实现不在彼此传输范围内的移动节点和无

线基础设施部件间进行无线通信的系统和方法,基本思想是利用了中间移动节点所具有 的存储转发信息的能力。2004年4月,该公司获得专利“无线端到端 Ad hoc网络路由 中对IP地址到MAC地址映射及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”[15]。该 专利的主要思想是采用一个Hah函数将IP地址变换为一个6字节的MAC地址,并附 加在路由广播中主动传输给其他节点。此外,摩托罗拉公司在2003年10月获得专利“在 Ad Hoc网格网络中提高服务效率的方法和设备”,其中涉及在WMN中增强业务有效性 的通信系统与设备[16]。Caly公司于2002年3月获得专利网格无线网络中包数据通 信协议”,其中主要涉及网格无线网络节点之间包数据的通信方法[17] 3应用系统集成 近年来,由于无线数据通信需求的推动,加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快 速发展,短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段,WLAN技术、蓝牙技术 移动 Ad Hoc网络技术和超宽带( Ultra- Wide band,UWB)技术等取得了令人瞩目的成 就。一般认为,未来的4G系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成[26],其中包括未 来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共电话交换网络、WLAN、移动 Ad Hoc网络等, 这些网络均集成到因特网骨干网或通过WMN集成到因特网中,而WMN可看作因特 网的无线版。可见,WMN将是未来无线通信领域重大技术革新。三、无线网格网的 构成 在使用无线网格网技术建设的网络中,其拓扑结构呈格栅状,图1所示为一种典型结构 整个网络由下列组成部分构成:智能接入点( IAP/AP);无线路由器(WR):终端用户/ 设备 Client。在图1中,AP也称无线接入点或网络桥接器,一个AP能够在几十至上 百米的范围内连接多个无线路由器,AP的主要作用是将无线网络接入核心网,其次要 将各个与无线路由器相连的无线客户端连接到一起,使装有无线网卡的终端设备可以通 过AP共享核心网的资源。IAP(智能接入点)是在AP的基础上增加了 Ad Hoc路由选 择功能。除此之外,APAP还具有网管的功能,实现对无线接入网络的控制和管理, 把传统交换机的智能性分散到接入点(APAP)中,大大节省了骨干网络建设的成本, 提高了网络的可延展性。在智能接入点的下层,配置无线路由器,即WR,从而为底层 的移动终端设备(即用户)提供分组路由和转发功能,并且从智能接入点下载并实现无 线广播软件更新。转发分组信息的路由根据当时可使用的节点配置临时决定,即实现动 态路由。在该网络结构中,通过使用无线路由器(WR)可以实现移动终端设备与接入点 间通信范围的弹性延展

线基础设施部件间进行无线通信的系统和方法，基本思想是利用了中间移动节点所具有 的存储转发信息的能力。2004 年 4 月，该公司获得专利“无线端到端 Ad Hoc 网络路由 中对 IP 地址到 MAC 地址映射及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”［15］。该 专利的主要思想是采用一个 Hash 函数将 IP 地址变换为一个 6 字节的 MAC 地址，并附 加在路由广播中主动传输给其他节点。此外，摩托罗拉公司在 2003 年 10 月获得专利“在 Ad Hoc 网格网络中提高服务效率的方法和设备”，其中涉及在 WMN 中增强业务有效性 的通信系统与设备［16］。Caly 公司于 2002 年 3 月获得专利“网格无线网络中包数据通 信协议”，其中主要涉及网格无线网络节点之间包数据的通信方法［17］。 3.应用系统集成 近年来，由于无线数据通信需求的推动，加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快 速发展，短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段，WLAN 技术、蓝牙技术、 移动 Ad Hoc 网络技术和超宽带（Ultra-Wide Band，UWB）技术等取得了令人瞩目的成 就。一般认为，未来的 4G 系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成［26］，其中包括未 来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共电话交换网络、WLAN、移动 Ad Hoc 网络等， 这些网络均集成到因特网骨干网或通过 WMN 集成到因特网中，而 WMN 可看作“因特 网的无线版”。可见，WMN 将是未来无线通信领域重大技术革新。三、无线网格网的 构成 在使用无线网格网技术建设的网络中，其拓扑结构呈格栅状，图 1 所示为一种典型结构。 整个网络由下列组成部分构成：智能接入点（IAP/AP）；无线路由器(WR)；终端用户/ 设备(Client)。在图 1 中，AP 也称无线接入点或网络桥接器，一个 AP 能够在几十至上 百米的范围内连接多个无线路由器，AP 的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要 将各个与无线路由器相连的无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备可以通 过 AP 共享核心网的资源。IAP（智能接入点）是在 AP 的基础上增加了 Ad Hoc 路由选 择功能。除此之外，AP/IAP 还具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理， 把传统交换机的智能性分散到接入点（AP/IAP）中，大大节省了骨干网络建设的成本， 提高了网络的可延展性。在智能接入点的下层，配置无线路由器，即 WR，从而为底层 的移动终端设备（即用户）提供分组路由和转发功能，并且从智能接入点下载并实现无 线广播软件更新。转发分组信息的路由根据当时可使用的节点配置临时决定，即实现动 态路由。在该网络结构中，通过使用无线路由器(WR)可以实现移动终端设备与接入点 间通信范围的弹性延展

入 向器 有线连拉 图1一种无线网格网结构 终端用户/设备( Client)兼备主机和路由器两种角色。一方面,节点作为主机运行相关的 应用程序;另一方面,节点作为路由器需要运行相关的路由协议,参与路由发现、路由 维护等常见的路由操作。 基于以上的结构,WMN有2种典型的实现模式 1.基础设施网格模式( infrastructure meshing) 该模式在接入点与终端用户之间形成无线的回路。移动终端通过WR的路由选择和中继 功能与IAP形成无线链路,IAP通过路由选择及管理控制等功能为移动终端选择与目的 节点通信的最佳路径,从而形成无线的回路。同时移动终端通过IAP可与其他网络相连, 从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统成本,提高了网络覆盖率和可靠性。 2终端用户网格模式( client meshing) 终端用户自身配置无线收发装置通过无线信道的连接形成一个点到点的网络,这是一种 任意网格的拓扑结构,节点可以任意移动,可能导致网络拓扑结构也随之发生变化。在 这种环境中,由于终端的无线通信覆盖范围有限,两个无法直接通信的用户终端可以借 助其他终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻,终端设备在不需要其他基础设施的 条件下可独立运行,它可支持移动终端较高速率的移动,快速形成宽带网络,终端用户 模式事实上就是一个 Ad Hoc网络,它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情 况下提供一种通信支撑环境。 由于两种模式具有优势互补性,因此同时支持两种模式的网络将在一个广阔的区域内实 现多跳的无线通信,移动终端即可以与其他网络相连,实现无线宽带接入,又可以与其 他用户直接通信,并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据,送往目的节点 WMN不仅可以看作是WLAN与 Ad hoc融合的一种网络,又可看作是因特网的一种无 线版本 值得一提的是,目前的热点技术 WiMax因其远距离下的高容量(近50km的覆盖距离 以及高达70Mbis的宽带接入)等优势,吸引了众多无线宽带接入提供商的注意。从这

终端用户/设备(Client)兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的 应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由 维护等常见的路由操作。 基于以上的结构，WMN 有 2 种典型的实现模式。 1.基础设施网格模式（infrastructure meshing） 该模式在接入点与终端用户之间形成无线的回路。移动终端通过 WR 的路由选择和中继 功能与 IAP 形成无线链路，IAP 通过路由选择及管理控制等功能为移动终端选择与目的 节点通信的最佳路径，从而形成无线的回路。同时移动终端通过 IAP 可与其他网络相连， 从而实现无线宽带接入。这样的结构降低了系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性。 2.终端用户网格模式（client meshing） 终端用户自身配置无线收发装置通过无线信道的连接形成一个点到点的网络，这是一种 任意网格的拓扑结构，节点可以任意移动，可能导致网络拓扑结构也随之发生变化。在 这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借 助其他终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻，终端设备在不需要其他基础设施的 条件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带网络，终端用户 模式事实上就是一个 Ad Hoc 网络，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情 况下提供一种通信支撑环境。 由于两种模式具有优势互补性，因此同时支持两种模式的网络将在一个广阔的区域内实 现多跳的无线通信，移动终端即可以与其他网络相连，实现无线宽带接入，又可以与其 他用户直接通信，并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据，送往目的节点。 WMN 不仅可以看作是 WLAN 与 Ad hoc 融合的一种网络，又可看作是因特网的一种无 线版本。 值得一提的是，目前的热点技术 WiMax 因其远距离下的高容量（近 50km 的覆盖距离 以及高达 70Mbit/s 的宽带接入）等优势，吸引了众多无线宽带接入提供商的注意。从这

些网络提供商保护投资的角度出发,如果要迅速发展 WiMax,必然要与目前已经蓬勃 发展的WFi相融合。从组网结构上讲,可以采用2种融合模式:①在WLAN中,因 为AP的覆盖范围非常有限(最远只有数百米),用户在热点地区以外,可以采用 WiMax 继续接入网络享受服务,但是这种接入方案需要在终端设备中配置双网卡:②采用WMN 的组网模式,即采用双层结构,骨干网采用 WiMax技术,接入网采用W-Fi,其网络结 构如图2所示。 802,6 802.t6 互联阿骨千网 图2 WiMax-W-F组网结构 四、wMN与其他通信网络的区别 1.与蜂窝移动通信系统的区别 (1)可靠性提高在WMN中,链路为网格结构,如果其中的某一条链路出现了故障,节 点便可以自动转向其他可接入的链路,因而对网络的可靠性有了很大程度的提高;但是 在采用星型结构的蜂窝移动通信系统中,一旦某条链路岀现故障,可能造成大范围的服 务中断。 (2)传输速率大大提高 在采用wMN技术的网络中,可融合其他网络或技术(如wi-Fi、UWB等),速率可以 达到54 Mbits,甚至更高。而目前正在发展的3G技术,其传输速率在高速移动环境中 仅支持144 kbit/s,步行慢速移动环境中支持384kbis,在静止状态下才达到2 Mbit/s (3)降低成本 在WMN中,大大节省了骨干网络的建设成本,而且AP、IR等基础设备比起蜂窝移动 通信系统中的基站等设备便宜得多。 2与 Ad hoc网络的区别

些网络提供商保护投资的角度出发，如果要迅速发展 WiMax，必然要与目前已经蓬勃 发展的 Wi-Fi 相融合。从组网结构上讲，可以采用 2 种融合模式：①在 WLAN 中，因 为 AP 的覆盖范围非常有限（最远只有数百米），用户在热点地区以外，可以采用 WiMax 继续接入网络享受服务，但是这种接入方案需要在终端设备中配置双网卡；②采用WMN 的组网模式，即采用双层结构，骨干网采用 WiMax 技术，接入网采用 Wi-Fi，其网络结 构如图 2 所示。 四、WMN 与其他通信网络的区别 1.与蜂窝移动通信系统的区别 (1)可靠性提高 在 WMN 中，链路为网格结构，如果其中的某一条链路出现了故障，节 点便可以自动转向其他可接入的链路，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高；但是 在采用星型结构的蜂窝移动通信系统中，一旦某条链路出现故障，可能造成大范围的服 务中断。 (2)传输速率大大提高 在采用 WMN 技术的网络中，可融合其他网络或技术（如 Wi-Fi、UWB 等），速率可以 达到 54Mbit/s，甚至更高。而目前正在发展的 3G 技术，其传输速率在高速移动环境中 仅支持 144kbit/s，步行慢速移动环境中支持 384kbit/s，在静止状态下才达到 2Mbit/s。 (3)降低成本 在 WMN 中，大大节省了骨干网络的建设成本，而且 AP、IR 等基础设备比起蜂窝移动 通信系统中的基站等设备便宜得多。 2.与 Ad Hoc 网络的区别

WMN与AdHo网络均是点对点网络。 Ad hoc网络中的移动节点都兼有独立路由和主 机功能,不存在类似于基站的网络中心控制点,节点地位平等,采用分布式控制方式 WMN把 Ad hoc网络技术应用到移动节点同时又使移动节点可通过IAP连接到其他网 络,因此可以把WMN看成是 Ad Hoc网络技术的另一种版本。但WMN与移动 Ad Hoc 网络的业务模式不同,对于前者,节点的主要业务是来往于因特网网关的业务,而对于 后者,节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。虽然人们对 Ad Hoc网络的研究 已经有相当长的时间,但是主要还是在理论上,而且主要应用在军事上,还未进行大规 模的商用。 3.与WLAN的区别 从拓扑结构上讲,WLAN是典型的点对多点网络,而且采取单跳方式,因而数据不可转 发。WLAN可在较小的范围内提供高速数据服务(802lb可达 11 Mbit/s,802.11a可达 54 Mbit/s),但由于典型情况下WLAN接入点的覆盖范围仅限于几百米,因此如果想在 大范围内应用WLAN的这种高速率的服务模式,成本将非常高。而对于WMN,则可 以通过WR对数据进行不断转发,直至把它们送至目的节点,从而把接入点的覆盖服务 延伸到几公里远。WMN的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。五、wMN的 关键技术 1正交分割多址接入(QDMA)技术 QDMA技术是专门为广域范围内通信的最优化以及移动网格网系统设计的。它起源于 军事领域,是为了在特殊环境或紧急状况下提供可靠的通信方式。QDMA技术使用直 接序列扩频(DSSS)调制技术,工作在24GHz的ISM频段上。由于它在MAC子层使 用多信道方式(3个数据信道和1个控制信道),因此,与单个信道相比更能适用于高密 度的WMN终端设备。QDMA技术提供一个高性能的射频前端,这种前端含有类似于 多抽头Rake接收机(一般用于蜂窝网络)的功能和一种克服射频环境快速变化的公平 算法 QDMA可在较广的移动通信范围内提供较强的纠错能力,同时增强的抗干扰能力和信 号的灵敏度可使基于QDMA技术的通信网络提供达到250mph的移动速度,而在实际 多址环境应用中的IEE82.l协议只能达到20mph。目前QDMA数据传输的范围达到 1600m,而802.1b只有20~50m。除了通信的范围和速率外,QDMA更独特的是内置 的定位技术能够对通信设备进行精确定位而不依赖于全球定位系统(GPS),误差不超 过10m[18,19]。 2隐藏终端问题处理技术 由于WMN采用无线传输媒质,因此它与其他无线传输网一样,不可避免地存在隐藏终 端和暴露终端问题。由于无线媒质的特殊性,隐藏终端问题都可能发生,都会导致信号 碰撞的发生。目前可通过IEEE802.l中的 RTS/CTS协议(请求发送/允许发送协议)来 避免,但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问题。尽管通过握手机制可以减少隐藏终

WMN 与 Ad Hoc 网络均是点对点网络。Ad Hoc 网络中的移动节点都兼有独立路由和主 机功能，不存在类似于基站的网络中心控制点，节点地位平等，采用分布式控制方式。 WMN 把 Ad Hoc 网络技术应用到移动节点同时又使移动节点可通过 IAP 连接到其他网 络，因此可以把 WMN 看成是 Ad Hoc 网络技术的另一种版本。但 WMN 与移动 Ad Hoc 网络的业务模式不同，对于前者，节点的主要业务是来往于因特网网关的业务，而对于 后者，节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。虽然人们对 Ad Hoc 网络的研究 已经有相当长的时间，但是主要还是在理论上，而且主要应用在军事上，还未进行大规 模的商用。 3.与 WLAN 的区别 从拓扑结构上讲，WLAN 是典型的点对多点网络，而且采取单跳方式，因而数据不可转 发。WLAN 可在较小的范围内提供高速数据服务（802.11b 可达 11Mbit/s，802.11a 可达 54Mbit/s），但由于典型情况下 WLAN 接入点的覆盖范围仅限于几百米，因此如果想在 大范围内应用 WLAN 的这种高速率的服务模式，成本将非常高。而对于 WMN，则可 以通过 WR 对数据进行不断转发，直至把它们送至目的节点，从而把接入点的覆盖服务 延伸到几公里远。WMN 的显著特点就是可以在大范围内实现高速通信。五、WMN 的 关键技术 1.正交分割多址接入（QDMA）技术 QDMA 技术是专门为广域范围内通信的最优化以及移动网格网系统设计的。它起源于 军事领域，是为了在特殊环境或紧急状况下提供可靠的通信方式。QDMA 技术使用直 接序列扩频（DSSS）调制技术，工作在 2.4GHz 的 ISM 频段上。由于它在 MAC 子层使 用多信道方式（3 个数据信道和 1 个控制信道），因此，与单个信道相比更能适用于高密 度的 WMN 终端设备。QDMA 技术提供一个高性能的射频前端，这种前端含有类似于 多抽头 Rake 接收机（一般用于蜂窝网络）的功能和一种克服射频环境快速变化的公平 算法。 QDMA 可在较广的移动通信范围内提供较强的纠错能力，同时增强的抗干扰能力和信 号的灵敏度可使基于 QDMA 技术的通信网络提供达到 250mph 的移动速度，而在实际 多址环境应用中的 IEEE802.11 协议只能达到 20mph。目前 QDMA 数据传输的范围达到 1600m，而 802.11b 只有 20~50m。除了通信的范围和速率外，QDMA 更独特的是内置 的定位技术能够对通信设备进行精确定位而不依赖于全球定位系统（GPS），误差不超 过 10m［18，19］。 2.隐藏终端问题处理技术 由于 WMN 采用无线传输媒质，因此它与其他无线传输网一样，不可避免地存在隐藏终 端和暴露终端问题。由于无线媒质的特殊性，隐藏终端问题都可能发生，都会导致信号 碰撞的发生。目前可通过 IEEE802.11 中的 RTS/CTS 协议（请求发送/允许发送协议）来 避免，但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问题。尽管通过握手机制可以减少隐藏终