樊自甫 万晓榆 重庆邮电学院信科股份有限公司
近年来，WLAN在接入领域中得到了迅速发展，依其所具有的巨大数据传输速率，WLAN也被认为是3G或3G后移动数据通信部分的一个主要竞争对手。但WLAN也有其不足之处，其中最主要的一个便是接入点（AP）的覆盖范围较为有限，若要在一个相对较大的区域提供无线覆盖，就需要在该地区内配置多个接入点，因而增加了建设基于WLAN的公共宽带网的成本。虽然人们对此提出了一些解决方法，如通过多种无线技术的共存来提高无线的覆盖和位置的适应性等等，但这些方法中大多是以增加接入点或降低网络运行效率为代价。于是人们把目光转向了另一种网络结构——Wireless Mesh（无线网状网），希望通过这种全新的网络结构来克服传统无线网络中所存在的固有缺点，实现无线宽带领域中的一次变革。
Wireless Mesh的结构
通常我们可以把无线网络结构分成两种：一种是点到多点的星型网络，如IEEE802.11无线LAN；一种是点对点的网状网络，如移动Ad hoc网络（MANET）。通常认为，Wireless Mesh是点对点网络的一种，把它看成是移动Ad hoc技术的一种简化版本。但两者又有一定的区别，主要的不同在于网络结构的连接上，即Wireless Mesh中的接入点既可以作为MANET的一种对等的数据转发实体，又可作为一连接到其它有线网络的桥接器。实际上，Wireless Mesh吸收了星型与网状两种网络的优点，是对两者的一种无缝融合（图4），这种融合是通过在网络节点上执行WMR（Wireless Mesh Routing）协议来完成的。Wireless Mesh与传统无线星型网络的差别在于：Wireless Mesh采用了对等式的网络拓扑，需要在一种分散式网络环境中进行构建。
如图1所示，Wireless Mesh中主要存在着两种网络实体：移动节点（MN）与接入点（AP），与传统点对多点网络不同，Wireless Mesh的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其临近节点进行通信，在网络中MN既是业务的使用者又是业务的提供者，也就是说它具有数据的转发功能，可以向网络中的其它节点（MN或AP）转发它所接收到的数据包，因而Wireless Mesh也是一种自组织和自管理网络。
图2是Wireless Mesh的协议堆，从图2中可以看出，为提供多次反射无线路由功能，在AP和MN都执行WMR路由协议。而且，为实现与IP的兼容，WMR被作为一中间层协议放置在MAC层和IP层之间，这样一来，在不需要对其它协议层做太大改动的情况下便可以很好地执行WMR协议。因此，通过图2的软件结构，WMR能够较好地工作于现有的各种无线标准（如802.11b、802.11e）和现有的多数应用中。
与传统无线星型网络的比较
从以上介绍中可以看出，Wireless Mesh在组网与选路等特征上与传统无线网络存在着明显的区别。实际上，Wireless Mesh更像是Internet网络的一种无线版本，由于节点只和其临近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据WMR协议的配置逐点（hop）传递到目的节点。这种结构与传统点对多点网络结构相比具有较多的优势，主要表现在下列几个方面：
可靠性提高
通常提高网络可靠性的方法是让每个节点使用多条路径进行接续，以便链路出现故障时不会影响整个网络。而在传统的点对多点网络中，节点的接入采用了星型（Star）结构，即多个节点将首先接入到一个中心点，再由中心点接入到网络中。这样一来，若其中某一节点出故障，特别是中心点出现了故障将会影响到整个网络的正常工作，因而这种网络结构的可靠性得不到很好的保证。例如：在蜂窝移动通信系统中，星型结构的中心便是移动交换中心（MSC），位于周边的若干个BTS首先接入到一个BSC上，然后再通过BSC连接到MSC（图4），若其中某一BTS与BSC间的链路出故障，则此BTS便无法接入MSC。为提高网络的可靠性，目前的点对多点网络中也采用了一些保护措施。如MHSP（Monitored Hot-Standby Protection），为主链路配置后备链路，此方法虽然简单，但每条路径都需要配备有两个独立的链路和一个保护交换，而且同时只能有一个信道用于业务的传送，大大降低了信道带宽的使用效率。而在Wireless Mesh（图3）中，链路为网状结构，每个节点可使用的链路数大大增加，且每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出了故障，节点便可以自动转移到其它可选链路进行接入，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高。从图3中我们还可以看出，BTS与BSC之间采用了无线连接方式，这也给出了蜂窝移动通信系统在采用Mesh拓扑后的不同之处。
碰撞减轻
Wireless Mesh可以较大程度地减轻了业务执行时碰撞现象的发生。Wireless Mesh中提供了多个可选路径，业务在执行过程中受路径碰撞的影响便会降低，而且，Wireless Mesh中还提供了碰撞保护机制，那些未经认证的无线链路若能去执行Mesh业务而引起碰撞时，系统将自动对此碰撞与链路进行标识，并将在此链路上执行的业务转移到可选链路中。另外，在Wireless Mesh节点中的可选链路与本身链路的夹角通常为一钝角，甚至为相反方向（图3），这为减轻链路间的干扰创造了条件，我们知道，天气对无线信道会有一定的影响，如雨天会对无线链路造成一定的功率衰减，但是天气的影响是局部的、有方向性的，通常同一方向的可选路由或可选链路处于这种天气条件下的几率要大于方向相差较大的可选路由或链路，因而呈钝角关系的路由或链路受到这种天气因素的影响便会大大降低，这也从一个侧面减轻了业务执行时发生碰撞的可能性。
简化无线链路设计与星型网络相比，Wireless Mesh在无线链路的设计上也有所简化，主要体现在两个方面：一是Wireless Mesh的节点间呈网状或环状连接，相距较远的节点间通信时的数据包将通过多个节点的转发，逐点传递到目的节点。但在星型网络中，较远节点的数据包通常是用一个较长链路连接到某一中心点，再由此中心点转发此数据包。与点对多点链路相比，Wireless Mesh无线链路的长度通常更短，因而Wireless Mesh对天线传输距离与性能的要求便会大大降低，降低了天线的成本；二是无线链路越短，所需的发射功率越低，降低了射频信号间的干扰，从而也减少了整个网络的自干扰现象。
可测量性
与星型网络相比，Wireless Mesh是一种对等网络，网络中的每个节点是对等的，这样连接到一共同节点的链路数目就会减少，因而需要进行信道分配的无线链路数目也会随之减少，增加了网络的可测量性。另外，对于网络带宽的配置，可以通过对接入点（AP）的配置来完成，而且还可以通过运行在节点和接入点上的Wireless Mesh路由（WMR）协议对不同业务进行带宽的匹配，实现不同业务间带宽的平衡。因而与星型网络相比，Wireless Mesh网络具有更好的可测量性。
维护简便
Wireless Mesh简化了网络的维护与升级，如前所述，每个节点都有多条可选路由，因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行，方便了网络的维护与操作。
Wireless Mesh的需求
尽管Wireless Mesh有上述优点，但这些优点也是建立在对网络的某些特定需求之上：首先，Wireless Mesh的每个节点都具有路由选择功能，因而每个网络节点都需要配置若干条路由，并对其进行控制与管理，增加了节点的负担；其次，与无线星型网络相比，Wireless Mesh需要在节点间建立更多的无线链路，如果网络较为稀疏，一环状网络将需要有N+1条无线链路，如果网络较为密集，就大约需要有2N条链路；最后，使用Wireless Mesh时需要对网络的结构进行重新设计，使网络中的每个节点都具有路由选择功能，必要的话还需要对部分链路的容量重新配置。为此，在设计Wireless Mesh时采用了一种分层机制，即在需求较低的链路上使用低容量链路，在需求较高的链路上使用高容量链路，在图4中以蜂窝移动系统为例对此进行了说明。
随着网络的不断发展，传统点对多点（即星型）网络将变得越来越复杂，对数据率的要求也将越来越高，网络节点必须能够支持和维护多种不同类型的数据流，使得网络的运行效率大大降低；而且，传统星型网络的可靠性也有待提高，虽然目前也采用了一些提高网络可靠性的措施，但大多要以降低带宽使用效率或增加成本为代价；另外，传统星型网络在操作与维护的费用、安装与扩容的速度、位置的适应性、可测量性等均存在着诸多不足。从文中的分析我们可以看出，在点对点的网状网络中以上这些指标的性能将会有较大的提高。目前，Wireless Mesh正处于研究与初步应用阶段，人们也正在努力寻求Wireless Mesh技术与其它技术（如智能天线、UWB等）的融合，希望通过对这些先进技术的引入来提高Wireless Mesh的性能，如美国的SkyPilot公司将智能天线技术应用于Wireless Mesh中，并成功实现了频谱的重复使用，大大提高了频谱的利用率。Wireless Mesh在军事与无线组网等领域必会有广泛的应用前景，并有望给无线宽带领域带来一场重大变革。
----《通讯世界》
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