文章從網絡配置、功率控制、移動性管理和接入控制以及路由協議設計等方面說明了WMN組網中的相關問題和技術，對WMN與移動自組織(Adhoc)網路由協議的設計進行了對比，并給出了一種基于WLAN和第二層交換技術的WMN試驗床實現方案。

一、無線網狀網的介紹

無線Mesh網(WMN)又稱為無線網狀網、無線網格網，大約出現在20世紀90年代中期。隨著移動通信技術的發展，除無線通信網絡的語音業務需求外，高速因特網接入需求也日漸增加。傳統的無線接入方式面臨著接入帶寬不足、服務質量得不到滿足等問題，而且無線頻譜資源及拓撲結構缺乏統一規劃，難以適應靈活多變的使用狀況。WMN提供了一條解決無線接入網所面臨問題的新途徑。

通信網絡的拓撲結構通常抽象成一個圖G(V,E )，其中，V 代表通信節點的集合，E 代表著通信鏈路的集合。無線Mesh網的最初定義，就是指無線通信網絡的網絡拓撲可以抽象成一個連通圖，對圖中的任意兩個頂點vi,vj∈V,vi和vj 之間是連通的，即存在一條或多條從vi到vj的路徑，定義為頂點集合(vi =vp,0,vp,1……vp,m=vj)，其中(vp,n-1,vp,n)∈E,1≤n≤m。

傳統無線接入網的拓撲結構如圖1所示，主要是點到點(P2P)或點到多點(P2MP)，如蜂窩網屬于P2MP的拓撲結構，無線局域網 (WLAN)則存在有中心和自組織兩種結構，分別屬于P2MP和P2P類型。而WMN的拓撲結構是網狀的，也被稱為多點到多點(MP2MP)。這種網絡結構，使WMN能更好地解決傳統無線接入網絡中的一些問題。

蜂窩網覆蓋范圍比較大，主要提供語音業務，但構建和維護的成本較高，而且在多媒體傳輸業務的通信熱點地區，其提供的通信速率相對較低。WLAN能提供較高的通信速率，適于多媒體數據接入業務。在有中心的P2MP結構中，由于接入點(AP)的覆蓋范圍有限，為了在更大區域內提供無線接入，需要布置多個AP，使得成本較高;而對于自組織的P2P結構，由于網絡連通性依賴于有較強移動性的各節點，導致網絡的可靠性降低，并且對作為網關節點的性能要求較高，計費和管理方式也不明確。

WMN主要由兩類網絡節點組成：Mesh路由器和Mesh客戶端。采用WMN作為接入網絡時，Mesh客戶端通過相鄰的其他節點，以無線多跳的方式接入到因特網。這種MP2MP的結構，使得WMN具有以下優點：

自配置：節點之間通過開放的無線鏈路，形成單跳或多跳連接，自動完成組網;

自調節：節點之間擁有多條通信路徑，業務可以靈活的選擇合適的(例如最短路徑、最少干擾，速率最快等)路徑進行傳輸;

自愈：當某一節點出現故障受損或一條鏈路出現擁塞，網絡中的業務可以選擇繞開相應的節點或鏈路，網絡的可靠性增強;

可擴展性：可以方便的添加或刪除網絡節點，調整網絡覆蓋范圍，降低系統的建設和管理成本。

因此，WMN適合作為因特網“最后一公里”無線接入方案，在IEEE 802.11s，802.15以及802.16等標準中已有體現，它將成為下一代Wi-Fi和WiMAX的重要組成部分。

除此之外，當前存在著多種無線接入網絡，采用各種不同的無線傳輸技術以及標準，提供各自適宜的應用。例如蜂窩網適于語音通信業務，Wi-Fi適于局部區域的寬帶多媒體數據接入業務，無線傳感器網絡適于環境檢測中的數據采集業務等等。未來的無線網絡將是各種網絡并存、各種異構網絡融合，為用戶提供隨時隨地的接入的泛在網絡。這是無線網絡的發展方向，也可能成為WMN一個新的應用方向。

融合多種無線網絡的WMN的網絡結構如圖2所示，網絡中的核心設備為Mesh路由器，構成了拓撲結構動態可變的核心網。Mesh路由器配置了多種無線傳輸標準的接口設備，實現各種無線網絡的互聯，包括蜂窩網、WiMAX網絡、WLAN、移動自組織(Ad hoc)網絡以及無線傳感器網絡。采用各種無線傳輸技術的用戶終端，無論何時何地都可以通過某種無線接入網與核心網相連。WMN的配置和維護成本比傳統的有線方式更有優勢，可作為未來泛在異構網絡的一種實現方式。

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二、 WMN的組網技術

無線網絡的帶寬有限，復雜的時變信道特性以及開放的通信環境，導致節點的信號互相干擾，要提供保證服務質量的服務，必須采用有效的網絡管理和組網技術，提高鏈路容量和網絡傳輸效率。WMN的組網技術包含了幾個主要的方面：網絡配置和部署，功率控制，移動性管理和接入控制，以及路由協議設計等。

2.1 網絡配置和部署

為了使WMN具備良好的可擴展性、容錯性、自調節能力，大的覆蓋范圍和網絡容量，需要對網絡配置和部署進行研究。

首先，需要對移動性較弱，組成骨干網的Mesh路由器的部署位置進行規劃，一方面在保證不出現無線信號覆蓋盲區的前提下，需要的Mesh路由器需要量盡可能地低以降低成本;另一方面，在熱點區域，提供多條路徑以增加用戶接入數。可以結合多入多出(MIMO)和方向性天線技術等來進一步提高網絡傳輸能力。

Mesh路由器能提供各種異構網絡的接入服務，因此，如何分配Mesh路由器的多個無線接口以保證各個網絡之間的連通性，是WMN應該解決的問題。此外，在WMN中，采用多信道的方法可以用來增加網絡的吞吐量，但在無線多跳的環境下，多信道的通信方式也面臨更多的亟待解決的問題：有文獻中提到多信道WMN在信道間分布式業務分配，信道協調使用及廣播支持等方面存在著問題，并對多信道有關協議進行了設計和實現。

2.2 功率控制

在WMN中，對Mesh路由器雖然沒有能量限制，但也需要功率控制，目的是保證WMN的連通性，控制網絡干擾，提高頻率復用率。適當的傳輸功率可以減小無線信道信號間干擾，提高頻譜復用效率。

與Mesh路由器不同，Mesh客戶端一般是移動節點，節點的能量有限。因此，設計網絡協議需要考慮功率的有效性。比如，一些Mesh客戶端可能是IP電話或者是一個傳感器，因此，功率效率是要考慮的一個因素。對于一些WMN應用，實現功率控制將優化網絡的連接性，提高網絡性能。

2.3 移動性管理和接入控制

WMN移動性管理包含兩方面的含義：位置管理和移動切換管理。位置管理主要用于解決位置注冊，而移動切換管理包括切換初始化，建立新連接??無縫連接服務。在蜂窩網中，移動性管理由基站，移動交換中心和位置數據庫進行集中式管理;而在Ad hoc網絡中，移動性管理與路由協議緊密結合，可看作是一種分布式的方案。WMN因同時具有多跳和移動性低的特點，其移動性管理需要充分結合上述兩種網絡的移動性管理技術。

接入控制是指保證用戶使用各種無線傳輸技術，均可以有效接入WMN;尤其是在局部熱點地區，當節點數量較多、負載較重的情況下，如何控制新節點的接入來保證已接入節點的服務質量。

2.4 路由協議設計

WMN采用多跳中繼實現網絡接入，這使得路由協議設計可以參考Ad hoc網絡的路由協議設計方法。但與之相比，兩者還存在差別。一方面，Ad hoc網絡由AP、Mesh路由器、網關等構成的，節點的移動性相對較弱;另一方面，WMN中的大部分數據業務都是用戶節點發送給網關節點，而Ad hoc網絡主要提供節點到節點之間的業務傳輸模式，此外，在功耗限制方面要求相對較弱。

此外，研究WMN的路由協議，也可以參考在因特網中所采用的路由技術，例如自治域內和域外使用不同的路由協議。

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三、 WMN的路由協議設計

WMN是一種動態拓撲結構的多跳網絡，與Ad hoc網絡具有相似性，因此，多數WMN采用的路由協議源于Ad hoc網絡。Ad hoc網絡的路由協議可分為地理位置輔助路由和非地理位置輔助路由，前者需要GPS定位系統的支持，后者又可分為平面路由協議和分層路由協議。平面路由協議分為按需路由如按需距離矢量協議(AODV)，動態的源路由協議(DSR)，逐段路由協議(SSR)，和主動路由，如目的站編號的距離矢量 (DSDV)，無線路由協議(WRP)，基于反向路徑轉發的拓撲廣播(TBRPF)等，而分層路由協議有簇首網關交換協議(CGSR)和區域路由協議 (ZRP)等。目前實現的WMN中，采用的有基于TBRPF的路由協議、基于DSR的路由協議、基于DSDV的路由協議，和基于AODV的路由協議。

但是，WMN與Ad hoc網絡有一些根本的區別，如表1所示，在WMN中直接應用Ad hoc網絡的路由協議無法使WMN的性能達到最優。

設計WMN路由協議，需要考慮的有以下幾個因素：

(1)選擇路由的依據

需要綜合考慮多個參數，包括：

跳數：源節點到目的節點之間的路徑所經過的無線鏈路數。

期望傳輸次數(ETX)：由于媒體訪問沖突而導致的重傳次數，為無線通信中比較常用的一個參數。

期望傳輸時間(ETT)：比ETX更常用，它同時考慮了信道自身的帶寬特點。

往返傳輸時間(RTT)：分組在源節點和目的節點往返傳輸所需時間。

能量消耗：選擇某條傳輸路由致使各節點能量損耗的總和。

路由穩定性：考察一個路由的穩定程度如何，可持續的時間。

(2)網絡支持的規模

WMN的網絡規模一般很大，路由協議需要能夠支持更多的節點，如果直接使用傳統的Ad hoc網絡路由協議，路由搜索過程可能需要的時間太長，代價也很大。

(3)容錯性

在Mesh客戶端移動、無線鏈路擁塞或Mesh 路由器故障等情況下，路由可以重新選擇。

(4)鏈路干擾

鄰近節點發送的無線信號互相干擾，路由選擇時應盡量選擇干擾小的鏈路，以增加系統容量。

(5)跨層協議設計

結合物理層的方向性天線、多輸入多輸出(MIMO)和鏈路層的一些技術，各層協議相互協同、綜合設計。

無線Mesh網可以支持無線接入和無線網絡互聯兩種應用，由于應用場景不同，考慮的重點也有所不同。

無線接入應用的路由協議需要充分適應Mesh客戶端和Mesh路由器，其中，既包含了移動性很強、功耗受限的用戶節點，也包含了移動性較弱，功耗不受限的接入節點和網關節點。目前，在設計絕大多數WMN路由協議時，都將Mesh客戶端和Mesh路由器兩類節點平等對待，沒有考慮二者的差異，區分兩類節點來研究路由協議，有可能成為一個值得關注的課題。而在網絡融合應用中，由用戶節點組成的無線網絡可被看作是一個自治域，可以直接采用因特網的路由思想，這就只需解決由Mesh路由器構成的無線核心網的路由問題。文獻[11]中對當前常見的4種Ad hoc網絡路由協議(分別是DSR和AODV兩種按需路由，以及OLSR和DSDV兩種主動路由)用于Mesh核心網的性能進行評測。比較了路由開銷、分組傳輸成功率和端到端的時延等。結果表明，由于WMN路由開銷比較小，大體上，按需路由協議比主動路由協議的性能更好，然而，由于WMN節點移動性減弱，需要增加按需路由協議的路由過期時間和路由緩存時間，以避免交換過多的路由消息而增加開銷。

在無線接入應用中，大部分是用戶節點到網關節點的業務，屬于點到點業務，網絡業務具有突發性。而在網絡融合應用中，Mesh路由器之間的業務是來自一個網絡，業務流具有聚合性，這與因特網業務有相似性，例如業務的范圍和平均的分組大小遵循24-hour模型，IP業務中大部分是TCP業務，而 TCP業務中絕大部分是網頁瀏覽業務和文件傳輸業務。針對不同的業務類型特點，在區分業務類型保證服務質量的路由協議設計時需要區別對待。

在網絡融合的應用中，Mesh路由器配備有兩個以上的無線收發設備，路由協議的設計需要考慮多無線收發器、多信道等特點;而在無線接入應用中，一般則不考慮。

鑒于上述問題，針對WMN網絡結構的特點以及應用的特點，基于無線自組織網絡技術的基礎，研究WMN路由技術，才可能改善WMN網絡性能。

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四、 無線網狀網的實驗研究

開展對WMN組網技術的研究，主要有兩種方法。一種是采用仿真方法開展研究工作，例如，基于NS-2和OPNET的仿真軟件，建立WMN網絡協議模型和業務傳輸模型，進行協議的設計和性能分析。與此同時，基于WMN網絡結構抽象出更小的網絡結構模型、業務模型及關鍵技術，實現一個實用的實驗網絡，即WMN試驗床，對一個WMN進行測試、性能分析，這也是目前許多國外研究機構正在進行的研究工作。

例如，微軟研究院建立了基于802.11的無線Mesh網實驗平臺，麻省理工學院(MIT)建立了Roofnet實驗網絡平臺，目的是使WMN 提供因特網的接入服務。其中，微軟研究院構建的Mesh網絡平臺，在節點中的網絡層和MAC層之間增加一個Mesh連接層，DSR經過修改成為無線 Mesh網的路由協議。MIT構建Roofnet網絡，由20個左右的節點組成，每個節點配置一塊802.11b的無線網卡和一個全向天線，工作在同一信道上，基于Linux操作系統，路由協議采用類似于DSR路由協議的Srcc協議，Mesh客戶端通過DHCP動態獲得IP地址，經網關節點接入因特網。目前，IEEE 802.11無線傳輸技術很成熟，其產品價格低廉并得到廣泛應用，基于IEEE 802.11技術構建WMN實驗平臺，研究WMN組網技術是一種可行的并被廣為采用的方案。

為研究WMN組網技術、節點實現方案，擬構建一個WMN測試平臺。該平臺提供目前有線、無線的接入服務，如基于IEEE 802.11的WLAN接入，包括有中心方式通過AP接入以及Ad hoc接入，基于IEEE 802.3的有線接入等，如圖3所示。

在WMN中，當Mesh客戶節點數量較多時，可以構成一個因特網的子網，通過Mesh 路由器接入Mesh骨干網，而在某些區域，當Mesh客戶節點數量較少時，可以將接入網絡視為一個網段，通過Mesh網橋接入Mesh骨干網。Mesh網橋的功能類似于以太網的集線器或者交換機。Mesh網橋應該價格低廉，并且能夠在不同的無線網段之間有效地轉發數據幀。為此，我們定義了Mesh網橋功能并設計了該設備的實現方案。

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Mesh網橋能夠實現不同接入節點的接入服務，包括WLAN接入，Ad hoc接入以及有線接入等多種接入服務，并且能夠實現不同接入方式之間的協議轉換。實現一個Mesh網橋的方案是：基于Intel x86筆記本電腦運行2.6.18版本的Redhat Fedora Core 6操作系統作為軟硬件平臺，筆記本電腦自帶的RJ45接口提供有線網絡連接接口，通過PCMCIA總線擴展一塊無線網卡提供無線接入。無線網卡的型號為 DWL650，基于Intersil's Prism2/2.5/3芯片組，采用Host AP作為驅動程序，支持Host AP模式，能夠提供類似于AP的IEEE 802.11接入功能。

在此基礎上，構建一個WMN的最小驗證系統，如圖4所示。Mesh網橋的協議轉換功能采用基于Libpcap和Libnet技術來實現，其中，Libpcap技術實現數據幀的捕獲功能，而Libnet技術實現數據幀的發送功能。通過捕獲在傳輸鏈路上的數據幀，采用第二層(鏈路層)轉發技術，完成不同網段之間的數據轉發以及協議幀格式的轉換。由于系統采用了第二層轉發技術，而非Mesh路由器的第三層IP轉發技術，從而能夠加快不同網段之間數據轉發的速度，節省數據轉發時間。

該系統主要由兩部分組成：2個Mesh網橋和3個Mesh客戶端。其中，為Mesh網橋配置了兩種通信傳輸接口，一種用于提供Mesh 客戶端接入服務，包括以太網接入或WLAN接入。另一端與Mesh骨干網連接，采用Ad hoc網絡的AODV路由協議，作為Mesh骨干網中的一個交換節點。Mesh客戶端分為兩類，一類是采用WLAN接入，另一類采用以太網接入。由于 IEEE 802.11b支持11個信道，并且存在3個不相重疊的信道，因此，Mesh網橋的無線接入信道分別采用信道1和信道6，Mesh網橋之間的Ad hoc連接采用信道11，使各無線信道之間互不干擾。

在此系統中，可以實現任意兩個客戶端之間數據通信，并基于此系統，可以進一步對第二層路由交換算法進行研究。有文獻提出一種基于MAC地址的第二層交換路由算法(MARP)，通過擴展地址解析協議(ARP)協議來完成路由請求和應答過程。本實驗系統的下一工作目標是，設計并實現一種有效的第二層交換算法，實驗驗證算法的性能。

五、 結束語

本文介紹了WMN結構及其組成，分析了WMN中的無線路由協議及網絡管理技術，指出了WMN的路由協議和網絡管理中的關鍵技術及其主要問題。在此基礎上，搭建了一個WMN實驗平臺，并對平臺的性能進行測試。實驗表明，WMN是一種可實現的用于無線接入的網絡結構，是一種有著廣闊應用前景的組網技術。