WMN

隨著人們對網路通信需求的不斷提高，人們希望不論何時、何地、與何人都能夠進行快速、準確的通信，為了提高工作效率，並且克服現有通信系統的缺點，達到通信的“無所不在”，最近，人們提出了一種新型的寬頻無線網路結構無線網格網(WMN)[1，2]。

WMN技術作為一項能夠實現靈活組網的技術以及它本身的諸多優勢必將給無線寬頻領域帶來重大變革。

2004年1月，IEEE802.11 Working Group正式專門成立了網格研究組（Mesh Study Group），同年3月又成立了網格任務組（Mesh Task Group），標誌著WMN技術正式邁上了廣泛標準化道路。另外，其他標準如802.15.3a、802.15.4和專用短程通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）也開始探索如何通過網格嵌入式設備來改進其現有技術，IEEE802.16已經將網格技術納入其MAC層協議標準中。

近10年來，包括移動Ad Hoc網路和WMN在內的許多研究，已經取得了眾多成果，主要有以下方面：①路由協議的研究。協議的核心是適應網路無中心控制和網路時變的特徵；②媒體接入控制（MAC）協議的研究。主要是解決隱藏終端和提高接入能力等問題，如MACA協議、控制通道和數據通道分裂的雙通道方案和基於定向天線的MAC協議等[4，5，6]；③在網路連接性方面，主要的背景是無線感測器網路，探討問題的核心是節點密度與分佈問題[7~11]；④在多播/組播協議、TCP協議、地址和帶寬等網路資源分配、功率（節能）控制、安全性問題、分散式演演算法、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的數量相對較少；⑤一些針對WMN的協議和系統模擬與實驗研究有了一些新的結果[12，13]。在短距離Ad Hoc網路的構建上，最近一些學者正在研究藍牙散射網關鍵技術[4，5]。

與WMN相關的專利目前主要掌握在一些美國公司及研究機構手中。例如MeshNetworks公司2002年6月獲得專利“為端到端和端到基礎設施的通信網路提供無線業務消息存儲轉發的系統和方法”。該專利提出了一種實現不在彼此傳輸範圍內的移動節點和無線基礎設施部件間進行無線通信的系統和方法，基本思想是利用了中間移動節點所具有的存儲轉發信息的能力。2004年4月，該公司獲得專利“無線端到端Ad Hoc網路路由中對IP地址到MAC地址映射及所存在網關的自動配置和發現的系統和方法”。該專利的主要思想是採用一個Hash函數將IP地址變換為一個6位元組的MAC地址，並附加在路由廣播中主動傳輸給其他節點。此外，摩托羅拉公司在2003年10月獲得專利“在Ad Hoc網格網路中提高服務效率的方法和設備”，其中涉及在WMN中增強業務有效性的通信系統與設備。Caly公司於2002年3月獲得專利“網格無線網路中包數據通信協議”，其中主要涉及網格無線網路節點之間包數據的通信方法。

近年來，由於無線數據通信需求的推動，加上半導體、計算機等相關電子技術領域的快速發展，短距離無線通信技術也經歷了一個快速發展的階段，WLAN技術、藍牙技術、移動Ad Hoc網路技術和超寬頻（Ultra-Wide Band，UWB）技術等取得了令人矚目的成就。一般認為，未來的4G系統網路是各種不同網路拓撲結構的集成，其中包括未來的蜂窩移動通信網路、衛星網路、公共電話交換網路、WLAN、移動Ad Hoc網路等，這些網路均集成到網際網路骨幹網或通過WMN集成到網際網路中，而WMN可看作“網際網路的無線版”。可見，WMN將是未來無線通信領域重大技術革新。

在使用無線網格網技術建設的網路中，其拓撲結構呈格柵狀，圖1所示為一種典型結構。整個網路由下列組成部分構成：智能接入點（IAP/AP）；無線路由器(WR)；終端用戶/設備(Client)。

在圖1中，AP也稱無線接入點或網路橋接器，一個AP能夠在幾十至上百米的範圍內連接多個無線路由器，AP的主要作用是將無線網路接入核心網，其次要將各個與無線路由器相連的無線客戶端連接到一起，使裝有無線網卡的終端設備可以通過AP共享核心網的資源。IAP（智能接入點）是在AP的基礎上增加了Ad Hoc路由選擇功能。除此之外，AP/IAP還具有網管的功能，實現對無線接入網路的控制和管理，把傳統交換機的智能性分散到接入點（AP/IAP）中，大大節省了骨幹網路建設的成本，提高了網路的可延展性。在智能接入點的下層，配置無線路由器，即WR，從而為底層的移動終端設備（即用戶）提供分組路由和轉發功能，並且從智能接入點下載並實現無線廣播軟體更新。轉發分組信息的路由根據當時可使用的節點配置臨時決定，即實現動態路由。在該網路結構中，通過使用無線路由器(WR)可以實現移動終端設備與接入點間通信範圍的彈性延展。

終端用戶/設備(Client)兼備主機和路由器兩種角色。一方面，節點作為主機運行相關的應用程序；另一方面，節點作為路由器需要運行相關的路由協議，參與路由發現、路由維護等常見的路由操作。

基於以上的結構，WMN有2種典型的實現模式。

（Infrastructure Meshing）

該模式在接入點與終端用戶之間形成無線的迴路。移動終端通過WR的路由選擇和中繼功能與IAP形成無線鏈路，IAP通過路由選擇及管理控制等功能為移動終端選擇與目的節點通信的最佳路徑，從而形成無線的迴路。同時移動終端通過IAP可與其他網路相連，從而實現無線寬頻接入。這樣的結構降低了系統成本，提高了網路覆蓋率和可靠性。

（Client Meshing）

終端用戶自身配置無線收發裝置通過無線通道的連接形成一個點到點的網路，這是一種任意網格的拓撲結構，節點可以任意移動，可能導致網路拓撲結構也隨之發生變化。在這種環境中，由於終端的無線通信覆蓋範圍有限，兩個無法直接通信的用戶終端可以藉助其他終端的分組轉發進行數據通信。在任一時刻，終端設備在不需要其他基礎設施的條件下可獨立運行，它可支持移動終端較高速率的移動，快速形成寬頻網路，終端用戶模式事實上就是一個Ad Hoc網路，它可以在沒有或不便利用現有的網路基礎設施的情況下提供一種通信支撐環境。

由於兩種模式具有優勢互補性，因此同時支持兩種模式的網路將在一個廣闊的區域內實現多跳的無線通信，移動終端即可以與其他網路相連，實現無線寬頻接入，又可以與其他用戶直接通信，並且可以作為中間的路由器轉發其他節點的數據，送往目的節點。WMN不僅可以看作是WLAN與Ad hoc融合的一種網路，又可看作是網際網路的一種無線版本。

值得一提的是，目前的熱點技術WiMax因其遠距離下的高容量（近50km的覆蓋距離以及高達70Mbit/s的寬頻接入）等優勢，吸引了眾多無線寬頻接入提供商的注意。從這些網路提供商保護投資的角度出發，如果要迅速發展WiMax，必然要與目前已經蓬勃發展的Wi-Fi相融合。從組網結構上講，可以採用2種融合模式：①在WLAN中，因為AP的覆蓋範圍非常有限（最遠只有數百米），用戶在熱點地區以外，可以採用WiMax繼續接入網路享受服務，但是這種接入方案需要在終端設備中配置雙網卡；②採用WMN的組網模式，即採用雙層結構，骨幹網採用WiMax技術，接入網採用Wi-Fi，其網路結構如圖2所示。

(1)可靠性提高

在WMN中，鏈路為網格結構，如果其中的某一條鏈路出現了故障，節點便可以自動轉向其他可接入的鏈路，因而對網路的可靠性有了很大程度的提高；但是在採用星型結構的蜂窩移動通信系統中，一旦某條鏈路出現故障，可能造成大範圍的服務中斷。

(2)傳輸速率大大提高

在採用WMN技術的網路中，可融合其他網路或技術（如Wi-Fi、UWB等），速率可以達到54Mbit/s，甚至更高。而目前正在發展的3G技術，其傳輸速率在高速移動環境中僅支持144kbit/s，步行慢速移動環境中支持384kbit/s，在靜止狀態下才達到2Mbit/s。

(3)降低成本

在WMN中，大大節省了骨幹網路的建設成本，而且AP、IR等基礎設備比起蜂窩移動通信系統中的基站等設備便宜得多。

WMN與Ad Hoc網路均是點對點網路。Ad Hoc網路中的移動節點都兼有獨立路由和主機功能，不存在類似於基站的網路中心控制點，節點地位平等，採用分散式控制方式。WMN把Ad Hoc網路技術應用到移動節點同時又使移動節點可通過IAP連接到其他網路，因此可以把WMN看成是Ad Hoc網路技術的另一種版本。但WMN與移動Ad Hoc網路的業務模式不同，對於前者，節點的主要業務是來往於網際網路網關的業務，而對於後者，節點的主要業務是任意一對節點之間的業務流。雖然人們對Ad Hoc網路的研究已經有相當長的時間，但是主要還是在理論上，而且主要應用在軍事上，還未進行大規模的商用。

從拓撲結構上講，WLAN是典型的點對多點網路，而且採取單跳方式，因而數據不可轉發。WLAN可在較小的範圍內提供高速數據服務（802.11b可達11Mbit/s，802.11a可達54Mbit/s），但由於典型情況下WLAN接入點的覆蓋範圍僅限於幾百米，因此如果想在大範圍內應用WLAN的這種高速率的服務模式，成本將非常高。而對於WMN，則可以通過WR對數據進行不斷轉發，直至把它們送至目的節點，從而把接入點的覆蓋服務延伸到幾公里遠。WMN的顯著特點就是可以在大範圍內實現高速通信。

WMN的關鍵技術

(1)正交分割多址接入（QDMA）技術

QDMA技術是專門為廣域範圍內通信的最優化以及移動網格網系統設計的。它起源於軍事領域，是為了在特殊環境或緊急狀況下提供可靠的通信方式。QDMA技術使用直接序列擴頻（DSSS）調製技術，工作在2.4GHz的ISM頻段上。由於它在MAC子層使用多通道方式（3個數據通道和1個控制通道），因此，與單個通道相比更能適用於高密度的WMN終端設備。QDMA技術提供一個高性能的射頻前端，這種前端含有類似於多抽頭Rake接收機（一般用於蜂窩網路）的功能和一種克服射頻環境快速變化的公平演演算法。

QDMA可在較廣的移動通信範圍內提供較強的糾錯能力，同時增強的抗干擾能力和信號的靈敏度可使基於QDMA技術的通信網路提供達到250mph的移動速度，而在實際多址環境應用中的IEEE802.11協議只能達到20mph。目前QDMA數據傳輸的範圍達到1600m，而802.11b只有20~50m。除了通信的範圍和速率外，QDMA更獨特的是內置的定位技術能夠對通信設備進行精確定位而不依賴於全球定位系統（GPS），誤差不超過10m[18，19]。

(2)隱藏終端問題處理技術

由於WMN採用無線傳輸媒質，因此它與其他無線傳輸網一樣，不可避免地存在隱藏終端和暴露終端問題。由於無線媒質的特殊性，隱藏終端問題都可能發生，都會導致信號碰撞的發生。目前可通過IEEE802.11中的RTS/CTS協議（請求發送/允許發送協議）來避免，但並不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。儘管通過握手機制可以減少隱藏終端問題中衝突的概率和時間，但仍存在節點之間控制報文的衝突，而且不能解決暴露終端問題。事實上，WMN可看作簡化的Ad Hoc網路，因此可根據Ad Hoc網路中的一些已有的成熟的方案來解決隱藏終端和暴露終端問題[4，20]。

(3)路由技術

WMN的多跳無線網具有動態拓撲的特點，因此對它的路由協議就存在很多要求。WMN的路由協議可以參考Ad Hoc網路現有的一些路由協議。Ad Hoc網路的路由協議大致可以分為先驗式（Proactive）路由協議、反應式（Reactive）路由協議以及混合式路由協議。目前幾種典型的路由演演算法有：DSDV（目的序列距離矢量路由協議）、DSR（動態源路由協議）、TORA（臨時按序路由演演算法）和AODV（Ad Hoc按需距離矢量路由協議）[4，21]。最近，微軟公司提出了一種多無線收發器、多跳無線網路的路由協議MR-LQSR，主要思想是在DSR協議的基礎上採用最大吞吐量準則，已經開始考慮WMN的特徵。

(4)正交頻分復用（OFDM）技術

WMN物理層可以採用正交頻分復用（OFDM）技術。OFDM技術是將高速的數據流通過串/並變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個正交子通道中，在每個子通道上進行窄帶調製和傳輸，這樣減少了子通道之間的相互干擾。每個子通道上的信號帶寬小於通道的相關帶寬，因此每個子通道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。所採用的數字信息調製有時間差分移相健監控TDPSK）和頻率差分移相鍵控（FDPSK），以快速傅里葉變換（IFFT和FFT）演演算法實施數字信息調製和解調功能。由於無線通道的頻率選擇性，所有的子通道不會同時處於深的衰落中，因此可以通過動態比特分配以及動態子通道分配的方法，利用信噪比高的子通道提升系統性能。由於窄帶干擾只能影響一小部分的的波，因此OFDM系統在某種程度上能抵抗這種干擾。OFDM結合分集、時空編碼、干擾和通道間干擾抑制以及智能天線技術，最大程度提高系統性能，使WMN性能得到進一步優化。

WMN與傳統無線網路相比有許多優勢。

WMN採用的網格拓撲結構避免了點對多點星型結構，如802.11 WLAN和蜂窩網等由於集中控制方式而出現的業務匯聚、中心網路擁塞以及干擾、單點故障，從而帶來額外可靠性保證成本投資。

WMN可對產生碰撞的鏈路進行標識同時可選鏈路與本身鏈路之間的夾角為鈍角，減輕了鏈路間的干擾。

WMN通常需要較短的無線鏈路長度，這樣降低了天線的成本（傳輸距離與性能），另一方面，降低了發射功率，也將隨之降低不同系統射頻信號間的干擾和系統自干擾，最終簡化了無線鏈路設計。

由於WR與IAP的引入，終端用戶可以在任何地點接入網路或與其他的節點聯繫，與傳統的網路相比接入點的範圍大大的增強，而且頻譜的利用率提高，系統的容量增大。

由於WMN網路本身的組網特點，只要在需要的地方加上WR等少量的無線設備，即可與已有的設施組成無線的寬頻接入網。WMN網路的路由選擇特性使鏈路中斷或局部擴容和升級不影響整個網路運行，因此提高了網路的柔韌性和可行性，和傳統網路相比功能更強大、更完善。

WMN網路初建成本低，AP和WR一旦投入使用，其位置基本固定不變，因而節省了網路資源。WMN具有可伸縮性、易擴容、自動配置和應用範圍廣等優勢，對於投資者來說在短期之內即可獲得盈利。

除以上內容之外，如果wmn出現在擴展名處，則表示一種視頻文件。