无线Mesh网络与IEEE802系列标准

摘要：无线宽带接入系统发展迅速，但带宽容量低、覆盖范围小等缺点限制了它的进一步发展。作为“最后一公里”宽带无线接入非常重要的技术之一，无线Mesh网络(WMN)可以和多种无线网络系统，如无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)以及无线城域网(WMAN)等相结合，改善无线网络的性能，提高网络的覆盖范围。随着无线Mesh网络技术的广泛应用，IEEE 802 的相关标准组正在致力于推动WMN技术的发展，制订相关的技术标准。目前，WMN标准已经出现在IEEE 802.11s、802.15、802.16、802.20中。

关键词：无线Mesh网络；IEEE802系列；无线多跳网络；Mesh标准

Abstract:With the rapid development of wireless broadband access system, its shortcomings, such as low bandwidth capacity and small coverage, limit its further development. As a very important "last mile" broadband wireless access technology, Wireless Mesh Networks (WMN) can be integrated with a variety of wireless networks, such as the Wireless Local Area Network (WLAN), Wireless Personal Area Network (WPAN) and Wireless Municipal Area Network (WMAN), improving the performance and coverage of wireless networks. With the extensive application of WMN technology, IEEE 802 standards group is committed to the development of WMN technology, and institute its technical standards. Presently, the technical standards of WMN have emerged in the IEEE 802.11s, 802.15, 802.16, 802.20.

Key words:wireless Mesh network; IEEE802 series; wireless multi-hop network; Mesh standard

进入21世纪以来，随着人们对网络服务需求的不断提高，为了使网络能够随时随地提供便捷、准确的通信服务，无线网络技术越来越受到人们的重视。其中无线Mesh网络就是无线网络研究中的一个热点课题。无线Mesh网络，即无线网状网，是新近出现的一种无线多跳网状拓扑网络，具有自组织、自管理、自愈能力，且具有与现有无线网络的兼容性及互操作性。它可以和多种宽带无线接入技术相结合，组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网，可以大大增加无线系统的覆盖范围，同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性，是无线宽带接入的一个理想解决方案。

1 无线Mesh网络的结构

无线Mesh 网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络。传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、802.11无线局域网(WLAN)中的接入点(AP)等等。中心节点与各个无线终端通过单跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问；同时，又通过有线链路与有线骨干网相连，提供到骨干网的连接。而在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。

在WMN中包括两种类型的节点：无线Mesh路由器和无线Mesh用户端。WMN的系统结构根据节点功能的不同分为3类：骨干网Mesh结构、客户端Mesh结构、混合结构[1]。

骨干网Mesh结构是由Mesh路由器网状互连形成的，无线Mesh骨干网再通过其中的Mesh路由器与外部网络相连。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关、中继功能外，还具有支持Mesh网络互连的路由功能，可以通过无线多跳通信，以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围。

客户端Mesh结构是由Mesh用户端之间互连构成一个小型对等通信网络，在用户设备间提供点到点的服务。Mesh网用户终端可以是手提电脑、手机、PDA等装有无线网卡、天线的用户设备。这种结构实际上就是一个Ad hoc网络，可以在没有或不便使用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑。

Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络形成Mesh网络的混合结构，如图1所示，其中虚线和实线分别表示无线和有线连接。这种结构提供与其他一些网络结构的连接，增强了连接性，扩大了覆盖范围。

2 IEEE802系列中关于Mesh网络的标准

目前，无线Mesh网络技术正在世界范围内得到越来越多的应用，而技术标准化是大规模应用所必需的重要环节。目前，无线Mesh网络标准散见于802.11s、802.15.1/2/3/4、802.16等标准草案中，下面将简要介绍

IEEE802系列中与无线Mesh网络有关的标准。

2.1 IEEE 802.11s Mesh标准

IEEE 802.11在大规模应用时遇到的一个难点是系统的覆盖能力有限，WLAN受发射功率的限制，覆盖范围一般在100 m范围内。为了扩大网络的覆盖范围，通常通过增加AP的办法来实现，但这种方法增加了公众网的建设成本。无线Mesh网络作为一种新的组网技术为解决上述问题提供了新的途径。

IEEE802.11s任务组，主要研究支持无线分布式系统(WDS)的协议，为WMN定义媒体接入控制(MAC)层和物理层协议，以实现WLAN在多个AP之间通过自配置多跳的方式组网，提高WLAN的覆盖范围。WDS是802.11网络的一部分，用来作中继桥接的功能，可以让无线AP之间通过无线进行桥接(中继)，同时不影响其无线AP覆盖的功能。支持WDS技术的无线AP或无线路由器具有混合的无线局域网工作模式，可以支持点对点、点对多点的数据传输[2]。

IEEE 802 .11s提出了无线Mesh网络的参考体系结构，如图2所示。Mesh媒体接入协调功能组件(MMACFC)位于物理层之上、Mesh路由组件之下，负责有效的竞争接入和WMN中多跳节点间数据包发送接收的调度。当安全的Mesh链路建立以后，Mesh节点需要与其他Mesh节点协调以解决竞争和共享无线媒体的问题，来保证该节点本身及其他节点的数据包通过多跳的WMN有效转发。直观上看，MMACFC等同于802.11 WLAN中的分布式协调功能(DCF)或802.11e中增强的分布式信道接入机制(EDCA)。对DCF或EDCA加以必要的改进，可高效地工作于多跳Mesh网络中。MMACFC需要解决的问题有：隐藏终端问题、暴露终端问题、在多跳Mesh路径上从源节点到目的节点的流量控制、在多跳转发路径上的有效调度、对多跳多媒体业务(视频或语音)分布式允许接入控制、分布式保证服务质量(QoS)的业务管理、本地业务和转发业务的有效处理、不同网络环境下的可升级性、Mesh节点间信道工作接入的调度、使用多信道提高Mesh网络的性能等[3]。

IEEE802.11s的目标是突破传统AP功能上的限制，使之具有Mesh路由器的功能，业务流转发给邻近的AP进行的多跳传输。这种方式决定了WMN具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本等特点。这样，在新的WLAN架构中，WLAN的AP自动形成WLAN的WMN骨干网[4]。IEEE 802.11 Mesh网络可以是骨干网Mesh结构，也可以是客户端Mesh结构。客户端Mesh结构中，所有设备工作在WLAN 的Ad hoc网络模式下，WMN通过自动配置实现节点间的互联，摆脱了以往对AP的依赖。

2.2 IEEE802.15 Mesh网络标准

IEEE 802 .15标准簇主要针对无线个域网开发的，主要定义了WPAN的物理层和MAC层。目前，802. 15. 1—802. 15. 3 本质上均不能直接支持网状网络结构，而只是点到多点方式下的微微网结构，但散射网已经有了WMN 的雏形[5]。

IEEE802.15.4标准的研究定位于低数据速率、长电池寿命要求的应用设备，为WPAN提供综合的网络解决方案。ZigBee协议是运行在IEEE802.15.4的MAC和物理层以上的高层协议，它的网络层明确定义了3种网络拓扑结构，星形、簇形和Mesh结构。在Mesh结构中，网络中的所有无线节点都相同，可以直接互相通信，每一次网络都会选择一条或者多条路由进行多跳传输，将所要传输的数据信息传给中心节点，如图3所示。Mesh网的每个节点都有多条路径到达中心节点，因此它的容故障能力较强，而且这种多跳系统以多跳代替了单跳的传输距离，减小了源节点所需要的发送功率。

IEEE 802.15.5目前还在开发中，定位于WMN的MAC层，不需要ZigBee或IP路由支持，它继承了802.15.1—802.15.4的一些基本思想，但完全支持Mesh结构。在802.15.5标准中，Mesh网络被定义为一个个域网(PAN)，有两种组网方式：全网状拓扑和部分网状拓扑。在全网状拓扑结构中，每一个节点直接与其他任何一个节点相连；在部分网状拓扑结构中，只有部分节点与其他所有节点相连，而其他节点则只是与交换较多数据的节点相连。802.15.5标准主要涉及的问题包括：碰撞避免的信标调度策略、路由算法、分布式安全问题、能效操作模式、对于网状节点和网状PAN 移动性的支持等。

2.3 IEEE802.16 Mesh网络标准

IEEE802.16标准定义了无线城域网空中接口规范，为无线城域网(WMAN)提供“最后一公里”接入，是一种点对多点技术。鉴于无线Mesh网技术的不断发展，IEEE802.16标准工作组将Mesh结构纳入最近推出的IEEE802.16d/e 标准中。无线Mesh网络是对IEEE802.16标准中的点到多点(P2MP)网络结构的补充。网络中的每个节点都与周围邻居节点形成多条链路，并且可以选择其中的一条链路，用来传输来自本节点或其他节点的信息。这样，连接断开的可能性要远低于P2MP模式。同时，随着节点数的增加，IEEE802.16 Mesh网络的健壮性加强，覆盖范围扩大。

IEEE802.16 Mesh网络支持两种不同的物理层，支持自适应调制和编码，因此链路速率随着信道条件的变化而变化。对基于无线Mesh结构的WMAN来说，用户站(SS)间可直接或间接通信，不必通过基站(BS)中转。由于每个SS可以作为一个中转站，信号是以逐跳方式传输的，增加了网络的覆盖范围，当增加用户时不必再增加BS，其拓扑结构可以动态改变。另外，Mesh系统可以利用地形和建筑物，使用低传输功率和相对短的链路来减少干扰。还可使用方向性天线来大大地减少干扰和传输功率。减少内部干扰可以增加频率的再使用，提供频谱利用率；减少外部干扰，可以减少保护频带。同时，SS之间距离的缩短减小了室外天线功率和体积，降低了SS通信设备的成本。Mesh拓扑结构在可靠性、覆盖面积、规划用户和前期的低投入方面都有很好的表现。

另外，IEEE802.16 Mesh的集中式调度是基于时分多址(TDMA)方式的，可提供全面有效的资源利用率[6]。IEEE802.16d标准中的Mesh拓扑结构如图4所示。为了支持用户的可移动性，在IEEE802.16d的基础上制定了新的标准IEEE802.16e。802.16e支持本地和地区的移动性，支持漫游和切换，移动速度可达到150 km/h[7]。目前，IEEE802.16工作组内新组建的Mesh Ad hoc特别委员会正在研究点到点数据传输的支持、信号障碍穿越等问题。WMN可使数据从一点绕过障碍物跳跃到另一点，只需少量网格即可带来单个基站覆盖范围的大幅度改进。如果这一小组的提案得以采纳，它们将成为特别任务组f着手IEEE802.16f标准的开发，将推动WiMAX获得更大的发展[8]。

2.4 IEEE802.20 Mesh网络标准

IEEE802.20，即移动宽带无线接入 (MBWA)工作组，主要研究为移动用户开发的标准。制定802.20 标准的目的：一是兼取固定无线接人网络的高数据传输速率和蜂窝网络的高移动性之优势，解决固定无线接入的低移动性和高速移动业务需求增长之间的矛盾；二是实现低成本、随时随地接入，各种IP业务共存的移动宽带无线接入网在全世界范围内的配置。这个标准的频谱利用效率很高，可以提供更高的QoS通信保障，支持在3 GHz频带可靠地进行高速无线数据传输，有望为以250 km/ h速度移动的用户提供高达1 Mb/s的高带宽数据传输，这将允许高速列车上的用户使用视频会议等应用[9]。

802. 20 填补了当前802. 16 的低移动性高数据速率与蜂窝网高移动性低数据速率之间的性能空间。IEEE802.20网络是一个基于纯IP的网络。在室内、外环境中，802. 20均支持WMN结构。在这种网络结构中，移动节点之间可以直接或间接通信，避免“三角路由”的出现，改善移动网络性能，同时能迅速地接入主干网络，为移动用户提供快捷准确的服务[10]。

3 结束语

随着无线Mesh网络在越来越多的范围内得到应用，制定出相关标准成为迫切的需要。目前，国际标准化组织，特别是IEEE正在致力于与学术界共同推动无线Mesh网络的标准化工作，在802.11s、802.15、802.16d/e、802.20等标准中均规范了Mesh组网技术，在网络第二协议层中完成接入控制、网状组网、路由、链路拥塞控制、快速移动和切换支持和安全认证等功能。中国除个别机构参与了部分标准制定外，一些研究工作没能完全跟上国际主流趋势，迫切需要开展基于相关标准的无线Mesh网关键技术的研究。

4 参考文献

[1] 范涛,张燕. 无线Mesh网络的组网及其相关标准[J]. 数据通信, 2005(4): 40-42.

[2] IEEE 802.11 Standard Group WebSite[EB/OL]. http://www.ieee802.org/11/.

[3] 孙伟峰. 基于802.11无线—结合网络的QoS研究[D]. 合肥:中国科技大学, 2007.

[4] 夏征兵, 宋玲. 基于Mesh结构的宽带无线接入网技术[J]. 电子技术应用, 2006(10).

[5] 关于IEEE802.15系列的标准[EB/OL]. 2006-12. http://www.txrzx.com.

[6] 曾智慧. 基于IEEE802.16标准的无线Mesh结构研究[D]. 上海: 同济大学, 2006.

[7] IEEE 802.16 Standard Group WebSite[EB/OL]. http://www.ieee802.org/16/.

[8] 方旭明, 戚彩霞, 向征. IEEE 802 系列无线网络网状组网与移动切换技术综述[J].计算机应用, 2006, 26(8):1756-1761.

[9] IEEE 802.20 Standard Group WebSite[EB/OL]. http://www.ieee802.org/20/.

[10] 焦健. 高速移动数据传输新标准IEEE802.20及其切换策略研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2006

作者简介：

陈琳琳，西安电子科技大学在读硕士研究生，研究方向为无线Mesh网络、子网移动技术。 刘乃安，西安电子科技大学通信工程学院教授、研究生导师。主要研究领域为无线通信与射频电路、宽带无线IP网络与技术、扩展频谱通信与通信对抗。先后主持和参加多项国家“863”计划项目、国家自然科学基金项目、电子发展基金及创新基金项目等，已出版十多本教材与著作，在国内外重要期刊上发表数十篇论文。