基于无线Mesh网络技术构建无线城市

孙俊杰，万 鑫，鄢 妍，谭金平

（1.江西电力职业技术学院，江西 南昌 330032；2.江西科技师范学院，江西 南昌 330013；3.南昌大学共青学院，江西 南昌 332020）

0 引言

无论是在公园、马路边小憩，还是在旅途中，都可随时打开笔记本式计算机或智能手机上网，无须外接无线上网卡，也不用缴纳费用，这就是未来“无线城市”的场景，它采用WiMAX，WiFi等低成本无线接入技术，结合Skype等VoIP技术，来颠覆传统的信息运营模式，形成对城市的无缝覆盖，将政府公务、公共监控、应急联动以及公众上网等众多民生类元素融为一体，实现网络和应用的无处不在、无时不在，从而构建完善的信息化环境，提升城市的信息化竞争力。而在一个大中型城市搭建全覆盖的无线网络，是一项成本不菲的浩大工程[1]。

笔者主要讨论Mesh网络技术与无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）以及无线城域网（WMAN）等相结合，并提出一个无线城市覆盖方案。

1 Mesh技术与IEEE 802.11结合发展

1.1 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[2]。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、IEEE 802.11无线局域网（WLAN）中的接入点（AP）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（无线Mesh网络）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结构和混合结构。

1.2 IEEE 802系列中Mesh相关标准及发展

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IEEE 802.11s和IEEE 802.16等标准草案中。

1.2.1 IEEE 802.11s Mesh标准

IEEE 802.11在大规模应用时的一个难点是系统覆盖能力有限，WLAN受发射功率的限制，覆盖范围一般在100 m内。为了扩大网络覆盖范围，通常通过增加AP来实现，但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。

IEEE 802.11s提出了无线Mesh网络的参考体系结构[3]，如图1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，以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。

1.2.2 IEEE 802.16 Mesh网络标准

IEEE 802.16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，IEEE 802.16标准工作组将Mesh结构纳入最近推出的IEEE 802.16d/e标准中。无线Mesh网络是对IEEE 802.16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，IEEE 802.16 Mesh网络的健壮性加强，覆盖范围扩大。WiMAX与WMN的结合示意图如图2所示。

2 无线城市覆盖方案原理与设计

2.1 覆盖方案介绍

Mesh网络技术与无线局域网（WLAN）、无线城域网（WMAN）等相结合[4]，实现了无线城市覆盖方案。结合上文提到的Mesh技术在IEEE 802.11，IEEE 802.16标准中的发展，采用混合结构的组网模式，实现无线城域覆盖，结构如图3所示。

图3中，WiMAX网络用于覆盖一个较广的区域，在这个网络内部，WMN将WiMAX与WiFi结合起来的，形成一个互补的无线网络系统，改善无线网络的性能，提高网络的覆盖范围，其结构如图4所示。

图4中提到的多跳WLAN网络是IEEE 802.11s草案定义的一种如图5所示的Ad Hoc方式多跳WLAN网状网，该网络主要由3种节点构成，即Mesh节点（MP）、Mesh接入点（MAP）和传统WLAN站点。该网络每个MP和MAP都是平等的，网络中没有中心控制节点，这是与树形网状网的最大不同。节点之间形成无线的P2P网络，无需任何网络基础设施来支持[5]。

使用IEEE 802.15.4 Mesh网络组成智能家居和城市小区环境监控的网络，采用客户端Mesh结构，每个节点与其他节点之间关系都对等。这样的组网模式具有低功耗、低成本、低速率特性，使其在无线城市的众多领域都可以应用。

图5 IEEE 802.11s草案的Ad Hoc方式多跳WLAN网络拓扑图

2.2 方案主要技术细节

在整个城市范围内，用户使用的WiFi笔记本式计算机、PDA、手机等终端设备都不需要再安装新的硬件或软件，就可以接入WMN，所以主要采用WiFi网络作为接入网，如图6所示。

在本文覆盖方案中，基础设施骨干网采用Mesh结构，由Mesh路由器组成的可以自配置、自愈的链路来充当，通过Mesh路由器的网关功能与城市核心网相连，为WiFi覆盖节点提供接入服务。

WiFi节点设备可以直接通过Mesh路由器接入上层Mesh结构的网络中，实现网络节点的互联互通。在一些不适合设置Mesh路由器的区域，也可以采用WiMAX网络覆盖，在这个区域内，WiMAX网络以点到多点的方式连接多个Mesh路由器，Mesh路由器为WiFi节点提供接入服务，WiMAX网络作为城域网中骨干网的一个客户节点，接入到城域Mesh骨干网当中。这样，通过网关节点，任何终端都可与其他网络连接，从而实现无线宽带接入，不仅降低了系统建设的成本，也提高了网络的覆盖率和可靠性。该网络结构能够兼容市场上现有的设备，但任意两个终端节点间不具备直接通信的功能[6]。

2.2.1 WiFi+wireless Mesh与WiMAX结合的覆盖方案

WiFi+wireless Mesh技术在组网方式、传输距离以及移动性上都有很大的改进，能够在某一城市地区或大型园区的范围内实现WiFi的轻松扩展与延伸。将多个接入点通过无线方式连接在一起，无须布线，就可形成一个无线网络或“热区”，从而在室内和室外提供非常宽广的无线覆盖。

此外，WMN网络的接入点可以安装在街道灯柱、大楼侧墙或任何能够提供电源的位置上，这使它的安装部署具有极大的灵活性。而且，由于WiFi+wireless Mesh技术采用了与WiFi相同的IEEE 802.11s标准，所有原来设置用于WiFi的笔记本式计算机、PDA、手机等终端设备都不用再安装新的硬件或软件，就可以接入WMN，这一点也从终端方面为WMN的推广扫除了障碍。

通过在城市范围内的街道灯柱和其他交通控制装置等位置上安装多个WiFi传感器，视地形和建筑物情况，每平方公里需要8～16个WiFi传感器，而在公园、学校、火车站等人员密集且人员流动比较大的公共场所，可以根据实际情况采用覆盖面积更大，支持移动性更好的WiMAX网络，再就是市郊的旅游休闲场所，由于离市区有一定的距离，这个时候使用WiMAX网络比较合适。WiMAX网络作为骨干网中的终端节点接入Mesh骨干网路由器，骨干网路由器为其提供接入城市核心网服务。这里要指出，覆盖方案中大部分用户终端设备都是采用WiFi接入点，WiFi通过天线Mesh方式连接在一起，就形成一个“无线城市”，从而为全市范围的用户提供宽带互联网服务以及一些其他公共服务。一旦建成，将可以使所有用于WiFi的笔记本式计算机、PDA、手机等终端设备接入到“无线城市”。

2.2.2 无线城市组网的其他方案

2004年底，中国台湾台北市正式宣布推出“无线台北”计划，并于2005年5月启动了“无线移动城市”项目，在台北市内部署WiFi网络，采用了WiFi+wireless Mesh组网方式。根据计划，“无线台北”将分3阶段建设。首先，2004底前安源信息在30个捷运车站及周边商圈半径150 m实现无线上网。到2005年中，约涵盖全台北50%的人口，年底扩大为90%。“无线台北”计划将无线局域网络技术运用于公众网络，用户使用内嵌WLAN的笔记本式计算机或PDA，即可连接到WLAN的接入点上，传输速率由11～54 Mbit/s。市政公共设施（13万盏路灯、1 792座红绿灯以及842个公交车站）将作为无线网络的信号发射器。截至2006年10月，台北市已经完成全市WLAN无线网络建设，有10 000个无线接入点投入运行，覆盖台北市95%以上的人口[7]。

与“无线台北”计划相比，本文提出的覆盖方案引入了WiMAX Mesh网络作为一些特定领域的应用，比单纯使用WiFi无线城市的覆盖方案，增强了连接性，扩大了覆盖范围，在支持终端的移动性方面有所提升。

2.3 方案应用前景分析

整个无线城域覆盖方案采用固定WiMAX+wireless Mesh以及移动WiMAX组建城域网方式，WiMAX技术的不断升温及其技术在覆盖范围、带宽容量和传输速度上的性能优势，无线城市的无线宽带网络可以提供的业务主要体现在政府、企业和公众服务3个领域。

对政府来说，遍布城市的无线宽带网络可以为市政府、公共安全部门、交通等城市职能部门提供电子政务、公共安全、智能交通、抢险救灾、教育、医疗、社区服务等宽带网络接入服务，从而高效快捷地为市民服务。在重大突发事件的快速反应和处理能力方面，以及在特殊需求方面，无线宽带网络更能体现不可替代的优势。

对企业来说，无线宽带网络能够提供给企业高效、低成本、便利的移动商务解决方案，推动企业信息化与电子商务，全方位提高企业形象。另外，在WMN中增加或调整AP也比有线AP更容易，配置更灵活，安装和使用成本更低。对于那些需要经常移动接入点的企业，无线Mesh技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓扑结构的调整和升级。

对于公众，无线宽带网络的应用为人们之间的沟通提供多元化的渠道和方式，人们可以在家里、娱乐场所、酒店、机场、绿地、会议中心等地，随时随地享受无处不在的网络接入服务，真正实现数字化生活。

另外，无线宽带网络还能提供无线定位服务等。随着无线城市的建设和运营，无线宽带网络在商务、旅游、家庭、学校和医院等领域都具有广阔的应用前景[7]。

[1]胡海波.Wirelessmesh技术在无线城市中的应用[J].世界电信，2007（2）：56-60.

[2]田辉，陶小峰.IP化基站无线Mesh组网构架[J].中兴通讯技术，2008（4）：16-20.

[3]陈琳琳，刘乃安.无线Mesh网络与IEEE802系列标准[J].中兴通讯技术，2008（2）：8-11.

[4]张万奎，张春业.短距离无线通信技术及其融合发展研究[J].电测与仪表，2007（10）：48-52.

[5]郦亮.IEEE802.15.4标准及其应用[J].电子设计应用，2003（Z1）：14-16.

[6]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（8）：1756-1761.

[7]陆建华.无锡地铁数字电视覆盖规划初探[J].电视技术，2009，33（9）：4-5.