无线Mesh网络及其在铁路上的应用

梅 靖

（上海铁路局上海通信段，上海 200434）

1 无线Mesh网络的概况

1.1 无线Mesh网络的概念

无线Mesh网（简称WMN）具有多跳、自组织和自愈等特点，是一种高容量、高速率的分布式宽带无线网络。一般由Mesh路由器和Mesh客户节点组成。无线Mesh网络将移动Ad Hoc网络和WLAN融合，并发挥了两者的优势,可以通过一些中间节点实现连接互相远离无法直接连接的无线路由器。作为一种新型网络结构形态，Mesh结构已被纳入到IEEE802.16-2004，IEEE802.16e标准和IEEE802.11s草案中。

1.2 无线Mesh网络的特点

1）多跳无线网络

无线Mesh网络是无线网状网，是一种多跳网络，在该网络下，信号能够自动选择最佳路径，避开障碍物的干扰，不断从一个用户跳转到另一个用户，从而可以为处于非视距范围的用户提供非视距连接。这种特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围，在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量和频率利用率，增加了网络的可靠性，降低了设备成本。

2）支持多种网络接入方式

无线Mesh网络支持骨干网接入方式和端到端的通信方式，也可整合现有多种无线网络技术，通过骨干网连接这些不同的无线网络，为其终端用户提供服务。

3）具备自形成、自愈和自组织能力

无线Mesh网络组网灵活，只需增加少量无线设备即可，网络柔韧性和利用率大大提高；同时能够自组织、自愈和自均衡，网络可靠性强；此外，还提供更大的冗余机制和通信负载平衡功能。

4）能耗随Mesh节点类型改变

无线Mesh网络对于功耗的限制根据Mesh节点的类型不同而不同。Mesh路由器一般没有能耗的限制,而Mesh终端则需要采用有效的节能机制。

2 无线Mesh网的网络结构

无线Mesh网络的结构根据各个节点功能的不同而分为以下几类：骨干网Mesh结构、客户端Mesh结构和混合式结构。

2.1 骨干网Mesh结构

骨干网Mesh结构如图1所示，该结构通过Mesh路由器与因特网相连，普通客户端和已有无线网络可以通过Mesh路由器接入无线Mesh网络，是一个可以自愈和自配置的网络。

2.2 客户端Mesh结构

客户端Mesh结构由Mesh客户端组成，是在用户设备间提供点到点服务的无线Mesh网络。网络结构如图2所示，该网络结构中每个节点都包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议，所有的节点均对等。这些节点既可以作为客户端节点，也能作为转发业务的路由器节点。这种网络结构中的客户端通常只使用一种无线技术。任意节点发出的数据包可以经过多个节点的转发抵达目的节点。虽然节点不需要有网关和中继功能，但路由和自组织能力是必需的。

2.3 混合式结构

混合式结构综合了以上两种无线Mesh网络结构，如图3所示。混合式结构融合了骨干网Mesh结构和客户端Mesh结构的优势，在该网络结构下，Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络，然后通过网关接入IP核心网，从而实现与Internet等其他网络的互联。同时，客户端的路由能力增强了网络的连通性，扩大了覆盖范围。这种客户端Mesh设备增加了转发和路由功能，设备间可以直接通信。

3 无线Mesh网络关键技术

3.1 正交分割多址接入技术（QDMA）

QDMA最初是由美国国防部国防先进研究计划署（DARPA）的一份军事Mesh网合同发展而来的，它是CDMA的一个版本。该技术是专门为广域范围内通信的最优化以及移动网格网系统设计的，能够很好的支持移动和大范围的应用。QDMA的调制技术采用直接序列扩频（DSSS），工作频段为2.4 GHz的ISM频段。QDMA技术为在MAC子层使用3个数据信道和1个控制信道的多信道方式，因此，更适用于高密度的无线Mesh网络终端设备。此外，QDMA技术提供一个高性能的射频前端，这种前端采用了一种克服射频环境快速变化的公平算法，同时具有类似于多抽头Rake接收机的功能，可弥补移动环境信道的快速衰落。

基于QDMA技术的通信网络可在较广的移动通信范围内提供较强纠错能力。同时，由于具有增强的抗干扰能力和信号灵敏度，该网络可以提供达到250 mph的移动速度。QDMA的定位技术不依赖于全球定位系统（GPS），而是采用内置的定位技术能够对通信设备进行更为精确的定位。

3.2 多信道Mesh网MAC协议

MAC协议对无线Mesh网络的性能有至关重要的作用，无线Mesh网络MAC协议的研究也是IEEE802.11s的重要内容。无线Mesh网络的多信道MAC协议主要有：动态信道分配（DCA）多信道协议、基于主信道分配（PCAM）的多信道MAC协议、多射频统一协议（MUP）等。

多信道MAC协议的分类主要有以下几种。

按控制信道分，可分为有专用控制信道和无专用控制信道的多信道MAC协议。前者采用专用的射频来传递控制信息，从而使传递更有效，但信道的利用率不高。而后者不能有效地传递控制信息。

按节点射频分，有多射频多信道MAC协议和单射频多信道MAC协议。其中，多射频多信道MAC协议中，一方面，使用多个信道传输数据，可以增加节点容量；另一方面利用不同射频的带宽、范围和衰弱等特性，在更好地利用射频频谱的同时，还可以提升网络性能。

3.3 路由协议

路由是在源节点和目标节点间需找端到端路径的过程。无线Mesh网络节点移动性高，网络拓扑的变化性高，这就需要摒弃传统网络的路由协议，寻找适用于无线Mesh网络的路由协议。目前无线Mesh路由协议的设计方法主要有两种：一是根据无线Mesh网络与无线Ad Hoc网相似的特点，可以将Ad Hoc开发的路由协议，如目的序列距离矢量路由协议 （DSDV）、临时按序路由算法 （TORA）和动态源路由协议（DSR）等移植过来用于WMN；二是开发无线下专用的路由协议，如可扩展路由协议（MSR）、可预测的无线路由协议 （PWRP）等。

4 无线Mesh网络在铁路上的应用

4.1 无线Mesh网络对GSM-R的补充

为了适应信息社会和高速发展的国民经济需求，中国铁道部做出引入欧洲铁路先进的GSM-R铁路无线通信系统决定，以替代原有的模拟通信系统。GSM-R可以支持安全数据和非安全数据这两类铁路数据应用。安全数据如列车控制信息、调车机车信号和监控信息、机车同步操作信息等，该类数据时效性高，需要占用专用数据链路连续传送，在一定时间内不允许链路中断，对于网络资源要求比较高，但对于链路带宽要求不高，因此该类数据可以使用电路数据方式传输；非安全数据如调度命令信息、车次号校核信息、列尾信息等，该类数据突发性强、数据量大，但实时性要求不高，传输时延可以相对较大，对网络资源要求较低，因此该类数据可以使用GPRS业务、短信息、USSD等方式传输。但是由于GSM-R只有4 MHz频率带宽，已无法满足中国铁路专用移动通信的发展，因此，在申请更多频率资源的同时，可以考虑采用无线Mesh网络作为GSM-R的补充，吸收部分非安全数据。

无线Mesh网络的基本网元有接入点设备（AP）、交换机、接入服务器（AC）以及相应的DHCP服务器、Radius服务器、网络管理中心等。采用无线Mesh网络补充GSM-R网络，可以提供更加便捷安全的接入功能，同时，还可以在列车上为旅客提供高效的Internet服务，从而更能适应新型铁路的需求。

4.2 典型应用场景

在货场、调车场、车站等地区，基本业务量较大，同时场站内的管理、公安等人员也需要日常无线通信服务，有通信需求的个体数目庞大；此外，这些地区还有视频监控、车辆信息显示、铁路运输各系统状态实时传送、旅客服务等新型应用。但由于GSM-R频率资源紧缺，受到了严重制约。可以考虑在这些地区增补无线Mesh网络。典型应用场景如下。

1）车站

* 为旅客提供优质的附加服务，使高端客户享受增值服务。

* 为公务、公安、工务等系统内部人员传送图像、列车到达等信息化铁路数据。

* 配合无线摄像设备进行监控，为铁路安全等提供保障。

2）调车场、货场

* 传送调车场现场情况。

* 传送调车计划表等信息。

3）货场

铁路货运站场利用无线路由器、网关、无线接入设备替代传统视频监控系统中的有线承载网络，构成无线Mesh视频监控系统。如图4所示。

5 结束语

目前，对于无线Mesh网络的研究还处于试验研制阶段，还存在很多不足，比如，特别适用于无线Mesh网络的路由准则和选择算法数量非常有限；无线Mesh网络增加了射频信道数，这在更好利用频谱的同时，也可能带来更多的干扰问题；通过节点进行多跳转发时，每一转发都会带来一定的时延，网络规模越大，节点越多，时延就越大。此外，无线Mesh网络的互操作性、控制机制、安全机制等相关问题都还有待研究。

IEEE也在致力于与学术界共同推动无线网状网的标准化工作，无线Mesh网是属于下一代无线宽带网络接入的先进技术，随着各种技术的进步和市场需求的刺激，将会得到更加广泛的应用，特别是在铁路应用上，可以考虑在特定的应用场景下，如频率资源紧张的场站地区，引入无线Mesh网络作为现有的GSM-R网络覆盖的补充，更好的为新型铁路的高速发展服务。

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