基于WMN的应急通信组网方法研究*

王海涛，陈晖

(解放军理工大学通信工程学院，江苏南京 210007)

0 引言

无线通信网络分为有中心网络和无中心网络，前者通常需要固定基础设施的支持，如蜂窝网络;后者不需要固定基础设施，如Ad Hoc网络［1］。现有的无线网络大多采用的是点到多点的通信组网方式，网络拓扑结构简单，但网络覆盖范围、可扩展和灵活性受限，而无线Mesh网络(wireless Mesh network，WMN)恰好能弥补传统网络的这些缺陷。WMN也称无线多跳网状网，是一种新型宽带无线网络，具有覆盖范围大、传输速率高、部署方便、配置灵活和扩展性好等优点，可应用于多种网络环境，尤其适用军事通信和应急通信等场合［2］。

WMN源于Ad Hoc网络，Ad Hoc网络最早是一种应用于军事领域的分组无线多跳网络，采用全分布式网络结构，网络中节点可随意移动，但是这种网络的信道带宽和传输速率非常有限，并且民用领域受限。针对上述问题，在Ad Hoc网络的基础上衍生出容量大、速率高、易部署的WMN。自从WMN提出之后，受到学术界和产业界的广泛关注，已成为一种有前途的宽带无线接入技术，人们期待WMN能够在网络接入和互联、泛在网络和移动计算、宽带信息传输以及应急通信系统构建等众多领域发挥重要的作用［3］。近10年以来，MeshNetworks等公司相继开发出适用于商业应用的产品，Skypilot公司将智能天线技术应用于WMN，极大提高了频谱利用率。2004年，IEEE 802.11工作组成立了网状网研究任务组，这标志着WMN技术正式迈上了标准化之路。由于WMN的迅速发展，国际标准化组织为其制定了相关技术标准，主要有 IEEE 802.11s，802.15，802.16，802.16e 和 802.20 等标准［4］。

近年来，WMN在校园网、城域网等实际应用上取得了一些成果。2004年摩托罗拉公司收购了MeshNetworks，以便向客户提供更多的解决方案以建设可伸缩性的宽带无线网络，该网络可提供包括数据、视频、定位信息和IP语音等业务在内的新一代服务内容。美国的旧金山、费城等城市已采用WMN覆盖整个城市，提供无处不在的无线网络接入服务及大量新兴的公众服务。在中国，WMN市场还处于初级探索阶段，由于核心技术、芯片生产都掌握在欧美公司手中，大部分WMN设备是进口产品。汶川大地震抢险救灾期间，在青川县关庄镇等地成功搭建了无线Mesh网络用于应急通信指挥，取得了很好的应用效果［5］。另外，天津开发区采用WMN进行无线网络部署，覆盖大约30 km2的无线监控［6］。可以预见，随着WMN的发展及相关技术的日益成熟，WMN的应用领域也会越来越广。

1WMN技术概述

1.1 技术特点和优势

WMN中包含可以固定安置或动态移动的无线骨干路由器，可以灵活应用于多种无线环境。在传统的无线局域网(wireless local area network，WLAN)中，节点之间的通信需要通过一个叫做接入点(access point，AP)的固定接入点完成，将这种网络结构称为单跳网络。在WMN中任何网络节点都可以充当AP，与一个或者多个对等节点直接进行通信。WMN可以充分发挥WLAN数据传输速率高和Ad Hoc网络多跳自组织的优势，是一种高容量、高速率的新型宽带无线分布式网络［2］。由于有冗余AP和冗余路径存在，WMN中的数据传输比较可靠。当某段网络出现拥塞时，WMN可以自适应地选择邻居负载较轻的路径来减轻网络拥塞。此外，WMN易于和其他网络融合，且融合方式灵活多变。表1比较了 WMN，WLAN和移动 Ad Hoc网络(mobile Ad Hoc network，MANET)的技术特点。

具体来说，WMN有如下显著的特点和优势［5-6］:

(1)传输速率高

由于采用多跳传输，减小了每跳的传输距离，使得路径损耗大大降低，从而获得较高的传输速率。

(2)覆盖范围大

WMN支持多跳中继，终端用户可以通过路由器或其他节点中继接入网络，从而大大拓展了网络覆盖范围，并且可以根据需求快速布置接入点，实现广域覆盖。

(3)可靠性高

WMN中存在多条冗余路由，其中一条链路中断，数据包可自动重新寻路继续传输，不影响整个网络的运行，从而可避免了单点故障造成的服务中断问题。

表1 WMN，WLAN和MANET的技术特点比较Table 1 Comparison between the technology traits of WMN，WLAN and MANET

(4)灵活、易配置

WMN组网方便灵活，只需部署Mesh路由器即可，而且设备小巧轻便，易于配置。再者由于其网络具有很强的容错能力，网络配置和维护也变得简单易行。

(5)易于实现网络融合

WMN可以方便地实现与多种网络的融合，如传感器网络，蜂窝网络，因特网，IEEE802.11，IEEE802.15，IEEE802.16等，从而提高传输效率。

(6)投资成本低

WMN建设成本低，并可随用户增加逐步扩容。Mesh路由器相对便宜，并且通常可以使用免费频段通信，有助于降低成本与风险。

1.2 WMN 网络结构

WMN组网灵活多样，但是依据网络的规模和终端设备的类型和数量，WMN网络结构基本可分为3种类型［7］:客户端 Mesh网络结构、骨干 Mesh网络结构和混合Mesh网络结构。客户端Mesh网络结构指由各个对等的终端设备互联提供对等服务的网络结构，此结构不需要Meth路由器，主要用于支持终端的应用，不提供接入Internet的服务。骨干Mesh网络结构主要是指无线Mesh路由器互联构成的无线干线网，为普通客户端提供网络接入功能。混合Mesh网络结构即是结合了上述2种网络结构，既包括普通客户终端又包括提供Internet接入服务的无线Mesh路由器。

1.3 关键技术分析

1.3.1 MAC(media access control)协议

WMN是WLAN和Ad Hoc网络融合的产物，其MAC协议在IEEE 802.11 MAC协议基础上做了针对性改动，主要考虑了信息多跳传输和拓扑结构的动态性。IEEE 802.11 MAC协议通过分布式协调功能(distributed coordinated function，DCF)和点协调功能(point coordinated function，PCF)实现对MAC子层的接入控制。其中，DCF是基于 CSMA/CA(carrier sense multiple access/collision avoidance)的单信道MAC协议，而PCF是一种由AP集中控制的MAC协议，能够提供一定服务质量保证［1］。在WMN中，单信道MAC协议很难消除隐藏终端/暴露终端问题，并且会限制网络吞吐量，难以提供服务质量保证，为此目前WMN倾向采用多信道MAC协议。

多信道MAC可以分为两大类:多信道单无线电(multiple channel single radio，MCSR)和多信道多无线电(multiple channel multiple radio，MCMR)。对于MCSR，节点需要在无线电接口上频繁切换信道以便与不同节点通信，网络拓扑和节点间干扰变化剧烈，难以维持网络负载平衡和服务质量，而配备多个无线电台的MCMR可以较好解决上述问题。典型的多信道MAC协议有动态信道分配MAC协议(dynamic channel assignment，DCA)、基于主信道分配的多信道MAC协议(primary channel assignment multiple channel，PCAM)，多射频统一协议(multi-radio unification protocol，MUP)等［6］。采用多信道可给WMN带来多种好处，如减少链路干扰，提高网络吞吐量，减少端到端时延，获得更好的负载平衡并公平性。但是必须解决2个关键问题:一是节点之间的协同传输问题，多信道MAC协议必须能够保证节点之间的信息传输是协同工作的，当发送者将信道切换到接收者的信道时，应避免接收者将接收信道切换到别的信道而造成数据丢失;二是信道分配问题，多信道MAC协议要根据业务需求和网络环境为不同节点合理分配信道，以有利于消除信息传输干扰，提升通信质量。

1.3.2 路由协议

WMN的路由协议可以基于Ad Hoc网络路由协议进行设计，但必须考虑其自身特点:Mesh客户网有能量限制，而Mesh骨干网通常没有这种限制，并且计算和处理能力较强;Mesh网络的大量业务往返于因特网网关与Mesh客户端之间;Mesh网络的多信道传输机制也增加了路由协议设计的复杂度。另外，WMN路由协议需要消除路由环路，尽量减少路由开销和保证网络有效性等。

常用的WMN路由协议包括:目的序号距离矢量路由协议(destination sequenced distance vector routing，DSDV)、动态源路由协议(dynamic source routing，DSR)、按需距离矢量路由协议 (Ad hoc ondemand distance vector routing，AODV)、多径源路由协议 (multi-path source routing，MSR)、多射频链路质量源路由协议(multiple radio-link quality source routing，MR-LQSR)等［5］。由于网络拓扑受节点信道分配的影响，多信道WMN中的路由选择问题较为复杂，网络中节点之间的路由受到信道分配机制的影响。因此，多信道WMN中的路由选择算法必须和下层的信道分配机制进行联合设计。此外，目前大多数WMN路由协议都是以最小跳数为选路的标准，但是该指标无法真实反映无线环境中路径的质量。因此，WMN路由协议应根据网络状况和业务需求选择合适的路由度量指标，以优化网络资源利用率、平衡网络负载和改善业务服务质量。相关研究表明采用考虑链路条件的具有无线信道意识的路由指标可以获得更好的系统性能。在多信道WMN中，路由指标必须考虑信道的多样性，同时必须平衡网络吞吐量和每节点吞吐量，如可以选用加权累积期望传输时间(weighted cumulating expected transmission time，WCETT)和归一化瓶颈链路容量(normalized bottleneck link capacity，NBLC)作选路指标［8］。

1.3.3 安全机制

WMN的安全性是限制其推广应用的一种重要因素。首先，无线信道使得WMN易于遭受被动窃听和主动干扰等攻击;其次，移动设备容易被捕获和劫持而造成信息泄密甚至网络瘫痪;第三，WMN往往采用分布式网络结构，没有可信的中心授权机构负责分发密钥。但是，如果WMN拥有集中式的认证服务器来授权客户访问网络，则可以使用RADIUS(remote authentication dial in user service)协议的认证、授权和计费(authentication authorization accounting，AAA)。目前，主要从加密算法、数字签名机制、认证和授权方案、入侵检测方法和安全路由协议等方面入手来加强WMN网络的安全性［9］。

2 基于WMN的应急通信组网方法

2.1 需求分析

应急通信是指在发生重大自然灾害和公共突发事件的情况下有关部门协调各种力量，进行抢险救灾等突发性事件处置而开展的通信活动［10］。在传统的常规通信过程中，主要的通信手段是有线通信和蜂窝无线通信，但是远远不能满足应急通信的需要，建设新型的应急通信网络迫在眉睫。应急通信具有时间突发性、地点不确定性、业务紧急性、信息多样性和过程短暂性等显著特点，应急通信网络必需充分考虑上述特点，能够快速部署，易于维护、升级和扩展并提供可靠的预期服务，以便辅助救援人员及时有效开展救援行动。具体而言，ECN(emergency communication network)包括以下要求和特点［11-12］:

(1)快速部署:网络规划和部署过程必须简单和快捷，并且尽量不依赖专业人员和复杂的配置过程。

(2)健壮性和可扩展性:快速部署和频繁变化的网络环境都对网络功能提出了极大挑战，网络必须具有较高的容错性，能够及时适应环境变化，并能满足用户数量不断增加的需求。

(3)便捷性和可移植性:网络部署的快速性要求网络设备操作便捷，不提倡使用专用的设备，而是鼓励使用商用产品。

(4)安全性:大规模的救援行动需要各种救援团队，涉及大量敏感信息，必须保护这些信息的安全性。

(5)低成本:网络的部署和维护成本要尽量低，应广泛采用商用成熟技术和产品。

(6)应急通信网络应支持用户的高速移动性，能够与异质网络实现互联，并提高可靠的信息传输服务。

从上述WMN的技术特点不难看出，WMN具有诸多适合构建应急通信网络的技术优势，能够满足应急通信系统的一般要求:WMN的部署容易，不依赖于现有的基础设施，网络可扩展性强，可根据情况设置适当数量的Mesh路由器，为终端用户提供网络接入;WMN能够提供较大的覆盖范围和较高的传输速率;WMN网络设备成本相对低廉，并且支持终端用户的移动性;能够提供较为安全和可靠的通信服务，并可以方便地与异构网络互联;可以针对不同的应用提供一定的QoS保证。此外，WMN的多路由多信道冗余特性可以显著提高网络的健壮性，具有很强的生存能力，在应急现场可以根据救援需要随时允许特定的用户接入网络，为救援提供更多的支持。

2.2 基于WMN的应急通信组网方案

当发生重大自然灾害或突发公共事件时，固定的有线通信网络和无线蜂窝基站很容易遭受破坏，使得应急现场的用户群体无法有效接入网络或者与后方指挥中心建立可靠的通信连接，而且重新铺设常规通信网络又要花费大量的人力、物力和时间，不能适应应急通信快速处置的要求。在这种情况下，可以基于WNM技术迅速构建灵活高抗毁的应急通信网络，作为现有常规通信网的有效补充，WMN通过多跳传输可以减少干扰、降低功耗，提高频率重用和增加无线覆盖范围，从而为应急通信场合的各类用户提供必要的通信服务保障。如前所述，WMN的拓扑结构主要有3种类型，但是最常用的当属混合式Mesh网络。图1给出了一种典型的基于WMN的混合式应急通信组网方案，具体组网时可再对此方案进行必要的简化、扩展和改进。

图1 基于WMN的应急通信组网方案Fig.1 Emergency communication networking methods based on WMN

在通信基础设施缺乏或受损的地区，用户个人移动终端、应急通信车及其他各种通信设备之间可以互连构成WMN进行信息交互，保持密切联系以协同完成应急通信指挥任务。WMN是一个高带宽无线通信网络，能够提供语音、数据、视频传输，还可以与其他各种应急指挥通信系统、蜂窝网和Internet连接。图1中的网络结构为多层分级网络结构，可以划分为3个层次:最底层既包括残存的无线蜂窝网络和无线局域网以及临时部署的无线Mesh客户网;中间是由无线路由器互联构成的健壮可靠的无线Mesh骨干网;最上层是IP骨干网，Mesh骨干网通过充当网关的路由器可以接入IP骨干网。这种分级网络结构的优势是大大减少了参与网络自组织和动态路由的节点数量，大大降低了网络的组网开销，易于网络的扩展和管理，同时也适合应急通信Mesh网络与现有的通信系统进行互联和协同工作。

WMN中Mesh路由器的移动性通常较低，而Mesh客户终端则可是任意移动。另外，Mesh路由器(如车载AP)通常由外部供电，功耗限制不严格，而Mesh客户终端需要考虑节能机制。还要指出的是，Mesh骨干网为了实现路由和中继功能，每个无线Mesh路由器至少配备有2个以上的无线网卡，其中一个工作在接入网络信道，负责Mesh客户网的接入，其余的网卡工作在骨干网络信道，构成Mesh骨干网络并实现与其他网络的互联。利用无线Mesh网络，可以显著降低对通信基础设施的依赖性，有效增强网络系统的健壮性和通信可靠性。具体来说，当Mesh骨干网中某条路径或者某个节点出现故障时，可以选择其他可用的路径作为替代路径，提高了应急通信网络的生存能力。例如，图1中当R1损坏或离开时，无线Mesh客户网可以利用R2接入Mesh骨干网，体现出很强的自愈性。另外，一旦发现当前的网络覆盖范围不能满足需要，比如某一偏远地区有一个客户机需要接入骨干网络以便与外界交互获得更多的援助时，可以根据需要架设Mesh路由器R3为客户机C1提供网络接入。

当Mesh骨干网规模较大时，可以考虑将网络划分成多个簇以便于管理网络资源和改善网络性能。例如，图1中将Mesh骨干网分成了4个簇，并且簇内所有节点一跳可达。基于分簇网络结构，可以由簇头协调簇内节点的信道分配并且代表簇内节点参与路由计算，从而简化了信道分配和路由算法，并有助于提高业务的服务质量［8］。

3 结束语

WMN网络系统具有标准化程度高、传输距离远、接入速率高、成本低、部署简便灵活、支持终端移动性且受地理环境等客观条件限制少等优点，日益受到人们的关注。基于WMN的应急通信系统主要包括Mesh客户网;无线Mesh骨干网和其他可以融合互通的通信系统。这种基于WMN的应急通信网络具有组网灵活方便，易于网络的部署和管理，可以实现视频、话音、图像和数据的可靠传递，通过与现有通信网络融合互通可以构成一个全网覆盖的功能完备的一体化通信系统，具有很好的健壮性和可扩展性，非常适合于在缺乏基础设施支持或原有基础设施受损的应急通信场合中提供多样化的通信服务，为抢险救灾行动得以顺利实施提供技术保障。

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