无线Mesh网络原理及其在应急通信中的应用

唐艳

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨　150010）

无线Mesh网络原理及其在应急通信中的应用

唐艳

（国家无线电监测中心哈尔滨监测站，哈尔滨150010）

无线Mesh网络具有自组织、自愈等诸多优点，因而在应急通信等领域具有广阔的应用前景。本文主要介绍了无线Mesh网络的通信原理及其在应急通信中的应用。

无线Mesh网络；自组织；应急通信

1　引言

随着突发自然灾害的频发和安全局势的逐年趋紧，世界各国都在加强突发应急体系建设及相关技术研究。作为应急通信系统的关键技术，应急自组织通信网络及其相关技术成为世界性的热门研发领域，得到各国政府、工业及学术界的广泛关注。

无线Mesh网络作为一种动态的自组织分布式网络，具备快速布设、快速开通、机动性好、环境适应强等特点，非常适合组建应急通信网络来协调开展救援行动和应对突发事件。

2　无线Mesh网络原理

2.1技术特点

无线Mesh网络是一种多跳的、具有自组织和自愈特点的分布式宽带无线网络，它可以看成是一种融合了无线局域网（WLAN）和移动Ad Hoc网络的特点并且发挥了两者优势的新型网络。无线Mesh网络主要由路由器节点和终端节点组成，其典型结构如图1所示。路由器节点互联构成无线骨干网，通过网关节点可以与互联网建立连接；终端节点通过路由器节点可以接入互联网，并与其他终端节点组网，实现终端节点之间、终端节点与网络之间的互联互通。

图1　无线Mesh网络典型结构

与传统无线网络相比，无线Mesh网络具有如下几个优点：

（1）前期投入少。由于不需要固定网络接入设备，部署无线Mesh网络需要的资金成本和时间更少。

（2）可靠性高。在单跳无线网络中，如果某一个AP点出现故障，整个网络也会随之瘫痪。而无线Mesh网络的节点之间提供冗余路径，如果某一节点出现故障，可以重新选择有效路由完成数据传输，整个网络的性能不会受到影响。因此，无线Mesh网络在相对长的时间内具有更高的可靠性。

（3）覆盖范围广。由于无线电传播特性，网络吞吐量随着节点之间无线链路长度的增加而减小，这使得单跳无线网络的覆盖范围和连接性受到了严重制约。无线Mesh网络利用多跳和多信道通信技术，可以满足长距离的通信需求且使节点获得最大可能的吞吐量。

（4）组网灵活。无线Mesh网络是一个动态的自组织、自配置网络，该网络中的节点可以灵活地部署在任何有电源的位置，不依赖固定基础设施即可自动建立和维护多跳的网络连接。

无线Mesh网络的如上特点，决定了基于该网络的突发事件应急通信系统有能力保证在突发事件发生时，快速地组建通信体系以满足应急事件中信息的传递需求。

2.2接入控制协议

接入控制协议是用来管理和协调用户竞争/共享信道资源的协议。信道接入协议能否有效使用无线信道的有限带宽，能否保证多个节点公平接入共享信道，直接影响无线Mesh网络的性能。多数传统接入控制协议（如ALOHA，时隙ALOHA，CSMA，CSMA/CA等）是为节点之间共享单一信道而设计的，尽管协议比较健壮且易于实现，但建立在这些基本的接入控制协议上的无线Mesh网络将因为多跳路由产生碰撞和干扰而降低吞吐量。

由于受到研究者的关注，无线Mesh网络规范化和标准化工作进展迅速，IEEE 802.11，IEEE 802.15，IEEE 802.16等工作组均陆续发布了无线Mesh网络标准或草案。IEEE802.11系列协议是无线Mesh网络采用的典型协议，IEEE 802.15和IEEE 802.16系列协议也提供了对无线Mesh网络模式的支持。

2.3网络路由协议

路由协议决定了网络功能的实现和效率，是无线Mesh网络的重要研究内容。网络拓扑结构动态变化、无线信道资源受限和节点设备能量有限等特点，给无线Mesh网络路由协议研究带来了严峻的挑战。国内外研究人员进行了大量研究工作，提出了适用于不同应用需求的路由协议。根据目的节点数目不同，可分为单播路由协议和多播路由协议。单播路由协议的研究相对成熟，随着面向点到多点或多点到多点的数据传输应用需求的增多，无线Mesh网络多播路由技术将得到更多的关注。

单播路由是网络中一个节点面向另一个节点的可用路由。无线Mesh网络单播路由协议可从多个角度加以分类：根据是否使用GPS等提供的定位信息（坐标位置和速度），可以将其分为地理位置辅助路由协议和非地理位置辅助路由协议；根据网络逻辑结构，可以将其分为平面路由协议和分级路由协议；根据路由发现策略，可以将其分为主动路由协议和按需路由协议。

与单播路由相比，多播路由不需要为每个目的节点分别建立路由，信息仅需发送一次且在网络的转发节点处信息被复制和分发，减少了广播方式造成网络拥塞的可能性，节省了网络带宽资源，且有利于信息的保密和安全工作。根据寻路机制和路由维护策略的不同，无线Mesh网络多播路由协议主要分为树状、网状、混合型以及无状态四种类型。

图2　NS2模拟过程截图

无线Mesh网络路由协议性能的通用评价指标包括分组投递率、控制开销和端到端平均时延。使用网络仿真软件NS2可在不同的网络拓扑结构下进行无线Mesh网络路由算法仿真，NS2模拟过程截图如图2所示。网络模拟结束之后，整个模拟过程的数据都存放在Trace文件中，通过对Trace文件进行分析处理，最终获取评价参数，对网络的实际部署提供了有力的数据支撑。

2.4与其他应急通信方式的比较

卫星通信、短波通信、移动通信和微波通信，是目前军用、民用领域常用的应急通信方式，表1为无线Mesh网络和上述四种通信方式的简单性能比较。在执行重大灾害应急救援任务时，应根据不同公共突发事件对通信的要求，选择合适的通信手段，做到各种通信手段扬长避短，灵活运用，保障应急救援的顺利进行。

表1　性能比较

3　无线Mesh网络在应急通信中的应用

3.1单一组网模式

重大突发公共事件一旦发生，将对通信、广播、电力等基础设施造成极大破坏，使得通信网络瘫痪，将灾区变为信息孤岛。应急通信网络对于应急救援的开展至关重要。基于无线Mesh网络进行应急通信网络布控，为救援人员配置应急通信节点设备，通过一对一或一对多的通信方式，安全可靠地在应急指挥中心和现场传递指挥控制信息和现场监测数据。图3为无线Mesh网络在应急通信中的单一组网模式。无线Mesh网络的快速部署保障了应急通信指挥的顺利开展，提高了突发公共事件应急处置效率。

图3　基于无线Mesh网络的单一组网模式

3.2混合组网模式

有些情况使用单一应急通信方式难以满足需求，需要采用多种应急通信方式组合的技术手段，使应急救援人员不受地点和接入方式的限制，尽可能的利用现有和临时部署的通信网络保障通信畅通。图4为基于卫星、短波和无线Mesh网络的混合组网模式。在突发性紧急情况的应急报警阶段，由于公众通信网络完全遭到破坏，可用短波电台将信息传送至上级指挥中心。卫星通信具有广域无缝覆盖优势，但面向大规模用户的组网能力较弱。无线Mesh网络是一种拥有大量节点的自组织网络，组网能力较强，但受到路由复杂度等因素影响通信范围较为有限。上级指挥中心可将卫星通信和无线Mesh网络进行有效结合，快速搭建应急现场通信网络。该应急通信网络能够有效保障指挥命令及时下达，做好组织协调各部门之间的协同工作，最大限度地提高应急反应能力。

图4　基于卫星、短波和无线Mesh网络的混合组网模式

4　结束语

未来网络将呈现融合与互补的趋势。无线Mesh网络作为一种新型的无线自组织网络形式，不仅可以与卫星、短波等应急通信方式有效结合，还可以作为4G等移动通信网络和WPAN等城域网的扩展和延伸，具有巨大的市场前景。有关预测表明，如果无线Mesh网络与现有网络完全融合之后，将为用户提供更广泛的无线接入覆盖，全面提升无线网络的服务质量，开拓更广泛的应用前景。

Principle and Application in Emergency Communication of Wireless Mesh Network

Tang Yan
（State Radio Monitoring Center Harbin Monitoring Station，Harbin，150010）

Wireless Mesh Network has many advantages such as self organization and self healing，so it has wide application prospects in emergency communication and other fields. This paper mainly introduces the communication principle and application in emergency communication of Wireless Mesh Network.

Wireless Mesh Network； self organization； emergency communication

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.007

中国分类号：TN92A

1672-7274（2015）04-0028-04

唐艳，女，硕士，1987年生，毕业于北京交通大学电子信息工程学院，现就职于国家无线电监测中心哈尔滨监测站，主要从事无线通信技术等相关研究工作。

［1］I. F. Akyildiz and X. Wang. A survey on wireless mesh networks. IEEE Commun. Mag. vol 43.2005.

［2］王海涛.应急通信的研究发展现状和技术手段分析.信息通信技术，2011