基于Wi—Fi Mesh网络构建区域通信平台问题研究

杨丽雯 张永继

摘要：构建恶劣区域通信平台是目前通信领域研究的一项重点内容。文中分析了Wi-Fi Mesh网络构建区域通信平台的可行性，给出了固定区域、机动区域、救援场所的Mesh网络组织方式，并从网络保障能力方面进行了定性分析，可以为基于Wi-Fi Mesh网络构建区域通信平台提供参考。

关键词：计算机网络；区域通信平台；WiFi-Mesh网络；无线链路

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.023

0 引言

随着近年来地震等自然灾害的频繁发生，如何实现受灾区域内通信的快速恢复，在气象、地质、环境等恶劣条件下快速建立基本的通信枢纽，为抢险救灾、应急通信、人员指挥提供技术支撑，成为各级通信部门重点研究的课题。面对固定通信枢纽破坏严重、固定通信设施互通不畅的问题，必须研究基于无线信道连接的区域应急通信平台，本文结合对WiFi-Mesh网络技术的研究，提出了基于Wi-Fi Mesh网络构建区域通信平台的基本思路。

1 Wi-Fi Mesh网络概述

无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN）是基于IP协议的无线宽带接人技术，是移动Ad Hoc网络的一种特殊形态，它融合了WLAN和Ad hoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络形式，作为一种可以有效解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构，从某种意义上讲，Mesh网络更主要的是一种网络架构思想，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等方面。已经商用的无线网状网产品基本都基于Wi-Fi，称之为Wi-Fi Mesh，其典型组网概念如图1所示。

无线Wi-Fi Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和Repeater（中继器），网络中的每个Mesh节点既是通信的发起者，也是数据分组的中间转发者，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

2 Wi-Fi Mesh模式构建区域通信平台可行性分析

2.1 部署安装简便

安装Mesh节点非常简单，可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。Mesh网络的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低，因此大大降低了成本和安装时间。无线Mesh网络的配置和其他网管功能与传统的WLAN相同，用户使用WLAN的经验可以很容易应用到Mesh网络上。

2.2 非视距传播（NLOS）

利用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置，与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径并最终到达无直接视距的目标用户。无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。

2.3 稳定性好

Mesh网络不依赖于某单一节点的性能，因此比单跳网络更加健壮。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中，如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。

2.4 结构灵活

在多跳网络中，设备通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在无线Mesh网络中，每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。

2.5 高带宽

而Mesh网络选择经多个短跳来传输数据，从而获得高网络带宽。在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，同时由于每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率也大大提高。

3 基于Wi-Fi Mesh网络构建区域通信平台

3.1 固定区域Wi-Fi Mesh网络设备配置

以指挥控制、通信接力等重要通信车辆为主，配置Mesh路由基站设备，构成Mesh网络骨干节点，该节点具备AP接人功能，普通用户可以Wi-Fi方式直接接人，同时，该类节点至少具备两条及以上的无线链路回传能力，能够自动检测邻近的同类节点设备，与其自动建立Mesh通信链路。手持机、计算机、服务器、传真机、打印机等终端设备配置兼容Wi-Fi和Mesh自组网工作方式的网卡。区域附属保障车辆配置双向无线连接远程客户端设备（ CPE），车辆附近距离基站较远的用户可通过客户端（CPE）中继的方式接人基站。

3.2 机动区域Wi-Fi Mesh网络组织应用

在通信保障力量机动途中，以通信节点车辆配置的Mesh基站为节点，可以非常轻松的组成链式网络，这一串连式多跳网络可以克服复杂地形和长距离影响，首尾节点可以通过跳跃方式建立无线链路，没有安装Mesh基站的保障车辆，可以配载中继CPE设备，以客户端身份通过Wi-Fi方式连接基站，同时对车内用户实现二次Wi-Fi覆盖，所有的用户手持终端均可以在行进途中以Wi-Fi方式就近直接或以中继方式接人Mesh基站，满足机动中无线局域网全员覆盖。机动区域Wi-Fi Mesh网络拓扑如图2所示。

3.3 应急救援场所开设地域内的Wi-Fi Mesh网络组织应用

应急救援力量到达预定地域后，按拟订开设预案分布式展开，指控车辆上安装的无线Mesh节点设备可自我配置，一个MAP启动后，它首先扫描附近的网络，然后与所有检测到的MAP建立临时连接。通过这种连接，MAP可以与AC联系，并下载配置。完成配置文件的下载后，MP会与享有相同预共享密钥的邻居建立安全的连接，组成网状无线骨干网络，用户节点通过AP+CPE方式接入骨干网，为用户提供无线数据、无线语音以及无线视频监控等支持。应急救援指挥所开设地域内的Wi-Fi Mesh网络拓扑如图3所示。

4 基于Wi-Fi Mesh网络构建区域通信平台保障能力分析

4.1 关于网络开通效率问题

Mesh自组织网络在恶劣环境中可以快速部署，新加入的节点也可以被自动发现，并可进而自主配置。降低了野外环境下组网的难度，争取了宝贵的救援时间。基于升空平台覆盖的野战Wi-Fi Mesh网络的开通效率主要取决于空中平台的开通效率，地面Wi-Fi Mesh网络的自组网过程时效性已经得到实验和实用证明，空中平台、各个车载Mesh模块以及便携MESH模块的位置基本确定后，对于系统不同的应用模式，各个Mesh模块可以灵活适应，不需要人工分析、配置，从设备加电到系统中的网络节点组网成功的时间不超过4分钟。

4.2 关于网络覆盖能力问题

近年来，世界各国普遍重视无人机、系留气球、飞艇等临近空间飞行器的开发，其作为空中通信中继平台的功能和性能日渐成熟。国内某公司已经实现了在4000米高空向8000平方公里面积的Wi-Fi信号覆盖，Wi-Fi信号可以覆盖直径100千米的范围。地面Mesh骨干网络覆盖能力主要取决于基站模式和发射功率，当前Mesh产品标称发射功率通常不超过30dBm（1W），在视距可见的情况下，固定Mesh站点间的距离可达几十公里（定向天线高架情况下），车载Mesh基站（全向天线）的覆盖范围在1-2公里左右，便携MESH模块的覆盖范围不小于300米。可以预见，在恶劣灾害环境下，如果适当提高基站发射功率，Mesh骨干网络覆盖能力将会比上述标准明显提高。

4.3 关于网络业务支持问题

网络时延问题一直是Wi-Fi Mesh网络最难解决的问题，但是路由算法等应用机制的不断改进和创新，端到端的QoS机制越来越成熟完善，Wi-Fi Mesh网络的运行效率越来越高，对话音和视频等实时业务的支持能力也越来越好。现有的研究试验结果表明，规划良好的Wi-Fi MESH网络在静止或运动情况下，均能够较好的支持Ping、Http、Ftp、Email、视频流、VOIP等业务。为了满足像VoIP这类实时通信应用的要求，Wi-Fi Mesh网络可采用多模块、多射频和多信道的体系架构，从而提供经过多跳后高吞吐量、低时延和为语音流量设置高优先级所要求的容量和覆盖。便携MESH模块10跳之后，网络延时不超过50ms。在10跳以上的情况下，每一跳的时延可以保持在4到5毫秒，大大低于语音所要求的120毫秒，使得语音这样的实时业务得到最优化。

4.4 关于网络用户移动性问题

虽然Wi-Fi用户本身不支持高速移动，但是考虑到Wi-Fi用户在高速移动的车辆内部是通过远程Mesh客户端接人的，用户终端与此客户端是相对静止关系，且目前车载Mesh系统已经具备了高速移动支持能力，能够快速感知拓扑结构变化，车辆可以在高达300公里/小时的车速条件下保持无线网络连接，在地形平坦的地区，采用全向天线，在有效通讯范围内，网络可在时速150公里/小时的高速移动状态下达到6Mbps的数据传输速率。同时，在固定节点之间组网中，Mesh拓扑可组成稳定可靠的无线网，即便任何一点或几点设备出现问题，不会影响整网的正常工作。整个网络具有顽强的生命力，被誉为“打不垮的网络”。

5 结束语

Wi-Fi Mesh网络目前已经在部分场合得到成功实践，成为了替代固定通信基站的理想方法，在如抢险救灾等恶劣环境下，Wi-Fi Mesh网络对于快速组织应急指挥场所、搭建形成通信网络、实现区域通信平台具有独特的优势，后续应结合升空平台等网络载体的研究，进一步形成区域通信平台建设的标准流程，并着力解决各种应急通信手段互通不起来和带宽不够用的问题，为灾害抢险等任务提供有效方法。