Mesh自组网通信系统

李曙光

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

目前现有的通信网络大都是基于稳定可靠的通信基础设施之上的，一旦这些通信基础设施遭到破坏，常规的通信手段都不再可行。而往往就是在这样的时候，保持可靠的通信显得尤为重要。而常用网络应用领域的集群通信系统，除了依赖基础设施以外，在网络带宽上也有很大限制，多使用窄带技术，30K左右带宽，数据率16Kbps左右，这就使得其数据传输能力大大受限。因此，目前的通信网络现状远没有达到完美，还有很多缺陷需要进一步弥补和完善。本文将要介绍的Mesh自组网通信系统，能够在很大程度上弥补和完善上述缺点，摆脱对基础网络设施的依赖，并且使用宽带技术，大大增加了数据传输能力。

无线Mesh网络是一种新的完全不同于以往无线网络技术的新型多跳（Multi-hop）网络[1,2,3]。传统的无线网络中，每个节点都需要一条独立的通信链路来连接入点(Access Point，AP)从而实现上网功能，如果客户节点需要与其他节点进行通信，则必须要通过一个固定的接入点来实现，限制了通信范围。而无线Mesh网络中所有节点都具有多跳功能可以做到发送和接收信号同时进行，并且既可以用作接入点又可以作为路由器节点，很大程度上提高了网络的覆盖能力。

1 组成

自组网通信系统设备包括无线电终端、网关（GW）、中继器（Repeater）和网管系统（NMS）四部分。在实际组网应用中，并不一定所有设备都会用到，根据网络规模大小以及实际应用需求，设备的选择和网络结构具有很大的灵活性。

1.1 无线电终端

无线电终端可以实现语音业务、视频业务及数据业务，最大可以传 16Mb/s数据率，具有双工通信、抗干扰通信、宽带通信、低延时通信等能力。

无线电终端采用的主要技术有：

（1）信源编解码模块使用具有高效压缩能力的H.264视频编码标准；

（2）信道编译码模块采用高性能的LDPC（低密度校验码）纠错编码算法；

（3）通信抗干扰体制采用FH（跳频）方案；同时凭借跳频序列的正交，实现跳频多址传输；

（4）视频传输采用 OFDM（正交频分）多载波传输技术，有效抗多径效应。

无线电终端根据使用平台及功能又分为手持终端、固定终端、机载终端及车载终端4类。

1.2 网关

在规模较大，应用较为复杂的网络中，网关起着非常重要的作用。

首先，网关具有中继器的功能，可以将局部Mesh子网络同网络的其他部分连按起来，作为内部终端通信的网关，让两个使用不同信道号的子网实现通信。

另外，网关还有着与其他外部网络通信的功能。可以与 400M/800M 集群、有线固话交换机、VHF/UHF无线对讲系统、GSM手机网络、WLAN无线网络实现互联互通，可以通过标准IP接口接入传统的基础设施。

最后，需要说明一点，对于网关的日常维护主要是通过NMS（网管系统）代理，通过提供指令里的报告和统计信息与NMS管理系统通信。

1.3 中继器

中继器在规模较大，应用较为复杂的网络中，起着非常重要的作用。在我们这个系统中中继器和网关的硬件结构完全一样，根据不同的设置决定了不同的应用。中继器可以扩大Mesh网络的覆盖范围。无论其他用户是否存在都可确保预先定义区域的无缝覆盖。

中继器在网络中相当于一个激活的终端（包括一个终端ID），但是没有声音和数据的输入输出功能。可以将中继器设置为双频段，使其有两个信道可同时中继。另外，中继器的安装和配置非常简单,可以根据实际环境选择安装载体，如广告牌、建筑物等。

1.4 网管系统

NMS由两部分构成

（1）NMS管理员-管理整个系统（PC端的NMS模式）；

（2）NMS代理与NMS管理员通信，并且作为连接局域子网络的中转站（PC模式，属于 GW的一部分）。

NMS主要特点：

（1）能够显示连通性图表；

（2）能够显示系统成员间的连接质量；

（3）能够显示和监控每个成员；

（4）紧急情况下，最高指挥官可以一键实现全网应急广播，确保指挥通畅；

（5）智能终端可以将拍摄的视频和图片发回指挥中心，网管平台可以根据需要管理和分发视频给对应的移动管理终端，让指挥人员在运动中也可以实时的掌握现场的情况。

2 信道选择模式

本系统有三种信道选择模式：

（1）Normal CS模式

该模式用于终端设备，信道号一旦定义好，将不会根据环境信号强弱而随之发生切换。

（2）Acs模式

该模式用于终端设备，自动搜索信号，搜索顺序按照自定义信道优先级排列顺序。当前优先级最高的信道号搜索不到时，将顺序向下一个信道号搜索，直到成功注册到一个信道号位置。

（3）Beacom CS模式

该模式用于网关（GW）和中继器（Repeater），信道号一旦定义好，将不会根据环境信号强弱而随之发生切换。与Normal CS模式的区别是，GW和Repeater必须定义为Beacom CS模式，才能为定义为ACS模式的终端提供网络搜索环境。也就是说，定义为 ACS模式的终端，只会注册到定义为Beacom CS模式设备的信道号，而不会注册到定义为Normal CS模式设备的信道号。

综上所述，在实际应用中，如果网络中有部署网关（GW 或中继器（Repeater），网络拓扑中有多个子网之间需要实现相互通信的情况下，终端设备信道选择模式需要设置为 ACS模式，否则将影响终端在子网间的切换：而如果网络中没有部署GW和Repeater，只有终端设备自组网，则终端设备信道选择模式需要设置为Normal CS模式，否则终端将不停的搜索信道号，但始终无法锁定信道，无法实现通信。

3 特点

与传统的无线局域网通信系统技术相比，无线Mesh网络通信系统具有很多优点，大概可以总结为如下几点[3]：

3.1 网络部署方便快捷

Mesh网节点都有自组织和自配置的功能，而骨干网的接入不需要提供过多的有线接入，仅MPP（控制管理所有节点，具有网关功能可以其他网络的连接）节点需要提供有线接入，所以很方便的变换整个网络的拓扑结构，也可方便调整个别 Mesh路由器的位置，同时可以随时调整结构和添加减少网络节点数目，因此在Mesh网部署方便。

3.2 传输距离大

由于Mesh网络是多跳网络，传输过程通过选择最优的路由来传输，与MAP（通过无线与MPP共同组成骨干网并对Client提供无线接入服务）节点直接视距连接的节点可以接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的节点。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个节点跳转到另一个更接近目标节点的节点，最后成功到达目标节点，从而实现非视距通信，拓展了通信传输距离。

3.3 鲁棒性

Mesh网中两个节点之间有多条通路链路，每个节点不依赖某个单一的节点，因为每个节点同时可作为接入点和路由器，每个节点都有一条以上数据链路，如果某条链路上的节点出现故障无法通信时，将自动路由到备用链路，保证整个网络的正常运行。而在单跳网络中，如果某个节点故障就引起整个网络将出现网络阻塞甚至瘫痪。因此无线Mesh网络比单跳网络更加健壮。

3.4 结构灵活

无线Mesh网络提高可靠性的措施就是冗余。两个网络节点有多条链路可以通信，为了避免通信拥塞，两个网络节点选择通信负载较小的链路。而在传统网络中，接入点是与其他节点共享的很容易造成拥塞。

4 组网方案

4.1 小型网络

小型网络适合小范围平台组网，容量最好在几个到几十个；其次，活动很可能不在固定地点，需要随时移动并保持联系，地方偏僻没有条件建设固定的基础网络设备。

由于此类应用场中，没有部署网关（GW）或中继器（Repeater），完全依靠终端彼此间的跳接形成网络信号覆盖，因此所有终端需要将信道选择模式设定为NormalCS模式，且设定为相同的信道号。这种网络结构对接入用户数没有限制，但同时进行的会话数限制为64。而且考虑到跳接次数过多后会影响语音通话质量，因此在此类应用时，建议网络规模不要过大。

这种网络结构的好处是，无须基站、路由器等任何基础网络设备即可实现网内所有终端彼此间的通信。点对点通信（不经中继）距离在空旷地带不小于 1km，在城市普通环境下不小于 500m；网内通信经9次以下中继可正常通信。只要不超出这个范围，所有终端即使在整体移动当中（比如车队行进中）也能随时保持彼此间的通信，如图1小型网络组网示意图。

图1 小型网络组网示意图

4.2 中型网络

中型网络适合于矿井，工厂等特殊区域，由于坑道，楼板等障碍物较多，需要用网关（GW）、中继器（Repeater），对于障碍物较多，影响网络覆盖的问题，我们也有较好的解决办法。由于这种应用场合是要求网络覆盖一个固定区域，因此我们可以经过实地勘察，在楼梯拐角，坑道拐弯等处部署中继器（Repeater），扫除网络覆盖自点，实现规定区域内的全网络覆盖，也能避免由于平台分布不均导致的个别终端脱网。如图2中型网络组网示意图。

图2 中型网络组网示意图

4.3 大型网络

大型网络适合于机场等场合，特点是对网络覆盖的面积和质量都有较高要求，业务应用种类较为复杂，需要用网管系统。

首先，对网络拓扑结构做简要说明。在这类大型网络应用中，实际上存在两张网即骨干网和Mesh自组网。

骨干网可以新建，也可以根据现场实际情况对已有网络资源进行利用。骨干网是有线网络，最简单的就是以一台交换机为核心，分别用网线连接各个网关（GW）和负责网络管理（NMS）的PC机。骨干网的作用是实现网关之间的互联以及网管系统（NMS）对各个网关的维护管理。

Mesh自组网即终端与终端之间以及终端与中继器（Repeater、网关（GW）之间的无线网络。网关（GW）的信道选择模式需要设置为 BeacomCS模式，为该子网下信道选择模式设置为 ACS模式的终端提供可登陆的信道。

中继器（Repeater）的信道选择模式根据具体需求，可以设置为BeacomCS模式，也可以设置为ACS模式。终端的信道选择模式根据具体需求，可以设置为NormalCS模式，也可以设置为ACS模式。通过网关（GW）的多信道划分，增加了用户容量，一个或多个GW使用一个信道，定义为一个子网。共 40个信道可用，每个子网对接入用户数没有限制，但同时进行的会话数限制为每个信道64，如果客户的数量比较多，需要保证更大数量的同时会话量，那么，我们可以很简单的通过增加网关的射频信道来实现，那就是：64*N。而用户组的定义并不受制于地域（子网），也就是说，一个用户组内的用户，可以分属不同子网。终端用户从一个子网切换到另一个子网，不影响群组内的通讯业务。

此外，在使用该网络的时候，需要区分语音与视频通信及数据通信，语音与视频通信有容量的限制，数据通信采用分组交换，因此，有排队时间，但没有数量的限制。图3大型网络组网示意图。

图3 大型网络组网示意图

5 结论

本文Mesh自组网通信系统组网方式灵活，终端本身自带路由转发功能，无需任何基础网络设备即可实现自组网。在网络覆盖和网络质量要求较高的应用场合，也可以部署中继器（Repeater）来满足需求。如果有与外网（400M/800M集群、有线固话交换机、VHF/VHF无线网、GSM 手机网络、WLAN无线网络等）实现互联互通的需求，或者需要使用多频段来扩大网络容量，还可以部署网关（GW）来满足需求。在一定程度上弥补和完善了目前现有网络的不足，在一些特殊领域或紧急情况时能够发挥很大作用。

[1]Lan F.Akyildiz,Xudong Wang,Weilin Wang.Wireless mesh networks:a survey [J].Computer Networks,2005,47（4）:445一487.

[2]杨峰,黄俊,罗小华.无线Mesh网络综述[J].数据通信,2009:15-17.

[3]无线mesh网络[OL].Http://baike.baidu.com/view/1215700.html.