WiFi-Mesh无线自组网系统关键技术综述

刘作学，　代健美

(装备学院 信息装备系, 北京 101416)



WiFi-Mesh无线自组网系统关键技术综述

刘作学，代健美

(装备学院 信息装备系, 北京 101416)

摘要WiFi-Mesh无线自组网系统是基于802.11协议和无线路由协议实现的一类自组织网络系统的统称。按照分层的方法对系统的多天线技术、多载波调制技术、媒体接入控制机制和路由算法等关键技术进行了分析和讨论，对多天线条件下信道状态信息的获取技术、正交频分复用条件下的降低峰均比技术、载波侦听多址接入/冲突避免和时分多址的改进机制，以及混合无线Mesh协议和最佳移动网络路由协议的研究现状、难点和未来改进方向进行了重点阐述，对可能用于WiFi-Mesh无线自组网系统的新技术进行了展望。

关键词信道状态信息；峰均比；载波侦听多址接入/冲突避免；时分多址；路由协议

WiFi-Mesh无线自组网系统，既具有ad hoc网络自组织、自愈、自管理和多跳中继的特性，又具有WiFi网络带宽高、接入简单、容易实现等特点，在飞行器组网、车联网、智慧城市构建、抢险救灾应急通信、战场战术分队组网等方面有着广阔的应用空间。目前，国内外已经研发了一些实用的WiFi-Mesh产品(如美国strix公司系列产品)，装备学院自主研发的“无线Mesh自组网系统”已经在多个野战部队、试验基地，以及多次通信保障任务中使用，取得了良好的应用效果。随着信息技术的不断发展，以及无线自组网用户数和大容量高速业务的持续增加，人们对WiFi-Mesh自组网提出了更高的要求，如何使其具有更快的传输速度、更大的系统接入能力、更高的频谱效率以及更强的无线信道抗干扰能力，还需要进行大量、深入的研究。

WiFi-Mesh无线自组网系统的关键技术主要包括遵循802.11标准的物理层(Physical Layer，PHY)技术和媒体访问控制(Media Access Control，MAC)技术，以及网络路由技术等，本文将对上述三方面关键技术的研究现状及难点、改进方向和应用策略等进行分析和阐述，为WiFi-Mesh无线自组网系统的后续研究提供参考。

1物理层技术

802.11的物理层技术经历了从单载波直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)到正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)到高阶正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)、单天线到多输入输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天线的发展过程，相比较调制效率已接近理论极限的调制技术，MIMO多天线技术和OFDM技术还有很大的发展空间。

1.1MIMO多天线的CSI获取技术

MIMO多天线技术是在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，通过增加收发天线数提高系统容量的下一代移动通信核心技术。由于能有效提高系统的频谱利用率和功率效率，802.11n和802.11ac标准相继完整引入了单用户MIMO 通信技术和多用户MIMO (Multi-user MIMO，MU-MIMO)通信技术。

自MIMO提出以来， CSI的有效获取问题一直是MIMO研究的焦点和难点，也是制约MIMO使用性能的重要因素。802.11n和IEEE 802.11ac标准使用 “基于接收端有限反馈”的方法获取信道状态信息，该方法与文献[1-3]相似，都是基于信号处理直接获取CSI信息的思路，其精度和准确度受输入参数和环境影响明显。在现有机制下，发送节点(如Mesh节点或Mesh接入点)并不能获知各用户信道是否有波动，即无法精确快速获取CSI信息，从而无法通过发送端的预编码来减小或者消除用户间的干扰，难以满足现实需要；文献[4]给出了另一种解决思路，通过利用信干比反馈和功率最优分配策略，间接获取CSI信息，也达到了提升系统性能的目的。尽管该算法仅考虑了传统无线局域网接入点(多天线)与客户端(单天线)的通信过程，但其思想完全可用于多天线Mesh节点间的通信。

1.2OFDM的抗PAPR技术

OFDM是一种多载波调制技术，该技术利用快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)将一个宽的带宽分割成多个紧密相邻(甚至部分重合)、相互正交的子载波，有效提升了频谱利用效率；利用串并变换将高速的信息流变换成多路低速的数据流，有效提高了抗频率选择性衰落的能力。基于OFDM在频率利用率和抗干扰能力上的优势，802.11a/g/n/ac/ad等系列标准将OFDM作为必选的另一物理层关键技术。在802.11系统中，OFDM子载波的频率间隔设定为312.5 kHz，子载波数根据带宽的不同从52个(802.11a/g)到484个(802.11ac)不等，其中数据子载波最高达468个，OFDM与MIMO的结合，大幅度提升了数据传输速率。但是，OFDM普遍存在PAPR高的问题，较高的PAPR容易引起器件的非线性失真，降低功放效率，从而造成频谱“外泄”和子载波间的干扰，造成OFDM系统的误码性能下降，缩短电池的工作时间。

降低PAPR的技术主要包括信号畸变类技术、概率类技术和混合类技术。

1) 信号畸变技术[5-6]。典型的有，文献[7]提出的“限幅+扩幅”组合方法，该方法通过设置适当的波峰和波谷阈值来改善PAPR性能，这类方法具有实现过程简单、降低PAPR效果明显的特点，但会产生带内畸变和带外扩展；文献[8]设计了一种联合抑制PAPR算法，该算法通过对信号进行编码来降低PAPR，不会产生限幅噪声，但计算复杂度非常高，编解码比较复杂，而且信息速率降低很快，只适用于子载波数比较少的情况。

2) 概率类技术。典型的有，利用 Alamouti 空频分组码(Space-frequency Block Codes，SFBC)固有的冗余性而提出的不需传输边信息的选择映射法(Selective Mapping，SLM)方法[9]，利用交织、时域备选技术的“半盲SLM方法”[10]，多级寻优的改进部分传输序列法(Partial Transmit Sequence，PTS) 方法[11]，以及能够大幅度减少IFFT次数的“基于时域子块信号部分循环移位的部分传输序列算法”(Modified Partial Transmit Sequence，MPTS)[12]等方法，其思路是通过破坏子载波相位之间的相关性来降低高OFDM信号幅值出现的概率，具有较好的降PAPR性能，改进算法相对于经典算法的计算量有所减少，但实现复杂度仍然较大。

3)混合类技术是上述方法的联合，包括信号畸变类和概率类的联合、限幅类和编码类的联合，以及概率类与编码类的联合等[13]，目前相关成果不多。

2MAC层技术

802.11的MAC层基于CSMA/CA机制实现，这种机制在高负荷的网络中会产生大量的节点碰撞，导致不公平、不可预测和不稳定[14]问题，很多文献从改进CSMA/CA性能的角度进行了研究；但该协议不能从根本上解决冲突问题，而将TDMA机制引入802.11协议，可以达到保证信息数据的无冲突传输，并使系统适于室外长距离、多跳传输的目的。

2.1CSMA/CA机制的公平性改善技术

1) 竞争窗口调节法[15]。这种方法通过每次成功传输后禁止竞争窗口复位到最小值来提高吞吐量，但没有考虑短期的公平性，使某些节点由于经历连续的碰撞而被迫处于长时间的退避阶段，造成传输速率更低。

2) 竞争参数调整法[16]。这种方法通过估计竞争者(用户)的数量并调整竞争参数来提高吞吐量并兼顾公平性，但复杂度大幅提高，而且当出现信道错误时，会使估计结果的准确性大大降低。

3) 确定性退避法。这类方法通过将随机退避机制改为确定性退避来实现近似无碰撞传输，从而提高系统的吞吐量，文献[17-18]提出了一种具有碰撞避免增强功能的确定性退避方法(CSMA/ECA)；文献[19]在此基础上考虑了公平性问题，也考虑了多跳特性，但存在系统用户数不能超过确定性退避值的限制；文献[20]提出了迟滞确定性退避的方法，通过修改CSMA/ECA实现了系统容纳用户数的增加，结合公平分享(fair-share)策略，进一步保证了长期的公平性。

目前，有些方法已经进行了软硬件实现，下一步有望被802.11标准协议接纳。但需要注意的是，上述方法主要考虑了CSMA/CA的退避机制和公平性问题，并没有突破CSMA/CA本身的限制，无法从根本上解决数据碰撞的问题，在大容量用户情况下提升吞吐量的能力有限。

2.2基于802.11的TDMA改进技术

Moraes等[21]率先证明了TDMA用于802.11系统的可行性，ROSALNet[22]、公路链状网[23]、点对点长距离系统[24]等应用进一步证明，相比较CSMA/CA机制，基于TDMA的WiFi-Mesh无线自组网系统具有更好的延时、抖动和健壮性，传输距离更远，对移动性支持更好。TDMA的实现难点是同步精度难以保证，Djukic等[25]提出了基于软件的TDMA MAC协议(Soft-TDMAC)，该协议通过锁相环实现了节点的两两同步，然后通过建立基于最小跳数的全网同步树，实现了全网的紧同步，降低了全网的同步错误，提高了同步精度和分配效率，但可靠性不高；文献[26]讨论了LiT-MAC的原理和具体实现问题，该方法能够提高时间同步的可靠性，并兼顾了多信道、长距离传输等问题，但需要统一的集中管理器进行时间调度，抗干扰性不足。上述改进思路主要是对802.11协议进行修改以支持高同步精度TDMA，但仍存在互相无法兼容、系统灵活性低等问题，如果基于软件定义网络(Software-Defined Networking，SDN)思想，在不改变原有架构的基础上叠加一个统一的控制层来实现TDMA，再利用精准时间协议(Precise Time Protocol，PTP)和一些新技术实现微秒量级的定时精度，将大幅提高系统的通用性，促进多网融合。

2.3CSMA/TDMA结合技术

将CSMA和TDMA结合使用是另一种研究思路，这种方法是对实现复杂度和性能的折中考虑，比较适合节点数量不多的多跳网络。Sayadi等[27]提出了基于TDMA的单触发时隙预留(One shot Slot TDMA-based Reservation，OSTR)方案，该方案将时间帧分为2种子帧，一种是遵循CSMA/CA信道接入方案的CONTROL子帧，主要完成控制命令等数据量较少的短报文传输；另一种是按照固定调度的方式进行接入的DATA子帧，主要完成业务数据的传输。这种方案既利用TDMA实现了固定时隙分配，又利用CSMA实现了全网节点时隙的动态按需分配，增加了系统带宽，比较适合多跳传输的应用场景，但该算法并没有考虑业务的服务质量(Quality of Service,QoS)问题。文献[28]也利用确定性退避的方法结合TDMA固定时隙调度思想提出了一种不间断无冲突MAC自适应算法，在无需考虑流量类型和终端数量的情况下能保证无碰撞的数据传输。

3网络路由技术

网络路由技术是实现WiFi-Mesh无线自组网系统多跳、自组织特性的决定性技术，目前的路由协议主要有基于网络层设计的三层路由协议和基于链路层设计的二层路由协议2类。相比较三层路由协议，二层路由协议不需要在用户空间和内核空间频繁地进行数据读取、写入和交换，可极大地降低数据包处理开销，并实现对网络层的透明性，大大提高了协议的可扩展性[29]。其中最有代表性的二层路由协议是混合无线Mesh协议(Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP)[30]和最佳移动网络路由协议(Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking Advanced，BATMAN-adv)[31]路由协议。

3.1HWMP路由协议及其改进技术

HWMP协议是802.11s工作组专门为WiFi-Mesh网络开发制定的综合路由协议，该协议结合了反应式路由协议和基于树状拓扑的先验式路由协议的优点，能较好地适应无线Mesh网络。当前的改进思路主要是通过增加不同的路由判据来实现性能的优化：基于预留的HWMP(Reservation-based HWMP，R-HWMP)协议[32]通过在路由请求和转发包中引入RSpec和TSpec字段，提高了端到端的服务质量(QoS)；HWMP-ETX路由协议[33]、Q-HWMP[34]和HWMP+协议[35]分别通过引入期望传输数量(Expected Transmission count，ETX)、时延特性、链路质量和吞吐量等路由判据，降低了时延和丢包率；Eltahir等[36]将链路消亡时间(Link Expiration Time，LET)引入路由判据，利用LET决定链路的稳定性，提高了移动性适应能力。此外，能量有效的HWMP(energy-efficient HWMP，eHWMP)协议[37]通过将节点剩余能量作为路由判据，提高了能量有效性。上述改进协议能够在一定程度上提高QoS、时延、吞吐量、能量有效性等性能，但与传统的协议一样，它们都缺乏有效的拥塞控制策略，也没有充分考虑负载均衡的问题，当网络中有大量数据需传输时，将产生网络根节点流量过载的情况。

3.2BATMAN-adv路由协议及其改进技术

BATMAN-adv协议是一种新的引入了综合人工智能(collective intelligence)思想的路由协议。基本思路是通过整个网络的所有节点共同维护网络拓扑信息，来达到更好地对抗由于网络波动而引起的边界效应并补偿不稳定性的目的，非常适用于传输质量不稳定的WiFi-Mesh网络[38]。国外很多学者对这种路由算法的实用性进行了测试[39-41]，并与一些开源的路由协议进行了对比分析，证明该算法在丢包率、延迟、网络的吞吐量等方面具有很好的表现，与HWMP相比，具有更优的稳定性[42-43]。但这种路由协议还存在网络拓扑变化后，收敛速度慢的问题[44-45]，可以从以下几个方面进行改进：

1) 探测包(Originator Message，OGM)发送间隔优化。协议默认设置的OGM发送间隔是1 s，缩小发送间隔能够加快路径发现的时间，但是会降低2个终端的带宽。研究发现，当OGM发送间隔设置为0.2 s[46]时，能够取得收敛速度和带宽的平衡。

2) 滑动窗口机制优化。研究发现，当节点刚开始工作时，由于尚未收到任何本地邻居节点传来的OGM 报文，本节点记录的最新序列号尚未完成赋值初始化工作，因此当收到OGM报文时，计算收到的OGM报文与节点记录的最新序列号的差值将产生超出窗口范围的错误，从而引发滑动窗口复位，进入保护周期，丢弃OGM 报文，路由收敛速度降低。文献[47]在代码中增加了一个负责检查节点的本地邻居列表的开关，当本地邻居列表为空时，关闭窗口保护机制；当存在新的邻居时，再打开窗口保护，避免了源节点列表更新的延迟，提高了路由的收敛速度。

3) 链路传输质量(Transmit Quality，TQ)计算方式优化。通过改进本地TQ、传输TQ和全局TQ的计算方法[48-49]，可实现对路径变化的快速感知，从而达到快速切换、提升路由收敛速度的目的。

此外，改进信号强度、改进消息处理机制也可以对路由收敛速度进行优化。

4WiFi-Mesh系统关键技术展望

WiFi-Mesh系统性能的提升需要从物理层技术、MAC层技术和网络路由技术等多方面进行优化和改进。由上述分析可以看出：

1) MIMO和OFDM技术将得到更快发展。除了解决CSI的有效获取问题，为了进一步提升MIMO性能，在有效解决因收发天线数量增加所带来的收发机波束矩阵计算复杂度问题，以及因天线数量和移动用户终端节点增加所带来的能量消耗问题的前提下[50-51]，综合考虑更多天线带来的体积、重量增加问题，将贝尔实验室科学家Marzetta提出的大规模MIMO(Massive-MIMO)[52]技术引入系统具有很大的可行性。解决OFDM的PAPR问题需要考虑应用环境特点：针对能量有效性要求高而数据带宽要求相对低的军事战术通信场合，利用信号畸变技术降低PAPR具有较大的可行性和合理性；随着处理器运算能力的大幅度提升，运用联合类算法将是降低PAPR、保证系统性能的可靠手段。

2) CSMA和TDMA各有优势。在负载较小、传输距离较近、实时性要求不高的情况下，可通过优化CSMA满足WiFi-Mesh无线自组网系统的使用需求，并保证系统的通用性和可扩展性；在负载较多、传输距离较远、实时性要求高的场合，引入TDMA的性能优势更加明显，但要考虑实现的复杂度和同步精度问题；对于节点数不多的多跳网络，CSMA/TDMA的组合方式在一定程度上能够取得实现复杂度和系统性能的平衡。

3) 二层路由协议是未来系统应用的首选。从目前情况看，尽管HWMP是802.11s的标准路由协议，人们对其进行了广泛的研究，但其实际使用性能较弱、稳定性不高，距离实际部署及应用差距较大；而对于目前已发布2015.1 release版的开源BATMAN-adv协议，得益于其轻量化、跨平台的设计思想和基于统计方法的路由查找策略，在对收敛速度进行根本性优化的前提下，其发展空间更加广阔，是非常值得关注的一种实用路由协议。

5结 束 语

随着信息科技的不断进步，包括蜂窝通信系统、宽带无线接入系统在内的多种无线网络发展迅猛，上述关键技术性能的提高，将使基于802.11的WiFi-Mesh无线自组网系统继续得以长足发展。未来，通过引入新技术，还将使WiFi-Mesh无线自组网系统性能得到更大程度的提高。如，引入协作通信技术，通过为系统提供“用户合作分集”[53]实现无线资源(信道容量优化和频谱共享)的高效管理；引入认知无线电技术，通过使系统快速识别和调整可用频率而大幅度提升频谱利用效率；引入内容缓存技术[54-55]，通过动态缓存重要数据有效降低因链路异常中断，而导致消息丢失的概率；引入延时容忍网络(Delay Tolerant Network，DTN)技术[56]，通过某种存储感知路由协议对端到端的链路变化进行预估，也可实现波动链路状态下信息传输的鲁棒性。

需要说明的是，安全性技术也是WiFi-Mesh无线自组网系统的关键技术之一，限于篇幅和研究方向，本文对此并未涉及。

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(编辑：李江涛)

Comprehensive Study on Key Technologies of WiFi-Mesh Wireless Network

LIU Zuoxue，DAI Jianmei

(Department of Information Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractWiFi-Mesh wireless network is a collective name for a type of ad-hoc network systems based on 802.11 protocol and wireless routing protocol. With a layered approach, the paper makes analysis and discussion on the multi-antennal technology, multi-carrier technology, media-accessed control mechanism, routing algorithm and some other key technologies for the system and puts priority on the status quo, challenges and future development direction on information acquisition technology of channel state information (CSI) in multi-antennal condition, peak to average power ratio reducing technique in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), carrier sense multiple access/collision avoidance , improvement mechanism of time division multiple access (TDMA), hybrid wireless Mesh protocol and optimized mobile network routing protocol. In the end, the paper shows the outlook of the new technologies which may be used for WiFi-Mesh wireless ad-hoc network system.

Keywordschannel state information (CSI); peak to average power ratio (PAPR); carrier sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA); time division multiple access (TDMA); routing protocol

文献标志码A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.021

文章编号2095-3828(2016)02-0095-07

中图分类号TP393.0

作者简介刘作学(1962-)，男，教授，主要研究方向为军事无线通信技术。lzx626@sohu.com

收稿日期2015-12-08