基于卫星及无线Mesh网的组网技术研究与应用

付荣国++肖飞+郑黄海+张耀

摘 要： 针对地震现场应急通信网络时间突发性、地点不确定性、业务紧急性和信息多样性等特点，提出一种基于卫星及无线Mesh网的组网方法。首先，对无线Mesh网概念及其特点、组网模式进行阐述；其次，对无线Mesh网组网的关键技术进行详细探讨；结合卫星通信技术特点，对基于卫星及无线Mesh网的组网方法进行详细设计并实现。该组网方法是一種搭建现场应急通信网络平台行之有效的方法。

关键词： 卫星通信； 无线Mesh网； 组网技术； 应急通信

中图分类号： TN915?34； TN927 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）11?0021?04

Research and application of networking technology

based on satellite and wireless Mesh network

FU Rongguo， XIAO Fei， ZHENG Huanghai， ZHANG Yao

（Emergency Rescue Center， Earthquake Administration of Jiangsu Province， Nanjing 210014， China）

Abstract： Aiming at the characteristics of time suddenness， location uncertainty， business urgency and information diversity of the emergency communication network at earthquake site， a networking method based on satellite and wireless Mesh network is put forward. The concept， characteristics and networking mode of wireless Mesh network are described. The key technologies of wireless Mesh network are discussed in detail. The characteristics of satellite communication technology are combined to design and implement the networking method based on satellite and wireless Mesh network in detail. The networking method is an effective one of the site comnunication network platform.

Keywords： satellite communication； wireless Mesh network； networking technology； emergency communication

0 引 言

我国是一个地震灾害非常严重的国家，具有地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广等特点[1]，特别是近年来汶川8.0级、玉树7.1级、雅安7.0级等强烈地震相继发生，并产生了巨大影响。这些强烈地震往往会对通信基础设施造成破坏，甚至损毁，使受灾地区对外通信中断，受灾地区成为完完全全的信息孤岛[2]，给救灾组织、指挥调度、人员搜救、自救和次生灾害预防等工作造成重大困难。因此，在地震现场需要利用各种通信资源快速有效地建立一种覆盖面积大的暂时性应急通信网络来实现实时的灾情信息传递及上报[2?3]，为救灾组织、辅助决策、指挥调度等提供有力保障，以最大限度降低灾难损失和维护社会稳定。本文针对震后应急救援、信息传输等通信需求，提出一种基于卫星及无线Mesh网的现场组网方法，从而可以在震后复杂的现场环境下第一时间内快速投放组网，并大面积覆盖，实现现场震情、灾情信息采集的实时传输，为现场指挥部和后方指挥部应急救援指挥提供重要支持。

1 无线Mesh网

无线Mesh网也称无线网状网（简称WMN），是基于自组织网络（Ad Hoc网）开发的无线多跳网络技术。无线Mesh网络处理消息的方式是把信息包从一个节点传递到另一个节点，直到信息包到达目的地。每个WMN的节点既可作为接入终端，也可具有路由和信息转发功能。WMN运行方式像因特网，并提供从源头到目的地的多条冗余通信路径，即一条路径由于硬件故障或干扰停止工作，WMN会自动改变信息包路由，使数据通过一条替代路径进行传递。

1.1 网络特点

WMN主要由包括一组呈网状分布的无线路由（Access Point，AP）构成，AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统WLAN中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”，WMN具有以下特点：

（1） 自配置。WMN中AP具备自动配置和集中治理能力，简化了网络的治理维护。

（2） 自愈合。WMN中AP具备自动发现和动态路由连接，消除单点故障对业务的影响，提供冗余路径。

（3） 高带宽。将传统WLAN的“热点”覆盖扩展为更大范围的“热区”覆盖，消除原有的WLAN随距离增加而导致带宽下降。另外，采用Mesh结构的系统，信号能够避开障碍物的干扰，使信号传送畅通无阻，消除盲区。

（4） 高利用率。高利用率是WMN的另一个技术优势。在单跳网络中，一个固定的AP被多个设备共享使用，随着网络设备的增多，AP的通信网络可用率会大大下降。而在WMN中每个节点都是AP，一旦某个AP可用率下降，数据会自动重新选择一个AP完成传输。

（5） 兼容性。Mesh采用标准的802.11b/g制式，可广泛地兼容无线客户终端。

（6） 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，从而大大拓展网络覆盖范围，并可根据需求快速布置接入点，实现广域覆盖。

1.2 组网方式

WMN的系统结构根据组网方式的不同分为三类[4?6]：骨干网Mesh结构、终端Mesh结构和混合结构。

1.2.1 骨干网Mesh结构

骨干网Mesh结构又叫分级结构，该结构是在接入点（AP）或基站（BS）与终端用户之间形成无线回路。移动终端通过Mesh路由器的路由选择和中继功能与AP/BS形成无线链路，AP/BS通过路由选择及管理控制等功能为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径，从而形成无线的回路。同时移动终端还可通过AP/BS与其他网络互联，实现无线宽带接入。该结构能有效降低系统成本，提高网络覆盖率和可靠性，但容易造成单点负载过重，网络性能下降。

1.2.2 终端Mesh结构

终端Mesh结构是由终端用户自身配置无线收发装置，通过无线信道的连接形成一个点到点的网络。这是一种任意网格的拓扑结构，节点可任意移动，网络拓扑也随之变化。在这种环境中， 由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。该结构任一时刻终端设备不需其他基础设施，可独立运行。终端用户模式事实上就是一个移动Ad Hoc网络，它可以在现有网络基础设施没有或不便利用的情况下提供一种通信支撑环境，缺点是网络吞吐量较低，网络规模较小。

1.2.3 混合结构

混合网络结构不仅有骨干网的形式而且还能使终端Mesh化，也就是说它混合了骨干网和终端网结构，具有骨干网和终端网的优势。Mesh终端通过Mesh路由接入骨干Mesh网，实现与因特网，WLAN，WiMax，蜂窝和传感器网络等的互联；同时，终端既与骨干网络相连，又可与其他终端用户直接通信，并作为中间路由转发其他节点的数据，从而增强网络的覆盖范围。

2 无线Mesh网组网关键技术

无线Mesh网由于其具有无线传输、开放式等特性，导致信号易被干扰、链路易拥塞、安全性较差，因此，必须采用有效的组网技术避免网络内部信道相互干扰，降低路由算法的复杂度，提高网络安全。目前对WMN组网技术的研究主要包括三个方面：MAC（Media Access Control）协议、路由协议及安全机制。

2.1 MAC协议

为适应无线业务应用需求，WMN需要更复杂、高效的MAC协议，因此MAC协议成为WMN的一个研究热点[7]。MAC协议主要提供无线信道资源分配与管理，要实现WMN多跳节点间对资源的协商，WMN的MAC层可采用单信道或多信道方式，对应的MAC协议也可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。

单信道MAC协议没有专门的控制信道，采用信令和数据混合发送的策略。在WMN中通常可采用三种不同的方式设计单信道MAC协议，即修改已有的MAC协议、跨层设计和完全创新的MAC协议。单信道MAC协议基本采用竞争方式或者TD方式，相对比较成熟，但对大规模节点的网络来说效率低下，难以消除隐藏终端/暴露终端问题，且会限制网络吞吐量，难以提供服务质量保证，因此目前对WMN研究倾向于采用多信道MAC协议。

多信道MAC协议采用多个非叠加的信道，将单个冲突域变为多个冲突域，从而提高整个网络吞吐量。现有的多信道MAC协议按不同的信道资源分配方式可分为以下几类：静态信道分配、动态信道分配、集中式信道分配和分布式信道分配。

相对于单信道，多信道MAC协议虽使得网络吞吐量提高，但又带来了信道利用率下降的问题[8]。因此，多信道MAC协议的设计应该遵循节点同步、节点信道利用率高和高带宽、低时延的基本要求。对于多信道的MAC 协议，它应该不仅仅提供信道资源的协商和分配，同时也要研究如何避免多信道的使用带来的其他问题。事实上，WMN中多信道MAC协议设计主要以网络的成本与性能来衡量。

2.2 路由协议

虽然WMN基于Ad Hoc网，且Ad Hoc网路由协议已比较成熟，但WMN作为多跳无线网络，其网络结构更复杂，实际应用更多元化，所以其路由协议具有自身特点[7]：

（1） 适应网络拓扑变化。WMN网络拓扑结构容易变化，WMN路由协议需要根据拓扑结构变化及时更新，以保证链路出现故障时能快速找到新路由，恢复网络连通性。

（2） 低时延少开销。WMN网络多跳和无线信道资源有限，故WMN路由协议的路由开销应尽量少，占据较少系统带宽，其带宽和时延控制要能支持实时数据流业务传输。

（3） 算法复杂度低。WMN路由协议算法的计算复杂度要低，满足网络快速收敛要求。

相比于传统的Ad Hoc网路由协议，WMN由于Mesh路由没有能耗限制，且移动性较小，因此WMN路由协议的设计目标主要是提高网络的吞吐量。另外，WMN的路由选择还需考虑链路质量状况，以实现网络负载均衡[9]。现有的WMN路由协议在路由选择上应综合参考多个网络性能指标，如跳数、往返时延RTT （Round?Trip Time，RTT）、吞吐量、鏈路状态等。

目前对WMN路由协议的研究十分活跃，常用的WMN路由协议主要分为表驱动路由协议和按需路由协议。

表驱动路由协议要求网络中每个节点保存和维护到其他节点的所有路由信息，典型的有DSDV （Destination?Sequenced Distance Vector） ，特点是在Bellman?Ford 路由算法基础上引入新的目的节点序列号以避免环路路由，但当网络规模大时，路由表很大，容易导致网络冲突，故总体效率不高。

按需路由协议的特点在于节点只有在发起数据业务请求时路由才寻址到目的节点，典型的有DSR（Dynamic Source Routing）和AODV（Ad Hoc On?Demand Distance Vector）。按需路由协议的缺点在于路由的发现过程在无线多跳环境下有相对较大的延迟和带宽占用。

2.3 安全机制

WMN依靠无线传输，因此面临着和其他无线网络一样的安全问题：首先，无线信道易被窃听和干扰；其次，节点和终端设备易丢失，造成信息泄露，甚至网络瘫痪；第三，其分布式结构导致没有中心授权机构负责密钥管理及分发。目前，WMN主要采用的安全技术有身份认证、加密算法、入侵检测等[10]。

2.3.1 节点身份认证

由于WMN用户终端是分布动态变化的，因此对新加入的设备需进行认证，节点身份认证最常用的是分布式和集中式两种模式。分布式采用数字证书或预分配共享密钥模式（PSK），但要注意的是PSK模式无法提供源身份的识别；集中式采用AAA认证服务器，身份通过后才能参与后面的密钥协商、密钥交换、路由更新等。

2.3.2 加密算法

目前应用最广泛的加密协议有3种：有线对等保密（Wired Equivalent Privacy，WEP）、无线保护访问（WiFi Protected Access，WPA）及WPA2加密协议。WEP密钥长度最初为64位，后来扩展到128位；WPA是引入了一个新的增强型的WEP协议（暫态密钥完整性协议，Temporal Key Integrity Protocol，TKIP），同时引入了每包密钥（Per?Packet Key）概念，因此每个数据包都被授予属于它自己的密钥；WPA2是基于WPA的一种新的加密方式，用一种称为高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法取代了WPA中算法，所以安全性更高。

2.3.3 入侵检测

WMN采用无线开放链路，且节点没有物理保护易被偷窃、捕获，因此网络很容易被入侵，同时还需防范内部入侵。目前入侵检测方法使用较多的有三种：

（1） 独立入侵检测：每个节点自己运行检测程序，独立对事件进行反应。

（2） 分布合作式入侵检测：部分节点运行入侵检测程序，通过互相协作实现入侵检测，并对事件进行反应。

（3） 层次式入侵检测：由一个主控节点对子节点进行控制，由主控节点负责分析和反应。

3 基于卫星及WMN的现场组网方法

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信，实际上是微波接力通信的一种特殊形式[11]。卫星通信具有通信距离远、覆盖范围广且无缝隙覆盖、通信容量大、抗毁能力强、机动能力好、建立通信链路快、容易部署等优势，缺点是传输时延大，资源稀缺，存在盲区，容量有限，易受天气等因素干扰，且使用成本很高。卫星通信既可用于平常的地面固定线路传输备份线路，又能够在紧急情况下快速建立广域网通信链路，非常适合地震等突发事件紧急情况下对应急通信广度的需求。

将卫星通信与无线Mesh网的优点有效结合，组建基于卫星及无线Mesh网的地震应急现场通信网络，既可利用卫星通信的特点扩大网络的通信范围，又可利用WMN结构灵活、健壮性好、自愈能力强、部署快、易安装、成本低等优点，提高地震现场应急通信网络的组网能力和扩展性。

3.1 组网步骤

（1） 利用文献[1]的研究成果组建基于基础设施骨干网结构的无线Mesh网，具体方法如下：首先，将一定数量Mesh路由器互联组成骨干网；其次，各Mesh路由器在其网络覆盖范围内连接无线路由器（WR）；再次，笔记本计算机、智能手机、平板电脑、PDA等移动终端与区域内的WR互联，最终Mesh路由器、无线路由器（WR）和各移动终端组成多跳的Mesh网络。

（2） 无线Mesh网通过网关接入卫星通信车的通信系统，具体连接方式为：无线Mesh骨干网与车载Mesh网关节点互联，车载Mesh网关节点再与卫星通信车现有通信系统的交换机互联，实现无线Mesh网与应急通信车的通信。

（3） 利用卫星通信车上的卫星通信终端通过卫星通信线路实现与后方地面固定通信基站的互联，最终实现无线Mesh网与后方指挥中心通信系统的互联互通。详细网络连接如图1所示。

3.2 主要设备及技术

（1） 卫星通信系统采用江苏省地震局现有的Ku波段的亚洲四号同步卫星通信系统，包括VSAT地面固定站、车载VSAT通信终端、卫星通信机、上变频信号放大器、下变频信号放大器及卫星天线系统等。

（2） Mesh网关选用具有将网关和接入控制（Access Controller，AC）功能集一体的多业务无线控制器，实现将Mesh骨干网接入应急通信车系统和对Mesh路由、无线路由器（WR）及终端用户的接入控制和管理。

（3） 无线Mesh骨干网中的Mesh路由选用同时具备三个射频（如一个射频为2.4 GHz，一个射频为5 GHz，另一个射频可根据终端情况在2.4 GHz/5 GHz间可调）功能的无线AP，一个射频负责与Mesh网关节点互联，一个射频负责接入Mesh骨干网，另一个可调射频负责骨干网下层网络接入。

（4） 无线路由器（WR）与Mesh路由器互联采用无线分布式系统（Wireless Distribution System，WDS）方式，从而利用WDS同时提供无线信号覆盖和无线桥接两种功能实现无线网络的扩展和网络覆盖的延伸。

3.3 网络特点

使用该组网方案组建的网络具有IP骨干网、无线Mesh骨干网和无线Mesh客户网三层分级结构，具有如下特点：

（1） 分级结构和Mesh网络的使用使得网络易部署和扩展，同时可减少参与网络自组织和动态路由的节点数量，降低组网开销。

（2） 利用卫星通信车已有的集群通信系统、WiMAX无线网络、WiFi无线网桥等无线通信方式，实现与现场其他通信系统的互联和协同工作。

（3） 利用卫星通信车的车载卫星通信系统与后方应急指挥中心卫星通信，实现现场与后方的音视频互联互通，该车载卫星通信系统具有体积小、重量轻、可靠性高、操作简便等特点。

（4） 无线Mesh骨干网中的Mesh路由使用多射频技术，有一个自动可调射频，使得Mesh骨干网下层的无线路由器（WR）不需要在同一信道，能够有效防止Mesh骨干网下层网络设备间的相互干扰。

4 结 语

通过对卫星通信、无线Mesh网及其组网技术的研究，提出一种基于卫星及无线Mesh网的现场组网方法，该方法具有组网快速、部署灵活、容易扩展、网络覆盖范围大、通信距离广、网络终端移动性好、抗毁性强等特点，是一种搭建现场应急通信网络平台行之有效的方法，但还有一些问题需要进一步研究解决：

（1） Mesh路由与WR互联采用WDS方式，基本解决了信号覆盖和传输，但WDS是单信道MAC协议，会限制网络吞吐量，难以提供服务质量保证，需要在今后加强研究，如采用多信道MAC协议。

（2） 当Mesh网规模变大时，相互间容易影响，降低网络传输性能，甚至拥塞，需要在今后对网络划分和路由协议选择进行研究分析和测试，如网络规模较大时，可将网络分簇[12]，簇头协调簇内节点信道分配和代表簇内节点参与路由计算，简化信道分配和路由算法，从而改善网络传输性能并方便管理。

（3） 虽然使用无线控制器作为网关能够实现接入控制和管理，但无线Mesh网络使用无线电波传输，容易遭受如路由攻击、非授权访问攻击、窃听等，因此，在实际中如何既能保证链路传输的安全性，又不影响网络的传输性能及组网的灵活便捷，需要进行研究。

参考文献

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