基于無線Mesh網絡技術構建無線城市

孫俊杰，萬 鑫，鄢 妍，譚金平

（1.江西電力職業技術學院，江西 南昌 330032；2.江西科技師范學院，江西 南昌 330013；3.南昌大學共青學院，江西 南昌 332020）

0 引言

無論是在公園、馬路邊小憩，還是在旅途中，都可隨時打開筆記本式計算機或智能手機上網，無須外接無線上網卡，也不用繳納費用，這就是未來“無線城市”的場景，它采用WiMAX，WiFi等低成本無線接入技術，結合Skype等VoIP技術，來顛覆傳統的信息運營模式，形成對城市的無縫覆蓋，將政府公務、公共監控、應急聯動以及公眾上網等眾多民生類元素融為一體，實現網絡和應用的無處不在、無時不在，從而構建完善的信息化環境，提升城市的信息化競爭力。而在一個大中型城市搭建全覆蓋的無線網絡，是一項成本不菲的浩大工程[1]。

筆者主要討論Mesh網絡技術與無線局域網（WLAN）、無線個域網（WPAN）以及無線城域網（WMAN）等相結合，并提出一個無線城市覆蓋方案。

1 Mesh技術與IEEE 802.11結合發展

1.1 無線Mesh網絡的結構

無線Mesh網絡是一種與傳統的無線網絡完全不同的網絡[2]。傳統的無線接入技術中，主要采用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構中一般都存在一個中心節點，例如移動通信系統中的基站、IEEE 802.11無線局域網（WLAN）中的接入點（AP）等。中心節點與各個無線終端通過單跳無線鏈路相連，控制各無線終端對無線網絡的訪問。同時，又通過有線鏈路與有線骨干網相連，提供到骨干網的連接。而在無線Mesh網絡中，采用網狀Mesh拓撲結構，是一種多點到多點網絡拓撲結構。在這種Mesh網絡結構中，各網絡節點通過相鄰其他網絡節點，以無線多跳方式相連。

在WMN（無線Mesh網絡）中包括兩種類型的節點：無線Mesh路由器和無線Mesh用戶端。WMN的系統結構根據節點功能的不同分為3類：骨干網Mesh結構、客戶端Mesh結構和混合結構。

1.2 IEEE 802系列中Mesh相關標準及發展

目前，無線Mesh網絡技術正在世界范圍內得到越來越多的應用，而技術標準化是大規模應用所必需的重要環節。目前，無線Mesh網絡標準散見于IEEE 802.11s和IEEE 802.16等標準草案中。

1.2.1 IEEE 802.11s Mesh標準

IEEE 802.11在大規模應用時的一個難點是系統覆蓋能力有限，WLAN受發射功率的限制，覆蓋范圍一般在100 m內。為了擴大網絡覆蓋范圍，通常通過增加AP來實現，但增加了公眾網的建設成本。無線Mesh網絡作為一種新的組網技術為解決上述問題提供了新的途徑。

IEEE 802.11s提出了無線Mesh網絡的參考體系結構[3]，如圖1所示。Mesh媒體接入協調功能組件（MMACFC）位于物理層之上、Mesh路由組件之下，負責有效的競爭接入和WMN中多跳節點間數據包發送接收的調度。當安全的Mesh鏈路建立以后，Mesh節點需要與其他Mesh節點協調以解決競爭和共享無線媒體的問題，以保證該節點本身及其他節點的數據包通過多跳的WMN有效轉發。

1.2.2 IEEE 802.16 Mesh網絡標準

IEEE 802.16標準定義了無線城域網空中接口規范，為無線城域網（WMAN）提供“最后一公里”接入，是一種點對多點技術。鑒于無線Mesh網技術的不斷發展，IEEE 802.16標準工作組將Mesh結構納入最近推出的IEEE 802.16d/e標準中。無線Mesh網絡是對IEEE 802.16標準中的點到多點（P2MP）網絡結構的補充。網絡中的每個節點都與周圍鄰居節點形成多條鏈路，并且可以選擇其中的一條鏈路，用來傳輸來自本節點或其他節點的信息。這樣，連接斷開的可能性要遠低于P2MP模式。同時，隨著節點數的增加，IEEE 802.16 Mesh網絡的健壯性加強，覆蓋范圍擴大。WiMAX與WMN的結合示意圖如圖2所示。

2 無線城市覆蓋方案原理與設計

2.1 覆蓋方案介紹

Mesh網絡技術與無線局域網（WLAN）、無線城域網（WMAN）等相結合[4]，實現了無線城市覆蓋方案。結合上文提到的Mesh技術在IEEE 802.11，IEEE 802.16標準中的發展，采用混合結構的組網模式，實現無線城域覆蓋，結構如圖3所示。

圖3中，WiMAX網絡用于覆蓋一個較廣的區域，在這個網絡內部，WMN將WiMAX與WiFi結合起來的，形成一個互補的無線網絡系統，改善無線網絡的性能，提高網絡的覆蓋范圍，其結構如圖4所示。

圖4中提到的多跳WLAN網絡是IEEE 802.11s草案定義的一種如圖5所示的Ad Hoc方式多跳WLAN網狀網，該網絡主要由3種節點構成，即Mesh節點（MP）、Mesh接入點（MAP）和傳統WLAN站點。該網絡每個MP和MAP都是平等的，網絡中沒有中心控制節點，這是與樹形網狀網的最大不同。節點之間形成無線的P2P網絡，無需任何網絡基礎設施來支持[5]。

使用IEEE 802.15.4 Mesh網絡組成智能家居和城市小區環境監控的網絡，采用客戶端Mesh結構，每個節點與其他節點之間關系都對等。這樣的組網模式具有低功耗、低成本、低速率特性，使其在無線城市的眾多領域都可以應用。

圖5 IEEE 802.11s草案的Ad Hoc方式多跳WLAN網絡拓撲圖

2.2 方案主要技術細節

在整個城市范圍內，用戶使用的WiFi筆記本式計算機、PDA、手機等終端設備都不需要再安裝新的硬件或軟件，就可以接入WMN，所以主要采用WiFi網絡作為接入網，如圖6所示。

在本文覆蓋方案中，基礎設施骨干網采用Mesh結構，由Mesh路由器組成的可以自配置、自愈的鏈路來充當，通過Mesh路由器的網關功能與城市核心網相連，為WiFi覆蓋節點提供接入服務。

WiFi節點設備可以直接通過Mesh路由器接入上層Mesh結構的網絡中，實現網絡節點的互聯互通。在一些不適合設置Mesh路由器的區域，也可以采用WiMAX網絡覆蓋，在這個區域內，WiMAX網絡以點到多點的方式連接多個Mesh路由器，Mesh路由器為WiFi節點提供接入服務，WiMAX網絡作為城域網中骨干網的一個客戶節點，接入到城域Mesh骨干網當中。這樣，通過網關節點，任何終端都可與其他網絡連接，從而實現無線寬帶接入，不僅降低了系統建設的成本，也提高了網絡的覆蓋率和可靠性。該網絡結構能夠兼容市場上現有的設備，但任意兩個終端節點間不具備直接通信的功能[6]。

2.2.1 WiFi+wireless Mesh與WiMAX結合的覆蓋方案

WiFi+wireless Mesh技術在組網方式、傳輸距離以及移動性上都有很大的改進，能夠在某一城市地區或大型園區的范圍內實現WiFi的輕松擴展與延伸。將多個接入點通過無線方式連接在一起，無須布線，就可形成一個無線網絡或“熱區”，從而在室內和室外提供非常寬廣的無線覆蓋。

此外，WMN網絡的接入點可以安裝在街道燈柱、大樓側墻或任何能夠提供電源的位置上，這使它的安裝部署具有極大的靈活性。而且，由于WiFi+wireless Mesh技術采用了與WiFi相同的IEEE 802.11s標準，所有原來設置用于WiFi的筆記本式計算機、PDA、手機等終端設備都不用再安裝新的硬件或軟件，就可以接入WMN，這一點也從終端方面為WMN的推廣掃除了障礙。

通過在城市范圍內的街道燈柱和其他交通控制裝置等位置上安裝多個WiFi傳感器，視地形和建筑物情況，每平方公里需要8～16個WiFi傳感器，而在公園、學校、火車站等人員密集且人員流動比較大的公共場所，可以根據實際情況采用覆蓋面積更大，支持移動性更好的WiMAX網絡，再就是市郊的旅游休閑場所，由于離市區有一定的距離，這個時候使用WiMAX網絡比較合適。WiMAX網絡作為骨干網中的終端節點接入Mesh骨干網路由器，骨干網路由器為其提供接入城市核心網服務。這里要指出，覆蓋方案中大部分用戶終端設備都是采用WiFi接入點，WiFi通過天線Mesh方式連接在一起，就形成一個“無線城市”，從而為全市范圍的用戶提供寬帶互聯網服務以及一些其他公共服務。一旦建成，將可以使所有用于WiFi的筆記本式計算機、PDA、手機等終端設備接入到“無線城市”。

2.2.2 無線城市組網的其他方案

2004年底，中國臺灣臺北市正式宣布推出“無線臺北”計劃，并于2005年5月啟動了“無線移動城市”項目，在臺北市內部署WiFi網絡，采用了WiFi+wireless Mesh組網方式。根據計劃，“無線臺北”將分3階段建設。首先，2004底前安源信息在30個捷運車站及周邊商圈半徑150 m實現無線上網。到2005年中，約涵蓋全臺北50%的人口，年底擴大為90%?！盁o線臺北”計劃將無線局域網絡技術運用于公眾網絡，用戶使用內嵌WLAN的筆記本式計算機或PDA，即可連接到WLAN的接入點上，傳輸速率由11～54 Mbit/s。市政公共設施（13萬盞路燈、1 792座紅綠燈以及842個公交車站）將作為無線網絡的信號發射器。截至2006年10月，臺北市已經完成全市WLAN無線網絡建設，有10 000個無線接入點投入運行，覆蓋臺北市95%以上的人口[7]。

與“無線臺北”計劃相比，本文提出的覆蓋方案引入了WiMAX Mesh網絡作為一些特定領域的應用，比單純使用WiFi無線城市的覆蓋方案，增強了連接性，擴大了覆蓋范圍，在支持終端的移動性方面有所提升。

2.3 方案應用前景分析

整個無線城域覆蓋方案采用固定WiMAX+wireless Mesh以及移動WiMAX組建城域網方式，WiMAX技術的不斷升溫及其技術在覆蓋范圍、帶寬容量和傳輸速度上的性能優勢，無線城市的無線寬帶網絡可以提供的業務主要體現在政府、企業和公眾服務3個領域。

對政府來說，遍布城市的無線寬帶網絡可以為市政府、公共安全部門、交通等城市職能部門提供電子政務、公共安全、智能交通、搶險救災、教育、醫療、社區服務等寬帶網絡接入服務，從而高效快捷地為市民服務。在重大突發事件的快速反應和處理能力方面，以及在特殊需求方面，無線寬帶網絡更能體現不可替代的優勢。

對企業來說，無線寬帶網絡能夠提供給企業高效、低成本、便利的移動商務解決方案，推動企業信息化與電子商務，全方位提高企業形象。另外，在WMN中增加或調整AP也比有線AP更容易，配置更靈活，安裝和使用成本更低。對于那些需要經常移動接入點的企業，無線Mesh技術的多跳結構和配置靈活將非常有利于網絡拓撲結構的調整和升級。

對于公眾，無線寬帶網絡的應用為人們之間的溝通提供多元化的渠道和方式，人們可以在家里、娛樂場所、酒店、機場、綠地、會議中心等地，隨時隨地享受無處不在的網絡接入服務，真正實現數字化生活。

另外，無線寬帶網絡還能提供無線定位服務等。隨著無線城市的建設和運營，無線寬帶網絡在商務、旅游、家庭、學校和醫院等領域都具有廣闊的應用前景[7]。

[1]胡海波.Wirelessmesh技術在無線城市中的應用[J].世界電信，2007（2）：56-60.

[2]田輝，陶小峰.IP化基站無線Mesh組網構架[J].中興通訊技術，2008（4）：16-20.

[3]陳琳琳，劉乃安.無線Mesh網絡與IEEE802系列標準[J].中興通訊技術，2008（2）：8-11.

[4]張萬奎，張春業.短距離無線通信技術及其融合發展研究[J].電測與儀表，2007（10）：48-52.

[5]酈亮.IEEE802.15.4標準及其應用[J].電子設計應用，2003（Z1）：14-16.

[6]方旭明，戚彩霞，向征.IEEE 802系列無線網絡網狀組網與移動切換技術綜述[J].計算機應用，2006（8）：1756-1761.

[7]陸建華.無錫地鐵數字電視覆蓋規劃初探[J].電視技術，2009，33（9）：4-5.