無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵技術(shù)的研究

李琦沁，何一心

（1.長沙理工大學(xué)計算機(jī)與通信工程學(xué)院，湖南長沙 410114；2.長沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410015）

上世紀(jì)八十年代，隨著無線用戶數(shù)量越來越多，采用空間資源復(fù)用技術(shù)的蜂窩移動通信系統(tǒng)逐步發(fā)展起來。但從投資利益角度出發(fā)，其只適用于人口稠密、用戶業(yè)務(wù)需求恒定的地區(qū)，而對于用戶移動性較大、不適合建立大功率基站的地區(qū)而言，蜂窩移動通信系統(tǒng)并不適用，因此當(dāng)時多用于軍事通信的移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注。但由于移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境及技術(shù)成本等原因，其并不適合直接應(yīng)用到民用通信領(lǐng)域內(nèi)。于是以移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，完全適用于民用通信的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network，WMN）應(yīng)運而生。由于具有較高的可靠性、較大的伸縮性和較低的投資成本，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)被視為解決無線接入“最后一公里”瓶頸問題的新方案之一。

針對這一新型的高容量、高速率的無線多跳網(wǎng)絡(luò)，本文對其在分級編碼、智能天線、多址接入和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴年P(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的分級編碼技術(shù)

在通信網(wǎng)絡(luò)中，最大的民用通信業(yè)務(wù)來自于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)，而隨著社會的進(jìn)步和人民生活水平的提高，多媒體業(yè)務(wù)在因特網(wǎng)業(yè)務(wù)中占的比重越來越大。目前，網(wǎng)絡(luò)上對多媒體信息進(jìn)行傳輸?shù)姆绞街饕邢螺d和流媒體兩種，而流媒體傳輸以其獨有的便利性，越來越受到廣大民眾的青睞。但由于在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，客戶節(jié)點可移動，通信環(huán)境復(fù)雜。因此，如何提供高質(zhì)量的流媒體業(yè)務(wù)，已成為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)一個至關(guān)重要的課題。針對這一日益突出的問題，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)采取了分級編碼的方式。

分級編碼，即根據(jù)傳輸文件的特質(zhì)（幅度分辨率、空間分辨率、時間分辨率或頻率分辨率）將其分解為多個層，其中第一層（也稱為基本層）為基本滿足人類視覺特性的低質(zhì)量版本，其它層（也稱為增強(qiáng)層）為相對上一個層的精進(jìn)部分。因此，在傳輸過程中，系統(tǒng)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對高層次的數(shù)據(jù)包進(jìn)行適當(dāng)?shù)膩G包，從而較好地適應(yīng)無線信道，為接收者提供流媒體服務(wù)。但是如若基本層劃分過大，在網(wǎng)絡(luò)狀況較壞的情況下，基本層也有可能無法成功傳輸?shù)浇邮斩耍挥谜勂渌邔印Ｒ虼耍话慊緦釉谌祟愐曈X特性可接受范圍下，應(yīng)盡量劃小。值得一提的是，分級編碼是解決組播狀況下，接收端異類性的一個很好的途徑。

除了根據(jù)單一特質(zhì)對傳輸文件進(jìn)行分解外，分級編碼也可以將特質(zhì)組合起來進(jìn)行分層。如，在將傳輸文件根據(jù)空間分辨率分為多層后，可再在每層根據(jù)幅度分辨率進(jìn)行更進(jìn)一步的細(xì)分，從而將傳輸文件分為更細(xì)的粒度。而粒度越細(xì)，傳輸文件則可以更好的被截斷和更高質(zhì)的重建。

除了根據(jù)以上四種特質(zhì)對文件進(jìn)行分級編碼外，國內(nèi)外學(xué)者還提出了基于小波變換的分級編碼[1]、基于運動矢量的分級編碼[2]，等等。MPEG-4提出的基于物體的時間分級編碼，可根據(jù)需求對圖像中的某部分進(jìn)行高于其它部分的單獨解壓，在以常用特質(zhì)進(jìn)行分解的情況下引入了面向?qū)ο蟮母拍睿沟昧髅襟w能更好的滿足接受者的需要，是很值得研究的一個方向。如何在MPEG-21這類新標(biāo)準(zhǔn)下，進(jìn)行更高效的編碼，也將是近期的一個研究熱點。

2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的智能天線技術(shù)

由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都必須能與它相連的各個方向上的節(jié)點保持通信，因此天線的使用成了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中一個很重要的問題。如若采用全向天線，則路徑間干擾較大，且頻譜利用率低，網(wǎng)絡(luò)容量小。若采用簡單的定向天線，雖可降低發(fā)射功率，減小干擾，提高頻譜利用率，但每個節(jié)點都要安裝多個定向天線和射頻單元，且任意兩點間都需精確對準(zhǔn)，應(yīng)對像無線Mesh網(wǎng)絡(luò)這類節(jié)點可移動的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議制定起來會比較繁瑣。因此，美國的SkyPilot公司將智能天線技術(shù)引入到了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中。

智能天線具有n個相位受控的天線振子，可向n個不同方向進(jìn)行低功率定向發(fā)射，能使得到達(dá)接收節(jié)點的信號增益最強(qiáng)，而其它節(jié)點信號增益最小，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的密集覆蓋，提升系統(tǒng)容量。此外，智能天線在軟件控制下，能根據(jù)實際情況，調(diào)整傳輸方向。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，通過自動調(diào)整，即可重建節(jié)點之間的聯(lián)系。同時，在低頻微波環(huán)境下，智能天線還可有效地增強(qiáng)系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落和多徑衰落的能力。

但如同其它無線網(wǎng)絡(luò)一樣，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)也不可避免的存在隱藏終端和暴露終端的問題。隱藏終端，是指兩節(jié)點由于無法通過載波偵聽到對方正在向同一節(jié)點發(fā)送信息，而使得信息在接收節(jié)點處發(fā)生碰撞的問題。而暴露終端，是指一節(jié)點通過載波偵聽發(fā)現(xiàn)在它通信范圍內(nèi)已有節(jié)點正在通信，從而延遲傳輸，可實際上，該通信的接收端在它的通信范圍之外，兩者間并不會產(chǎn)生沖突，因此造成了不必要的傳輸延時。同時，如若要與一節(jié)點進(jìn)行通信，則必須準(zhǔn)確對它進(jìn)行跟蹤、定位，而由于“耳聾”的問題，該節(jié)點可能已在一個方向上進(jìn)行偵聽或數(shù)據(jù)接收，而因此無法與其它節(jié)點建立連接。這些都是智能天線需要解決的問題。

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)中的請求發(fā)送/允許發(fā)送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）協(xié)議在一定程度上解決了這些問題，但并不完善，因此國內(nèi)外學(xué)者以此為基礎(chǔ)，展開了大量的研究。文獻(xiàn)[3]提出的Smart-802．11b協(xié)議，應(yīng)用了接收方向算法和缺陷技術(shù)，用發(fā)送指示和接收指示代替RTS/CTS，使接收節(jié)點可通過檢測接收信號強(qiáng)度來估計發(fā)送者的方向。文獻(xiàn)[4]提出的同時沖突解決（synchronouscollision resolution，SCR）協(xié)議，在不要求所有節(jié)點的天線技術(shù)統(tǒng)一化的情況下，渠道化智能天線的傳輸路徑，來最大限度的開發(fā)智能天線的作用，提高系統(tǒng)容量。文獻(xiàn)[5]采用跨層設(shè)計思想，提出了一種非輔助定向鄰居發(fā)現(xiàn)算法，在不依賴全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、時間同步系統(tǒng)等措施的情況下，充分利用智能天線的優(yōu)勢，來發(fā)現(xiàn)那些只有通過定向收發(fā)才能到達(dá)的鄰節(jié)點。

3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的多址技術(shù)

多址技術(shù)一直是無線通信最關(guān)注的話題之一，如何最大限度的利用頻段獲得最高的系統(tǒng)容量，如何有效地切割通信資源給各個用戶，如何在保證用戶通信質(zhì)量的同時盡可能地降低系統(tǒng)復(fù)雜度等，一直是多址技術(shù)所需解決的問題。

基于智能天線的應(yīng)用，多入多出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技術(shù)被引入到無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中。MIMO技術(shù)首先在發(fā)送端對信息進(jìn)行空時編碼，然后通過串/并轉(zhuǎn)換將信息變?yōu)閚個數(shù)據(jù)流，分別送入n個天線中傳輸?shù)浇邮斩耍詈笤诮邮斩瞬捎米畲笏迫粰z測法則，對信號進(jìn)行合并接收。該技術(shù)不僅有效地利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播，同時在不增加所占用信號帶寬的前提下，成倍地改善了無線通信的性能，提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）。

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一種多載波傳輸技術(shù)，它根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，動態(tài)地將高速率的數(shù)據(jù)流進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，并分配到若干傳輸速率相對較低的正交子信道中進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，從而增大了符號周期，減小了多徑時延擴(kuò)展所帶來的時間彌散的影響。由于在符號間插入了大于信道最大時延擴(kuò)展的保護(hù)間隔，從而減小了符號間干擾。且由于采用循環(huán)前綴來作為保護(hù)間隔，因此也避免了信道間干擾。

而Iospan Wireless公司開發(fā)的MIMO-OFDM技術(shù)，將兩者優(yōu)點結(jié)合起來，使系統(tǒng)對噪聲、干擾、多徑、衰落的容忍度大大增強(qiáng)的同時，大幅提升了系統(tǒng)傳輸速率、頻譜利用率，進(jìn)一步擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。攜兩者之優(yōu)點，該技術(shù)在無線通信發(fā)展方面具有巨大的潛力。

目前將OFDM與CDMA技術(shù)混合起來也是一個研究熱點，其中的多載波碼分多址（MC-CDMA）技術(shù)評價最高。MC-CDMA技術(shù)首先用給定的擴(kuò)頻碼來擴(kuò)展原始信息，然后將擴(kuò)頻序列按照子載波數(shù)進(jìn)行串/并變換，從而用不同的碼片來調(diào)制不同的載波。其中CDMA部分在頻域內(nèi)完成，而OFDM部分在時域內(nèi)完成。該技術(shù)不僅算法復(fù)雜度低，且由于將同一用戶的比特信息分配到所有子信道中，降低了頻率選擇性衰落，因此誤碼率也較低。由于多載波擴(kuò)頻技術(shù)，不僅能有效的克服各類干擾，且對用戶數(shù)的變化不敏感，對抗多徑衰落的功能也比RAKE接收機(jī)更優(yōu)異，實現(xiàn)起來也更簡單，因此MC-CDMA技術(shù)引起了業(yè)界越來越多的關(guān)注。但是該技術(shù)在實現(xiàn)中還有很多技術(shù)難點，有待進(jìn)一步研究。[6]

正交分割多址（Quad Division Multiple Access，QDMA）是MeshNetworks公司的專利技術(shù)，專門為廣域范圍內(nèi)通信的最優(yōu)化和無線Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。其采用直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技術(shù)，且擁有一個高性能射頻前端，提供類似于多抽頭RAKE接收機(jī)的功能，能克服射頻環(huán)境的快速變化。MAC子層使用的多信道方式，也更適用于高密度無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備中。QDMA擴(kuò)大了移動用戶的有效范圍，且能提供更高的糾錯能力、更強(qiáng)的抗干擾能力以及更靈敏的信號感應(yīng)，因此可以支持更快的移動速度。并且其獨有的內(nèi)置定位技術(shù)，可在不依賴GPS的基礎(chǔ)上，對通信設(shè)備進(jìn)行更精確的定位。

4 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

數(shù)據(jù)的可靠傳輸，是對一個網(wǎng)絡(luò)的基本要求，依據(jù)第三代合作伙伴項目（Third Generation Partnership Project，3GPP）中提出了幾種可靠傳輸保證策略，學(xué)者們對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性展開了大量的研究。

文獻(xiàn)[7]提出了在固有協(xié)議狀態(tài)下，為路徑上的所有的節(jié)點建立一條單獨的鏈接，并且中間節(jié)點可以無縫地輕松進(jìn)出的Relay-ARQ機(jī)制。在Relay-ARQ機(jī)制中，中間節(jié)點具有發(fā)送中繼確認(rèn)字符（Relay-ACKnowledge Character，Relay-ACK）的功能。文獻(xiàn)[8]針對原有的自動請求重傳（Automatic Repeat Request，ARQ）機(jī)制進(jìn)行了修改，提出了基于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的ARQ機(jī)制。該機(jī)制分為逐跳ARQ、端到端ARQ以及最后一跳ARQ三種類型，通過判斷無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）層中解碼后信息的正確與否，對信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[9]提出了適用于無線多跳網(wǎng)絡(luò)的自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）機(jī)制。該機(jī)制綜合了前向糾錯（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）技術(shù)和ARQ機(jī)制，是一種自適應(yīng)傳輸技術(shù)，對于解碼錯誤的數(shù)據(jù)包可以在保存的情況下，要求重發(fā)，更利于譯碼。以上兩種機(jī)制，均可分為逐跳、端到端兩種形式。但需要注意的是，無論是ARQ機(jī)制還是HARQ機(jī)制，逐跳方式的延時會比端到端方式大很多，雖然可以通過優(yōu)化協(xié)議來解決問題，但是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作起來會比較復(fù)雜。因此文獻(xiàn)[10]將ARQ和HARQ機(jī)制進(jìn)行了綜合，提出了將逐跳HARQ分于MAC層，將端到端ARQ分于RLC層，并使兩者協(xié)調(diào)工作的分層合作機(jī)制；以及在分層基礎(chǔ)上，使端到端ARQ只終止于最后一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，而最后一跳采用逐跳HARQ的多跳ARQ機(jī)制。而文獻(xiàn)[11]提出了一個通過無速率編碼來均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及限制重傳大小，以更好的減少能量消耗和速率限制的漸進(jìn)冗余HARQ機(jī)制。

承接之前對流媒體的討論，文獻(xiàn)[12]基于跨層對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多媒體傳輸進(jìn)行了設(shè)計。它根據(jù)高層的需求對不同級別的編碼設(shè)置不同的優(yōu)先級，并映射到不同的信道接入?yún)?shù)中，從而對重要程度不同的數(shù)據(jù)提供不同的保護(hù)，盡量保證圖像質(zhì)量最優(yōu)的同時，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｎ墨I(xiàn)[13]提出了一種采用基于最大正交路徑的多徑路由方式，以及預(yù)留虛擬速率的保障速率算法，來降低數(shù)據(jù)包延遲，最好性能地傳遞分級編碼包的機(jī)制。

如何提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)研究中很重要的一個部分。

5 結(jié)束語

目前，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)以其網(wǎng)絡(luò)特性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)帶寬大等優(yōu)勢，已在多個城市開始了廣泛的應(yīng)用。美國舊金山、費城等多個城市就早已采用該技術(shù)建設(shè)覆蓋整個城市的無線網(wǎng)絡(luò)。在中國，北京、天津、揚州等多個城市也已開始了對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。在學(xué)校、警察局、交通等行業(yè)部門中，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)更是因為它強(qiáng)大的特性而成為布網(wǎng)首選。面對飛速發(fā)展的無線通信，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)極具競爭力。但是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中許多技術(shù)還仍處于初步階段，除以上的討論外，還有路由度量、安全性能、QoS保證等多個方面值得我們研究探索。

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