無線Mesh網絡及其在鐵路上的應用

梅 靖

（上海鐵路局上海通信段，上海 200434）

1 無線Mesh網絡的概況

1.1 無線Mesh網絡的概念

無線Mesh網（簡稱WMN）具有多跳、自組織和自愈等特點，是一種高容量、高速率的分布式寬帶無線網絡。一般由Mesh路由器和Mesh客戶節點組成。無線Mesh網絡將移動Ad?Hoc網絡和WLAN融合，并發揮了兩者的優勢,可以通過一些中間節點實現連接互相遠離無法直接連接的無線路由器。作為一種新型網絡結構形態，Mesh結構已被納入到IEEE802.16-2004，IEEE802.16e標準和IEEE802.11s草案中。

1.2 無線Mesh網絡的特點

1）多跳無線網絡

無線Mesh網絡是無線網狀網，是一種多跳網絡，在該網絡下，信號能夠自動選擇最佳路徑，避開障礙物的干擾，不斷從一個用戶跳轉到另一個用戶，從而可以為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。這種特性大大擴展了無線寬帶的應用領域和覆蓋范圍，在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統容量和頻率利用率，增加了網絡的可靠性，降低了設備成本。

2）支持多種網絡接入方式

無線Mesh網絡支持骨干網接入方式和端到端的通信方式，也可整合現有多種無線網絡技術，通過骨干網連接這些不同的無線網絡，為其終端用戶提供服務。

3）具備自形成、自愈和自組織能力

無線Mesh網絡組網靈活，只需增加少量無線設備即可，網絡柔韌性和利用率大大提高；同時能夠自組織、自愈和自均衡，網絡可靠性強；此外，還提供更大的冗余機制和通信負載平衡功能。

4）能耗隨Mesh節點類型改變

無線Mesh網絡對于功耗的限制根據Mesh節點的類型不同而不同。Mesh路由器一般沒有能耗的限制,而Mesh終端則需要采用有效的節能機制。

2 無線Mesh網的網絡結構

無線Mesh網絡的結構根據各個節點功能的不同而分為以下幾類：骨干網Mesh結構、客戶端Mesh結構和混合式結構。

2.1 骨干網Mesh結構

骨干網Mesh結構如圖1所示，該結構通過Mesh路由器與因特網相連，普通客戶端和已有無線網絡可以通過Mesh路由器接入無線Mesh網絡，是一個可以自愈和自配置的網絡。

2.2 客戶端Mesh結構

客戶端Mesh結構由Mesh客戶端組成，是在用戶設備間提供點到點服務的無線Mesh網絡。網絡結構如圖2所示，該網絡結構中每個節點都包含相同的MAC、路由、管理和安全等協議，所有的節點均對等。這些節點既可以作為客戶端節點，也能作為轉發業務的路由器節點。這種網絡結構中的客戶端通常只使用一種無線技術。任意節點發出的數據包可以經過多個節點的轉發抵達目的節點。雖然節點不需要有網關和中繼功能，但路由和自組織能力是必需的。

2.3 混合式結構

混合式結構綜合了以上兩種無線Mesh網絡結構，如圖3所示。混合式結構融合了骨干網Mesh結構和客戶端Mesh結構的優勢，在該網絡結構下，Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網絡，然后通過網關接入IP核心網，從而實現與Internet等其他網絡的互聯。同時，客戶端的路由能力增強了網絡的連通性，擴大了覆蓋范圍。這種客戶端Mesh設備增加了轉發和路由功能，設備間可以直接通信。

3 無線Mesh網絡關鍵技術

3.1 正交分割多址接入技術（QDMA）

QDMA最初是由美國國防部國防先進研究計劃署（DARPA）的一份軍事Mesh網合同發展而來的，它是CDMA的一個版本。該技術是專門為廣域范圍內通信的最優化以及移動網格網系統設計的，能夠很好的支持移動和大范圍的應用。QDMA的調制技術采用直接序列擴頻（DSSS），工作頻段為2.4?GHz的ISM頻段。QDMA技術為在MAC子層使用3個數據信道和1個控制信道的多信道方式，因此，更適用于高密度的無線Mesh網絡終端設備。此外，QDMA技術提供一個高性能的射頻前端，這種前端采用了一種克服射頻環境快速變化的公平算法，同時具有類似于多抽頭Rake接收機的功能，可彌補移動環境信道的快速衰落。

基于QDMA技術的通信網絡可在較廣的移動通信范圍內提供較強糾錯能力。同時，由于具有增強的抗干擾能力和信號靈敏度，該網絡可以提供達到250?mph的移動速度。QDMA的定位技術不依賴于全球定位系統（GPS），而是采用內置的定位技術能夠對通信設備進行更為精確的定位。

3.2 多信道Mesh網MAC協議

MAC協議對無線Mesh網絡的性能有至關重要的作用，無線Mesh網絡MAC協議的研究也是IEEE802.11s的重要內容。無線Mesh網絡的多信道MAC協議主要有：動態信道分配（DCA）多信道協議、基于主信道分配（PCAM）的多信道MAC協議、多射頻統一協議（MUP）等。

多信道MAC協議的分類主要有以下幾種。

按控制信道分，可分為有專用控制信道和無專用控制信道的多信道MAC協議。前者采用專用的射頻來傳遞控制信息，從而使傳遞更有效，但信道的利用率不高。而后者不能有效地傳遞控制信息。

按節點射頻分，有多射頻多信道MAC協議和單射頻多信道MAC協議。其中，多射頻多信道MAC協議中，一方面，使用多個信道傳輸數據，可以增加節點容量；另一方面利用不同射頻的帶寬、范圍和衰弱等特性，在更好地利用射頻頻譜的同時，還可以提升網絡性能。

3.3 路由協議

路由是在源節點和目標節點間需找端到端路徑的過程。無線Mesh網絡節點移動性高，網絡拓撲的變化性高，這就需要摒棄傳統網絡的路由協議，尋找適用于無線Mesh網絡的路由協議。目前無線Mesh路由協議的設計方法主要有兩種：一是根據無線Mesh網絡與無線Ad?Hoc網相似的特點，可以將Ad?Hoc開發的路由協議，如目的序列距離矢量路由協議?（DSDV）、臨時按序路由算法?（TORA）和動態源路由協議（DSR）等移植過來用于WMN；二是開發無線下專用的路由協議，如可擴展路由協議（MSR）、可預測的無線路由協議?（PWRP）等。

4 無線Mesh網絡在鐵路上的應用

4.1 無線Mesh網絡對GSM-R的補充

為了適應信息社會和高速發展的國民經濟需求，中國鐵道部做出引入歐洲鐵路先進的GSM-R鐵路無線通信系統決定，以替代原有的模擬通信系統。GSM-R可以支持安全數據和非安全數據這兩類鐵路數據應用。安全數據如列車控制信息、調車機車信號和監控信息、機車同步操作信息等，該類數據時效性高，需要占用專用數據鏈路連續傳送，在一定時間內不允許鏈路中斷，對于網絡資源要求比較高，但對于鏈路帶寬要求不高，因此該類數據可以使用電路數據方式傳輸；非安全數據如調度命令信息、車次號校核信息、列尾信息等，該類數據突發性強、數據量大，但實時性要求不高，傳輸時延可以相對較大，對網絡資源要求較低，因此該類數據可以使用GPRS業務、短信息、USSD等方式傳輸。但是由于GSM-R只有4?MHz頻率帶寬，已無法滿足中國鐵路專用移動通信的發展，因此，在申請更多頻率資源的同時，可以考慮采用無線Mesh網絡作為GSM-R的補充，吸收部分非安全數據。

無線Mesh網絡的基本網元有接入點設備（AP）、交換機、接入服務器（AC）以及相應的DHCP服務器、Radius服務器、網絡管理中心等。采用無線Mesh網絡補充GSM-R網絡，可以提供更加便捷安全的接入功能，同時，還可以在列車上為旅客提供高效的Internet服務，從而更能適應新型鐵路的需求。

4.2 典型應用場景

在貨場、調車場、車站等地區，基本業務量較大，同時場站內的管理、公安等人員也需要日常無線通信服務，有通信需求的個體數目龐大；此外，這些地區還有視頻監控、車輛信息顯示、鐵路運輸各系統狀態實時傳送、旅客服務等新型應用。但由于GSM-R頻率資源緊缺，受到了嚴重制約。可以考慮在這些地區增補無線Mesh網絡。典型應用場景如下。

1）車站

*?為旅客提供優質的附加服務，使高端客戶享受增值服務。

*?為公務、公安、工務等系統內部人員傳送圖像、列車到達等信息化鐵路數據。

*?配合無線攝像設備進行監控，為鐵路安全等提供保障。

2）調車場、貨場

*?傳送調車場現場情況。

*?傳送調車計劃表等信息。

3）貨場

鐵路貨運站場利用無線路由器、網關、無線接入設備替代傳統視頻監控系統中的有線承載網絡，構成無線Mesh視頻監控系統。如圖4所示。

5 結束語

目前，對于無線Mesh網絡的研究還處于試驗研制階段，還存在很多不足，比如，特別適用于無線Mesh網絡的路由準則和選擇算法數量非常有限；無線Mesh網絡增加了射頻信道數，這在更好利用頻譜的同時，也可能帶來更多的干擾問題；通過節點進行多跳轉發時，每一轉發都會帶來一定的時延，網絡規模越大，節點越多，時延就越大。此外，無線Mesh網絡的互操作性、控制機制、安全機制等相關問題都還有待研究。

IEEE也在致力于與學術界共同推動無線網狀網的標準化工作，無線Mesh網是屬于下一代無線寬帶網絡接入的先進技術，隨著各種技術的進步和市場需求的刺激，將會得到更加廣泛的應用，特別是在鐵路應用上，可以考慮在特定的應用場景下，如頻率資源緊張的場站地區，引入無線Mesh網絡作為現有的GSM-R網絡覆蓋的補充，更好的為新型鐵路的高速發展服務。

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