基于WMN的應急通信組網方法研究*

王海濤，陳暉

(解放軍理工大學通信工程學院，江蘇南京 210007)

0 引言

無線通信網絡分為有中心網絡和無中心網絡，前者通常需要固定基礎設施的支持，如蜂窩網絡;后者不需要固定基礎設施，如Ad Hoc網絡［1］。現有的無線網絡大多采用的是點到多點的通信組網方式，網絡拓撲結構簡單，但網絡覆蓋范圍、可擴展和靈活性受限，而無線Mesh網絡(wireless Mesh network，WMN)恰好能彌補傳統網絡的這些缺陷。WMN也稱無線多跳網狀網，是一種新型寬帶無線網絡，具有覆蓋范圍大、傳輸速率高、部署方便、配置靈活和擴展性好等優點，可應用于多種網絡環境，尤其適用軍事通信和應急通信等場合［2］。

WMN源于Ad Hoc網絡，Ad Hoc網絡最早是一種應用于軍事領域的分組無線多跳網絡，采用全分布式網絡結構，網絡中節點可隨意移動，但是這種網絡的信道帶寬和傳輸速率非常有限，并且民用領域受限。針對上述問題，在Ad Hoc網絡的基礎上衍生出容量大、速率高、易部署的WMN。自從WMN提出之后，受到學術界和產業界的廣泛關注，已成為一種有前途的寬帶無線接入技術，人們期待WMN能夠在網絡接入和互聯、泛在網絡和移動計算、寬帶信息傳輸以及應急通信系統構建等眾多領域發揮重要的作用［3］。近10年以來，MeshNetworks等公司相繼開發出適用于商業應用的產品，Skypilot公司將智能天線技術應用于WMN，極大提高了頻譜利用率。2004年，IEEE 802.11工作組成立了網狀網研究任務組，這標志著WMN技術正式邁上了標準化之路。由于WMN的迅速發展，國際標準化組織為其制定了相關技術標準，主要有 IEEE 802.11s，802.15，802.16，802.16e 和 802.20 等標準［4］。

近年來，WMN在校園網、城域網等實際應用上取得了一些成果。2004年摩托羅拉公司收購了MeshNetworks，以便向客戶提供更多的解決方案以建設可伸縮性的寬帶無線網絡，該網絡可提供包括數據、視頻、定位信息和IP語音等業務在內的新一代服務內容。美國的舊金山、費城等城市已采用WMN覆蓋整個城市，提供無處不在的無線網絡接入服務及大量新興的公眾服務。在中國，WMN市場還處于初級探索階段，由于核心技術、芯片生產都掌握在歐美公司手中，大部分WMN設備是進口產品。汶川大地震搶險救災期間，在青川縣關莊鎮等地成功搭建了無線Mesh網絡用于應急通信指揮，取得了很好的應用效果［5］。另外，天津開發區采用WMN進行無線網絡部署，覆蓋大約30 km2的無線監控［6］。可以預見，隨著WMN的發展及相關技術的日益成熟，WMN的應用領域也會越來越廣。

1WMN技術概述

1.1 技術特點和優勢

WMN中包含可以固定安置或動態移動的無線骨干路由器，可以靈活應用于多種無線環境。在傳統的無線局域網(wireless local area network，WLAN)中，節點之間的通信需要通過一個叫做接入點(access point，AP)的固定接入點完成，將這種網絡結構稱為單跳網絡。在WMN中任何網絡節點都可以充當AP，與一個或者多個對等節點直接進行通信。WMN可以充分發揮WLAN數據傳輸速率高和Ad Hoc網絡多跳自組織的優勢，是一種高容量、高速率的新型寬帶無線分布式網絡［2］。由于有冗余AP和冗余路徑存在，WMN中的數據傳輸比較可靠。當某段網絡出現擁塞時，WMN可以自適應地選擇鄰居負載較輕的路徑來減輕網絡擁塞。此外，WMN易于和其他網絡融合，且融合方式靈活多變。表1比較了 WMN，WLAN和移動 Ad Hoc網絡(mobile Ad Hoc network，MANET)的技術特點。

具體來說，WMN有如下顯著的特點和優勢［5-6］:

(1)傳輸速率高

由于采用多跳傳輸，減小了每跳的傳輸距離，使得路徑損耗大大降低，從而獲得較高的傳輸速率。

(2)覆蓋范圍大

WMN支持多跳中繼，終端用戶可以通過路由器或其他節點中繼接入網絡，從而大大拓展了網絡覆蓋范圍，并且可以根據需求快速布置接入點，實現廣域覆蓋。

(3)可靠性高

WMN中存在多條冗余路由，其中一條鏈路中斷，數據包可自動重新尋路繼續傳輸，不影響整個網絡的運行，從而可避免了單點故障造成的服務中斷問題。

表1 WMN，WLAN和MANET的技術特點比較Table 1 Comparison between the technology traits of WMN，WLAN and MANET

(4)靈活、易配置

WMN組網方便靈活，只需部署Mesh路由器即可，而且設備小巧輕便，易于配置。再者由于其網絡具有很強的容錯能力，網絡配置和維護也變得簡單易行。

(5)易于實現網絡融合

WMN可以方便地實現與多種網絡的融合，如傳感器網絡，蜂窩網絡，因特網，IEEE802.11，IEEE802.15，IEEE802.16等，從而提高傳輸效率。

(6)投資成本低

WMN建設成本低，并可隨用戶增加逐步擴容。Mesh路由器相對便宜，并且通常可以使用免費頻段通信，有助于降低成本與風險。

1.2 WMN 網絡結構

WMN組網靈活多樣，但是依據網絡的規模和終端設備的類型和數量，WMN網絡結構基本可分為3種類型［7］:客戶端 Mesh網絡結構、骨干 Mesh網絡結構和混合Mesh網絡結構。客戶端Mesh網絡結構指由各個對等的終端設備互聯提供對等服務的網絡結構，此結構不需要Meth路由器，主要用于支持終端的應用，不提供接入Internet的服務。骨干Mesh網絡結構主要是指無線Mesh路由器互聯構成的無線干線網，為普通客戶端提供網絡接入功能。混合Mesh網絡結構即是結合了上述2種網絡結構，既包括普通客戶終端又包括提供Internet接入服務的無線Mesh路由器。

1.3 關鍵技術分析

1.3.1 MAC(media access control)協議

WMN是WLAN和Ad Hoc網絡融合的產物，其MAC協議在IEEE 802.11 MAC協議基礎上做了針對性改動，主要考慮了信息多跳傳輸和拓撲結構的動態性。IEEE 802.11 MAC協議通過分布式協調功能(distributed coordinated function，DCF)和點協調功能(point coordinated function，PCF)實現對MAC子層的接入控制。其中，DCF是基于 CSMA/CA(carrier sense multiple access/collision avoidance)的單信道MAC協議，而PCF是一種由AP集中控制的MAC協議，能夠提供一定服務質量保證［1］。在WMN中，單信道MAC協議很難消除隱藏終端/暴露終端問題，并且會限制網絡吞吐量，難以提供服務質量保證，為此目前WMN傾向采用多信道MAC協議。

多信道MAC可以分為兩大類:多信道單無線電(multiple channel single radio，MCSR)和多信道多無線電(multiple channel multiple radio，MCMR)。對于MCSR，節點需要在無線電接口上頻繁切換信道以便與不同節點通信，網絡拓撲和節點間干擾變化劇烈，難以維持網絡負載平衡和服務質量，而配備多個無線電臺的MCMR可以較好解決上述問題。典型的多信道MAC協議有動態信道分配MAC協議(dynamic channel assignment，DCA)、基于主信道分配的多信道MAC協議(primary channel assignment multiple channel，PCAM)，多射頻統一協議(multi-radio unification protocol，MUP)等［6］。采用多信道可給WMN帶來多種好處，如減少鏈路干擾，提高網絡吞吐量，減少端到端時延，獲得更好的負載平衡并公平性。但是必須解決2個關鍵問題:一是節點之間的協同傳輸問題，多信道MAC協議必須能夠保證節點之間的信息傳輸是協同工作的，當發送者將信道切換到接收者的信道時，應避免接收者將接收信道切換到別的信道而造成數據丟失;二是信道分配問題，多信道MAC協議要根據業務需求和網絡環境為不同節點合理分配信道，以有利于消除信息傳輸干擾，提升通信質量。

1.3.2 路由協議

WMN的路由協議可以基于Ad Hoc網絡路由協議進行設計，但必須考慮其自身特點:Mesh客戶網有能量限制，而Mesh骨干網通常沒有這種限制，并且計算和處理能力較強;Mesh網絡的大量業務往返于因特網網關與Mesh客戶端之間;Mesh網絡的多信道傳輸機制也增加了路由協議設計的復雜度。另外，WMN路由協議需要消除路由環路，盡量減少路由開銷和保證網絡有效性等。

常用的WMN路由協議包括:目的序號距離矢量路由協議(destination sequenced distance vector routing，DSDV)、動態源路由協議(dynamic source routing，DSR)、按需距離矢量路由協議 (Ad hoc ondemand distance vector routing，AODV)、多徑源路由協議 (multi-path source routing，MSR)、多射頻鏈路質量源路由協議(multiple radio-link quality source routing，MR-LQSR)等［5］。由于網絡拓撲受節點信道分配的影響，多信道WMN中的路由選擇問題較為復雜，網絡中節點之間的路由受到信道分配機制的影響。因此，多信道WMN中的路由選擇算法必須和下層的信道分配機制進行聯合設計。此外，目前大多數WMN路由協議都是以最小跳數為選路的標準，但是該指標無法真實反映無線環境中路徑的質量。因此，WMN路由協議應根據網絡狀況和業務需求選擇合適的路由度量指標，以優化網絡資源利用率、平衡網絡負載和改善業務服務質量。相關研究表明采用考慮鏈路條件的具有無線信道意識的路由指標可以獲得更好的系統性能。在多信道WMN中，路由指標必須考慮信道的多樣性，同時必須平衡網絡吞吐量和每節點吞吐量，如可以選用加權累積期望傳輸時間(weighted cumulating expected transmission time，WCETT)和歸一化瓶頸鏈路容量(normalized bottleneck link capacity，NBLC)作選路指標［8］。

1.3.3 安全機制

WMN的安全性是限制其推廣應用的一種重要因素。首先，無線信道使得WMN易于遭受被動竊聽和主動干擾等攻擊;其次，移動設備容易被捕獲和劫持而造成信息泄密甚至網絡癱瘓;第三，WMN往往采用分布式網絡結構，沒有可信的中心授權機構負責分發密鑰。但是，如果WMN擁有集中式的認證服務器來授權客戶訪問網絡，則可以使用RADIUS(remote authentication dial in user service)協議的認證、授權和計費(authentication authorization accounting，AAA)。目前，主要從加密算法、數字簽名機制、認證和授權方案、入侵檢測方法和安全路由協議等方面入手來加強WMN網絡的安全性［9］。

2 基于WMN的應急通信組網方法

2.1 需求分析

應急通信是指在發生重大自然災害和公共突發事件的情況下有關部門協調各種力量，進行搶險救災等突發性事件處置而開展的通信活動［10］。在傳統的常規通信過程中，主要的通信手段是有線通信和蜂窩無線通信，但是遠遠不能滿足應急通信的需要，建設新型的應急通信網絡迫在眉睫。應急通信具有時間突發性、地點不確定性、業務緊急性、信息多樣性和過程短暫性等顯著特點，應急通信網絡必需充分考慮上述特點，能夠快速部署，易于維護、升級和擴展并提供可靠的預期服務，以便輔助救援人員及時有效開展救援行動。具體而言，ECN(emergency communication network)包括以下要求和特點［11-12］:

(1)快速部署:網絡規劃和部署過程必須簡單和快捷，并且盡量不依賴專業人員和復雜的配置過程。

(2)健壯性和可擴展性:快速部署和頻繁變化的網絡環境都對網絡功能提出了極大挑戰，網絡必須具有較高的容錯性，能夠及時適應環境變化，并能滿足用戶數量不斷增加的需求。

(3)便捷性和可移植性:網絡部署的快速性要求網絡設備操作便捷，不提倡使用專用的設備，而是鼓勵使用商用產品。

(4)安全性:大規模的救援行動需要各種救援團隊，涉及大量敏感信息，必須保護這些信息的安全性。

(5)低成本:網絡的部署和維護成本要盡量低，應廣泛采用商用成熟技術和產品。

(6)應急通信網絡應支持用戶的高速移動性，能夠與異質網絡實現互聯，并提高可靠的信息傳輸服務。

從上述WMN的技術特點不難看出，WMN具有諸多適合構建應急通信網絡的技術優勢，能夠滿足應急通信系統的一般要求:WMN的部署容易，不依賴于現有的基礎設施，網絡可擴展性強，可根據情況設置適當數量的Mesh路由器，為終端用戶提供網絡接入;WMN能夠提供較大的覆蓋范圍和較高的傳輸速率;WMN網絡設備成本相對低廉，并且支持終端用戶的移動性;能夠提供較為安全和可靠的通信服務，并可以方便地與異構網絡互聯;可以針對不同的應用提供一定的QoS保證。此外，WMN的多路由多信道冗余特性可以顯著提高網絡的健壯性，具有很強的生存能力，在應急現場可以根據救援需要隨時允許特定的用戶接入網絡，為救援提供更多的支持。

2.2 基于WMN的應急通信組網方案

當發生重大自然災害或突發公共事件時，固定的有線通信網絡和無線蜂窩基站很容易遭受破壞，使得應急現場的用戶群體無法有效接入網絡或者與后方指揮中心建立可靠的通信連接，而且重新鋪設常規通信網絡又要花費大量的人力、物力和時間，不能適應應急通信快速處置的要求。在這種情況下，可以基于WNM技術迅速構建靈活高抗毀的應急通信網絡，作為現有常規通信網的有效補充，WMN通過多跳傳輸可以減少干擾、降低功耗，提高頻率重用和增加無線覆蓋范圍，從而為應急通信場合的各類用戶提供必要的通信服務保障。如前所述，WMN的拓撲結構主要有3種類型，但是最常用的當屬混合式Mesh網絡。圖1給出了一種典型的基于WMN的混合式應急通信組網方案，具體組網時可再對此方案進行必要的簡化、擴展和改進。

圖1 基于WMN的應急通信組網方案Fig.1 Emergency communication networking methods based on WMN

在通信基礎設施缺乏或受損的地區，用戶個人移動終端、應急通信車及其他各種通信設備之間可以互連構成WMN進行信息交互，保持密切聯系以協同完成應急通信指揮任務。WMN是一個高帶寬無線通信網絡，能夠提供語音、數據、視頻傳輸，還可以與其他各種應急指揮通信系統、蜂窩網和Internet連接。圖1中的網絡結構為多層分級網絡結構，可以劃分為3個層次:最底層既包括殘存的無線蜂窩網絡和無線局域網以及臨時部署的無線Mesh客戶網;中間是由無線路由器互聯構成的健壯可靠的無線Mesh骨干網;最上層是IP骨干網，Mesh骨干網通過充當網關的路由器可以接入IP骨干網。這種分級網絡結構的優勢是大大減少了參與網絡自組織和動態路由的節點數量，大大降低了網絡的組網開銷，易于網絡的擴展和管理，同時也適合應急通信Mesh網絡與現有的通信系統進行互聯和協同工作。

WMN中Mesh路由器的移動性通常較低，而Mesh客戶終端則可是任意移動。另外，Mesh路由器(如車載AP)通常由外部供電，功耗限制不嚴格，而Mesh客戶終端需要考慮節能機制。還要指出的是，Mesh骨干網為了實現路由和中繼功能，每個無線Mesh路由器至少配備有2個以上的無線網卡，其中一個工作在接入網絡信道，負責Mesh客戶網的接入，其余的網卡工作在骨干網絡信道，構成Mesh骨干網絡并實現與其他網絡的互聯。利用無線Mesh網絡，可以顯著降低對通信基礎設施的依賴性，有效增強網絡系統的健壯性和通信可靠性。具體來說，當Mesh骨干網中某條路徑或者某個節點出現故障時，可以選擇其他可用的路徑作為替代路徑，提高了應急通信網絡的生存能力。例如，圖1中當R1損壞或離開時，無線Mesh客戶網可以利用R2接入Mesh骨干網，體現出很強的自愈性。另外，一旦發現當前的網絡覆蓋范圍不能滿足需要，比如某一偏遠地區有一個客戶機需要接入骨干網絡以便與外界交互獲得更多的援助時，可以根據需要架設Mesh路由器R3為客戶機C1提供網絡接入。

當Mesh骨干網規模較大時，可以考慮將網絡劃分成多個簇以便于管理網絡資源和改善網絡性能。例如，圖1中將Mesh骨干網分成了4個簇，并且簇內所有節點一跳可達。基于分簇網絡結構，可以由簇頭協調簇內節點的信道分配并且代表簇內節點參與路由計算，從而簡化了信道分配和路由算法，并有助于提高業務的服務質量［8］。

3 結束語

WMN網絡系統具有標準化程度高、傳輸距離遠、接入速率高、成本低、部署簡便靈活、支持終端移動性且受地理環境等客觀條件限制少等優點，日益受到人們的關注。基于WMN的應急通信系統主要包括Mesh客戶網;無線Mesh骨干網和其他可以融合互通的通信系統。這種基于WMN的應急通信網絡具有組網靈活方便，易于網絡的部署和管理，可以實現視頻、話音、圖像和數據的可靠傳遞，通過與現有通信網絡融合互通可以構成一個全網覆蓋的功能完備的一體化通信系統，具有很好的健壯性和可擴展性，非常適合于在缺乏基礎設施支持或原有基礎設施受損的應急通信場合中提供多樣化的通信服務，為搶險救災行動得以順利實施提供技術保障。

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