無線Mesh網絡原理及其在應急通信中的應用

唐艷

（國家無線電監測中心哈爾濱監測站，哈爾濱　150010）

無線Mesh網絡原理及其在應急通信中的應用

唐艷

（國家無線電監測中心哈爾濱監測站，哈爾濱150010）

無線Mesh網絡具有自組織、自愈等諸多優點，因而在應急通信等領域具有廣闊的應用前景。本文主要介紹了無線Mesh網絡的通信原理及其在應急通信中的應用。

無線Mesh網絡；自組織；應急通信

1　引言

隨著突發自然災害的頻發和安全局勢的逐年趨緊，世界各國都在加強突發應急體系建設及相關技術研究。作為應急通信系統的關鍵技術，應急自組織通信網絡及其相關技術成為世界性的熱門研發領域，得到各國政府、工業及學術界的廣泛關注。

無線Mesh網絡作為一種動態的自組織分布式網絡，具備快速布設、快速開通、機動性好、環境適應強等特點，非常適合組建應急通信網絡來協調開展救援行動和應對突發事件。

2　無線Mesh網絡原理

2.1技術特點

無線Mesh網絡是一種多跳的、具有自組織和自愈特點的分布式寬帶無線網絡，它可以看成是一種融合了無線局域網（WLAN）和移動Ad Hoc網絡的特點并且發揮了兩者優勢的新型網絡。無線Mesh網絡主要由路由器節點和終端節點組成，其典型結構如圖1所示。路由器節點互聯構成無線骨干網，通過網關節點可以與互聯網建立連接；終端節點通過路由器節點可以接入互聯網，并與其他終端節點組網，實現終端節點之間、終端節點與網絡之間的互聯互通。

圖1　無線Mesh網絡典型結構

與傳統無線網絡相比，無線Mesh網絡具有如下幾個優點：

（1）前期投入少。由于不需要固定網絡接入設備，部署無線Mesh網絡需要的資金成本和時間更少。

（2）可靠性高。在單跳無線網絡中，如果某一個AP點出現故障，整個網絡也會隨之癱瘓。而無線Mesh網絡的節點之間提供冗余路徑，如果某一節點出現故障，可以重新選擇有效路由完成數據傳輸，整個網絡的性能不會受到影響。因此，無線Mesh網絡在相對長的時間內具有更高的可靠性。

（3）覆蓋范圍廣。由于無線電傳播特性，網絡吞吐量隨著節點之間無線鏈路長度的增加而減小，這使得單跳無線網絡的覆蓋范圍和連接性受到了嚴重制約。無線Mesh網絡利用多跳和多信道通信技術，可以滿足長距離的通信需求且使節點獲得最大可能的吞吐量。

（4）組網靈活。無線Mesh網絡是一個動態的自組織、自配置網絡，該網絡中的節點可以靈活地部署在任何有電源的位置，不依賴固定基礎設施即可自動建立和維護多跳的網絡連接。

無線Mesh網絡的如上特點，決定了基于該網絡的突發事件應急通信系統有能力保證在突發事件發生時，快速地組建通信體系以滿足應急事件中信息的傳遞需求。

2.2接入控制協議

接入控制協議是用來管理和協調用戶競爭/共享信道資源的協議。信道接入協議能否有效使用無線信道的有限帶寬，能否保證多個節點公平接入共享信道，直接影響無線Mesh網絡的性能。多數傳統接入控制協議（如ALOHA，時隙ALOHA，CSMA，CSMA/CA等）是為節點之間共享單一信道而設計的，盡管協議比較健壯且易于實現，但建立在這些基本的接入控制協議上的無線Mesh網絡將因為多跳路由產生碰撞和干擾而降低吞吐量。

由于受到研究者的關注，無線Mesh網絡規范化和標準化工作進展迅速，IEEE 802.11，IEEE 802.15，IEEE 802.16等工作組均陸續發布了無線Mesh網絡標準或草案。IEEE802.11系列協議是無線Mesh網絡采用的典型協議，IEEE 802.15和IEEE 802.16系列協議也提供了對無線Mesh網絡模式的支持。

2.3網絡路由協議

路由協議決定了網絡功能的實現和效率，是無線Mesh網絡的重要研究內容。網絡拓撲結構動態變化、無線信道資源受限和節點設備能量有限等特點，給無線Mesh網絡路由協議研究帶來了嚴峻的挑戰。國內外研究人員進行了大量研究工作，提出了適用于不同應用需求的路由協議。根據目的節點數目不同，可分為單播路由協議和多播路由協議。單播路由協議的研究相對成熟，隨著面向點到多點或多點到多點的數據傳輸應用需求的增多，無線Mesh網絡多播路由技術將得到更多的關注。

單播路由是網絡中一個節點面向另一個節點的可用路由。無線Mesh網絡單播路由協議可從多個角度加以分類：根據是否使用GPS等提供的定位信息（坐標位置和速度），可以將其分為地理位置輔助路由協議和非地理位置輔助路由協議；根據網絡邏輯結構，可以將其分為平面路由協議和分級路由協議；根據路由發現策略，可以將其分為主動路由協議和按需路由協議。

與單播路由相比，多播路由不需要為每個目的節點分別建立路由，信息僅需發送一次且在網絡的轉發節點處信息被復制和分發，減少了廣播方式造成網絡擁塞的可能性，節省了網絡帶寬資源，且有利于信息的保密和安全工作。根據尋路機制和路由維護策略的不同，無線Mesh網絡多播路由協議主要分為樹狀、網狀、混合型以及無狀態四種類型。

圖2　NS2模擬過程截圖

無線Mesh網絡路由協議性能的通用評價指標包括分組投遞率、控制開銷和端到端平均時延。使用網絡仿真軟件NS2可在不同的網絡拓撲結構下進行無線Mesh網絡路由算法仿真，NS2模擬過程截圖如圖2所示。網絡模擬結束之后，整個模擬過程的數據都存放在Trace文件中，通過對Trace文件進行分析處理，最終獲取評價參數，對網絡的實際部署提供了有力的數據支撐。

2.4與其他應急通信方式的比較

衛星通信、短波通信、移動通信和微波通信，是目前軍用、民用領域常用的應急通信方式，表1為無線Mesh網絡和上述四種通信方式的簡單性能比較。在執行重大災害應急救援任務時，應根據不同公共突發事件對通信的要求，選擇合適的通信手段，做到各種通信手段揚長避短，靈活運用，保障應急救援的順利進行。

表1　性能比較

3　無線Mesh網絡在應急通信中的應用

3.1單一組網模式

重大突發公共事件一旦發生，將對通信、廣播、電力等基礎設施造成極大破壞，使得通信網絡癱瘓，將災區變為信息孤島。應急通信網絡對于應急救援的開展至關重要。基于無線Mesh網絡進行應急通信網絡布控，為救援人員配置應急通信節點設備，通過一對一或一對多的通信方式，安全可靠地在應急指揮中心和現場傳遞指揮控制信息和現場監測數據。圖3為無線Mesh網絡在應急通信中的單一組網模式。無線Mesh網絡的快速部署保障了應急通信指揮的順利開展，提高了突發公共事件應急處置效率。

圖3　基于無線Mesh網絡的單一組網模式

3.2混合組網模式

有些情況使用單一應急通信方式難以滿足需求，需要采用多種應急通信方式組合的技術手段，使應急救援人員不受地點和接入方式的限制，盡可能的利用現有和臨時部署的通信網絡保障通信暢通。圖4為基于衛星、短波和無線Mesh網絡的混合組網模式。在突發性緊急情況的應急報警階段，由于公眾通信網絡完全遭到破壞，可用短波電臺將信息傳送至上級指揮中心。衛星通信具有廣域無縫覆蓋優勢，但面向大規模用戶的組網能力較弱。無線Mesh網絡是一種擁有大量節點的自組織網絡，組網能力較強，但受到路由復雜度等因素影響通信范圍較為有限。上級指揮中心可將衛星通信和無線Mesh網絡進行有效結合，快速搭建應急現場通信網絡。該應急通信網絡能夠有效保障指揮命令及時下達，做好組織協調各部門之間的協同工作，最大限度地提高應急反應能力。

圖4　基于衛星、短波和無線Mesh網絡的混合組網模式

4　結束語

未來網絡將呈現融合與互補的趨勢。無線Mesh網絡作為一種新型的無線自組織網絡形式，不僅可以與衛星、短波等應急通信方式有效結合，還可以作為4G等移動通信網絡和WPAN等城域網的擴展和延伸，具有巨大的市場前景。有關預測表明，如果無線Mesh網絡與現有網絡完全融合之后，將為用戶提供更廣泛的無線接入覆蓋，全面提升無線網絡的服務質量，開拓更廣泛的應用前景。

Principle and Application in Emergency Communication of Wireless Mesh Network

Tang Yan
（State Radio Monitoring Center Harbin Monitoring Station，Harbin，150010）

Wireless Mesh Network has many advantages such as self organization and self healing，so it has wide application prospects in emergency communication and other fields. This paper mainly introduces the communication principle and application in emergency communication of Wireless Mesh Network.

Wireless Mesh Network； self organization； emergency communication

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.04.007

中國分類號：TN92A

1672-7274（2015）04-0028-04

唐艷，女，碩士，1987年生，畢業于北京交通大學電子信息工程學院，現就職于國家無線電監測中心哈爾濱監測站，主要從事無線通信技術等相關研究工作。

［1］I. F. Akyildiz and X. Wang. A survey on wireless mesh networks. IEEE Commun. Mag. vol 43.2005.

［2］王海濤.應急通信的研究發展現狀和技術手段分析.信息通信技術，2011