基于Wi—Fi Mesh網絡構建區域通信平臺問題研究

楊麗雯 張永繼

摘要：構建惡劣區域通信平臺是目前通信領域研究的一項重點內容。文中分析了Wi-Fi Mesh網絡構建區域通信平臺的可行性，給出了固定區域、機動區域、救援場所的Mesh網絡組織方式，并從網絡保障能力方面進行了定性分析，可以為基于Wi-Fi Mesh網絡構建區域通信平臺提供參考。

關鍵詞：計算機網絡；區域通信平臺；WiFi-Mesh網絡；無線鏈路

中圖分類號：TN929.5

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.08.023

0 引言

隨著近年來地震等自然災害的頻繁發生，如何實現受災區域內通信的快速恢復，在氣象、地質、環境等惡劣條件下快速建立基本的通信樞紐，為搶險救災、應急通信、人員指揮提供技術支撐，成為各級通信部門重點研究的課題。面對固定通信樞紐破壞嚴重、固定通信設施互通不暢的問題，必須研究基于無線信道連接的區域應急通信平臺，本文結合對WiFi-Mesh網絡技術的研究，提出了基于Wi-Fi Mesh網絡構建區域通信平臺的基本思路。

1 Wi-Fi Mesh網絡概述

無線Mesh網絡（Wireless Mesh Network，WMN）是基于IP協議的無線寬帶接人技術，是移動Ad Hoc網絡的一種特殊形態，它融合了WLAN和Ad hoc網絡的優勢，支持多點對多點的網狀結構，具有自組網、自修復、多跳級聯、節點自我管理等智能優勢以及移動寬帶、無線定位等特點，是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網絡形式，作為一種可以有效解決“最后一公里”瓶頸問題的新型網絡結構，從某種意義上講，Mesh網絡更主要的是一種網絡架構思想，主要功能體現在無中心、自組網、多級跳接和路由判斷選擇等方面。已經商用的無線網狀網產品基本都基于Wi-Fi，稱之為Wi-Fi Mesh，其典型組網概念如圖1所示。

無線Wi-Fi Mesh網絡（無線網狀網絡）也稱為“多跳”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和Repeater（中繼器），網絡中的每個Mesh節點既是通信的發起者，也是數據分組的中間轉發者，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。

2 Wi-Fi Mesh模式構建區域通信平臺可行性分析

2.1 部署安裝簡便

安裝Mesh節點非常簡單，可以很容易增加新的節點來擴大無線網絡的覆蓋范圍和網絡容量。Mesh網絡的設計目標就是將有線設備和有線AP的數量降至最低，因此大大降低了成本和安裝時間。無線Mesh網絡的配置和其他網管功能與傳統的WLAN相同，用戶使用WLAN的經驗可以很容易應用到Mesh網絡上。

2.2 非視距傳播（NLOS）

利用無線Mesh技術可以很容易實現NLOS配置，與發射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后再將接收到的信號轉發給非直接視距的用戶。按照這種方式，信號能夠自動選擇最佳路徑并最終到達無直接視距的目標用戶。無線Mesh網絡能夠非視距傳輸的特性大大擴展了無線寬帶的應用領域和覆蓋范圍。

2.3 穩定性好

Mesh網絡不依賴于某單一節點的性能，因此比單跳網絡更加健壯。在單跳網絡中，如果某一個節點出現故障，整個網絡也就隨之癱瘓。而在Mesh網絡結構中，如果最近的節點出現故障或者受到干擾，數據包將自動路由到備用路徑繼續進行傳輸，整個網絡的運行不會受到影響。

2.4 結構靈活

在多跳網絡中，設備通過不同的節點同時連接到網絡，因此不會導致系統性能的降低。Mesh網絡還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能。在無線Mesh網絡中，每個設備都有多個傳輸路徑可用，網絡可以根據每個節點的通信負載情況動態地分配通信路由，從而有效地避免了節點的通信擁塞。

2.5 高帶寬

而Mesh網絡選擇經多個短跳來傳輸數據，從而獲得高網絡帶寬。在Mesh網絡中，一個節點不僅能傳送和接收信息，還能充當路由器對其附近節點轉發信息，同時由于每個短跳的傳輸距離短，傳輸數據所需要的功率也較小，節點之間的無線信號干擾也較小，網絡的信道質量和信道利用效率也大大提高。

3 基于Wi-Fi Mesh網絡構建區域通信平臺

3.1 固定區域Wi-Fi Mesh網絡設備配置

以指揮控制、通信接力等重要通信車輛為主，配置Mesh路由基站設備，構成Mesh網絡骨干節點，該節點具備AP接人功能，普通用戶可以Wi-Fi方式直接接人，同時，該類節點至少具備兩條及以上的無線鏈路回傳能力，能夠自動檢測鄰近的同類節點設備，與其自動建立Mesh通信鏈路。手持機、計算機、服務器、傳真機、打印機等終端設備配置兼容Wi-Fi和Mesh自組網工作方式的網卡。區域附屬保障車輛配置雙向無線連接遠程客戶端設備（ CPE），車輛附近距離基站較遠的用戶可通過客戶端（CPE）中繼的方式接人基站。

3.2 機動區域Wi-Fi Mesh網絡組織應用

在通信保障力量機動途中，以通信節點車輛配置的Mesh基站為節點，可以非常輕松的組成鏈式網絡，這一串連式多跳網絡可以克服復雜地形和長距離影響，首尾節點可以通過跳躍方式建立無線鏈路，沒有安裝Mesh基站的保障車輛，可以配載中繼CPE設備，以客戶端身份通過Wi-Fi方式連接基站，同時對車內用戶實現二次Wi-Fi覆蓋，所有的用戶手持終端均可以在行進途中以Wi-Fi方式就近直接或以中繼方式接人Mesh基站，滿足機動中無線局域網全員覆蓋。機動區域Wi-Fi Mesh網絡拓撲如圖2所示。

3.3 應急救援場所開設地域內的Wi-Fi Mesh網絡組織應用

應急救援力量到達預定地域后，按擬訂開設預案分布式展開，指控車輛上安裝的無線Mesh節點設備可自我配置，一個MAP啟動后，它首先掃描附近的網絡，然后與所有檢測到的MAP建立臨時連接。通過這種連接，MAP可以與AC聯系，并下載配置。完成配置文件的下載后，MP會與享有相同預共享密鑰的鄰居建立安全的連接，組成網狀無線骨干網絡，用戶節點通過AP+CPE方式接入骨干網，為用戶提供無線數據、無線語音以及無線視頻監控等支持。應急救援指揮所開設地域內的Wi-Fi Mesh網絡拓撲如圖3所示。

4 基于Wi-Fi Mesh網絡構建區域通信平臺保障能力分析

4.1 關于網絡開通效率問題

Mesh自組織網絡在惡劣環境中可以快速部署，新加入的節點也可以被自動發現，并可進而自主配置。降低了野外環境下組網的難度，爭取了寶貴的救援時間。基于升空平臺覆蓋的野戰Wi-Fi Mesh網絡的開通效率主要取決于空中平臺的開通效率，地面Wi-Fi Mesh網絡的自組網過程時效性已經得到實驗和實用證明，空中平臺、各個車載Mesh模塊以及便攜MESH模塊的位置基本確定后，對于系統不同的應用模式，各個Mesh模塊可以靈活適應，不需要人工分析、配置，從設備加電到系統中的網絡節點組網成功的時間不超過4分鐘。

4.2 關于網絡覆蓋能力問題

近年來，世界各國普遍重視無人機、系留氣球、飛艇等臨近空間飛行器的開發，其作為空中通信中繼平臺的功能和性能日漸成熟。國內某公司已經實現了在4000米高空向8000平方公里面積的Wi-Fi信號覆蓋，Wi-Fi信號可以覆蓋直徑100千米的范圍。地面Mesh骨干網絡覆蓋能力主要取決于基站模式和發射功率，當前Mesh產品標稱發射功率通常不超過30dBm（1W），在視距可見的情況下，固定Mesh站點間的距離可達幾十公里（定向天線高架情況下），車載Mesh基站（全向天線）的覆蓋范圍在1-2公里左右，便攜MESH模塊的覆蓋范圍不小于300米。可以預見，在惡劣災害環境下，如果適當提高基站發射功率，Mesh骨干網絡覆蓋能力將會比上述標準明顯提高。

4.3 關于網絡業務支持問題

網絡時延問題一直是Wi-Fi Mesh網絡最難解決的問題，但是路由算法等應用機制的不斷改進和創新，端到端的QoS機制越來越成熟完善，Wi-Fi Mesh網絡的運行效率越來越高，對話音和視頻等實時業務的支持能力也越來越好。現有的研究試驗結果表明，規劃良好的Wi-Fi MESH網絡在靜止或運動情況下，均能夠較好的支持Ping、Http、Ftp、Email、視頻流、VOIP等業務。為了滿足像VoIP這類實時通信應用的要求，Wi-Fi Mesh網絡可采用多模塊、多射頻和多信道的體系架構，從而提供經過多跳后高吞吐量、低時延和為語音流量設置高優先級所要求的容量和覆蓋。便攜MESH模塊10跳之后，網絡延時不超過50ms。在10跳以上的情況下，每一跳的時延可以保持在4到5毫秒，大大低于語音所要求的120毫秒，使得語音這樣的實時業務得到最優化。

4.4 關于網絡用戶移動性問題

雖然Wi-Fi用戶本身不支持高速移動，但是考慮到Wi-Fi用戶在高速移動的車輛內部是通過遠程Mesh客戶端接人的，用戶終端與此客戶端是相對靜止關系，且目前車載Mesh系統已經具備了高速移動支持能力，能夠快速感知拓撲結構變化，車輛可以在高達300公里/小時的車速條件下保持無線網絡連接，在地形平坦的地區，采用全向天線，在有效通訊范圍內，網絡可在時速150公里/小時的高速移動狀態下達到6Mbps的數據傳輸速率。同時，在固定節點之間組網中，Mesh拓撲可組成穩定可靠的無線網，即便任何一點或幾點設備出現問題，不會影響整網的正常工作。整個網絡具有頑強的生命力，被譽為“打不垮的網絡”。

5 結束語

Wi-Fi Mesh網絡目前已經在部分場合得到成功實踐，成為了替代固定通信基站的理想方法，在如搶險救災等惡劣環境下，Wi-Fi Mesh網絡對于快速組織應急指揮場所、搭建形成通信網絡、實現區域通信平臺具有獨特的優勢，后續應結合升空平臺等網絡載體的研究，進一步形成區域通信平臺建設的標準流程，并著力解決各種應急通信手段互通不起來和帶寬不夠用的問題，為災害搶險等任務提供有效方法。