WiFi-Mesh無線自組網系統關鍵技術綜述

劉作學，　代健美

(裝備學院 信息裝備系, 北京 101416)

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WiFi-Mesh無線自組網系統關鍵技術綜述

劉作學，代健美

(裝備學院 信息裝備系, 北京 101416)

摘要WiFi-Mesh無線自組網系統是基于802.11協議和無線路由協議實現的一類自組織網絡系統的統稱。按照分層的方法對系統的多天線技術、多載波調制技術、媒體接入控制機制和路由算法等關鍵技術進行了分析和討論，對多天線條件下信道狀態信息的獲取技術、正交頻分復用條件下的降低峰均比技術、載波偵聽多址接入/沖突避免和時分多址的改進機制，以及混合無線Mesh協議和最佳移動網絡路由協議的研究現狀、難點和未來改進方向進行了重點闡述，對可能用于WiFi-Mesh無線自組網系統的新技術進行了展望。

關鍵詞信道狀態信息；峰均比；載波偵聽多址接入/沖突避免；時分多址；路由協議

WiFi-Mesh無線自組網系統，既具有ad hoc網絡自組織、自愈、自管理和多跳中繼的特性，又具有WiFi網絡帶寬高、接入簡單、容易實現等特點，在飛行器組網、車聯網、智慧城市構建、搶險救災應急通信、戰場戰術分隊組網等方面有著廣闊的應用空間。目前，國內外已經研發了一些實用的WiFi-Mesh產品(如美國strix公司系列產品)，裝備學院自主研發的“無線Mesh自組網系統”已經在多個野戰部隊、試驗基地，以及多次通信保障任務中使用，取得了良好的應用效果。隨著信息技術的不斷發展，以及無線自組網用戶數和大容量高速業務的持續增加，人們對WiFi-Mesh自組網提出了更高的要求，如何使其具有更快的傳輸速度、更大的系統接入能力、更高的頻譜效率以及更強的無線信道抗干擾能力，還需要進行大量、深入的研究。

WiFi-Mesh無線自組網系統的關鍵技術主要包括遵循802.11標準的物理層(Physical Layer，PHY)技術和媒體訪問控制(Media Access Control，MAC)技術，以及網絡路由技術等，本文將對上述三方面關鍵技術的研究現狀及難點、改進方向和應用策略等進行分析和闡述，為WiFi-Mesh無線自組網系統的后續研究提供參考。

1物理層技術

802.11的物理層技術經歷了從單載波直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)到正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)、二進制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)到高階正交幅度調制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)、單天線到多輸入輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天線的發展過程，相比較調制效率已接近理論極限的調制技術，MIMO多天線技術和OFDM技術還有很大的發展空間。

1.1MIMO多天線的CSI獲取技術

MIMO多天線技術是在不增加頻譜資源和天線發射功率的情況下，通過增加收發天線數提高系統容量的下一代移動通信核心技術。由于能有效提高系統的頻譜利用率和功率效率，802.11n和802.11ac標準相繼完整引入了單用戶MIMO 通信技術和多用戶MIMO (Multi-user MIMO，MU-MIMO)通信技術。

自MIMO提出以來， CSI的有效獲取問題一直是MIMO研究的焦點和難點，也是制約MIMO使用性能的重要因素。802.11n和IEEE 802.11ac標準使用 “基于接收端有限反饋”的方法獲取信道狀態信息，該方法與文獻[1-3]相似，都是基于信號處理直接獲取CSI信息的思路，其精度和準確度受輸入參數和環境影響明顯。在現有機制下，發送節點(如Mesh節點或Mesh接入點)并不能獲知各用戶信道是否有波動，即無法精確快速獲取CSI信息，從而無法通過發送端的預編碼來減小或者消除用戶間的干擾，難以滿足現實需要；文獻[4]給出了另一種解決思路，通過利用信干比反饋和功率最優分配策略，間接獲取CSI信息，也達到了提升系統性能的目的。盡管該算法僅考慮了傳統無線局域網接入點(多天線)與客戶端(單天線)的通信過程，但其思想完全可用于多天線Mesh節點間的通信。

1.2OFDM的抗PAPR技術

OFDM是一種多載波調制技術，該技術利用快速傅里葉反變換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)將一個寬的帶寬分割成多個緊密相鄰(甚至部分重合)、相互正交的子載波，有效提升了頻譜利用效率；利用串并變換將高速的信息流變換成多路低速的數據流，有效提高了抗頻率選擇性衰落的能力。基于OFDM在頻率利用率和抗干擾能力上的優勢，802.11a/g/n/ac/ad等系列標準將OFDM作為必選的另一物理層關鍵技術。在802.11系統中，OFDM子載波的頻率間隔設定為312.5 kHz，子載波數根據帶寬的不同從52個(802.11a/g)到484個(802.11ac)不等，其中數據子載波最高達468個，OFDM與MIMO的結合，大幅度提升了數據傳輸速率。但是，OFDM普遍存在PAPR高的問題，較高的PAPR容易引起器件的非線性失真，降低功放效率，從而造成頻譜“外泄”和子載波間的干擾，造成OFDM系統的誤碼性能下降，縮短電池的工作時間。

降低PAPR的技術主要包括信號畸變類技術、概率類技術和混合類技術。

1) 信號畸變技術[5-6]。典型的有，文獻[7]提出的“限幅+擴幅”組合方法，該方法通過設置適當的波峰和波谷閾值來改善PAPR性能，這類方法具有實現過程簡單、降低PAPR效果明顯的特點，但會產生帶內畸變和帶外擴展；文獻[8]設計了一種聯合抑制PAPR算法，該算法通過對信號進行編碼來降低PAPR，不會產生限幅噪聲，但計算復雜度非常高，編解碼比較復雜，而且信息速率降低很快，只適用于子載波數比較少的情況。

2) 概率類技術。典型的有，利用 Alamouti 空頻分組碼(Space-frequency Block Codes，SFBC)固有的冗余性而提出的不需傳輸邊信息的選擇映射法(Selective Mapping，SLM)方法[9]，利用交織、時域備選技術的“半盲SLM方法”[10]，多級尋優的改進部分傳輸序列法(Partial Transmit Sequence，PTS) 方法[11]，以及能夠大幅度減少IFFT次數的“基于時域子塊信號部分循環移位的部分傳輸序列算法”(Modified Partial Transmit Sequence，MPTS)[12]等方法，其思路是通過破壞子載波相位之間的相關性來降低高OFDM信號幅值出現的概率，具有較好的降PAPR性能，改進算法相對于經典算法的計算量有所減少，但實現復雜度仍然較大。

3)混合類技術是上述方法的聯合，包括信號畸變類和概率類的聯合、限幅類和編碼類的聯合，以及概率類與編碼類的聯合等[13]，目前相關成果不多。

2MAC層技術

802.11的MAC層基于CSMA/CA機制實現，這種機制在高負荷的網絡中會產生大量的節點碰撞，導致不公平、不可預測和不穩定[14]問題，很多文獻從改進CSMA/CA性能的角度進行了研究；但該協議不能從根本上解決沖突問題，而將TDMA機制引入802.11協議，可以達到保證信息數據的無沖突傳輸，并使系統適于室外長距離、多跳傳輸的目的。

2.1CSMA/CA機制的公平性改善技術

1) 競爭窗口調節法[15]。這種方法通過每次成功傳輸后禁止競爭窗口復位到最小值來提高吞吐量，但沒有考慮短期的公平性，使某些節點由于經歷連續的碰撞而被迫處于長時間的退避階段，造成傳輸速率更低。

2) 競爭參數調整法[16]。這種方法通過估計競爭者(用戶)的數量并調整競爭參數來提高吞吐量并兼顧公平性，但復雜度大幅提高，而且當出現信道錯誤時，會使估計結果的準確性大大降低。

3) 確定性退避法。這類方法通過將隨機退避機制改為確定性退避來實現近似無碰撞傳輸，從而提高系統的吞吐量，文獻[17-18]提出了一種具有碰撞避免增強功能的確定性退避方法(CSMA/ECA)；文獻[19]在此基礎上考慮了公平性問題，也考慮了多跳特性，但存在系統用戶數不能超過確定性退避值的限制；文獻[20]提出了遲滯確定性退避的方法，通過修改CSMA/ECA實現了系統容納用戶數的增加，結合公平分享(fair-share)策略，進一步保證了長期的公平性。

目前，有些方法已經進行了軟硬件實現，下一步有望被802.11標準協議接納。但需要注意的是，上述方法主要考慮了CSMA/CA的退避機制和公平性問題，并沒有突破CSMA/CA本身的限制，無法從根本上解決數據碰撞的問題，在大容量用戶情況下提升吞吐量的能力有限。

2.2基于802.11的TDMA改進技術

Moraes等[21]率先證明了TDMA用于802.11系統的可行性，ROSALNet[22]、公路鏈狀網[23]、點對點長距離系統[24]等應用進一步證明，相比較CSMA/CA機制，基于TDMA的WiFi-Mesh無線自組網系統具有更好的延時、抖動和健壯性，傳輸距離更遠，對移動性支持更好。TDMA的實現難點是同步精度難以保證，Djukic等[25]提出了基于軟件的TDMA MAC協議(Soft-TDMAC)，該協議通過鎖相環實現了節點的兩兩同步，然后通過建立基于最小跳數的全網同步樹，實現了全網的緊同步，降低了全網的同步錯誤，提高了同步精度和分配效率，但可靠性不高；文獻[26]討論了LiT-MAC的原理和具體實現問題，該方法能夠提高時間同步的可靠性，并兼顧了多信道、長距離傳輸等問題，但需要統一的集中管理器進行時間調度，抗干擾性不足。上述改進思路主要是對802.11協議進行修改以支持高同步精度TDMA，但仍存在互相無法兼容、系統靈活性低等問題，如果基于軟件定義網絡(Software-Defined Networking，SDN)思想，在不改變原有架構的基礎上疊加一個統一的控制層來實現TDMA，再利用精準時間協議(Precise Time Protocol，PTP)和一些新技術實現微秒量級的定時精度，將大幅提高系統的通用性，促進多網融合。

2.3CSMA/TDMA結合技術

將CSMA和TDMA結合使用是另一種研究思路，這種方法是對實現復雜度和性能的折中考慮，比較適合節點數量不多的多跳網絡。Sayadi等[27]提出了基于TDMA的單觸發時隙預留(One shot Slot TDMA-based Reservation，OSTR)方案，該方案將時間幀分為2種子幀，一種是遵循CSMA/CA信道接入方案的CONTROL子幀，主要完成控制命令等數據量較少的短報文傳輸；另一種是按照固定調度的方式進行接入的DATA子幀，主要完成業務數據的傳輸。這種方案既利用TDMA實現了固定時隙分配，又利用CSMA實現了全網節點時隙的動態按需分配，增加了系統帶寬，比較適合多跳傳輸的應用場景，但該算法并沒有考慮業務的服務質量(Quality of Service,QoS)問題。文獻[28]也利用確定性退避的方法結合TDMA固定時隙調度思想提出了一種不間斷無沖突MAC自適應算法，在無需考慮流量類型和終端數量的情況下能保證無碰撞的數據傳輸。

3網絡路由技術

網絡路由技術是實現WiFi-Mesh無線自組網系統多跳、自組織特性的決定性技術，目前的路由協議主要有基于網絡層設計的三層路由協議和基于鏈路層設計的二層路由協議2類。相比較三層路由協議，二層路由協議不需要在用戶空間和內核空間頻繁地進行數據讀取、寫入和交換，可極大地降低數據包處理開銷，并實現對網絡層的透明性，大大提高了協議的可擴展性[29]。其中最有代表性的二層路由協議是混合無線Mesh協議(Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP)[30]和最佳移動網絡路由協議(Better Approach To Mobile Ad-hoc Networking Advanced，BATMAN-adv)[31]路由協議。

3.1HWMP路由協議及其改進技術

HWMP協議是802.11s工作組專門為WiFi-Mesh網絡開發制定的綜合路由協議，該協議結合了反應式路由協議和基于樹狀拓撲的先驗式路由協議的優點，能較好地適應無線Mesh網絡。當前的改進思路主要是通過增加不同的路由判據來實現性能的優化：基于預留的HWMP(Reservation-based HWMP，R-HWMP)協議[32]通過在路由請求和轉發包中引入RSpec和TSpec字段，提高了端到端的服務質量(QoS)；HWMP-ETX路由協議[33]、Q-HWMP[34]和HWMP+協議[35]分別通過引入期望傳輸數量(Expected Transmission count，ETX)、時延特性、鏈路質量和吞吐量等路由判據，降低了時延和丟包率；Eltahir等[36]將鏈路消亡時間(Link Expiration Time，LET)引入路由判據，利用LET決定鏈路的穩定性，提高了移動性適應能力。此外，能量有效的HWMP(energy-efficient HWMP，eHWMP)協議[37]通過將節點剩余能量作為路由判據，提高了能量有效性。上述改進協議能夠在一定程度上提高QoS、時延、吞吐量、能量有效性等性能，但與傳統的協議一樣，它們都缺乏有效的擁塞控制策略，也沒有充分考慮負載均衡的問題，當網絡中有大量數據需傳輸時，將產生網絡根節點流量過載的情況。

3.2BATMAN-adv路由協議及其改進技術

BATMAN-adv協議是一種新的引入了綜合人工智能(collective intelligence)思想的路由協議。基本思路是通過整個網絡的所有節點共同維護網絡拓撲信息，來達到更好地對抗由于網絡波動而引起的邊界效應并補償不穩定性的目的，非常適用于傳輸質量不穩定的WiFi-Mesh網絡[38]。國外很多學者對這種路由算法的實用性進行了測試[39-41]，并與一些開源的路由協議進行了對比分析，證明該算法在丟包率、延遲、網絡的吞吐量等方面具有很好的表現，與HWMP相比，具有更優的穩定性[42-43]。但這種路由協議還存在網絡拓撲變化后，收斂速度慢的問題[44-45]，可以從以下幾個方面進行改進：

1) 探測包(Originator Message，OGM)發送間隔優化。協議默認設置的OGM發送間隔是1 s，縮小發送間隔能夠加快路徑發現的時間，但是會降低2個終端的帶寬。研究發現，當OGM發送間隔設置為0.2 s[46]時，能夠取得收斂速度和帶寬的平衡。

2) 滑動窗口機制優化。研究發現，當節點剛開始工作時，由于尚未收到任何本地鄰居節點傳來的OGM 報文，本節點記錄的最新序列號尚未完成賦值初始化工作，因此當收到OGM報文時，計算收到的OGM報文與節點記錄的最新序列號的差值將產生超出窗口范圍的錯誤，從而引發滑動窗口復位，進入保護周期，丟棄OGM 報文，路由收斂速度降低。文獻[47]在代碼中增加了一個負責檢查節點的本地鄰居列表的開關，當本地鄰居列表為空時，關閉窗口保護機制；當存在新的鄰居時，再打開窗口保護，避免了源節點列表更新的延遲，提高了路由的收斂速度。

3) 鏈路傳輸質量(Transmit Quality，TQ)計算方式優化。通過改進本地TQ、傳輸TQ和全局TQ的計算方法[48-49]，可實現對路徑變化的快速感知，從而達到快速切換、提升路由收斂速度的目的。

此外，改進信號強度、改進消息處理機制也可以對路由收斂速度進行優化。

4WiFi-Mesh系統關鍵技術展望

WiFi-Mesh系統性能的提升需要從物理層技術、MAC層技術和網絡路由技術等多方面進行優化和改進。由上述分析可以看出：

1) MIMO和OFDM技術將得到更快發展。除了解決CSI的有效獲取問題，為了進一步提升MIMO性能，在有效解決因收發天線數量增加所帶來的收發機波束矩陣計算復雜度問題，以及因天線數量和移動用戶終端節點增加所帶來的能量消耗問題的前提下[50-51]，綜合考慮更多天線帶來的體積、重量增加問題，將貝爾實驗室科學家Marzetta提出的大規模MIMO(Massive-MIMO)[52]技術引入系統具有很大的可行性。解決OFDM的PAPR問題需要考慮應用環境特點：針對能量有效性要求高而數據帶寬要求相對低的軍事戰術通信場合，利用信號畸變技術降低PAPR具有較大的可行性和合理性；隨著處理器運算能力的大幅度提升，運用聯合類算法將是降低PAPR、保證系統性能的可靠手段。

2) CSMA和TDMA各有優勢。在負載較小、傳輸距離較近、實時性要求不高的情況下，可通過優化CSMA滿足WiFi-Mesh無線自組網系統的使用需求，并保證系統的通用性和可擴展性；在負載較多、傳輸距離較遠、實時性要求高的場合，引入TDMA的性能優勢更加明顯，但要考慮實現的復雜度和同步精度問題；對于節點數不多的多跳網絡，CSMA/TDMA的組合方式在一定程度上能夠取得實現復雜度和系統性能的平衡。

3) 二層路由協議是未來系統應用的首選。從目前情況看，盡管HWMP是802.11s的標準路由協議，人們對其進行了廣泛的研究，但其實際使用性能較弱、穩定性不高，距離實際部署及應用差距較大；而對于目前已發布2015.1 release版的開源BATMAN-adv協議，得益于其輕量化、跨平臺的設計思想和基于統計方法的路由查找策略，在對收斂速度進行根本性優化的前提下，其發展空間更加廣闊，是非常值得關注的一種實用路由協議。

5結 束 語

隨著信息科技的不斷進步，包括蜂窩通信系統、寬帶無線接入系統在內的多種無線網絡發展迅猛，上述關鍵技術性能的提高，將使基于802.11的WiFi-Mesh無線自組網系統繼續得以長足發展。未來，通過引入新技術，還將使WiFi-Mesh無線自組網系統性能得到更大程度的提高。如，引入協作通信技術，通過為系統提供“用戶合作分集”[53]實現無線資源(信道容量優化和頻譜共享)的高效管理；引入認知無線電技術，通過使系統快速識別和調整可用頻率而大幅度提升頻譜利用效率；引入內容緩存技術[54-55]，通過動態緩存重要數據有效降低因鏈路異常中斷，而導致消息丟失的概率；引入延時容忍網絡(Delay Tolerant Network，DTN)技術[56]，通過某種存儲感知路由協議對端到端的鏈路變化進行預估，也可實現波動鏈路狀態下信息傳輸的魯棒性。

需要說明的是，安全性技術也是WiFi-Mesh無線自組網系統的關鍵技術之一，限于篇幅和研究方向，本文對此并未涉及。

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(編輯：李江濤)

Comprehensive Study on Key Technologies of WiFi-Mesh Wireless Network

LIU Zuoxue，DAI Jianmei

(Department of Information Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

AbstractWiFi-Mesh wireless network is a collective name for a type of ad-hoc network systems based on 802.11 protocol and wireless routing protocol. With a layered approach, the paper makes analysis and discussion on the multi-antennal technology, multi-carrier technology, media-accessed control mechanism, routing algorithm and some other key technologies for the system and puts priority on the status quo, challenges and future development direction on information acquisition technology of channel state information (CSI) in multi-antennal condition, peak to average power ratio reducing technique in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM), carrier sense multiple access/collision avoidance , improvement mechanism of time division multiple access (TDMA), hybrid wireless Mesh protocol and optimized mobile network routing protocol. In the end, the paper shows the outlook of the new technologies which may be used for WiFi-Mesh wireless ad-hoc network system.

Keywordschannel state information (CSI); peak to average power ratio (PAPR); carrier sense multiple access/collision avoidance (CSMA/CA); time division multiple access (TDMA); routing protocol

文獻標志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.02.021

文章編號2095-3828(2016)02-0095-07

中圖分類號TP393.0

作者簡介劉作學(1962-)，男，教授，主要研究方向為軍事無線通信技術。lzx626@sohu.com

收稿日期2015-12-08