无线网格网关键技术分析

张记瑞　黄圣春　魏急波

摘 要： 作为一种新兴的无线组网技术，无线网格网在灾后救援、临时大型活动及时通信和家庭办公多媒体数据交互等多个领域都有着广阔的应用前景。介绍了无线网格网的网络结构和标准化协议，并针对MAC协议设计的两个关键技术：时隙分配和跨层设计进行了阐述和总结，为解决现有无线网格网协议中时隙利用率低和多跳传输效率不高提供了依据。

关键词： 无线网格网； 时隙分配； 跨层； MAC协议

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）19?0057?03

Abstract： As an emerging wireless networking technique， wireless mesh network has a vast application prospect in the fields of rescue after disaster， instant messaging for temporary large?scale activities and telecommuting multimedia data interaction. The network structures and standardized protocols of the wireless mesh network are introduced. The two key technologies of time slot allocation and cross?layer design for MAC protocol design are presented and summarized， which provides the basis for improving the time slot utilization ratio and multi?hop transmission efficiency in the existing wireless mesh network protocols.

Keywords： wireless mesh network； time slot allocation； cross?layer； MAC protocol

0 引 言

随着通信技术的不断发展，人们对通信网络的依赖也日趋强烈。据中国网络信息中心发布的《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截止2014年底，我国手机网民规模已经达到5.56亿人，占网民总数的85.8%。然而，传统无线网络的问题依然存在，在偏远地区的网络架设成本高、基站损坏导致信息传输中断，人们迫切希望找到一种抗毁性强、可靠性高、支持多跳、具有自组织特性的网络，于是一种新的网络技术——无线网格网（Wireless Mesh Networks，WMN）进入了人们的视野。

由于无线网格网具有容错能力强、易于架设以及高带宽等特性，各标准组织都已经或准备将其纳入到自己的规范中[1]。无线网格网网络构架灵活，网络拓扑结构可变，节点的入网、离网便捷，使得网络具有较好的延展性[2]。对于临时举办大型活动、灾后应急救援、家庭办公场所的网络通信和数据传输，无线网格网发挥着很大的作用。

1 网络结构

无线网格网的网络结构主要可以分为以下三类：

（1） 骨干无线网格网

图1为骨干无线网格网，该网络是由无线Mesh路由器（Wireless Mesh Router，WMR）作为网关连接到互联网或者专有网络。无线Mesh客户端再通过连接网关，通过无线Mesh路由器进行数据交互，从而实现无线Mesh客户端的数据传输。这与蜂窝网最大的不同在于，蜂窝网基站之间是有线网进行连接，而无线网格网路由器之间为无线数据传输。

（2） 客户端无线网格网

图2为客户端无线网格网，该网络的特点是利用客户端设备自身网络建立一个点对点的通信传输链路。两个距离较远的节点之间通信可通过客户端作为中继节点传输。客户端无线网格网随着客户的移动，网络拓扑也会随之改变。这种网络具有自愈性高，抗毁性强等特点。

（3） 混合无线网格网

图3为混合无线网格网，该网络实现了骨干Mesh网和客户端Mesh网的融合，在支持通过Mesh路由器连接到互联网的同时，客户端之间也可实现直接通信。

2 标准化协议

2.1 IEEE 802.11

作为移动通信网络中应用最广泛的协议，IEEE 802.11在无线网格网中也被广泛使用。无线网格网可以看作是一种特殊的Ad hoc网络[3]，同时融合了WLAN网络，所以根据文献[4]，IEEE 802.11也能够对无线网格网有着较好的支持。正如文献[5]中所提到的，分布式协调（Distributed Coordination Function，DCF）机制是在IEEE 802.11定义中进行无线数据传输最基本也是最常用的方式，该机制将载波侦听技术（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）和确认技术（Acknowledgement，ACK）相融合。由于当节点发送产生冲突时，采用二进制指数随机退避策略，节点发送将难以保证公平性。文献[6]给出了一个缓解由于竞争导致节点非公平性的方法。由于存在着隐藏终端和暴露终端的问题，随着节点数量的增加，冲突将更加剧烈，网络吞吐量下降明显，数据传输的成功率也将随之降低。

2.2 IEEE 802.15

通过定义无线个人局域网通信技术（Wireless Personal Area Network Communication Technologies，WPAN）的PHY层和MAC层内容，使得IEEE 802.15能够有效支持工业界中低功耗的无线网格网。文献[7]给出IEEE 802.15的两种组网模式：一种是任意节点都可以与其他相邻节点进行通信的全网格网结构；另一种是只有部分节点可以与其他节点进行多跳通信，其余节点只能和一跳邻节点相互通信的部分网格网结构。该协议主要是针对避免冲突、低能耗等重点问题展开研究。endprint

2.3 IEEE 802.16

IEEE 802.16协议[8]下的无线网格网是基于时分双工（Time Devision Duplexing，TDD）的工作模式。该协议主要用于解决无线城域网（Wireless Metropolitan Area Networks，WMAN）的接入问题，其中包括PHY层和MAC层的详细问题。通过基站（Base Station，BS）对时隙进行预约和分配，可以有效避免冲突。每个节点都可以作为中继进行时隙多跳传输。该协议下的无线网格网分为集中式调度和分布式调度两种，基于调度机制可实现由基站划分预约时隙的集中式调度以及三次握手协商的分布式调度。

3 关键技术

3.1 时隙分配

由于基于CSMA/CA的载波侦听技术，在节点数量增多或业务量增大时，产生较大的冲突会引起节点退避，这样吞吐量会急剧下降。而时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）技术通过对时隙的预约和分配，可以有效避免冲突，实现时隙的优化分配，是提高传输效率的保证。

3.1.1 集中式时隙分配算法

集中式时隙分配主要是由无线网格网中的中心节点对全网所有节点进行时隙划分。这样的好处是，中心节点通过获取全网节点的拓扑信息，从而将时隙利用最大化。文献[9]给出了一种有序顶点着色算法（SVC），该算法主要利用图论中的染色问题，对传统的启发式时隙分配算法[10]进行了改进，通过获取最小帧长和时隙复用最大化两步，实现时隙优化分配。具体方法如下：

（1） 对全网节点按序标号，并列出每个节点的两跳内相邻节点。接下来按照相邻节点数由多到少排列，依次占用时隙，保证同一时隙内没有在两跳内的节点。把所有节点都分配时隙后，此时所得到的帧长即为最小化帧长；

（2） 实现时隙复用最大化，将邻节点数由少到多排列，并依次占用时隙，做到尽可能使时隙复用最大化。

然而，SVC并不能寻找到一个时隙复用最大化的解，只能通过该算法找到次优解。除了SVC外，基于神经网络的时隙分配算法[11]也可以找到最小帧长。然而，尚没有有效的算法可以直接寻找到时隙复用最大化解。

3.1.2 分布式时隙分配算法

相比于集中式算法，分布式算法的优点是可以不用获取全网的拓扑信息，只需要知道本节点两跳范围内的邻节点信息即可。最先提出的分布式时隙分配算法是分布式贪婪算法[12]，该算法需要获取本节点两跳以内邻节点的信息，通常采取假设，即已获得了本节点两跳以内邻节点信息。在分布式贪婪算法中，帧长是固定的，时隙数与节点数相等，保证每个节点都能够占用到不同的时隙。当有空闲时隙时，节点可以通过竞争占用。该算法实现较为简单，时隙分配效率也较高，然而如何获取节点的两跳邻节点信息，还需进一步研究。

3.2 跨层设计

在无线网格网中，PHY层无线信道容量和误比特率的变换特性，使得尽管有多种方法来提高物理信道的性能，但是分层设计依然无法保证低丢包率和可靠的传输性能。为了达到较好的传输性能，需要将MAC层、传输层、路由层等与PHY层实现有效融合。在MAC协议的跨层设计中，有两种主要的方法可采用[13]。一种是采用基于定向天线的MAC协议；另一种是采用有能量约束的MAC协议。

当采用定向天线时，可以有效消除暴露终端的问题，如图4所示。然而带来的问题是潜在的隐藏终端数会增多，如图5所示，同时，也面临一些系统复杂度的问题。当采用有能量约束的MAC协议时，在节点密度大而采用较小发送功率时，也可以较好地避免隐藏终端，当然，随着发射功率的降低，能够避免隐藏终端干扰的可能性也会降低，所以隐藏终端问题依然会比较突出。除此之外，文献[14]也给出了一种通过跨层设计解决分层设计中多跳传输带来的低吞吐量的问题。

4 结 语

到目前为止，无线网格网的多跳传输时隙还没有达到人们理想的预期，主要是由于IEEE 802.11协议广泛成熟的应用，IEEE 802.11协议所采用的CSMA/CA机制决定了当节点数多或数据量大时，会导致吞吐量急剧下降，这使得该协议在拓宽到两跳及其以上的应用上还存在着一些瓶颈。文献[15]是MIT计算机科学和人工智能实验室搭建的基于IEEE 802.11无线网格网平台Roofnet，通过该平台的实测结果表明，当网络由一跳扩展到两跳时，网络吞吐量下降超过了[23。]本文通过对MAC协议中基于TDMA MAC协议的时隙划分和跨层技术的研究与分析，旨在为下一步研究中找到一种避免冲突、提高网络传输效率的传输协议，以此来解决目前还存在的时隙利用率不高，多跳传输效率低等问题。

参考文献

[1] 姜欣，杜建凤.Mesh核心关键技术现状分析[J].现代电信科技，2009（6）：50?54.

[2] BELJADID A， HAFID A S. Design of wireless mesh networks： expansion and reliability studies [C]// Proceedings of 2008 IEEE Global Communications Conference. New Orleans： IEEE， 2008： 163?172.

[3] AKYILDIZ I F， WANG Xudong. A survey on wireless mesh networks [J]. IEEE Radio Communications， 2005， 38（4）： 393?422.

[4] LAN/MAN Standards Committee. ANSI/IEEE Std 802.11?1999 wireless LAN medium access control （MAC） and physical layer （PHY） specifications [S]. New York： IEEE?SA， 2009.endprint

[5] CARRANO R C， MAGALHAES L C S， SAADE D C M， et al. IEEE 802.11s Multihop MAC： a tutorial. [J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2011，13（1）： 52?67.

[6] WANG W， LEONG B， OOI W T. Mitigating unfairness due to physical layer capture in practical 802.11 mesh networks [J]. IEEE Transactions on Mobile Computing， 2015， 14（1）： 99?112.

[7] STANISLOWSKI D， VILAJOSANA X， WANG Q， et al. Adaptive synchronization in IEEE802.15.4e networks [J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2013， 10（1）： 795?802.

[8] IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society. IEEE Std 802.16?2004 air interface for fixed broadband wireless access systems [S]. New York： IEEE Computer Society and the IEEE Microwave Theory and Techniques Society， 2004.

[9] LEE H， YEO J， KIM S， et al. Time slot assignment to minimize delay in ad?hoc networks [J]. IST Mobile Communications， 2001， 11（3）： 128?134.

[10] VUONG T H P， HUYNH D T. Adapting broadcasting sets to topology changes in packet radio networks [C]// Proceedings of 1999 the 8th International Conference on Computer Communications and Networks. Boston： IEEE， 1999： 263?268.

[11] CHAKRABOTRY. Genetic algorithm to solve optimum TDMA transmission schedule in broadcast packet radio networks [J]. IEEE Transactions on Communications， 2004， 52（5）： 765?777.

[12] EPHREMIDES A， TRUONG T V. Scheduling broadcasts in multihop radio networks [J]. IEEE Transactions on Communications， 1990， 38（4）： 456?460.

[13] AKYILDIZ I F， WANG X D. A survey on wireless mesh networks [J]. IEEE Radio Communications， 2005， 11（9）： 23?30.

[14] LAUFER R， SALONIDIS T， LUNDGREN H， et al. A cross?layer backpressure architecture for wireless multihop networks [J]. IEEE/ACM Transactions on Networking， 2014， 22（2）： 363?376.

[15] BICKET J， BISWAS S， AGUAYO D， et al. Architecture and evaluation of the MIT roofnet mesh network （DRAFT） [C]// Proceedings of 2005 ACM Mobicom. [S.l.]： ACM， 2005： 31?42.

[16] 赵金东，王沁，万亚东，等.面向最小延迟的无线mesh网络时隙分配问题研究[J].小型微型计算机系统，2012，33（5）：1041?1046.

[17] Mesh Networks Inc. Mesh networks information headquarters [EB/OL]. [2012?08?12]. http：//www.meshnetworks.com/.

[18] Nortel Mesh Networks. Nortel networks corporation [EB/OL]. [2009?03?16]. http：//www.nortelnetworks.com/

[19] 北电网络.无线网状网（Wireless Mesh Network）：全新的广域宽带无线接入解决方案[C]//2005中国无线技术大会论文集.北京：信息产业部无线电管理局，2005：78?83.

[20] 姜永，郑明春，李国强.IEEE 802.16中的无线Mesh网络研究[J].计算机技术与发展，2008（5）：234?237.

[21] 曾智慧.基于IEEE 802.16标准的无线Mesh网络研究[D].上海：同济大学，2006.endprint