无线Mesh网络可扩展性相关技术

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摘要：无线移动通信中传输的数据密度持续增长对无线Mesh网络的系统性能提出了挑战。在无线自组织网络中，由于存在随着节点数目的增加而平均节点容量逐步降低的规律，因此无线Mesh网络的大规模组网难以实施。无线Mesh网络可扩展性对于增强无线Mesh网络的自适应组网能力至关重要，因此，文章对在Mesh基站和Mesh移动台上采用的与可扩展性相关的关键技术，如信道分配技术、智能路由技术、多天线技术、节点分类和QoS分级技术、协作传输技术等，进行了探讨。
　　伴随全球移动通信系统(GSM)等移动网络在过去20年中的广泛普及，全球移动语音通信业务获得了巨大的成功。如今，随着技术的更新换代，移动通信除继续支持话音业务外，数据新业务的进展开始明显加快，而且对高传输速率、高覆盖以及良好的端到端服务质量(QoS)也有更迫切的要求。随着无线通信业务需求的不断增长，无线通信技术的发展日新月异，新的无线网络架构和技术不断被提出。在传统蜂窝通信技术以及自组织网络(Ad Hoc)技术的基础上，无线Mesh网络技术得到了快速发展，而且受到了工业界与学术界越来越广泛的重视[1-2]。
　　无线Mesh网络与Ad Hoc网络以及蜂窝网络如图1所示。可以看出，无线Mesh网络具有与Ad Hoc网络类似的大部分特点，比如自组织、自漫游、自恢复等，因此具有开放式的网状网络架构。然而，在无线Mesh网络中，各节点并不像Ad Hoc网络中那样全部是平等的，而是分为Mesh基站和Mesh移动台。其中Mesh基站的功能要远多于Mesh移动台，而且承担着比Mesh移动台更多的网络管理维护以及数据接力传输任务。换句话说，无线Mesh基站一直都固定担任Ad Hoc网络中簇头的作用，而不是像Ad Hoc网络中那样簇头只是临时的[3]。因此，从这点上来看，无线Mesh网络可以被看作是介于蜂窝网络与无线Ad Hoc网络之间的一种通信网络，其一定程度上融合了传统蜂窝网络中集中式管理的特点，同时又保持了Ad Hoc网络的灵活性。表1列出了3种无线网络的基本特征。

　　

　　

　　无线Mesh网络迅速发展的一个深层次原因是频谱问题。随着无线通信业务的发展，大量的多媒体业务需要更高速率的数据传输，因此也需要占用更大的带宽。虽然新的传输技术，如多入多出(MIMO)技术、自适应调制编码(AMC)技术以及近年出现的动态频谱共享技术等可以在一定程度上提高系统的频谱效率，从而缓解对频谱的需求，然而，未来对频谱的需求问题仍然很难让人乐观。从最新的世界无线电大会的频谱分配结果来看，低端的频谱占用越来越密集，因此未来无线通信系统如果需要更大的连续或对称频谱，将不得不寻求在更高的频段进行传输[4]。由于无线信号在高频段将衰减得更快，因此在相同的发射功率的情况下，每一个基站的覆盖范围将变得更小。另外，除了技术和成本因素，由于发射功率对人生活的影响等诸多原因，单纯地增加基站发射功率显然也是不现实的。这样的情况下，无线Mesh网络中多跳传输的特点和优势正好得以发挥。尤其是在人口密集的城市高楼林立的情况下，由于大楼遮挡等原因而导致的无线信号覆盖困难也可以由部署无线Mesh网络来加以缓解。
　　无线Mesh网络具有开放式的网络架构，从理论上来说具有较好的可扩展性。然而，在实际的系统中，无线Mesh网络的组网却面临着较多的实际问题。在现有无线Mesh相关的标准中，例如IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.15(Bluetooth和Zigbee)以及IEEE 802.16(WiMAX)，也未能给出很明确实用的组网方案[5]。其中一个重要原因是在无线自组织网络中，存在随着节点数目的增加网络容量逐步降低的规律。文献[6]表明在Ad Hoc多跳网络中，每个节点的平均容量与变量成比例，其中n是节点的数目。而在无线Mesh网络中，由于受到中心网关的限制，其每个节点的平均容量变成与O(1/n)成比例[7]。因此，无线Mesh网络的大规模组网难以实施，需要更为强大的硬件设施以及更为高效的协议支持。
　　本文重点探讨无线Mesh网络的可扩展性相关技术，目的是增强无线Mesh网络的自适应组网能力。
1 无线Mesh网络可扩展性相关技术
　　在无线Mesh网络中，由于多跳传输的原因，提高容量与增大覆盖范围成为一对矛盾体。因此，研究无线Mesh网络可扩展性相关技术，其目标是在保持容量的情况下扩大覆盖范围。而要达成以上的目标，需要从两个层面开展研究：一个是Mesh基站的可扩展性，另一个就是每个Mesh移动台的可扩展性。相比而言，目前Mesh移动台可扩展性研究比较多，而且其与Ad Hoc网络中的可扩展性研究有很多相似之处，但是Mesh基站的可扩展性却更为重要，因为Mesh基站是无线Mesh网络的骨干节点。
　　1.1Mesh基站的可扩展性
　　根据无线Mesh基站的特点，其可扩展性相关技术主要包括信道分配技术、智能路由技术以及多天线技术等几个方面。
　　(1)信道分配技术
　　无线Mesh网络中的节点可以采用单信道或者多信道进行传输。然而，单信道的传输将引发非常复杂的共信道干扰问题，同时，还将加剧在无线自组织网络中存在的隐性终端和暴露终端的问题。很明显，在自组织网络中，网关跳数越大的节点，由于平均分配的带宽越小，其成功接入的机会就越小。虽然在跳数增加到很大时，可以使用频率复用技术来缓解，但是在单信道的情况下，节点分配到的带宽只能达到1/2m和1/m之间(m是跳数)，而且还存在着严重的接入不公平性。由于无线Mesh基站承担着骨干节点的作用，因此其采用多信道的方式进行传输几乎是必不可少的。在实际的系统中，无线Mesh基站一般是多模的，即可以在多种空中接口(如IEEE 802.11a/b/g等)上传输，这样才能满足实际传输的需要。
　　在多模的情况下，信道分配技术目前被认为是无线Mesh网络中的一项较为实用有效的关键技术。然而，信道分配必须将Mesh基站与Mesh移动台结合起来考虑。通常说来，是让Mesh基站之间用802.11a接口进行传输，而将802.11b/g接口用于Mesh基站与属下的Mesh移动台之间进行连通。因此，对于相邻的Mesh基站来说，必须要进行合理的频率协调规划。由于802.11a接口中从5.25～5.35 GHz以及5.725～5.825 GHz可以使用8个非重叠的信道，因此可以在相邻的Mesh基站之间采用不同的信道进行传输。文献[8]详细总结了无线Mesh网络中的信道分配问题，并且指出了信道分配中存在的问题和挑战。
　　考虑到Mesh基站的可扩展性，当一个新的Mesh基站尝试接入已有的Mesh网络的时候，除了要研究高效的接入技术之外，合理的信道分配也非常重要。一个较为实用的方法是采用载波侦听(CSMA)的方式来进行信道获取。另外，离网关越近的Mesh基站，由于其需要中继的数据也越多，通常其应该享有更高的信道使用优先级。合理的信道分配可以减少冲突概率，降低干扰，减少时延，从而增强无线Mesh基站的可扩展性。
　　(2)智能路由技术
　　智能路由技术是无线多跳网络的核心技术，路由算法直接影响到整个无线Mesh网络的性能。可以说，无线Mesh网络和无线局域网(WLAN)一个最大的差别就是其路由功能。经过多年的发展，针对Ad Hoc网络的路由协议的研究已经有了很多实用的成果，也涌现了很多经典的路由算法，主要可以分为先验式、反应式以及混和式路由协议。由于网络容量的限制，需要尽量减少路由协议的开销，但是由于节点的移动性导致网络拓扑变化，因此又不得不进行频繁的信令传输以加快路由的更新。相比Ad Hoc网络而言，由于无线Mesh网络中的路由主要由Mesh基站承担，因此其路由线路比Ad Hoc要相对固定一些，但也造成其路由的灵活性受到限制。
　　在无线Mesh网络中，由于Mesh基站承担着大部分路由功能，因此智能路由协议的设计必须考虑这一因素。另外，智能路由协议必须考虑到各个Mesh基站上的业务承载情况，即在一定程度上有利于负载均衡。负载均衡实际上也是网络公平度的一个重要衡量指标。此外，在多跳中继的过程中，为了保证远端节点和近端节点信息传输延时的公平性，Mesh基站在发送数据的时候必须考虑优先转发远端节点过来的信息。
　　(3)多天线技术
　　多天线技术近10年来在移动通信领域得到了迅速发展，同时也在无线Mesh网络中开始了广泛的应用。多天线技术的作用主要在于提高无线Mesh网络的容量、改善网络路由性能、优化网络能量消耗、协助进行节点定位以及提高用户的QoS保障能力等。另外，由于多天线技术的应用可以提高容量以及增加覆盖范围，因此也可以极大地改善无线Mesh网络的可扩展性。
　　对于Mesh基站来说，由于其很可能装备多个天线和多个射频模块，因此可以应用波束成形、空分多址等技术。文献[9]表明，通过在发射端或接收端应用波束成形技术，可以分别取得或 的容量增益，其中α和β分别为发射端和接收端的天线波束宽度。当在发射端和接收端联合采用波束成形技术的时候，则可以得到的容量增益。通过采用波束成形技术，也可以增加Mesh基站的覆盖范围，一方面可以减少路由中的跳数，另一方面也改善了网络的可扩展性。另外，通过空分多址技术，可以将传输信道从空间上分离，从而取得更多的可用信道，提高Mesh基站的接入概率。
　　1.2 Mesh移动台可扩展性相关技术
　　Mesh移动台的可扩展性主要指在一个Mesh基站为核心的区域里，如何在保证容量的情况下扩大覆盖范围的问题。涉及的主要技术有：信道分配技术、节点分类和QoS分级技术、协作传输技术等。
　　(1)信道分配技术
　　为了提高多跳网络的性能，未来的无线Mesh网络中的移动台也可以是多模的，如配置IEEE 802.11b/g等等。IEEE 802.11b/g在2.4 GHz到2.4835 GHz上有3个不重叠的信道。这样，Mesh移动台也可以采用不同的空中接口或者运行在不同的信道上，用于与Mesh基站之间的互联互通。一个实用的信道分配方案是在一个以Mesh基站为圆心的覆盖范围内，采取分圈的办法将覆盖范围划分，并且将每个圈之间采用的空中接口错开。当新的Mesh移动台接入网络的时候，可以根据其所在的位置来选用其合适的信道进行传输。对于这种方案，重点是要考虑一个Mesh基站所能服务的圈数以及各个圈之间的合理距离。另外，与Mesh基站中的情况类似，离Mesh基站越近的Mesh移动台，由于其需要中继的数据也越多，通常其应该享有更高的信道使用优先级。而且，这些Mesh移动台在发送数据的时候必须考虑优先转发远端Mesh移动台过来的信息，以保证远端节点和近端节点信息传输时延的公平性。
　　(2)节点分类和QoS分级技术
　　无线Mesh网络必须能够同时在节点稀疏和节点密集两种场景下都能很好地工作。但是，如前所述，当节点密集的时候，传输时延将会变长。为了解决Mesh移动台可扩展性的问题，文献[10]提出了一种动态自适应算法以减少节点之间的冲突。该算法的主题思想是将节点进行分类，对于不同的节点，设置不同的接入优先权系数。这样一来，节点之间的接入冲突就得到了有效控制，从而保证了更为有效的传输，降低了传输时延，节点密集的无线Mesh网络的可扩展性也得到了有效的改善。
　　在文献[11]中，提出了一种QoS分级的方法以改善无线Mesh网络的可扩展性。将IEEE802.16协议中Mesh节点的下一个可接入时段长度和需要等待的时间抽象化，将它们与传输业务的QoS关联起来。即对于不同的QoS业务，设定不同的下一个可接入时段长度以及需要等待的时间。通过QoS分级方法以及设定冲突指示，可以改善密集Mesh网络的可扩展性问题。
　　(3)协作传输技术
　　一般来说，与Mesh基站不同，在Mesh移动台端很难配置多个天线。即使可能配备两个天线，也往往共用一个射频模块，通过发射天线选择来取得有限的空间分集增益。但是，多个Mesh移动台可以采用协作传输技术来取得更大的分集增益[12]。例如，多个Mesh移动台可以通过组成一个虚拟的多天线来进行传输，即采用虚拟MIMO技术。另外，多个Mesh移动台还可以采用合作编码的方式来进行传输，获得一定的分集增益。借助无线Mesh网络的开放式架构，协作传输技术可以提高Mesh移动台的传输速率，而且通过协作传输，提高了Mesh移动台的传输范围，这对于那些离Mesh基站较远的Mesh移动台尤其重要。因此，协作传输改善了Mesh移动台的可扩展性。在协作传输中，合适的用户配对是至关重要的，既要尽可能地提高协作用户的吞吐量，又必须保持各个用户间的公平性[13]。
2 结束语
　　受限于自组织网络的固有弱点，无线Mesh网络的可扩展性问题尤其突出。本文分别讨论了Mesh基站和Mesh移动台相关的可扩展性关键技术，其中对于Mesh基站主要讨论信道分配技术、智能路由技术以及多天线技术等等；对于Mesh移动台主要讨论信道分配技术、节点分类和QoS分级技术以及协作传输技术等等。然而，在上述各种关键技术的实施时，仍面临较多的挑战，尤其是很多物理层技术的实现需要相关媒体访问控制层协议的辅助，比如Mesh基站的波束成形技术和空分多址技术等等。因此，Mesh网络的跨层优化需要进一步深入研究。
3 参考文献
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