无线Mesh网络架构及发展现状研究
李曦
北京邮电大学，北京（100876）
E-mail：cici0404@
摘要：本文介绍了无线Mesh网络的自身特点、组网结构及其与移动Ad hoc网络和蜂窝网络的异同，重点论述了无线Mesh网络中路由协议的特点及分类，特别是MR-LQSR、PWRP、MCRP等无线Mesh网络专有的路由协议。
最后介绍了无线Mesh网络的研究现状，包括标准化进程和商用情况，以及未来的发展前景。
关键词：无线Mesh网络; 路由协议; 移动Ad hoc网络
1.引言
无线Mesh网络（WMN，Wireless Mesh Network），又称无线网状网、无线网格网，随着无线宽带接入因特网业务需求的急速增长，由于其所具有的高速率、易组网、成本低、性能稳定等优势，已经引起人们的日益关注。
有一位美国经济学家声言：Mesh网络和智能天线、Ad hoc网络以及超宽带技术一起，正在成为无线通信领域中压到一切的技术，它们将很可能使所谓的3G网络技术落伍，甚至可能会影响4G的发展。
这句评价毫无疑问将无线Mesh网络放在了一个很高的层次上。
其实早在20世纪90年代中期，无线Mesh网络的概念就已经提出来了，但人们真正开始关注它是在近两年。
可以说，无线Mesh网络是在移动Ad hoc网络的基础上产生发展的。
移动Ad hoc网络是美国军方为了在战场上通信而研发的，近年来随着一些保密技术相继被公开并转化为民用，逐渐成为移动通信领域的研究热点。
移动Ad hoc网络的应用环境和技术成本等因素决定了它并不适合直接应用于民用通信领域：最大的民用通信业务应该是包括VoIP业务在内的因特网业务，民用通信用户的移动性也远远低于军事通信用户。
因此需要一种基于移动Ad hoc网络的技术基础，并且适用于民用通信的无线多跳网络技术，于是，无线Mesh网络应运而生[1]。
MeshNetworks公司于2000年初购买了美国军方研发的战术移动通信系统的部分专利技术，由此开发了一系列具有自主知识产权的WMN民用产品，在市场上获得了极大的成功，2005年摩托罗拉公司极为看好其发展，成功收购该公司。
其间，诺基亚、北电网络、Tropos、SkyPilot、Radiant Networks和Firetide等多家公司纷纷开发WMN产品并相继推入市场。
无线Mesh网络进入了飞速发展的时期。
2.无线Mesh网络的组成和特点
一般而言，无线Mesh网络由客户节点、Mesh路由器节点和网关节点组成。
根据具体网络配置，并不一定包括所有节点。
客户节点可以是笔记本电脑、PDA、Wi-Fi手机、RFID 阅读器和无线传感器或控制器等；Mesh路由器可以是普通PC，也可以是专用的嵌入式系统，如ARM等。
客户节点按照功能可以分为两类：一类只作为普通终端接入网络，不具有转发信息的功能；另一类既具有普通节点的接入功能，又具有路由和信息转发功能，即兼具了无线路由器的功能。
按照结构层次，无线Mesh网络可以分为平面结构、多极结构和混合结构。
2.1 平面结构
由图1可见，平面结构[2]中所有节点都是对等的关系，每个节点都包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议，既可以接入网络，也可以转发其他节点的消息。
网内的节点能够形成任意网状的拓扑结构，节点也可以任意移动，网络的拓扑结构会动态的发生变化。
在这种环境下，由于节点的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发功能进行数据通信，而不需要借助其他基础设施。
图1 无线Mesh网络平面结构
2.2 多级网络结构
图2所示为无线Mesh网络的典型的多级结构[2]，分为上下两层。
下层的客户节点可以通过Mesh路由器接入到上层Mesh结构的网络中，实现网络节点的互连通信。
Mesh路由器提供路由选择和中继功能，为客户节点提供一条顺利连接到网关节点的无线链路。
网关节点通过路由选择和管理控制等功能为移动终端选择与其他网络节点通信的最佳路径。
这种结构的优点是可以兼容市场上已经有的设备，降低系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性，缺点是任意两个终端节点之间不能直接通信。
图2 无线Mesh网络分级结构
2.3 混合网络结构
图3给出了混合网络结构示意图[2]。
在混合结构中，用户节点增加了具有转发和路由功能的Mesh设备，之间可以实现无线互连，这是无线Mesh网络最常见的组网结构，也是最有普遍研究意义的结构。
图3 无线Mesh网络混合结构
2.4 无线Mesh网络、蜂窝网络以及移动Ad hoc网络的比较
现有的网络技术层出不穷，无线Mesh网络能够在其中成为新一轮的研究热点是由它本身的特点和未来网络发展的发向所决定的。
下面的表1比较了无线Mesh网络和蜂窝网络以及移动Ad hoc网络的各自特点，对于无线Mesh网络的优缺点一目了然。
表1无线Mesh网络、蜂窝网络及移动Ad hoc网络的比较
无线Mesh网络蜂窝网络移动Ad hoc网络拓扑结构多点到多点（网状）点到多点动态拓扑
覆盖范围可实现城域覆盖通过小区方式可以覆盖广大地区一般在局域范围内
容纳用户数多非常多较少
控制方式分布式控制集中式控制分布式控制
设计目的用户接入为主用户接入以及用户间通信用户间通信为主
另外，无线Mesh网络虽然是由移动Ad hoc网络发展变化而来的，但是这二者之间还是有许多不同的地方，最突出的有两点：一是无线Mesh网络中节点的移动性比移动Ad hoc 网络要低，网络拓扑变化没有那么频繁，在一段时间内可以认为是静止的；二是移动Ad hoc 网络中的业务流量主要是来源于各个终端之间的通信，而无线Mesh网络中的业务主要是和因特网通信[1]。
3.无线Mesh网络的路由协议
无线Mesh网络的路由协议是其研究的一个热点，如何在多跳无线网络中既能及时适应网络拓扑的变化，又保证业务的服务质量（QoS，Quality of Service），是设计路由协议时要重点考虑的因素。
本部分在分析了无线Mesh网络中路由特点的基础上，总结了现有的路由协议。
3.1 无线Mesh网络路由特点
无线Mesh网络由其自身的特点所决定，它的路由有以下几个特点[2]：
¾移动性
不同类型的网络节点有不同的移动性，路由器节点的移动性一般相对较低，而客户节点可能具有较高的移动性，在设计路由协议的时候要考虑到这一点。
¾能量约束
路由器节点通常直接与电源设备相连，所以不需要考虑能量约束。
而客户节点大部分以电池为动力，要考虑到运行一种能量使用效率较高的路由协议。
¾业务模式
无线Mesh网络以往来于因特网的业务为主，在路由选择上要注意QoS等参数，同时客户节点也可能同时具有转发功能，如何在转发业务与自身产生的业务之间达到均衡，也是路由协议设计要考虑的重点。
¾路由判据
许多已有的路由协议均采用最小跳数作为路由判据，但是在很多情况下，这样选择出来的路径并不符合要求。
[4]对于两节点之间满足最小跳数原则的路径，由于干扰冲突与通信距离等因素的影响，链路质量可能会很差，网络吞吐量也较低，并不是最优路由。
在[5]中分别将期望传输次数（ETX，Expected Transmission Count）、往返时间（RTT，Round-Trip Time）和数据对延迟时间（PktPair，Packet-Pair Latency）与最小跳数（HOP，Hop Count）作为路由判据进行对比。
研究表明，当节点完全静止的时候，ETX性能最优；当节点迅速移动的时候，HOP则优于其它判据。
在实际应用中，多判据将更能反映出链路质量给各个性能指标带来的影响。
3.2 无线Mesh网络路由协议的分类
路由协议可以分为路由发现和路由维护两个部分。
无线Mesh网络中寻找最优或者相对最优的路由，就是指如何选择一条路径将用户的无线数据回传到有线网络。
怎样确定这条路径，就是现在无线路由算法的研究热点。
当前业界和学术界主要有三种做法：一种是沿用有线网络中普遍采用的路由协议，例如OSPF、RIP等链路状态、距离向量协议；另一种是采用移动Ad hoc网络中开发的路由协议，如DSR、DSDV、AODV等；还有一种是开发无线Mesh网络专用的路由协议，已经提出的包括MR-LQSR、PWRP、MCRP等。
3.2.1 有线网络路由协议
从实现的复杂性考虑，沿用传统有线路由协议是最快捷的方式，而且目前实际部署的Mesh网络规模都有限，使用传统有线路由协议也能够较好的满足性能需求，因此，一定时期内，使用传统有线路由算法还不失为一种有效的解决方法。
北电无线网状网在清华大学部署的实证网就是采用OSPF路由算法，证明在较小的网络规模下，还是收到了较好效果的[6]。
但是无线通信环境的特点，决定了一个好的路由算法必须兼顾减少路由跳数以及降低某
条链路上的错误概率，同时还要考虑负载均衡、路由开销等因素，所以，有线路由协议并不适合无线Mesh网络，采用无线网络自身的路由算法势在必行。
3.2.2 移动Ad hoc网络路由协议
以下介绍几个适用于移动Ad hoc网络并且可以作为无线Mesh网络路由协议基础的相关路由协议。
¾动态源路由（DSR）协议
DSR（Dynamic Source Routing）[7]是一种按需路由协议，允许节点动态的发现到目的节点的多跳路由。
所谓源路由，是指每个分组的头部都携带在到达目的节点之前所有中间转发节点的列表，即完整的路由。
源节点发送一个路由请求分组，指明目的节点。
沿途转发的中间节点纪录分组中的相关信息，并且将自己的地址填入请求分组，直至目的节点。
目的节点收到请求分组后发送一个路由应答，其中包含了从源节点到目的节点的路由。
源节点收到应答后即可以选择合适的路由发送数据。
¾基于目的序号距离矢量（DSDV）协议
DSDV（Destinatio-Sequenced Distance Vector）[7]协议对Bellman-Ford路由算法即距离矢量（DV，Distance Vector）算法进行了改进，加入了目的节点序列号，用于防止由于节点移动而产生的路由环和死锁等问题。
在DSDV中，只使用序列号最高的路由，如果两个路由具有相同的序列号，那么将选择最优（跳数最少）的路由。
¾按需距离矢量（AODV）协议
AODV（Ad-hoc On-Demand Distance-Vector）路由算法[7]是按需式和表驱动式的一种结合，处理过程和存储开销都很小，能对链路状态的变化做出快速反应。
AODV支持单播、多播和广播通信，能快速删除非法路由，高效的利用带宽，将控制和数据业务的网络负荷最小化，引入序列号，不会形成路由环。
3.2.3 无线Mesh网络专用的路由协议
尽管移动Ad hoc网络的路由协议在一定程度上可以为无线Mesh网络所用，但终究不是最适合的，只有专门为无线Mesh网络开发的路由协议才能最符合它的要求。
¾多射频链路质量资源路由（MR-LQSR）协议
MR-LQSR（Multi-Radio Link-Quality Source Routing）协议[4]是微软公司研发的多信道WMN路由协议，采用了一种称为加权的累计传输时间（WCETT，Weighted Cumulating Expected Transmission Time）的新的路由判据。
WCETT综合考虑了带宽等链路性能参数以及最小跳数等因素。
该协议能在吞吐量与延时之间获得一种平衡。
MR-LQSR协议是在传统的DSR协议的基础上改进的，不但需要获得路径中节点和其邻居链路相关的状态信息，而且还要综合链路状态信息来评价链路质量的优劣，从而形成自身的路由准则。
该协议假设所有路由器节点都是静止的，每个节点有多个不同且互不干扰的无线收发器。
¾可预测的无线路由协议（PWRP）
PWRP（Predictive Wireless Routing Protocol）[8]是Tropos公司开发的应用于起“Wi-Fi 蜂窝网络户外系统”的私有路由协议，通过比较数据误包率以及其他网络条件来选择特定环境下的最优路径。
该协议是基于OSPF协议改进的，选择可以达到最大吞吐量的路径来传输到达有线网关的信息，减小了射频干扰、路径故障以及业务载荷等因素的影响，适用于大规模的网络，具有路由开销小等优点。
¾单收发器多信道路由协议（MCRP）
MCRP（Multi-Channel Routing Protocol）是UIUC大学Jungmin So等人提出来的[9]，支持在同一个区域内同时使用互不干扰的多信道资源，从而解决了无线Mesh网络因用户数据的增加而性能迅速降低的问题。
该协议与AODV有许多共同点，但是它可以在网络层完成信道管理工作，MAC层无需做任何修改，即可以使用现有的802.11 DCF协议。
网络性能得到极大的提升。
¾高吞吐率路由（SrcRR）协议
SrcRR协议[10]是在分析DSR+ETX协议吞吐量有限的弊端的基础上提出来的，使用自适应传输速率控制算法，在多次路由错误时才判定路由失效，使用了快速获取链路丢包率的方法，而不是传统的泛洪查询法，能够避免因数据包或者路由包冲突引起的链路质量降低，极大的提高了网络性能。
¾射频感知路由协议（RARP）
RARP（Radio Aware Routing Protocol）主要在ETX判据的基础上提出了射频感知路由判据，考虑了丢包率，同时增加了对数据传输率的感知。
该协议是在DSR协议的基础上实现的，不过用ETT路由判据替代了原有的最短跳数判据。
4.无线Mesh网络的研究现状
4.1 研究无线Mesh网络的主要标准化组织
鉴于无线Mesh网络的迅速发展，许多国际标准化组织也积极考虑在各种无线网络标准中加入对Mesh组网方式的支持。
IEEE 802.16标准组在2003年4月颁布的IEEE 802.16a宽带无线城域网标准中设计了对点到多点和Mesh两种拓扑结构的支持。
IEEE 802.15无线个域网工作组在2003年11月成立了Mesh 研究组TG5 ，研究利用短距离、低成本设备通过Mesh方式来覆盖一个较大的环境，如客厅、校园、医药等。
IEEE 802.11无线局域网工作组在2004年初也成立了Mesh 研究组，编号为802.11s，主要研究支持无线分布系统的协议，以便实现无线局域网的多个AP之间通过自动配置拓扑的方式组网。
此外，国际电信联盟（ITU）、3GPP以及IETF等机构也将无线Mesh网络纳入到工作计划中。
这些领域的标准化工作，将进一步推动无线Mesh网络技术的研究、应用和推广。
4.2 现有商用的无线Mesh网络系统
前面介绍无线Mesh网络发展历史的时候已经提过许多公司致力于无线Mesh网络的市场开发。
目前已经投入到商用的七家公司的无线Mesh系统见表2[3]。
表2 主要的商用无线Mesh网络系统比较
产品名称公司
用户
速率
(Mbit/s)
物理层
技术
频段
(GHz)
节点范围
MAC协
议
路由
位置
QoS
支持
Skypilot System Skypilot
(美国)
>3
IEEE
802.11a
5.8
32/6.4km
(视距/非视距)
同步
协议
第2层
Diff
Serv
Tropos 5110/3110 Tropos
(美国)
0.512-1
IEEE
802.11b
2.4
4.15km/290m
(室外/室内)
802.11
MAC
第2/3层
（PWR
P）
——
MEA MeshNetw
orks
(美国)
1.5-6 QDMA
2.4
1.6km
(非视距)
多信道
MAC
第2层
（MSR）
Diff
Serv
BelAir 200/100
BelAir
（加拿大）
>1
IEEE
802.11b/g/a
2.4/5.8
500/100m
(主干/用户)
802.11
MAC
第2/3层CoS
WirelessA P 220
Nortel
(加拿大)
>1
IEEE
802.11b/g/a
2.4/5.8
1km/100m
(主干/用户)
802.11
MAC
第2层——
Hotpoint 1000 Firetide
(美国)
>1
IEEE
802.11b
2.4
3km/200m
(室外/室内)
802.11
MAC
第3层——
MESHWO
RKS
Radiant
etwork
（英国）
>4
QPSK/
QAM
5.8
2km
(室外)
——ATM
ATM
QoS
4.3 无线Mesh网络的应用前景
无线Mesh网络可以应用于许多方面，应用方式主要有无线接入、无线传输和简单组网。
它的主要应用既可以针对家庭用户，实现以家庭为单位无线上网，也包括商务用户，企业、学校、甚至一个城市都可以构建无线Mesh网络，实现内部联网或无线访问因特网。
由此可见，无线Mesh网络的市场潜力是巨大的。
当然，在实际商用的时候还有一些问题需要解决，比如查找网络的故障点、购买大量接入点设备（AP）的花费等等。
相对应的解决策略也是商家积极攻关的课题。
5.结论
本文介绍了无线Mesh网络的基本框架、组网方式和路由协议等，并且给出了现有的商用情况。
无线Mesh网络能够与现在流行的WLAN、GPRS、3G等网络实现融合，提供更加广泛的无线接入覆盖，带领更大的网络带宽，全面提升无线网络的服务质量。
有专家称之为未来第四代移动通信的热门技术。
相信随着无线Mesh网络的大规模应用，我们将更加体会到无线网络带给我们的方便快捷。
参考文献
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［EB/OL］．/~rtm/srcrr-draft.pdf，2000．
The Research on Wireless Mesh Network Structure and
Development
Li Xi
Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC (100876)
Abstract
This paper introduced the characteristics and structure of WMN, discussed the sameness and differences among WNM, mobile Ad hoc network and cellular network, strengthened the characteristics and classifications of routing protocols in WMN, especially MR-LQSR, PWRP, MCRP. Finally, the research on development and future evolution of WMN was introduced, including standardization and commercial condition.
Keywords: Wireless Mesh Network; routing protocol; mobile Ad hoc network
作者简介：李曦，女，1983年生，硕士研究生，主要研究方向包括P2P，移动Ad hoc网络以及无线Mesh网络等。
