無線格線網是指大量終端通過無線連成網狀結構，各節點通過路由交換數據，是一種低功率的多級跳點系統。
基本介紹
- 中文名：無線格線網技術
- 特點1：可靠性大大增強
- 特點2：具有衝突保護機制
- 特點3：網路的覆蓋範圍增大
基本信息,無線格線網的特點,可靠性大大增強,具有衝突保護機制,簡化鏈路設計,網路的覆蓋範圍增大,組網靈活、 維護方便,投資成本低,無線格線網的研究現狀,無線格線網的構成,WMN與其他通信網路的區別,與蜂窩移動通信系統的區別,與Ad Hoc網路的區別,與WLAN的區別,WMN的關鍵技術,正交分割多址接入（QDMA）技術,隱藏終端問題處理技術,路由技術,正交頻分復用（OFDM）技術,
基本信息
其核心是讓網路中的每個節點都傳送和接收信號， 使普通無線技術過去一直存在的可擴充能力低和傳輸可靠性差等問題迎刃而解。網路中大量終端設備能自動通過無線連成網狀結構， 網路中的每個節點都具備自動路由功能， 每個節點只和鄰近節點進行通信， 因此是一種自組織、 自管理的智慧型網路,不需主幹網即可構築富有彈性的網路。傳統無線通信網路必須預先設計和布置網路， 它的傳輸路徑是固定的， 而格線網路的傳輸路徑是動態。
無線格線式網路（Wireless Mesh Network）是移動Ad Hoc網路的一種特殊形態，它的早期研究均源於移動Ad Hoc網路的研究與開發。它是一種高容量高速率的分散式網路，不同於傳統的無線網路，可以看成是一種WLAN和Ad Hoc網路的融合，且發揮了兩者的優勢，作為一種可以解決“最後一公里”瓶頸問題的新型網路結構。WMN被寫入了IEEE802.16（即World Interoperability for Microwave Access，WiMax）無線城域網（Wireless Municipal Area Network，WMAN）標準中。
無線格線網中每個節點都能接收/傳送數據，也和路由器一樣，將數據傳給它的鄰接點。通過中繼處理，數據包用可靠的通信鏈路，貫穿中間的各節點，抵達指定目標。 相似於網際網路和其他點對點路由網，格線式網路擁有多個冗餘的通信路徑。如果一條路徑在任何理由下中斷（包括射頻干擾中斷），格線網將自動選擇另一條路徑,維持正常通信。一般情況下，格線網能自動地選擇最短路徑，提高了連線的質量。 根據實踐，如果距離減小兩倍，則接收端的信號強度會增加四倍，使鏈路更加可靠，還不增加節點發射功率。格線式網路里，只要增加節點數目，就可以增加可及範圍，或從冗餘鏈路的增加上，帶來更多的可靠性。 今天的格線式無線區域網路主要使用基於802.11a/b/g的標準以及802.15.4 的Zigbee射頻技術。業界的重量級公司，例如Cisco和Intel，確認格線技術是目前無線通信符合邏輯的下一步延伸。格線的使用可以幫助各企業迅速地建立起新的無線網，或在不需要線連基站的條件下，擴展現有的WLANs。因為它們可以為數據傳輸選擇最佳的路徑。此外，工業用戶還能用嵌入的無線格線，迅速建立起感測器和控制器的網路，進行工業管理和運輸管理。
無線格線網的特點
可靠性大大增強
無線格線網採用的格線拓撲結構避免了點對多點星型結構， 如 8 0 2 ． 1 1 WL A N和蜂窩網等由於集中控制方式而出現的業務匯聚、 中心網路擁塞以及干擾、 單點故障， 從而大大增強其可靠性。
無線格線網混合組網
無線格線網混合組網具有衝突保護機制
無線格線網可對產生碰撞的鏈路進行標識同時可選鏈路與本身鏈路之間的夾角為鈍角， 減輕了鏈路間的干擾。
簡化鏈路設計
無線格線網通常需要較短的無線鏈路長度， 降低了天線的成本， 另一方面， 降低了發射功率， 也將隨之降低不同系統射頻信號間的干擾和系統 自干擾， 最終簡化了無線鏈路設計。
網路的覆蓋範圍增大
終端用戶可以在任何地點接入網路或與其他的節點聯繫。與傳統的網路相比， 接人點的範圍大大的增強， 而且頻譜的利用率提高， 系統的容量增大。
組網靈活、 維護方便
由於無線格線網本身的組網特點， 只要在需要的地方加上少量的無線設備， 即可與已有的設施組成無線的寬頻接入網。無線格線網的路由選擇特性使鏈路中斷或局部擴容和升級不影響整個網路運行， 因此提高了網路的柔韌性和可行性， 和傳統網路相比功能更強大、 更完善。
投資成本低
無線格線網初建成本低。無線格線網具有可伸縮性、 易擴容、 自動配置和套用範圍廣等優勢。
無線格線網的研究現狀
2004年1月，IEEE802.11 Working Group正式專門成立了格線研究組（Mesh Study Group），同年3月又成立了格線任務組（Mesh Task Group），標誌著WMN技術正式邁上了廣泛標準化道路。另外，其他標準如802.15.3a、802.15.4和專用短程通信（Dedicated Short Range Communications，DSRC）也開始探索如何通過格線嵌入式設備來改進其現有技術，IEEE802.16已經將格線技術納入其MAC層協定標準中[3]。 1.套用基礎理論與技術研究 近10來，包括移動Ad Hoc網路和WMN在內的許多研究，已經取得了眾多成果，主要有以下方面：①路由協定的研究。協定的核心是適應網路無中心控制和網路時變的特徵；②媒體接入控制（MAC）協定的研究。主要是解決隱藏終端和提高接入能力等問題，如MACA協定、控制信道和數據信道分裂的雙信道方案和基於定向天線的MAC協定等[4，5，6]；③在網路連線性方面，主要的背景是無線感測器網路，探討問題的核心是節點密度與分布問題[7~11]；④在多播/組播協定、TCP協定、地址和頻寬等網路資源分配、功率（節能）控制、安全性問題、分散式算法、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的數量相對較少[6]；⑤一些針對WMN的協定和系統仿真與實驗研究有了一些新的結果[12，13]。在短距離Ad Hoc網路的構建上，最近一些學者正在研究藍牙散射網關鍵技術[4，5]。 2.專利技術 與WMN相關的專利目前主要掌握在一些美國公司及研究機構手中。例如MeshNetworks公司2002年6月獲得專利“為端到端和端到基礎設施的通信網路提供無線業務訊息存儲轉發的系統和方法”[14]。該專利提出了一種實現不在彼此傳輸範圍內的移動節點和無線基礎設施部件間進行無線通信的系統和方法，基本思想是利用了中間移動節點所具有的存儲轉發信息的能力。2004年4月，該公司獲得專利“無線端到端Ad Hoc網路路由中對IP位址到MAC地址映射及所存在網關的自動配置和發現的系統和方法”[15]。該專利的主要思想是採用一個Hash函式將IP位址變換為一個6位元組的MAC地址，並附加在路由廣播中主動傳輸給其他節點。此外，摩托羅拉公司在2003年10月獲得專利“在Ad Hoc格線網路中提高服務效率的方法和設備”，其中涉及在WMN中增強業務有效性的通信系統與設備[16]。Caly公司於2002年3月獲得專利“格線無線網路中包數據通信協定”，其中主要涉及格線無線網路節點之間包數據的通信方法[17]。 3.套用系統集成 近年來，由於無線數據通信需求的推動，加上半導體、計算機等相關電子技術領域的快速發展，短距離無線通信技術也經歷了一個快速發展的階段，WLAN技術、藍牙技術、移動Ad Hoc網路技術和超寬頻（Ultra-Wide Band，UWB）技術等取得了令人矚目的成就。一般認為，未來的4G系統網路是各種不同網路拓撲結構的集成[26]，其中包括未來的蜂窩移動通信網路、衛星網路、公共電話交換網路、WLAN、移動Ad Hoc網路等，這些網路均集成到網際網路骨幹網或通過WMN集成到網際網路中，而WMN可看作“網際網路的無線版”。可見，WMN將是未來無線通信領域重大技術革新。
無線格線網的構成
在使用無線格線網技術建設的網路中，其拓撲結構呈格柵狀，圖1所示為一種典型結構。整個網路由下列組成部分構成：智慧型接入點（IAP/AP）；無線路由器(WR)；終端用戶/設備(Client)。 在圖1中，AP也稱無線接入點或網路橋接器，一個AP能夠在幾十至上百米的範圍內連線多個無線路由器，AP的主要作用是將無線網路接入核心網，其次要將各個與無線路由器相連的無線客戶端連線到一起，使裝有無線網卡的終端設備可以通過AP共享核心網的資源。IAP（智慧型接入點）是在AP的基礎上增加了Ad Hoc路由選擇功能。除此之外，AP/IAP還具有網管的功能，實現對無線接入網路的控制和管理，把傳統交換機的智慧型性分散到接入點（AP/IAP）中，大大節省了骨幹網路建設的成本，提高了網路的可延展性。在智慧型接入點的下層，配置無線路由器，即WR，從而為底層的移動終端設備（即用戶）提供分組路由和轉發功能，並且從智慧型接入點下載並實現無線廣播軟體更新。轉發分組信息的路由根據當時可使用的節點配置臨時決定，即實現動態路由。在該網路結構中，通過使用無線路由器(WR)可以實現移動終端設備與接入點間通信範圍的彈性延展。
基於以上的結構，WMN有2種典型的實現模式。 1.基礎設施格線模式（infrastructure meshing） 該模式在接入點與終端用戶之間形成無線的迴路。移動終端通過WR的路由選擇和中繼功能與IAP形成無線鏈路，IAP通過路由選擇及管理控制等功能為移動終端選擇與目的節點通信的最佳路徑，從而形成無線的迴路。同時移動終端通過IAP可與其他網路相連，從而實現無線寬頻接入。這樣的結構降低了系統成本，提高了網路覆蓋率和可靠性。 2.終端用戶格線模式（client meshing） 終端用戶自身配置無線收發裝置通過無線信道的連線形成一個點到點的網路，這是一種任意格線的拓撲結構，節點可以任意移動，可能導致網路拓撲結構也隨之發生變化。在這種環境中，由於終端的無線通信覆蓋範圍有限，兩個無法直接通信的用戶終端可以藉助其他終端的分組轉發進行數據通信。在任一時刻，終端設備在不需要其他基礎設施的條件下可獨立運行，它可支持移動終端較高速率的移動，快速形成寬頻網路，終端用戶模式事實上就是一個Ad Hoc網路，它可以在沒有或不便利用現有的網路基礎設施的情況下提供一種通信支撐環境。 由於兩種模式具有優勢互補性，因此同時支持兩種模式的網路將在一個廣闊的區域內實現多跳的無線通信，移動終端即可以與其他網路相連，實現無線寬頻接入，又可以與其他用戶直接通信，並且可以作為中間的路由器轉發其他節點的數據，送往目的節點。WMN不僅可以看作是WLAN與Ad hoc融合的一種網路，又可看作是網際網路的一種無線版本。 值得一提的是，目前的熱點技術WiMax因其遠距離下的高容量（近50km的覆蓋距離以及高達70Mbit/s的寬頻接入）等優勢，吸引了眾多無線寬頻接入提供商的注意。從這些網路提供商保護投資的角度出發，如果要迅速發展WiMax，必然要與目前已經蓬勃發展的Wi-Fi相融合。從組網結構上講，可以採用2種融合模式：①在WLAN中，因為AP的覆蓋範圍非常有限（最遠只有數百米），用戶在熱點地區以外，可以採用WiMax繼續接入網路享受服務，但是這種接入方案需要在終端設備中配置雙網卡；②採用WMN的組網模式，即採用雙層結構，骨幹網採用WiMax技術，接入網採用Wi-Fi。
WMN與其他通信網路的區別
與蜂窩移動通信系統的區別
(1)可靠性提高
在WMN中，鏈路為格線結構，如果其中的某一條鏈路出現了故障，節點便可以自動轉向其他可接入的鏈路，因而對網路的可靠性有了很大程度的提高；但是在採用星型結構的蜂窩移動通信系統中，一旦某條鏈路出現故障，可能造成大範圍的服務中斷。
(2)傳輸速率大大提高
在採用WMN技術的網路中，可融合其他網路或技術（如Wi-Fi、UWB等），速率可以達到54Mbit/s，甚至更高。而目前正在發展的3G技術，其傳輸速率在高速移動環境中僅支持144kbit/s，步行慢速移動環境中支持384kbit/s，在靜止狀態下才達到2Mbit/s。
(3)降低成本
在WMN中，大大節省了骨幹網路的建設成本，而且AP、IR等基礎設備比起蜂窩移動通信系統中的基站等設備便宜得多。
與Ad Hoc網路的區別
WMN與Ad Hoc網路均是點對點網路。Ad Hoc網路中的移動節點都兼有獨立路由和主機功能，不存在類似於基站的網路中心控制點，節點地位平等，採用分散式控制方式。WMN把Ad Hoc網路技術套用到移動節點同時又使移動節點可通過IAP連線到其他網路，因此可以把WMN看成是Ad Hoc網路技術的另一種版本。但WMN與移動Ad Hoc網路的業務模式不同，對於前者，節點的主要業務是來往於網際網路網關的業務，而對於後者，節點的主要業務是任意一對節點之間的業務流。雖然人們對Ad Hoc網路的研究已經有相當長的時間，但是主要還是在理論上，而且主要套用在軍事上，還未進行大規模的商用。
與WLAN的區別
從拓撲結構上講，WLAN是典型的點對多點網路，而且採取單跳方式，因而數據不可轉發。WLAN可在較小的範圍內提供高速數據服務（802.11b可達11Mbit/s，802.11a可達54Mbit/s），但由於典型情況下WLAN接入點的覆蓋範圍僅限於幾百米，因此如果想在大範圍內套用WLAN的這種高速率的服務模式，成本將非常高。而對於WMN，則可以通過WR對數據進行不斷轉發，直至把它們送至目的節點，從而把接入點的覆蓋服務延伸到幾公里遠。WMN的顯著特點就是可以在大範圍內實現高速通信。
WMN的關鍵技術
正交分割多址接入（QDMA）技術
隱藏終端問題處理技術
由於WMN採用無線傳輸媒質，因此它與其他無線傳輸網一樣，不可避免地存在隱藏終端和暴露終端問題。由於無線媒質的特殊性，隱藏終端問題都可能發生，都會導致信號碰撞的發生。目前可通過IEEE802.11中的RTS/CTS協定（請求傳送/允許傳送協定）來避免，但並不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。儘管通過握手機制可以減少隱藏終端問題中衝突的機率和時間，但仍存在節點之間控制報文的衝突，而且不能解決暴露終端問題。事實上，WMN可看作簡化的Ad Hoc網路，因此可根據Ad Hoc網路中的一些已有的成熟的方案來解決隱藏終端和暴露終端問題[4，20]。
路由技術
WMN的多跳無線網具有動態拓撲的特點，因此對它的路由協定就存在很多要求。WMN的路由協定可以參考Ad Hoc網路現有的一些路由協定。Ad Hoc網路的路由協定大致可以分為先驗式（Proactive）路由協定、反應式（Reactive）路由協定以及混合式路由協定。目前幾種典型的路由算法有：DSDV（目的序列距離矢量路由協定）、DSR（動態源路由協定）、TORA（臨時按序路由算法）和AODV（Ad Hoc按需距離矢量路由協定）[4，21]。最近，微軟公司提出了一種多無線收發器、多跳無線網路的路由協定MR-LQSR，主要思想是在DSR協定的基礎上採用最大吞吐量準則，已經開始考慮WMN的特徵[12]。
正交頻分復用（OFDM）技術
WMN物理層可以採用正交頻分復用（OFDM）技術。OFDM技術是將高速的數據流通過串/並變換，分配到傳輸速率相對較低的若干個正交子信道中，在每個子信道上進行窄帶調製和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號頻寬小於信道的相關頻寬，因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的，大大消除了符號間干擾。所採用的數字信息調製有時間差分移相健控（TDPSK）和頻率差分移相鍵控（FDPSK），以快速傅立葉變換（IFFT和FFT）算法實施數字信息調製和解調功能。由於無線信道的頻率選擇性，所有的子信道不會同時處於深的衰落中，因此可以通過動態比特分配以及動態子信道分配的方法，利用信噪比高的子信道提升系統性能。由於窄帶干擾只能影響一小部分子載波，因此OFDM系統在某種程度上能抵抗這種干擾。OFDM結合分集、時空編碼、干擾和信道間干擾抑制以及智慧型天線技術，最大程度提高系統性能，使WMN性能得到進一步最佳化[22]。
