无线Mesh网络中关键技术的研究

李琦沁，何一心

（1.长沙理工大学计算机与通信工程学院，湖南长沙 410114；2.长沙通信职业技术学院，湖南长沙 410015）

上世纪八十年代，随着无线用户数量越来越多，采用空间资源复用技术的蜂窝移动通信系统逐步发展起来。但从投资利益角度出发，其只适用于人口稠密、用户业务需求恒定的地区，而对于用户移动性较大、不适合建立大功率基站的地区而言，蜂窝移动通信系统并不适用，因此当时多用于军事通信的移动Ad hoc网络技术得到了广泛的关注。但由于移动Ad hoc网络技术的应用环境及技术成本等原因，其并不适合直接应用到民用通信领域内。于是以移动Ad hoc网络技术为基础，完全适用于民用通信的无线网络技术——无线Mesh网络（Wireless Mesh Network，WMN）应运而生。由于具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本，无线Mesh网络被视为解决无线接入“最后一公里”瓶颈问题的新方案之一。

针对这一新型的高容量、高速率的无线多跳网络，本文对其在分级编码、智能天线、多址接入和数据传输等方面的关键技术进行了研究。

1 无线Mesh网络中的分级编码技术

在通信网络中，最大的民用通信业务来自于因特网业务，而随着社会的进步和人民生活水平的提高，多媒体业务在因特网业务中占的比重越来越大。目前，网络上对多媒体信息进行传输的方式主要有下载和流媒体两种，而流媒体传输以其独有的便利性，越来越受到广大民众的青睐。但由于在无线Mesh网络中，客户节点可移动，通信环境复杂。因此，如何提供高质量的流媒体业务，已成为无线Mesh网络一个至关重要的课题。针对这一日益突出的问题，无线Mesh网络采取了分级编码的方式。

分级编码，即根据传输文件的特质（幅度分辨率、空间分辨率、时间分辨率或频率分辨率）将其分解为多个层，其中第一层（也称为基本层）为基本满足人类视觉特性的低质量版本，其它层（也称为增强层）为相对上一个层的精进部分。因此，在传输过程中，系统可根据网络状态，对高层次的数据包进行适当的丢包，从而较好地适应无线信道，为接收者提供流媒体服务。但是如若基本层划分过大，在网络状况较坏的情况下，基本层也有可能无法成功传输到接收端，更不用谈其它高层。因此，一般基本层在人类视觉特性可接受范围下，应尽量划小。值得一提的是，分级编码是解决组播状况下，接收端异类性的一个很好的途径。

除了根据单一特质对传输文件进行分解外，分级编码也可以将特质组合起来进行分层。如，在将传输文件根据空间分辨率分为多层后，可再在每层根据幅度分辨率进行更进一步的细分，从而将传输文件分为更细的粒度。而粒度越细，传输文件则可以更好的被截断和更高质的重建。

除了根据以上四种特质对文件进行分级编码外，国内外学者还提出了基于小波变换的分级编码[1]、基于运动矢量的分级编码[2]，等等。MPEG-4提出的基于物体的时间分级编码，可根据需求对图像中的某部分进行高于其它部分的单独解压，在以常用特质进行分解的情况下引入了面向对象的概念，使得流媒体能更好的满足接受者的需要，是很值得研究的一个方向。如何在MPEG-21这类新标准下，进行更高效的编码，也将是近期的一个研究热点。

2 无线Mesh网络中的智能天线技术

由于无线Mesh网络中的每个节点都必须能与它相连的各个方向上的节点保持通信，因此天线的使用成了无线Mesh网络中一个很重要的问题。如若采用全向天线，则路径间干扰较大，且频谱利用率低，网络容量小。若采用简单的定向天线，虽可降低发射功率，减小干扰，提高频谱利用率，但每个节点都要安装多个定向天线和射频单元，且任意两点间都需精确对准，应对像无线Mesh网络这类节点可移动的网络，协议制定起来会比较繁琐。因此，美国的SkyPilot公司将智能天线技术引入到了无线Mesh网络中。

智能天线具有n个相位受控的天线振子，可向n个不同方向进行低功率定向发射，能使得到达接收节点的信号增益最强，而其它节点信号增益最小，从而实现网络的密集覆盖，提升系统容量。此外，智能天线在软件控制下，能根据实际情况，调整传输方向。当网络拓扑结构发生变化时，通过自动调整，即可重建节点之间的联系。同时，在低频微波环境下，智能天线还可有效地增强系统抗频率选择性衰落和多径衰落的能力。

但如同其它无线网络一样，无线Mesh网络也不可避免的存在隐藏终端和暴露终端的问题。隐藏终端，是指两节点由于无法通过载波侦听到对方正在向同一节点发送信息，而使得信息在接收节点处发生碰撞的问题。而暴露终端，是指一节点通过载波侦听发现在它通信范围内已有节点正在通信，从而延迟传输，可实际上，该通信的接收端在它的通信范围之外，两者间并不会产生冲突，因此造成了不必要的传输延时。同时，如若要与一节点进行通信，则必须准确对它进行跟踪、定位，而由于“耳聋”的问题，该节点可能已在一个方向上进行侦听或数据接收，而因此无法与其它节点建立连接。这些都是智能天线需要解决的问题。

IEEE802.11标准中的请求发送/允许发送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS）协议在一定程度上解决了这些问题，但并不完善，因此国内外学者以此为基础，展开了大量的研究。文献[3]提出的Smart-802．11b协议，应用了接收方向算法和缺陷技术，用发送指示和接收指示代替RTS/CTS，使接收节点可通过检测接收信号强度来估计发送者的方向。文献[4]提出的同时冲突解决（synchronouscollision resolution，SCR）协议，在不要求所有节点的天线技术统一化的情况下，渠道化智能天线的传输路径，来最大限度的开发智能天线的作用，提高系统容量。文献[5]采用跨层设计思想，提出了一种非辅助定向邻居发现算法，在不依赖全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、时间同步系统等措施的情况下，充分利用智能天线的优势，来发现那些只有通过定向收发才能到达的邻节点。

3 无线Mesh网络中的多址技术

多址技术一直是无线通信最关注的话题之一，如何最大限度的利用频段获得最高的系统容量，如何有效地切割通信资源给各个用户，如何在保证用户通信质量的同时尽可能地降低系统复杂度等，一直是多址技术所需解决的问题。

基于智能天线的应用，多入多出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技术被引入到无线Mesh网络中。MIMO技术首先在发送端对信息进行空时编码，然后通过串/并转换将信息变为n个数据流，分别送入n个天线中传输到接收端，最后在接收端采用最大似然检测法则，对信号进行合并接收。该技术不仅有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播，同时在不增加所占用信号带宽的前提下，成倍地改善了无线通信的性能，提高了网络服务质量（Quality of Service，QoS）。

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）是一种多载波传输技术，它根据系统的状态，动态地将高速率的数据流进行串/并转换，并分配到若干传输速率相对较低的正交子信道中进行窄带调制和传输，从而增大了符号周期，减小了多径时延扩展所带来的时间弥散的影响。由于在符号间插入了大于信道最大时延扩展的保护间隔，从而减小了符号间干扰。且由于采用循环前缀来作为保护间隔，因此也避免了信道间干扰。

而Iospan Wireless公司开发的MIMO-OFDM技术，将两者优点结合起来，使系统对噪声、干扰、多径、衰落的容忍度大大增强的同时，大幅提升了系统传输速率、频谱利用率，进一步扩展了网络覆盖范围。携两者之优点，该技术在无线通信发展方面具有巨大的潜力。

目前将OFDM与CDMA技术混合起来也是一个研究热点，其中的多载波码分多址（MC-CDMA）技术评价最高。MC-CDMA技术首先用给定的扩频码来扩展原始信息，然后将扩频序列按照子载波数进行串/并变换，从而用不同的码片来调制不同的载波。其中CDMA部分在频域内完成，而OFDM部分在时域内完成。该技术不仅算法复杂度低，且由于将同一用户的比特信息分配到所有子信道中，降低了频率选择性衰落，因此误码率也较低。由于多载波扩频技术，不仅能有效的克服各类干扰，且对用户数的变化不敏感，对抗多径衰落的功能也比RAKE接收机更优异，实现起来也更简单，因此MC-CDMA技术引起了业界越来越多的关注。但是该技术在实现中还有很多技术难点，有待进一步研究。[6]

正交分割多址（Quad Division Multiple Access，QDMA）是MeshNetworks公司的专利技术，专门为广域范围内通信的最优化和无线Mesh网络设计。其采用直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技术，且拥有一个高性能射频前端，提供类似于多抽头RAKE接收机的功能，能克服射频环境的快速变化。MAC子层使用的多信道方式，也更适用于高密度无线Mesh网络的终端设备中。QDMA扩大了移动用户的有效范围，且能提供更高的纠错能力、更强的抗干扰能力以及更灵敏的信号感应，因此可以支持更快的移动速度。并且其独有的内置定位技术，可在不依赖GPS的基础上，对通信设备进行更精确的定位。

4 无线Mesh网络中的数据传输技术

数据的可靠传输，是对一个网络的基本要求，依据第三代合作伙伴项目（Third Generation Partnership Project，3GPP）中提出了几种可靠传输保证策略，学者们对无线Mesh网络的数据传输可靠性展开了大量的研究。

文献[7]提出了在固有协议状态下，为路径上的所有的节点建立一条单独的链接，并且中间节点可以无缝地轻松进出的Relay-ARQ机制。在Relay-ARQ机制中，中间节点具有发送中继确认字符（Relay-ACKnowledge Character，Relay-ACK）的功能。文献[8]针对原有的自动请求重传（Automatic Repeat Request，ARQ）机制进行了修改，提出了基于无线多跳网络的ARQ机制。该机制分为逐跳ARQ、端到端ARQ以及最后一跳ARQ三种类型，通过判断无线链路控制（Radio Link Control，RLC）层中解码后信息的正确与否，对信息进行转发。文献[9]提出了适用于无线多跳网络的自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）机制。该机制综合了前向纠错（Forward Error Correction，FEC）技术和ARQ机制，是一种自适应传输技术，对于解码错误的数据包可以在保存的情况下，要求重发，更利于译码。以上两种机制，均可分为逐跳、端到端两种形式。但需要注意的是，无论是ARQ机制还是HARQ机制，逐跳方式的延时会比端到端方式大很多，虽然可以通过优化协议来解决问题，但是网络节点操作起来会比较复杂。因此文献[10]将ARQ和HARQ机制进行了综合，提出了将逐跳HARQ分于MAC层，将端到端ARQ分于RLC层，并使两者协调工作的分层合作机制；以及在分层基础上，使端到端ARQ只终止于最后一个转发节点，而最后一跳采用逐跳HARQ的多跳ARQ机制。而文献[11]提出了一个通过无速率编码来均衡网络负载及限制重传大小，以更好的减少能量消耗和速率限制的渐进冗余HARQ机制。

承接之前对流媒体的讨论，文献[12]基于跨层对无线Mesh网络多媒体传输进行了设计。它根据高层的需求对不同级别的编码设置不同的优先级，并映射到不同的信道接入参数中，从而对重要程度不同的数据提供不同的保护，尽量保证图像质量最优的同时，提高了数据传输的可靠性。文献[13]提出了一种采用基于最大正交路径的多径路由方式，以及预留虚拟速率的保障速率算法，来降低数据包延迟，最好性能地传递分级编码包的机制。

如何提供可靠的数据传输，是无线Mesh网络研究中很重要的一个部分。

5 结束语

目前，无线Mesh网络以其网络特性强、覆盖范围广、网络带宽大等优势，已在多个城市开始了广泛的应用。美国旧金山、费城等多个城市就早已采用该技术建设覆盖整个城市的无线网络。在中国，北京、天津、扬州等多个城市也已开始了对无线Mesh网络的应用。在学校、警察局、交通等行业部门中，无线Mesh网络更是因为它强大的特性而成为布网首选。面对飞速发展的无线通信，无线Mesh网络极具竞争力。但是无线Mesh网络中许多技术还仍处于初步阶段，除以上的讨论外，还有路由度量、安全性能、QoS保证等多个方面值得我们研究探索。

[1]MALLAT S，ZHONG S.Characterization of signals from multiscale edges[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1992，14（7）：710-732.

[2]袁嘉晟，方志军，叶金财.基于运动矢量可分级的视频编码方法 [J]. 电视技术，2010，34（4）：19-21.

[3]Singh H，Singh S.Smart-802.11b MAC protocol for use with smart antennas[C].//ICC 2004：Proceedings of 2004 IEEE International Conference on Communications.Paris，2004.3684-3688.

[4]STINE J，MITRE C，MCLEAN V.Exploiting smart antennas in wirelessmesh networksusingcontention access[J].Wireless Communications，2006，13（2）：38-49.

[5]赵瑞琴.无线多跳网络中若干问题研究 [D].西安：西安电子科技大学，2008.

[6]刘宴兵，唐红.宽带无线移动通信网络技术 [M].北京：科学出版社，2008.42-43.

[7]WIEMANNH，MEYER M，LUDWIGR，et al.A novel multihop ARQconcept[C].//VTC2005-Spring：Proceedingsof the 2005 IEEE61st Vehicular Technology Conference.Stockholm，2005.3097-3101.

[8]LOTT M.ARQfor multi-hop networks[C].//VTC 2005-Fall：Proceedings of the 2005 IEEE 62nd Vehicular Technology Conference.Dallas，2005.1708-1712.

[9]许献聪.Multihop HARQ in WiMAX network with relays[EB/OL].http://netlab18.cis.nctu.edu.tw/Short_course07/3_M ulti_hop%20HARQ.pdf，2007-10-18.

[10]赵楠.无线Mesh网络中数据传输可靠性的保障策略[J]. 中兴通讯技术，2008，14（2）：30-33.

[11]EMANUELE G，MATTEO L，PIETRO S，et al.Hybrid ARQ based on rateless coding for Wireless Mesh Networks[EB/OL].http://www.gtti.it/GTTI09/files/papers/Reti/Reti_10.40_Goldoni.pdf，2009-05-29.

[12]张磊，朱颖.基于跨层设计的无线Mesh网络多媒体传输[J]. 广东通信技术，2009，29（8）：36-41.

[13]BO R，YI Q，KEJIE L，et al.Multipath routing over wireless mesh networks for multiple description video transmission[J].Selected Areas in Communications，2010，8（3）：321-331.