梅 靖

（上海鐵路局上海通信段，上海 200434）

1 無線Mesh網(wǎng)絡的概況

1.1 無線Mesh網(wǎng)絡的概念

無線Mesh網(wǎng)（簡稱WMN）具有多跳、自組織和自愈等特點，是一種高容量、高速率的分布式寬帶無線網(wǎng)絡。一般由Mesh路由器和Mesh客戶節(jié)點組成。無線Mesh網(wǎng)絡將移動Ad?Hoc網(wǎng)絡和WLAN融合，并發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢,可以通過一些中間節(jié)點實現(xiàn)連接互相遠離無法直接連接的無線路由器。作為一種新型網(wǎng)絡結構形態(tài)，Mesh結構已被納入到IEEE802.16-2004，IEEE802.16e標準和IEEE802.11s草案中。

1.2 無線Mesh網(wǎng)絡的特點

1）多跳無線網(wǎng)絡

無線Mesh網(wǎng)絡是無線網(wǎng)狀網(wǎng)，是一種多跳網(wǎng)絡，在該網(wǎng)絡下，信號能夠自動選擇最佳路徑，避開障礙物的干擾，不斷從一個用戶跳轉到另一個用戶，從而可以為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。這種特性大大擴展了無線寬帶的應用領域和覆蓋范圍，在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統(tǒng)容量和頻率利用率，增加了網(wǎng)絡的可靠性，降低了設備成本。

2）支持多種網(wǎng)絡接入方式

無線Mesh網(wǎng)絡支持骨干網(wǎng)接入方式和端到端的通信方式，也可整合現(xiàn)有多種無線網(wǎng)絡技術，通過骨干網(wǎng)連接這些不同的無線網(wǎng)絡，為其終端用戶提供服務。

3）具備自形成、自愈和自組織能力

無線Mesh網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活，只需增加少量無線設備即可，網(wǎng)絡柔韌性和利用率大大提高；同時能夠自組織、自愈和自均衡，網(wǎng)絡可靠性強；此外，還提供更大的冗余機制和通信負載平衡功能。

4）能耗隨Mesh節(jié)點類型改變

無線Mesh網(wǎng)絡對于功耗的限制根據(jù)Mesh節(jié)點的類型不同而不同。Mesh路由器一般沒有能耗的限制,而Mesh終端則需要采用有效的節(jié)能機制。

2 無線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)絡結構

無線Mesh網(wǎng)絡的結構根據(jù)各個節(jié)點功能的不同而分為以下幾類：骨干網(wǎng)Mesh結構、客戶端Mesh結構和混合式結構。

2.1 骨干網(wǎng)Mesh結構

骨干網(wǎng)Mesh結構如圖1所示，該結構通過Mesh路由器與因特網(wǎng)相連，普通客戶端和已有無線網(wǎng)絡可以通過Mesh路由器接入無線Mesh網(wǎng)絡，是一個可以自愈和自配置的網(wǎng)絡。

2.2 客戶端Mesh結構

客戶端Mesh結構由Mesh客戶端組成，是在用戶設備間提供點到點服務的無線Mesh網(wǎng)絡。網(wǎng)絡結構如圖2所示，該網(wǎng)絡結構中每個節(jié)點都包含相同的MAC、路由、管理和安全等協(xié)議，所有的節(jié)點均對等。這些節(jié)點既可以作為客戶端節(jié)點，也能作為轉發(fā)業(yè)務的路由器節(jié)點。這種網(wǎng)絡結構中的客戶端通常只使用一種無線技術。任意節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包可以經(jīng)過多個節(jié)點的轉發(fā)抵達目的節(jié)點。雖然節(jié)點不需要有網(wǎng)關和中繼功能，但路由和自組織能力是必需的。

2.3 混合式結構

混合式結構綜合了以上兩種無線Mesh網(wǎng)絡結構，如圖3所示?；旌鲜浇Y構融合了骨干網(wǎng)Mesh結構和客戶端Mesh結構的優(yōu)勢，在該網(wǎng)絡結構下，Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網(wǎng)絡，然后通過網(wǎng)關接入IP核心網(wǎng)，從而實現(xiàn)與Internet等其他網(wǎng)絡的互聯(lián)。同時，客戶端的路由能力增強了網(wǎng)絡的連通性，擴大了覆蓋范圍。這種客戶端Mesh設備增加了轉發(fā)和路由功能，設備間可以直接通信。

3 無線Mesh網(wǎng)絡關鍵技術

3.1 正交分割多址接入技術（QDMA）

QDMA最初是由美國國防部國防先進研究計劃署（DARPA）的一份軍事Mesh網(wǎng)合同發(fā)展而來的，它是CDMA的一個版本。該技術是專門為廣域范圍內(nèi)通信的最優(yōu)化以及移動網(wǎng)格網(wǎng)系統(tǒng)設計的，能夠很好的支持移動和大范圍的應用。QDMA的調制技術采用直接序列擴頻（DSSS），工作頻段為2.4?GHz的ISM頻段。QDMA技術為在MAC子層使用3個數(shù)據(jù)信道和1個控制信道的多信道方式，因此，更適用于高密度的無線Mesh網(wǎng)絡終端設備。此外，QDMA技術提供一個高性能的射頻前端，這種前端采用了一種克服射頻環(huán)境快速變化的公平算法，同時具有類似于多抽頭Rake接收機的功能，可彌補移動環(huán)境信道的快速衰落。

基于QDMA技術的通信網(wǎng)絡可在較廣的移動通信范圍內(nèi)提供較強糾錯能力。同時，由于具有增強的抗干擾能力和信號靈敏度，該網(wǎng)絡可以提供達到250?mph的移動速度。QDMA的定位技術不依賴于全球定位系統(tǒng)（GPS），而是采用內(nèi)置的定位技術能夠對通信設備進行更為精確的定位。

3.2 多信道Mesh網(wǎng)MAC協(xié)議

MAC協(xié)議對無線Mesh網(wǎng)絡的性能有至關重要的作用，無線Mesh網(wǎng)絡MAC協(xié)議的研究也是IEEE802.11s的重要內(nèi)容。無線Mesh網(wǎng)絡的多信道MAC協(xié)議主要有：動態(tài)信道分配（DCA）多信道協(xié)議、基于主信道分配（PCAM）的多信道MAC協(xié)議、多射頻統(tǒng)一協(xié)議（MUP）等。

多信道MAC協(xié)議的分類主要有以下幾種。

按控制信道分，可分為有專用控制信道和無專用控制信道的多信道MAC協(xié)議。前者采用專用的射頻來傳遞控制信息，從而使傳遞更有效，但信道的利用率不高。而后者不能有效地傳遞控制信息。

按節(jié)點射頻分，有多射頻多信道MAC協(xié)議和單射頻多信道MAC協(xié)議。其中，多射頻多信道MAC協(xié)議中，一方面，使用多個信道傳輸數(shù)據(jù)，可以增加節(jié)點容量；另一方面利用不同射頻的帶寬、范圍和衰弱等特性，在更好地利用射頻頻譜的同時，還可以提升網(wǎng)絡性能。

3.3 路由協(xié)議

路由是在源節(jié)點和目標節(jié)點間需找端到端路徑的過程。無線Mesh網(wǎng)絡節(jié)點移動性高，網(wǎng)絡拓撲的變化性高，這就需要摒棄傳統(tǒng)網(wǎng)絡的路由協(xié)議，尋找適用于無線Mesh網(wǎng)絡的路由協(xié)議。目前無線Mesh路由協(xié)議的設計方法主要有兩種：一是根據(jù)無線Mesh網(wǎng)絡與無線Ad?Hoc網(wǎng)相似的特點，可以將Ad?Hoc開發(fā)的路由協(xié)議，如目的序列距離矢量路由協(xié)議?（DSDV）、臨時按序路由算法?（TORA）和動態(tài)源路由協(xié)議（DSR）等移植過來用于WMN；二是開發(fā)無線下專用的路由協(xié)議，如可擴展路由協(xié)議（MSR）、可預測的無線路由協(xié)議?（PWRP）等。

4 無線Mesh網(wǎng)絡在鐵路上的應用

4.1 無線Mesh網(wǎng)絡對GSM-R的補充

為了適應信息社會和高速發(fā)展的國民經(jīng)濟需求，中國鐵道部做出引入歐洲鐵路先進的GSM-R鐵路無線通信系統(tǒng)決定，以替代原有的模擬通信系統(tǒng)。GSM-R可以支持安全數(shù)據(jù)和非安全數(shù)據(jù)這兩類鐵路數(shù)據(jù)應用。安全數(shù)據(jù)如列車控制信息、調車機車信號和監(jiān)控信息、機車同步操作信息等，該類數(shù)據(jù)時效性高，需要占用專用數(shù)據(jù)鏈路連續(xù)傳送，在一定時間內(nèi)不允許鏈路中斷，對于網(wǎng)絡資源要求比較高，但對于鏈路帶寬要求不高，因此該類數(shù)據(jù)可以使用電路數(shù)據(jù)方式傳輸；非安全數(shù)據(jù)如調度命令信息、車次號校核信息、列尾信息等，該類數(shù)據(jù)突發(fā)性強、數(shù)據(jù)量大，但實時性要求不高，傳輸時延可以相對較大，對網(wǎng)絡資源要求較低，因此該類數(shù)據(jù)可以使用GPRS業(yè)務、短信息、USSD等方式傳輸。但是由于GSM-R只有4?MHz頻率帶寬，已無法滿足中國鐵路專用移動通信的發(fā)展，因此，在申請更多頻率資源的同時，可以考慮采用無線Mesh網(wǎng)絡作為GSM-R的補充，吸收部分非安全數(shù)據(jù)。

無線Mesh網(wǎng)絡的基本網(wǎng)元有接入點設備（AP）、交換機、接入服務器（AC）以及相應的DHCP服務器、Radius服務器、網(wǎng)絡管理中心等。采用無線Mesh網(wǎng)絡補充GSM-R網(wǎng)絡，可以提供更加便捷安全的接入功能，同時，還可以在列車上為旅客提供高效的Internet服務，從而更能適應新型鐵路的需求。

4.2 典型應用場景

在貨場、調車場、車站等地區(qū)，基本業(yè)務量較大，同時場站內(nèi)的管理、公安等人員也需要日常無線通信服務，有通信需求的個體數(shù)目龐大；此外，這些地區(qū)還有視頻監(jiān)控、車輛信息顯示、鐵路運輸各系統(tǒng)狀態(tài)實時傳送、旅客服務等新型應用。但由于GSM-R頻率資源緊缺，受到了嚴重制約。可以考慮在這些地區(qū)增補無線Mesh網(wǎng)絡。典型應用場景如下。

1）車站

*?為旅客提供優(yōu)質的附加服務，使高端客戶享受增值服務。

*?為公務、公安、工務等系統(tǒng)內(nèi)部人員傳送圖像、列車到達等信息化鐵路數(shù)據(jù)。

*?配合無線攝像設備進行監(jiān)控，為鐵路安全等提供保障。

2）調車場、貨場

*?傳送調車場現(xiàn)場情況。

*?傳送調車計劃表等信息。

3）貨場

鐵路貨運站場利用無線路由器、網(wǎng)關、無線接入設備替代傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的有線承載網(wǎng)絡，構成無線Mesh視頻監(jiān)控系統(tǒng)。如圖4所示。

5 結束語

目前，對于無線Mesh網(wǎng)絡的研究還處于試驗研制階段，還存在很多不足，比如，特別適用于無線Mesh網(wǎng)絡的路由準則和選擇算法數(shù)量非常有限；無線Mesh網(wǎng)絡增加了射頻信道數(shù)，這在更好利用頻譜的同時，也可能帶來更多的干擾問題；通過節(jié)點進行多跳轉發(fā)時，每一轉發(fā)都會帶來一定的時延，網(wǎng)絡規(guī)模越大，節(jié)點越多，時延就越大。此外，無線Mesh網(wǎng)絡的互操作性、控制機制、安全機制等相關問題都還有待研究。

IEEE也在致力于與學術界共同推動無線網(wǎng)狀網(wǎng)的標準化工作，無線Mesh網(wǎng)是屬于下一代無線寬帶網(wǎng)絡接入的先進技術，隨著各種技術的進步和市場需求的刺激，將會得到更加廣泛的應用，特別是在鐵路應用上，可以考慮在特定的應用場景下，如頻率資源緊張的場站地區(qū)，引入無線Mesh網(wǎng)絡作為現(xiàn)有的GSM-R網(wǎng)絡覆蓋的補充，更好的為新型鐵路的高速發(fā)展服務。

[1] 查東輝，胡致杰.無線Mesh網(wǎng)絡技術[J].廣東廣播電視大學學報，2008（3）：86-88.

[2] 方旭明.下一代無線因特網(wǎng)技術：無線Mesh網(wǎng)絡[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[3] 朱近康.無線Mesh技術和網(wǎng)絡[J].中興通信技術，2008（4）：6-12.

[4] 北電網(wǎng)絡（中國）有限公司.GSM-R和Mesh構建新型的鐵路通信[J].電信網(wǎng)技術，2006（11）：73-74.

[5] 陳琳琳，劉乃安.無線Mesh網(wǎng)絡與IEEE802系列標準[J].中興通信技術,2008（4）：13-16.

[6] 方旭明, 戚彩霞, 向征.IEEE802系列無線網(wǎng)絡網(wǎng)狀組網(wǎng)與移動切換技術綜述[J].計算機應用,2006,26（8）：1756-1761.

[7] 于川.無線局域網(wǎng)技術及其在移動通信中的應用[J].電信技術，2002（9）：37-39.