李曙光

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

目前現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)大都是基于穩(wěn)定可靠的通信基礎(chǔ)設(shè)施之上的，一旦這些通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，常規(guī)的通信手段都不再可行。而往往就是在這樣的時(shí)候，保持可靠的通信顯得尤為重要。而常用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的集群通信系統(tǒng)，除了依賴(lài)基礎(chǔ)設(shè)施以外，在網(wǎng)絡(luò)帶寬上也有很大限制，多使用窄帶技術(shù)，30K左右?guī)?，?shù)據(jù)率16Kbps左右，這就使得其數(shù)據(jù)傳輸能力大大受限。因此，目前的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完美，還有很多缺陷需要進(jìn)一步彌補(bǔ)和完善。本文將要介紹的Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)，能夠在很大程度上彌補(bǔ)和完善上述缺點(diǎn)，擺脫對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的依賴(lài)，并且使用寬帶技術(shù)，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸能力。

無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種新的完全不同于以往無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型多跳（Multi-hop）網(wǎng)絡(luò)[1,2,3]。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要一條獨(dú)立的通信鏈路來(lái)連接入點(diǎn)(Access Point，AP)從而實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能，如果客戶(hù)節(jié)點(diǎn)需要與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則必須要通過(guò)一個(gè)固定的接入點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，限制了通信范圍。而無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都具有多跳功能可以做到發(fā)送和接收信號(hào)同時(shí)進(jìn)行，并且既可以用作接入點(diǎn)又可以作為路由器節(jié)點(diǎn)，很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。

1 組成

自組網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)備包括無(wú)線(xiàn)電終端、網(wǎng)關(guān)（GW）、中繼器（Repeater）和網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）四部分。在實(shí)際組網(wǎng)應(yīng)用中，并不一定所有設(shè)備都會(huì)用到，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小以及實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)備的選擇和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很大的靈活性。

1.1 無(wú)線(xiàn)電終端

無(wú)線(xiàn)電終端可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最大可以傳 16Mb/s數(shù)據(jù)率，具有雙工通信、抗干擾通信、寬帶通信、低延時(shí)通信等能力。

無(wú)線(xiàn)電終端采用的主要技術(shù)有：

（1）信源編解碼模塊使用具有高效壓縮能力的H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)；

（2）信道編譯碼模塊采用高性能的LDPC（低密度校驗(yàn)碼）糾錯(cuò)編碼算法；

（3）通信抗干擾體制采用FH（跳頻）方案；同時(shí)憑借跳頻序列的正交，實(shí)現(xiàn)跳頻多址傳輸；

（4）視頻傳輸采用 OFDM（正交頻分）多載波傳輸技術(shù)，有效抗多徑效應(yīng)。

無(wú)線(xiàn)電終端根據(jù)使用平臺(tái)及功能又分為手持終端、固定終端、機(jī)載終端及車(chē)載終端4類(lèi)。

1.2 網(wǎng)關(guān)

在規(guī)模較大，應(yīng)用較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)起著非常重要的作用。

首先，網(wǎng)關(guān)具有中繼器的功能，可以將局部Mesh子網(wǎng)絡(luò)同網(wǎng)絡(luò)的其他部分連按起來(lái)，作為內(nèi)部終端通信的網(wǎng)關(guān)，讓兩個(gè)使用不同信道號(hào)的子網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

另外，網(wǎng)關(guān)還有著與其他外部網(wǎng)絡(luò)通信的功能?？梢耘c 400M/800M 集群、有線(xiàn)固話(huà)交換機(jī)、VHF/UHF無(wú)線(xiàn)對(duì)講系統(tǒng)、GSM手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、WLAN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IP接口接入傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

最后，需要說(shuō)明一點(diǎn)，對(duì)于網(wǎng)關(guān)的日常維護(hù)主要是通過(guò)NMS（網(wǎng)管系統(tǒng)）代理，通過(guò)提供指令里的報(bào)告和統(tǒng)計(jì)信息與NMS管理系統(tǒng)通信。

1.3 中繼器

中繼器在規(guī)模較大，應(yīng)用較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，起著非常重要的作用。在我們這個(gè)系統(tǒng)中中繼器和網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)完全一樣，根據(jù)不同的設(shè)置決定了不同的應(yīng)用。中繼器可以擴(kuò)大Mesh網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。無(wú)論其他用戶(hù)是否存在都可確保預(yù)先定義區(qū)域的無(wú)縫覆蓋。

中繼器在網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于一個(gè)激活的終端（包括一個(gè)終端ID），但是沒(méi)有聲音和數(shù)據(jù)的輸入輸出功能?？梢詫⒅欣^器設(shè)置為雙頻段，使其有兩個(gè)信道可同時(shí)中繼。另外，中繼器的安裝和配置非常簡(jiǎn)單,可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境選擇安裝載體，如廣告牌、建筑物等。

1.4 網(wǎng)管系統(tǒng)

NMS由兩部分構(gòu)成

（1）NMS管理員-管理整個(gè)系統(tǒng)（PC端的NMS模式）；

（2）NMS代理與NMS管理員通信，并且作為連接局域子網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站（PC模式，屬于 GW的一部分）。

NMS主要特點(diǎn)：

（1）能夠顯示連通性圖表；

（2）能夠顯示系統(tǒng)成員間的連接質(zhì)量；

（3）能夠顯示和監(jiān)控每個(gè)成員；

（4）緊急情況下，最高指揮官可以一鍵實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)應(yīng)急廣播，確保指揮通暢；

（5）智能終端可以將拍攝的視頻和圖片發(fā)回指揮中心，網(wǎng)管平臺(tái)可以根據(jù)需要管理和分發(fā)視頻給對(duì)應(yīng)的移動(dòng)管理終端，讓指揮人員在運(yùn)動(dòng)中也可以實(shí)時(shí)的掌握現(xiàn)場(chǎng)的情況。

2 信道選擇模式

本系統(tǒng)有三種信道選擇模式：

（1）Normal CS模式

該模式用于終端設(shè)備，信道號(hào)一旦定義好，將不會(huì)根據(jù)環(huán)境信號(hào)強(qiáng)弱而隨之發(fā)生切換。

（2）Acs模式

該模式用于終端設(shè)備，自動(dòng)搜索信號(hào)，搜索順序按照自定義信道優(yōu)先級(jí)排列順序。當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的信道號(hào)搜索不到時(shí)，將順序向下一個(gè)信道號(hào)搜索，直到成功注冊(cè)到一個(gè)信道號(hào)位置。

（3）Beacom CS模式

該模式用于網(wǎng)關(guān)（GW）和中繼器（Repeater），信道號(hào)一旦定義好，將不會(huì)根據(jù)環(huán)境信號(hào)強(qiáng)弱而隨之發(fā)生切換。與Normal CS模式的區(qū)別是，GW和Repeater必須定義為Beacom CS模式，才能為定義為ACS模式的終端提供網(wǎng)絡(luò)搜索環(huán)境。也就是說(shuō)，定義為 ACS模式的終端，只會(huì)注冊(cè)到定義為Beacom CS模式設(shè)備的信道號(hào)，而不會(huì)注冊(cè)到定義為Normal CS模式設(shè)備的信道號(hào)。

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中，如果網(wǎng)絡(luò)中有部署網(wǎng)關(guān)（GW 或中繼器（Repeater），網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏卸鄠€(gè)子網(wǎng)之間需要實(shí)現(xiàn)相互通信的情況下，終端設(shè)備信道選擇模式需要設(shè)置為 ACS模式，否則將影響終端在子網(wǎng)間的切換：而如果網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有部署GW和Repeater，只有終端設(shè)備自組網(wǎng)，則終端設(shè)備信道選擇模式需要設(shè)置為Normal CS模式，否則終端將不停的搜索信道號(hào)，但始終無(wú)法鎖定信道，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信。

3 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信系統(tǒng)技術(shù)相比，無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，大概可以總結(jié)為如下幾點(diǎn)[3]：

3.1 網(wǎng)絡(luò)部署方便快捷

Mesh網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都有自組織和自配置的功能，而骨干網(wǎng)的接入不需要提供過(guò)多的有線(xiàn)接入，僅MPP（控制管理所有節(jié)點(diǎn)，具有網(wǎng)關(guān)功能可以其他網(wǎng)絡(luò)的連接）節(jié)點(diǎn)需要提供有線(xiàn)接入，所以很方便的變換整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可方便調(diào)整個(gè)別 Mesh路由器的位置，同時(shí)可以隨時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)和添加減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，因此在Mesh網(wǎng)部署方便。

3.2 傳輸距離大

由于Mesh網(wǎng)絡(luò)是多跳網(wǎng)絡(luò)，傳輸過(guò)程通過(guò)選擇最優(yōu)的路由來(lái)傳輸，與MAP（通過(guò)無(wú)線(xiàn)與MPP共同組成骨干網(wǎng)并對(duì)Client提供無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)）節(jié)點(diǎn)直接視距連接的節(jié)點(diǎn)可以接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)，然后再將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給非直接視距的節(jié)點(diǎn)。按照這種方式，信號(hào)能夠自動(dòng)選擇最佳路徑不斷從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)更接近目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，最后成功到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)非視距通信，拓展了通信傳輸距離。

3.3 魯棒性

Mesh網(wǎng)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間有多條通路鏈路，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不依賴(lài)某個(gè)單一的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)可作為接入點(diǎn)和路由器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一條以上數(shù)據(jù)鏈路，如果某條鏈路上的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障無(wú)法通信時(shí)，將自動(dòng)路由到備用鏈路，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。而在單跳網(wǎng)絡(luò)中，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障就引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞甚至癱瘓。因此無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)比單跳網(wǎng)絡(luò)更加健壯。

3.4 結(jié)構(gòu)靈活

無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)提高可靠性的措施就是冗余。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有多條鏈路可以通信，為了避免通信擁塞，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇通信負(fù)載較小的鏈路。而在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，接入點(diǎn)是與其他節(jié)點(diǎn)共享的很容易造成擁塞。

4 組網(wǎng)方案

4.1 小型網(wǎng)絡(luò)

小型網(wǎng)絡(luò)適合小范圍平臺(tái)組網(wǎng)，容量最好在幾個(gè)到幾十個(gè)；其次，活動(dòng)很可能不在固定地點(diǎn)，需要隨時(shí)移動(dòng)并保持聯(lián)系，地方偏僻沒(méi)有條件建設(shè)固定的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

由于此類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)中，沒(méi)有部署網(wǎng)關(guān)（GW）或中繼器（Repeater），完全依靠終端彼此間的跳接形成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，因此所有終端需要將信道選擇模式設(shè)定為NormalCS模式，且設(shè)定為相同的信道號(hào)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)接入用戶(hù)數(shù)沒(méi)有限制，但同時(shí)進(jìn)行的會(huì)話(huà)數(shù)限制為64。而且考慮到跳接次數(shù)過(guò)多后會(huì)影響語(yǔ)音通話(huà)質(zhì)量，因此在此類(lèi)應(yīng)用時(shí)，建議網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不要過(guò)大。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的好處是，無(wú)須基站、路由器等任何基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)所有終端彼此間的通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（不經(jīng)中繼）距離在空曠地帶不小于 1km，在城市普通環(huán)境下不小于 500m；網(wǎng)內(nèi)通信經(jīng)9次以下中繼可正常通信。只要不超出這個(gè)范圍，所有終端即使在整體移動(dòng)當(dāng)中（比如車(chē)隊(duì)行進(jìn)中）也能隨時(shí)保持彼此間的通信，如圖1小型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖。

圖1 小型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

4.2 中型網(wǎng)絡(luò)

中型網(wǎng)絡(luò)適合于礦井，工廠(chǎng)等特殊區(qū)域，由于坑道，樓板等障礙物較多，需要用網(wǎng)關(guān)（GW）、中繼器（Repeater），對(duì)于障礙物較多，影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題，我們也有較好的解決辦法。由于這種應(yīng)用場(chǎng)合是要求網(wǎng)絡(luò)覆蓋一個(gè)固定區(qū)域，因此我們可以經(jīng)過(guò)實(shí)地勘察，在樓梯拐角，坑道拐彎等處部署中繼器（Repeater），掃除網(wǎng)絡(luò)覆蓋自點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)的全網(wǎng)絡(luò)覆蓋，也能避免由于平臺(tái)分布不均導(dǎo)致的個(gè)別終端脫網(wǎng)。如圖2中型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖。

圖2 中型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

4.3 大型網(wǎng)絡(luò)

大型網(wǎng)絡(luò)適合于機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)合，特點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積和質(zhì)量都有較高要求，業(yè)務(wù)應(yīng)用種類(lèi)較為復(fù)雜，需要用網(wǎng)管系統(tǒng)。

首先，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。在這類(lèi)大型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，實(shí)際上存在兩張網(wǎng)即骨干網(wǎng)和Mesh自組網(wǎng)。

骨干網(wǎng)可以新建，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)已有網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行利用。骨干網(wǎng)是有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，最簡(jiǎn)單的就是以一臺(tái)交換機(jī)為核心，分別用網(wǎng)線(xiàn)連接各個(gè)網(wǎng)關(guān)（GW）和負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理（NMS）的PC機(jī)。骨干網(wǎng)的作用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)之間的互聯(lián)以及網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）對(duì)各個(gè)網(wǎng)關(guān)的維護(hù)管理。

Mesh自組網(wǎng)即終端與終端之間以及終端與中繼器（Repeater、網(wǎng)關(guān)（GW）之間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)（GW）的信道選擇模式需要設(shè)置為 BeacomCS模式，為該子網(wǎng)下信道選擇模式設(shè)置為 ACS模式的終端提供可登陸的信道。

中繼器（Repeater）的信道選擇模式根據(jù)具體需求，可以設(shè)置為BeacomCS模式，也可以設(shè)置為ACS模式。終端的信道選擇模式根據(jù)具體需求，可以設(shè)置為NormalCS模式，也可以設(shè)置為ACS模式。通過(guò)網(wǎng)關(guān)（GW）的多信道劃分，增加了用戶(hù)容量，一個(gè)或多個(gè)GW使用一個(gè)信道，定義為一個(gè)子網(wǎng)。共 40個(gè)信道可用，每個(gè)子網(wǎng)對(duì)接入用戶(hù)數(shù)沒(méi)有限制，但同時(shí)進(jìn)行的會(huì)話(huà)數(shù)限制為每個(gè)信道64，如果客戶(hù)的數(shù)量比較多，需要保證更大數(shù)量的同時(shí)會(huì)話(huà)量，那么，我們可以很簡(jiǎn)單的通過(guò)增加網(wǎng)關(guān)的射頻信道來(lái)實(shí)現(xiàn)，那就是：64*N。而用戶(hù)組的定義并不受制于地域（子網(wǎng)），也就是說(shuō)，一個(gè)用戶(hù)組內(nèi)的用戶(hù)，可以分屬不同子網(wǎng)。終端用戶(hù)從一個(gè)子網(wǎng)切換到另一個(gè)子網(wǎng)，不影響群組內(nèi)的通訊業(yè)務(wù)。

此外，在使用該網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，需要區(qū)分語(yǔ)音與視頻通信及數(shù)據(jù)通信，語(yǔ)音與視頻通信有容量的限制，數(shù)據(jù)通信采用分組交換，因此，有排隊(duì)時(shí)間，但沒(méi)有數(shù)量的限制。圖3大型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖。

圖3 大型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)示意圖

5 結(jié)論

本文Mesh自組網(wǎng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)方式靈活，終端本身自帶路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，無(wú)需任何基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，也可以部署中繼器（Repeater）來(lái)滿(mǎn)足需求。如果有與外網(wǎng)（400M/800M集群、有線(xiàn)固話(huà)交換機(jī)、VHF/VHF無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、GSM 手機(jī)網(wǎng)絡(luò)、WLAN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的需求，或者需要使用多頻段來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，還可以部署網(wǎng)關(guān)（GW）來(lái)滿(mǎn)足需求。在一定程度上彌補(bǔ)和完善了目前現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的不足，在一些特殊領(lǐng)域或緊急情況時(shí)能夠發(fā)揮很大作用。

[1]Lan F.Akyildiz,Xudong Wang,Weilin Wang.Wireless mesh networks:a survey [J].Computer Networks,2005,47（4）:445一487.

[2]楊峰,黃俊,羅小華.無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)綜述[J].數(shù)據(jù)通信,2009:15-17.

[3]無(wú)線(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)[OL].Http://baike.baidu.com/view/1215700.html.