无线Mesh网络你不知道的趣事

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01 无线Mesh网络的网络结构

无线Mesh网络的网络结构根据组网方式可以分为三种【1】：分布式无线Mesh网络，骨干无线Mesh网络和混合式无线Mesh网络。

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图1 分布式无线Mesh网络结构 

分布式无线Mesh网络和传统的ad hoc网络完全相同，网络中各个节点的功能相同。

图2 骨干无线Mesh网络结构

在骨干无线Mesh网络中，Mesh路由器通过多跳无线通信的方式形成骨干网络，带有网关或网桥功能的节点通过有线的方式和Internet、wimax网络，蜂窝网络和无线局域网等网络相连，而Mesh客户机通过无线方式与Mesh路由器相连进而实现Internet访问。

图 3 混合无线Mesh网络结构

混合Mesh网络与骨干无线Mesh网络在骨干网络方面基本相同，特殊之处在于，网络中Mesh客户机之间也可以通过多跳方式进行通信。

02 无线Mesh网络的特点

无线Mesh网络作为一种新型的无线宽带接入网络，具有以下特点：

(1)多跳无线网络。无线Mesh网络的主要目标是就是在不牺牲无线网络的目标前提下扩展网络的覆盖范围和为用户提供提供非视距的传输。为满足这些要求，无线Mesh网络的多跳是必不可少的。

(2)支持ad hoc组网，具有自动构建网络、自愈合和自组织能力。无线Mesh网络具有灵活的网络构建能力、组网和配置简单、容错能力强。

(3) 移动性。在无线Mesh网络中，Mesh客户端往往具有一定的移动性，但Mesh路由器或网关通常不具备移动性。

03 无线Mesh网络的应用领域

无线Mesh网络的主要应用领域：

1）战场侦察

2）隧道场景

3）移动视频监控应用

4）应急场景，涉及公安、消防、地震救灾等

接下来，以应急救援通信保障组网方案为例来阐述Mesh网在应急场景下的应用【2】：

在重大自然灾害发生的时候，会造成受灾地域公网瘫痪、道路受阻和电力中断，形成信息孤岛、一线作战人员失联，无法联网统一指挥，协同作战能力差，极大影响救援及自救。上图既是在此种条件下，充分利用卫星通信网络、现场应急指挥网络、应急无线专网网络、公共通信网络以及其他行业网络构成的天地一体化应急中心指挥网。

应急通信网络的核心是融合通信指挥系统，充分利用公网承载、窄带PDT数字集群、宽带TD-LTE专网、MESH自组网等多种技术手段，解决不同应用场景下语音、图像、视频、数据的高速传输以及综合位置服务等各类需求，确保协同救援和日常移动通信中全地域、全过程、全天候的通信指挥保障。

在这张融合网络中，我们重点关注Mesh自组网的作用。基于Mesh网特点：(1)一般传输距离都比较近，尤其是在地形复杂和植被比较茂密的环境，通信距离会急剧下降; (2)宽带自组网系统目前并没有专用的频段；而且占用带宽比较大，如果大量公安警力集结，不同单位之间很难协调频率资源，容易造成大范围的通信干扰，不适合大范围使用。Mesh自组网通常用作：(1)小规模的应急指挥调度或用于大规模应急事件的通信盲区覆盖，例如图中战斗小组间的Mesh网覆盖；(2)作为其他通信手段的临时中继骨干回传链路，如图中LTE/PDT系统的骨干回传链路。

04 Mesh自组网的网络协议和功能

影响无线Mesh自组网性能的主要因素：

1)网络结构 2)网络拓扑  3)数据业务特征和业务量  4)节点密度  5)节点信道数  6)节点发射功率  7)节点的移动性。

如果想要设计一个好的无线Mesh自组网协议，首先需要清楚无线Mesh自组网网络容量和上面各个性能影响因素之间的关系。

Mesh自组网的协议结构如下图所示：

物理层(Physical Layer)

1) 多速率支持，支持多种调制方式和编码速率；

2) 链路速率自适应，提升链路传输可靠性；

3) 高速数据传输技术，例如OFDM/OFDMA/SCFDE/SC-FDMA/UWB；

4)MIMIO以及智能天线技术，提升信道容量，解决共道干扰、多径衰落等传输问题，提升链路传输可靠性；

5)跳频/认知无线电技术，提升抗干扰和频谱利用率问题。

MAC层（MAC Layer）

相对于其他无线网络，MAC层在无线Mesh网络具有非常重要的角色：

1)相对于其他无线网络，无线Mesh组网的MAC层要解决多跳问题；

2)解决多点对多点的传输问题，例如利用分布式MAC技术解决此类问题；

3)为了可靠的传输问题，无线Mesh组网的MAC层要解决网络的自组织和自愈问题；

4)MAC层需要为端到端的传输解决传输稳定性问题，尤其是要解决多跳传输的传输稳定性问题；

5)MAC层要提供单信道和多信道的支持。

路由层（Routing Layer/newwork Layer）

路由层对无线Mesh网络来说也非常重要，对无线Mesh性能具有关键的影响。通常希望路由算法具有以下特点：

1)多种性能度量标准 2)可扩展性 3）鲁棒性 4）能量有效性

目前常见的几种路由算法：

1)MR-LQSR(Multi-radio link quality source routing)

MR-LQSR是一种以加权累积期望传输时间(weighted cumulative expected transmission time )作为度量标准，希望利用链路质量和最小跳数作为路由选择基准，设计一种实现最大吞吐量和最小延迟的路由算法。

2)多路径路由算法（Multipath routing）

多路径路由的算法的目标是提供多条传输路径以支持负载均衡和高的容错性。在传输的源节点和目的节点间，预测了多跳传输路径。当最短路径链路出现异常，可以快速切换到其他有效路径。减小了链路异常重选路由带来的等待时间，提升吞吐率和容错性以及减小了端到端的传输延迟。代价是路由算法的复杂性以及资源的额外开销。

3)层路由(Hierarchical routing)

层路由在节点密度非常高的网络拓扑中展现出非常好的性能。能够实现网络拓扑的快速建立，实现最短的路由路径等。算法的复杂性主要体现在层结构的维护上。

传输层和应用层

通常无线Mesh组网不会有专门传输层和应用层，可以借用其他成熟网络的传输层和应用层。

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