图解无线Mesh网络可扩展性相关技术(1)(2)

本文重点探讨无线Mesh网络的可扩展性相关技术，目的是增强无线Mesh网络的自适应组网能力。

1 无线Mesh网络可扩展性相关技术

在无线Mesh网络中，由于多跳传输的原因，提高容量与增大覆盖范围成为一对矛盾体。因此，研究无线Mesh网络可扩展性相关技术，其目标是在保持容量的情况下扩大覆盖范围。而要达成以上的目标，需要从两个层面开展研究：一个是Mesh基站的可扩展性，另一个就是每个Mesh移动台的可扩展性。相比而言，目前Mesh移动台可扩展性研究比较多，而且其与AdHoc网络中的可扩展性研究有很多相似之处，但是Mesh基站的可扩展性却更为重要，因为Mesh基站是无线Mesh网络的骨干节点。

1.1Mesh基站的可扩展性

根据无线Mesh基站的特点，其可扩展性相关技术主要包括信道分配技术、智能路由技术以及多天线技术等几个方面。

(1)信道分配技术

无线Mesh网络中的节点可以采用单信道或者多信道进行传输。然而，单信道的传输将引发非常复杂的共信道干扰问题，同时，还将加剧在无线自组织网络中存在的隐性终端和暴露终端的问题。很明显，在自组织网络中，网关跳数越大的节点，由于平均分配的带宽越小，其成功接入的机会就越小。虽然在跳数增加到很大时，可以使用频率复用技术来缓解，但是在单信道的情况下，节点分配到的带宽只能达到1/2m和1/m之间(m是跳数)，而且还存在着严重的接入不公平性。由于无线Mesh基站承担着骨干节点的作用，因此其采用多信道的方式进行传输几乎是必不可少的。在实际的系统中，无线Mesh基站一般是多模的，即可以在多种空中接口(如IEEE 802.11a/b/g等)上传输，这样才能满足实际传输的需要。

在多模的情况下，信道分配技术目前被认为是无线Mesh网络中的一项较为实用有效的关键技术。然而，信道分配必须将Mesh基站与Mesh移动台结合起来考虑。通常说来，是让Mesh基站之间用802.11a接口进行传输，而将802.11b/g接口用于Mesh基站与属下的Mesh移动台之间进行连通。因此，对于相邻的Mesh基站来说，必须要进行合理的频率协调规划。由于802.11a接口中从5.25～5.35 GHz以及5.725～5.825 GHz可以使用8个非重叠的信道，因此可以在相邻的Mesh基站之间采用不同的信道进行传输。文献[8]详细总结了无线Mesh网络中的信道分配问题，并且指出了信道分配中存在的问题和挑战。

考虑到Mesh基站的可扩展性，当一个新的Mesh基站尝试接入已有的Mesh网络的时候，除了要研究高效的接入技术之外，合理的信道分配也非常重要。一个较为实用的方法是采用载波侦听(CSMA)的方式来进行信道获取。另外，离网关越近的Mesh基站，由于其需要中继的数据也越多，通常其应该享有更高的信道使用优先级。合理的信道分配可以减少冲突概率，降低干扰，减少时延，从而增强无线Mesh基站的可扩展性。

(2)智能路由技术

智能路由技术是无线多跳网络的核心技术，路由算法直接影响到整个无线Mesh网络的性能。可以说，无线Mesh网络和无线局域网(WLAN)一个最大的差别就是其路由功能。经过多年的发展，针对Ad Hoc网络的路由协议的研究已经有了很多实用的成果，也涌现了很多经典的路由算法，主要可以分为先验式、反应式以及混和式路由协议。由于网络容量的限制，需要尽量减少路由协议的开销，但是由于节点的移动性导致网络拓扑变化，因此又不得不进行频繁的信令传输以加快路由的更新。相比Ad Hoc网络而言，由于无线Mesh网络中的路由主要由Mesh基站承担，因此其路由线路比Ad Hoc要相对固定一些，但也造成其路由的灵活性受到限制。

在无线Mesh网络中，由于Mesh基站承担着大部分路由功能，因此智能路由协议的设计必须考虑这一因素。另外，智能路由协议必须考虑到各个Mesh基站上的业务承载情况，即在一定程度上有利于负载均衡。负载均衡实际上也是网络公平度的一个重要衡量指标。此外，在多跳中继的过程中，为了保证远端节点和近端节点信息传输延时的公平性，Mesh基站在发送数据的时候必须考虑优先转发远端节点过来的信息。

(3)多天线技术

多天线技术近10年来在移动通信领域得到了迅速发展，同时也在无线Mesh网络中开始了广泛的应用。多天线技术的作用主要在于提高无线Mesh网络的容量、改善网络路由性能、优化网络能量消耗、协助进行节点定位以及提高用户的QoS保障能力等。另外，由于多天线技术的应用可以提高容量以及增加覆盖范围，因此也可以极大地改善无线Mesh网络的可扩展性。

对于Mesh基站来说，由于其很可能装备多个天线和多个射频模块，因此可以应用波束成形、空分多址等技术。文献[9]表明，通过在发射端或接收端应用波束成形技术，可以分别取得或 的容量增益，其中α和β分别为发射端和接收端的天线波束宽度。当在发射端和接收端联合采用波束成形技术的时候，则可以得到的容量增益。通过采用波束成形技术，也可以增加Mesh基站的覆盖范围，一方面可以减少路由中的跳数，另一方面也改善了网络的可扩展性。另外，通过空分多址技术，可以将传输信道从空间上分离，从而取得更多的可用信道，提高Mesh基站的接入概率。