无线Mesh网络可扩展性相关技术

伴随全球移动通讯系统(GSM)等移动网络在过往20年中的广泛普及，全球移动语音通讯业务获得了巨大的成功。如今，随着技术的更新换代，移动通讯除继续支持话音业务外，数据新业务的进展开始明显加快，而且对高传输速率、高覆盖以及良好的端到端服务质量(QoS)也有更迫切的要求。随着无线通讯业务需求的不断增长，无线通讯技术的发展日新月异，新的无线网络架构和技术不断被提出。在传统蜂窝通讯技术以及自组织网络(Ad Hoc)技术的基础上，无线Mesh网络技术得到了快速发展，而且受到了产业界与学术界越来越广泛的重视[1-2]。　　无线Mesh网络与Ad Hoc网络以及蜂窝网络如图1所示。可以看出，无线Mesh网络具有与Ad Hoc网络类似的大部分特点，比如自组织、自周游、自恢复等，因此具有开放式的网状网络架构。然而，在无线Mesh网络中，各节点并不像Ad Hoc网络中那样全部是同等的，而是分为Mesh基站和Mesh移动台。其中Mesh基站的功能要远多于Mesh移动台，而且承担着比Mesh移动台更多的网络治理维护以及数据接力传输任务。换句话说，无线Mesh基站一直都固定担任Ad Hoc网络中簇头的作用，而不是像Ad Hoc网络中那样簇头只是临时的[3]。因此，从这点上来看，无线Mesh网络可以被看作是介于蜂窝网络与无线Ad Hoc网络之间的一种通讯网络，其一定程度上融合了传统蜂窝网络中集中式治理的特点，同时又保持了Ad Hoc网络的灵活性。表1列出了3种无线网络的基本特征。 无线Mesh网络迅速发展的一个深层次原因是频谱题目。随着无线通讯业务的发展，大量的多媒体业务需要更高速率的数据传输，因此也需要占用更大的带宽。固然新的传输技术，如多进多出(MIMO)技术、自适应调制编码(AMC)技术以及近年出现的动态频谱共享技术等可以在一定程度上进步系统的频谱效率，从而缓解对频谱的需求，然而，未来对频谱的需求题目仍然很难让人乐观。从最新的世界无线电大会的频谱分配结果来看，低真个频谱占用越来越密集，因此未来无线通讯系统假如需要更大的连续或对称频谱，将不得不寻求在更高的频段进行传输[4]。由于无线信号在高频段将衰减得更快，因此在相同的发射功率的情况下，每一个基站的覆盖范围将变得更小。另外，除了技术和本钱因素，由于发射功率对人生活的影响等诸多原因，单纯地增加基站发射功率显然也是不现实的。这样的情况下，无线Mesh网络中多跳传输的特点和上风正好得以发挥。尤其是在人口密集的城市高楼林立的情况下，由于大楼遮挡等原因而导致的无线信号覆盖困难也可以由部署无线Mesh网络来加以缓解。 无线Mesh网络具有开放式的网络架构，从理论上来说具有较好的可扩展性。然而，在实际的系统中，无线Mesh网络的组网却面临着较多的实际题目。在现有无线Mesh相关的标准中，例如IEEE 802.11(Wi-Fi)、IEEE 802.15(Bluetooth和Zigbee)以及IEEE 802.16(WiMAX)，也未能给出很明确实用的组网方案[5]。其中一个重要原因是在无线自组织网络中，存在随着节点数目的增加网络容量逐步降低的规律。文献[6]表明在Ad Hoc多跳网络中，每个节点的均匀容量与变量成比例，其中n是节点的数目。而在无线Mesh网络中，由于受到中心网关的限制，其每个节点的均匀容量变成与O(1/n)成比例[7]。因此，无线Mesh网络的大规模组网难以实施，需要更为强大的硬件设施以及更为高效的协议支持。　　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。