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无线网格网关键技术及其应用研究
一、引言
随着人们对网络通信需求的不断提高,人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行快速、准确的通信,为了提高工作效率,并且克服现有通信系统的缺点,达到通信的“无所不在”,最近,人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网(WMN)[1,2]。
WMN是移动Ad Hoc网络的一种特殊形态,它的早期研究均源于移动Ad Hoc网络的研究与开发。它是一种高容量高速率的分布式网络,不同于传统的无线网络,可以看成是一种WLAN和Ad Hoc网络的融合,且发挥了两者的优势,作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。(即World Interoperability for Microwave Access,WiMax)无线城域网(Wireless Municipal work,WMAN)标准中。
WMN技术作为一项能够实现灵活组网的技术以及它本身的诸多优势必将给无线宽带领域带来重大变革。二、无线网格网的研究现状
2004年1月, Working Group正式专门成立了网格研究组(Mesh Study Group),同年3月又成立了网格任务组(Mesh Task Group),标志着WMN技术正式迈上了广泛标准化道路。另外,、(Dedicated Short munications,DSRC)也开始探索如何通过网格嵌入式设备来改进其现有技术,[3]。

近10来,包括移动Ad Hoc网络和WMN在内的许多研究,已经取得了众多成果,主要有以下方面:①路由协议的研究。协议的核心是适应网络无中心控制和网络时变的特征;②媒体接入控制(MAC)协议的研究。主要是解决隐藏终端和提高接入能力等问题,如MACA协议、控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议等[4,5,6];③在网络连接性方面,主要的背景是无线传感器网络,探讨问题的核心是节点密度与分布问题[7~11];④在多播/组播协议、TCP协议、地址和带宽等网络资源分配、功率(节能)控制、安全性问题、分布式算法、QoS等方面有一些研究成果,但各部分的数量相对较少[6];⑤一些针对WMN的协议和系统仿真与实验研究有了一些新的结果[12,13]。在短距离Ad Hoc网络的构建上,最近一些学者正在研究蓝牙散射网关键技术[4,5]。

与WMN相关的专利目前主要掌握在一些美国公司及研究机构手中。works公司2002年6月获得专利“为端到端和端到基础设施的通信网络提供无线业务消息存储转发的系统和方法”[14]。该专利提出了一种实现不在彼此传输范围内的移动节点和无线基础设施部件间进行无线通信的系统和方法,基本思想是利用了中间移动节点所具有的存储转发信息的能力。2004年4月,该公司获得专利“无线端到端Ad Hoc网络路由中对IP地址到MAC地址映射及所存在网关的自动配置和发现的系统和方法”[15]。该专利的主要思想是采用一个Hash函数将IP地址变换为一个6字节的MAC地址,并附加在路由广播中主动传输给其他节点。此外,摩托罗拉公司在2003年10月获得专利“在Ad Hoc网格网络中提高服务效率的方法和设备”,其中涉及在WMN中增强业务有效性的通信系统与设备[16]。Caly公司于2002年3月获得专利“网格无线网络中包数据通信协议”,其中主要涉及网格无线网络节点之间包数据的通信方法[17]。

近年来,由于无线数据通信需求的推动,加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展,短距离无线通信技术也经历了一个快速发展的阶段,WLAN技术、蓝牙技术、移动Ad Hoc网络技术和超宽带(Ultra-Wide Band,UWB)技术等取得了令人瞩目的成就。一般认为,未来的
4G系统网络是各种不同网络拓扑结构的集成[26],其中包括未来的蜂窝移动通信网络、卫星网络、公共电话交换网络、WLAN、移动Ad Hoc网络等,这些网络均集成到因特网骨干网或通过WMN集成到因特网中,而WMN可看作“因特网的无线版”。可见,WMN将是未来无线通信领域重大技术革新。三、无线网格网的构成
在使用无线网格网技术建设的网络中,其拓扑结构呈格栅状,图1所示为一种典型结构。整个网络由下列组成部分构成:智能接入点(IAP/AP);无线路由器(WR);终端用户/设备(Client)。在图1中,AP也称无线接入点或网络桥接器,一个AP能够在几十至上百米的范围内连接多个无线路由器,AP的主要作用是将无线网络接入核心网,其次要将各个与无线路由器相连