摘 要： 智慧城市的建設(shè)過程中面臨著現(xiàn)有多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合以及熱點(diǎn)區(qū)域高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難題。基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以Internet為核心網(wǎng)絡(luò)的分層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，以IP協(xié)議作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連協(xié)議，利用IP架構(gòu)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。利用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳無線通信和自動配置拓?fù)浣M網(wǎng)的特性，實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋，將很好地滿足未來智慧城市的覆蓋需求。
關(guān)鍵詞： 智慧城市；無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合；自組織網(wǎng)絡(luò)
0 引言
智慧城市[1]是一個不斷發(fā)展的概念，其目標(biāo)是利用新一代信息和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市的智慧管理和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而使人們在城市的生活更便捷、美好、和諧。智慧城市是城市在信息化進(jìn)程中的一個必然階段，單從技術(shù)角度來看，智慧城市要求以移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等為代表的新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能感知、泛在互聯(lián)、普適計(jì)算和融合應(yīng)用。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是智慧城市的“神經(jīng)”和“血管”，承載未來智慧城市中的高速數(shù)據(jù)傳輸。考慮到未來城市的規(guī)模，可以預(yù)見數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)需要具有高帶寬、高可靠性、覆蓋范圍廣、易于擴(kuò)展等特性，同時還要具有相對較低的布線成本。
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)[2-3]（Wireless Mesh Networks，WMNs）是新一代的大規(guī)模、高性能無線接入網(wǎng)絡(luò)，具有智慧城市對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)所要求的特性。因此無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)未來智慧城市高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。
本文首先簡要介紹了WMNs的架構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢，之后詳細(xì)闡述了作為高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，WMNs在智慧城市中的應(yīng)用，然后對WMNs當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)、研究重點(diǎn)以及未來發(fā)展進(jìn)行了討論，最后對全文進(jìn)行了總結(jié)。
1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)介紹
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種自組織、自配置的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成WMNs的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只有兩種：Mesh路由器（Mesh Router，MR）和Mesh終端（Mesh Client，MC），其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在WMNs中，MR以無線互聯(lián)的方式構(gòu)成WMNs骨干網(wǎng)，WMNs骨干網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)MR以有線的方式與Internet相連。MR不僅作為AP（Access Point）為覆蓋范圍內(nèi)的MCs提供無線連接，同時作為路由器為其他MR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報文，MCs與覆蓋區(qū)域內(nèi)的MR建立無線連接，以無線多跳的方式通過網(wǎng)關(guān)MR接入Internet。相比傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)，WMNs具有諸多技術(shù)優(yōu)勢：（1）所有MR之間以多跳無線連接方式通信，提供了更廣的覆蓋范圍；（2）WMNs骨干網(wǎng)MR之間多點(diǎn)到多點(diǎn)的連接保證了網(wǎng)絡(luò)的高可靠性；（3）WMNs本身的無線自組織特性易于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展覆蓋；（4）只有網(wǎng)關(guān)MR與Internet之間是有線連接，網(wǎng)絡(luò)布線成本大大降低。
目前IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)為WMNs專門制定了IEEE 802.11s協(xié)議，通過在WLAN AP間建立無線連接，擴(kuò)展WLAN的覆蓋范圍，同時實(shí)現(xiàn)AP之間的自配置組網(wǎng)，WMNs技術(shù)將會不斷得到發(fā)展。
2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在智慧城市中的應(yīng)用
目前關(guān)于智慧城市的探討、研究很多，真正意義上的智慧城市本質(zhì)是可持續(xù)發(fā)展，這種可持續(xù)發(fā)展包括經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。智慧城市是一個由多個相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其中以新一代信息技術(shù)為基礎(chǔ)的信息子系統(tǒng)是智慧城市的物理基礎(chǔ)，信息技術(shù)也是智慧城市形成的最主要推動力。具體來講，信息技術(shù)主要包括感知層技術(shù)，如傳感器技術(shù)、自動識別技術(shù)等；網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，如寬帶城域網(wǎng)、高速接入網(wǎng)、泛在網(wǎng)絡(luò)等；應(yīng)用層技術(shù)，如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。其中，無線通信網(wǎng)絡(luò)做為感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，在智慧城市的建設(shè)中發(fā)揮的作用越來越重要。
2.1 融合現(xiàn)有多種無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)
當(dāng)前多種無線通信技術(shù)并存，且相對獨(dú)立，造成了相互干擾、資源浪費(fèi)、無法切換等問題。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以和多種寬帶無線接入技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合與協(xié)同，最終實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的無縫傳輸。
利用WMNs構(gòu)建基于IP架構(gòu)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)多種無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合，如圖2所示。這是一種分層體系結(jié)構(gòu)，基于IP的Internet作為核心網(wǎng)路，并將IP協(xié)議作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互連協(xié)議，WMNs骨干網(wǎng)中的MR作為接入路由器（Access Router，AR）向下連接2G/3G網(wǎng)絡(luò)、WLAN等不同接入網(wǎng)絡(luò)的基站或接入點(diǎn)，向上則連接網(wǎng)關(guān)MR充當(dāng)?shù)腎nternet接入網(wǎng)關(guān)（Gateway，GW）接入Internet核心網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)關(guān)同時還為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換提供支持。
利用WMNs構(gòu)建的這種基于IP核心網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)，不僅具有很好的可擴(kuò)展性，而且充分利用了現(xiàn)有的Internet基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，因此降低了網(wǎng)絡(luò)融合的技術(shù)復(fù)雜度和建設(shè)成本，從而縮短了建設(shè)周期。該架構(gòu)在可擴(kuò)展性、技術(shù)復(fù)雜度、建設(shè)成本和建設(shè)周期方面均具有明顯優(yōu)勢，非常適合用于智慧城市建設(shè)中各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合。
2.2 構(gòu)建高速數(shù)據(jù)網(wǎng)路
圖3所示為WMNs實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的架構(gòu)。下層以MR作為AP為覆蓋范圍內(nèi)的終端提供無線網(wǎng)絡(luò)接入，上層以MR作為網(wǎng)關(guān)將覆蓋范圍內(nèi)的終端接入Internet核心網(wǎng)絡(luò)。MR之間基于IP協(xié)議建立無線連接，通過自動配置拓?fù)鋪斫M網(wǎng)。相比傳統(tǒng)的WLAN覆蓋方式，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢是MR不僅作為AP提供網(wǎng)絡(luò)接入，同時還作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他MR的報文，并能夠自動建立和維護(hù)連接，這些特點(diǎn)首先使得該網(wǎng)絡(luò)易于部署，具有很好的擴(kuò)展性，其次MR之間的多跳無線通信擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，最后MR多點(diǎn)之間的連接增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，可以很好地滿足智慧城市中區(qū)域覆蓋的要求。
3 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展
相比傳統(tǒng)的WLAN技術(shù)，WMNs的技術(shù)優(yōu)勢在于以較低的布線成本實(shí)現(xiàn)更廣覆蓋且易于擴(kuò)展，同時具有更高的帶寬和可靠性。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時，多跳無線傳輸路徑的增加會極大地降低端到端的吞吐量；為了保證帶寬需求和可靠性傳輸，額外的協(xié)議開銷會增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，影響網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)前WMNs受到了廣泛關(guān)注和深入研究，其中研究的重點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化[4]，主要包括WMNs路由協(xié)議、信道分配、路由和信道聯(lián)合優(yōu)化以及拓?fù)湟?guī)劃。
（1）WMNs路由協(xié)議
在WMNs中，移動終端通過無線多跳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)MR，期間需經(jīng)過多個節(jié)點(diǎn)的傳輸，這就可能導(dǎo)致很大的鏈路時延，所以WMNs需要高性能的路由協(xié)議。最小跳數(shù)路由算法（Minimum Hop Routing Algorithm，MHRA）和最短路徑路由算法（Shortest Path Routing Algorithm，SPRA）是最易于實(shí)現(xiàn)也是目前廣泛使用的兩種路由算法，但這兩種算法沒有考慮負(fù)載均衡，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，從而造成較大的網(wǎng)絡(luò)時延。隨著WMNs網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，WMNs節(jié)點(diǎn)也會增加，鄰居節(jié)點(diǎn)的增加可以為數(shù)據(jù)傳輸提供冗余鏈路以提高可靠性，但如果路由選擇不當(dāng)，過多的跳數(shù)也會使得傳輸時延大大增加。一種基于鏈路狀態(tài)預(yù)測（Link State Prediction，LSP）的時延感知路由算法（Delay Aware Routing Algorithm，DARA）成為研究熱點(diǎn)。首先通過鏈路狀態(tài)預(yù)測模型，計(jì)算出每條鏈路的估計(jì)時延，根據(jù)時延大小為鏈路分配權(quán)重系數(shù)，從低于預(yù)設(shè)時延閾值的鏈路中選出K個權(quán)重最小的鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以避免所有的數(shù)據(jù)報文都選擇同一條鏈路，從而減少擁塞的發(fā)生。
（2）信道分配
IEEE 802.11 b/g標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了11條無線信道，其中3條為正交信道，其余8條為部分重疊信道。盡管重疊信道之間同信道干擾相對小很多，但目前仍然盡量避免使用它們，原因是它們引入了鄰信道干擾。目前已有學(xué)者提出了利用重疊信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ⒆C明可以消除由此引入的鄰信道干擾，這成為了信道分配研究方面的一個熱點(diǎn)。
（3）路由和信道聯(lián)合優(yōu)化
路由協(xié)議性能的好壞關(guān)系到鏈路時延的大小，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)性能，信道分配算法決定節(jié)點(diǎn)間通信鏈路的信道資源，影響鏈路的容量、時延等特征，從而影響感知路由協(xié)議的路由選擇，所以路由和信道分配關(guān)系密切。為了最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)性能，應(yīng)該考慮路由和信道的聯(lián)合優(yōu)化，這方面也有不少學(xué)者正在從事相關(guān)研究工作。
（4）拓?fù)湟?guī)劃
路由協(xié)議和信道分配都是針對已有的WMNs網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行性能優(yōu)化，不合理的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃會壓縮性能優(yōu)化的空間，因此拓?fù)湟?guī)劃研究同樣具有重要意義。正六邊形網(wǎng)絡(luò)覆蓋一直以來被認(rèn)為是最優(yōu)的拓?fù)湫问剑珔⒖嘉墨I(xiàn)[5]提出在消除覆蓋死角方面，正三角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更好的效果，同時成本更低。針對WMNs技術(shù)特性的拓?fù)湟?guī)劃是智慧城市建設(shè)需要考慮的重要方面。
4 總結(jié)
智慧城市是新一代信息通信技術(shù)在城市建設(shè)發(fā)展過程中的應(yīng)用成果。它讓家長利用移動終端可以隨時觀察到孩子在幼兒園里的情況；讓汽車駕駛員在上路前可以實(shí)時看到市內(nèi)任何一條道路的車流量；讓道路養(yǎng)護(hù)人員可以隨時監(jiān)測市內(nèi)道路的壞損狀況；讓公安人員可以查看市內(nèi)公共場所犯罪現(xiàn)場的視頻記錄……這些應(yīng)用成果將極大地改善人們的生活。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是智慧城市建設(shè)中的一個重要環(huán)節(jié)，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)出來的諸多技術(shù)優(yōu)勢使得其在今后的智慧城市建設(shè)中占據(jù)重要地位，尤其是在現(xiàn)有多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合方面和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面。目前，構(gòu)建大規(guī)模、高性能WMNs的技術(shù)問題還沒有完全解決，有關(guān)WMNs各方面的深入研究仍在繼續(xù)，技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)集中在網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化上，主要包括路由協(xié)議、信道分配、路由信道聯(lián)合優(yōu)化以及拓?fù)湟?guī)劃。此外，WMNs的一些關(guān)鍵技術(shù)也需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)一步驗(yàn)證。
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