摘要：无线网状网已经成为无线宽带通信领域的研究热点，但是基于交换技术的无线网状网因为其将整个网络看作是一个IP子网而无法适用于大范围的覆盖。在无线链路中采用协作中继，可以提高无线链路的传输速率及传输可靠性。同时采用基于网络层路由技术的无线网状网技术，可以实现整个无线网状网的频谱效率提升和广域覆盖。不过，由于标准化、关键技术研究以及产业化推进方面还存在许多问题，使得协作中继技术在无线网状网中的应用面临着巨大挑战。
关键词：无线网状网；协作中继；无线Mesh结构；路由技术
无线网状网是移动Ad hoc网络和蜂窝网技术融合的产物，是一种多跳的Ad hoc网络。与移动Ad hoc网络实现用户移动设备之间的对等通信的目的不同，无线网状网主要是为用户终端提供无线接入[1-7]。无线网状网具有自组网、自管理、自动修复、自我平衡、节点自我管理以及多跳等特点，而且安装简单、覆盖范围广，可以动态实现移动宽带接入、支持多种业务、无线定位等，因而它逐渐成为宽带无线接入的研究热点。IEEE标准化组织也正在联合产业界与学术界共同致力于无线网状网的标准化工作，比如IEEE 802.11s、IEEE 802.16j、IEEE 802.15.5、IEEE 802.20以及IEEE 802.16m[8]等。
1 无线网状网的技术特点
1.1无线网状网的分类
在开放系统互联(OSI)的网络分层模型中，第二层是数据链路层，第三层是网络层。目前，无线网状网在技术上可以分成两大类：一类是Layer 2的无线网状网，或是采用交换技术的无线网状网，另外一类是Layer 3的无线网状网，或是基于路由技术的无线网状网[9]。
从TCP／IP的角度来看，基于Layer 2的无线网状网是把整个无线网状网当作一个IP子网。IEEE 802系列的无线网状网技术以及当前市场上的绝大多数无线网状网产品都属于此类。在网络Layer 2中完成接入控制、网状组网、路由、链路拥塞控制、快速移动，切换支持和安全认证等功能。目前大部分厂商的产品都是采用交换技术解决的无线网状网，也就是在Layer 2进行接入点(AP)间的数据交换。针对小范围网络覆盖的情况，这种基于Layer 2的无线网状网还能够胜任。
与基于Layer 2的无线网状网不同，基于Layer 3的无线网状网则允许把整个无线网状网划分为多个IP子网，IP子网之间的通信是通过IP路由来实现的。由于是基于路由的技术，当A节点的数据传输到B节点就不需要到根节点进行数据交换了，而是走最短的路径到达B接点。具有路由能力的无线网状网络具有类似有线网络的结构，每个无线网络中的路由器不仅为覆盖区内连接的用户提供互联网接入，同时作为该网络的基本设施将数据通过无线网状网络路由到目的地。支持路由的网状网络具备灵活性高和容错能力强的特点，它简化了视距通信问题并以最少量的网络基础设施和互联成本扩展了网络的覆盖范围。
1.2无线网状网实现的基础
无论是基于Layer 2的无线网状网，还是基于Layer 3的无线网状网，其本质都是一种多跳网络，两个相邻节点(可以看作是一个源节点和一个目的节点)之间的通信质量、可靠性和效率是保证无线网状网优良性能的基础。协作中继技术由于可以充分利用从源节点到目的节点的多跳路径的信息，进而可以提高源节点和目的节点之间的无线链路性能，从而满足无线网状网两个节点之间的通信质量需求。
由于网状网节点的移动性使得其网络拓扑结构不断变化，传统的Internet路由协议无法适应这些特性，因此需要开发专门的路由协议，同时需要在物理层保证两个节点之间的数据速率以及传输可靠性。
此外，针对无线网状网，不能只考虑某一层面协议性能的提高，需要同时考虑多个层面间的影响，进行跨层设计。也就是打破传统的开放系统互联参考模型(OSI/RM)中严格分层的束缚，针对各层相关模块/协议的不同状态和要求，利用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行整体优化。具体来说，跨层设计就是充分、合理利用现有的网络资源，达到系统总吞吐量的最大化、总传输功率的最小化、QoS的最优化等最终目的。
2 无线网状网与协作中继技术的结合
2.1骨干网需要实现无线Mesh结构
无线网状网是基于IP协议的无线网络技术，从网络拓扑结构上来讲，无线网状网可以看作是无线版、缩微版的互联网。随着宽带无线技术的发展，人们需要无线网络具有更高数据速率、更高频谱效率、更高覆盖和更强业务支撑能力，比如，B3G/4G要求传输速率能够达到1 Gb/s，需要的频谱至少是100 MHz。对于这样的宽带的频谱需求，很难在现有的频段中找到，因此需要对B3G/4G分配更高的频段，比如5 GHz或者6 GHz。
工作频率的提高、带宽的增大，有利于数据速率的提升，但是，频率的提升会导致小区覆盖范围缩小，进而引起数据速率和覆盖范围之间的矛盾，需要在数据速率和覆盖范围之间进行折中。比如，IEEE 802.11n期望在15 m范围内，媒体接入控制(MAC)层数据速率达到100 Mb/s；超宽带(UWB)能够提供高达480 Mb/s的数据速率，但是其覆盖范围只能达到2 m甚至更低。在这种情况下，要在较大覆盖范围内实现高数据速率，将来的无线网络需要部署大量的AP。然而，安装部署数量庞大的AP在现实中比较困难，一方面是建设成本太高，另外一方面是全部将无线AP连接到有线骨干网中也是不太现实的，特别是在目前那些没有有线服务的地区。
虽然采用基于Mesh和中继的结构是比较可行的解决思路，而且目前市场上出现的许多无线网状网产品，都可以与无线个域网(WPAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)以及无线宽带接入(WBA)等系统结合，但是，如果将整个无线Mesh网络看作是一个海洋的话，这些WPAN、WMAN、WLAN以及WBA就好像海洋中的一座座“孤岛”，它们的中央控制器只有连接到了骨干网中以后，才能为用户提供真正的服务。因此，从这个角度讲，实现全网的无线Mesh覆盖，首先需要解决的是骨干网本身的无线实现问题[10]。
2.2无线网状网的结构
无线网状网是使用多跳的全无线网络，数据流进出有线Internet网关。与平面Ad hoc相比，无线网状网呈现分层的特点，其节点按照功能可以分成Mesh路由器和Mesh客户机两类。这些Mesh节点可以组成全Mesh结构，也可以组成部分Mesh结构。所谓全Mesh结构是指网络中的任意两个节点都可以实现直接连接，而部分Mesh结构是指只有整个网络中的部分节点之间可以直接通信。如图1所示。
