摘  要： 智慧城市的建設(shè)過(guò)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?；?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)" title="無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)" target="_blank">無(wú)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(tái)可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合,。利用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳無(wú)線通信和自動(dòng)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(lái)智慧城市的覆蓋需求,。

　　關(guān)鍵詞： 智慧城市,；無(wú)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(gè)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(huì),、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而使人們?cè)诔鞘械纳罡憬?、美好,、和諧。智慧城市是城市在信息化進(jìn)程中的一個(gè)必然階段,，單從技術(shù)角度來(lái)看,，智慧城市要求以移動(dòng)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(lái)智慧城市中的高速數(shù)據(jù)傳輸,。考慮到未來(lái)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(shí)還要具有相對(duì)較低的布線成本。

　　無(wú)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(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，具有智慧城市對(duì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)所要求的特性,。因此無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)未來(lái)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(jiǎn)要介紹了WMNs的架構(gòu)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，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(duì)WMNs當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),、研究重點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了討論，最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié),。

1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)介紹

　　無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種自組織,、自配置的多跳無(wú)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(wú)線互聯(lián)的方式構(gòu)成WMNs骨干網(wǎng)，WMNs骨干網(wǎng)通過(guò)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(wú)線連接,，同時(shí)作為路由器為其他MR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文，MCs與覆蓋區(qū)域內(nèi)的MR建立無(wú)線連接,，以無(wú)線多跳的方式通過(guò)網(wǎng)關(guān)MR接入Internet,。相比傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)，WMNs具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）所有MR之間以多跳無(wú)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(wú)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(guò)在WLAN AP間建立無(wú)線連接,，擴(kuò)展WLAN的覆蓋范圍,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AP之間的自配置組網(wǎng)，WMNs技術(shù)將會(huì)不斷得到發(fā)展,。

2 無(wú)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(huì)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(gè)由多個(gè)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(dòng)力,。具體來(lái)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(dòng)識(shí)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(wú)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(lái)越重要,。

　　2.1 融合現(xiàn)有多種無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

　　當(dāng)前多種無(wú)線通信技術(shù)并存,，且相對(duì)獨(dú)立，造成了相互干擾,、資源浪費(fèi),、無(wú)法切換等問題。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以和多種寬帶無(wú)線接入技術(shù)相結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有異構(gòu)無(wú)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(wú)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(tái)，實(shí)現(xiàn)多種無(wú)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(shí)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(shì),，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(wú)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(wú)線連接,，通過(guò)自動(dòng)配置拓?fù)鋪?lái)組網(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(shì)是MR不僅作為AP提供網(wǎng)絡(luò)接入,，同時(shí)還作為路由器轉(zhuǎn)發(fā)其他MR的報(bào)文,，并能夠自動(dòng)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(wú)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(wú)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(shì)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(shí)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(shí),，多跳無(wú)線傳輸路徑的增加會(huì)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(huì)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(dòng)終端通過(guò)無(wú)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(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸，這就可能導(dǎo)致很大的鏈路時(shí)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(shí)延,。隨著WMNs網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，WMNs節(jié)點(diǎn)也會(huì)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(guò)多的跳數(shù)也會(huì)使得傳輸時(shí)延大大增加,。一種基于鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)（Link State Prediction,，LSP）的時(shí)延感知路由算法（Delay Aware Routing Algorithm，DARA）成為研究熱點(diǎn),。首先通過(guò)鏈路狀態(tài)預(yù)測(cè)模型,，計(jì)算出每條鏈路的估計(jì)時(shí)延，根據(jù)時(shí)延大小為鏈路分配權(quán)重系數(shù),，從低于預(yù)設(shè)時(shí)延閾值的鏈路中選出K個(gè)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(bào)文都選擇同一條鏈路，從而減少擁塞的發(fā)生,。

　?。?）信道分配

　　IEEE 802.11 b/g標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了11條無(wú)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(duì)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?，并證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(gè)熱點(diǎn),。

　?。?）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(shí)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(shí)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。

　?。?）拓?fù)湟?guī)劃

　　路由協(xié)議和信道分配都是針對(duì)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(huì)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(lái)被認(rèn)為是最優(yōu)的拓?fù)湫问?，但參考文獻(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(shí)成本更低,。針對(duì)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(guò)程中的應(yīng)用成果,。它讓家長(zhǎng)利用移動(dòng)終端可以隨時(shí)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(shí)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(shí)監(jiān)測(cè)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(chǎng)所犯罪現(xiàn)場(chǎng)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(gè)重要環(huán)節(jié),，無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)所表現(xiàn)出來(lái)的諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 許慶瑞,，吳志巖,，陳力田.智慧城市的愿景與架構(gòu)[J].管理工程學(xué)報(bào)，2012,，26（4）：1-7.

　　[2] 羅軍舟,，吳文甲，楊明.移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)：終端,、網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),，2011，34（11）：2029-2051.

　　[3] AKYILDIZ I F,， WANG X D. A survey on wireless mesh networks[J]. IEEE Communications Magazine,，2005，43（9）：S23-S30.

　　[4] CHEONG L C,， SHENG C L,， KEE C Y. Innovations to improve wireless mesh network performance[C]. IEEE Symposium on Wireless Technology and Applications（ISWTA），2013：80-84.

　　[5] ROBINSON J,， KNIGHTLY E W. A performance study of deployment factors in wireless mesh networks[C]. 26th IEEE International Conference on Computer Communications,， Anchorage， AK,，2007：2054-2062.