摘 要： 智慧城市的建設過程中面臨著現有多種異構網絡融合以及熱點區域高速數據網絡覆蓋的難題。基于無線Mesh網絡構建以Internet為核心網絡的分層網絡體系結構，以IP協議作為異構網絡之間的互連協議，利用IP架構的統一網絡平臺可以實現異構網絡的融合。利用無線Mesh網絡多跳無線通信和自動配置拓撲組網的特性，實現熱點區域覆蓋，將很好地滿足未來智慧城市的覆蓋需求。
關鍵詞： 智慧城市；無線Mesh網絡；異構網絡融合；自組織網絡
0 引言
智慧城市[1]是一個不斷發展的概念，其目標是利用新一代信息和通信技術實現城市的智慧管理和運行，實現經濟、社會、生態的可持續發展，進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程中的一個必然階段，單從技術角度來看，智慧城市要求以移動互聯網、物聯網、云計算和大數據等為代表的新一代信息技術實現智能感知、泛在互聯、普適計算和融合應用。數據網絡是智慧城市的“神經”和“血管”，承載未來智慧城市中的高速數據傳輸。考慮到未來城市的規模，可以預見數據傳輸網絡需要具有高帶寬、高可靠性、覆蓋范圍廣、易于擴展等特性，同時還要具有相對較低的布線成本。
無線Mesh網絡[2-3]（Wireless Mesh Networks，WMNs）是新一代的大規模、高性能無線接入網絡，具有智慧城市對數據傳輸網絡所要求的特性。因此無線Mesh網絡技術將成為實現未來智慧城市高速數據傳輸的關鍵技術之一。
本文首先簡要介紹了WMNs的架構和技術優勢，之后詳細闡述了作為高速、可靠的數據傳輸網絡，WMNs在智慧城市中的應用，然后對WMNs當前面臨的技術挑戰、研究重點以及未來發展進行了討論，最后對全文進行了總結。
1 無線Mesh網絡介紹
無線Mesh網絡是一種自組織、自配置的多跳無線網絡，構成WMNs的網絡節點只有兩種：Mesh路由器（Mesh Router，MR）和Mesh終端（Mesh Client，MC），其網絡結構如圖1所示。
在WMNs中，MR以無線互聯的方式構成WMNs骨干網，WMNs骨干網通過網關MR以有線的方式與Internet相連。MR不僅作為AP（Access Point）為覆蓋范圍內的MCs提供無線連接，同時作為路由器為其他MR轉發數據報文，MCs與覆蓋區域內的MR建立無線連接，以無線多跳的方式通過網關MR接入Internet。相比傳統的無線局域網，WMNs具有諸多技術優勢：（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MR之間多點到多點的連接保證了網絡的高可靠性；（3）WMNs本身的無線自組織特性易于網絡的擴展覆蓋；（4）只有網關MR與Internet之間是有線連接，網絡布線成本大大降低。
目前IEEE 802標準組織已經為WMNs專門制定了IEEE 802.11s協議，通過在WLAN AP間建立無線連接，擴展WLAN的覆蓋范圍，同時實現AP之間的自配置組網，WMNs技術將會不斷得到發展。
2 無線Mesh網絡在智慧城市中的應用
目前關于智慧城市的探討、研究很多，真正意義上的智慧城市本質是可持續發展，這種可持續發展包括經濟可持續發展、社會可持續發展和生態環境可持續發展。智慧城市是一個由多個相互聯系、相互依存、相互制約的子系統組成的復雜系統，其中以新一代信息技術為基礎的信息子系統是智慧城市的物理基礎，信息技術也是智慧城市形成的最主要推動力。具體來講，信息技術主要包括感知層技術，如傳感器技術、自動識別技術等；網絡層技術，如寬帶城域網、高速接入網、泛在網絡等；應用層技術，如云計算、大數據等。其中，無線通信網絡做為感知數據傳輸的載體，在智慧城市的建設中發揮的作用越來越重要。
2.1 融合現有多種無線異構網絡
當前多種無線通信技術并存，且相對獨立，造成了相互干擾、資源浪費、無法切換等問題。無線Mesh網絡可以和多種寬帶無線接入技術相結合，實現現有異構無線網絡的融合與協同，最終實現感知數據的無縫傳輸。
利用WMNs構建基于IP架構的統一網絡平臺，實現多種無線接入網絡的融合，如圖2所示。這是一種分層體系結構，基于IP的Internet作為核心網路，并將IP協議作為異構網絡之間的互連協議，WMNs骨干網中的MR作為接入路由器（Access Router，AR）向下連接2G/3G網絡、WLAN等不同接入網絡的基站或接入點，向上則連接網關MR充當的Internet接入網關（Gateway，GW）接入Internet核心網絡，接入網關同時還為異構網絡之間的切換提供支持。
利用WMNs構建的這種基于IP核心網絡的分層架構，不僅具有很好的可擴展性，而且充分利用了現有的Internet基礎網絡設施，因此降低了網絡融合的技術復雜度和建設成本，從而縮短了建設周期。該架構在可擴展性、技術復雜度、建設成本和建設周期方面均具有明顯優勢，非常適合用于智慧城市建設中各種異構網絡的融合。
2.2 構建高速數據網路
圖3所示為WMNs實現網絡覆蓋的架構。下層以MR作為AP為覆蓋范圍內的終端提供無線網絡接入，上層以MR作為網關將覆蓋范圍內的終端接入Internet核心網絡。MR之間基于IP協議建立無線連接，通過自動配置拓撲來組網。相比傳統的WLAN覆蓋方式，這種網絡結構最大的優勢是MR不僅作為AP提供網絡接入，同時還作為路由器轉發其他MR的報文，并能夠自動建立和維護連接，這些特點首先使得該網絡易于部署，具有很好的擴展性，其次MR之間的多跳無線通信擴大了網絡的覆蓋范圍，最后MR多點之間的連接增加了網絡的可靠性，可以很好地滿足智慧城市中區域覆蓋的要求。
3 無線Mesh網絡技術挑戰與發展
相比傳統的WLAN技術，WMNs的技術優勢在于以較低的布線成本實現更廣覆蓋且易于擴展，同時具有更高的帶寬和可靠性。但當網絡規模擴大時，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，額外的協議開銷會增加網絡負荷，影響網絡性能。當前WMNs受到了廣泛關注和深入研究，其中研究的重點就是網絡性能優化[4]，主要包括WMNs路由協議、信道分配、路由和信道聯合優化以及拓撲規劃。
（1）WMNs路由協議
在WMNs中，移動終端通過無線多跳的方式發送數據到網關MR，期間需經過多個節點的傳輸，這就可能導致很大的鏈路時延，所以WMNs需要高性能的路由協議。最小跳數路由算法（Minimum Hop Routing Algorithm，MHRA）和最短路徑路由算法（Shortest Path Routing Algorithm，SPRA）是最易于實現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載均衡，可能導致網絡擁塞的發生，從而造成較大的網絡時延。隨著WMNs網絡規模的擴大，WMNs節點也會增加，鄰居節點的增加可以為數據傳輸提供冗余鏈路以提高可靠性，但如果路由選擇不當，過多的跳數也會使得傳輸時延大大增加。一種基于鏈路狀態預測（Link State Prediction，LSP）的時延感知路由算法（Delay Aware Routing Algorithm，DARA）成為研究熱點。首先通過鏈路狀態預測模型，計算出每條鏈路的估計時延，根據時延大小為鏈路分配權重系數，從低于預設時延閾值的鏈路中選出K個權重最小的鏈路發送數據，這樣可以避免所有的數據報文都選擇同一條鏈路，從而減少擁塞的發生。
?。?）信道分配
IEEE 802.11 b/g標準規定了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。目前已有學者提出了利用重疊信道進行數據傳輸的方法，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熱點。
（3）路由和信道聯合優化
路由協議性能的好壞關系到鏈路時延的大小，進而影響網絡性能，信道分配算法決定節點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議的路由選擇，所以路由和信道分配關系密切。為了最大限度地提高網絡性能，應該考慮路由和信道的聯合優化，這方面也有不少學者正在從事相關研究工作。
?。?）拓撲規劃
路由協議和信道分配都是針對已有的WMNs網絡拓撲結構進行性能優化，不合理的網絡規劃會壓縮性能優化的空間，因此拓撲規劃研究同樣具有重要意義。正六邊形網絡覆蓋一直以來被認為是最優的拓撲形式，但參考文獻[5]提出在消除覆蓋死角方面，正三角形網絡結構具有更好的效果，同時成本更低。針對WMNs技術特性的拓撲規劃是智慧城市建設需要考慮的重要方面。
4 總結
智慧城市是新一代信息通信技術在城市建設發展過程中的應用成果。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時看到市內任何一條道路的車流量；讓道路養護人員可以隨時監測市內道路的壞損狀況；讓公安人員可以查看市內公共場所犯罪現場的視頻記錄……這些應用成果將極大地改善人們的生活。數據傳輸網絡是智慧城市建設中的一個重要環節，無線Mesh網絡所表現出來的諸多技術優勢使得其在今后的智慧城市建設中占據重要地位，尤其是在現有多種異構網絡融合方面和區域網絡覆蓋方面。目前，構建大規模、高性能WMNs的技術問題還沒有完全解決，有關WMNs各方面的深入研究仍在繼續，技術難點和重點集中在網絡性能優化上，主要包括路由協議、信道分配、路由信道聯合優化以及拓撲規劃。此外，WMNs的一些關鍵技術也需要在實際環境中進一步驗證。
參考文獻
[1] 許慶瑞，吳志巖，陳力田.智慧城市的愿景與架構[J].管理工程學報，2012，26（4）：1-7.
[2] 羅軍舟，吳文甲，楊明.移動互聯網：終端、網絡與服務[J].計算機學報，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.