MESH自组网的技术结构详细解析

1，MESH自组网介绍及其采用的主要技术

MESH自组网是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络。它是一种动态地建立新的链接和其他节点相连的一项技术,它具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等优点,可以大幅降低网络部署的成本和复杂程度。

图1.MESH自组网拓扑结构

目前，业内MESH自组网主要采用如下的技术：

1)按照组网频段，Mesh分为多频多信道组网和单频组网。单频组网收发采用单一频率，带宽容量减少一半。多频多信道组网下，设备使用多个正交频率，分别用于不同的链路，可增加系统吞吐量。

2)在无线射频技术方面，为了提高传输速率和性能，近年来已经广泛使用OFDM、MIMO、智能天线等技术。

3)在资源调度方面，通常分为CSMA/CA模式和TDMA模式。CSMA/CA采用资源竞争模式，但节点和跳数多、网络负载高时，资源有效利用率低。TDMA模式是一种基于时间分配的调度机制，当网络负载较重的情况下，效率较高。

4)在网络路由算法方面，不同于固定路由采用的RIP、OSPF路由协议，常见的Mesh无线路由算法包括DSDV、DSR、AODV等。

2、基于MESH自组网的无线产品

早期，宽带MESH产品广泛采用基于CSMA/CA的Wi-FiMESH技术。通过多频模块化设计，可以在ISM频段上提供高容量、低成本的无线接入方案。Wi-Fi MESH产品在欧美国家“无线宽带城市”建设中得到广泛使用，国内运营商、学校、企业、工厂等也有大量使用。该时期出现了诸如SkyPilot、Azalea等大量的Wi-FiMESH厂家。但是，在3G/4G商用后，无线宽带接入市场急剧萎缩，很多厂家相继倒闭。

图2. Wi-Fi MESH多频模块化示意图

Wi-Fi MESH由于频段、带宽、稳定性等问题，不太适合于应急通信等行业领域，采用同频TDMA方式的MESH产品成为行业热点。这类产品一般采用FPGA+ADC芯片架构，可以根据应用场景的信道特征灵活设计底层无线通信协议，广泛使用OFDM、MIMO等技术。使用这种方案的产品成本较高、功耗较大、开发稳定工作的产品周期较长。目前市面上采用此方案的公司比较多。

图3.基于FPGA的MESH示意图

此外还有采用LTE相关技术的MESH方案，其充分融合了LTE物理层技术，对其帧结构进行特殊设计，可以应用不同的调制编码方式适应不同的信道变化，获得最大的传输效率。LTE是一种非常完善、成熟的技术，可靠性、稳定性可以得到保证，但是这种方案开发门槛高、投入较大，能够做底层研发的公司较少。目前，中国信科集团旗下的辰芯科技有限公司在其SDR芯片CX1860 上开发了一套基于LTE协议的MESH方案，采用私有无线通信协议安全可靠性高，支持QoS机制保证无线传输业务质量，无线算法充分考虑了多径信道环境，进行了优化设计，在采用全向天线情况下也能实现远距离高性能传输，最远传输150公里；该方案除了具备FPGA方案的灵活性外，在集成度、功耗方面也更有优势，便于开发小型化的终端产品，相关厂商可以在此方案基础上快速开发自己的MESH产品。

图4.基于LTE的单芯片MESH示意图

3、MESH自组网的应用

MESH自组网已经应用在武警、消防、人防应急、三防应急、水利防汛、电力巡检、电力抢险、“雪亮工程”、铁路抢险、海事执法、海监巡查、海关边防、码头监控、森林防火、油田防盗、军事侦察、电视转播等领域。在城市、海上、山地等多种复杂环境中提供高质量图像、语音、数据实时移动传输。

近几年“雪亮工程”项目建设大多集中在城市中，下沉到县、乡、镇的工作尚显薄弱。“雪亮工程”在县乡镇地区推行缓慢的原因之一就是部分农村地区基础设施相对薄弱，没有满足要求的光纤网络资源，同时地形地貌等原因导致架线施工难度大、成本高。在乡村、山区、草原等地广人稀的区域，“雪亮工程”建设项目采用无线MESH视频监控技术具有如下优势：

1)相比有线传输，无线传输可以节省光纤线缆成本，且部署快捷方便、便于维护，节省施工人力成本；

2)不存在私拉乱接光缆现象；不影响现有线路，减少与其他线路部门的矛盾；

3)相比无线网桥，MESH多跳特性可实现长距离非视距传输。可解决“雪亮工程”中使用的电杆高度一般都只有数米，通常无线设备间会有树木、建筑物、大山等遮挡，无法通视传输的问题；

4)与Wi-Fi网桥通过加大发射功率、采用定向天线方式相比， LTE MESH可以实现更高的接收灵敏度，采用全向天线远距离传输，可避免定向天线安装复杂、需要技术人员指导、容易出现歪斜等问题。

4、MESH自组网的未来发展趋势

设备小型化、便携化是MESH产品未来发展趋势之一，在充分考虑应用场景和保障必要的功能性能的前提下,研究轻便灵巧化技术,满足单人背负和无人机载要求。

在应急通信领域，也广泛应用Mesh自组网技术，Mesh与其他专网通信、卫星通信等系统融合也是未来发展重点。
来源；通信世界