摘 要：智慧城市的建设过程中面临着现有多种异构网络融合以及热点区域高速数据网络覆盖的难题。基于无线Mesh网络构建以Internet为核心网络的分层网络体系结构，以IP协议作为异构网络之间的互连协议，利用IP架构的统一网络平台可以实现异构网络的融合。利用无线Mesh网络多跳无线通信和自动配置拓扑组网的特性，实现热点区域覆盖，将很好地满足未来智慧城市的覆盖需求。
关键词： 智慧城市；无线Mesh网络；异构网络融合；自组织网络
0 引言
智慧城市[1]是一个不断发展的概念，其目标是利用新一代信息和通信技术实现城市的智慧管理和运行，实现经济、社会、生态的可持续发展，进而使人们在城市的生活更便捷、美好、和谐。智慧城市是城市在信息化进程中的一个必然阶段，单从技术角度来看，智慧城市要求以移动互联网、物联网、云计算和大数据等为代表的新一代信息技术实现智能感知、泛在互联、普适计算和融合应用。数据网络是智慧城市的“神经”和“血管”，承载未来智慧城市中的高速数据传输。考虑到未来城市的规模，可以预见数据传输网络需要具有高带宽、高可靠性、覆盖范围广、易于扩展等特性，同时还要具有相对较低的布线成本。
无线Mesh网络[2-3]（Wireless Mesh Networks，WMNs）是新一代的大规模、高性能无线接入网络，具有智慧城市对数据传输网络所要求的特性。因此无线Mesh网络技术将成为实现未来智慧城市高速数据传输的关键技术之一。
本文首先简要介绍了WMNs的架构和技术优势，之后详细阐述了作为高速、可靠的数据传输网络，WMNs在智慧城市中的应用，然后对WMNs当前面临的技术挑战、研究重点以及未来发展进行了讨论，最后对全文进行了总结。
1 无线Mesh网络介绍
无线Mesh网络是一种自组织、自配置的多跳无线网络，构成WMNs的网络节点只有两种：Mesh路由器（Mesh Router，MR）和Mesh终端（Mesh Client，MC），其网络结构如图1所示。
在WMNs中，MR以无线互联的方式构成WMNs骨干网，WMNs骨干网通过网关MR以有线的方式与Internet相连。MR不仅作为AP（Access Point）为覆盖范围内的MCs提供无线连接，同时作为路由器为其他MR转发数据报文，MCs与覆盖区域内的MR建立无线连接，以无线多跳的方式通过网关MR接入Internet。相比传统的无线局域网，WMNs具有诸多技术优势：（1）所有MR之间以多跳无线连接方式通信，提供了更广的覆盖范围；（2）WMNs骨干网MR之间多点到多点的连接保证了网络的高可靠性；（3）WMNs本身的无线自组织特性易于网络的扩展覆盖；（4）只有网关MR与Internet之间是有线连接，网络布线成本大大降低。
目前IEEE 802标准组织已经为WMNs专门制定了IEEE 802.11s协议，通过在WLAN AP间建立无线连接，扩展WLAN的覆盖范围，同时实现AP之间的自配置组网，WMNs技术将会不断得到发展。
2 无线Mesh网络在智慧城市中的应用
目前关于智慧城市的探讨、研究很多，真正意义上的智慧城市本质是可持续发展，这种可持续发展包括经济可持续发展、社会可持续发展和生态环境可持续发展。智慧城市是一个由多个相互联系、相互依存、相互制约的子系统组成的复杂系统，其中以新一代信息技术为基础的信息子系统是智慧城市的物理基础，信息技术也是智慧城市形成的最主要推动力。具体来讲，信息技术主要包括感知层技术，如传感器技术、自动识别技术等；网络层技术，如宽带城域网、高速接入网、泛在网络等；应用层技术，如云计算、大数据等。其中，无线通信网络做为感知数据传输的载体，在智慧城市的建设中发挥的作用越来越重要。
2.1 融合现有多种无线异构网络
当前多种无线通信技术并存，且相对独立，造成了相互干扰、资源浪费、无法切换等问题。无线Mesh网络可以和多种宽带无线接入技术相结合，实现现有异构无线网络的融合与协同，最终实现感知数据的无缝传输。
利用WMNs构建基于IP架构的统一网络平台，实现多种无线接入网络的融合，如图2所示。这是一种分层体系结构，基于IP的Internet作为核心网路，并将IP协议作为异构网络之间的互连协议，WMNs骨干网中的MR作为接入路由器（Access Router，AR）向下连接2G/3G网络、WLAN等不同接入网络的基站或接入点，向上则连接网关MR充当的Internet接入网关（Gateway，GW）接入Internet核心网络，接入网关同时还为异构网络之间的切换提供支持。
利用WMNs构建的这种基于IP核心网络的分层架构，不仅具有很好的可扩展性，而且充分利用了现有的Internet基础网络设施，因此降低了网络融合的技术复杂度和建设成本，从而缩短了建设周期。该架构在可扩展性、技术复杂度、建设成本和建设周期方面均具有明显优势，非常适合用于智慧城市建设中各种异构网络的融合。
2.2 构建高速数据网路
图3所示为WMNs实现网络覆盖的架构。下层以MR作为AP为覆盖范围内的终端提供无线网络接入，上层以MR作为网关将覆盖范围内的终端接入Internet核心网络。MR之间基于IP协议建立无线连接，通过自动配置拓扑来组网。相比传统的WLAN覆盖方式，这种网络结构最大的优势是MR不仅作为AP提供网络接入，同时还作为路由器转发其他MR的报文，并能够自动建立和维护连接，这些特点首先使得该网络易于部署，具有很好的扩展性，其次MR之间的多跳无线通信扩大了网络的覆盖范围，最后MR多点之间的连接增加了网络的可靠性，可以很好地满足智慧城市中区域覆盖的要求。
3 无线Mesh网络技术挑战与发展
相比传统的WLAN技术，WMNs的技术优势在于以较低的布线成本实现更广覆盖且易于扩展，同时具有更高的带宽和可靠性。但当网络规模扩大时，多跳无线传输路径的增加会极大地降低端到端的吞吐量；为了保证带宽需求和可靠性传输，额外的协议开销会增加网络负荷，影响网络性能。当前WMNs受到了广泛关注和深入研究，其中研究的重点就是网络性能优化[4]，主要包括WMNs路由协议、信道分配、路由和信道联合优化以及拓扑规划。
（1）WMNs路由协议
在WMNs中，移动终端通过无线多跳的方式发送数据到网关MR，期间需经过多个节点的传输，这就可能导致很大的链路时延，所以WMNs需要高性能的路由协议。最小跳数路由算法（Minimum Hop Routing Algorithm，MHRA）和最短路径路由算法（Shortest Path Routing Algorithm，SPRA）是最易于实现也是目前广泛使用的两种路由算法，但这两种算法没有考虑负载均衡，可能导致网络拥塞的发生，从而造成较大的网络时延。随着WMNs网络规模的扩大，WMNs节点也会增加，邻居节点的增加可以为数据传输提供冗余链路以提高可靠性，但如果路由选择不当，过多的跳数也会使得传输时延大大增加。一种基于链路状态预测（Link State Prediction，LSP）的时延感知路由算法（Delay Aware Routing Algorithm，DARA）成为研究热点。首先通过链路状态预测模型，计算出每条链路的估计时延，根据时延大小为链路分配权重系数，从低于预设时延阈值的链路中选出K个权重最小的链路发送数据，这样可以避免所有的数据报文都选择同一条链路，从而减少拥塞的发生。
（2）信道分配
IEEE 802.11 b/g标准规定了11条无线信道，其中3条为正交信道，其余8条为部分重叠信道。尽管重叠信道之间同信道干扰相对小很多，但目前仍然尽量避免使用它们，原因是它们引入了邻信道干扰。目前已有学者提出了利用重叠信道进行数据传输的方法，并证明可以消除由此引入的邻信道干扰，这成为了信道分配研究方面的一个热点。
（3）路由和信道联合优化
路由协议性能的好坏关系到链路时延的大小，进而影响网络性能，信道分配算法决定节点间通信链路的信道资源，影响链路的容量、时延等特征，从而影响感知路由协议的路由选择，所以路由和信道分配关系密切。为了最大限度地提高网络性能，应该考虑路由和信道的联合优化，这方面也有不少学者正在从事相关研究工作。
（4）拓扑规划
路由协议和信道分配都是针对已有的WMNs网络拓扑结构进行性能优化，不合理的网络规划会压缩性能优化的空间，因此拓扑规划研究同样具有重要意义。正六边形网络覆盖一直以来被认为是最优的拓扑形式，但参考文献[5]提出在消除覆盖死角方面，正三角形网络结构具有更好的效果，同时成本更低。针对WMNs技术特性的拓扑规划是智慧城市建设需要考虑的重要方面。
4 总结
智慧城市是新一代信息通信技术在城市建设发展过程中的应用成果。它让家长利用移动终端可以随时观察到孩子在幼儿园里的情况；让汽车驾驶员在上路前可以实时看到市内任何一条道路的车流量；让道路养护人员可以随时监测市内道路的坏损状况；让公安人员可以查看市内公共场所犯罪现场的视频记录……这些应用成果将极大地改善人们的生活。数据传输网络是智慧城市建设中的一个重要环节，无线Mesh网络所表现出来的诸多技术优势使得其在今后的智慧城市建设中占据重要地位，尤其是在现有多种异构网络融合方面和区域网络覆盖方面。目前，构建大规模、高性能WMNs的技术问题还没有完全解决，有关WMNs各方面的深入研究仍在继续，技术难点和重点集中在网络性能优化上，主要包括路由协议、信道分配、路由信道联合优化以及拓扑规划。此外，WMNs的一些关键技术也需要在实际环境中进一步验证。
参考文献
[1] 许庆瑞，吴志岩，陈力田.智慧城市的愿景与架构[J].管理工程学报，2012，26（4）：1-7.
[2] 罗军舟，吴文甲，杨明.移动互联网：终端、网络与服务[J].计算机学报，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.