無線Mesh網絡技術應用論文

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摘要:無線mesh網絡是新近出現的一種無線多跳網狀拓撲網絡,是一種非常有前途的無線接入網絡技術。本文簡要介紹了無線mesh的網絡結構、特點、應用,并分析了影響無線mesh網性能的主要技術因素。

關鍵詞:無線mesh網,寬帶無線接入,無線多跳網

無線Mesh網絡技術

在寬帶無線接入領域,各種無線通信技術蓬勃發展的同時,一種新的無線網絡技術——無線mesh網絡也逐漸發展起來,引起了人們廣泛的注意。無線mesh網,即無線網狀網,也稱為無線多跳網,它可以和多種寬帶無線接入技術如802.11、802.16、802.20以及3G移動通信等技術相結合,組成一個含有多跳無線鏈路的無線網狀網絡。這種無線網狀網,可以大大增加無線系統的覆蓋范圍,同時可以提高無線系統的帶寬容量以及通信可靠性,是一種非常有發展前途的寬帶無線接入技術。

無線Mesh網的網絡架構

傳統的無線接入技術中,主要采用點到點或者點到多點的拓撲結構。這種拓撲結構中一般都存在一個中心節點,例如移動通信系統中的基站、802.11WLAN中的AP等等。中心節點一方面與各個無線終端通過單跳無線鏈路相連,控制各無線終端對無線網絡的訪問就;另一方面,中心節點又通過有線鏈路與有線骨干網相連,提供到骨干網的連接。而在無線mesh網絡中,采用網狀mesh拓撲結構,也可以說是一種多點到多點網絡拓撲結構。在這種mesh網絡結構中,各網絡節點通過相臨其他網絡節點,以無線多跳方式相連。

無線mesh網主要由兩種網絡節點組成:mesh路由器和mesh終端。Mesh路由器除了具有傳統的無線路由器的網關/中繼功能外,還具有支持mesh網絡互連的路由功能。Mesh路由器通常具有多個無線接口,這些無線接口可以是基于相同的無線接入技術構建,也可以是基于不同的無線接入技術。與傳統的無線路由器相比,無線mesh路由器可以通過無線多跳通信,以低得多的發射功率獲得同樣的無線覆蓋范圍。在無線mesh網絡中,由mesh路由器互連構成無線骨干網,這個無線骨干網再通過其中的網關mesh路由器與外部網絡如Internet相連。Mesh終端也具有一定的mesh網絡互連和分組轉發功能,但是一般不具有網關橋接功能。通常,mesh終端通常只具有一個無線接口,實現復雜度遠小于mesh路由器。Mesh終端可以是筆記本電腦、掌上電腦、PDA以及手機等終端設備。Mesh終端之間互連可以構成一個小型對等通信網絡。mesh路由器和mesh終端之間混合組網如下圖所示:無線mesh網與同樣采用多跳網狀拓撲的Adhoc網相比,也有所不同。Adhoc網絡是由移動終端設備組成的無線分布式多跳網絡,其中一般不包含靜止的節點設備;而無線mesh網中的無線路由器大多是靜止的設備,而用戶終端也可以是靜止或移動的無線接入終端。此外,adhoc網的設計目的是為了實現用戶移動終端設備之間的對等網絡通信,而無線mesh網絡著重的是給終端用戶提供無線接入功能。

無線Mesh網絡的特點

與傳統的無線接入技術相比,無線mesh網具有一些新的特點:

1.無線多跳網絡

無線mesh網技術開發的目標是在不犧牲信道容量的情況下,擴展現有無線網絡的覆蓋范圍。另一個目標是在不具有直接視距無線鏈路的用戶之間,提供非視距連接。為了實現這些目標,不可避免的要采用多跳mesh網絡。多跳mesh網絡架構中,無線鏈路間更短、發射功率更小、節點間干擾更少和頻率重用效率更高,這樣可以在不犧牲信道容量的前提下獲得更高的系統容量。

2.支持adhoc方式網絡互連,具有自組織、自管理、自愈能力

無線mesh網具有網絡結構靈活、易于部署和配置、容錯以及網狀連接多點到多點通信等特點,使得無線mesh網的初始部署成本相當低,并且可以根據需要逐步擴容。自組織自愈能力使得無線meh網不需要網絡管理員來手工配置網絡,而可以自動發現新節點,自動完成配置過程,自動維護網絡正常運行,在出現節點/鏈路故障時也可自動調整完成網絡自愈。

3.多種類型的網絡接入

在無線mesh網中,既支持無線終端接入骨干網,又支持無線終端之間的對等網絡通信。此外,把無線mesh網技術與其他無線網絡相結合,可以通過無線mesh網給這些無線網絡的終端用戶提供無線接入業務。

4.移動性以及能耗限制與節點類型相關

無線mesh網中,mesh路由器一般為靜止不動的設備,而mesh終端可以是移動或固定設備。同時,mesh路由器一般沒有能耗的限制,而mesh終端則需要采用能耗較小的網絡通信協議。這樣,MAC以及路由協議需要針對mesh路由器和mesh終端設備分別設計和優化。

與同樣具有自組織、自管理以及多跳無線adhoc拓撲的adhoc網絡相比,無線mesh網也有自己與adhoc網絡不同的特點:

5.具有無線基礎設施骨干網

無線mesh網內,由mesh路由器組成一個無線骨干網,專門用于給終端客戶提供可靠網絡連接。這個無線骨干網在無線域內提供了大覆蓋范圍、連通性以及健壯性。反觀Adhoc網絡則是基于各個不可靠的終端用戶來進行通信,不存在專門提供網絡連接服務的基礎骨干網,這給adhoc的應用帶來了很大的限制。6.集成性

無線mesh網可以通過mesh路由器的網關/橋接功能,整合現有多種無線網絡技術,如802.11、802.16、3G移動通信等。這樣,通過mesh路由器組成的無線骨干網,可以把多種不同無線網絡連接到一起,形成一個“無線互聯網”。而adhoc網絡由于是用戶終端自組網,而用戶終端一般不具備這種網關/橋接的功能。

7.路由和配置功能的專門化

在adhoc網絡中,每個終端用戶設備都要為所有其他節點執行路由和配置功能。而在無線mesh網中,雖然mesh終端也有路由轉發功能,但是主要還是由mesh路由器來執行路由和配置功能,大大減輕了普通mesh終端的負載。

8.拓撲結構的相對穩定

adhoc網絡中,由于終端用戶的移動性和不可靠性,網絡拓撲和連接的變化較大,使得路由協議和網絡配置和部署帶來了很大的挑戰。無線mesh網中,mesh路由器一般是靜止不動設備且較用戶終端可靠的多。

9.功耗限制減少

無線mesh網絡中,mesh路由器一般為靜止不動的設備,與adhoc網中的移動終端相比,基本沒有功耗限制。這樣,在設計mesh路由器的物理層、MAC層以及網絡層路由協議時,基本可以不考慮功耗限制,這大大簡化了協議設計,同時還可以采用性能較高的設計方案。

無線Mesh網的應用

同樣作為無線多跳網絡,與adhoc網絡技術只用于軍事以及專用特殊網絡不同,無線mesh網的研究開發是由實際應用需求為驅動力的,其應用場景和應用范圍相當廣泛,并且有著不可替代的作用和優勢。無線mesh網可以和802.11WLAN、802.16WMAN以及3G等各種無線接入技術相結合,實現家庭網絡、社區網絡、企業網絡以及城域網絡內的多層次多范圍的無線應用。

1.寬帶家庭網絡互連

現在,寬帶家庭網絡互連大多采用802.11WLAN來實現,在WLAN中AP的放置需要現場勘察,但仍不免產生覆蓋不到的盲區。為了消除盲區,可在家庭互連網絡中采用無線mesh網技術,放置多個小型mesh路由器,以多跳mesh網絡互連家庭內部數字設備可以有效的消除盲區,同時還可以大大提高網絡容錯性,且可減少由于迂回訪問產生造成的網絡擁塞。

2.社區網絡互連

采用無線mesh網技術,通過在社區內放置多個mesh路由器可以將社區內各用戶家庭網絡互連,形成一個社區無線多跳網絡。有了這個社區無線互連網絡,就可以在社區內用戶家庭之間共享若干個Internet接入設備,而不必在每個用戶家庭安裝Internet接入設備。而且,社區無線mesh網還可以容許社區用戶家庭無需通過遠端服務提供商網絡,就可以在社區本地相互訪問,共享社區內網絡資源。此外,社區無線mesh網的網狀拓撲結構,也給社區用戶提供了更加可靠的網絡連接,增強了網絡容錯性和健壯性。

3.企業網絡互連

目前,802.11WLAN已經在企業辦公室寫字樓中得到了廣泛的應用,但這些WLAN或者相互沒有連接,或者采用不太經濟的有線以太網方式相連。而采用無線mesh網技術,通過mesh路由器將這些WLAN互連,一方面可以解決WLAN網絡之間連通性問題,另一方面相對采用有線互連方式還可以節約成本,靈活部署,同時提高了網絡的容錯性和健壯性。

4.城域網絡互連

通過無線mesh網絡,整合802.16WMAN、802.11WLAN以及3G等其他無線接入技術可以形成一個城域大范圍、多層次、多樣化接入方式的無線接入網絡,使得城域無線接入網絡的覆蓋廣度深度都大大增加。

無線Mesh網絡的關鍵技術因素

無線mesh網作為一種新的無線接入網絡技術,需要考察影響其性能的關鍵技術因素。這些技術因素如下:

1.物理層無線電技術

新興的物理層無線電技術如定向智能天線、自適應調制編碼、MIMO技術以及多無線電/多信道系統已經成為下一代無線接入系統的不可或缺的關鍵技術。此外,為了進一步改善無線射頻性能以及高層協議的控制,更先進的可重配置無線電、感知無線電、甚至軟件無線電技術都已開始在無線系統中有所運用。這些高級物理層無線電技術的開發設計不僅對物理層性能起著決定性作用,而且要求進行整合物理層、MAC層和網絡層進行整體設計,以便最大限度的提高整個網絡性能。

2.MAC層多址訪問機制

無線mesh網是分布式無線多跳網狀網。現有的無線網絡MAC機制大多都是針對單跳無線網絡設計的,這種面向單跳無線網絡設計的MAC機制并不適于分布式無線多跳網狀網絡,如802.11WLAN的MAC機制在無線鏈路跳數達到四跳時,性能下降非常大。同時,在無線mesh網這種分布式無線多跳網狀網中,由于實現時間同步和碼管理困難,采用TDMA和CDMA多址接入也比較復雜。此外,在無線mesh網絡中,還要求能夠有效的進行空間頻率重用,以提高網絡容量。這樣,MAC層機制設計將成為影響無線mesh網性能和成功與否的關鍵技術因素之一。

3.Mesh拓撲連接的維持

無線mesh網的很多技術特點和優勢來自于其mesh網狀連接,mesh連接的維護也就成為無線mesh網的MAC和路由協議設計中的一個關鍵。一般來說,需要在無線mesh網中實現網絡自組織和拓撲控制算法,設計具有拓撲感知能力的MAC和路由協議。

4.Mesh路由協議

無線mesh網絡中,mesh路由協議的設計是一個關鍵。首先,在無線多跳mesh網絡中,路由協議不能僅僅根據“最小跳數”來進行路由選擇,而要綜合考慮多種性能度量指標來進行路由選擇。其次,mesh路由協議要提供網絡容錯性和健壯性支持,能夠在無線鏈路失效時,迅速選擇替代鏈路避免業務提供中斷。第三,mesh路由協議要能夠利用流量工程技術,在多條路徑間進行負載均衡,盡量最大限度利用系統資源。第四,路由協議要求能同時支持mesh路由器和mesh終端。對于靜止不動的mesh路由器,由于沒有功耗限制,可以采用比現有adhoc路由協議簡單得多的路由協議;而對于mesh終端,則需要采用類似adhoc的路由協議。這樣,就需要一種行之有效的路由協議能夠自適應支持mesh路由器和mesh終端。

5.寬帶Qos業務支持

與adhoc網絡不同,無線mesh網的大多數應用都是具有不同Qos要求的寬帶業務。這樣,除了端到端時延和公平性以外,還需要在通信協議中考慮時延抖動、聚合吞吐量、每節點吞吐量以及分組丟失率等性能評價指標。

6.兼容性和互操作性支持

對于無線mesh網來說,最好不僅能支持mesh終端,還能支持傳統的無線終端。這就需要無線mesh網能夠后向兼容傳統無線終端。此外,無線mesh網絡需要能夠包容整合多種異構類型無線接入網絡,因而要求mesh路由器在不同異構無線接入網絡中具有互操作性。