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

關鍵詞:無線mesh網(wǎng),寬帶無線接入,無線多跳網(wǎng)

無線Mesh網(wǎng)絡技術

在寬帶無線接入領域,各種無線通信技術蓬勃發(fā)展的同時,一種新的無線網(wǎng)絡技術——無線mesh網(wǎng)絡也逐漸發(fā)展起來,引起了人們廣泛的注意。無線mesh網(wǎng),即無線網(wǎng)狀網(wǎng),也稱為無線多跳網(wǎng),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(jié)合,組成一個含有多跳無線鏈路的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡。這種無線網(wǎng)狀網(wǎng),可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍,同時可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性,是一種非常有發(fā)展前途的寬帶無線接入技術。

無線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)絡架構(gòu)

傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)中一般都存在一個中心節(jié)點,例如移動通信系統(tǒng)中的基站、802.11WLAN中的AP等等。中心節(jié)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(wǎng)絡的訪問就;另一方面,中心節(jié)點又通過有線鏈路與有線骨干網(wǎng)相連,提供到骨干網(wǎng)的連接。而在無線mesh網(wǎng)絡中,采用網(wǎng)狀mesh拓撲結(jié)構(gòu),也可以說是一種多點到多點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。在這種mesh網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中,各網(wǎng)絡節(jié)點通過相臨其他網(wǎng)絡節(jié)點,以無線多跳方式相連。

無線mesh網(wǎng)主要由兩種網(wǎng)絡節(jié)點組成:mesh路由器和mesh終端。Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)的無線路由器的網(wǎng)關/中繼功能外,還具有支持mesh網(wǎng)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(gòu)建,也可以是基于不同的無線接入技術。與傳統(tǒng)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(fā)射功率獲得同樣的無線覆蓋范圍。在無線mesh網(wǎng)絡中,由mesh路由器互連構(gòu)成無線骨干網(wǎng),這個無線骨干網(wǎng)再通過其中的網(wǎng)關mesh路由器與外部網(wǎng)絡如Internet相連。Mesh終端也具有一定的mesh網(wǎng)絡互連和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能,但是一般不具有網(wǎng)關橋接功能。通常,mesh終端通常只具有一個無線接口,實現(xiàn)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(gòu)成一個小型對等通信網(wǎng)絡。mesh路由器和mesh終端之間混合組網(wǎng)如下圖所示:

無線mesh網(wǎng)與同樣采用多跳網(wǎng)狀拓撲的Adhoc網(wǎng)相比,也有所不同。Adhoc網(wǎng)絡是由移動終端設備組成的無線分布式多跳網(wǎng)絡,其中一般不包含靜止的節(jié)點設備;而無線mesh網(wǎng)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(wǎng)的設計目的是為了實現(xiàn)用戶移動終端設備之間的對等網(wǎng)絡通信,而無線mesh網(wǎng)絡著重的是給終端用戶提供無線接入功能。

無線Mesh網(wǎng)絡的特點

與傳統(tǒng)的無線接入技術相比,無線mesh網(wǎng)具有一些新的特點:

1.無線多跳網(wǎng)絡

無線mesh網(wǎng)技術開發(fā)的目標是在不犧牲信道容量的情況下,擴展現(xiàn)有無線網(wǎng)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(xiàn)這些目標,不可避免的要采用多跳mesh網(wǎng)絡。多跳mesh網(wǎng)絡架構(gòu)中,無線鏈路間更短、發(fā)射功率更小、節(jié)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(tǒng)容量。

2.支持adhoc方式網(wǎng)絡互連,具有自組織、自管理、自愈能力

無線mesh網(wǎng)具有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活、易于部署和配置、容錯以及網(wǎng)狀連接多點到多點通信等特點,使得無線mesh網(wǎng)的初始部署成本相當?shù)?并且可以根據(jù)需要逐步擴容。自組織自愈能力使得無線meh網(wǎng)不需要網(wǎng)絡管理員來手工配置網(wǎng)絡,而可以自動發(fā)現(xiàn)新節(jié)點,自動完成配置過程,自動維護網(wǎng)絡正常運行,在出現(xiàn)節(jié)點/鏈路故障時也可自動調(diào)整完成網(wǎng)絡自愈。

3.多種類型的網(wǎng)絡接入

在無線mesh網(wǎng)中,既支持無線終端接入骨干網(wǎng),又支持無線終端之間的對等網(wǎng)絡通信。此外,把無線mesh網(wǎng)技術與其他無線網(wǎng)絡相結(jié)合,可以通過無線mesh網(wǎng)給這些無線網(wǎng)絡的終端用戶提供無線接入業(yè)務。

4.移動性以及能耗限制與節(jié)點類型相關

無線mesh網(wǎng)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(wǎng)絡通信協(xié)議。這樣,MAC以及路由協(xié)議需要針對mesh路由器和mesh終端設備分別設計和優(yōu)化。

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

5.具有無線基礎設施骨干網(wǎng)

無線mesh網(wǎng)內(nèi),由mesh路由器組成一個無線骨干網(wǎng),專門用于給終端客戶提供可靠網(wǎng)絡連接。這個無線骨干網(wǎng)在無線域內(nèi)提供了大覆蓋范圍、連通性以及健壯性。反觀Adhoc網(wǎng)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(wǎng)絡連接服務的基礎骨干網(wǎng),這給adhoc的應用帶來了很大的限制。

6.集成性

無線mesh網(wǎng)可以通過mesh路由器的網(wǎng)關/橋接功能,整合現(xiàn)有多種無線網(wǎng)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(wǎng),可以把多種不同無線網(wǎng)絡連接到一起,形成一個“無線互聯(lián)網(wǎng)”。而adhoc網(wǎng)絡由于是用戶終端自組網(wǎng),而用戶終端一般不具備這種網(wǎng)關/橋接的功能。

7.路由和配置功能的專門化

在adhoc網(wǎng)絡中,每個終端用戶設備都要為所有其他節(jié)點執(zhí)行路由和配置功能。而在無線mesh網(wǎng)中,雖然mesh終端也有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能,但是主要還是由mesh路由器來執(zhí)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(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定

adhoc網(wǎng)絡中,由于終端用戶的移動性和不可靠性,網(wǎng)絡拓撲和連接的變化較大,使得路由協(xié)議和網(wǎng)絡配置和部署帶來了很大的挑戰(zhàn)。無線mesh網(wǎng)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(wǎng)絡中,mesh路由器一般為靜止不動的設備,與adhoc網(wǎng)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(wǎng)絡層路由協(xié)議時,基本可以不考慮功耗限制,這大大簡化了協(xié)議設計,同時還可以采用性能較高的設計方案。

無線Mesh網(wǎng)的應用

同樣作為無線多跳網(wǎng)絡,與adhoc網(wǎng)絡技術只用于軍事以及專用特殊網(wǎng)絡不同,無線mesh網(wǎng)的研究開發(fā)是由實際應用需求為驅(qū)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(yōu)勢。無線mesh網(wǎng)可以和802.11WLAN、802.16WMAN以及3G等各種無線接入技術相結(jié)合,實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡、社區(qū)網(wǎng)絡、企業(yè)網(wǎng)絡以及城域網(wǎng)絡內(nèi)的多層次多范圍的無線應用。

1.寬帶家庭網(wǎng)絡互連

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

2.社區(qū)網(wǎng)絡互連

采用無線mesh網(wǎng)技術,通過在社區(qū)內(nèi)放置多個mesh路由器可以將社區(qū)內(nèi)各用戶家庭網(wǎng)絡互連,形成一個社區(qū)無線多跳網(wǎng)絡。有了這個社區(qū)無線互連網(wǎng)絡,就可以在社區(qū)內(nèi)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(qū)無線mesh網(wǎng)還可以容許社區(qū)用戶家庭無需通過遠端服務提供商網(wǎng)絡,就可以在社區(qū)本地相互訪問,共享社區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡資源。此外,社區(qū)無線mesh網(wǎng)的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu),也給社區(qū)用戶提供了更加可靠的網(wǎng)絡連接,增強了網(wǎng)絡容錯性和健壯性。

3.企業(yè)網(wǎng)絡互連

目前,802.11WLAN已經(jīng)在企業(yè)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(jīng)濟的有線以太網(wǎng)方式相連。而采用無線mesh網(wǎng)技術,通過mesh路由器將這些WLAN互連,一方面可以解決WLAN網(wǎng)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(jié)約成本,靈活部署,同時提高了網(wǎng)絡的容錯性和健壯性。

4.城域網(wǎng)絡互連

通過無線mesh網(wǎng)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(wǎng)絡,使得城域無線接入網(wǎng)絡的覆蓋廣度深度都大大增加。

無線Mesh網(wǎng)絡的關鍵技術因素

無線mesh網(wǎng)作為一種新的無線接入網(wǎng)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(diào)制編碼、MIMO技術以及多無線電/多信道系統(tǒng)已經(jīng)成為下一代無線接入系統(tǒng)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(xié)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(tǒng)中有所運用。這些高級物理層無線電技術的開發(fā)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(wǎng)絡層進行整體設計,以便最大限度的提高整個網(wǎng)絡性能。

2.MAC層多址訪問機制

無線mesh網(wǎng)是分布式無線多跳網(wǎng)狀網(wǎng)?，F(xiàn)有的無線網(wǎng)絡MAC機制大多都是針對單跳無線網(wǎng)絡設計的,這種面向單跳無線網(wǎng)絡設計的MAC機制并不適于分布式無線多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡,如802.11WLAN的MAC機制在無線鏈路跳數(shù)達到四跳時,性能下降非常大。同時,在無線mesh網(wǎng)這種分布式無線多跳網(wǎng)狀網(wǎng)中,由于實現(xiàn)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(wǎng)絡中,還要求能夠有效的進行空間頻率重用,以提高網(wǎng)絡容量。這樣,MAC層機制設計將成為影響無線mesh網(wǎng)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(wǎng)的很多技術特點和優(yōu)勢來自于其mesh網(wǎng)狀連接,mesh連接的維護也就成為無線mesh網(wǎng)的MAC和路由協(xié)議設計中的一個關鍵。一般來說,需要在無線mesh網(wǎng)中實現(xiàn)網(wǎng)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(xié)議。

4.Mesh路由協(xié)議

無線mesh網(wǎng)絡中,mesh路由協(xié)議的設計是一個關鍵。首先,在無線多跳mesh網(wǎng)絡中,路由協(xié)議不能僅僅根據(jù)“最小跳數(shù)”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(xié)議要提供網(wǎng)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(yè)務提供中斷。第三,mesh路由協(xié)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(tǒng)資源。第四,路由協(xié)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(xiàn)有adhoc路由協(xié)議簡單得多的路由協(xié)議;而對于mesh終端,則需要采用類似adhoc的路由協(xié)議。這樣,就需要一種行之有效的路由協(xié)議能夠自適應支持mesh路由器和mesh終端。

5.寬帶Qos業(yè)務支持

與adhoc網(wǎng)絡不同,無線mesh網(wǎng)的大多數(shù)應用都是具有不同Qos要求的寬帶業(yè)務。這樣,除了端到端時延和公平性以外,還需要在通信協(xié)議中考慮時延抖動、聚合吞吐量、每節(jié)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(wǎng)來說,最好不僅能支持mesh終端,還能支持傳統(tǒng)的無線終端。這就需要無線mesh網(wǎng)能夠后向兼容傳統(tǒng)無線終端。此外,無線mesh網(wǎng)絡需要能夠包容整合多種異構(gòu)類型無線接入網(wǎng)絡,因而要求mesh路由器在不同異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡中具有互操作性。