無線Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式構(gòu)建分析

李莉

【摘要】 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠更加靈活地實現(xiàn)最后一公里的寬帶接入，在多種行業(yè)和領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間，擁有良好的市場需求。詳細闡述了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的三種不同組網(wǎng)模式的特點，并利用分層的方式對城市的大型無線網(wǎng)絡(luò)進行規(guī)劃設(shè)計的方法。

【關(guān)鍵詞】 無線 MESH 多跳 分層

一、引言

無線MESH網(wǎng)絡(luò)（WMN，Wireless Mesh Network，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)），是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)，它的核心指導(dǎo)思想是讓網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，傳統(tǒng)的WLAN一直存在的可伸縮性低和健壯性差等諸多問題由此迎刃而解。無線Mesh技術(shù)的出現(xiàn)，代表著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的又一大跨越，基于mesh 技術(shù)的多跳WMN網(wǎng)絡(luò)正成為目前最具有希望和最具有成長性的技術(shù)，已應(yīng)用在城市因特網(wǎng)的接入、公共安全、應(yīng)急通信等多種領(lǐng)域。

WMN作為一種可以解決無線接入“最后一公里”瓶頸問題的新的解決方案，特別寫入到IEEE802.16無線城域網(wǎng)標準和IEEE802.15系列中。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP（AP，Access Point，接入點）由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑挘敲磾?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個節(jié)點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

WMN網(wǎng)絡(luò)可以分成兩類：一類是ad hoc WMN網(wǎng)絡(luò)，一類是固定基礎(chǔ)設(shè)施的WMN 網(wǎng)絡(luò)。

ad hoc WMN網(wǎng)絡(luò)通常是由移動客戶端設(shè)備組成，無須固定基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，該模式下通信的兩個或多個無線客戶端形成了一個獨立基礎(chǔ)服務(wù)集，網(wǎng)絡(luò)中所有客戶端設(shè)備是對等的，都可參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，ad hoc網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖1。

ad hoc WMN網(wǎng)絡(luò)適合稀疏連接要求、低帶寬、臨時性、小范圍，具有一定可靠性和靈活性的網(wǎng)絡(luò)需求，不能為企業(yè)、ISP 和公共安全所用，不適合大范圍和無線寬帶網(wǎng)絡(luò)用戶的需求。

固定基礎(chǔ)設(shè)施的WMN 網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點AP和客戶端組成， 節(jié)點AP之間的連接是通過無線方式，組成多跳回程模式，其中的一個AP或幾個AP連接到有線網(wǎng)絡(luò)，作為路由出口，如圖2所示。 這種模式下的AP通常具有兩個無線接口，一個用來完成用戶端數(shù)據(jù)的接入，另一個用來完成用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)都是通過AP完成，客戶端設(shè)備不參與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和路由過程。

由于固定基礎(chǔ)設(shè)施的WMN網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，這樣不必加大功率，可以利用中間的節(jié)點繞過障礙物或建筑物，實現(xiàn)覆蓋，同時可以增加網(wǎng)絡(luò)中AP的有線出口，從而增加網(wǎng)絡(luò)容量，非常適合城區(qū)密度大的建筑群的覆蓋，以及網(wǎng)絡(luò)升級擴容。

下面我們主要分析固定基礎(chǔ)設(shè)施的多跳WMN網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

二、三種組網(wǎng)模式分析

WMN網(wǎng)絡(luò)通常為多級結(jié)構(gòu)，分為用戶層、接入層和傳輸層。在這種結(jié)構(gòu)中，用戶層可以是筆記本電腦、PDA和普通的WIFI手機等終端用戶端設(shè)備。接入層是負責用戶的覆蓋，實現(xiàn)與用戶的連接，匯聚用戶各種業(yè)務(wù)，由AP來完成。傳輸層負責將接入層連接到指定網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)接入層業(yè)務(wù)的匯聚，也由AP來完成。

按照AP回程的模式WMN網(wǎng)絡(luò)的拓撲方式可以分成最基本的三種：多點對多點、點對多點和點對點，通常每個WMN網(wǎng)絡(luò)都是由幾種拓撲模式混合組成。

2.1 多點對多點模式

在多點對多點模式的網(wǎng)絡(luò)中，每一個AP的收、發(fā)信息時均使用相同的信道，所有的AP 接收和回程也使用相同的載頻，如圖3所示，每個AP采用的信道均是Channel 6。

在這種拓撲模式下，由于所有AP的接入和回程均采用相同的載頻，當一個AP接收信息或發(fā)送信息時，其他的AP均處在等待中，同時，一個AP在同一時間只能接收或者只能發(fā)送，不能同時處理收發(fā)工作，因此網(wǎng)絡(luò)的容量比較低，只適合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

2.2 點對多點模式

在點對多點的模式中，AP 的接入和回程采用不同的載頻，其中不同AP的接入可以采用不同的載頻，但所有AP 的回程均采用相同的載頻，相同的信道。如圖4所示，AP使用的接入信道可以是Channel 1、6、11，而回程信道只有Channel 148。

在這種拓撲模式下，當AP接收客戶信息時，它可以同時發(fā)送信息，這樣所有AP的接入可以采用不同的信道，避免了爭搶信道，增大了網(wǎng)絡(luò)的容量，但由于所有AP的回程均采用相同的信道，因此當所有AP需要回程傳輸時，需要競爭、等待。這樣的網(wǎng)絡(luò)模式適合低容量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，不適合實時性要求較高的語音、視頻業(yè)務(wù)。

2.3 點對點模式

該模式所有AP的接入均采用不同的接入信道，所有AP的回程也采用不同的回程信道，這樣就避免了AP傳輸信息時所有信道的爭搶，減小了數(shù)據(jù)時延、提高了網(wǎng)絡(luò)的容量，適用于高性能、實時性要求高、可擴展性強的網(wǎng)絡(luò)。如圖5所示，不同AP所使用的接入信道和回程信道均不同。接入信道可選擇Channel 1，6，11，回程信道可選擇Channel 53，61，148，153，161。

工作在點對點模式的AP通常由3個以上的射頻單元組成，一個模塊用于接入層，通常采用802.11b/g/n 協(xié)議，2-4個模塊用于的回程傳輸，采用pre-Wimax或Wimax 協(xié)議。由于回程采用了多個射頻模塊，因此極大的提高了網(wǎng)絡(luò)容量，另一方面再增加有線出口點，可以將網(wǎng)絡(luò)帶寬提高到上百兆。

2.4 綜合拓撲網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

在規(guī)劃一個大型城市無線網(wǎng)絡(luò)時，需要采用分層設(shè)計的方法。如圖6所示，WMN網(wǎng)絡(luò)分三3層，第一層是連接到有線網(wǎng)絡(luò)的 super zone ，組成super zone的AP通常是由3-4射頻模塊的AP組成；第二層是由與super zone中AP相連接的AP組成，這類AP通常由2-3射頻模塊的AP組成，稱作zone；第三層是最末端，稱作cluster，由單模塊的AP組成。

多點對多點模式通常作為網(wǎng)絡(luò)的最末端cluster， cluster 區(qū)域里所有的AP工作在2.4G的頻段 ，每個AP之間都通過相同的信道進行通信。這種模式的網(wǎng)絡(luò)成本最低，適合僅有數(shù)據(jù)需求的業(yè)務(wù)，如僅對連接性有要求的移動網(wǎng)絡(luò)，用于數(shù)據(jù)傳輸率非常低的大型傳感器網(wǎng)絡(luò)和抄表網(wǎng)絡(luò)。

第二層zone的回程拓撲模式為點到多點，zone中的AP通過點對多點方式與幾個cluster 進行連接，zone區(qū)域中的用戶由于不需要與回程共享2.4G，因此可以提供比cluster高的帶寬的流量，但仍不適合對實時性要求高的業(yè)務(wù)。

最高層super zone的回程拓撲模式采用的是點對點，即super zone中的AP通過點對點方式與zone中的AP進行通信。這樣可以保證每個回程鏈路工作在最大帶寬25-30Mbps，不需要共享，因此時延最小，可以為用戶提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和實時性要求高的業(yè)務(wù)，如語音和視頻業(yè)務(wù)。

WMN網(wǎng)絡(luò)的分層設(shè)計，可以充分、合理利用已有的網(wǎng)絡(luò)資源，使系統(tǒng)達到總吞吐量的最大化、總傳輸功率的最小化、服務(wù)質(zhì)量（QoS）的最優(yōu)化。這種網(wǎng)絡(luò)具有迅速按需形成固定或移動拓撲結(jié)構(gòu)的能力，并且其多跳傳輸機制也能保證Mesh在不方便采用傳統(tǒng)光纖等有線方式布網(wǎng)或有線布網(wǎng)成本過高的場合得以低成本的應(yīng)用。同時這種網(wǎng)絡(luò)可以極大地節(jié)約成本，按照用戶業(yè)務(wù)需求分布進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，如圖7所示。圖中的商業(yè)區(qū)部分采用點對點拓撲模式，高收入小區(qū)部分采用點對多點模式，人口稀少和低收入小區(qū)則可采用多點對多點拓撲方式。

三、WMN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WMN網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)勢：

（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍增大，頻譜利用率提高，系統(tǒng)容量增加。由于每跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小。多跳網(wǎng)絡(luò)通常使用較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點，節(jié)點之間的無線信號干擾較小，網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和信道利用效率大大提高，因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量。比如在高密度的城市網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠減少使用無線網(wǎng)絡(luò)的相鄰用戶的相互干擾，大大提高信道的利用效率。

（2）網(wǎng)絡(luò)的自愈能力強。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特有的多路由選擇特性提高了網(wǎng)絡(luò)的柔韌性和可用性，當某條路徑出現(xiàn)錯誤或故障時，可以選擇其它的路徑。

（3）Mesh網(wǎng)絡(luò)還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個節(jié)點的通信負載情況動態(tài)地分配通信路由，從而有效地避免了節(jié)點的通信擁塞。

（4）網(wǎng)絡(luò)具有可伸縮性，易擴容，組網(wǎng)方式非常靈活、成本低。

四、總結(jié)

構(gòu)建多跳的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，需要根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求，選擇不同的組網(wǎng)模式。多點對多點模式適合小區(qū)域的低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，點對多點模式適合數(shù)據(jù)和部分語音業(yè)務(wù)，而點對點的模式具有低時延和低抖動的優(yōu)勢，適合實時性要求比較高的業(yè)務(wù)，如多媒體業(yè)務(wù)。只有采取有效的組網(wǎng)模式和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)，才能在復(fù)雜多變的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量。