無線Ｍｅｓｈ網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)中的研究與應(yīng)用

[摘要] 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異，而現(xiàn)有的傳統(tǒng)無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用時常常因?yàn)榫€纜的限制而不能靈活地進(jìn)行擴(kuò)展。如今，一種新型的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了。本文根據(jù)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)功能對組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并討論基于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)擴(kuò)展技術(shù)。最后介紹無線Mesh 網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢。

[關(guān)鍵詞] 無線Mesh 網(wǎng)絡(luò) 組網(wǎng)結(jié)構(gòu) 企業(yè)

一、概述

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）也稱為“多跳（multi-hop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

在無線通信中，傳統(tǒng)的做法通常是在接入用戶的“最后一公里”的接入網(wǎng)部分采用各種無線接入技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)提供方能迅速將網(wǎng)絡(luò)覆蓋至用戶需求的熱點(diǎn)地區(qū)，用戶也可以擺脫接入線纜的限制而隨意接入通信網(wǎng)絡(luò)。盡管各種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳輸速率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上同期的有線傳輸技術(shù)，但卻為通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供良好的技術(shù)支持。

但是，隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大，各類無線接入點(diǎn)的有線連接要求使其在某些缺乏有線基礎(chǔ)架構(gòu)的環(huán)境中遇到諸多挑戰(zhàn)和不便。而新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——無線網(wǎng)狀網(wǎng)（Wireless Mesh Network，WMN）因其具有寬帶無線匯聚連接功能、有效的路由及故障發(fā)現(xiàn)特性、無需有線網(wǎng)絡(luò)資源等獨(dú)特的優(yōu)勢，正受到越來越多的關(guān)注。

二、WMN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的無線接入技術(shù)中，主要采用點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般都存在一個中心節(jié)點(diǎn)，例如移動通信系統(tǒng)中的基站、802.11 WLAN 中的 AP 等。中心節(jié)點(diǎn)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(luò)的訪問；另一方面，中心節(jié)點(diǎn)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(luò)中，采用網(wǎng)狀 Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以說是一種多點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種Mesh 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過相鄰的其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以無線多跳方式相連。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑?，那么?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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

與傳統(tǒng)的交換式網(wǎng)絡(luò)相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)去掉了節(jié)點(diǎn)之間的布線需求，但仍具有分布式網(wǎng)絡(luò)所提供的冗余機(jī)制和重新路由功能。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)里，如果要添加新的設(shè)備，只需要簡單地接上電源就可以了，它可以自動進(jìn)行自我配置，并確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動設(shè)備時，網(wǎng)絡(luò)能夠自動發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓?，并自動調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

三、WMN在企業(yè)中的組網(wǎng)擴(kuò)展技術(shù)

下面我們將主要討論基于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展技術(shù)即無線局域網(wǎng)（WLAN）中的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展技術(shù)。

IEEE在1997年制定了一個WLAN標(biāo)準(zhǔn)，即802.11協(xié)議，該標(biāo)準(zhǔn)主要用于解決辦公室局域網(wǎng)中用戶終端之間的無線接入，主要工作在ISO 協(xié)議的最低兩層（PHY層和MAC 層）。最初 802.11 業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到 2 Mbit/s，但隨后提出的 802.11b 和 802.11 a/g峰值速率可以分別達(dá)到 11 Mbit/s 和 54 Mbit/s，而研究中802.11n的速率可以達(dá)到100Mbit/s。有這樣的速率保證，對于企業(yè)辦公和社區(qū)網(wǎng)絡(luò)，就可以摒棄傳統(tǒng)的線纜連接，增加組網(wǎng)靈活性，同時減少敷設(shè)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的開銷。

然而，傳統(tǒng)的802.11 Ad hoc模式的MAC層協(xié)議的固有屬性并不支持網(wǎng)狀連接，使得網(wǎng)絡(luò)性能很差。為此，IEEE成立802.11s子工作組，制定標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)展服務(wù)集（ESS），即802.11s專門為無線Mesh網(wǎng)絡(luò)定義MAC層協(xié)議以及基于該MAC層的網(wǎng)絡(luò)和其他協(xié)議。

在傳統(tǒng)的802.11中有兩種基本結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。802.11 s工作組為支持這兩種結(jié)構(gòu)制定了新的規(guī)范。圖1所示的樹形多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)是基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。

圖1 802.11s草案的樹形多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?/p>

該網(wǎng)絡(luò)主要由3種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：Mesh節(jié)點(diǎn)（MP）、Mesh接入點(diǎn)（MAP）、傳統(tǒng)WLAN站點(diǎn)。其中，MP又分為一般MP和根MP。根MP是傳統(tǒng)AP的擴(kuò)展，它的一端通過有線或無線方式接入到因特網(wǎng)，而另一端則以生成樹的形式向下延伸。一個生成樹有且僅有一個根MP，它掌握整個網(wǎng)絡(luò)的情況，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、鏈路負(fù)載等，其作用相當(dāng)于一個中心控制設(shè)備。由于受功率限制，根MP只能與它單跳范圍內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)通信。同理，這棵生成樹的其他一般MP也只能與它單跳范圍內(nèi)的子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。因此，如果網(wǎng)絡(luò)中不在單跳范圍之內(nèi)的節(jié)點(diǎn)想要進(jìn)行通信時，就必須要使用草案中提出的路由協(xié)議，如RM-AODV、RM-OLSR等。為了保持與傳統(tǒng)WLAN站點(diǎn)的兼容性，MAP扮演了多種角色：對于在它傳輸范圍之內(nèi)的傳統(tǒng)802.11站點(diǎn)，它可以看成一個AP；而對于其他MP來說，它又可以看成是普通的MP。

對于終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，802.11s草案定義了一種如圖2 所示的Ad hoc方式多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)來作為其擴(kuò)展。該網(wǎng)絡(luò)仍然由MP、MAP和傳統(tǒng)WLAN站點(diǎn)組成。MP和MAP的功能同傳統(tǒng)移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點(diǎn)非常類似，既可以發(fā)送本節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，也可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。另外，該網(wǎng)絡(luò)每個MP和MAP都是平等的，網(wǎng)絡(luò)中沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，這是與樹形網(wǎng)狀網(wǎng)的最大不同。節(jié)點(diǎn)之間形成無線P2P的網(wǎng)絡(luò)，不需任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來支持。

圖2 802.11s草案的Ad hoc方式多跳WLAN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

四、Mesh網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)中的應(yīng)用及相關(guān)優(yōu)勢

目前，企業(yè)中的無線通信系統(tǒng)大都采用傳統(tǒng)的蜂窩電話式無線鏈路，為用戶提供點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)則不同，它允許網(wǎng)絡(luò)用戶共享帶寬，消除了目前單跳網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的動態(tài)平衡。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中增加或調(diào)整AP也比有線AP更容易、配置更靈活、安裝和使用成本更低。尤其是對于那些需要經(jīng)常移動接入點(diǎn)的企業(yè)，無線Mesh技術(shù)的多跳結(jié)構(gòu)和配置靈活將非常有利于網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級。

而與傳統(tǒng)的WLAN相比，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)具有幾個無可比擬的優(yōu)勢:

1.快速部署和易于安裝。安裝Mesh節(jié)點(diǎn)非常簡單，將設(shè)備從包裝盒里取出來，接上電源就行了。對于那些需要快速部署或臨時安裝的地方，如展覽會、交易會、災(zāi)難救援等，Mesh網(wǎng)絡(luò)無疑是最經(jīng)濟(jì)有效的組網(wǎng)方法。

2.非視距傳輸(NLOS)。利用無線Mesh技術(shù)可以很容易實(shí)現(xiàn)NLOS配置，因此在室外和公共場所有著廣泛的應(yīng)用前景。與發(fā)射臺有直接視距的用戶先接收無線信號，然后再將接收到的信號轉(zhuǎn)發(fā)給非直接視距的用戶。按照這種方式，信號能夠自動選擇最佳路徑不斷從一個用戶跳轉(zhuǎn)到另一個用戶，并最終到達(dá)無直接視距的目標(biāo)用戶。

3.健壯性。Mesh網(wǎng)絡(luò)比單跳網(wǎng)絡(luò)更加健壯，因?yàn)樗灰蕾囉谀骋粋€單一節(jié)點(diǎn)的性能。在單跳網(wǎng)絡(luò)中，如果某一個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡(luò)也就隨之癱瘓。而在Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于每個節(jié)點(diǎn)都有一條或幾條傳送數(shù)據(jù)的路徑。如果最近的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者受到干擾，數(shù)據(jù)包將自動路由到備用路徑繼續(xù)進(jìn)行傳輸，整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行不會受到影響。

此外，因?yàn)槊總€短跳的傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)所需要的功率也較小。既然多跳網(wǎng)絡(luò)通常使用較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的無線信號干擾也較小，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。

五、結(jié)束語

WMN 這一新興網(wǎng)絡(luò)在無線寬帶接入中有著廣闊的應(yīng)用空間。同時，它也在無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，面臨3個方面的挑戰(zhàn)：一是網(wǎng)狀組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)；二是克服節(jié)點(diǎn)快速移動所帶來的網(wǎng)絡(luò)性能的惡化；三是進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用所必需的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)。目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究工作相當(dāng)廣泛，已有產(chǎn)品問世，但還缺乏這3個方面的有機(jī)結(jié)合。但是，WMN相關(guān)技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟，因此需要加緊對其核心技術(shù)的研究。

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