提升無線網(wǎng)絡(luò)管理能力的Ｍｅａｓｈ技術(shù)

本刊編輯部

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的最終是要滿足用戶需求,這也是城市網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時,最需要考慮的問題。全球各地無線城市的建設(shè),最好是從社會各角落需求考慮,充分滿足社會各層次用戶的需求。

Mesh網(wǎng)絡(luò)的建立能夠為使城市走向自動化的智能儀表數(shù)據(jù)讀取的公共事業(yè)服務(wù)。但是,這種網(wǎng)絡(luò)可以開辟其他新的應(yīng)用,為其他政府工作人員提供幫助。除此以外,城市Mesh網(wǎng)絡(luò)最大的好處就是為市民提供無線接入服務(wù)。

Mesh技術(shù)介紹

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是基于IP協(xié)議的無線寬帶接入技術(shù),它融合了WLAN和Adhoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,支持多點對多點的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有自組網(wǎng)、自修復(fù)、多跳級聯(lián)、節(jié)點自我管理等智能優(yōu)勢以及移動寬帶、無線定位等特點,是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網(wǎng)絡(luò),成為寬帶接入的一種有效手段。從某種意義上講,Mesh網(wǎng)絡(luò)更主要的是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想,主要功能體現(xiàn)在無中心、自組網(wǎng)、多級跳接和路由判斷選擇等。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的基本原理

使用WMN技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò),其拓撲結(jié)構(gòu)呈網(wǎng)格狀。在WMN中包括兩種類型的節(jié)點:無線Mesh路由和無線Mesh終端用戶,其網(wǎng)絡(luò)主干由呈網(wǎng)狀分布的路由器連接而成。

WMN有兩種典型的實現(xiàn)模式:基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式和終端用戶Mesh模式。在基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式中,在Internet接入點(IAP)和終端用戶之間可形成無線回路。IAP通過路由選擇及管理控制等功能,為移動終端選擇與目的節(jié)點通信的最佳路徑。同時,移動終端通過IAP可與其他網(wǎng)絡(luò)連接,提高網(wǎng)絡(luò)自身的兼容性。

在終端用戶Mesh模式中,終端用戶通過無線信道連接形成一個點到點的網(wǎng)絡(luò),在不需要其他基礎(chǔ)設(shè)施的條件下可獨立運行。終端用戶兼具主機和路由器的角色:一方面,節(jié)點作為主機運行相關(guān)的應(yīng)用程序;另一方面,節(jié)點作為路由器運行相關(guān)的路由協(xié)議,參與路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等操作。

WMN與移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要表現(xiàn)在兩方面:一是組網(wǎng)方式不同。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是扁平結(jié)構(gòu),而WMN是分層和等級結(jié)構(gòu),在每層內(nèi)部形成多個小Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),不同層之間通過無線互連起來,做到集中控制管理和自由動態(tài)組網(wǎng)有機結(jié)合;二是解決的問題不同。移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的目的是為了實現(xiàn)用戶移動設(shè)備之間的對等通信,如在突發(fā)情況下快速布置網(wǎng)絡(luò),而WMN看重的是為用戶終端提供無線接入,如與3G、WiMAX的用戶進行無線寬帶接入。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性

1.自組織

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和授權(quán)最終用戶可即時加入網(wǎng)絡(luò),擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,并可連接至所有其他節(jié)點。

2.自愈

如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺設(shè)備發(fā)生故障或從其拓撲位置上拆卸,網(wǎng)絡(luò)會自動適應(yīng)這種改變。即使發(fā)端與對端之間的連接涉及多臺中繼設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)也會找到從發(fā)端到對端的新的路由。

3.多跳式

每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端設(shè)備(無線通信單元)均能轉(zhuǎn)發(fā)和路由發(fā)送至另一個對端的數(shù)據(jù)包,能選擇并確定一個從發(fā)端到對端的最佳路由。

4.點對點網(wǎng)絡(luò)

自組織網(wǎng)絡(luò)通常由平等的網(wǎng)元構(gòu)成,只要發(fā)端和對端的距離足夠近,就能直接連接發(fā)端和對端,而不必通過中央管理節(jié)點。

Mesh技術(shù)的優(yōu)點

如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑?那么數(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。

Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),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),代表無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的又一大跨越,有極為廣闊的應(yīng)用前景。

無線Mesh是一種非常適合于覆蓋大面積開放區(qū)城的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解決方案。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

1.正交分割多址接入QDMA技術(shù)

QDMA技術(shù)是專門為廣域范圍內(nèi)通信的最優(yōu)化以及移動網(wǎng)格網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的。它起源于軍事領(lǐng)域,是為了在特殊環(huán)境或緊急狀況下提供可靠的通信方式。QDMA技術(shù)使用直接序列擴頻(DSSS)調(diào)制技術(shù),工作在2.4GHz的ISM頻段上。由于它在MAC子層使用多信道方式:3個數(shù)據(jù)信道和1個控制信道,因此,與單個信道相比更能適用于高密度的WMN終端設(shè)備。QDMA技術(shù)提供一個高性能的射頻前端,這種前端含有類似于多抽頭Rake接收機(一般用于蜂窩網(wǎng)絡(luò))的功能和一種克服射頻環(huán)境快速變化的公平算法。

QDMA可在較廣的移動通信范圍內(nèi)提供較強的糾錯能力,同時增強的抗干擾能力和信號的靈敏度可使基于QDMA技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)提供達到250mph的移動速度,而在實際多址環(huán)境應(yīng)用中的IEEE802.11協(xié)議只能達到20mph。目前QDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶_到1600m,而802.11b只有20~50m。除了通信的范圍和速率外,QDMA更獨特的是內(nèi)置的定位技術(shù)能夠?qū)νㄐ旁O(shè)備進行精確定位而不依賴于全球定位系統(tǒng)(GPS),誤差不超過10m。

2.隱藏終端問題處理技術(shù)

由于WMN采用無線傳輸媒質(zhì),因此它與其他無線傳輸網(wǎng)一樣,不可避免地存在隱藏終端和暴露終端問題。由于無線媒質(zhì)的特殊性,隱藏終端問題都可能發(fā)生,都會導(dǎo)致信號碰撞的發(fā)生。目前可通過IEEE802.11中的RTS/CTS協(xié)議(請求發(fā)送/允許發(fā)送協(xié)議)來避免,但并不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。

盡管通過握手機制可以減少隱藏終端問題中沖突的概率和時間,但仍存在節(jié)點之間控制報文的沖突,而且不能解決暴露終端問題。事實上,WMN可看作簡化的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),因此可根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的一些已有的成熟的方案來解決隱藏終端和暴露終端問題。

3.路由技術(shù)

WMN的多跳無線網(wǎng)具有動態(tài)拓撲的特點,因此對它的路由協(xié)議就存在很多要求。WMN的路由協(xié)議可以參考Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的一些路由協(xié)議。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議大致可以分為先驗式(Proactive)路由協(xié)議、反應(yīng)式(Reactive)路由協(xié)議以及混合式路由協(xié)議。 目前幾種典型的路由算法有:DSDV(目的序列距離矢量路由協(xié)議)、DSR(動態(tài)源路由協(xié)議)、TORA(臨時按序路由算法)和AODV(Ad Hoc按需距離矢量路由協(xié)議)。

4.正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)

WMN物理層可以采用正交頻分復(fù)用OFDM技術(shù)。OFDM技術(shù)是將高速的數(shù)據(jù)流通過串/并變換,分配到傳輸速率相對較低的若干個正交子信道中,在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸,這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬,因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的,大大消除了符號間干擾。所采用的數(shù)字信息調(diào)制有時間差分移相健控(TDPSK)和頻率差分移相鍵控(FDPSK),以快速傅里葉變換(IFFT和FFT)算法實施數(shù)字信息調(diào)制和解調(diào)功能。

由于無線信道的頻率選擇性,所有的子信道不會同時處于深的衰落中,因此可以通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法,利用信噪比高的子信道提升系統(tǒng)性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波,因此OFDM系統(tǒng)在某種程度上能抵抗這種干擾。OFDM結(jié)合分集、時空編碼、干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù),最大程度提高系統(tǒng)性能,使WMN性能得到進一步優(yōu)化。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可擴展性相關(guān)技術(shù)

1.Mesh基站可擴展技術(shù)

根據(jù)無線Mesh基站的特點,其可擴展性相關(guān)技術(shù)主要包括信道分配技術(shù)、智能路由技術(shù)以及多天線技術(shù)等幾個方面。

(1)信道分配技術(shù):由于無線Mesh基站承擔著骨干節(jié)點的作用,因此其采用多信道的方式進行傳輸幾乎是必不可少的。在實際的系統(tǒng)中,無線Mesh基站一般是多模的,即可以在多種空中接口(如IEEE 802.11a/b/g等)上傳輸,這樣才能滿足實際傳輸?shù)男枰?/p>

(2)智能路由技術(shù):智能路由技術(shù)是無線多網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù),路由算法直接影響到整個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。經(jīng)過多年的發(fā)展,針對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的研究已經(jīng)有了很多實用的成果,也涌現(xiàn)了很多經(jīng)典的路由算法,主要可以分為先驗式、反應(yīng)式以及混和式路由協(xié)議。

(3)多天線技術(shù):多天線技術(shù)的作用主要在于提高無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的容量、改善網(wǎng)絡(luò)路由性能、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能量消耗、協(xié)助進行節(jié)點定位以及提高用戶的QoS保障能力等。另外,由于多天線技術(shù)的應(yīng)用可以提高容量以及增加覆蓋范圍,因此也可以極大地改善無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

2.Mesh移動臺可擴展技術(shù)

Mesh移動臺的可擴展性涉及的主要技術(shù)有:信道分配技術(shù)、節(jié)點分類和QoS分級技術(shù)、協(xié)作傳輸技術(shù)等。

(1)信道分配技術(shù):為了提高多跳網(wǎng)絡(luò)的性能,未來的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的移動臺也可以是多模的,如配置IEEE 802.11b/g等等。IEEE802.11b/g在2.4GHz到2.4835 GHz上有3個不重疊的信道。這樣,Mesh移動臺也可以采用不同的空中接口或者運行在不同的信道上,用于與Mesh基站之間的互聯(lián)互通。

(2)節(jié)點分類和QoS分級技術(shù):QoS分級的方法以改善無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。對于不同的QoS業(yè)務(wù),設(shè)定不同的下一個可接入時段長度以及需要等待的時間。通過QoS分級方法以及設(shè)定沖突指示,可以改善密集Mesh網(wǎng)絡(luò)的可擴展性問題。

(3)協(xié)作傳輸技術(shù):與Mesh基站不同,在Mesh移動臺端很難配置多個天線。即使可能配備兩個天線,也往往共用一個射頻模塊,通過發(fā)射天線選擇來取得有限的空間分集增益。但是,多個Mesh移動臺可以采用協(xié)作傳輸技術(shù)來取得更大的分集增益。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)

1.互操作性

目前影響無線Mesh技術(shù)迅速普及的一個重要障礙就是互操作性。正如任何一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)剛出現(xiàn)時一樣,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)標準,用戶現(xiàn)在要么就只能使用某一個廠商的無線Mesh產(chǎn)品,要么面臨如何與各種不同類型的嵌入式無線設(shè)備接口的問題。

鑒于此,目前一些公司正在開發(fā)能夠適應(yīng)不同無線環(huán)境的可配置的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,互操作性有望得到一定程度的解決。但要想徹底解決互操作性問題,最終還需要業(yè)界制定統(tǒng)一的無線Mesh技術(shù)標準。

2.通信延遲

既然在Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點進行多跳轉(zhuǎn)發(fā),每一跳至少都會帶來一些延遲,隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大,跳接越多,積累的總延遲就會越大。一些對通信延遲要求高的應(yīng)用,如話音或流媒體應(yīng)用等,可能面臨無法接受的延遲過長的問題。

目前解決這一問題主要是通過增加Mesh節(jié)點以及合適的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。隨著多無線Mesh節(jié)點技術(shù)的出現(xiàn)這一問題將得到最終解決。

3.安全問題

與WLAN的單跳機制相比,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳機制決定了用戶通信要經(jīng)過更多的節(jié)點。而數(shù)據(jù)通信經(jīng)過的節(jié)點越多,安全問題就越變得不容忽視。Internet本身即是使用Mesh方式進行通信的典型,它的安全隱患是眾所周知的。

盡管有線網(wǎng)絡(luò)中使用的各種端到端安全技術(shù),如虛擬專用網(wǎng)(VPN)同樣可以用來解決無線Mesh的安全問題。但正如Internet一樣,無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全是一個不容忽視的問題。

Mesh技術(shù)最適合的八個熱點應(yīng)用

家庭:移動通信的需求

企業(yè):點到多點傳輸數(shù)據(jù)的需求

學(xué)校:多點布網(wǎng)的需求

醫(yī)院:醫(yī)療實踐的需要

旅游:休閑場所,解決游客的無聊

公共安全、應(yīng)急反應(yīng)、快速部署和臨時安裝

戰(zhàn)爭及緊急狀態(tài)的需求

工礦企業(yè)的生產(chǎn)需要