無線自組網(wǎng)絡(luò)的多場景方案及實現(xiàn)

鄧　可，張保和

(北京市信息技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 100091)

0　引言

無線自組網(wǎng)絡(luò)[1]是一種自組織、自配置的無線網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)小區(qū)制蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，無基站等網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備，具有成本低、部署靈活等特點[2]。在無線自組織網(wǎng)技術(shù)中，無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Networks)已經(jīng)成為最具發(fā)展?jié)摿Φ慕M網(wǎng)技術(shù)之一[3]，并已在視頻監(jiān)控等領(lǐng)域進行了實際應(yīng)用[4]。無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由無線Mesh路由器[5]承擔(dān)，可組建無線IP分組網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由器具有射頻傳輸、路由交換和無線接入等多種功能，經(jīng)過近10年的發(fā)展，性能已有長足進步[6]。然而，為適用于遠(yuǎn)距離傳輸，Mesh路由器需集成高增益收發(fā)設(shè)備，成本較高，如大規(guī)模部署，將與低成本建網(wǎng)的初衷相違背，勢必影響其應(yīng)用前景。因此，本文提出了一種混合組網(wǎng)方案，利用無線網(wǎng)橋、大增益板狀天線[7]等設(shè)備實現(xiàn)無線長距離城域傳輸，組建骨干網(wǎng)；由Mesh路由器、無線AP等實現(xiàn)接入網(wǎng)；可連接至互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)本地用戶移動互聯(lián)。該種混合組網(wǎng)方案具有以下優(yōu)勢：① 在滿足用戶需求的前提下，可有效節(jié)省成本；② 骨干網(wǎng)無線網(wǎng)橋設(shè)備使用ISM頻段[8]，符合頻率管理規(guī)則，部署機動快速；③ 使用小型室內(nèi)Mesh路由器實現(xiàn)接入網(wǎng)WLAN覆蓋，組網(wǎng)靈活簡便，擴展性強。

本文詳細(xì)介紹了該種方案的實現(xiàn)方式，構(gòu)建了實驗系統(tǒng)。利用WIFI接入智能手機等用戶設(shè)備進行了實際測試。通過構(gòu)建上述系統(tǒng)，有利于理解無線網(wǎng)橋的原理和特點，驗證網(wǎng)絡(luò)傳輸距離、帶寬等關(guān)鍵指標(biāo)，同時通過對實際業(yè)務(wù)的測試體驗，摸索此種網(wǎng)絡(luò)方案的實際應(yīng)用場景。

1　總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由無線網(wǎng)橋、無線Mesh路由器、天線及無線AP等組成，如圖1所示。其中無線網(wǎng)橋可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的點對點無線組網(wǎng)，配合大增益盤狀天線，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，組成骨干網(wǎng)絡(luò)。Mesh路由器負(fù)責(zé)組建局部無線自組網(wǎng)并接入WiFi終端，無線AP負(fù)責(zé)接入WiFi終端，形成接入網(wǎng)絡(luò)，可接入普通公網(wǎng)手機，承載IP電話、視頻點播等多種業(yè)務(wù)。終端間通過接入網(wǎng)絡(luò)進入骨干網(wǎng)實現(xiàn)信息互聯(lián)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

系統(tǒng)使用的主要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為美國UBIQUITI(以下簡稱UBNT)公司研發(fā)的無線網(wǎng)橋、Mesh路由器及AP[9]，具體設(shè)備型號和配置方式將在下節(jié)具體介紹。本文以UBNT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為例，介紹了此種網(wǎng)絡(luò)通用的具體配置方式，其型號設(shè)備與此類似。

1.1　部署位置

系統(tǒng)選擇了城市環(huán)境內(nèi)3個制高點進行搭建，如圖所示A、B、C三點。其中，A點與B點之間距離1.1 km，兩點連線間無任何遮擋，B點與C點間距離8.2 km，兩點連線間存在少量建筑物遮擋。A點、C點部署骨干網(wǎng)及接入網(wǎng)設(shè)備，其中骨干網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)連接B點網(wǎng)絡(luò)中繼設(shè)備形成骨干網(wǎng)絡(luò)并接入用戶數(shù)據(jù)，接入網(wǎng)設(shè)備負(fù)責(zé)各點局部區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋及用戶數(shù)據(jù)接入；B點僅部署骨干網(wǎng)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)無線信號的中繼及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。各點相對位置、主要功能、部署設(shè)備和IP配置情況如圖2所示。

圖2　部署情況說明

1.2　設(shè)備配置

設(shè)備詳細(xì)配置情況如表1所示。設(shè)備編號按“設(shè)備類別_部署位置”方式進行，如編號為Bridge_A的設(shè)備為部署在A點的網(wǎng)橋類設(shè)備。

1.2.1網(wǎng)橋配置

網(wǎng)橋類(編號Bridge_X)設(shè)備供電均采用以太網(wǎng)供電[10](POE)，工作頻率為5.8 GHz，發(fā)射功率26 dBm，IP地址為192.168.1.0/24網(wǎng)段。網(wǎng)橋具有遠(yuǎn)程管理地址，使用本地管理PC或筆記本的瀏覽器訪問，輸入密碼即可管理，配置關(guān)鍵內(nèi)容包括無線及網(wǎng)絡(luò)配置。無線配置中，每對互連無線網(wǎng)橋的無線模式應(yīng)分別選擇為接收站(Station，STA)及接入點(Access Point，AP)。網(wǎng)絡(luò)配置中，除IP設(shè)置外，網(wǎng)絡(luò)模式選擇為“網(wǎng)橋”，該設(shè)備可上電后，可自動。

表1主要設(shè)備詳細(xì)配置表

設(shè)備編號型號工作頻段/GHz發(fā)射功率/增益無線模式網(wǎng)絡(luò)模式IP地址/掩碼Bridge_APowerBeamM5 4005.826 dBmAP橋接192.168.1.110/24Bridge_B1PowerBeamM5 4005.826 dBmSTA橋接192.168.1.111/24Bridge_B2Rocket M55.827dBmAP橋接192.168.1.100/24Bridge_CRocket M55.827dBmSTA橋接192.168.1.101/24MAP_A1(A2, A3省略)UniFiAP-AC-Mesh2.4/5.8(Auto)Auto自動DHCP192.168.100.0/24 (DHCP)AP_C2.4AutoWLAN AP橋接192.168.1.21Antenna_B5.034 dBi——Antenna_C5.034 dBi——

1.2.2無線AP配置

無線AP類(編號MAP_X、AP_X)設(shè)備同樣采用POE供電，MAP是具備Mesh自組網(wǎng)功能的無線Mesh路由器，基于認(rèn)知無線電技術(shù)[11]，其回傳鏈路(用于MAP互聯(lián))和接入鏈路(用于終端接入MAP)可自動從2.4 GHz及5.8 GHz兩個頻段內(nèi)自動選擇質(zhì)量較好的信道。AP為普通無線接入點，僅支持2.4 GHz，可進行信道自動選擇。發(fā)射功率根據(jù)無線環(huán)境自動調(diào)節(jié)，IP地址均使用192.168.100.0/24網(wǎng)段，IP地址由互聯(lián)網(wǎng)側(cè)路由器自動分配。AP均未開啟遠(yuǎn)程訪問，采用本地管理方式，使用PC或筆記本電腦直接連接設(shè)備并登錄管理界面。MAP通過自組織技術(shù)進行可自動配對，僅需將待配對設(shè)備放置在一起并上電，5 min左右即可完成配對。

1.2.3其他配置

由于B、C兩點相距8 km左右，因此使用了大增益波束天線(Antenna_X)，最大增益34 dBi。系統(tǒng)中使用3臺交換機，均不具備配置功能。管理終端包括PC機及筆記本電腦，未進行設(shè)備管理及系統(tǒng)測試，分別配置了192.168.1.0/24及192.168.100.0/24兩個網(wǎng)段的地址。

1.3　網(wǎng)絡(luò)連接

1.3.1骨干網(wǎng)

A點網(wǎng)橋Bridge_A使用以太網(wǎng)線(圖3中空心圓線表示)與POE模塊POE口連接進行供電和數(shù)據(jù)傳輸，POE模塊負(fù)責(zé)將220 V交流電轉(zhuǎn)換為POE直流供電。A點網(wǎng)安裝位置為樓頂；POE模塊及交換機Switch_A1位于樓內(nèi)配線間，POE模塊LAN口與Switch_A1相連，進行數(shù)據(jù)傳輸，Switch_A1連接了互聯(lián)網(wǎng)側(cè)路由器、網(wǎng)橋及辦公區(qū)交換機Switch_A2。

B點網(wǎng)橋Bridge_B1與A點Bridge_A使用無線鏈路連接，網(wǎng)橋Bridge_B2使用饋線連接天線后與C點網(wǎng)橋連接。兩網(wǎng)橋POE模塊LAN口直連進行數(shù)據(jù)傳輸。

C點天線接收數(shù)據(jù)后通過饋線傳輸至網(wǎng)橋Bridge_C，其POE模塊LAN口與交換機Switch_C連接。

1.3.2接入網(wǎng)

A點接入網(wǎng)使用了3臺Mesh AP，三者間使用無線連接，每臺設(shè)備部署于樓內(nèi)不同位置，接入不同用戶終端。其中MAP_A1的POE模塊LAN口與交換機Switch_A2連接，并通過Switch_A1接入互聯(lián)網(wǎng)，管理PC連接Switch_A2，可對整個網(wǎng)絡(luò)進行管理。

C點AP的POE模塊LAN口與Switch_C進行連接，通過骨干網(wǎng)無線鏈路接入互聯(lián)網(wǎng)。管理筆記本可連接至Switch_C對AP_C及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行管理。

圖3　設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接

2　系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1　設(shè)備連接

為驗證網(wǎng)絡(luò)無線連接情況，進入網(wǎng)絡(luò)中繼點B點網(wǎng)橋Bridge_B2管理頁面(https：∥192.168.1.100)，使用設(shè)備發(fā)現(xiàn)工具，測試結(jié)果如表2所示?？梢钥吹?，列表中顯示了網(wǎng)絡(luò)中連接的設(shè)備，列表中包含了2對網(wǎng)橋和C點的AP。由于A點MAP與上述設(shè)備不使用一套后臺管理系統(tǒng)，故不能看到，使用其專用管理后臺可以看到3臺MAP已經(jīng)相互連接，如表3所示。

2.2　運行參數(shù)

通過后臺可以看到全部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行參數(shù)，Bridge_B1及Bridge_B2運行參數(shù)如表4所示。具體參數(shù)包括設(shè)備信號強度，收發(fā)信號強度、距離、IP地址和傳輸速率等信息。Bridge_B1為A點至B點鏈路的一端節(jié)點(接收站模式)，從其參數(shù)可以看出，傳輸距離1 km左右時，接收電平為-48 dBm，鏈路連接質(zhì)量[12](CCQ)接近1，表明當(dāng)前鏈路質(zhì)量極好。Bridge_B2為B點到C點鏈路的一端節(jié)點(接入點模式)，其接收電平為-85 dBm，CCQ值接為0.87，鏈路質(zhì)量略低。

表2骨干網(wǎng)(含AP_C)設(shè)備連接列表

設(shè)備名稱模式SSID產(chǎn)品固件IP地址AP_CAPCPicoStation M2v5.5.8192.168.1.21Bridge_CSTAubnt110PowerBeam M5 400v5.6.2192.168.1.111Bridge_B2APubnt110PowerBeam M5 400v5.6.2192.168.1.110Bridge_B1STAubnt100Rocket M5v5.6.11192.168.1.101Bridge_AAPubnt100Rocket M5v5.6.11192.168.1.100

表3骨干網(wǎng)(含AP_C)設(shè)備連接列表

IP地址狀態(tài)型號客戶端192.168.100.30CONNECTED (100 FDX)UniFi AP-AC-Mesh1192.168.100.34CONNECTED (WIRELESS)UniFi AP-AC-Mesh0192.168.100.33CONNECTED (WIRELESS)UniFi AP-AC-Mesh0

表4無線網(wǎng)橋設(shè)備參數(shù)監(jiān)控列表

Bridge_B1參數(shù)(A點至B點鏈路)設(shè)備名稱Bridge_B1產(chǎn)品PowerBeam M5 400固件XW.ar934x.v5.6.2.27989.150716.1149已連接時間7天 04:09:32RX信號-48 dBmTX信號-49 dBm噪聲值-106 dBm距離0.9 km(測量有誤差)CCQ99%Bridge_B2參數(shù)(B點至C點鏈路)設(shè)備名稱Bridge_B2產(chǎn)品Rocket M5固件XW.ar934x.v5.6.11.29745.160930.1526已連接時間00:24:47RX信號-85 dBmTX信號-84 dBm噪聲值-104 dBm距離10.2 km(測量有誤差)CCQ87%

2.3　系統(tǒng)測試

2.3.1鏈路ping測試

在A點使用管理PC機分別對B點和C點網(wǎng)橋進行300次ping工具測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4　鏈路ping測試結(jié)果

根據(jù)以上結(jié)果可以看到，A點至B點ping數(shù)據(jù)包平均時延較短(1 ms)，A點至C點平均時延較長(22 ms)。兩者差異原因主要在于傳輸距離及建筑物遮擋情況不同：A點至B點傳輸距離較短(1 km)且基本無遮擋；A點至C點需經(jīng)B點中繼，而B點至C點距離較長(8.2 km)且存在一定遮擋(高樓)。

盡管平均時延存在差異，但可以看到A點至C點丟包數(shù)為0，說明無線鏈路傳輸比較穩(wěn)定。

2.3.2鏈路網(wǎng)速測試

使用專用測試工具的網(wǎng)速測試結(jié)果如圖5所示。A點至B點帶寬較寬，達到180 Mbps；A點至C點帶寬較低，為0.83 Mbps。以上帶寬測試結(jié)果與ping測試時延結(jié)果吻合。

圖5　鏈路網(wǎng)速測試結(jié)果

4　結(jié)束語

通過觀察系統(tǒng)的運行情況，并進行相關(guān)測試后可以看到，系統(tǒng)實現(xiàn)了城區(qū)內(nèi)中長距離(10 km)多個制高點上自組網(wǎng)橋的無線鏈路連接和數(shù)據(jù)傳輸，同時利用Mesh AP構(gòu)建了室內(nèi)自組無線局域網(wǎng)絡(luò)。然而，系統(tǒng)還存在遮擋及傳輸距離較長時實驗系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬較低的不足，今后應(yīng)采取措施，如通過提高天線高度、設(shè)備發(fā)射功率等方式，進一步提升系統(tǒng)帶寬。同時，針對無線自組網(wǎng)的安全性問題[13]，進行進一步的設(shè)計、改進及實現(xiàn)。