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标题: 无线Mesh网络的概念及关键技术 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 14:20
标题: 无线Mesh网络的概念及关键技术
摘要　无线Mesh网络是一种新型的无线宽带接入网络，它融合了无线局域网和Ad hoc网络的优势，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，成为无线宽带接入的一种有效手段。文章简要介绍无线Mesh网络的概念和系统特性，详细阐述摩托罗拉Mesh技术的系统结构、频率配置和关键技术等。
0、引言
　　无线Mesh网络（WMN）技术曾是一项军事技术，战场上的移动网络需要很高的数据速率、很低的被检出概率和防止人为干扰的能力，而Mesh技术就具备了这些能力。随着人们对802.11a、802.11b和802.11g等局域网（LAN）技术了解的深入，Mesh技术才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点，并沿着不同的分支演进。
　　目前，业界讨论最多的“无线网状网”技术是一种灵活的广域无线局域网（WLAN）解决方案，它突破了Wi-Fi技术对每个接入点的有线连接要求，将多个接入点通过无线方式连接在一起，无需进行布线就可形成一个无线网络或“热区”，从而在室内和室外提供宽广的无线覆盖。目前，许多知名厂商（如摩托罗拉、思科、Strix、Tropos等）都已经有成熟产品问世，促进各个行业组织制订标准，以推进网状网技术的可操作性。
　　目前，基于Mesh技术的无线网络集成了健壮的安全性和全面的可管理性，可提供移动宽带和灵活的自组网通信，并拥有对局部区域可靠和安全的覆盖能力，已成为符合国际电联（ITU）公众保护及救灾（PPDR）业务要求的一项优秀解决方案。Mesh网络不仅有助于改善城市信息化的应用环境，而且对提升城市的综合服务能力也有十分明显的作用。
1、无线Mesh网络的概念
　　无线Mesh网络是基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Ad hoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的一种有效手段。从某种意义上讲，Mesh网络更主要的是一种网络架构思想，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等。
　　无线Mesh技术是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的WLAN中，每个客户端均通过一条与接入点（AP）相连的无线链路访问网络，用户若要进行相互通信，必须首先访问一个固定的AP，这种网络结构称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。
　　这种结构的最大好处在于：如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。
　　其实我们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。当我们发送一份Email时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器，经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能尽快到达用户的信箱。因此，无线Mesh网络可看作“Internet的无线版”。
2、无线Mesh网络的特性
　　1）自组织
　　网络节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围，并可连接至所有其他节点。
　　2）自愈
　　如果网络中的某台设备发生故障或从其拓扑位置上拆卸，网络会自动适应这种改变。既使发端与对端之间的连接涉及多台中继设备，网络也会找到从发端到对端的新的路由。
　　3）多跳式
　　每个网络节点和用户端设备（无线通信单元）均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由。
　　4）点对点网络
　　自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连接发端和对端。而不必通过中央管理节点。
3、无线Mesh网络的结构和实现模式
　　笔者参与了2007年在上海进行的无线Mesh技术测试和组网应用的研究，比较了解无线Mesh技术的系统性能和关键技术，下面详细介绍试验所采用的MotoMesh技术。
　　在采用MotoMesh技术建设的网络中，其拓扑结构呈格栅状，典型结构如图1所示。整个网络由无线接入点（AP）、无线路由器（WR）、终端用户/设备（CLIENT）组成。

图1　MotoMesh网络结构图

　　一个AP能在几十至上百米的范围内连接多个WR，AP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次要将各个与WR相连的无线客户端连接在一起，使装有无线网卡的终端设备能通过AP共享核心网的资源。智能接入点（IAP）是在AP的基础上增加了Ad hoc路由选择功能。此外，AP/IAP还具有网管功能，实现对无线接入网络的控制和管理，将传统的智能性分散到接入点（AP/IAP）中，大大节省了骨干网络的建设成本，提高了网络的可延展性。在IAP的下层配置WR，为底层的移动终端设备（即用户）提供分组路由和转发功能，从IAP下载并实现无线广播软件更新。根据当时可使用的节点配置临时决定转发分组信息的路由，即实现动态路由。在该网络结构中，通过使用WR可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。
　　终端用户/设备兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等常见的路由操作。
　　MotoMesh系统有两种典型的实现模式：
　　1）基础设施网状网模式（infrastructure meshing）
　　该模式在接入点与终端用户之间形成无线回路。移动终端通过WR的路由选择和中继功能与IAP形成无线链路，IAP通过路由选择及管理控制等功能，为移动终端选择与目的节点通信的最佳路径，从而形成无线回路。同时，移动终端通过IAP可与其他网络相连，从而实现无线宽带接入。采用该结构降低了系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性。
　　2）终端用户网状网模式（client meshing）
　　终端用户自身配置无线收发装置，通过无线信道的连接形成一个点到点的网络，这是一种任意网状网的拓扑结构，节点可以任意移动，可能会导致网络拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。在任一时刻，终端设备在不需要其他基础设施的条件下可独立运行，它可支持移动终端较高速率的移动，快速形成宽带网络，终端用户模式事实上就是一个Ad hoc网络，它可以在没有或不便利用现有网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。
　　由于两种模式具有优势互补性，因此，同时支持两种模式的网络能在一个广阔的区域内实现多跳的无线通信，移动终端既可以与其他网络相连，实现无线宽带接入，又可以在不具备基础设施网络的条件下与其他用户进行直接通信，并且可以作为中间的路由器转发其他节点的数据，送往目的节点。
4、MotoMesh网络的频率配置
　　Mesh网络作为典型的多点对多点网状结构，节点的移动会导致网络拓扑结构频繁变化，网管需要定期收集各节点的连接信息，这将会增加网络负荷，加大网络的系统开销。同时，在无线网络中，受外界环境各种衰落的影响，信号的质量变化较大，又会造成信道的不稳定。MotoMesh系统通过4个相对独立的模块，能根据客户需要进行灵活配置，有效解决链路回传与用户接入的信道共享问题，提高了系统稳定性和频谱利用率。
　　一套MotoMesh系统中有两套标准的802.11（Wi-Fi）射频组件和两套摩托罗拉网状网络架构（MEA）移动宽带射频组件，其中一套Wi-Fi和MEA射频组件工作在2.4GHz免许可频段，另一套工作频率为4.9GHz公共安全许可频段，即2.4GHz-WiFi/24GHz-MEA/4.9GHz-WiFi/4.9GHz-MEA。
　　2.4GHz频段使用的频率范围为2400MHz～2483.5MHz，共分为4个信道，3个Mesh信道（其中第一个为控制信道），1个802.11g信道，4个信道带宽均为20MHz。
　　4.9GHz频段所使用的频率范围为4940MHz～4990MHz，共分为2个信道，第一个信道为Mesh信道，信道带宽为20MHz，控制和数据共享该信道。第二个为802.11a信道，信道带宽为10MHz。
　　MotoMesh架构采用多套射频组件和多个频段，所以能为公共安全、市政工程和公共接入提供彼此独立的专用无线宽带接入服务。IAP的双重独立同传连接实现了公共网络与其他无关回传网络的物理分离，提高了公共安全用户的通信安全性。
5、MotoMesh网络的关键技术
　　5.1　网状可扩展路由（MSR）
　　摩托罗拉Mesh网络采用了一种专有的距离矢量路由算法MSR，可提供多种已知路由，但不维持关于某个地区内的所有节点的信息。这种距离矢量算法沿着最佳路由转发数据包，同时维持两个备份路由。通过衡量链路规格选择最佳路由。多种链路规格的组合可提高系统在数据包可靠性、延迟和抖动方面的性能。提供备份路由是为了支持在混乱的环境中迅速改变的移动节点的信号特征。
　　因为无线网络具备根本不同的特性，所以针对有线网络设计的路由协议不可用于移动自组织网络，主要问题是无线链路的不可靠性。选择距离最短的通道通常不是这些移动无线协议最重要的特性。诸如快速路由汇聚、高反应能力、链路可靠性、避免拥塞、负载平衡、限制每个节点必须进行的处理、电池性能和传输功率（自干扰）等才是无线移动自组织网络更重要的特性。
　　对最初找到连接至对端的路由时的延迟及当前路由发生故障时找到另一个替代路由时的延迟来说，路由设置时延非常重要，它与蜂窝网络中的越区切换类似。较低路由成本对最大限度提高用户系统的吞吐量非常重要。网络可扩展性会受路由成本的影响，因为一旦达到允许的路由成本限值，就不能再扩展网络。移动性支持通过在无线自组织网络中进行越区切换以及在有线网桥必须进行的上下文切换实现。路由规格的可用性会影响在一个高度动态的拓扑网络中快速、准确地做出明智决策的能力。
　　5.2　自适应控制传输协议（ATP）
　　ATP是负责确定传输功率和数据率的算法，可用于确保在相应节点实现最可靠的接收。
　　选择路由时必须对连接至所有可用相邻节点的链路的输入质量进行测量，以便在选择连接至每个对端的下一个跳跃点时，做出考虑周全的决策。该质量值主要以能量值的形式表示，其中包含了与每个相邻节点进行通话时所使用的功率水平和数据率。能量值转换为链路阻值，并且沿整个路由扩散。能量值是用于评估能否成功地将数据包发送至相邻节点或通过特定路由发送数据包的重要规格。
　　ATP可提供关于链路丢失的实时信息。由ATP算法确定链路丢失，以衡量传输成功和传输失败的信号质量，从而实现良好信号瞬间丢失与真正的坏信号之间的平衡。当路由选择收到该通知时，将该相邻节点用作下一个跳跃点的任何对端均必须立即切换至另一个替代路由。该相邻链路状态被设置为断开，在重新设置之前，不可被用作下一个跳跃点。
　　ATP业务旨在支持MSR协议以数据包为单位，平衡地实现可靠的传输和尽可能最高的数据率。
　　5.3　正交分割多址接入技术（QDMA）
　　摩托罗拉公司的QDMA?无线通信平台运行在2.4GHz ISM频段和4.9GHz频段，是专门为广域范围内通信的最优化以及移动网状网系统设计的。
　　在2.4 GHz的ISM频段，由于它在接入控制（MAC）子层使用多信道方式（3个数据信道和1个控制信道），因此与单个信道相比，更适用于高密度的WMN终端设备。QDMA技术提供一个高性能的射频前端，该前端包含类似于多抽头Rake接收机的功能和一种克服射频环境快速变化的公平算法。
　　QDMA可在较广的移动通信范围内提供较强的纠错能力，同时，增强的抗干扰能力和信号的灵敏度可为基于QDMA技术的通信网络提供达到250mph的移动速度，适于部署在直升飞机中，理论上可提供最高达6Mbps的突发数据率，并且可在超过80mph的速度下保持1Mbps的吞吐量。
　　5.4　正交频分复用技术（OFDM）
　　无线Mesh系统物理层可采用OFDM技术。OFDM技术是将高速的数据流通过串/并变换，分配到传输速率相对较低的若干个正交子信道中，在每个子信道上进行窄带调制和传输，减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此，每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。所采用的数字信息调制有时间差分移相健控（TDPSK）和频率差分移相键控（FDPSK），以快速傅里叶变换（IFFT和FFT）算法实施数字信息调制和解调功能。由于无线信道的频率选择性，所有的子信道不会同时处于深衰落中，因此，可以通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，利用信噪比高的子信道提升系统性能。由于窄带干扰只能影响一小部分子载波，因此OFDM系统在某种程度上能抵抗这种干扰。
　　OFDM技术结合了分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大程度地提高系统性能，使无线Mesh系统性能得到进一步优化。
6、结束语
　　从国外的研究情况来看，2004年1月，IEEE802.11 Working Group专门正式成立了网状网研究组（Mesh Study Group），标志着Mesh技术正式迈上了广泛标准化道路。同时，其他标准（如802.15.3a、802.15.4和专用短程通信（DSRC））也开始探索如何通过网状网嵌入式设备来改进其现有技术，IEEE802.16已经将网状网技术纳入其MAC层协议标准中。随着无线网络带宽的增加和融入更多的安全性，无线Mesh技术会越来越显示出其优势，成为无线宽带领域中的生力军。
　　国内的Mesh技术市场推广工作也在一步步展开，个别大学进行了校园无线网状网接入的尝试。此次上海针对MotoMesh技术系统进行的性能研究是目前国内搭建规模最大、技术测试最深入的一次技术试验，初步摸清了MotoMesh系统的容量、传输吞吐率、多级跳接、移动性能等性能指标，对自组织对等网、虚拟专用网络（VPN）管理能力、多业务接入能力以及系统安全性方面功能也进行了验证。
　　我们有理由相信，随着无线Mesh技术研究的不断深入，其应用的领域会越来越广，它在无线宽带接入方面有着非常大的市场潜力。

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