无线Mesh网络技术及其应用

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摘要:作为一种新型无线技术,mesh网络技术的拓扑结构、关键技术及应用领域一直以来备受关注。通过分析它的多级跳点系统拓扑结构,可以总结出它比传统无线网络具有更大的容量、速率和覆盖范围;它涉及了智能天线、MAC层多址访问等一系列关键技术,应用领域十分广泛。

关键词:Mesh;多级跳点;智能天线;多址访问;自适应配置;应用领域

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)22-0000-00

0 引言

无线网络技术的发展日新月异,新的无线网络结构和技术不断被提出,其中无线Mesh网络正倍受科学家和工程师的关注。无线Mesh网络又称无线网状网或无线网格网,它融合了无线局域网WLAN和AdHoc网络的优势,是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络,它可以和多种宽带无线接入技术如802.11、802.16、802.20以及3G移动通信等技术相结合,组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。它可以大大增加无线系统的覆盖范围,同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性,是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。

1 无线Mesh网络的拓扑结构

无线Mesh网是低功率的多级跳点(multi-hop)系统,它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问;另一方面,中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。而无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号,它采用网状Mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种拓扑结构中,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。各网络节点通过相临其他网络节点,以无线多跳方式相连。它们处理消息的方式是把信息包从一个节点传递到另一个节点,直到信息包到达目的地。传统的点到点网络节点过滤掉所有信息包,只留下自己的信息包,而网状网节点接收要传给其它节点的信息包,并把它们再次传送出去。每个无线Mesh网络的节点可以作为接入终端,也可具有路由和信息转发功能,具有极高的组网自由度。无线Mesh网络提供从源头到目的地的多条冗余通信路径。如果一条路径由于硬件故障或干扰而停止工作,网状网会自动改变信息包的路由,使它们穿过一条替代路径。

无线Mesh技术的出现,代表着无线网络技术的又一大跨越,它将传统的无线网络中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。

2 无线Mesh网络的关键技术

Mesh网络在设计方面不仅要考虑需无线传输中的各种问题,如天线设计、多址接入、控制等,还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的相互影响,这就使得无线Mesh网的设计要更复杂。其涉及到的关键技术如下:

2.1 智能天线技术

当采用定向天线时,用户节点之间通过点到点方式连接,降低了所需的发射功率,同时也减少路径之间的同频干扰,能够实现很高的频谱效率,但是存在一些其他方面的问题,每个用户节点需要多个定向天线和射频单元,任意两点之间都需要精确的对准,当有节点加入或退出网络时,网络的拓扑结构发生变化,需要重新调整定向天线,增加了使用难度。另一种方案是采用全向天线或区域天线,但由于多个用户节点要共享同一无线信道,系统的频谱效率将会大大降低。更合适的方案是采用智能天线技术,智能天线是具有测向和波束成形能力的天线阵列,使用智能天线技术,用户节点可以根据周围节点的状况,在软件控制下调整波束方向,分别对应多个相邻节点,起到空分复用的作用,提高了系统的容量。当网络拓扑发生变化时,可以通过自动调整波束的方向来重新建立用户节点之间的联系。

2.2 MAC层多址访问机制

无线mesh网是分布式无线多跳网状网。现有的无线网络MAC机制大多都是针对单跳无线网络设计的,这种面向单跳无线网络设计的MAC机制并不适于分布式无线多跳网状网络,如802.11WLAN的MAC机制在无线链路跳数达到四跳时,性能下降非常大。同时,在无线mesh网这种分布式无线多跳网状网中,由于实现时间同步和码管理困难,采用TDMA和CDMA多址接入也比较复杂。此外,在无线mesh网络中,还要求能够有效的进行空间频率重用,以提高网络容量。这样,MAC层机制设计将成为影响无线mesh网性能和成功与否的关键技术因素之一。

2.3 自适应配置技术

在无线Mesh网中,两相邻节点的信道参数,如载干比、延迟扩展等,会受多种因素的影响,例如相邻节点之间的距离、新节点的加入、某些用户节点处于不工作状态等。自适应调制技术的主要思想是根据传输信道的实际参数动态改变调制方式,使得任何时刻信道的容量都能达到最大,同时保证链路在恶劣环境下的可用性。

用户节点可以采用不同的调制技术与不同的相邻节点通信,在同一条路径上根据其信道参数的变化来更改调制方式。

另一个更复杂的问题是,即使某条路径上能达到最佳性能,并不意味着在整个网络范围内的总体性能最佳。可能需要从全网的角度考虑每条链路上的调制方式的选择。

2.4 Mesh路由协议

无线mesh网络中,mesh路由协议的设计是一个关键。首先,在无线多跳mesh网络中,路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择,而要综合考虑多种性能度量指标来进行路由选择。其次,mesh路由协议要提供网络容错性和健壮性支持,能够在无线链路失效时,迅速选择替代链路避免业务提供中断。第三,mesh路由协议要能够利用流量工程技术,在多条路径间进行负载均衡,尽量最大限度利用系统资源。第四,路由协议要求能同时支持mesh路由器和mesh终端。对于静止不动的mesh路由器,由于没有功耗限制,可以采用比现有adhoc路由协议简单得多的路由协议;而对于mesh终端,则需要采用类似adhoc的路由协议。这样,就需要一种行之有效的路由协议能够自适应支持mesh路由器和mesh终端。

2.5 宽带Qos业务支持

与adhoc网络不同,无线mesh网的大多数应用都是具有不同Qos要求的宽带业务。这样,除了端到端时延和公平性以外,还需要在通信协议中考虑时延抖动、聚合吞吐量、每节点吞吐量以及分组丢失率等性能评价指标。

2.6 无线交换技术

交换方式的选择对整个网络的业务性能有很大的影响。承载的业务满足多业务QoS支持的要求,网络层一般使用分组交换。基于IP的分组交换,对实时业务的服务质量不能很好保证;ATM需要额外的带宽消耗和复杂的协议;及MPLS。另外,选择交换方式时还要考虑到无线Mesh网的特性,如链路的可靠性较差、节点的加入和退出、多跳对延时的影响等。

2.7 安全性

用户鉴权和数据加密。如何识别新加入用户节点的身份并对空中传输的用户数据进行加密保证网的安全性。包括:网络管理。如何提供一个简单的界面对全网进行管理、配置、监控、计费等;干扰共存。在使用同一频段时,如何与其他系统,如点到多点固定宽带无线接入网、无线局域网等共存。

3 无线Mesh网络的应用

Mesh网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。

3.1 家庭

家庭式无线Mesh联网可以连接台式PC机、笔记本和手持计算机、HDTV、DVD播放器、游戏控制台,以及其他各种消费类电子设备,而不需要复杂的布线和安装过程。在家庭Mesh网络中,各种家用电器既是网上的用户,也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。当家用电器增多时,这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。Mesh技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中的应用,如高清晰度视频等。

3.2 企业

大型企业用户相对集中,通信量大且对网络覆盖要求较高。无线Mesh网络允许网络用户共享带宽,消除了目前单跳网络的瓶颈,并且能够实现网络负载的动态平衡。在无线Mesh网络中增加或调整AP也比有线AP更容易、配置更灵活、安装和使用成本更低。尤其是对于那些需要经常移动接入点的企业,无线Mesh技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓朴结构的调整和升级。

3.3 学校

校园无线网络与大型企业非常相似,但也有自己的特点。一是校园无线网络的规模大,不仅地域范围大,用户多,而且通信量也大,因为与一般企业用户相比学生会更多地使用多媒体;二是网络覆盖的要求高,网络必须能够实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆和公共场所等之间的无缝漫游;三是负载平衡非常重要,由于学生经常要集中活动,当学生同时在某个位置使用网络时,就可能发生通信拥塞现象。采用无线Mesh网络方式组网,不仅易于实现网络结构的升级和调整,而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。

3.4 高速公路

无线Mesh网络可以为各类车辆内的乘客提供高速移动状态下的多媒体服务、定位服务。如在城铁、地铁、公交车、火车上为乘客提供高速网络互动、到站提示、车辆定位、实时影视、广告等各类服务。同时,由于无线Mesh网络可以兼容Wi-Fi的网络设备,因此Wi-Fi终端用户也可享受移动宽带服务。

3.5 油田和旅游场所

Mesh非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济上不合算,而又需要为用户提供宽带无线Internet访问的地方,如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。

3.6 医院

Mesh还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。由于医院建筑物的构造密集而又复杂,一些区域还要防止电磁辐射,因此是安装无线网络难度最大的领域之一。医院的网络有两个主要的特点。一是布线比较困难:在传统的组网方式中,需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线,这显然不利于网络拓朴结构的变化。二是对网络的健壮性要求很高: 如果医院里有重要的活动(如手术),网络任何可能的故障都将会带来灾难性的后果。 采用无线Mesh组网则是解决这些问题的理想方案。如果要对医院无线网络拓扑进行调整,只需要移动现有的Mesh节点的位置或安装新的Mesh节点就可以了,过程非常简单,安装新的Mesh节点也非常方便。而无线Mesh的健壮性和高带宽也使它更适合于在医院中部署。

3.7 应急通讯

无线Mesh网络可作为公共安全及城市监管部门/应急指挥的通讯平台 - 特种行业特定应用。典型应用场景包括:特定区域的公共安全,应急通讯,军队/特警部队的相关应用,警察局、消防部门、国土安全局等建立的专网,采用2.4G/4.9G双频点。需要支持的基本业务技术包括:提供指挥、调度、监控、定位、数据采集,IP视频监控,实时上行视频传送,Adhoc应用。营运模式拟采用由特种行业自行建设及维护。

在公共安全和紧急救助行业中,大多数工作人员都处于移动状态,因此在通信方面必须依赖于无线网络解决方案。无线Mesh网络可以满足其对数据调度、移动视频监控、车辆/人员定位、移动指挥车应急通信等业务需求。应急指挥车辆或现场工作人员只要有一台笔记本电脑或者手持终端就可以通过无线Mesh网络实时在现场人员之间及与总部保持视频、数据、语音通信。无线Mesh网络无疑是需要快速部署或临时安装的场景最方便经济有效的组网方法,应急通讯也是无线Mesh网络的设计的最初出发点。

应急通讯可分为如下几大类:因发生自然灾害时的通信保障:洪水、地震、台风、泥石流、雪灾等;因发生公共卫生突发事件时的通信保障:重大疫情、重大伤亡救治等;因发生社会安全突发事件时的通信保障:大规模集会、游行以及恐怖暴力事件等;因举行重大活动时的通信保障:国事会议、大型体育运动会、大型展览、军事演习等;因电信运营企业自身运营事故导致企业自身网络发生重大异常或中断情况时的通信保障。

4 结论

总之,作为一种新型的网络,由于其组网快速灵活,接入速率高,覆盖范围广,投资较小,技术相对成熟,网络建设时间短,便于升级等优点,将对于网络营运商具有巨大的诱惑力。无线Mesh网络既是WLAN的延伸,又可以作为3G的补充,也可以与WiMAX相辅相成,亦解决了无线接入的“最后一公里”的瓶颈问题。因而无线Mesh网络技术将给无线宽带网领域带来重大的变革。

参考文献:

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