基于WiFi的无线网状（Mesh） 组网技术

　　摘 要： 目前， 无线局域网由于相对有线网络的众多优点受到广泛应用， 其中WiFi 因为高效的工作能力而受到热捧， 但是WiFi 由于支持范围有限， 使得它的发展受到一定程度的限制， 这里对该问题进行了研究。在不添加有线基础设施、扩大成本的情况下， 考虑将网上的无线设备作为路由器使用， 对数据进行不断转发， 通过多个无线跳来进行组网， 即利用无线网状（ Mesh） 组网技术， 在低成本的条件下， 大大的扩展无线信号的覆盖范围。考虑到无线网状组网技术在当前市场上的应用，其业务支持能力和性能方面的优势， 证明了想法提出的合理性及可行性。基于WiFi 的无线网状（M esh） 组网技术不仅具有WiFi 本身的优势， 还解决了WiFi 的覆盖范围小的问题， 因此会有广泛的应用空间和很好的发展前景。

　　1  无线Mesh 组网技术

　　无线网状网络（Wireless Mesh Netw ork, WMN）作为一种新兴的组网技术， 在近两年迅速引起业界的关注。与很多新技术出现的背景类似， WMN 的出现是应用需求直接推动的结果。

　　首先， 无线局域网（WLAN ） 的快速发展为企业和公众带来了极大的通信自由。WiFi（Wir eless fidelity ）作为个被广泛推广的高速WLAN 技术， 包括已经批准的IEEE 802. 11a, b, g 和n 等规范， 由于其提高工作效率的能力而受到追捧， 并在得到广泛部署。

　　然而， WiFi 能够支持的范围非常有限： 用户只有保持在距离无线接入点设备（ AP） 300 英尺的范围内才能实现高速连接。因此， 如果想把WiFi 的服务模式变成无所不在的覆盖， 其成本将高得可怕。那么， 能不能将网上的无线设备作为路由器使用， 对数据进行不断转发，直至把它们送至目的地， 从而把接入点的覆盖服务延伸到几英里甚至更远， 这就是提出无线Mesh 组网技术的基本思路， 即通过多个无线跳来进行组网（WiFi 只使用一跳） , 从而能在不添加有线基础设施的情况下， 大大延展无线信号的覆盖范围。因此， 无线Mesh 网络是一种非常适合于覆盖大面积开放区域（ 包括室外和室内） 的无线区域网络解决方案， 其特点在于： 由包括一组呈网状分布的无线AP 构成， AP 均采用点对点方式通过无线中继链路互联， 将WiFi 中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。这种结构带来的好处包括：

　　自配置： 即WMN 中AP 具备自动配置和集中管理能力， 简化了网络的管理维护；自愈合： 即AP 能够自动发现和动态路由连接， 消除单点故障对业务的影响， 提供冗余路径；兼容性： 即如果采用标准的IEEE802. 11b/ g 制式，则可广泛地兼容无线客户终端；连通性： 即采用Mesh 结构的系统， 信号能够避开障碍物的干扰， 使信号传送畅通无阻， 消除盲区。

　　所以， 适合部署无线Mesh 网络的环境为： 大学园区、体育场馆、临时应急通信（ 如大型灾难的救灾现场） 等。

　　2  基于WiFi 的无线网状网络

　　无线局域网（WLAN） 的基本结构是两个无线设备之间点对点或者点对多点的通信。在点对点模式中， 无线连接取代了通信电缆， 而且在两个终端距离较近时可以进行可靠的数据传输。在点对多点模式下， 系统有一个中央管理单元AP, 所有的信号都被汇聚到该接入点中， 因此无线网络的可靠性依赖于AP 和终端之间射频连接的质量。无线Mesh 网络的通信模式与上述点对点或者点对多点通信模式是完全不同的。如前所述， WMN 是一种基于多跳路由、对等网络等技术的高速率、高容量的新型网络结构， 其本身是可以动态地不断扩展、自组网、自配置、自动修复、自我平衡的。针对以上特点， 工业界标准化组织已经开始着手为其制定新的标准， 以满足各种覆盖与网络业务方面的需要。其中， IEEE 802. 11, IEEE 802. 15 以及IEEE 802. 16 等都建立了为WMN 制定新标准的工作组。下面将就802. 11 标准对WMN 结构的支持进行简要介绍。初的IEEE 802. 11业务主要限于数据传输， 速率只能达到2 Mb/ s, 但是， IEEE 802. 11 b 和802. 11 a/ g 的峰值速度可以分别达到11 Mb/ s 和54 Mb/ s, 而IEEE802. 11n 则期望可以达到100 Mb/ s, 这就使得现有的电缆和DSL 连接限制了家庭和办公网络的连接速度。

　　倘若能够跳过这些有线部分， 则可以克服这一问题， 同时减少铺设和维护以太网电缆的开销。至此， WMN 的思想被引入。虽然可以用802. 11 点对点模式来构建无线Mesh 网络， 但是其MAC 协议的不可伸缩性使得网络的性能很差， 不适合多跳的WMN。为了将其商用，IEEE 新成立了一个IEEE 802. 11s 子工作组， 制定标准化的扩展服务集（ ESS） , 即IEEE 802. 11s 专门为WMN 定义了MAC 和PHY 层协议。在这样的网络中， WLAN 接入点可以像路由器那样转发消息。

　　在IEEE 802. 11s 工作组中，Mesh 网络可以是2 种基本结构： 基础设施的网络结构和终端设备的网络结构。

　　IEEE 802. 11s 工作组为支持这两种结构制定了新的规范。在基础设施的网络结构中， IEEE 802. 11s 工作组定义了一个基于IEEE 802. 11 MAC 层的结构和协议， 来建立一个同时支持在MAC 层广播/ 多播和单播的IEEE802. 11 无线分布式系统（WDS） ; 而在终端设备的网络结构中， 所有设备工作在点对点模式下的同一平面结构上，使用IP 路由协议。客户端之间形成无线的点到点的网络， 而不需任何网络基础设施来支持。

　　3  已有解决方案

　　目前市场上提供WMN 解决方案的多是一些小公司， 例如MeshNetw o rks, T ropos, BelAir, Pro xim, CoWav e, Netw orks, Ember 等。下面分析几种解决方案的优缺点。

　　3. 1  BelAir

　　采用3 射频接收回程站（ threeradio backhaul ） 的解决方案， 3 个射频接收机采用3 个独立的信道， 每个信道带有高向（ HighlyDirectional） 天线以重用有用的频率。采用环形天线阵列支持所有方向的回程覆盖，天线具有高增益和窄水平波束宽度。采用多射频接收回程站配置， 易于扩展， 减少了配置复杂性并提供更高的容量和吞吐量， 采用创新的光学接口以及Radioaw ar e 路由算法来选择路径。它的缺点在于价格昂贵， 目前不支持节点之间的用户移动性， 设计复杂， 还不能形成“全网状”的产品。

　　3. 2  T ropos

　　采用全向（ OmniDirect ional） 天线广播所有的数据到相邻节点， 不需要采用交换方式从一个天线交换数据到另一个天线， 因此延时较低， 控制协议只占有5% 的带宽， 支持太阳能电源， 灵活的电源配置方案。缺点是全向天线缺少稳定性， 吞吐量较低， 采用PCMCIA 设计， 缺少健壮性， 易于被窃， 更适合于在小范围内配置。

　　公司的研发力量有限， 因此在市场上多采取低价策略。

　　3. 3  Mesh Networks

　　Mesh Netw o rks 个进入市场的企业， 在回程（ backhaul） 支持和安全性方面采用自己私有的QDMA体系结构， 提供较低的延时， 可以在单一的网状网中支持inf rast ructure 和client meshing 两张模式。它的缺点在于缺少稳定性， 过多的依赖私有技术， 和已商用的WLAN NIC 卡不兼容， 需要自带采用PCMCIA 设计的QDMA 射频接收卡， PCMCIA 设计的节点很难保证安全性， 如果窃贼获得一张QDMA 卡它将可以不受限制的访问网络。

　　3. 4  Nortel

　　上述厂商开发WMN 技术较早， 但是目前还没有提供电信级解决方案的能力， 相比较而言， 老牌电信公司Nortel 进入这一市场较晚， 但是Nortel 的优势在于他们在OAM 管理、安全性、产品支持等方面更有优势，能够提供安全可靠的电信级解决方案， 以目前正在我国台北市及高雄市部署的由Nortel 公司提供的WMN 网络拓扑结构为例， 如图1 所示。

　　AP7220 是一个智能节点， 采用了包括智能天线阵列、集成路由器、自适应路由选择、安全管理、无线对等层通信等技术。它与无线终端用户之间采用IEEE 802. 11b/ g通信， 与相邻的A P7220 采用802. 11a进行中继， 通过增加外置的高增益定向天线， 中继距离可提高到5 km。相邻AP 之间通过自适应路由选择， 为用户终端选择路线。多个AP7220 构成1 个无线通信区域（ CRN） 。一个CRN 中有一个或多个与有线网络连接的网络接入点（ NAP） 。NAP 具有A P 的逻辑功能， 对CRN 中的所有数据业务进行汇集， 再通过以太网接口连接到三层路由器。

图1 WMN 网络拓扑结构

　　4  结语

　　无线网状组网技术目前被业界普遍认为是无线网络技术的一个发展方向。在这一新兴的无线市场上， 基于WiFi 的WMN 的潜在竞争对手就是基于IEEE802. 16 标准的WiMax 。WiMax 所走的是先标准化再商用的路线， 而WiFi 则采取了先商用后标准的市场策略。经过近几年的发展之后， 基于WiFi 的WLAN技术在安全性能、QoS、传输距离等方面均有了长足进步， 而且在用户市场认知度和产品规模化生产能力上也已经拥有了相当的积累。基于WiFi 的WMN 注定将在未来较长的一段时间内占据极其重要的市场地位。

参考文献:

[1]. ESS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ESS_2344455.html.