基于WiFi的無線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術(shù)

摘要：目前，無線局域網(wǎng)由于相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)的眾多優(yōu)點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用，其中WiFi因?yàn)楦咝У墓ぷ髂芰Χ艿綗崤酰荳iFi由于支持范圍有限，使得它的發(fā)展受到一定程度的限制，這里對(duì)該問題進(jìn)行了研究。在不添加有線基礎(chǔ)設(shè)施、擴(kuò)大成本的情況下，考慮將網(wǎng)上的無線設(shè)備作為路由器使用，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷轉(zhuǎn)發(fā)，通過多個(gè)無線跳來進(jìn)行組網(wǎng)，即利用無線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術(shù)，在低成本的條件下，大大的擴(kuò)展無線信號(hào)的覆蓋范圍?？紤]到無線網(wǎng)狀組網(wǎng)技術(shù)在當(dāng)前市場(chǎng)上的應(yīng)用，其業(yè)務(wù)支持能力和性能方面的優(yōu)勢(shì)，證明了想法提出的合理性及可行性?；赪iFi的無線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術(shù)不僅具有WiFi本身的優(yōu)勢(shì)，還解決了WiFi的覆蓋范圍小的問題，因此會(huì)有廣泛的應(yīng)用空間和很好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；無線局域網(wǎng)；WiFi；無線跳

1 無線Mesh組網(wǎng)技術(shù)
    無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network，WMN)作為一種新興的組網(wǎng)技術(shù)，在近兩年迅速引起業(yè)界的關(guān)注。與很多新技術(shù)出現(xiàn)的背景類似，WMN的出現(xiàn)是應(yīng)用需求直接推動(dòng)的結(jié)果。
    首先，無線局域網(wǎng)(WLAN)的快速發(fā)展為企業(yè)和公眾帶來了極大的通信自由。WiFi(Wireless fidelity)作為第一個(gè)被廣泛推廣的高速WLAN技術(shù)，包括已經(jīng)批準(zhǔn)的IEEE 802．11a，b，g和n等規(guī)范，由于其提高工作效率的能力而受到追捧，并在全球得到廣泛部署。然而，WiFi能夠支持的范圍非常有限：用戶只有保持在距離無線接入點(diǎn)設(shè)備(AP)300英尺的范圍內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)高速連接。因此，如果想把WiFi的服務(wù)模式變成無所不在的覆蓋，其成本將高得可怕。那么，能不能將網(wǎng)上的無線設(shè)備作為路由器使用，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷轉(zhuǎn)發(fā)，直至把它們送至目的地，從而把接入點(diǎn)的覆蓋服務(wù)延伸到幾英里甚至更遠(yuǎn)，這就是提出無線Mesh組網(wǎng)技術(shù)的基本思路，即通過多個(gè)無線跳來進(jìn)行組網(wǎng)(WiFi只使用一跳)，從而能在不添加有線基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，大大延展無線信號(hào)的覆蓋范圍。因此，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種非常適合于覆蓋大面積開放區(qū)域(包括室外和室內(nèi))的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解決方案，其特點(diǎn)在于：由包括一組呈網(wǎng)狀分布的無線AP構(gòu)成，AP均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式通過無線中繼鏈路互聯(lián)，將WiFi中的無線“熱點(diǎn)”擴(kuò)展為真正大面積覆蓋的無線“熱區(qū)”。這種結(jié)構(gòu)帶來的好處包括：
    自配置：即WMN中AP具備自動(dòng)配置和集中管理能力，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)；
    自愈合：即AP能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)路由連接，消除單點(diǎn)故障對(duì)業(yè)務(wù)的影響，提供冗余路徑；
    兼容性：即如果采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802．11b／g制式，則可廣泛地兼容無線客戶終端；
    連通性：即采用Mesh結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，信號(hào)能夠避開障礙物的干擾，使信號(hào)傳送暢通無阻，消除盲區(qū)。
    所以，最適合部署無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境為：大學(xué)園區(qū)、體育場(chǎng)館、臨時(shí)應(yīng)急通信(如大型災(zāi)難的救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng))等。

2 基于WiFi的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)
    無線局域網(wǎng)(WLAN)的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)無線設(shè)備之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式中，無線連接取代了通信電纜，而且在兩個(gè)終端距離較近時(shí)可以進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式下，系統(tǒng)有一個(gè)中央管理單元AP，所有的信號(hào)都被匯聚到該接入點(diǎn)中，因此無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性依賴于AP和終端之間射頻連接的質(zhì)量。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信模式與上述點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信模式是完全不同的。如前所述，WMN是一種基于多跳路由、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的高速率、高容量的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其本身是可以動(dòng)態(tài)地不斷擴(kuò)展、自組網(wǎng)、自配置、自動(dòng)修復(fù)、自我平衡的。針對(duì)以上特點(diǎn)，工業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)開始著手為其制定新的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足各種覆蓋與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)方面的需要。其中，IEEE 802．11，IEEE 802．15以及IEEE 802．16等都建立了為WMN制定新標(biāo)準(zhǔn)的工作組。下面將就802．11標(biāo)準(zhǔn)對(duì)WMN結(jié)構(gòu)的支持進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。最初的IEEE 802．1l業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)傳輸，速率最高只能達(dá)到2 Mb／s，但是，IEEE802．11b和802．11a／g的峰值速度可以分別達(dá)到11Mb／s和54 Mb／s，而IEEE802．11n則期望可以達(dá)到100 Mb／s，這就使得現(xiàn)有的電纜和DSL連接限制了家庭和辦公網(wǎng)絡(luò)的連接速度。倘若能夠跳過這些有線部分，則可以克服這一問題，同時(shí)減少鋪設(shè)和維護(hù)以太網(wǎng)電纜的開銷。至此，WMN的思想被引入。雖然可以用802．11點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式來構(gòu)建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，但是其MAC協(xié)議的不可伸縮性使得網(wǎng)絡(luò)的性能很差，不適合多跳的WMN。為了將其商用，IEEE新成立了一個(gè)IEEE802.11s子工作組，制定標(biāo)準(zhǔn)化的擴(kuò)展服務(wù)集(ESS)，即IEEE 802．11s專門為WMN定義了MAC和PHY層協(xié)議。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，WLAN接入點(diǎn)可以像路由器那樣轉(zhuǎn)發(fā)消息。
    在IEEE 802．11s工作組中，Mesh網(wǎng)絡(luò)可以是2種基本結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。IEEE 802．11s工作組為支持這兩種結(jié)構(gòu)制定了新的規(guī)范。在基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，IEEE 802．11s工作組定義了一個(gè)基于IEEE 802．11 MAC層的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，來建立一個(gè)同時(shí)支持在MAC層廣播／多播和單播的IEEE802．11無線分布式系統(tǒng)(WDS)；而在終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備工作在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下的同一平面結(jié)構(gòu)上，使用IP路由協(xié)議?？蛻舳酥g形成無線的點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，而不需任何網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來支持。

3 已有解決方案
    目前市場(chǎng)上提供WMN解決方案的多是一些小公司，例如MeshNetworks，Tropos，BelAir，Proxim，CoWave，Networks，Ember等。下面分析幾種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
3．1 BelAir
    采用3射頻接收回程站(three-radio backhaul)的解決方案，3個(gè)射頻接收機(jī)采用3個(gè)獨(dú)立的信道，每個(gè)信道帶有高向(Highly Directi-onal)天線以重用有用的頻率。采用環(huán)形天線陣列支持所有方向的回程覆蓋，天線具有高增益和窄水平波束寬度。采用多射頻接收回程站配置，易于擴(kuò)展，減少了配置復(fù)雜性并提供更高的容量和吞吐量，采用創(chuàng)新的光學(xué)接口以及Radio-a-ware路由算法來選擇最佳路徑。它的缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴，目前不支持節(jié)點(diǎn)之間的用戶移動(dòng)性，設(shè)計(jì)復(fù)雜，還不能形成“全網(wǎng)狀”的產(chǎn)品。
3．2 Tropos
    采用全向(Omni-Directional)天線廣播所有的數(shù)據(jù)到相鄰節(jié)點(diǎn)，不需要采用交換方式從一個(gè)天線交換數(shù)據(jù)到另一個(gè)天線，因此延時(shí)較低，控制協(xié)議只占有5％的帶寬，支持太陽能電源，靈活的電源配置方案。缺點(diǎn)是全向天線缺少穩(wěn)定性，吞吐量較低，采用PCMCIA設(shè)計(jì)，缺少健壯性，易于被竊，更適合于在小范圍內(nèi)配置。公司的研發(fā)力量有限，因此在市場(chǎng)上多采取低價(jià)策略。
3．3 Mesh Networks
Mesh Networks第一個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的企業(yè)，在回程(backhaul)支持和安全性方面采用自己私有的QDMA體系結(jié)構(gòu)，提供較低的延時(shí)，可以在單一的網(wǎng)狀網(wǎng)中支持infrastructure和client meshing兩張模式。它的缺點(diǎn)在于缺少穩(wěn)定性，過多的依賴私有技術(shù)，和已商用的WLAN NIC卡不兼容，需要自帶采用PCMCIA設(shè)計(jì)的QDMA射頻接收卡，PCMCIA設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)很難保證安全性，如果竊賊獲得一張QDMA卡它將可以不受限制的訪問網(wǎng)絡(luò)。
3．4 Nortel
   上述廠商開發(fā)WMN技術(shù)較早，但是目前還沒有提供電信級(jí)解決方案的能力，相比較而言，老牌電信公司Nortel進(jìn)入這一市場(chǎng)較晚，但是Nortel的優(yōu)勢(shì)在于他們?cè)贠AM管理、安全性、產(chǎn)品支持等方面更有優(yōu)勢(shì)，能夠提供安全可靠的電信級(jí)解決方案，以目前正在我國(guó)臺(tái)北市及高雄市部署的由Nortel公司提供的WMN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，如圖1所示。

    AP7220是一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，采用了包括智能天線陣列、集成路由器、自適應(yīng)路由選擇、安全管理、無線對(duì)等層通信等技術(shù)。它與無線終端用戶之間采用IEEE 802．11b／g通信，與相鄰的AP7220采用802．11a進(jìn)行中繼，通過增加外置的高增益定向天線，中繼距離可提高到5km。相鄰AP之間通過自適應(yīng)路由選擇，為用戶終端選擇最佳路線。多個(gè)AP7220構(gòu)成1個(gè)無線通信區(qū)域(CRN)。一個(gè)CRN中有一個(gè)或多個(gè)與有線網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(NAP)。NAP具有AP的邏輯功能，對(duì)CRN中的所有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行匯集，再通過以太網(wǎng)接口連接到三層路由器。

4 結(jié)語
    無線網(wǎng)狀組網(wǎng)技術(shù)目前被業(yè)界普遍認(rèn)為是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。在這一新興的無線市場(chǎng)上，基于WiFi的WMN的潛在最大競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手就是基于IEEE802．16標(biāo)準(zhǔn)的WiMax。WiMax所走的是先標(biāo)準(zhǔn)化再商用的路線，而WiFi則采取了先商用后標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)策略。經(jīng)過近幾年的發(fā)展之后，基于WiFi的WLAN技術(shù)在安全性能、QoS、傳輸距離等方面均有了長(zhǎng)足進(jìn)步，而且在用戶市場(chǎng)認(rèn)知度和產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)能力上也已經(jīng)擁有了相當(dāng)?shù)姆e累?；赪iFi的WMN注定將在未來較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)極其重要的市場(chǎng)地位。