基于WiFi的無線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術

摘要：目前，無線局域網(wǎng)由于相對有線網(wǎng)絡的眾多優(yōu)點受到廣泛應用，其中WiFi因為高效的工作能力而受到熱捧，但是WiFi由于支持范圍有限，使得它的發(fā)展受到一定程度的限制，這里對該問題進行了研究。在不添加有線基礎設施、擴大成本的情況下，考慮將網(wǎng)上的無線設備作為路由器使用，對數(shù)據(jù)進行不斷轉(zhuǎn)發(fā)，通過多個無線跳來進行組網(wǎng)，即利用無線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術，在低成本的條件下，大大的擴展無線信號的覆蓋范圍。考慮到無線網(wǎng)狀組網(wǎng)技術在當前市場上的應用，其業(yè)務支持能力和性能方面的優(yōu)勢，證明了想法提出的合理性及可行性。基于WiFi的無線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術不僅具有WiFi本身的優(yōu)勢，還解決了WiFi的覆蓋范圍小的問題，因此會有廣泛的應用空間和很好的發(fā)展前景。
關鍵詞：無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡；無線局域網(wǎng)；WiFi；無線跳

1 無線Mesh組網(wǎng)技術
    無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(Wireless Mesh Network，WMN)作為一種新興的組網(wǎng)技術，在近兩年迅速引起業(yè)界的關注。與很多新技術出現(xiàn)的背景類似，WMN的出現(xiàn)是應用需求直接推動的結(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)作為第一個被廣泛推廣的高速WLAN技術，包括已經(jīng)批準的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設備(AP)300英尺的范圍內(nèi)才能實現(xiàn)高速連接。因此，如果想把WiFi的服務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)上的無線設備作為路由器使用，對數(shù)據(jù)進行不斷轉(zhuǎn)發(fā)，直至把它們送至目的地，從而把接入點的覆蓋服務延伸到幾英里甚至更遠，這就是提出無線Mesh組網(wǎng)技術的基本思路，即通過多個無線跳來進行組網(wǎng)(WiFi只使用一跳)，從而能在不添加有線基礎設施的情況下，大大延展無線信號的覆蓋范圍。因此，無線Mesh網(wǎng)絡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)絡解決方案，其特點在于：由包括一組呈網(wǎng)狀分布的無線AP構(gòu)成，AP均采用點對點方式通過無線中繼鏈路互聯(lián)，將WiFi中的無線“熱點”擴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具備自動配置和集中管理能力，簡化了網(wǎng)絡的管理維護；
    自愈合：即AP能夠自動發(fā)現(xiàn)和動態(tài)路由連接，消除單點故障對業(yè)務的影響，提供冗余路徑；
    兼容性：即如果采用標準的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)，信號能夠避開障礙物的干擾，使信號傳送暢通無阻，消除盲區(qū)。
    所以，最適合部署無線Mesh網(wǎng)絡的環(huán)境為：大學園區(qū)、體育場館、臨時應急通信(如大型災難的救災現(xiàn)場)等。

2 基于WiFi的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡
    無線局域網(wǎng)(WLAN)的基本結(jié)構(gòu)是兩個無線設備之間點對點或者點對多點的通信。在點對點模式中，無線連接取代了通信電纜，而且在兩個終端距離較近時可以進行可靠的數(shù)據(jù)傳輸。在點對多點模式下，系統(tǒng)有一個中央管理單元AP，所有的信號都被匯聚到該接入點中，因此無線網(wǎng)絡的可靠性依賴于AP和終端之間射頻連接的質(zhì)量。無線Mesh網(wǎng)絡的通信模式與上述點對點或者點對多點通信模式是完全不同的。如前所述，WMN是一種基于多跳路由、對等網(wǎng)絡等技術的高速率、高容量的新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其本身是可以動態(tài)地不斷擴展、自組網(wǎng)、自配置、自動修復、自我平衡的。針對以上特點，工業(yè)界標準化組織已經(jīng)開始著手為其制定新的標準，以滿足各種覆蓋與網(wǎng)絡業(yè)務方面的需要。其中，IEEE 802．11，IEEE 802．15以及IEEE 802．16等都建立了為WMN制定新標準的工作組。下面將就802．11標準對WMN結(jié)構(gòu)的支持進行簡要介紹。最初的IEEE 802．1l業(yè)務主要限于數(shù)據(jù)傳輸，速率最高只能達到2 Mb／s，但是，IEEE802．11b和802．11a／g的峰值速度可以分別達到11Mb／s和54 Mb／s，而IEEE802．11n則期望可以達到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，同時減少鋪設和維護以太網(wǎng)電纜的開銷。至此，WMN的思想被引入。雖然可以用802．11點對點模式來構(gòu)建無線Mesh網(wǎng)絡，但是其MAC協(xié)議的不可伸縮性使得網(wǎng)絡的性能很差，不適合多跳的WMN。為了將其商用，IEEE新成立了一個IEEE802.11s子工作組，制定標準化的擴展服務集(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)絡中，WLAN接入點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)絡可以是2種基本結(jié)構(gòu)：基礎設施的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和終端設備的網(wǎng)絡結(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。在基礎設施的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，IEEE 802．11s工作組定義了一個基于IEEE 802．11 MAC層的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，來建立一個同時支持在MAC層廣播／多播和單播的IEEE802．11無線分布式系統(tǒng)(WDS)；而在終端設備的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，所有設備工作在點對點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形成無線的點到點的網(wǎng)絡，而不需任何網(wǎng)絡基礎設施來支持。

3 已有解決方案
    目前市場上提供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。
3．1 BelAir
    采用3射頻接收回程站(three-radio backhaul)的解決方案，3個射頻接收機采用3個獨立的信道，每個信道帶有高向(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，易于擴展，減少了配置復雜性并提供更高的容量和吞吐量，采用創(chuàng)新的光學接口以及Radio-a-ware路由算法來選擇最佳路徑。它的缺點在于價格昂貴，目前不支持節(jié)點之間的用戶移動性，設計復雜，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，不需要采用交換方式從一個天線交換數(shù)據(jù)到另一個天線，因此延時較低，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。缺點是全向天線缺少穩(wěn)定性，吞吐量較低，采用PCMCIA設計，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，因此在市場上多采取低價策略。
3．3 Mesh Networks
Mesh Networks第一個進入市場的企業(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，可以在單一的網(wǎng)狀網(wǎng)中支持infrastructure和client meshing兩張模式。它的缺點在于缺少穩(wěn)定性，過多的依賴私有技術，和已商用的WLAN NIC卡不兼容，需要自帶采用PCMCIA設計的QDMA射頻接收卡，PCMCIA設計的節(jié)點很難保證安全性，如果竊賊獲得一張QDMA卡它將可以不受限制的訪問網(wǎng)絡。
3．4 Nortel
   上述廠商開發(fā)WMN技術較早，但是目前還沒有提供電信級解決方案的能力，相比較而言，老牌電信公司Nortel進入這一市場較晚，但是Nortel的優(yōu)勢在于他們在OAM管理、安全性、產(chǎn)品支持等方面更有優(yōu)勢，能夠提供安全可靠的電信級解決方案，以目前正在我國臺北市及高雄市部署的由Nortel公司提供的WMN網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為例，如圖1所示。

    AP7220是一個智能節(jié)點，采用了包括智能天線陣列、集成路由器、自適應路由選擇、安全管理、無線對等層通信等技術。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之間通過自適應路由選擇，為用戶終端選擇最佳路線。多個AP7220構(gòu)成1個無線通信區(qū)域(CRN)。一個CRN中有一個或多個與有線網(wǎng)絡連接的網(wǎng)絡接入點(NAP)。NAP具有AP的邏輯功能，對CRN中的所有數(shù)據(jù)業(yè)務進行匯集，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)技術目前被業(yè)界普遍認為是無線網(wǎng)絡技術的一個發(fā)展方向。在這一新興的無線市場上，基于WiFi的WMN的潛在最大競爭對手就是基于IEEE802．16標準的WiMax。WiMax所走的是先標準化再商用的路線，而WiFi則采取了先商用后標準的市場策略。經(jīng)過近幾年的發(fā)展之后，基于WiFi的WLAN技術在安全性能、QoS、傳輸距離等方面均有了長足進步，而且在用戶市場認知度和產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)能力上也已經(jīng)擁有了相當?shù)姆e累?；赪iFi的WMN注定將在未來較長的一段時間內(nèi)占據(jù)極其重要的市場地位。