无线Mesh网络组网模式构建分析

        一、引言
无线MESH网络（WMN，Wireless Mesh Network，又称无线网状网），是一种新型的宽带无线网络结构，是一种高容量、高速率的分布式网络，它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，传统的WLAN一直存在的可伸缩性低和健壮性差等诸多问题由此迎刃而解。无线Mesh技术的出现，代表着无线网络技术的又一大跨越，基于mesh 技术的多跳WMN网络正成为目前最具有希望和最具有成长性的技术，已应用在城市因特网的接入、公共安全、应急通信等多种领域。
WMN作为一种可以解决无线接入“最后一公里”瓶颈问题的新的解决方案，特别写入到IEEE802.16无线城域网标准和IEEE802.15系列中。这种结构的最大好处在于：如果最近的AP（AP，Access Point，接入点）由于流量过大而导致拥塞的话，那么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。
WMN网络可以分成两类：一类是ad hoc WMN网络，一类是固定基础设施的WMN 网络。
ad hoc WMN网络通常是由移动客户端设备组成，无须固定基础设施网络，该模式下通信的两个或多个无线客户端形成了一个独立基础服务集，网络中所有客户端设备是对等的，都可参与数据包的转发，ad hoc网络示意图见图1。


图1 ad hoc网络示意图

ad hoc WMN网络适合稀疏连接要求、低带宽、临时性、小范围，具有一定可靠性和灵活性的网络需求，不能为企业、ISP 和公共安全所用，不适合大范围和无线宽带网络用户的需求。
固定基础设施的WMN网络是由节点AP和客户端组成， 节点AP之间的连接是通过无线方式，组成多跳回程模式，其中的一个AP或几个AP连接到有线网络，作为路由出口，如图2所示。 这种模式下的AP通常具有两个无线接口，一个用来完成用户端数据的接入，另一个用来完成用户数据的转发。所有数据的转发都是通过AP完成，客户端设备不参与数据的转发和路由过程。


图2 多跳WMN网络示意图

由于固定基础设施的WMN网络的每个节点具有数据转发能力，这样不必加大功率，可以利用中间的节点绕过障碍物或建筑物，实现覆盖，同时可以增加网络中AP的有线出口，从而增加网络容量，非常适合城区密度大的建筑群的覆盖，以及网络升级扩容。
下面我们主要分析固定基础设施的多跳WMN网络的构建。


       
二、三种组网模式分析
WMN网络通常为多级结构，分为用户层、接入层和传输层。在这种结构中，用户层可以是笔记本电脑、PDA和普通的WIFI手机等终端用户端设备。接入层是负责用户的覆盖，实现与用户的连接，汇聚用户各种业务，由AP来完成。传输层负责将接入层连接到指定网络，实现接入层业务的汇聚，也由AP来完成。
按照AP回程的模式WMN网络的拓扑方式可以分成最基本的三种：多点对多点、点对多点和点对点，通常每个WMN网络都是由几种拓扑模式混合组成。
2.1 多点对多点模式
在多点对多点模式的网络中，每一个AP的收、发信息时均使用相同的信道，所有的AP 接收和回程也使用相同的载频，如图3所示，每个AP采用的信道均是Channel 6。


图3 多点对多点模式

在这种拓扑模式下，由于所有AP的接入和回程均采用相同的载频，当一个AP接收信息或发送信息时，其他的AP均处在等待中，同时，一个AP在同一时间只能接收或者只能发送，不能同时处理收发工作，因此网络的容量比较低，只适合数据业务的应用。
2.2 点对多点模式
在点对多点的模式中，AP 的接入和回程采用不同的载频，其中不同AP的接入可以采用不同的载频，但所有AP 的回程均采用相同的载频，相同的信道。如图4所示，AP使用的接入信道可以是Channel 1、6、11，而回程信道只有Channel 148。


图4 点对多点模式

在这种拓扑模式下，当AP接收客户信息时，它可以同时发送信息，这样所有AP的接入可以采用不同的信道，避免了争抢信道，增大了网络的容量，但由于所有AP的回程均采用相同的信道，因此当所有AP需要回程传输时，需要竞争、等待。这样的网络模式适合低容量的网络应用，不适合实时性要求较高的语音、视频业务。


       
2.3 点对点模式
该模式所有AP的接入均采用不同的接入信道，所有AP的回程也采用不同的回程信道，这样就避免了AP传输信息时所有信道的争抢，减小了数据时延、提高了网络的容量，适用于高性能、实时性要求高、可扩展性强的网络。如图5所示，不同AP所使用的接入信道和回程信道均不同。接入信道可选择Channel 1，6，11，回程信道可选择Channel 53，61，148，153，161。


图5 点对点模式

工作在点对点模式的AP通常由3个以上的射频单元组成，一个模块用于接入层，通常采用802.11b/g/n 协议，2-4个模块用于的回程传输，采用pre-Wimax或Wimax 协议。由于回程采用了多个射频模块，因此极大的提高了网络容量，另一方面再增加有线出口点，可以将网络带宽提高到上百兆。
2.4 综合拓扑网络构建
在规划一个大型城市无线网络时，需要采用分层设计的方法。如图6所示，WMN网络分三3层，第一层是连接到有线网络的 super zone ，组成super zone的AP通常是由3-4射频模块的AP组成；第二层是由与super zone中AP相连接的AP组成，这类AP通常由2-3射频模块的AP组成，称作zone；第三层是最末端，称作cluster，由单模块的AP组成。


图6 多级-多跳WMN网络

多点对多点模式通常作为网络的最末端cluster， cluster 区域里所有的AP工作在2.4G的频段 ，每个AP之间都通过相同的信道进行通信。这种模式的网络成本最低，适合仅有数据需求的业务，如仅对连接性有要求的移动网络，用于数据传输率非常低的大型传感器网络和抄表网络。
第二层zone的回程拓扑模式为点到多点，zone中的AP通过点对多点方式与几个cluster 进行连接，zone区域中的用户由于不需要与回程共享2.4G，因此可以提供比cluster高的带宽的流量，但仍不适合对实时性要求高的业务。
最高层super zone的回程拓扑模式采用的是点对点，即super zone中的AP通过点对点方式与zone中的AP进行通信。这样可以保证每个回程链路工作在最大带宽25-30Mbps，不需要共享，因此时延最小，可以为用户提供高速数据业务和实时性要求高的业务，如语音和视频业务。
WMN网络的分层设计，可以充分、合理利用已有的网络资源，使系统达到总吞吐量的最大化、总传输功率的最小化、服务质量（QoS）的最优化。这种网络具有迅速按需形成固定或移动拓扑结构的能力，并且其多跳传输机制也能保证Mesh在不方便采用传统光纤等有线方式布网或有线布网成本过高的场合得以低成本的应用。同时这种网络可以极大地节约成本，按照用户业务需求分布进行网络规划，如图7所示。图中的商业区部分采用点对点拓扑模式，高收入小区部分采用点对多点模式，人口稀少和低收入小区则可采用多点对多点拓扑方式。


图7 不同业务需求的覆盖规划


       
三、WMN网络的优势
与传统的无线网络相比，WMN网络具有如下优势：
（1）网络覆盖范围增大，频谱利用率提高，系统容量增加。由于每跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。比如在高密度的城市网络环境中，无线Mesh网络能够减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰，大大提高信道的利用效率。
（2）网络的自愈能力强。无线Mesh网络结构特有的多路由选择特性提高了网络的柔韧性和可用性，当某条路径出现错误或故障时，可以选择其它的路径。
（3）Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在无线Mesh网络中，每个设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而有效地避免了节点的通信拥塞。
（4）网络具有可伸缩性，易扩容，组网方式非常灵活、成本低。
四、总结
构建多跳的无线Mesh网络，需要根据具体的业务需求，选择不同的组网模式。多点对多点模式适合小区域的低速数据业务，点对多点模式适合数据和部分语音业务，而点对点的模式具有低时延和低抖动的优势，适合实时性要求比较高的业务，如多媒体业务。只有采取有效的组网模式和网络管理技术，才能在复杂多变的无线网络环境下，为用户提供更好的业务服务质量。