探讨宽带无线Mesh网络的关键技术与应用

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　　摘要: 无线Mesh网络作为一种新的网络结构,正在成为下一代无线接入研究中的一个热点。本文结合无线Mesh 网络的特点，对其关健技术与应用进行了探讨。
　　关键词： 无线Mesh网络特点关键技术 应用
　　
　　一．引 言
　　无线Mesh 网络作为一种具有新型多跳拓扑结构的无线网络,其最重要的设计目标之一是在不牺牲当前信道容量的情况下,扩展网络的覆盖范围。因此,如何考虑不同业务汇聚模式下通过空间复用来抵消中继转发对容量的损失,是配置一个无线Mesh 网络首先要解决的容量机制研究问题,也是贯穿无线Mesh关键机制研究的核心研究点。本文结合无线Mesh网络的特点，对其关健技术与应用进行了探讨。
　　
　　二．Mesh网络的特点
　　与传统的WLAN相比，无线Mesh网络具有几个无可比拟的特点：
　　(1)快速部署和易于安装。安装Mesh节点非常简单，将设备从包装盒里取出来，接上电源就行了。用户可以很容易增加新的节点来扩大无线网络的覆盖范围和网络容量。Mesh的设计目标就是将有线设备和有线AP的数量降至最低，因此大大降低了总拥有成本和安装时间，仅这一点带来的成本节省就是非常可观的。无线Mesh网络的配置和其他网管功能与传统的WLAN相同，用户使用WLAN的经验可以很容易应用到Mesh网络上。
　　(2)非视距传输(NLOS)。利用无线Mesh技术可以很容易实现NLOS配置，因此在室外和公共场所有着广泛的应用前景。与发射台有直接视距的用户先接收无线信号，然后再将接收到的信号转发给非直接视距的用户。按照这种方式，信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳转到另一个用户，并最终到达无直接视距的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的邻近用户提供了无线宽带访问功能。无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。
　　(3)健壮性。实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发生故障，信息由其他路由器通过备用路径传送。Mesh网络比单跳网络更加健壮，因为它不依赖于某一个单一节点的性能。在单跳网络中，如果某一个节点出现故障，整个网络也就随之瘫痪。而在Mesh网络结构中，由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰，数据包将自动路由到备用路径继续进行传输，整个网络的运行不会受到影响。
　　(4)结构灵活。在单跳网络中，设备必须共享AP。如果几个设备要同时访问网络，就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中，设备可以通过不同的节点同时连接到网络，因此不会导致系统性能的降低。Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。
　　(5)高带宽。无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法，而这正是Mesh网络的优势所在。在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。
　　
　　三．无线Mesh网络关键技术
　　（1）MAC协议。无线Mesh网络的MAC层协议需要根据无线Mesh网络的特性作相应的改动。尽管存在一个集中实体（网关），但网关将不可能协调几跳之外的节点的MAC层。有大量为MANETs设计的MAC协议，它们之中很多都能够在无线Mesh网络中工作得相当好。特别是MACAW，（802.11中标准化的RTS/CTS option），在避免隐藏节点问题的影响方面非常有效。无线Mesh MAC中的一个重要问题是如何高效利用多个物理信道。可能涉及的问题包括：信道分配、单信道MAC层、多信道MAC层、智能天线的MAC层。无线Mesh网络MAC协议尚有待研究的问题有：可扩展MAC协议的设计、MAC物理层跨层设计以及MAC层异构网络融合等。
　　（2）路由协议。路由协议是任何网络的一个重要因素，但对无线Mesh网络来说意味着成败的关键，因为无线Mesh网络与其竞争技术相比较的好几个优势都是由路由协议带来的。由于无线Mesh网络中节点分为不同类型（Mobile Router以及Mobile Client）并具有不同的移动性、能量约束及业务模式，所以对路由协议也有相应的不同要求。主要要求包括：可扩展性、可靠性、移动用户连接性、QoS以及高效Mesh基础网络路由。目前出现的WMN路由协议方案，主要有以下类型：多判据路由、多信道路由、多径路由（与多连接相关，可实现负载均衡、路由容错）、分级路由、跨层路由、QoS路由以及基于地理位置信息的路由。目前比较重要的无线Mesh网络路由协议包括：802.11s默认的HWMP协议、802.11s可选的RA-OLSR协议、微软公司研发的MR-LQSR协议、Tropos公司开发的PWRP协议等。有待解决的问题包括：路由协议的可扩展性、更好的性能判据、路由/MAC跨层设计以及高效的mesh路由等。
　　（3）安全性。无线Mesh网络的多跳及自组织特性，也是其在安全性方面的天然缺陷。首先无线链路的应用使得WMN易受从被动偷听到主动破坏的影响；其次，移动单元如果没有充分的物理保护易被捕获、劫持和泄密；第三，WMN中的决策经常是分散的，没有可靠的中心授权在WMN中分发公共密钥；WMN的路由也呈现了另一种脆弱性。WLAN是直接在接入点之上或通过网关的AAA RADIUS（远程鉴权拨入用户服务）来处理的，这样一种集中化的体制不能应用于无线Mesh网络中。需要为无线Mesh网络提出一种具有安全密钥管理的分布式鉴权与授权机制。为进一步保证无线Mesh网络的安全性，需要考虑两种另外的类别：将安全机制嵌入到网络协议中，例如安全路由和MAC协议，或者开发安全监控和反馈系统以检测攻击，监控服务中断，以及对攻击快速反应。
　　（4）移动性支持。无线Mesh网络分为两种类型：基于网络二层的无线Mesh网络和基于网络三层的无线Mesh网络。从TCP/IP的角度来看，基于网络二层的无线网状网是把整个无线Mesh网络当作一个IP子网。这个IP子网是一个完整的广播域。而基于网络三层的无线Mesh网络则允许把整个无线网状网划分为多个IP子网。子网之间的通信是通过IP路由来实现的。基于二层的无线网状网实现起来简单一些，但由于广播域的限制以及管理的方便，当网络覆盖稍大时需要采用基于网络三层的无线网状网。在基于网络二层的无线网状网中，整个无线Mesh网络被当作一个IP子网。从外部IP路由的角度来看，新旧的接入点在同一个目的地，从路由上无须调整，只是网状网内部二层网桥转发信息需要调整，实现起来比较简单。但用纯二层的方法无法将无线网状网铺到稍具规模而不影响网络性能，所以在这种情况下支持基于三层的跨子网漫游是必不可少的。
　　
　　四．Mesh网络的应用
　　随着Mesh网络的进一步发展，它最终可在企业的办公环境中将办公室电话或者手机进行整合。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。
　　（1）家庭。Mesh技术的一个重要用处就是用于建立家庭无线网络。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。

　　（2）企业。目前，企业的无线通信系统大都采用传统的蜂窝电话式无线链路，为用户提供点到点和点到多点传输。无线Mesh网络则不同，它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）学校。校园无线网络与大型企业非常类似，但也有自己的不同特点。一是校园WLAN的规模巨大，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、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。解决这些问题的传统作法是在室内高密度地安装AP，而在室外安装的AP数量则很少。但由于校园网的用户需求变化较大，有可能经常需要增加新的AP或调整AP的部署位置，这会带来很大的成本增加。而使用Mesh方式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。
　　（4）医院。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。
　　（5）旅游休闲场所。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、度假村等。Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。
　　（6）快速部署和临时安装。对于那些需要快速部署或临时安装的地方，如展览会、交易会、灾难救援等，Mesh网络无疑是最经济有效的组网方法。比如，如果需要临时在某个地方开几天会议或办几天展览，使用Mesh技术来组网可以将成本降到最低。
　　
　　五．结 语
　　无线接入技术为用户提供了灵活便捷的接入环境,使用户体验到了无处不在的通信网络。未来的移动通信系统将不再是单一结构的网络,而是多种无线网络的融合。无线Mesh 网络作为一种新的网络结构, 正在成为下一代无线接入研究中的一个热点。
　　
　　参考文献：
　　[1] 傲丹,方旭明,马忠建.无线网格网关键技术及其应用[J].电讯技术,2005 ,45(2):16-22.
　　

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