提升無線網絡管理能力的Ｍｅａｓｈ技術

本刊編輯部

網絡服務的最終是要滿足用戶需求,這也是城市網絡建設時,最需要考慮的問題。全球各地無線城市的建設,最好是從社會各角落需求考慮,充分滿足社會各層次用戶的需求。

Mesh網絡的建立能夠為使城市走向自動化的智能儀表數據讀取的公共事業服務。但是,這種網絡可以開辟其他新的應用,為其他政府工作人員提供幫助。除此以外,城市Mesh網絡最大的好處就是為市民提供無線接入服務。

Mesh技術介紹

無線Mesh網絡是基于IP協議的無線寬帶接入技術,它融合了WLAN和Adhoc網絡的優勢,支持多點對多點的網狀結構,具有自組網、自修復、多跳級聯、節點自我管理等智能優勢以及移動寬帶、無線定位等特點,是一種大容量、高速率、覆蓋范圍廣的網絡,成為寬帶接入的一種有效手段。從某種意義上講,Mesh網絡更主要的是一種網絡架構思想,主要功能體現在無中心、自組網、多級跳接和路由判斷選擇等。

無線Mesh網絡的基本原理

使用WMN技術構建的網絡,其拓撲結構呈網格狀。在WMN中包括兩種類型的節點:無線Mesh路由和無線Mesh終端用戶,其網絡主干由呈網狀分布的路由器連接而成。

WMN有兩種典型的實現模式:基礎設施Mesh模式和終端用戶Mesh模式。在基礎設施Mesh模式中,在Internet接入點(IAP)和終端用戶之間可形成無線回路。IAP通過路由選擇及管理控制等功能,為移動終端選擇與目的節點通信的最佳路徑。同時,移動終端通過IAP可與其他網絡連接,提高網絡自身的兼容性。

在終端用戶Mesh模式中,終端用戶通過無線信道連接形成一個點到點的網絡,在不需要其他基礎設施的條件下可獨立運行。終端用戶兼具主機和路由器的角色:一方面,節點作為主機運行相關的應用程序;另一方面,節點作為路由器運行相關的路由協議,參與路由發現、路由維護等操作。

WMN與移動Ad Hoc網絡的區別主要表現在兩方面:一是組網方式不同。移動Ad Hoc網絡是扁平結構,而WMN是分層和等級結構,在每層內部形成多個小Ad Hoc網絡,不同層之間通過無線互連起來,做到集中控制管理和自由動態組網有機結合;二是解決的問題不同。移動Ad Hoc網絡設計的目的是為了實現用戶移動設備之間的對等通信,如在突發情況下快速布置網絡,而WMN看重的是為用戶終端提供無線接入,如與3G、WiMAX的用戶進行無線寬帶接入。

無線Mesh網絡的特性

1.自組織

網絡節點和授權最終用戶可即時加入網絡,擴展網絡覆蓋范圍,并可連接至所有其他節點。

2.自愈

如果網絡中的某臺設備發生故障或從其拓撲位置上拆卸,網絡會自動適應這種改變。即使發端與對端之間的連接涉及多臺中繼設備,網絡也會找到從發端到對端的新的路由。

3.多跳式

每個網絡節點和用戶端設備(無線通信單元)均能轉發和路由發送至另一個對端的數據包,能選擇并確定一個從發端到對端的最佳路由。

4.點對點網絡

自組織網絡通常由平等的網元構成,只要發端和對端的距離足夠近,就能直接連接發端和對端,而不必通過中央管理節點。

Mesh技術的優點

如果最近的AP由于流量過大而導致擁塞的話,那么數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推,數據包還可以根據網絡的情況,繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸,直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方式就是多跳訪問。

Mesh網絡是一種新型的無線網絡架構,它的核心指導思想是讓網絡中的每個節點都可以發送和接收信號,傳統的WLAN一直存在的可伸縮性低和健壯性差等諸多問題由此迎刃而解,無線Mesh技術的出現,代表無線網絡技術的又一大跨越,有極為廣闊的應用前景。

無線Mesh是一種非常適合于覆蓋大面積開放區城的無線區域網絡解決方案。

無線Mesh網絡關鍵技術

1.正交分割多址接入QDMA技術

QDMA技術是專門為廣域范圍內通信的最優化以及移動網格網系統設計的。它起源于軍事領域,是為了在特殊環境或緊急狀況下提供可靠的通信方式。QDMA技術使用直接序列擴頻(DSSS)調制技術,工作在2.4GHz的ISM頻段上。由于它在MAC子層使用多信道方式:3個數據信道和1個控制信道,因此,與單個信道相比更能適用于高密度的WMN終端設備。QDMA技術提供一個高性能的射頻前端,這種前端含有類似于多抽頭Rake接收機(一般用于蜂窩網絡)的功能和一種克服射頻環境快速變化的公平算法。

QDMA可在較廣的移動通信范圍內提供較強的糾錯能力,同時增強的抗干擾能力和信號的靈敏度可使基于QDMA技術的通信網絡提供達到250mph的移動速度,而在實際多址環境應用中的IEEE802.11協議只能達到20mph。目前QDMA數據傳輸的范圍達到1600m,而802.11b只有20~50m。除了通信的范圍和速率外,QDMA更獨特的是內置的定位技術能夠對通信設備進行精確定位而不依賴于全球定位系統(GPS),誤差不超過10m。

2.隱藏終端問題處理技術

由于WMN采用無線傳輸媒質,因此它與其他無線傳輸網一樣,不可避免地存在隱藏終端和暴露終端問題。由于無線媒質的特殊性,隱藏終端問題都可能發生,都會導致信號碰撞的發生。目前可通過IEEE802.11中的RTS/CTS協議(請求發送/允許發送協議)來避免,但并不能完全解決隱藏終端和暴露終端問題。

盡管通過握手機制可以減少隱藏終端問題中沖突的概率和時間,但仍存在節點之間控制報文的沖突,而且不能解決暴露終端問題。事實上,WMN可看作簡化的Ad Hoc網絡,因此可根據Ad Hoc網絡中的一些已有的成熟的方案來解決隱藏終端和暴露終端問題。

3.路由技術

WMN的多跳無線網具有動態拓撲的特點,因此對它的路由協議就存在很多要求。WMN的路由協議可以參考Ad Hoc網絡現有的一些路由協議。Ad Hoc網絡的路由協議大致可以分為先驗式(Proactive)路由協議、反應式(Reactive)路由協議以及混合式路由協議。 目前幾種典型的路由算法有:DSDV(目的序列距離矢量路由協議)、DSR(動態源路由協議)、TORA(臨時按序路由算法)和AODV(Ad Hoc按需距離矢量路由協議)。

4.正交頻分復用OFDM技術

WMN物理層可以采用正交頻分復用OFDM技術。OFDM技術是將高速的數據流通過串/并變換,分配到傳輸速率相對較低的若干個正交子信道中,在每個子信道上進行窄帶調制和傳輸,這樣減少了子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬,因此每個子信道上的頻率選擇性衰落是平坦的,大大消除了符號間干擾。所采用的數字信息調制有時間差分移相健控(TDPSK)和頻率差分移相鍵控(FDPSK),以快速傅里葉變換(IFFT和FFT)算法實施數字信息調制和解調功能。

由于無線信道的頻率選擇性,所有的子信道不會同時處于深的衰落中,因此可以通過動態比特分配以及動態子信道分配的方法,利用信噪比高的子信道提升系統性能。由于窄帶干擾只能影響一小部分子載波,因此OFDM系統在某種程度上能抵抗這種干擾。OFDM結合分集、時空編碼、干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術,最大程度提高系統性能,使WMN性能得到進一步優化。

無線Mesh網絡可擴展性相關技術

1.Mesh基站可擴展技術

根據無線Mesh基站的特點,其可擴展性相關技術主要包括信道分配技術、智能路由技術以及多天線技術等幾個方面。

(1)信道分配技術:由于無線Mesh基站承擔著骨干節點的作用,因此其采用多信道的方式進行傳輸幾乎是必不可少的。在實際的系統中,無線Mesh基站一般是多模的,即可以在多種空中接口(如IEEE 802.11a/b/g等)上傳輸,這樣才能滿足實際傳輸的需要。

(2)智能路由技術:智能路由技術是無線多網絡的核心技術,路由算法直接影響到整個無線Mesh網絡的性能。經過多年的發展,針對Ad Hoc網絡的路由協議的研究已經有了很多實用的成果,也涌現了很多經典的路由算法,主要可以分為先驗式、反應式以及混和式路由協議。

(3)多天線技術:多天線技術的作用主要在于提高無線Mesh網絡的容量、改善網絡路由性能、優化網絡能量消耗、協助進行節點定位以及提高用戶的QoS保障能力等。另外,由于多天線技術的應用可以提高容量以及增加覆蓋范圍,因此也可以極大地改善無線Mesh網絡的可擴展性。

2.Mesh移動臺可擴展技術

Mesh移動臺的可擴展性涉及的主要技術有:信道分配技術、節點分類和QoS分級技術、協作傳輸技術等。

(1)信道分配技術:為了提高多跳網絡的性能,未來的無線Mesh網絡中的移動臺也可以是多模的,如配置IEEE 802.11b/g等等。IEEE802.11b/g在2.4GHz到2.4835 GHz上有3個不重疊的信道。這樣,Mesh移動臺也可以采用不同的空中接口或者運行在不同的信道上,用于與Mesh基站之間的互聯互通。

(2)節點分類和QoS分級技術:QoS分級的方法以改善無線Mesh網絡的可擴展性。對于不同的QoS業務,設定不同的下一個可接入時段長度以及需要等待的時間。通過QoS分級方法以及設定沖突指示,可以改善密集Mesh網絡的可擴展性問題。

(3)協作傳輸技術:與Mesh基站不同,在Mesh移動臺端很難配置多個天線。即使可能配備兩個天線,也往往共用一個射頻模塊,通過發射天線選擇來取得有限的空間分集增益。但是,多個Mesh移動臺可以采用協作傳輸技術來取得更大的分集增益。

無線Mesh網絡所面臨的挑戰

1.互操作性

目前影響無線Mesh技術迅速普及的一個重要障礙就是互操作性。正如任何一種新興的網絡技術剛出現時一樣,無線Mesh網絡現在還沒有一個統一的技術標準,用戶現在要么就只能使用某一個廠商的無線Mesh產品,要么面臨如何與各種不同類型的嵌入式無線設備接口的問題。

鑒于此,目前一些公司正在開發能夠適應不同無線環境的可配置的無線網絡設備,互操作性有望得到一定程度的解決。但要想徹底解決互操作性問題,最終還需要業界制定統一的無線Mesh技術標準。

2.通信延遲

既然在Mesh網絡中數據通過中間節點進行多跳轉發,每一跳至少都會帶來一些延遲,隨著無線Mesh網絡規模的擴大,跳接越多,積累的總延遲就會越大。一些對通信延遲要求高的應用,如話音或流媒體應用等,可能面臨無法接受的延遲過長的問題。

目前解決這一問題主要是通過增加Mesh節點以及合適的網絡協議。隨著多無線Mesh節點技術的出現這一問題將得到最終解決。

3.安全問題

與WLAN的單跳機制相比,無線Mesh網絡的多跳機制決定了用戶通信要經過更多的節點。而數據通信經過的節點越多,安全問題就越變得不容忽視。Internet本身即是使用Mesh方式進行通信的典型,它的安全隱患是眾所周知的。

盡管有線網絡中使用的各種端到端安全技術,如虛擬專用網(VPN)同樣可以用來解決無線Mesh的安全問題。但正如Internet一樣,無線Mesh網絡的安全是一個不容忽視的問題。

Mesh技術最適合的八個熱點應用

家庭:移動通信的需求

企業:點到多點傳輸數據的需求

學校:多點布網的需求

醫院:醫療實踐的需要

旅游:休閑場所,解決游客的無聊

公共安全、應急反應、快速部署和臨時安裝

戰爭及緊急狀態的需求

工礦企業的生產需要