無線Mesh網絡組網模式構建分析

李莉

【摘要】 無線Mesh網絡是一種新型的寬帶無線網絡結構，能夠更加靈活地實現最后一公里的寬帶接入，在多種行業和領域有著廣闊的應用空間，擁有良好的市場需求。詳細闡述了無線Mesh網絡的三種不同組網模式的特點，并利用分層的方式對城市的大型無線網絡進行規劃設計的方法。

【關鍵詞】 無線 MESH 多跳 分層

一、引言

無線MESH網絡（WMN，Wireless Mesh Network，又稱無線網狀網），是一種新型的寬帶無線網絡結構，是一種高容量、高速率的分布式網絡，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，代表著無線網絡技術的又一大跨越，基于mesh 技術的多跳WMN網絡正成為目前最具有希望和最具有成長性的技術，已應用在城市因特網的接入、公共安全、應急通信等多種領域。

WMN作為一種可以解決無線接入“最后一公里”瓶頸問題的新的解決方案，特別寫入到IEEE802.16無線城域網標準和IEEE802.15系列中。這種結構的最大好處在于：如果最近的AP（AP，Access Point，接入點）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。

WMN網絡可以分成兩類：一類是ad hoc WMN網絡，一類是固定基礎設施的WMN 網絡。

ad hoc WMN網絡通常是由移動客戶端設備組成，無須固定基礎設施網絡，該模式下通信的兩個或多個無線客戶端形成了一個獨立基礎服務集，網絡中所有客戶端設備是對等的，都可參與數據包的轉發，ad hoc網絡示意圖見圖1。

ad hoc WMN網絡適合稀疏連接要求、低帶寬、臨時性、小范圍，具有一定可靠性和靈活性的網絡需求，不能為企業、ISP 和公共安全所用，不適合大范圍和無線寬帶網絡用戶的需求。

固定基礎設施的WMN 網絡是由節點AP和客戶端組成， 節點AP之間的連接是通過無線方式，組成多跳回程模式，其中的一個AP或幾個AP連接到有線網絡，作為路由出口，如圖2所示。 這種模式下的AP通常具有兩個無線接口，一個用來完成用戶端數據的接入，另一個用來完成用戶數據的轉發。所有數據的轉發都是通過AP完成，客戶端設備不參與數據的轉發和路由過程。

由于固定基礎設施的WMN網絡的每個節點具有數據轉發能力，這樣不必加大功率，可以利用中間的節點繞過障礙物或建筑物，實現覆蓋，同時可以增加網絡中AP的有線出口，從而增加網絡容量，非常適合城區密度大的建筑群的覆蓋，以及網絡升級擴容。

下面我們主要分析固定基礎設施的多跳WMN網絡的構建。

二、三種組網模式分析

WMN網絡通常為多級結構，分為用戶層、接入層和傳輸層。在這種結構中，用戶層可以是筆記本電腦、PDA和普通的WIFI手機等終端用戶端設備。接入層是負責用戶的覆蓋，實現與用戶的連接，匯聚用戶各種業務，由AP來完成。傳輸層負責將接入層連接到指定網絡，實現接入層業務的匯聚，也由AP來完成。

按照AP回程的模式WMN網絡的拓撲方式可以分成最基本的三種：多點對多點、點對多點和點對點，通常每個WMN網絡都是由幾種拓撲模式混合組成。

2.1 多點對多點模式

在多點對多點模式的網絡中，每一個AP的收、發信息時均使用相同的信道，所有的AP 接收和回程也使用相同的載頻，如圖3所示，每個AP采用的信道均是Channel 6。

在這種拓撲模式下，由于所有AP的接入和回程均采用相同的載頻，當一個AP接收信息或發送信息時，其他的AP均處在等待中，同時，一個AP在同一時間只能接收或者只能發送，不能同時處理收發工作，因此網絡的容量比較低，只適合數據業務的應用。

2.2 點對多點模式

在點對多點的模式中，AP 的接入和回程采用不同的載頻，其中不同AP的接入可以采用不同的載頻，但所有AP 的回程均采用相同的載頻，相同的信道。如圖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。

在這種拓撲模式下，當AP接收客戶信息時，它可以同時發送信息，這樣所有AP的接入可以采用不同的信道，避免了爭搶信道，增大了網絡的容量，但由于所有AP的回程均采用相同的信道，因此當所有AP需要回程傳輸時，需要競爭、等待。這樣的網絡模式適合低容量的網絡應用，不適合實時性要求較高的語音、視頻業務。

2.3 點對點模式

該模式所有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，這樣就避免了AP傳輸信息時所有信道的爭搶，減小了數據時延、提高了網絡的容量，適用于高性能、實時性要求高、可擴展性強的網絡。如圖5所示，不同AP所使用的接入信道和回程信道均不同。接入信道可選擇Channel 1，6，11，回程信道可選擇Channel 53，61，148，153，161。

工作在點對點模式的AP通常由3個以上的射頻單元組成，一個模塊用于接入層，通常采用802.11b/g/n 協議，2-4個模塊用于的回程傳輸，采用pre-Wimax或Wimax 協議。由于回程采用了多個射頻模塊，因此極大的提高了網絡容量，另一方面再增加有線出口點，可以將網絡帶寬提高到上百兆。

2.4 綜合拓撲網絡構建

在規劃一個大型城市無線網絡時，需要采用分層設計的方法。如圖6所示，WMN網絡分三3層，第一層是連接到有線網絡的 super zone ，組成super zone的AP通常是由3-4射頻模塊的AP組成；第二層是由與super zone中AP相連接的AP組成，這類AP通常由2-3射頻模塊的AP組成，稱作zone；第三層是最末端，稱作cluster，由單模塊的AP組成。

多點對多點模式通常作為網絡的最末端cluster， cluster 區域里所有的AP工作在2.4G的頻段 ，每個AP之間都通過相同的信道進行通信。這種模式的網絡成本最低，適合僅有數據需求的業務，如僅對連接性有要求的移動網絡，用于數據傳輸率非常低的大型傳感器網絡和抄表網絡。

第二層zone的回程拓撲模式為點到多點，zone中的AP通過點對多點方式與幾個cluster 進行連接，zone區域中的用戶由于不需要與回程共享2.4G，因此可以提供比cluster高的帶寬的流量，但仍不適合對實時性要求高的業務。

最高層super zone的回程拓撲模式采用的是點對點，即super zone中的AP通過點對點方式與zone中的AP進行通信。這樣可以保證每個回程鏈路工作在最大帶寬25-30Mbps，不需要共享，因此時延最小，可以為用戶提供高速數據業務和實時性要求高的業務，如語音和視頻業務。

WMN網絡的分層設計，可以充分、合理利用已有的網絡資源，使系統達到總吞吐量的最大化、總傳輸功率的最小化、服務質量（QoS）的最優化。這種網絡具有迅速按需形成固定或移動拓撲結構的能力，并且其多跳傳輸機制也能保證Mesh在不方便采用傳統光纖等有線方式布網或有線布網成本過高的場合得以低成本的應用。同時這種網絡可以極大地節約成本，按照用戶業務需求分布進行網絡規劃，如圖7所示。圖中的商業區部分采用點對點拓撲模式，高收入小區部分采用點對多點模式，人口稀少和低收入小區則可采用多點對多點拓撲方式。

三、WMN網絡的優勢

與傳統的無線網絡相比，WMN網絡具有如下優勢：

（1）網絡覆蓋范圍增大，頻譜利用率提高，系統容量增加。由于每跳的傳輸距離短，傳輸數據所需要的功率也較小。多跳網絡通常使用較低功率將數據傳輸到鄰近的節點，節點之間的無線信號干擾較小，網絡的信道質量和信道利用效率大大提高，因而能夠實現更高的網絡容量。比如在高密度的城市網絡環境中，無線Mesh網絡能夠減少使用無線網絡的相鄰用戶的相互干擾，大大提高信道的利用效率。

（2）網絡的自愈能力強。無線Mesh網絡結構特有的多路由選擇特性提高了網絡的柔韌性和可用性，當某條路徑出現錯誤或故障時，可以選擇其它的路徑。

（3）Mesh網絡還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能。在無線Mesh網絡中，每個設備都有多個傳輸路徑可用，網絡可以根據每個節點的通信負載情況動態地分配通信路由，從而有效地避免了節點的通信擁塞。

（4）網絡具有可伸縮性，易擴容，組網方式非常靈活、成本低。

四、總結

構建多跳的無線Mesh網絡，需要根據具體的業務需求，選擇不同的組網模式。多點對多點模式適合小區域的低速數據業務，點對多點模式適合數據和部分語音業務，而點對點的模式具有低時延和低抖動的優勢，適合實時性要求比較高的業務，如多媒體業務。只有采取有效的組網模式和網絡管理技術，才能在復雜多變的無線網絡環境下，為用戶提供更好的業務服務質量。