無線自組網絡的多場景方案及實現

鄧　可，張保和

(北京市信息技術應用研究所，北京 100091)

0　引言

無線自組網絡[1]是一種自組織、自配置的無線網絡，與傳統小區制蜂窩網絡相比，無基站等網絡中心設備，具有成本低、部署靈活等特點[2]。在無線自組織網技術中，無線網狀網絡(Wireless Mesh Networks)已經成為最具發展潛力的組網技術之一[3]，并已在視頻監控等領域進行了實際應用[4]。無線網狀網絡節點由無線Mesh路由器[5]承擔，可組建無線IP分組網絡。Mesh路由器具有射頻傳輸、路由交換和無線接入等多種功能，經過近10年的發展，性能已有長足進步[6]。然而，為適用于遠距離傳輸，Mesh路由器需集成高增益收發設備，成本較高，如大規模部署，將與低成本建網的初衷相違背，勢必影響其應用前景。因此，本文提出了一種混合組網方案，利用無線網橋、大增益板狀天線[7]等設備實現無線長距離城域傳輸，組建骨干網；由Mesh路由器、無線AP等實現接入網；可連接至互聯網，實現本地用戶移動互聯。該種混合組網方案具有以下優勢：① 在滿足用戶需求的前提下，可有效節省成本；② 骨干網無線網橋設備使用ISM頻段[8]，符合頻率管理規則，部署機動快速；③ 使用小型室內Mesh路由器實現接入網WLAN覆蓋，組網靈活簡便，擴展性強。

本文詳細介紹了該種方案的實現方式，構建了實驗系統。利用WIFI接入智能手機等用戶設備進行了實際測試。通過構建上述系統，有利于理解無線網橋的原理和特點，驗證網絡傳輸距離、帶寬等關鍵指標，同時通過對實際業務的測試體驗，摸索此種網絡方案的實際應用場景。

1　總體設計

系統主要由無線網橋、無線Mesh路由器、天線及無線AP等組成，如圖1所示。其中無線網橋可以實現網絡的點對點無線組網，配合大增益盤狀天線，可以實現遠距離傳輸，組成骨干網絡。Mesh路由器負責組建局部無線自組網并接入WiFi終端，無線AP負責接入WiFi終端，形成接入網絡，可接入普通公網手機，承載IP電話、視頻點播等多種業務。終端間通過接入網絡進入骨干網實現信息互聯。

圖1　系統結構示意

系統使用的主要網絡設備為美國UBIQUITI(以下簡稱UBNT)公司研發的無線網橋、Mesh路由器及AP[9]，具體設備型號和配置方式將在下節具體介紹。本文以UBNT網絡設備為例，介紹了此種網絡通用的具體配置方式，其型號設備與此類似。

1.1　部署位置

系統選擇了城市環境內3個制高點進行搭建，如圖所示A、B、C三點。其中，A點與B點之間距離1.1 km，兩點連線間無任何遮擋，B點與C點間距離8.2 km，兩點連線間存在少量建筑物遮擋。A點、C點部署骨干網及接入網設備，其中骨干網設備負責連接B點網絡中繼設備形成骨干網絡并接入用戶數據，接入網設備負責各點局部區域的無線網絡覆蓋及用戶數據接入；B點僅部署骨干網設備，主要負責無線信號的中繼及數據的轉發。各點相對位置、主要功能、部署設備和IP配置情況如圖2所示。

圖2　部署情況說明

1.2　設備配置

設備詳細配置情況如表1所示。設備編號按“設備類別_部署位置”方式進行，如編號為Bridge_A的設備為部署在A點的網橋類設備。

1.2.1網橋配置

網橋類(編號Bridge_X)設備供電均采用以太網供電[10](POE)，工作頻率為5.8 GHz，發射功率26 dBm，IP地址為192.168.1.0/24網段。網橋具有遠程管理地址，使用本地管理PC或筆記本的瀏覽器訪問，輸入密碼即可管理，配置關鍵內容包括無線及網絡配置。無線配置中，每對互連無線網橋的無線模式應分別選擇為接收站(Station，STA)及接入點(Access Point，AP)。網絡配置中，除IP設置外，網絡模式選擇為“網橋”，該設備可上電后，可自動。

表1主要設備詳細配置表

設備編號型號工作頻段/GHz發射功率/增益無線模式網絡模式IP地址/掩碼Bridge_APowerBeamM5 4005.826 dBmAP橋接192.168.1.110/24Bridge_B1PowerBeamM5 4005.826 dBmSTA橋接192.168.1.111/24Bridge_B2Rocket M55.827dBmAP橋接192.168.1.100/24Bridge_CRocket M55.827dBmSTA橋接192.168.1.101/24MAP_A1(A2, A3省略)UniFiAP-AC-Mesh2.4/5.8(Auto)Auto自動DHCP192.168.100.0/24 (DHCP)AP_C2.4AutoWLAN AP橋接192.168.1.21Antenna_B5.034 dBi——Antenna_C5.034 dBi——

1.2.2無線AP配置

無線AP類(編號MAP_X、AP_X)設備同樣采用POE供電，MAP是具備Mesh自組網功能的無線Mesh路由器，基于認知無線電技術[11]，其回傳鏈路(用于MAP互聯)和接入鏈路(用于終端接入MAP)可自動從2.4 GHz及5.8 GHz兩個頻段內自動選擇質量較好的信道。AP為普通無線接入點，僅支持2.4 GHz，可進行信道自動選擇。發射功率根據無線環境自動調節，IP地址均使用192.168.100.0/24網段，IP地址由互聯網側路由器自動分配。AP均未開啟遠程訪問，采用本地管理方式，使用PC或筆記本電腦直接連接設備并登錄管理界面。MAP通過自組織技術進行可自動配對，僅需將待配對設備放置在一起并上電，5 min左右即可完成配對。

1.2.3其他配置

由于B、C兩點相距8 km左右，因此使用了大增益波束天線(Antenna_X)，最大增益34 dBi。系統中使用3臺交換機，均不具備配置功能。管理終端包括PC機及筆記本電腦，未進行設備管理及系統測試，分別配置了192.168.1.0/24及192.168.100.0/24兩個網段的地址。

1.3　網絡連接

1.3.1骨干網

A點網橋Bridge_A使用以太網線(圖3中空心圓線表示)與POE模塊POE口連接進行供電和數據傳輸，POE模塊負責將220 V交流電轉換為POE直流供電。A點網安裝位置為樓頂；POE模塊及交換機Switch_A1位于樓內配線間，POE模塊LAN口與Switch_A1相連，進行數據傳輸，Switch_A1連接了互聯網側路由器、網橋及辦公區交換機Switch_A2。

B點網橋Bridge_B1與A點Bridge_A使用無線鏈路連接，網橋Bridge_B2使用饋線連接天線后與C點網橋連接。兩網橋POE模塊LAN口直連進行數據傳輸。

C點天線接收數據后通過饋線傳輸至網橋Bridge_C，其POE模塊LAN口與交換機Switch_C連接。

1.3.2接入網

A點接入網使用了3臺Mesh AP，三者間使用無線連接，每臺設備部署于樓內不同位置，接入不同用戶終端。其中MAP_A1的POE模塊LAN口與交換機Switch_A2連接，并通過Switch_A1接入互聯網，管理PC連接Switch_A2，可對整個網絡進行管理。

C點AP的POE模塊LAN口與Switch_C進行連接，通過骨干網無線鏈路接入互聯網。管理筆記本可連接至Switch_C對AP_C及其他網絡設備進行管理。

圖3　設備網絡連接

2　系統實現

2.1　設備連接

為驗證網絡無線連接情況，進入網絡中繼點B點網橋Bridge_B2管理頁面(https：∥192.168.1.100)，使用設備發現工具，測試結果如表2所示。可以看到，列表中顯示了網絡中連接的設備，列表中包含了2對網橋和C點的AP。由于A點MAP與上述設備不使用一套后臺管理系統，故不能看到，使用其專用管理后臺可以看到3臺MAP已經相互連接，如表3所示。

2.2　運行參數

通過后臺可以看到全部網絡設備的運行參數，Bridge_B1及Bridge_B2運行參數如表4所示。具體參數包括設備信號強度，收發信號強度、距離、IP地址和傳輸速率等信息。Bridge_B1為A點至B點鏈路的一端節點(接收站模式)，從其參數可以看出，傳輸距離1 km左右時，接收電平為-48 dBm，鏈路連接質量[12](CCQ)接近1，表明當前鏈路質量極好。Bridge_B2為B點到C點鏈路的一端節點(接入點模式)，其接收電平為-85 dBm，CCQ值接為0.87，鏈路質量略低。

表2骨干網(含AP_C)設備連接列表

設備名稱模式SSID產品固件IP地址AP_CAPCPicoStation M2v5.5.8192.168.1.21Bridge_CSTAubnt110PowerBeam M5 400v5.6.2192.168.1.111Bridge_B2APubnt110PowerBeam M5 400v5.6.2192.168.1.110Bridge_B1STAubnt100Rocket M5v5.6.11192.168.1.101Bridge_AAPubnt100Rocket M5v5.6.11192.168.1.100

表3骨干網(含AP_C)設備連接列表

IP地址狀態型號客戶端192.168.100.30CONNECTED (100 FDX)UniFi AP-AC-Mesh1192.168.100.34CONNECTED (WIRELESS)UniFi AP-AC-Mesh0192.168.100.33CONNECTED (WIRELESS)UniFi AP-AC-Mesh0

表4無線網橋設備參數監控列表

Bridge_B1參數(A點至B點鏈路)設備名稱Bridge_B1產品PowerBeam M5 400固件XW.ar934x.v5.6.2.27989.150716.1149已連接時間7天 04:09:32RX信號-48 dBmTX信號-49 dBm噪聲值-106 dBm距離0.9 km(測量有誤差)CCQ99%Bridge_B2參數(B點至C點鏈路)設備名稱Bridge_B2產品Rocket M5固件XW.ar934x.v5.6.11.29745.160930.1526已連接時間00:24:47RX信號-85 dBmTX信號-84 dBm噪聲值-104 dBm距離10.2 km(測量有誤差)CCQ87%

2.3　系統測試

2.3.1鏈路ping測試

在A點使用管理PC機分別對B點和C點網橋進行300次ping工具測試，測試結果如圖4所示。

圖4　鏈路ping測試結果

根據以上結果可以看到，A點至B點ping數據包平均時延較短(1 ms)，A點至C點平均時延較長(22 ms)。兩者差異原因主要在于傳輸距離及建筑物遮擋情況不同：A點至B點傳輸距離較短(1 km)且基本無遮擋；A點至C點需經B點中繼，而B點至C點距離較長(8.2 km)且存在一定遮擋(高樓)。

盡管平均時延存在差異，但可以看到A點至C點丟包數為0，說明無線鏈路傳輸比較穩定。

2.3.2鏈路網速測試

使用專用測試工具的網速測試結果如圖5所示。A點至B點帶寬較寬，達到180 Mbps；A點至C點帶寬較低，為0.83 Mbps。以上帶寬測試結果與ping測試時延結果吻合。

圖5　鏈路網速測試結果

4　結束語

通過觀察系統的運行情況，并進行相關測試后可以看到，系統實現了城區內中長距離(10 km)多個制高點上自組網橋的無線鏈路連接和數據傳輸，同時利用Mesh AP構建了室內自組無線局域網絡。然而，系統還存在遮擋及傳輸距離較長時實驗系統網絡帶寬較低的不足，今后應采取措施，如通過提高天線高度、設備發射功率等方式，進一步提升系統帶寬。同時，針對無線自組網的安全性問題[13]，進行進一步的設計、改進及實現。