无线MESH概念及基本专业技术.docx
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无线MESH概念及基本专业技术
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无线Mesh网络
概念及基本技术
admin
2011/11/29
无线Mesh网络是一种新型的无线宽带接入网络，它融合了无线局域网和Adhoc网络的优势，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，成为无线宽带接入的一种有效手段。
文章简要介绍无线Mesh网络的概念和系统特性，并阐述基本技术等。
1、引言
无线网状网（WMN）是近年被高度重视和快速发展的新型网络技术，支持宽带高速多媒体业务服务。
随着未来无线分布技术和无线分布网络的发展，无线Mesh技术和网络将会成为无线移动通信的基本网络技术和网络结构，渗透到各种无线网络中，发挥更大作用。
无线Mesh网络（WMN）技术曾是一项军事技术，战场上的移动网络需要很高的数据速率、很低的被检出概率和防止人为干扰的能力，而Mesh技术就具备了这些能力。
随着人们对802.11a、802.11b和802.11g等局域网（LAN）技术了解的深入，Mesh技术才逐步成为企业界和消费者瞩目的焦点，并沿着不同的分支演进。
目前，业界讨论最多的“无线网状网”技术是一种灵活的广域无线局域网（WLAN）解决方案，它突破了Wi-Fi技术对每个接入点的有线连接要求，将多个接入点通过无线方式连接在一起，无需进行布线就可形成一个无线网络或“热区”，从而在室内和室外提供宽广的无线覆盖。
目前，许多知名厂商（如摩托罗拉、思科、Strix、Tropos等）都已经有成熟产品问世，促进各个行业组织制订标准，以推进网状网技术的可操作性。
而基于Mesh技术的无线网络集成了健壮的安全性和全面的可管理性，可提供移动宽带和灵活的自组网通信，并拥有对局部区域可靠和安全的覆盖能力，已成为符合国际电联（ITU）公众保护及救灾（PPDR）业务要求的一项优秀解决方案。
Mesh网络不仅有助于改善城市信息化的使用环境，而且对提升城市的综合服务能力也有十分明显的作用。
2、无线Mesh网络的概念
无线Mesh网络是基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Adhoc网络的优势，支持多点对多点的网状结构，具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位等特点，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的一种有效手段。
从某种意义上讲，Mesh网络更主要的是一种网络架构思想，主要功能体现在无中心、自组网、多级跳接和路由判断选择等。
无线Mesh技术是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。
在传统的WLAN中，每个客户端均通过一条与接入点（AP）相连的无线链路访问网络，用户若要进行相互通信，必须首先访问一个固定的AP，这种网络结构称为单跳网络。
而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可同时作为路由器，网络中的每个节点都能发送和接收信号，每个节点都能与一个或多个对等节点进行直接通信。
这种结构的最大好处在于：
如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，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。
其实我们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。
当我们发送一份Email时，电子邮件并不是直接到达收件人的信箱中，而是通过路由器从一个服务器转发到另外一个服务器，经过多次路由转发才到达用户的信箱。
在转发过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能尽快到达用户的信箱。
因此，无线Mesh网络可看作“Internet的无线版”。
3、无线Mesh基本技术
无线Mesh网络在通常的WGW（实现无线Internet接入）、无线用户终端的基础上，增添了无线路由器，由原有基础的无线接入网络结构演变成无线Mesh网络结构。
无线Mesh网络增加了无线路由器层，各路由器间由无线连接，路由器与无线IP接入点（WGW）间由无线连接，并可交叉链接，形成密集网络。
由此衍生出无线Mesh网络特有的基本技术和处理方法，它们都是与常规单纯的无线接入网络不同的新增无线路由器层直接相关联的。
3.1无线Mesh路由器的无线传输技术
在研究无线Mesh网络技术过程中，常常把Mesh路由器（如WR）的无线传输技术，称为无线Mesh网络的物理层技术。
这里传输主要是指WR与用户终端间的无线传输、WR之间的无线传输和WR与WGW间的无线传输。
WR与用户终端间的无线传输是按用户终端支持的无线技术和标准化要求，实现类似于基站或无线接入点的功能，能够支持各种不同无线空中接口的接入要求。
无线Mesh网络结构支持不同的标准化接入系统，有不同的无线传输技术，WR与用户终端间的无线传输都能适应。
WR之间的无线传输和WR与WGW间的无线传输是需要定义和确认的。
原则上，采用何种传输技术与用户终端支持的技术标准和系统方式没有直接关系，可以尽量采用现有的先进技术和方法。
由于WR相当于基站，是位置固定的，是支持多用户综合高速数据的，是密集覆盖并要尽量避免彼此间干扰的，是有多种路由选择的。
因此，智能定向天线技术、高效可控调制编码技术、低临界发射功率控制技术等是最重要的物理层传输技术。
智能定向天线技术是一种信号功率集中的指定方向波束成形技术，如图所示。
在3G系统中，特别是在同频工作的TD-SCDMA系统中，得到广泛使用。
智能天线技术是一种特别的多输入多输出（MIMO）技术，使用相位受控的m个天线振子组合，可形成m个不同方向的低功率定向发射，使到达接收点的信号功率最强，而对其他邻近WR的辐射最小，影响最小，实现网络密集覆盖的低功率使用。
在不好直接利用智能天线的场合，也要采用MIMO技术，提高功率效率和传输效率。
高效可控调制编码技术是未来无线通信的共同要求。
但是，WR之间和WR与WGW间的无线传输，由于位置固定、传输路径固定、信道衰落起伏平稳，因此能采用有效的信道估计补偿技术实现比移动环境高得多的传输调制效率和编码效率，完成高速通信。
正交频分复用（OFDM）技术、正交幅度调制（QAM）迭代技术、Turbo编解码技术等能够实现高速、可控可管、自适应，都是首选技术。
低临界发射功率控制技术是信号功率效率提高的关键，与网络拓扑结构密切相关。
无线Mesh网络采用无线接入密集覆盖办法，能实现低信号功率使用。
为最大减小对邻近WR的干扰，发射功率最小临界化的功率控制十分重要。
上图是临界低功率发射控制示意图，图a发射功率过小，仅部分连接；图b是发射功率过大，各WR覆盖彼此交叉重叠过多，相互干扰严重；图c是发射功率控制到合适临界的状况，相互交叉重叠不多，各WR都可经由单跳或多跳连接到WGW，全可联通，是最佳控制。
当然，信号发射功率控制，不仅考虑网络拓扑结构，还要考虑到数据业务负载，传输时延和业务质量等要求，实现优秀综合性能的最大网络容量。
3.2多信道接入的MAC技术
提供媒体访问控制（MAC）接入的多信道技术，同通常的无线通信网络一样，有频分多址（FDMA）技术、时分多址（TDMA）技术、码分多址（CDMA）技术和使用定向天线的空分多址（SDMA）技术，实用中经常是这些多址技术的部分或全部综合使用，形成彼此独立互不串扰的多信道接入技术。
由于WR的定点定向传输可以充分利用智能天线技术实现空分多址，实现尽可能多的互不干扰独立传输信道。
相对常规无线通信，这是无线Mesh网络的又一特色。
在多址接入技术支持下，无线Mesh网络的MAC层设计与通常的典型无线网络的MAC设计一样，同接入点相关。
由于无线Mesh网络不是单跳而是多跳系统，需要支持多跳的MAC设计。
首先是就近Mesh路由器的接入选择。
无线Mesh网络是自组织网络，网络路由连接和用户终端接入状况的拓扑结构随地理位置、通信环境、用户移动、WR布局等不同而不同，是变动的。
如图所示，图（a）是一种Mesh拓扑结构，终端经过3次跳转接力，接入Internet接入点GW1，完成MAC过程。
图（b）是同一地区同样的Mesh路由器和WGW布局，但Mesh拓扑连接不同，该终端在同样位置，选择同样的Mesh路由器，要经过4次跳转接力，接入Internet接入点GW3，完成MAC过程。
但如果选择临近的另外不同的Mesh路由器，可能只经过2跳或3跳，就能接入GW1。
因此，无线Mesh网络的就近Mesh路由器的接入选择，是动态的，与通常设计不同。
典型的有使用于IEEE802.11的多信道MAC技术协议（MMAC协议），并考虑MAC层与网络层的交互，引入多信道协同子层（MCCL），以此增加网络能力。
3.3接入WGW的路由技术
用户终端通过WR接到无线IP接入点的路由技术和相关协议是多跳的无线Mesh网络的最重要技术。
研究和设计接入Internet的路由技术和协议，基本考虑准则有：
尽量少的多跳数、尽量小的时延、尽量大的数据速率、尽量低的差错率、尽量大的路由稳定等。
这样，接入WGW的路由协议设计有如下几点要尤其注意：
首先，无线Mesh网络中的路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指标，综合评估后进行路由选择；其次，路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时，迅速选择替代链路避免业务提供中断；第三，路由协议要能够利用流量工程技术，在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源；第四，路由协议要求能同时支持路由器和用户终端。
无线Mesh路由协议可参照AdHoc网络路由协议，目前几种典型的路由协议有：
动态源路由协议（DSR）、目的序列距离矢量路由协议（DSDV）、临时按序路由算法（TORA）和AdHoc按需距离矢量路由协议（AODV）等。
DSR是最常见的一种对等的基于拓扑的反应式自组织路由协议，它的特点是采用积极的缓存策略以及从源路由中提取拓扑信息，通过比对，实现路由创建。
图10表示一个无线Mesh网络，可能有上下行不同的路由选择。
无线Mesh网络中Mesh路由器通常都是静止不动的，原则上没有功耗限制，也没有用户移动带来的路由器位置改变和路由拓扑改变，因此，可将现有AdHoc路由协议加以简化，进行跨层设计，建立简单得多的路由协议。
但是，对于移动用户终端需要采用完全类似AdHoc的路由协议，寻求就近接入点和接入路由。
接入网络的路由协议的另一个问题是如何选择路由实现接入的公平性，让用户终端接入网络的机会、数据速率和通信质量是基本上一致的。
左图给出了实现公平性的基本路由选择方式，在可能情况下，对各自Mesh路由器转接基本能力相同时，尽量选择如右图（a）的并行接入方式，WR各自支持接入的用户终端，以可能的最大数据速率支持连接到Internet，各用户享受的支持是相同的公平的。
采用右图（b）的串行接入方式，在Mesh路由器基本相同能力情况下，要公平就不能实现最大速率。
这时，WR4通过WR3把用户终端以数据速率S4接入WGW，如果WR3有用户接入，WR3能支持的速率就是S3-S4，如果WR最大支持能力为S，则可能实现的公平接入是：
S3=S4=S/2，WR4没有达到最大支持能力，WR3达到最大支持能力，但它直接联络的用户只能实现WR3部分接入能力。
只有在WR3接入能力明显大于WR4接入能力时，串行接入方式对实现接入公平，才比较有效。
这种接入公平性的考虑，也是实现网络各Mesh路由器最大能力的接入考虑，可使网络容量最大。
3.4无线Mesh路由器配置技术
网络设备通常是指Internet接入点和Mesh路由器。
在覆盖区域给定的情况下，WGW放置位置可以变动的话，放置位置的确定；在WR布局密度和数目给定情况下，放置位置的确定，是构建无线Mesh网络的基本研究课题。
在大多数情况下，WGW位置是确定的，因此主要研究Mesh路由器的配置问题。
Mesh路由器的配置，如上节的路由选择所述一样，有并行配置和串行配置的两种方式。
为实现最大网络能力，需要凭借在串行配置下的多跳链路（路由）。
这种链路为提高效率，采用分时工作，因此要研究避免碰撞的分时策略和处理方法。
如下图所示。
采用串行配置，Mesh路由器的最大接入能力在不同位置有不同要求，可以通过不同调制方式和不同微区大小覆盖来转接任务大的Mesh路由器，使用高速传输技术，覆盖较小区域，减少用户终端直接接入需求量。
而在多跳末端位置的Mesh路由器由于转接工作少，可采用较低数据速率和较大区域覆盖，实现最优网络能力。
如上图所示。
4、无线Mesh网络的特性
1）自组织
网络节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围，并可连接至所有其他节点。
2）自愈
如果网络中的某台设备发生故障或从其拓扑位置上拆卸，网络会自动适应这种改变。
既使发端与对端之间的连接涉及多台中继设备，网络也会找到从发端到对端的新的路由。
3）多跳式
每个网络节点和用户端设备（无线通信单元）均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由。
4）点对点网络
自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连接发端和对端。
而不必通过中央管理节点。
5、Mesh网络的不足
尽管无线Mesh联网技术有着广泛的使用前景，但也存在一些影响它广泛部署的问题。
1）互操作性
目前影响无线Mesh技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性，无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准，用户现在要么就只能使用某一个厂商的无线Mesh产品，要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题，这个问题目前是影响无线Mesh技术推广使用最重要的原因。
想彻底解决互操作性问题，最终还需要业界制定统一的无线Mesh技术标准。
2）通信延迟
既然在Mesh网络中数据通过中间节点进行多跳转发，每一跳至少都会带来一些延迟，随着无线Mesh网络规模的扩大，跳接越多，积累的总延迟就会越大。
一些对通信延迟要求高的使用，如话音或流媒体使用等，可能面临无法接受的延迟过长的问题。
目前解决这一问题主要是通过增加Mesh节点以及合适的网络协议。
3）安全
与WLAN的单跳机制相比，无线Mesh网络的多跳机制决定了用户通信要经过更多的节点。
而数据通信经过的节点越多，安全问题就越变得不容忽视。
Internet本身即是使用Mesh方式进行通信的典型，它的安全隐患是众所周知的。
尽管有线网络中使用的各种端到端安全技术，如虚拟专用网（VPN）同样可以用来解决无线Mesh的安全问题。
但正如Internet一样，无线Mesh网络的安全是一个不容忽视的问题。
6、Mesh网络的使用
从本质上说，Mesh网络是一种类似于点对点的无线网络架构，这种架构可以大大减少网络的基础设施成本（例如AP，无线路由器数量），同时也可为无线网络服务供应商（WISP）减少70%~75%的营运、安装成本。
基于Mesh网络的优势，它还可以在不同异构的环境下提供多种服务；当用户在高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过3G或2.5G传输语音、数据；在局部的范围内可通过WLAN提供宽带网络服务，例如视频点播等。
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使用前景：
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技术使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使用，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
Mesh还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。
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、汽车旅馆等。
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。
7、展望
从国外的研究情况来看，2004年1月，IEEE802.11WorkingGroup专门正式成立了网状网研究组（MeshStudyGroup），标志着Mesh技术正式迈上了广泛标准化道路。
同时，其他标准（如802.15.3a、802.15.4和专用短程通信（DSRC））也开始探索如何通过网状网嵌入式设备来改进其现有技术，IEEE802.16已经将网状网技术纳入其MAC层协议标准中。
随着无线网络带宽的增加和融入更多的安全性，无线Mesh技术会越来越显示出其优势，成为无线宽带领域中的生力军。
国内的Mesh技术市场推广工作也在一步步展开，个别大学进行了校园无线网状网接入的尝试。
此次上海针对MotoMesh技术系统进行的性能研究是目前国内搭建规模最大、技术测试最深入的一次技术试验，初步摸清了MotoMesh系统的容量、传输吞吐率、多级跳接、移动性能等性能指标，对自组织对等网、虚拟专用网络（VPN）管理能力、多业务接入能力以及系统安全性方面功能也进行了验证。
我们有理由相信，随着无线Mesh技术研究的不断深入，其使用的领域会越来越广，它在无线宽带接入方面有着非常大的市场潜力。
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