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基于wifi的无线组网技术
基于WIFI的无线网状（Mesh）组网技术
摘要:
目前,无线局域网由于相对有线网络的众多优点受到广泛应用,其中WiFi因高效的工作能力而受到热捧,但是WiFi由于支持范围有限,使得它的发展受到一定程度的限制,这里对该问题进行了研究。
在不添加有线基础设施、扩大成本的情况下,考虑将网上的无线设备作路由器使用,对数据进行不断转发,通过多个无线跳来进行组网,即利用无线网状（Mesh）组网技术,在低成本的条件下,大大的扩展无线信号的覆盖范围。
考虑到无线网状组网技术在当前市场上的应用,其业务支持能力和性能方面的优势,证明了想法提出的合理性机可行性。
基于WiFi的无线网状（Mesh）组网技术不仅具有WiFi本身的优势,还解决了WiFi的覆盖范围小的问题,因此会有广泛的应用空间和很好的发展前景。
关键词:
无线网状网络;无线局域网;WiFi;无线跳
1．WiFi技术的探讨与研究
WIFI全称WirelessFidelity，意思是无线保真技术。
又称802.11b标准，该技术使用的是2.4GHz附近的频段。
它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、、、2Mbps和1Mbps，带宽的自动调整，有效地了网络的稳定性和可靠性。
其主要特性为：
速度快，可靠性情况高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与有线以太网络整合，组网的成本更低。
同时它还能与已有的各种802.11DSSS设备良好的兼容。
1.1WIFI现状及特点
WIFI无线宽带计入技术有以下几个特点：
（1）WIFI的覆盖半径可达300英尺左右，约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。
（2）传输速度快，虽然有时WIFI传输的无线通信质量不是很好，但传输速率比较快，可以达到11Mbps，如果无线网卡使用的标准不同的话，WIFI的速度也会有所不同。
（3）建网成本低：
只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员比较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。
（4）更健康更安全：
IEEE802.11实际发射功率约60~70毫瓦,而手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间，手持式对讲机高达5瓦,而且WIFI无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，对人体的辐射较小，使用起来应该是绝对安全的。
1.2WIFI技术剖析
1.2.1WIFI的网络构成。
站点（Station），网络最基本的组成部分。
基本服务单元（BasicServiceSet，BSS）。
网络最基本的服务单元。
最简单的服务单元可以只由两个站点组成。
站点可以动态的连接（associate）到基本服务单元中。
分配系统（DistributionSystem，DS）。
分配系统用于连接不同的基本服务单元。
分配系统使用的媒介（Medium）逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截然分开的，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。
接入点（AcessPoint，AP）。
接入点既有普通站点的身份，又有介绍如到分配系统的功能。
扩展服务单元（ExtendedServiceSet，ESS）。
由分配系统和基本服务单元组合而成。
这种组合是逻辑上，并非物理上的。
不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。
分配系统也可以使用各种各样的技术。
关口（Portal），也是一个逻辑成分。
用于将无线局域网和有线局域网或其的补充。
1.2.2WIFI组建方法
WIFI是指由AP（AccessPoint）和无线网卡组成的无线网络。
AP一般称为网络桥接器或接入点，它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站与有线局域网络的桥梁。
具体链接如图1所示。
有线宽带网络（ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。
普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。
如果在网络建设完备的情况下，802.11b的真实工作距离能达到100米以上，而且还减少了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WIFI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证也能得到很好的解决。
1.3WIFI与WIMAX技术的比较
WIMAX是英文WorldInteroperabilityforMicrowaveAccess的缩写。
采用802.16x标准。
主要工作在2-11G的频段范围内，信号绕过障碍的能力得到提高，目前已经可以支持非视距传输，意味着在基站和客户端之间可以有树木或者建筑物的阻挡与WIFI相比,WIMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等等，WIFI主要是解决100米内的无线接入问题，是属于WLAN（无线局域网）的范畴。
因此有人认为WIMAX将取代3G，成为下一代通讯的主流技术。
各种标准之间的发展关系如图2。
1.4WIFI未来的发展方向
近几年，随着无线AP数量的迅猛增长、低廉的价格以及无线网络的方便与高效使WIFI得到了迅速的普及。
WIFI的无线地位将会日益牢固。
但WIFI技术的商用却碰到了许多困难。
一方面是受制于WIFI技术自身的限制，比如其漫游性、安全性和如何计费等都还没有得到妥善的解决。
另一方面，由于WIFI的赢利模式不明确，将其作为单一网络来经营，商业用户的不足会使网络建设出现高投资低收益，因此会影响电信运营商的积极性。
但从以往的经验来看，只有各种接入手段相互补充使用才能带来更高的经济性、可靠性和有效性。
因此运营商们可以将其应定位于以下几个方面：
①高速有线接入技术的补充。
②蜂窝移动通信的补充。
③未来还可以作为在特定的区域3G的重要补充。
1.4.1高速有线接入技术的补充。
目前，有线接入技术主要包括以太网、xDSL等。
WIFI技术作为高速有线接入技术的补充，具有为可移动性、价格低廉的优点，WIFI技术广泛应用于有线接入需无线延伸的领域，如临时会场等。
由于数据速率、覆盖范围和可靠性的差异，WIFI技术在宽带应用上将作为高速有线接入技术的补充。
1.4.2蜂窝移动通信的补充。
WIFI技术可定位为蜂窝移动通信的补充。
蜂窝移动通信有广覆盖、高移动性等优点但传输速率较低，它可以利用WIFI高速数据传输的特点弥补自己数据传输速率受限的不足。
而WIFI不仅可利用蜂窝移动通信网络完善的鉴权与计费机制，而且可结合蜂窝移动通信网络广覆盖的特点进行多接入切换功能。
这样就可实现WIFI与蜂窝移动通信的融合，进一步扩大其业务量。
1.4.3WIFI是现有通信系统的补充，可看作是3G的一种补充。
目前WIFI接入服务除了上网、接收email等应用之外，并未出现对使用者而言具有独占性、迫切性、必要性之应用服务，这也是它难以大量吸引用户族群的原因。
百年来通信发展的历史证明，使用一种包办所有功能的通信系统是不可取的，各种接入手段的混合使用才能带来经济性、可靠性和有效性的同时提高。
2.无线Mesh组网技术
无线网状网络（WirelessMeshNetwork,WMN）作为一种新兴的组网技术,在近两年迅速引起业界的关注。
与很多新技术出现的背景类似,WMN的出现是应用需求直接推动的结果。
首先,无线局域网（WLAN）的快速发展为企业和公众带来了极大的通信自由。
WiFi（Wirelessfidelity）作为第一个被广泛推广的高速WLAN技术,包括已经批准的IEEE802.11a,b,g和n等规范,由于其提高工作效率的能力而受到追捧,并在全球得到广泛部署。
然而,WiFi能够支持的范围非常有限:
用户只有保持在距离无线接入点设备（AP）300英尺的范围内才能实现高速连接。
因此如果想把WiFi的服务模式变成无所不在的覆盖,其成本将高得可怕。
那么,能不能将网上的无线设备作为路由器使用，对数据进行不断转发，直至把它们送至目的地,从而把接入点的覆盖服务延伸到几英里甚至更远,这就是提出无线Mesh组网技术的基本思路,即通过多个无线跳来进行组网（WiFi只使用一跳）,从而能在不添加有线基础设施的情况下,大大延展无线信号的覆盖范围。
因此,无线Mesh网络是一种非常适合于覆盖大面积开放区域（包括室外和室内的无线区域网络解决方案,其特点在于:
由包括一组呈网状分布的无线AP构成,AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联,将WiFi中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。
这种结构带来的好处包括:
自配置:
即WMN中AP具备自动配置和集中管理能力,简化了网络的管理维护;
自愈合:
即AP能够自动发现和动态路由连接,消除单点故障对业务的影响,提供冗余路径;
兼容性:
即如果采用标准的IEEE802.11b/g制式,则可广泛的兼容无线客户终端；
连通性:
即采用Mesh结构的系统,信号能够避开障碍物的干扰,使信号传送畅通无阻,消除盲区。
所以,最适合部署无线Mesh网络的环境为:
大学园区、体育场馆、临时应急通信（如大型灾难的就在现场）等。
3.基于WiFi的无线网状网络
无线局域网（WLAN）的基本结构是两个无线设备之间点对点或者点对多点的通信。
在点对点模式中,无线连接取代了通信电缆,而且在两个终端距离较近时可以进行可靠的数据传输。
在点对多点模式下,系统有一个中央管理单元AP,所有的信号都被汇聚到该接入点中,因此无线网络的可靠性依赖于AP和终端之间射频率频连接的质量。
无线Mesh网络的通信模式与上述点对点或者点对多点通信模式是完全不同的。
如前所述,WMN是一种基于多跳路由、对等网络等技术的高速率、高容量的新型网络结构,其本身是可以动态地不断扩展、自组网、自配置、自动修复、自我平衡的。
针对以上特点,工业界标准化组织已经开始着手为其制定新的标准,以满足各种覆盖与网络业务方面的需要。
其中,IEEE802.11,IEEE802.15以及IEEE802.16等都建立了为WMN制定新标准的工作组。
下面将就802.11标准对WMN结构的支持进行简要介绍。
最初的IEEE802.11业务主要限于数据传输,速率最高只能达到2Mb/s,但是,IEEE802.11b和802.11a/g的峰值速度可以分别达到11Mb/s和54Mb/s,而IEEE802.11n则期望可以达到100Mb/s,这就使得现有的电缆和DSL连接限制了家庭和办公网络的连接速度。
倘若能够跳过这些有线部分,则可以克服这一问题,同时减少铺设和维护以太网电缆的开销。
至此,WMN的思想被引入。
虽然可以用802.11点对点模式来构建无线Mesh网络,但是其MAC协议的不可伸缩性使得网络的性能很差,不适合多跳的WMN。
为了将其商用,IEEE新成立了一个IEEE802.11s子工作组,制定标准化的扩展服务集（ESS）,即IEEE802.11s专门为WMN定义了MAC和PHY层协议。
在这样的网络中,WLAN接入点可以像路由器那样转发消息。
在IEEE802.11s工作组中,Mesh网络可以是2种基本结构:
基础设施的网络结构和终端设备的网络结构IEEE802.11s工作组为支持这两种结构制定了新的规范。
在基础设施的网络结构中,IEEE802.11s工作组定义了一个基于IEEE802.11MAC层的结构和协议,来建立一个同时支持在MAC层广播/多播和单播的IEEE802.11无线分布式系统（WDS）;而在终端设备的网络结构中,所有设备工作在点对点模式下的同一平面结构上使用IP路由协议。
客户端之间形成无线的点到点的网络,而不需任何网络基础设施来支持。
4.WiFi-Mesh网络规划流程
进行WiFi-Mesh无线网络规划，首先要确定准确的覆盖目标、网络设计容量以及网络的预期质量。
包括：
哪些区域需要覆盖、会有什么样的应用、用户量、服务质量要求、覆盖区域地图、现有资源、附近是否有干扰源、硬件设备选型、回传链路及传输选择等。
之后要进行现场勘测，了解实地的情况获得现场环境参数、传输及点位等资源情况，特别是AP安装点选择、障碍物、干扰信号。
最后才能进行详细的设计和仿真。
并且在实施和校正阶段，需要根据现场情况调整；测量实际覆盖效果，若不满足则进行相应调整和优化。
图3为WiFi-Mesh无线网络规划流程图。
5.WiFi-Mesh网络规划方法
结合以往建设经验以及试验网结果，本文对WiFi-Mesh网络规划方法中以下方面进行了分析和总结。
5.1组网方式
建议采用双载频和多载频技术组网，不采用单载频方式。
考虑到容量和成本的均衡，建议先以802.11a/g双频模式进行部署，在对带宽有较高要求的区域采用802.11n进行部署以提高容量。
图3WiFi-Mesh无线网络规划流程图。
5.2网络规划中簇的划分
在组网时建议以簇为单元进行规划，每个簇最多不超过20个节点。
另外在每个单独的Mesh簇都有一个或多个根节点AP接入有线网络，这样每个AP节点都有主用和备份的链路。
整个Mesh网络由多个这样的高可靠的二期额保证带宽的Mesh簇组成。
5.3跳数选择
多跳为无线Mesh网增加了灵活健壮性，但是也对网络的时延以及吞吐量均产生影响，因此跳数的选择需要均衡考虑。
时延是影响实际Mesh组网的重要因素之一，时延一方面会影响到相关业务的QoS性能，另一方面链路层的时延过大也会间接影响到基于TCP的业务的流量性能。
图4为某实验网中不同类型的组网条件下，通过加载不同程度的符合已全面考查Mesh组网的双向时延性能。
（a）为单频各跳各种业务的时延趋势图，（b）为双频各跳各种业务的时延趋势图。
从图4中可以看出,无论单频组网还是多频组网，跳数的增加对于Mesh网的时延有较大的影响，大负荷下5跳时的时延可以达到单跳时延的10余倍，即每增加一级无线回传链路，时延都会较大程度的增加。
图5为某试验网中单双频组网条件下不同跳数吞吐量对比表，从以上测试结果中可以看出，当单链情况下时，3跳50m是单跳50m处的吞吐量的1/5，性能下降较为明显。
因此综合考虑多条的传输带宽和时延，建议Mesh组网时通常单挑链路3跳为宜，最多不超过5跳。
图4（a）单频组网各跳各种业务时延趋势图
图4（b）双频组网各跳各种业务时延趋势图
5.4频点选择及规划
802.11a工作在5.8GHz频段，802.11b/g工作在2.4GHz频段，全部采用非授权许可频段，无须向国家相关管理部门申请频段使用。
图5单双频组网条件下不同条数吞吐量对比表
建议最好采用5.8GHz频段做无线回传，2.4GHz做无线网络覆盖。
这是因为目前绝大多数终端均工作在2.4GHz频段，5.8GHz的终端设备相对较少。
回
传由于需要更可靠的保证，采用频谱相对纯净的5.8GHz频段。
但由于5.8GHz频段较高，传输距离较短，因此5.8GHz覆盖面积需要在网络规划给与充分考虑。
对于2.4GHz频段，存在3个非重叠的信道；对于5.8GHz频段，存在5个非重叠的信道，如图6所示。
图6（a）2.4GHz频段存在的信道
图6（b）5.8Ghz频段存在的信道
在进行频点规划时，非重叠信道可以进行复用，但确保使用同一信道的AP之间有足够远的距离，相邻节点不要采用同样的信道。
图7（a）为802.11a频点规划示意图，图7（b）802.11b/g的频点规划示意图
图7（a）802.11a频点规划示意图
图7（b）802.11b/g的频点规划示意图
5.5站址选择与安装
在进行站址选择时，尽量遵循以下的原则：
（1）站址尽量选择在交通便利、供电可靠、资源丰富的地方；
（2）尽量使无线接入信号视距传播，避开密集树林高楼等遮挡。
对于回程无线信号要求保证直线可视传输；（3）根节点要求确认传输条件，回传节点要求确认供电条件；4）对于街道，可以选择在道路的交通信号灯或者路灯灯杆上。
取电则使用各类灯杆上的220V交流电，但需要确定是否能够提供24h持续供电的电源，以及能否从灯杆顶端穿引电源线；（5）对于沿道路部署，可采用链状组网。
并且在十字路口四角的灯杆中选择视野最好的位置，便于与来自道路上不同方向的设备建立无线回程；道路过长、无法形成Mesh拓扑时，可以选择周边具有一定高度且具有良好视距的建筑物，保证同链型拓扑的设备建立冗余的无线回程。
在占据路口和占据好的商业覆盖位置间进行合理的选取，保持相互间的平衡；（6）设备安装时，对于街道，为了减少树木的衰减，尽量在路的两侧交替的放置MeshAP节点设备，这有利于在树木茂密的区域保证视距条件；
图8接到两旁交替放置MeshAP节点
（7）相邻站点的天线高度尽量保证一致；（8）当AP天线置于楼顶或灯杆时，同时要考虑AP的防雷。
5.6天线的选择
对于天线的选择，主要分为室外天线的选择和室内天线的选择。
对于室外天线，在网络建设初期和发展期更多地考虑无线覆盖面积，所以无线回传链路要采用大增益的天线扩大覆盖面积。
由于天线的水平波束宽度变窄以及室外空旷环境的反射较少，所以要求天线的极化方向和高度尽量一致。
对于室内天线选择，要根据不同的环境选择不同的天线，一般全向天线用于典型的办公室和商务楼的无线覆盖，扇区天线比较多地用于室内环境比较复杂的环境，
如超市，通常有一排一排高大货架，选用定向天线互相对打，就可以在货架之间获得很好的覆盖效果。
如图9所示。
图9定向天线相互对打方式
5.7AP站间距
AP的站间距和物理地形密切相关。
根据实际测试结果，通常站点间距保持在300m左右。
但用户密度也决定了站点密度，如果某一区域的用户密度较高，那么设计时就要首先考虑节点密度，适当增加站点数量，缩小站间距。
因此一般对于密集城区考虑AP间距在150～200m之间。
但在实际操作的时候，AP的具体数量是和实际环境以及AP安放点密切相关的。
AP的安装位置不会那么理想，实际传播路径也会存在各种各样的情况，因此，在规划时，必须要进行实际勘测，并结合实际环境以及AP的安放点决定AP的数量及站间距。
5.8AP接入用户数
由于WLAN采用CSMA/CA机制，如果接入用户过多，那么同一时刻发生冲突的概率明显增大，也必定会延长每个用户等待的时间，而使得系统带宽闲置；如果用户超过一定的限度，会导致系统的瘫痪。
工程设计上一般每AP接入用户数在20～30台左右应该比较合适。
5.9干扰的规避
由于WiFi-Mesh的频谱资源不受管制，不可避免的会在同一地区存在大量同频干扰。
因此需要尽量采用一些手段进行干扰的规避。
（1）合理的频点规划：
建议以手动规划为主，建立可配置网络，在干扰非常严重的密集城区，可有选择的考虑开启AP的动态频点调整功能；
（2）定向天线使用：
可以在网络规划阶段，采用定向天线进行有针对性的覆盖，防止对同频其它AP的干扰，并同时避免来自某个方向的干扰。
6.关于室内覆盖
室内覆盖方式分为单独覆盖和与现有的2G、2.5G或PHS共用分布式系统，除一些特殊的场所也可以通过室外AP布放实现室内的无线覆盖外，不建议用室外Mesh来覆盖室内。
如果采用室外覆盖室内的方式，通常使用高增益的定向天线，这种办法适用走廊在楼层一边的结构。
其它室内覆盖方式应从网络容量出发进行设计，所以不建议采用大增益的天线。
室内单AP覆盖范围为30～50m，由于室内障碍物穿透损耗不同，要根据实际情况确定AP数量。
随着Mesh技术的不断成熟和普及，将有越来越多的WiFi-Mesh无线网络建设在各大城市展开，WiFi-Mesh网络规划的重要性也日益突出。
总体来说，WiFi-Mesh网络规划与WiFi网络规划有类似但也有本质的区别，网络规划不是一劳永逸的，WiFi-Mesh无线网络规划方法仍需要在实际的规划和网络运营当中不断总结和完善。
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