无线MESH技术与应用

前言:下一代无线网络应该如何发展才能满足“5W”的要求呢?怎样才能有具特色的无线方案除了点对多点方式的蜂窝移动通信网络呢?所以,无线Mesh网络(又称无线网状网,简称WMN)出现在人们的视线中,它因拥有其他现有的无线网络技术所没有的优势,将成为无线通信领域的一代霸主,能很好的支持“最后一公里”的网络连接。
   无线 Mesh 网络又称为无线网状网,在组网灵活、网络覆盖率高,前期投资少等方面比传统网络表现出更大的优势,特别是在有线网络极度缺乏的情况下,来用无线 Mesh 网络达到全部的覆盖且少用Wifi那么无线路由器,比起同类网络,是耗能较小的无线网络。目前无线 Mesh 网络得到了社会通信行业的广泛关注,在未来也会得到越来越广泛的应用。
   无线 Mesh 网络特别是在对无线资源的充分利用和能够与其它网络有效融合的两个主要方面,在未来的无线网络中能够有很好的利用价值。本文主要介绍无线 Mesh 网络的研究背景,关键技术及其特点,尤其在无线局域网中的应用,最后对本次设计方案进行了总结。

第一章 无线 Mesh 网络接入技术研究背景
1.1 无线 Mesh 网络的概述
1.1.1 无线 Mesh 网络的由来
   蜂窝移动通信从投资的角度看,只适用人口密集,有永久用户业务需求的地区,移动A d hoc适用移动较强的区域如军事通信中,并且投资成本高,不适用于民用通信,而为了适应广大的民用区域,实现无线通信的无处不在,基于以上现象,无线Mesh网络技术随之而来。这一变化极大地方便了人们的日常生活,也使得现在社会的经济不断地进步,通信领域不断充满活力。它是因特网核心网的无线延伸,会有一个或多个网关节点与因特网高速相连,家庭用户可以通过自身的无线接入点与网关节点相连,只要负责业务的中继或转发,就能实现打范围的低价的快速的覆盖,这种组网方式省下了初期网络建设的昂贵基础设施,有传统所没有的优势。
   由此可见,WMN的出现不是偶然和独立的,它的一些技术都是在802.11MAC协议、移动Ad hoc的路由协议的基础上发展来的。
1.1.2 无线 Mesh 网络的定义
   无线Mesh网络(无线网状网络)也称为“多跳(multi-hop)”网络, WMN是从移动Ad hoc网络分离出来的,并具有WLAN的部分网络技术,WMN是一种新型的宽带无线网络结构,一种高容量、高速率的分布式网络。它的网络拓扑变化小,多数网络节点静态不动,不需要电池做动力,主要业务是任意一对节点之间的业务流。由于与较高的可靠性,较大的伸缩性和较低的投资成本,可以解决无线接入“最后一公里”瓶颈的新想法,现在纳入IEEE802.11s、802.15、802.16的标准中,是无线城域网最理想的核心网之一。
1.2 无线 Mesh 网络的优势
1.2.1 无线 Mesh 网络的基本原理
   无线Mesh网络是低功率的多级跳点(multihop)系统,它们处理消息的方式是把信息包从一个节点传递到另一个节点,直到信息包到达目的地。点到点网络节点过滤掉所有信息包,只留下自己的信息包,与此不同的是,网状网节点接收要传给其它节点的信息包,并把它们再次传送出去。每个无线Mesh网络的节点可以作为接入终端,也可具有路由和信息转发功能,具有极的组网自由度。无线Mesh网络运行方式很象因特网,并提供从源头到目的地的多条冗余通信路径。如果一条路径由于硬件故障或干扰而停止工作,网状网会自动改变信息包的路由,使它们穿过一条替代路径。
   无线 Mesh 网络技术构建的网络拓扑结构是呈网状的(如图 1 所示)。

   城域范围内提供宽带无线接入的无线Mesh网一般由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统四部分组成,如图2所示。

   无线 Mesh 网络实现的模式有两种:一种是终端用户 Mesh 网络架构模式, 另一是基础设施 Mesh 网络架构模式。在终端用户 Mesh 网络架构模式中,终端用户通过无线信道的连接可以形成一个端到端的网络。 终端设备可以在不需要其他基础设施的条件下独立运行, 它可快速形成宽带网络, 支持移动终端较高速的移动。终端用户兼具路由器和主机的角色:一方面,节点作为路由器运行相关的路由协
议,路由维护参与、路由发现等操作;另一方面,节点作为主机运行相关的应用程序。在基础设施 Mesh 网络架构模式中,Internet 接入点(IAP)和终端用户之间可形成无线的回路。IAP 通过管理控制及路由选择等功能,为目的节点通信与移动终端选择提供了最佳的路径。同时,移动终端通过 Internet 接入点(IAP) 可与其他网络互联,如 WCDMA、cdma2000 和 TD-SCDMA 之间的连接,可以提高网络自身的兼容性。
1.2.2无线 Mesh 网络接入的技术特点
1)灵活性。多次跳频是在不损害信道容量的前提下,来扩充无线网络的覆盖范围,同时,通过无线 Mesh 网络连接的链路,能够减少信号的干扰,可以为网络提供更大的吞吐量和频谱复用率。
2)兼容性和互操作性。现有无线网络技术或标准(如 802.11)必须与原有的传统技术保持向下兼容,无线 Mesh 网络还需要与其它的网络(如蜂窝网)有很好的互相操作性。
3)Mesh 节点的类型决定了网络中的移动性。不同的节点可以是移动的,也可是静止的,例如 Mesh 路由器的在放置时位置相对是固定不动的。而 Mesh 客户端可以是移动的,也可是静止的。
4)Mesh 节点的类型决定了网络的功耗的大小。由于 Mesh 客户端对功率的消耗比较大,可能需要有效的节能机制,但是 Mesh 路由器却通常没有严格的功耗限制。
5)网络的接入方式有多种。无线 Mesh 网络可以支持两种接入方式,比如骨干网接入方式和端到端的通信方式。除此之外,无线 Mesh 网络可以为其它的网络的终端用户提供服务。
虽然异构无线 Mesh 网络有着很好的应用前景,但是也存在的一些不足,如
以下的几个方面:
1)相互的操作性。目前,无线 Mesh 网络是一种刚出现的网络,还没有一个统一的技术标准, 这样就会面临着一系列的问题。 比如, 无线设备的接口如何的选择,具体使用哪个厂商的无线 Mesh 产品等, 这些问题就会影响着无线 Mesh 技术的推广。虽然现在很多的企业正在研发,适应不同条件下工作的无线设备,这个方案可以解决互操作性的部分问题。但是要想彻底的解决此问题,必须制定统一的无线 Mesh 技术的标准。
2)通信延迟。由于无线 Mesh 网络是多跳网络模式,所以在信号传输时经过多次跳动,每一次跳频都会带来一定的时延。当无线 Mesh 网络的规模很大时,信号传输过程中,时延就会越明显。比如一些对于网络实时性要求比较高的应用, 话音通信与视频通信等。 目前解决此问题比较好的方法是运用无线 Mesh 节点技术,随着技术的越来越成熟这一问题最终会得到很好的解决。
3)安全性。与传统的无线局域网单跳相比较,无线 Mesh 网络的多次跳频技术使得网络中有更多的无线节点。随着无线节点的增多,对于无线节点的统一管理的问题就变得比较困难,所以对安全问题也变得不容忽视,就如,因特网本身就是使用 Mesh 方式通信的,它的安全隐患也是众所周知的。
无线Mesh网络的优势
WMN与传统无线网络相比有许多优势通过表一可知:

(1)可靠性大大增强
WMN采用的网格拓扑结构避免了点对多点星型结构,可以减少干扰、单点故障,提高可靠性。
(2)具有冲突保护机制
WMN可对产生碰撞的链路进行标识同时可选链路与本身链路之间的夹角为钝角,减轻了链路间的干扰。
(3)简化链路设计
WMN通常需要较短的无线链路长度,这样降低了天线的成本(传输距离与性能),简化链路。
(4)网络的覆盖范围增大
由于WMN是多点到多点(网状)拓扑结构,与传统的网络相比接入点的范围大大的增强,频谱的利用率提高,系统的容量增大。
(5)组网灵活、维护方便
由于WMN网络本身的组网特点,只要在需要的地方加上WR等少量的无线设备,就可以灵活的组网,每个节点都可以作为组网的节点,不像星型网络,可以更好的维修与改善。
        第二章 异构无线 Mesh 网络关键技术
2.1 无线 Mesh 路由器的无线传输技术
    无线 Mesh 路由器的传输技术又称为无线 Mesh 网络的物理层技术。 其主要负责无线路由器与无线路由器、无线网关、用户终端之间的无线传输。无线 Mesh 路由器与用户终端都能够支持各种标准不同的接入系统,所以不同的无线传输技术,无线 Mesh 路由器和用户终端都能够适应。就好比移动通信系统中的 BS,能够支持各种各样的空中接口的要求一样。由于在无线Mesh网络中, 无线Mesh路由器所放置的位置是相对固定不动的,自身能够支持数据的高速传输,而且覆盖的范围也比较的广泛,但是也同样带来了信号干扰的问题。因此,必须安装智能天线和在发射信号时临界功率的控制等技术是必须要研究的。
   智能天线是一种多入多出(MIMO)技术,能根据信号的入射波的方向自适应地调节其方向图、 跟踪有用信号、 减少甚至抵消干扰信号, 从而达到增大信干比、提升通信系统的容量、提高移动通信系统的频谱利用率和降低发射信号的功率。
此技术尤其在 TD-SCDMA 系统中得到了很好的应用,如图 2 所示

   低临界发射功率控制技术是提高信号功率效率的关键, 它与网络的拓扑结构密切相关。采用无线接入密集覆盖的方法,能实现低功率的有效控制。为了最大的程度减少信号的邻道干扰,必须使发射功率临界化,这个方法在解决此问题是特别重要的。图 3 分析了发射功率的三种情况,图 3(a)是信号的发射功率过小,使得无线 Mesh 路由器之间只能是部分连接,导致不能达到预期的覆盖范围。图 3(b)是信号的发射功率过大,使得无线 Mesh 路由器在转发信号时,信号的干扰特别的严重,导致在覆盖的区域范围内信号的传输质量很差。图 3(c)是信号的发射功率达到了以上两种情况的临界状态, 各个无线路由器可以经过单跳或者多跳连接信号发射的节点无线网关,整个覆盖范围都能够全部连通。但是,信号发射的功率控制,不仅仅考虑到网络的拓扑结构,而且也要考虑到所在覆盖范围的用户量和网络中传输信号的延迟等,最终是为了实现最大的网络容量, 也为了提供比较高的服务等级。

2.2 多信道接入的 MAC 技术
  单信道MAC协议限制了WMN的数据传输速率与容量,不能满足多跳WMN的 特点。幸运的是,802.11b/g标准和802.11a标准都提供了没有交迭的信道,即相邻的节点可以同时使用不同的信道。因此,多信道MAC协议技术将成为WMN的重要接入技术。
   信道分配是多信道技术中的一个关键问题。多接口WMN环境下的信道分配,主要目的是在保证网络连通度的基础上,获得最大信道利用率。信道分配主要包括固定信道分配方式、动态信道分配方式和混合信道分配方式。
2.3 无线 Mesh 路由器配置技术
  网络中的设备所指的通常是 Internet 接入点和无线 Mesh 路由器, 在覆盖的范围确定的条件下,无线网关的位置一般情况下是确定的,所以要研究的主要是无线 Mesh 路由器的配置问题。
无线 Mesh 路由器的配置主要有串行配置和并行配置两种方式。但是为了实现网络的最大容量,需要使用串行配置方案下的多次跳频的链路。为了提高传输信号时,避免信号之间的碰撞可以采用分时技术,能够很好的处理此问题,如图4 所示。

   无线 Mesh 路由器采用串行配置, 可以对网络中不同位置的无线 Mesh 路由器采用不同的调制方式。在网络中传输信号时,任务量比较大的无线 Mesh 路由器可以采用高速传输技术,覆盖较小的区域,从而极大地提高了信号传输的速率,也提高了网络的服务等级。在多跳的末端位置由于无线 Mesh 路由器的转接的工作量很小,从综合各方面的角度考虑,可以采用较低的传输速率而能够覆盖较大区域的无线 Mesh 路由器,实现网络的最优化,如图 5 所示。

2.4 无线 Mesh 网络的多址技术
正交频分复用技术(OFDM)
OFDM技术的最大特点是抗频率选择性衰落或窄路干扰,同是提高频谱利用率,能将高速的数据流通过串/并交换,分配到相对较低的传输速率的若干个正交子信道中,进行窄带调制和传输,这样减少干扰。再结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制及智能天线技术,能使WMN性能进一步的提高。
正交分割多址技术(QDMA)
QDMA技术是专门为广域范围内通信的最优化及WMN设计的,在大范围的通信里有较强的纠错能力,这个不但不限制总的数据速率,而且增加了移动用户的有效范围。比如QDMA使用全向天线时范围达到1.6km,基于抗干扰能力和信号的灵敏度的QDMA能提供400km/h的移动速度,除了通信范围和速率外,更有独特的定位技术,能够精确定位,误差不超过10m。这些特点正好弥补了WMN的部分缺点,能有效的挑战3G甚至引领4G的新潮流无线网络。

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