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因为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为路由器使用，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及可行性。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 无线Mesh组网技术
    无线网状网络(Wireless Mesh Network，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(Wireless fidelity)作为第一个被广泛推广的高速WLAN技术，包括已经批准的IEEE 802．11a，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，则可广泛地兼容无线客户终端；
    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(如大型灾难的救灾现场)等。

2 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，IEEE 802．11，IEEE 802．15以及IEEE 802．16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IEEE 802．1l业务主要限于数据传输，速率最高只能达到2 Mb／s，但是，IEEE802．11b和802．11a／g的峰值速度可以分别达到11Mb／s和54 Mb／s，而IEEE802．11n则期望可以达到100 Mb／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IEEE 802．11s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IEEE 802．11s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。IEEE 802．11s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，IEEE 802．11s工作组定义了一个基于IEEE 802．11 MAC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。

3 已有解决方案
    目前市场上提供WMN解决方案的多是一些小公司，例如MeshNetworks，Tropos，BelAir，Proxim，CoWave，Networks，Ember等。下面分析几种解决方案的优缺点。
3．1 BelAir
    采用3射频接收回程站(three-radio backhaul)的解决方案，3个射频接收机采用3个独立的信道，每个信道带有高向(Highly Directi-onal)天线以重用有用的频率。采用环形天线阵列支持所有方向的回程覆盖，天线具有高增益和窄水平波束宽度。采用多射频接收回程站配置，易于扩展，减少了配置复杂性并提供更高的容量和吞吐量，采用创新的光学接口以及Radio-a-ware路由算法来选择最佳路径。它的缺点在于价格昂贵，目前不支持节点之间的用户移动性，设计复杂，还不能形成“全网状”的产品。
3．2 Tropos
    采用全向(Omni-Directional)天线广播所有的数据到相邻节点，不需要采用交换方式从一个天线交换数据到另一个天线，因此延时较低，控制协议只占有5％的带宽，支持太阳能电源，灵活的电源配置方案。缺点是全向天线缺少稳定性，吞吐量较低，采用PCMCIA设计，缺少健壮性，易于被窃，更适合于在小范围内配置。公司的研发力量有限，因此在市场上多采取低价策略。
3．3 Mesh Networks
Mesh Networks第一个进入市场的企业，在回程(backhaul)支持和安全性方面采用自己私有的QDMA体系结构，提供较低的延时，可以在单一的网状网中支持infrastructure和client meshing两张模式。它的缺点在于缺少稳定性，过多的依赖私有技术，和已商用的WLAN NIC卡不兼容，需要自带采用PCMCIA设计的QDMA射频接收卡，PCMCIA设计的节点很难保证安全性，如果窃贼获得一张QDMA卡它将可以不受限制的访问网络。
3．4 Nortel
   上述厂商开发WMN技术较早，但是目前还没有提供电信级解决方案的能力，相比较而言，老牌电信公司Nortel进入这一市场较晚，但是Nortel的优势在于他们在OAM管理、安全性、产品支持等方面更有优势，能够提供安全可靠的电信级解决方案，以目前正在我国台北市及高雄市部署的由Nortel公司提供的WMN网络拓扑结构为例，如图1所示。

    AP7220是一个智能节点，采用了包括智能天线阵列、集成路由器、自适应路由选择、安全管理、无线对等层通信等技术。它与无线终端用户之间采用IEEE 802．11b／g通信，与相邻的AP7220采用802．11a进行中继，通过增加外置的高增益定向天线，中继距离可提高到5km。相邻AP之间通过自适应路由选择，为用户终端选择最佳路线。多个AP7220构成1个无线通信区域(CRN)。一个CRN中有一个或多个与有线网络连接的网络接入点(NAP)。NAP具有AP的逻辑功能，对CRN中的所有数据业务进行汇集，再通过以太网接口连接到三层路由器。

4 结语
    无线网状组网技术目前被业界普遍认为是无线网络技术的一个发展方向。在这一新兴的无线市场上，基于WiFi的WMN的潜在最大竞争对手就是基于IEEE802．16标准的WiMax。WiMax所走的是先标准化再商用的路线，而WiFi则采取了先商用后标准的市场策略。经过近几年的发展之后，基于WiFi的WLAN技术在安全性能、QoS、传输距离等方面均有了长足进步，而且在用户市场认知度和产品规模化生产能力上也已经拥有了相当的积累。基于WiFi的WMN注定将在未来较长的一段时间内占据极其重要的市场地位。