无线Mesh网络技术

无线mesh网,即无线网状网(WMN),也称为无线多跳网,它可以和多种宽带无线接入技术如802.11、802.16、802.20以及3G移动通信等技术相结合,组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网,可以大大增加无线系统的覆盖范围,同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性,是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。
无线mesh网主要由两种网络节点组成:mesh路由器和mesh终端。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关/中继功能外,还具有支持mesh网络互连的路由功能。

无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。

　　在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的接入点(AP)，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者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，那么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。

　　其实人们熟知的Internet就是一个Mesh网络的典型例子。例如，当我们发送一份E-mail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，最后经过多次路由转发才到达用户的信箱。在转发的过程中，路由器一般会选择效率最高的传输路径，以便使电子邮件能够尽快到达用户的信箱。

　　与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单地接上电源就可以了，它可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

1、可靠性大大增强

　　与单跳网络相比,无线Mesh网络的一个明显优点是更高的可靠性和数据速率。临时的本地干扰,比如另一个无线电信号或一个减弱信号的物体,可能会阻止或降低传统网络中的数据速率;而网状网技术只是简单地通过一条未受影响的替代路径发送数据。同样,任何一个网状网节点中的硬件故障不会使网状网完全失效。网状网技术的冗余还提高了有效带宽,这是因为多个数据流可以同时传输。例如,家庭联网环境可以把视频数据流从客厅的DVD播放器传输到卧室的电视机,同时把音频数据流从家用电脑传输到游泳池边的便携式MP3播放器。

2、基础设施铺设成本低

　　目前无线接入Intenret的主要途径是通过在热点地区铺设Wi-Fi,基本是一个无线局域网(WLAN)或者由多个WLAN组成的无线网络。无线用户通过基于802.11的WLAN接入Internet。

　　由于802.11信号覆盖范围有限,为了让整个城市都能实现无线接入,必须建立很多接入点,这些接入点通过有线电缆或光纤连到Internet,很显然成本较高。同时过多有线接入也大大地降低铺设速度。而无线Mesh网络到Internet只有几个接入点,故这种网络大大减少网络基础设施成本,铺设速度快,可为无线网络服务商降低70%～75%的运营和安装成本。

3、组网灵活,维护方便

　　由于无线Mesh网络本身的组网特点只要在需要的地方加上WR(WirelessRouter,无　线路由器)等少量的无线设备即可与已有的设施组成无线的宽带接入网,无线Mesh网络的路由选择特性使链路中断或局部扩容和升级不影响整个网络运行,因此提高了网络的柔韧性和可行性,和传统网络相比功能更强大更完善。 

 　　Mesh网络在设计方面不仅要考虑需无线传输中的各种问题,如天线设计、多址接入、控制等,还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的相互影响,这就使得无线Mesh网的设计要更复杂。

　　涉及到的关键技术有智能天线技术、自适应调制技术、双工和多址接入技术、QDMA技术、动态资源分配、无线交换技术、无线路由算法、安全性。

1.智能天线技术

　　当采用定向天线时,用户节点之间通过点到点方式连接,降低了所需的发射功率,同时也减少路径之间的同频干扰,能够实现很高的频谱效率,但是存在一些其他方面的问题,每个用户节点需要多个定向天线和射频单元,任意两点之间都需要精确的对准,当有节点加入或退出网络时,网络的拓扑结构发生变化,需要重新调整定向天线,增加了使用难度。另一种方案是采用全向天线或区域天线,但由于多个用户节点要共享同一无线信道,系统的频谱效率将会大大降低。

　　更合适的方案是采用智能天线技术,智能天线是具有测向和波束成形能力的天线阵列,使用智能天线技术,用户节点可以根据周围节点的状况,在软件控制下调整波束方向,分别对应多个相邻节点,起到空分复用的作用,提高了系统的容量。当网络拓扑发生变化时,可以通过自动调整波束的方向来重新建立用户节点之间的联系。

2.自适应配置技术

　　在无线Mesh网中,两相邻节点的信道参数,如载干比、延迟扩展等,会受多种因素的影响,例如相邻节点之间的距离、新节点的加入、某些用户节点处于不工作状态等。自适应调制技术的主要思想是根据传输信道的实际参数动态改变调制方式,使得任何时刻信道的容量都能达到最大,同时保证链路在恶劣环境下的可用性。

　　用户节点可以采用不同的调制技术与不同的相邻节点通信,在同一条路径上根据其信道参数的变化来更改调制方式。

　　另一个更复杂的问题是,即使某条路径上能达到最佳性能,并不意味着在整个网络范围内的总体性能最佳。可能需要从全网的角度考虑每条链路上的调制方式的选择。

3.双工和多址接入技术

　　TDD双工。相邻节点需要采用双工方式,由于非对称业务,采用TDD方式,通过动态调整同一帧内传输方向的边界。FDD适合对称业务。由于无线频谱资源有限,多个用户节点需要采用多址技术来共享同一频段。多址方式有FDMA、TDMA、CDMA、SDMA、OFDMA。

　　分布式多址接入控制方法。在传统点到多点系统,多址接入控制MAC主要在中心节点实现,但在无线Mesh网中,不再存在中心节点,因此需要采用分布式的多址接入控制方法。

4.QDMA技术

　　QDMA(QuadDivisionMultipleAccess)是频分多址、时分多址、码分多址、带有避免冲突的载波侦听多路存取协议的结合技术,提高了频谱利用率和抗干扰特性。QDMA使用直接序列扩频(DSSS)调制技术,使用了4个分离的、不重叠的信道,其中3个是数据信道,1个是控制信道。智能实时监测数据信道和控制信道的功能使QDMA可以智能地选定3个数据信道中任何一个最理想的信道传输数据。因此,当实时监测发现干扰时,QDMA能自动地屏蔽掉发生冲突的信道,选用其他无干扰的信道,有效地避免了干扰的发生。

5.动态资源分配

　　多址接入。相邻节点共享频段。

　　全网频段分配。在无线Mesh网中,没有严格意义上的小区边界,每个频段使用的范围可以根据实际情况来划分,频率分配的主要目的是增加高密度用户区的系统容量。一种简单的方法是将Mesh网划分成多个分配区域。相隔较远的区域可以重复使用频段。

　　功率控制是动态资源分配的另一个重要的方面,通过合适的功率控制,实现系统内用户节点之间的干扰最小化,同样能提高系统容量并减少各个节点上的能耗。

6.无线交换技术

　　交换方式的选择对整个网络的业务性能有很大的影响。承载的业务满足多业务QoS支持的要求,网络层一般使用分组交换。

　　基于IP的分组交换,对实时业务的服务质量不能很好保证;ATM需要额外的带宽消耗和复杂的协议;及MPLS。另外,选择交换方式时还要考虑到无线Mesh网的特性,如链路的可靠性较差、节点的加入和退出、多跳对延时的影响等。

7.无线路由算法

　　目前几种典型的路由协议有:目的序列距离矢量路由协议DSDV、动态源路由协议DSR、临时按序路由算法TORA和Adhoc按需距离矢量路由协议AODV等。

8.安全性

　　用户鉴权和数据加密。如何识别新加入用户节点的身份并对空中传输的用户数据进行加密保证网的安全性。包括:网络管理。如何提供一个简单的界面对全网进行管理、配置、监控、计费等;干扰共存。在使用同一频段时,如何与其他系统,如点到多点固定宽带无线接入网、无线局域网等共存。 

      (1)覆盖范围的扩大:现今Wi-Fi网络的传输距离最大只有300m。而且由于其穿透能力差,不能穿过金属,水或其它密度高的材料。所以通常情况下,在一般的居家或办公室里,Wi-Fi网络的传输距离大约为25～50m,且容易出现“盲点”。而基于无线Mesh网络的多跳路由性和其近似无限的扩展性,可以轻易地做到更大区域的完全覆盖。

　　(2)健壮性:实现网络健壮性通常的方法是使用多路由器来传输数据。如果某个路由器发生故障,信息由其他路由器通过备用路径传送。E-mail就是这样一个例子,邮件信息被分成若干数据包,然后经多个路由器通过Internet发送,最后再组装成到达用户收件箱里的信息。Mesh网络比单跳网络更加健壮,因为它不依赖某一个单一节点的性能。在Mesh网络结构中,由于每个节点都有一条或几条传送数据的路径。如果最近的节点出现故障或者受到干扰,数据包将自动路由到备用路径继续进行传输,整个网络的运行不会受到影响。

　　(3)结构灵活:在单跳网络中,设备必须共享AP。如果几个设备要同时访问网络,就可能产生通信拥塞并导致系统的运行速度降低。而在多跳网络中,设备可以通过不同的节点同时连接到网络,因此不会导致系统性能的降低。无线Mesh网络还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能。在无线Mesh网络中,每个设备都有多个传输路径可用,网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由,从而有效地避免了节点的通信拥塞。而目前单跳网络并不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。

　　(4)更高带宽:无线通信的物理特性决定了通信传输的距离越短就越容易获得高带宽,因为随着无线传输距离的增加,各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加。因此选择经多个短跳来传输数据将是获得更高网络带宽的一种有效方法,而这正是无线Mesh网络的优势所在。