无线Mesh网络的概述

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无线Mesh网络的概述

喻继燊

随着无线通信和移动计算技术的飞速发展，人们对无线宽带接入提出更高的要求，作为“最后一公里”宽带无线接入非常重要的技术之一的无线Mesh网络正倍受科学家和工程师的关注。无线Mesh网络又称无线网状网或无线网格网，它融合了无线局域网WLAN和AdHoc网络的优势，是一种大容量、高速率、覆盖范围广的网络。同时无线Mesh网络的分层拓扑结构能够提供传输可靠，覆盖全球，可扩展性好以及前期投资低的特性，是无线宽带接入Internet的一个理想解决方案。
技术原理无线Mesh网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，具有极高的组网自由度。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。
主要优点1、可靠性增强
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地降低铺设速度。而无线Mesh网络到Internet仅仅只有几个接入点，故这种网络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。
同其他接入网技术的比较1、无线Mesh网络与蜂窝网络的比较
（1）传输速率的提高：在当前的采用无线Mesh网络技术的网络中，可以融合其他无线网络技术（如Wi-Fi、UWB等），理论上速率可以达到54Mbit/s，甚至更高。而目前正在发展中的3G技术，其理论传输速率在高速移动环境中仅支持144Kbit/s，步行慢速移动环境中支持384Kbit/s，即使是在静止状态下也才达到2Mbit/s。
（2）投资成本低：无线Mesh网络节约了骨干网络的建设成本，不仅其基础设施AP、IR（IntelligentRouter，智能路由器）、WR要比蜂窝移动通信系统中的基站等设备便宜，而且网络的配置和维护也要简单方便得多。
2、无线Mesh网络与WLAN（Wi-Fi）的比较
（1）覆盖范围的扩大：现今Wi-Fi网络的传输距离最大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。
3、无线Mesh网络与WiMAX的比较
WiMAX是当前市场比较看好的技术，定位在无线IP城域网，包含802.16a和802.16e。802.16a的标准已经制定，只支持视线范围传输，固定点接入，支持点对点或点对多点组网；802.16e标准尚处在开发阶段，将会支持非视线传输和具有一定的移动性。目前还没有推出WiMAX成熟的商用化产品。非常有意思的是，Mesh是有了商用化产品，标准刚刚开始制定，而WiMAX却是有了标准，还没有商用化产品。从市场角度讲，无线Mesh与802.16a虽然都是城域网应用，但是不会产生任何竞争，无线Mesh是移动城域网，目标是为专网中的个体提供移动宽带服务；而802.11a解决的点对点或点对多点的固定接入。待802.16e产品(加入了移动性能)出来，可能会与无线网状网有竞争关系，但因目前标准还未出来，所以还存在着一些不确定的因素。
总体来说，在占有市场空间方面，无线网状网已经先于WiMAX、3G进入市场。同时，无线网状网也可以依靠已被市场接受的Wi-Fi终端迅速发展起来。从技术上分析，无线网状网、Wi-Fi和WiMAX彼此可以相互补充，共同组成无线城域网。Wi-Fi以低廉的成本，普及的应用占据末端局域网接入市场，WiMAX则可以作为城域范围的固定点接入，无线网状网能够实现城域范围内的移动宽带专用通信网。当然，随着技术和市场的不断发展，无线网状网与将来的802.16e和3G在业务层面上的确存在着重叠的地方，由此也会带来一定的竞争，但目前所能得出的结论则是：它们之间的互补性要大于竞争性。
广泛的应用Mesh网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。
1、家庭
无线Mesh网络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网络可以连接台式PC机、笔记本电脑、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。在家庭无线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。无线Mesh网络在家庭应用中的另外一个好处是它能够支持带宽高度集中的应用，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网络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、图书馆和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。而使用无线Mesh网络方式组网，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
无线Mesh网络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。医院的网络存在布线比较困难和对网络的健壮性要求很高的特点。
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
无线Mesh网络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。无线Mesh网络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、交易会或灾难救援等，无线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，使用无线Mesh网络来组网可以将成本降到最低。
小结作为一种新型的网络，由于其组网快速灵活，接入速率高，覆盖范围广，投资较小，技术相对成熟，网络建设时间短，便于升级等优点，将对于网络运营商具有巨大的诱惑力。
在此，我们认为，无线Mesh网络既是WLAN的延伸，又可以作为3G的补充，也可与WiMAX相辅相成，亦解决了无线接入的“最后一公里”的瓶颈问题。无线Mesh网络不仅在战场、救灾等特殊领域也有着不可替代的作用，同时在我们的日常公共通信服务中也有着巨大的应用潜力。因而无线Mesh网技术将给无线宽带领域带来重大变革。