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無線Mesh網絡技術及其應用

作者: 深方科技 時間:2020-07-22 來源:www.beingbatman.com
摘要:近幾年無線網絡有著突飛猛進的發展,針對不同的應用及需求涌現出了許多新的無線通信技術及標準,而無線網狀網就是其中一項倍受人們關注的新技術。...

       近幾年無線網絡有著突飛猛進的發展,針對不同的應用及需求涌現出了許多新的無線通信技術及標準,而無線網狀網就是其中一項倍受人們關注的新技術。WMN 是一種新組網技術,即網狀網絡。其拓撲結構是動態的,具有自組織、自愈合的功能即不需要人為干預就可以自動組成網絡,且每個終端可以自由的加入或退出。在信息傳遞的時候通過多跳的方式將信息不斷地轉發直到目的終端。如果運用該技術來對無線傳感器、Wi-Fi(Wireless Fidelity)、WiMAX(worldwide inter-operability for microwave access)等技術進行組網,就可以延伸它們的應用范圍、強化它們的功能,從而組成無線傳感器網絡、提高無線局域網的覆蓋范圍、組建城域網。也因為其廣闊的應用前景,從而被人們越來越關注并應用到生活與工作中。

1 WMN 技術

1.1 技術原理

       無線 Mesh 網是低功率的多級跳點(multihop)系統,它們處理消息的方式是把信息包從一個節點傳遞到另一個節點,直到信息包到達目的地。點到點網絡節點過濾掉所有信息包,只留下自己的信息包,與此不同的是,網狀網節點接收要傳給其它節點的信息包,并把它們再次傳送出去。每個無線 Mesh 網絡的節點可以作為接入終端,也可具有路由和信息轉發功能,具有極高的組網自由度。無線 Mesh網絡運行方式很象因特網,并提供從源頭到目的地的多條冗余通信路徑。如果一條路徑由于硬件故障或干擾而停止工作,網狀網會自動改變信息包的路由,使它們穿過一條替代路徑。

1.2 網絡結構

       WMNs 的節點有 2 種類型:路由器或客戶機,其中組成網絡骨干的路由器移動性很小,他們提供網狀網與其他網絡(如Internet、蜂窩網、IEEE802、傳感網)連接的網關和路橋功能;客戶機可以是靜止或移動的,客戶機間可自己組網或與網狀網的路由器共同組網。

1.3主要特點

       無線多跳。通過降低無線節點的發射功率,實現了節點間的多跳傳輸,既可有效降低節點能耗,又降低了節點間的干擾,提高了無線信道的空間復用度,從而提高了網絡的容量。

       自組織、自修復能力。無線網狀網組網方式靈活、易于配置、可自我修復、節點呈網狀分布,網絡擴展性很強,可實現多點到多點的無線通信。
       移動性。取決于節點的類型,要求路由節點移動性最小,客戶機節點可靈活移動。

       接入方式。靈活多樣,可分別與 Internet、蜂窩網、傳感網等共同組網。

       能耗方式。通常對路由節點的耗能沒有嚴格的限制,而對客戶機節點通常要求執行功率有效的協議。

       兼容性與互操作性。與現存的無線網絡兼容良好,互操作性強。

2 WMN 協議

       從另一角度看 WMN 拓樸和架構分析,它吸收了星型與網狀兩種網絡的優點,是對兩者的一種無縫融合。而這種融合是通過在網絡節點上執行 WMR(Wireless Mesh Routing)協議來完成的(見圖 1)。

圖1 基于 WMP 的 WMN 協議.jpg

圖1 基于 WMP 的 WMN 協議

       從圖 1 中可以看出,為提供多次反射無線路由功能,在接入點和移動節點都執行 WMR 路由協議。同時為實現與 IP 的兼容,WMR 被作為一中間層協議放置在 MAC 層和IP 層之間,從而在不需要對其他協議層做太大改動的情況下便可以很好地執行 WMR 協議。這樣就使得 WMR 能夠較好地與現有多數應用(包括以 802.11x 代表的無線標準)兼容。

3 WMN 的優勢

WMN 與傳統無線網絡相比有許多優勢

(1)可靠性大大增強

       WMN 采用的網格拓撲結構避免了點對多點星型結構,如 802.11WLAN 和蜂窩網等由于集中控制方式而出現的業務匯聚、中心網絡擁塞以及干擾、單點故障,從而帶來額外可靠性保證成本投資。

(2)具有沖突保護機制

       WMN 可對產生碰撞的鏈路進行標識同時可選鏈路與本身鏈路之間的夾角為鈍角,減輕了鏈路間的干擾。

(3)簡化鏈路設計

      WMN 通常需要較短的無線鏈路長度,這樣降低了天線的成本(傳輸距離與性能),另一方面,降低了發射功率,也將隨之降低不同系統射頻信號間的干擾和系統自干擾,最終簡化了無線鏈路設計。

(4)網絡的覆蓋范圍增大

      由于 WR 與 IAP 的引入,終端用戶可以在任何地點接入網絡或與其他的節點聯系,與傳統的網絡相比接入點的范圍大大的增強,而且頻譜的利用率提高,系統的容量增大。

(5)組網靈活、維護方便

      由于 WMN 網絡本身的組網特點,只要在需要的地方加上 WR 等少量的無線設備,即可與已有的設施組成無線的寬帶接入網。WMN 網絡的路由選擇特性使鏈路中斷或局部擴容和升級不影響整個網絡運行,因此提高了網絡的柔韌性和可行性,和傳統網絡相比功能更強大、更完善。

4 實際應用

Mesh 網絡在家庭、企業和公共場所等諸多領域都具有廣闊的應用前景。

(1)家庭

      無線 Mesh 網絡的一個重要用處就是用于建立家庭無線網絡。家庭式無線 Mesh 網絡可以連接臺式 PC 機、筆記本電腦、HDTV、DVD 播放器、游戲控制臺,以及其他各種消費類電子設備,而不需要復雜的布線和安裝過程。在家庭無線 Mesh 網絡中,各種家用電器既是網上的用戶,也作為網絡基礎設施的組成部分為其他設備提供接入服務。當家用電器增多時,這種組網方式可以提供更多的容量和更大的覆蓋范圍。無線 Mesh 網絡在家庭應用中的另外一個好處是它能夠支持帶寬高度集中的應用,如高清晰度視頻等。

(2)企業

      目前,企業的無線通信系統大都采用傳統的蜂窩電話式無線鏈路,為用戶提供點到點和點到多點傳輸。無線 Mesh 網絡則不同,它允許網絡用戶共享帶寬,消除了目前單跳網絡的瓶頸,并且能夠實現網絡負載的動態平衡。在無線 Mesh 網絡中增加或調整 AP 也比有線 AP 更容易、配置更靈活、安裝和使用成本更低。尤其是對于那些需要經常移動接入點的企業,無線 Mesh 網絡的多跳結構和配置靈活將非常有利于網絡拓樸結構的調整和升級。

(3)學校

      校園無線網絡與大型企業非常類似,但也有自己的不同特點。一是校園 WLAN 的規模大,不僅地域范圍大,用戶多,而且通信量也大,因為與一般企業用戶相比學生會更多地使用多媒體;二是網絡覆蓋的要求高,網絡必須能夠實現室內、室外、禮堂、宿舍、圖書館和公共場所等之間的無縫漫游;三是負載平衡非常重要,由于學生經常要集中活動,當學生同時在某個位置使用網絡時,就可能發生通信擁塞現象。

      解決這些問題的傳統作法是在室內高密度地安裝 AP,而在室外安裝的 AP 數量則很少。但由于校園網的用戶需求變化較大,有可能經常需要增加新的 AP 或調整 AP 的部署位置, 這會帶來很大的成本增加。而使用無線 Mesh 網絡方式組網,不僅易于實現網絡的結構升級和調整,而且能夠實現室外和室內之間的無縫漫游。

(4)醫院

      無線 Mesh 網絡還為像醫院這樣的公共場所提供了一種理想的聯網方案。由于醫院建筑物的構造密集而又復雜,一些區域還要防止電磁輻射,因此是安裝無線網絡難度最大的領域之一。醫院的網絡存在布線比較困難和對網絡的健壯性要求很高的特點。采用無線 Mesh 組網則是解決這些問題的理想方案。如果要對醫院無線網絡拓撲進行調整,只需要移動現有的 Mesh 節點的位置或安裝新的 Mesh 節點就可以了,過程非常簡單,安裝新的 Mesh 節點也非常方便。而無線 Mesh 的健壯性和高帶寬也使它更適合于在醫院中部署。

(5)旅游休閑場所

      無線 Mesh 網絡非常適合于在那些地理位置偏遠布線困難或經濟上不合算,而又需要為用戶提供寬帶無線 Internet 訪問的地方,如旅游場所、度假村、汽車旅館等。無線 Mesh 網絡能夠以最低的成本為這些場所提供寬帶服務。

(6)快速部署和臨時安裝

      對于那些需要快速部署或臨時安裝的地方,如展覽會、交易會或災難救援等,無線 Mesh 網絡無疑是最經濟有效的組網方法。比如,如果需要臨時在某個地方開幾天會議或辦幾天展覽,使用無線 Mesh 網絡來組網可以將成本降到最低。

5 結語

      WMN 不僅在家庭、企業和公共場所等諸多領域都具有廣闊的應用前景,在其他方面如結合數據、圖像采集模塊可以對目標對象進行監控或數據采集,并廣泛應用到環境檢測、工業、交通等等領域。隨著其他技術的不斷更新完善,WMN 更好的與之相融合、互補從而能夠揚長避短發揮出各自的優勢。


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