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无线Mesh网络技术及其应用

点击次数:574 发布时间:2020-08-11

近几年无线网络 无线传输 有着突飞猛进的发展,针对不同的应用及需求涌现出了许多新的无线通信技术及标准,而无线网状网就是其中一项倍受人们关注的新技术。WMN 是一种新组网技术,即网状网络。其拓扑结构是动态的,具有自组织、自愈合的功能即不需要人为干预就可以自动组成网络,且每个终端可以自由的加入或退出。在信息传递的时候通过多跳的方式将信息不断地转发直到目的终端。如果运用该技术来对无线传感器、Wi-Fi(Wireless Fidelity)、WiMAX(worldwide inter-operability for microwave access)等技术进行自组网,就可以延伸它们的应用范围、强化它们的功能,从而组成无线传感器网络、提高无线局域网的覆盖范围、组建城域网。也因为其广阔的应用前景,从而被人们越来越关注并应用到生活与工作中。

1 WMN 技术

1.1 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。

1.2 网络结构

       WMNs 的节点有 2 种类型:路由器或客户机,其中组成网络骨干的路由器移动性很小,他们提供网状网与其他网络(如Internet、蜂窝网、IEEE802、传感网)连接的网关和路桥功能;客户机可以是静止或移动的,客户机间可自己组网或与网状网的路由器共同组网。

1.3主要特点

       无线多跳。通过降低无线节点的发射功率,实现了节点间的多跳传输,既可有效降低节点能耗,又降低了节点间的干扰,提高了无线信道的空间复用度,从而提高了网络的容量。

       自组织、自修复能力。无线网状网组网方式灵活、易于配置、可自我修复、节点呈网状分布,网络扩展性很强,可实现多点到多点的无线通信。
       移动性。取决于节点的类型,要求路由节点移动性最小,客户机节点可灵活移动。

       接入方式。灵活多样,可分别与 Internet、蜂窝网、传感网等共同组网。

       能耗方式。通常对路由节点的耗能没有严格的限制,而对客户机节点通常要求执行功率有效的协议。

       兼容性与互操作性。与现存的无线网络兼容良好,互操作性强。

2 WMN 协议

       从另一角度看 WMN 拓朴和架构分析,它吸收了星型与网状两种网络的优点,是对两者的一种无缝融合。而这种融合是通过在网络节点上执行 WMR(Wireless Mesh Routing)协议来完成的(见图 1)。

图1 基于 WMP 的 WMN 协议

       从图 1 中可以看出,为提供多次反射无线路由功能,在接入点和移动节点都执行 WMR 路由协议。同时为实现与 IP 的兼容,WMR 被作为一中间层协议放置在 MAC 层和IP 层之间,从而在不需要对其他协议层做太大改动的情况下便可以很好地执行 WMR 协议。这样就使得 WMR 能够较好地与现有多数应用(包括以 802.11x 代表的无线标准)兼容。

3 WMN 的优势

WMN 与传统无线网络相比有许多优势

(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,如 802.11WLAN 和蜂窝网等由于集中控制方式而出现的业务汇聚、中心网络拥塞以及干扰、单点故障,从而带来额外可靠性保证成本投资。

(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),另一方面,降低了发射功率,也将随之降低不同系统射频信号间的干扰和系统自干扰,最终简化了无线链路设计。

(4)网络的覆盖范围增大

      由于 WR 与 IAP 的引入,终端用户可以在任何地点接入网络或与其他的节点联5989系,与传统的网络相比接入点的范围大大的增强,而且频谱的利用率提高,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 络 特点,只要在需要的地方加上 WR 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。WMN 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。

4 实际应用

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695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 网络无疑是经 5 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。

5 结语

      WMN 不仅在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景,在其他方面如结合数据、图像采集模块可以对目标对象进行监控或数据采集,并广泛应用到环境检测、工业、交通等等领域。随着其他技术的不断更新完善,WMN 更好的与之相融合、互补从而能够扬长避短发挥出各自的优势。

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