新一代寬帶無線網絡結構

2019-11-03 09:06:19

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樊自甫萬曉榆重慶郵電學院信科股份有限公司

　　近年來，WLAN在接入領域中得到了迅速發展，依其所具有的巨大數據傳輸速率，WLAN也被認為是3G或3G后移動數據通信部分的一個主要競爭對手。但WLAN也有其不足之處，其中最主要的一個便是接入點（AP）的覆蓋范圍較為有限，若要在一個相對較大的區域提供無線覆蓋，就需要在該地區內配置多個接入點，因而增加了建設基于WLAN的公共寬帶網的成本。雖然人們對此提出了一些解決方法，如通過多種無線技術的共存來提高無線的覆蓋和位置的適應性等等，但這些方法中大多是以增加接入點或降低網絡運行效率為代價。于是人們把目光轉向了另一種網絡結構——Wireless Mesh（無線網狀網），希望通過這種全新的網絡結構來克服傳統無線網絡中所存在的固有缺點，實現無線寬帶領域中的一次變革。

　　Wireless Mesh的結構

　　通常我們可以把無線網絡結構分成兩種：一種是點到多點的星型網絡，如IEEE802.11無線LAN；一種是點對點的網狀網絡，如移動Ad hoc網絡（MANET）。通常認為，Wireless Mesh是點對點網絡的一種，把它看成是移動Ad hoc技術的一種簡化版本。但兩者又有一定的區別，主要的不同在于網絡結構的連接上，即Wireless Mesh中的接入點既可以作為MANET的一種對等的數據轉發實體，又可作為一連接到其它有線網絡的橋接器。實際上，Wireless Mesh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（圖4），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。Wireless Mesh與傳統無線星型網絡的差別在于：Wireless Mesh采用了對等式的網絡拓撲，需要在一種分散式網絡環境中進行構建。

　　如圖1所示，Wireless Mesh中主要存在著兩種網絡實體：移動節點（MN）與接入點（AP），與傳統點對多點網絡不同，Wireless Mesh的每個節點都具備路由選擇的功能，而且每個節點只與其臨近節點進行通信，在網絡中MN既是業務的使用者又是業務的提供者，也就是說它具有數據的轉發功能，可以向網絡中的其它節點（MN或AP）轉發它所接收到的數據包，因而Wireless Mesh也是一種自組織和自管理網絡。

　　圖2是Wireless Mesh的協議堆，從圖2中可以看出，為提供多次反射無線路由功能，在AP和MN都執行WMR路由協議。而且，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，這樣一來，在不需要對其它協議層做太大改動的情況下便可以很好地執行WMR協議。因此，通過圖2的軟件結構，WMR能夠較好地工作于現有的各種無線標準（如802.11b、802.11e）和現有的多數應用中。

　　與傳統無線星型網絡的比較

　　從以上介紹中可以看出，Wireless Mesh在組網與選路等特征上與傳統無線網絡存在著明顯的區別。實際上，Wireless Mesh更像是Internet網絡的一種無線版本，由于節點只和其臨近節點通信，從一個節點發出的數據包將根據WMR協議的配置逐點（hop）傳遞到目的節點。這種結構與傳統點對多點網絡結構相比具有較多的優勢，主要表現在下列幾個方面：

　　可靠性提高

　　通常提高網絡可靠性的方法是讓每個節點使用多條路徑進行接續，以便鏈路出現故障時不會影響整個網絡。而在傳統的點對多點網絡中，節點的接入采用了星型（Star）結構，即多個節點將首先接入到一個中心點，再由中心點接入到網絡中。這樣一來，若其中某一節點出故障，特別是中心點出現了故障將會影響到整個網絡的正常工作，因而這種網絡結構的可靠性得不到很好的保證。例如：在蜂窩移動通信系統中，星型結構的中心便是移動交換中心（MSC），位于周邊的若干個BTS首先接入到一個BSC上，然后再通過BSC連接到MSC（圖4），若其中某一BTS與BSC間的鏈路出故障，則此BTS便無法接入MSC。為提高網絡的可靠性，目前的點對多點網絡中也采用了一些保護措施。如MHSP（Monitored Hot-Standby PRotection），為主鏈路配置后備鏈路，此方法雖然簡單，但每條路徑都需要配備有兩個獨立的鏈路和一個保護交換，而且同時只能有一個信道用于業務的傳送，大大降低了信道帶寬的使用效率。而在Wireless Mesh（圖3）中，鏈路為網狀結構，每個節點可使用的鏈路數大大增加，且每個網絡節點都具有選路功能，如果其中的某一條鏈路出了故障，節點便可以自動轉移到其它可選鏈路進行接入，因而對網絡的可靠性有了很大程度的提高。從圖3中我們還可以看出，BTS與BSC之間采用了無線連接方式，這也給出了蜂窩移動通信系統在采用Mesh拓撲后的不同之處。

　　碰撞減輕Wireless Mesh可以較大程度地減輕了業務執行時碰撞現象的發生。Wireless Mesh中提供了多個可選路徑，業務在執行過程中受路徑碰撞的影響便會降低，而且，Wireless Mesh中還提供了碰撞保護機制，那些未經認證的無線鏈路若能去執行Mesh業務而引起碰撞時，系統將自動對此碰撞與鏈路進行標識，并將在此鏈路上執行的業務轉移到可選鏈路中。另外，在Wireless Mesh節點中的可選鏈路與本身鏈路的夾角通常為一鈍角，甚至為相反方向（圖3），這為減輕鏈路間的干擾創造了條件，我們知道，天氣對無線信道會有一定的影響，如雨天會對無線鏈路造成一定的功率衰減，但是天氣的影響是局部的、有方向性的，通常同一方向的可選路由或可選鏈路處于這種天氣條件下的幾率要大于方向相差較大的可選路由或鏈路，因而呈鈍角關系的路由或鏈路受到這種天氣因素的影響便會大大降低，這也從一個側面減輕了業務執行時發生碰撞的可能性。

　　簡化無線鏈路設計與星型網絡相比，Wireless Mesh在無線鏈路的設計上也有所簡化，主要體現在兩個方面：一是Wireless Mesh的節點間呈網狀或環狀連接，相距較遠的節點間通信時的數據包將通過多個節點的轉發，逐點傳遞到目的節點。但在星型網絡中，較遠節點的數據包通常是用一個較長鏈路連接到某一中心點，再由此中心點轉發此數據包。與點對多點鏈路相比，Wireless Mesh無線鏈路的長度通常更短，因而Wireless Mesh對天線傳輸距離與性能的要求便會大大降低，降低了天線的成本；二是無線鏈路越短，所需的發射功率越低，降低了射頻信號間的干擾，從而也減少了整個網絡的自干擾現象。

　　可測量性

　　與星型網絡相比，Wireless Mesh是一種對等網絡，網絡中的每個節點是對等的，這樣連接到一共同節點的鏈路數目就會減少，因而需要進行信道分配的無線鏈路數目也會隨之減少，增加了網絡的可測量性。另外，對于網絡帶寬的配置，可以通過對接入點（AP）的配置來完成，而且還可以通過運行在節點和接入點上的Wireless Mesh路由（WMR）協議對不同業務進行帶寬的匹配，實現不同業務間帶寬的平衡。因而與星型網絡相比，Wireless Mesh網絡具有更好的可測量性。

　　維護簡便Wireless Mesh簡化了網絡的維護與升級，如前所述，每個節點都有多條可選路由，因而局部地區的升級與擴容將不會影響到整個網絡的運行，方便了網絡的維護與操作。

　　Wireless Mesh的需求

　　盡管Wireless Mesh有上述優點，但這些優點也是建立在對網絡的某些特定需求之上：首先，Wireless Mesh的每個節點都具有路由選擇功能，因而每個網絡節點都需要配置若干條路由，并對其進行控制與管理，增加了節點的負擔；其次，與無線星型網絡相比，Wireless Mesh需要在節點間建立更多的無線鏈路，如果網絡較為稀疏，一環狀網絡將需要有N+1條無線鏈路，如果網絡較為密集，就大約需要有2N條鏈路；最后，使用Wireless Mesh時需要對網絡的結構進行重新設計，使網絡中的每個節點都具有路由選擇功能，必要的話還需要對部分鏈路的容量重新配置。為此，在設計Wireless Mesh時采用了一種分層機制，即在需求較低的鏈路上使用低容量鏈路，在需求較高的鏈路上使用高容量鏈路，在圖4中以蜂窩移動系統為例對此進行了說明。

　　隨著網絡的不斷發展，傳統點對多點（即星型）網絡將變得越來越復雜，對數據率的要求也將越來越高，網絡節點必須能夠支持和維護多種不同類型的數據流，使得網絡的運行效率大大降低；而且，傳統星型網絡的可靠性也有待提高，雖然目前也采用了一些提高網絡可靠性的措施，但大多要以降低帶寬使用效率或增加成本為代價；另外，傳統星型網絡在操作與維護的費用、安裝與擴容的速度、位置的適應性、可測量性等均存在著諸多不足。從文中的分析我們可以看出，在點對點的網狀網絡中以上這些指標的性能將會有較大的提高。目前，Wireless Mesh正處于研究與初步應用階段，人們也正在努力尋求Wireless Mesh技術與其它技術（如智能天線、UWB等）的融合，希望通過對這些先進技術的引入來提高Wireless Mesh的性能，如美國的SkyPilot公司將智能天線技術應用于Wireless Mesh中，并成功實現了頻譜的重復使用，大大提高了頻譜的利用率。Wireless Mesh在軍事與無線組網等領域必會有廣泛的應用前景，并有望給無線寬帶領域帶來一場重大變革。

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