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      無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用
      
    
      
    
      作者： 深方科技 時間：2020-07-22 來源：www.qzykl.com 
      
    
      摘要：近幾年無線網(wǎng)絡(luò)有著突飛猛進的發(fā)展，針對不同的應(yīng)用及需求涌現(xiàn)出了許多新的無線通信技術(shù)及標準，而無線網(wǎng)狀網(wǎng)就是其中一項倍受人們關(guān)注的新技術(shù)。...
      
    
      
      
             近幾年無線網(wǎng)絡(luò)有著突飛猛進的發(fā)展，針對不同的應(yīng)用及需求涌現(xiàn)出了許多新的無線通信技術(shù)及標準，而無線網(wǎng)狀網(wǎng)就是其中一項倍受人們關(guān)注的新技術(shù)。WMN 是一種新組網(wǎng)技術(shù)，即網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其拓撲結(jié)構(gòu)是動態(tài)的，具有自組織、自愈合的功能即不需要人為干預(yù)就可以自動組成網(wǎng)絡(luò)，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(zhuǎn)發(fā)直到目的終端。如果運用該技術(shù)來對無線傳感器、Wi-Fi(Wireless Fidelity)、WiMAX(worldwide inter-operability for microwave access)等技術(shù)進行組網(wǎng)，就可以延伸它們的應(yīng)用范圍、強化它們的功能，從而組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、提高無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍、組建城域網(wǎng)。也因為其廣闊的應(yīng)用前景，從而被人們越來越關(guān)注并應(yīng)用到生活與工作中。
      1 WMN 技術(shù)
      1.1 技術(shù)原理
             無線 Mesh 網(wǎng)是低功率的多級跳點(multihop)系統(tǒng)，它們處理消息的方式是把信息包從一個節(jié)點傳遞到另一個節(jié)點，直到信息包到達目的地。點到點網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點接收要傳給其它節(jié)點的信息包，并把它們再次傳送出去。每個無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以作為接入終端，也可具有路由和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，具有極高的組網(wǎng)自由度。無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)運行方式很象因特網(wǎng),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(wǎng)狀網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
             WMNs 的節(jié)點有 2 種類型：路由器或客戶機，其中組成網(wǎng)絡(luò)骨干的路由器移動性很小，他們提供網(wǎng)狀網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)(如Internet、蜂窩網(wǎng)、IEEE802、傳感網(wǎng))連接的網(wǎng)關(guān)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(wǎng)或與網(wǎng)狀網(wǎng)的路由器共同組網(wǎng)。
      1.3主要特點
             無線多跳。通過降低無線節(jié)點的發(fā)射功率，實現(xiàn)了節(jié)點間的多跳傳輸，既可有效降低節(jié)點能耗，又降低了節(jié)點間的干擾，提高了無線信道的空間復(fù)用度，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的容量。
             自組織、自修復(fù)能力。無線網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式靈活、易于配置、可自我修復(fù)、節(jié)點呈網(wǎng)狀分布，網(wǎng)絡(luò)擴展性很強，可實現(xiàn)多點到多點的無線通信。
             移動性。取決于節(jié)點的類型，要求路由節(jié)點移動性最小，客戶機節(jié)點可靈活移動。
             接入方式。靈活多樣，可分別與 Internet、蜂窩網(wǎng)、傳感網(wǎng)等共同組網(wǎng)。
             能耗方式。通常對路由節(jié)點的耗能沒有嚴格的限制，而對客戶機節(jié)點通常要求執(zhí)行功率有效的協(xié)議。
             兼容性與互操作性。與現(xiàn)存的無線網(wǎng)絡(luò)兼容良好，互操作性強。
      2 WMN 協(xié)議
             從另一角度看 WMN 拓樸和架構(gòu)分析，它吸收了星型與網(wǎng)狀兩種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，是對兩者的一種無縫融合。而這種融合是通過在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上執(zhí)行 WMR（Wireless Mesh Routing）協(xié)議來完成的（見圖 1）。
      圖1 基于 WMP 的 WMN 協(xié)議.jpg
      圖1 基于 WMP 的 WMN 協(xié)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(jié)點都執(zhí)行 WMR 路由協(xié)議。同時為實現(xiàn)與 IP 的兼容，WMR 被作為一中間層協(xié)議放置在 MAC 層和IP 層之間，從而在不需要對其他協(xié)議層做太大改動的情況下便可以很好地執(zhí)行 WMR 協(xié)議。這樣就使得 WMR 能夠較好地與現(xiàn)有多數(shù)應(yīng)用（包括以 802.11x 代表的無線標準）兼容。
      3 WMN 的優(yōu)勢
      WMN 與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比有許多優(yōu)勢
      (1)可靠性大大增強
             WMN 采用的網(wǎng)格拓撲結(jié)構(gòu)避免了點對多點星型結(jié)構(gòu)，如 802.11WLAN 和蜂窩網(wǎng)等由于集中控制方式而出現(xiàn)的業(yè)務(wù)匯聚、中心網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)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(shè)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(fā)射功率，也將隨之降低不同系統(tǒng)射頻信號間的干擾和系統(tǒng)自干擾，最終簡化了無線鏈路設(shè)計。
      (4)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)或與其他的節(jié)點聯(lián)系，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的容量增大。
      (5)組網(wǎng)靈活、維護方便
            由于 WMN 網(wǎng)絡(luò)本身的組網(wǎng)特點，只要在需要的地方加上 WR 等少量的無線設(shè)備，即可與已有的設(shè)施組成無線的寬帶接入網(wǎng)。WMN 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)運行，因此提高了網(wǎng)絡(luò)的柔韌性和可行性，和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比功能更強大、更完善。
      4 實際應(yīng)用
      Mesh 網(wǎng)絡(luò)在家庭、企業(yè)和公共場所等諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。
      (1)家庭
            無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的一個重要用處就是用于建立家庭無線網(wǎng)絡(luò)。家庭式無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，而不需要復(fù)雜的布線和安裝過程。在家庭無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中，各種家用電器既是網(wǎng)上的用戶，也作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分為其他設(shè)備提供接入服務(wù)。當家用電器增多時，這種組網(wǎng)方式可以提供更多的容量和更大的覆蓋范圍。無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)在家庭應(yīng)用中的另外一個好處是它能夠支持帶寬高度集中的應(yīng)用，如高清晰度視頻等。
      (2)企業(yè)
            目前，企業(yè)的無線通信系統(tǒng)大都采用傳統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)則不同，它允許網(wǎng)絡(luò)用戶共享帶寬，消除了目前單跳網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，并且能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載的動態(tài)平衡。在無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)中增加或調(diào)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(jīng)常移動接入點的企業(yè)，無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)的多跳結(jié)構(gòu)和配置靈活將非常有利于網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級。
      (3)學(xué)校
            校園無線網(wǎng)絡(luò)與大型企業(yè)非常類似，但也有自己的不同特點。一是校園 WLAN 的規(guī)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(yè)用戶相比學(xué)生會更多地使用多媒體；二是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的要求高，網(wǎng)絡(luò)必須能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)、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(xué)生經(jīng)常要集中活動，當學(xué)生同時在某個位置使用網(wǎng)絡(luò)時，就可能發(fā)生通信擁塞現(xiàn)象。
            解決這些問題的傳統(tǒng)作法是在室內(nèi)高密度地安裝 AP，而在室外安裝的 AP 數(shù)量則很少。但由于校園網(wǎng)的用戶需求變化較大，有可能經(jīng)常需要增加新的 AP 或調(diào)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(wǎng)絡(luò)方式組網(wǎng)，不僅易于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)升級和調(diào)整，而且能夠?qū)崿F(xiàn)室外和室內(nèi)之間的無縫漫游。
      (4)醫(yī)院
            無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)還為像醫(yī)院這樣的公共場所提供了一種理想的聯(lián)網(wǎng)方案。由于醫(yī)院建筑物的構(gòu)造密集而又復(fù)雜，一些區(qū)域還要防止電磁輻射，因此是安裝無線網(wǎng)絡(luò)難度最大的領(lǐng)域之一。醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)存在布線比較困難和對網(wǎng)絡(luò)的健壯性要求很高的特點。采用無線 Mesh 組網(wǎng)則是解決這些問題的理想方案。如果要對醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)拓撲進行調(diào)整，只需要移動現(xiàn)有的 Mesh 節(jié)點的位置或安裝新的 Mesh 節(jié)點就可以了，過程非常簡單，安裝新的 Mesh 節(jié)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(yī)院中部署。
      (5)旅游休閑場所
            無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)非常適合于在那些地理位置偏遠布線困難或經(jīng)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(wǎng)絡(luò)能夠以最低的成本為這些場所提供寬帶服務(wù)。
      (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(zāi)難救援等，無線 Mesh 網(wǎng)絡(luò)無疑是最經(jīng)濟有效的組網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)來組網(wǎng)可以將成本降到最低。
      5 結(jié)語
            WMN 不僅在家庭、企業(yè)和公共場所等諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，在其他方面如結(jié)合數(shù)據(jù)、圖像采集模塊可以對目標對象進行監(jiān)控或數(shù)據(jù)采集，并廣泛應(yīng)用到環(huán)境檢測、工業(yè)、交通等等領(lǐng)域。隨著其他技術(shù)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(fā)揮出各自的優(yōu)勢。

       
      
    
      
    
       
       
      
       
      
    
      
    
      
    
  
      
  
      
    
    
      
  
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