基于WLAN實現(xiàn)mesh網絡的多跳無線擴展的設計

引言

無線局域網近年來在機場、酒吧、家庭等地方已實現(xiàn)WLAN的覆蓋，從而使用戶擺脫了有線上網的束縛而獲得了極大的方便。為了以無線的方式實現(xiàn)更大范圍的覆蓋，WLAN中的接入點AP應添加無線mesh路由功能，同時這種AP也將成為mesh路由器，以負責本地接入和其他AP的分組轉發(fā)，最終通過無線連接組成多跳的接入骨干網，也就是mesh網絡。

1、WLAN Mesh網絡結構

圖1所示是WLAN Mesh網絡結構示意圖。在圖1中，Mesh路由器通過無線連接組成接入骨干網再，骨干網通過mesh網關實現(xiàn)internet的接人。每個用戶節(jié)點在本地的具有AP功能的路由器上接入，然后通過路由器的路由功能多跳地接入inter-net，以實現(xiàn)WLAN的無線擴展。

Mesh網絡能夠避免無線局域網因節(jié)點的擺放位置而造成的覆蓋死角。由于mesh路由器是無線連接，因而可降低無線局域網AP有線接入inter-net的安裝成本和帶來的不便。另外，在一個社區(qū)或企業(yè)里，網絡接人一般采用電纜或DSL系列連接。有時最后一公里采用無線方式，通過無線路由器連接到電纜或DSL調制解調器。這種連接方式有很多弊端。即便是在小區(qū)內，用戶節(jié)點之間或者企業(yè)各辦公室之間共享信息也需要通過inter-net，這顯然會降低網絡資源的利用效率。而利用無線覆蓋用戶家庭或企業(yè)辦公室、不同辦公樓之間，往往會有很多覆蓋盲點，有時難以獲得無線服務。很多昂貴的寬帶網關又不能共享，必須在每個家庭或辦公樓分別安裝，這樣網絡鋪設的成本就會升高。為此，小區(qū)的每個家庭或在企業(yè)的一個辦公室、一棟樓里面也可以組成一個基于IEEE 802.11小型的網絡。它們之間不再用以太網的有線連接，而通過mesh路由器實現(xiàn)其連接。而mesh網正好可以實現(xiàn)多個無線局域網的無線互連，因而可以代替以太網的有線連接。

2、WLAN mesh網絡的信道實現(xiàn)

2.1 單電臺單信道WLAN Mesh網絡

傳統(tǒng)的WLAN Mesh路由器都是單電臺的，其組網模式如圖2所示。為便于分析，圖2中簡略了每個路由器連接的其它節(jié)點。圖中的單電臺路由器以ad-hoc模式組成骨干轉發(fā)網絡，也稱為類ad-hoc組網模式。每個路由節(jié)點的唯一一個電臺不僅為本地用戶提供接入服務，還負責為其它路由器轉發(fā)分組。像ad-hoc網絡那樣，該網絡所有的節(jié)點都在一個信道上工作，它們共享帶寬，也容易受到干擾。因此網絡的性能很低，可擴展性很差。

從圖2可以看出，使用單信道時，由于相鄰節(jié)點之間存在著干擾，所有節(jié)點不能同時接收或發(fā)送，故要在多跳范圍內用CSMA／CA MAC機制進行協(xié)調。在骨干網絡上，隨著跳數(shù)的增加，路由器分配到的帶寬將以1／n為底的指數(shù)遞減，這里，n是每個路由器本地服務的結點數(shù)加上它的下行鏈路所連接的路由器數(shù)。在圖2中，假設路由器1下行鏈路的帶寬為C，那么，路由器2平均只能分配l／4C的帶寬，這樣，路由器2的本地用戶以及路由器3共4個節(jié)點將在1／4C的帶寬上競爭接入路由器2。而路由器3的三個用戶將在（1／4）×（1／4）·C的帶寬上競爭接人?？梢姡x網關跳數(shù)越大的用戶，由于平均分配的帶寬越小，成功接人的機會就越小。圖中只是假設每個路由器的下一跳只有一個路由器，當更多的路由器接入時，網絡所支持的用戶跳數(shù)將更小。而當跳數(shù)增加到很大時，南于使用了頻率復用技術，有研究表明，分配到的帶寬可達到1／2m和l／m之間（m是跳數(shù)）。但存在著嚴重的接人不公平性和不可擴展性。可見，單信道WLAN mesh網絡不能很好的支持多跳。

2.2 多電臺多信道Mesh網絡

當今無線寬帶通信的需求為mesh網絡提出了更高的要求，internet連接不再是本地點對點的連接。數(shù)據(jù)資源在internet網絡上需要mesh網絡通過多跳的方式為用戶提供所需的帶寬。在這種新的需求下，傳統(tǒng)利用一個電臺和一個信道為所有的網絡節(jié)點提供接人的Mesh組網方式已經不適應了，因為所有的節(jié)點都在一個信道上工作，同時傳輸?shù)目赡苄圆淮螅?jié)點也不能同時發(fā)送和接收，網絡的吞吐量將大大降低。為了解決這一問題，可以使用多電臺多信道的mesh路由器來實現(xiàn)大容量的骨干組網，一般可以考慮使用兩種多信道機制。

（1） 雙電臺雙信道

圖3所示是雙電臺雙信道組網模式示意圖，它的每個路由器使用兩個電臺，其中一個電臺為本地接入服務，它工作在一個信道上，另一個電臺和其它路由器以ad-hoc方式組成Mesh骨干網，由于使用兩個電臺把接入和轉發(fā)任務分開了，因此也可稱為1+l類ad-hoc組網模式。這種方式下，兩個電臺工作于不同的頻率。如本地接入服務用2.4 GHz 802.1l b／g信道，骨干Mesh網絡則可用802.11a（5.8 GHz）信道。這樣，每個路由器就可以在服務本地接入的同時，也可以執(zhí)行轉發(fā)功能。

這種網絡中，所有的路由器都是用一個電臺實現(xiàn)轉發(fā)任務。它們都工作在同一個信道上，故不能同時收發(fā)。事實上，在整個骨干轉發(fā)網上，隨著跳數(shù)的增加，每個路南器分配到的帶寬仍然存在著隨指數(shù)減小的問題。離網關遠的路由器將處于信道接入劣勢。為了改善網絡性能，設計時可以借鑒有線網絡路由器多端口、每個端口獨立地進行收發(fā)的思想。在有線網絡中，每個路由器有多個上行和下行的端口，它們能組成一個樹形網絡。路由器保持轉發(fā)包到目的節(jié)點所需要的路由，每個路由器負責它的子網。由于上行鏈路和下行鏈路是分開的，就不存在隨著跳數(shù)的增加網絡性能下降的問題，因而可以說，有線網絡隨著跳數(shù)的增加，其帶寬是“保值”的。

（2） 三電臺多信道

三電臺多信道的WLAN結構structured Mesh網絡正是體現(xiàn)了有線網絡的組織思想，它不同于前述情況。它把無線網絡分成多個基本服務區(qū)（BSS），每個BSS和其它的BSS獨立地工作在不同的信道上。相當于每個Mesh路由器負責一個BSS，它們在骨干網的上行鏈路和下行鏈路以及提供本地連接服務上，都是工作在不同的信道上的，所以，它們之間沒有太大的干擾。節(jié)點的每個電臺可以隨時切換到別的信道以避免鄰近節(jié)點的干擾，這樣就可以同時收發(fā)。從而消除了Mesh網絡中相互競爭信道和干擾所引起的帶寬隨著跳數(shù)的增加逐漸減小的問題，實現(xiàn)了“帶寬保值”。另外，離根節(jié)點不同跳數(shù)的路由器也能機會均等地轉發(fā)和為本地客戶端提供接入服務。同時，樹形結構的網絡路由維護起來更加方便，路由尋找也更加快捷?？傊嚯娕_多信道Mesh網絡結構，可在不降低網絡性能的情況下，實現(xiàn)無線局域網更大范圍的覆蓋。圖4所示是三電臺多信道的組網模式。

3、 性能測試

為了驗證多信道WLAN mesh網絡的性能，筆者對路由器使用單電臺單信道、雙電臺1+1模式和三電臺的組網方式進行了仿真和比較。實驗結果如圖5所示。

圖中，橫坐標顯示網絡的跳數(shù)，縱坐標顯示跳數(shù)增加時，用戶節(jié)點所分配到的實際帶寬。該值能反映實際達到的吞吐量。

由圖5可見，在傳統(tǒng)的單電臺單信道ad-hoc模式中，隨著跳數(shù)的增加，用戶節(jié)點實際分配到的帶寬迅速下降，到了5跳，已基本不能支持多跳傳輸。使用雙電臺雙信道的1+1模式，也會出現(xiàn)類似的情況。而使用三電臺多信道的網絡組織時，用戶節(jié)點分配到的帶寬，就不會隨跳數(shù)的增加而迅速下降，只是因為其他的因素的干擾略微下降，總體性能比較良好。

4、 結束語

隨著基于WLAN的多跳mesh網絡的廣泛應用，傳統(tǒng)的單信道ad-hoc網絡模式已不能很好地滿足用戶多跳接人的需要。鑒于多電臺多信道能在很大程度上實現(xiàn)mesh網絡的多跳擴展，因此，它將日益引起業(yè)界的重視。

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