應(yīng)用新型Mesh技術(shù)解決WiFi網(wǎng)絡(luò)

1、應(yīng)用新型Mesh技術(shù)解決WiFi網(wǎng)絡(luò)的多跳難題   概述隨著無線mesh網(wǎng)絡(luò)的普及，其規(guī)模和復(fù)雜程度持續(xù)發(fā)展。然而多跳的mesh網(wǎng)絡(luò)遇到越來越多的難題，比如帶寬降低，無線干擾以及網(wǎng)絡(luò)時延等。譬如，在網(wǎng)絡(luò)中的每一跳吞吐量會下降多達50%，連續(xù)多跳情況下吞吐量下降得更迅速，其結(jié)果將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的嚴重降低。在語音和視頻應(yīng)用大量運行的極端情況下，時延和RF干擾將達到不可接受的程度，而導(dǎo)致連接完全中斷。傳統(tǒng)的mesh網(wǎng)絡(luò)只能提供有限的擴展性，多跳自身的難題使得它對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)部署還存在諸多疑問。因而需要一種新型結(jié)構(gòu)化的無線mesh，在其網(wǎng)絡(luò)中無論跳數(shù)多少，都能夠提供高性能和高可靠性。

2、 一、       無線mesh介紹無線局域網(wǎng)（WLAN）或者Wi-Fi®已經(jīng)不僅僅局限于小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的解決方案。由于無線所固有的高效性和靈活性，它已經(jīng)成為IT的主流，并被認為是企業(yè)級和運營級網(wǎng)絡(luò)一種行之有效的解決方案。業(yè)界中的很多企業(yè)都認識到，向無線終端提供數(shù)據(jù)和VoIP的移動性服務(wù)將獲得巨大的收益，因此他們在特定區(qū)域進行無線覆蓋或“熱區(qū)”（hot zone）來更好地服務(wù)客戶。無線覆蓋也可以擴展為大規(guī)模部署，比如城域和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，甚至實現(xiàn)覆蓋多城市傳輸應(yīng)用。無線mesh網(wǎng)絡(luò)具有諸多優(yōu)于其它類型無線部署的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢

3、主要集中在降低網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的成本安裝、維護以及運行維護等方面。以某些情況下，由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、缺少有線基礎(chǔ)設(shè)施、或者是在客戶室內(nèi)或室外位置布線成本高等原因，無線mesh網(wǎng)絡(luò)成為部署網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的唯一可行方案。 在發(fā)展歷程上，業(yè)界中有三種Wi-Fi方案： 第一代集中式網(wǎng)絡(luò)模式是一種非智能的網(wǎng)絡(luò)，相互獨立的多個接入點（AP）連接到同一個有線局域網(wǎng)中。   第二代集中式網(wǎng)絡(luò)模式是對已有交換機最簡單的一種擴展方式，大多數(shù)有線交換機設(shè)備均支持。這種模式傾向于將智能功能從AP剝離出來放到交換機中。這兩種Wi-Fi方案還存在著一個共性的問題它們不是真正的無線，只是“更

4、少的”有線。    第三代Wi-Fi mesh網(wǎng)絡(luò)是一種智能網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間能夠通過802.11無線鏈路相互連接，因此它們不需要通過有線連接到交換機上。Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以擴展通信傳輸區(qū)域，也可以同時為無線用戶和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供接入服務(wù)。如果設(shè)計的合理，mesh網(wǎng)絡(luò)可以成為高性能、高可靠并具有冗余能力，并且能夠擴展到包含成千上萬個設(shè)備。這種類型的網(wǎng)絡(luò)安裝快捷，并且不要求精細的規(guī)劃和位置選擇即可獲得可靠的通訊。簡單地移動某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或者增加一個節(jié)點就可以立即完善一個信號較弱或無信號的區(qū)域。 在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都會維持到最鄰近節(jié)點的最優(yōu)路徑。當無

5、線環(huán)境發(fā)生變化時，比如加入新節(jié)點或者發(fā)生擁塞，數(shù)據(jù)路徑會根據(jù)時延、吞吐量、噪聲等因素進行重新評估，并且mesh網(wǎng)絡(luò)會自動地進行自我調(diào)節(jié)將性能維持在最佳性能。如果某個數(shù)據(jù)路徑丟失，或者RF干擾影響了性能，網(wǎng)絡(luò)會通過重路由流量實現(xiàn)自我修復(fù)，這樣節(jié)點既可以保持連接，而且數(shù)據(jù)路徑也始終是最優(yōu)的。所有的自我調(diào)節(jié)和自我修復(fù)過程都是動態(tài)的，在后臺執(zhí)行并且是實時的對用戶而言是透明的，不需要人為干預(yù)。 在室外環(huán)境中部署網(wǎng)絡(luò)時，mesh體系架構(gòu)允許無線網(wǎng)絡(luò)繞過大的物體（比如建筑物和樹木）進行流量交換。無線mesh網(wǎng)絡(luò)能夠很容易地通過中間中繼節(jié)點繞過障礙物轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而不是試圖直接穿過障礙物。尤其在有很多

6、障礙物的城市環(huán)境或者有丘陵或山區(qū)等傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋有困難的鄉(xiāng)村區(qū)域，該方案都非常有效。 二、       實現(xiàn)無線Mesh的幾種方案無線Mesh的方案有很多種，但是大部分的方案都來源于最初的無線分布式系統(tǒng)（Wireless Distribution System, WDS）概念。WDS是一種使用無線橋接和無線repeating的無線AP模式，無線橋接也就是只能在AP之間進行通訊，AP不接受無線客戶端的訪問；而無線repeating既允許AP之間互相通訊，也允許AP與無線客戶端進行通訊。 1、單頻方案所有信息都在同一

7、信道上單頻模式是無線mesh最脆弱的方案。接入點僅使用一個信道，此信道由無線客戶端和回程流量（在AP之間轉(zhuǎn)發(fā)）共享。當更多的AP加入到網(wǎng)絡(luò)中的時候，用于回程流量的帶寬將會占據(jù)越來越高的比例，僅僅留很少一部分容量給無線客戶端。此現(xiàn)象的原因是由于無線是一個共享的媒質(zhì)。 本方案的AP不能同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。而且在其覆蓋范圍內(nèi)另一個AP正在傳輸?shù)臅r候，該AP也不能發(fā)送數(shù)據(jù)。這種對可用共享帶寬的競爭是基于類似以太網(wǎng)的無線沖突避免原則(CSMA/CA)。簡單計算一下就會發(fā)現(xiàn)，在單頻方案中每個無線客戶端只能獲得很有限的吞吐量。舉例來說，假設(shè)你有5個AP，每個AP有20個無線客戶端與之相連，所有的A

8、P和客戶端共享同一個802.11b信道（5Mbps），這樣等價于每個用戶只能獲得少于50Kbps的吞吐量比撥號連接還要慢。而且由于所有的無線客戶端和AP必須工作在同一個信道上，無線資源的競爭和RF干擾還會導(dǎo)致不可預(yù)期的時延。 2、雙頻方案回程共享在雙頻方案中，一個頻道專門用來連接無線客戶端，而另一個頻道專門用來進行無線回程傳輸回程信道同時由ingress和egress流量共享。這意味著什么呢？無線客戶端流量將得到一些的改善，但是全網(wǎng)的性能仍然由于回程的瓶頸問題而不理想。 3、多頻方案結(jié)構(gòu)化的無線mesh在多頻（或者稱作結(jié)構(gòu)化mesh）方案中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點至少使用三個頻道的專

9、用無線鏈路接口，其中一個頻道用于客戶端的流量，第二個頻道用于ingress無線回程流量，第三個頻道用于egress無線回程流量。這個無線mesh網(wǎng)絡(luò)的方案與單頻或雙頻方案相比提供了很好的性能。因為每個鏈路都工作在獨立的信道上，專用的回程鏈路可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。分離的Ingress/Egress回程鏈路 三、無線mesh網(wǎng)絡(luò)中多跳的難題多跳的難題包括帶寬降低、無線干擾和網(wǎng)絡(luò)時延問題，這些問題是由于流量需要在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中進行多次“跳躍”所引起的。 1、帶寬降低當回程被共享的時候，多跳帶來的帶寬降低的問題尤為嚴重，比如單頻和雙頻方案。在這些情況下，每個從AP到AP“跳越

10、”的流量，其吞吐量都幾乎會被削減了一半。對于這類帶寬降低模式主要有兩個原理。 下圖說明了802.11a/g和802.11b采用單頻方案在最佳情況的場景下吞吐量降低的情況。在802.11b情況下，此表的起始吞吐量為5 Mbps因為802.11b任何信道的毛數(shù)據(jù)速率為11 Mbps，其有效吞吐量接近于5 Mbps。類似地，802.11a/g的有效吞吐量接近于24 Mbps。正像前表中所顯示的一樣，即使在最佳情景的時候，對于中等規(guī)模和大規(guī)模環(huán)境，帶寬的損失也是不可接受的。 2、無線干擾無線干擾是一個十分重要的問題，它將影響到無線網(wǎng)絡(luò)的性能。簡單地說，無線干擾可以定義為非期望的信號

11、干擾了其他無線通信設(shè)備的正常操作。在當今的無線網(wǎng)絡(luò)中，802.11b和802.11g是企業(yè)和服務(wù)提供商向用戶提供無線覆蓋最常用的技術(shù)。而大部分無線mesh部署都是使用802.11b作為無線回程的基礎(chǔ)架構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)回程帶寬很容易受到來自于相同頻段內(nèi)工作的鄰近設(shè)備無線干擾的影響。當網(wǎng)絡(luò)中任何部分受到了干擾的影響，整個網(wǎng)絡(luò)的性能將會降低。 3、網(wǎng)絡(luò)時延VoIP的應(yīng)用是Wi-Fi的一個關(guān)鍵驅(qū)動力。建立和部署Wi-Fi和IP電話融合的解決方案可同時支持語音和數(shù)據(jù)服務(wù)，該解決方案可能會使得WLAN在企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。為了支持這些語音和視頻應(yīng)用，就要求網(wǎng)絡(luò)具有很小的時延和抖動。當分組包在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

12、之間轉(zhuǎn)發(fā)的時候，一定會存在處理時延。在大規(guī)模廣域mesh網(wǎng)絡(luò)中，通常需要很多到有線網(wǎng)絡(luò)的終止點來避免過多的時延但是這樣就不能充分發(fā)揮無線mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。而且，隨著時延的增加，語音和視頻應(yīng)用將受到嚴重的影響（尤其當無線客戶端漫游的時候），甚至可能會導(dǎo)致連接完全中斷。 四、新型結(jié)構(gòu)化的無線Mesh對于大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)部署，尤其在語音、視頻和數(shù)據(jù)漫游應(yīng)用很關(guān)鍵的時候，將需要新型的無線mesh技術(shù)提供專用的無線鏈路、802.11a用于回程流量、低時延交換、蜂窩狀的客戶端覆蓋。要想在任何時候都提供最佳的性能，這樣的網(wǎng)絡(luò)必須是模塊化的、多頻、多信道、多RF 的mesh。同時具有以下特點：非常靈

13、活，完全可擴展的，而且是面向未來技術(shù)的，比如WiMAX、802.11n (MIMO)或者 Ultra-Wideband (UWB)。 1、專用無線鏈路在建立一個高級的mesh網(wǎng)絡(luò)時，使用方法一定是與其它類型解決方案所不同的。它將應(yīng)用模塊化的方案，使用專用的帶寬鏈路來完成AP的功能（客戶端連接）或回程功能（網(wǎng)絡(luò)級連）。 客戶端連接無線模塊必須設(shè)計為或者與無線客戶端連接（用戶接入）關(guān)聯(lián)，或者使用分離的模塊與其他mesh節(jié)點（回程）關(guān)聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)級無線模塊必須根據(jù)到網(wǎng)絡(luò)egress（有線網(wǎng)絡(luò)）的最佳可能路徑為中繼回程流量（ingress和egress）建立與另一個mesh節(jié)點的鏈路。

14、對于repeater或者用來擴展網(wǎng)絡(luò)范圍的節(jié)點，需要包含3個或更多的無線模塊一個用于ingress流量（回程），一個用于egress流量（回程），還有一個用于無線終端（用戶接入）。下圖闡明了這一概念。終端連接與網(wǎng)絡(luò)連接 2、802.11a無線回程這個新型結(jié)構(gòu)化的無線mesh需要支持不同類型的無線技術(shù)。正如前面所提到的，802.11b和802.11g僅有三個可能的非重疊信道。802.11a與802.11b或802.11g相比較的一個優(yōu)勢是其所有可獲得的信道都是非重疊的。因此你可以讓無線節(jié)點工作在臨近信道而會不產(chǎn)生相互干擾。并且該頻段無線干擾更小，頻譜更寬。鑒于以上原因，802.11a非

15、常適合用于回程mesh架構(gòu)。 3、低時延交換理想的mesh網(wǎng)絡(luò)必須支持語音應(yīng)用和快速漫游切換，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該設(shè)計要求保持時延和開銷最小，并提高多跳的性能，從而保證網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。高速應(yīng)用下的低時延交換 4、蜂窩狀覆蓋mesh網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該允許使用多個、分離的扇區(qū)狀天線（非常類似蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無線小區(qū)站點天線）同時向不同的方向發(fā)射信號，每個方向都使用不同的信道。蜂窩狀覆蓋可以支持向所有相連的客戶端同時進行無沖突的傳輸意味著在更大范圍內(nèi)，更多的用戶可以與同一個節(jié)點進行關(guān)聯(lián)，由此使用戶之間發(fā)生更少的沖撞，從而使網(wǎng)絡(luò)獲得更高的吞吐量。 5、新型無線mesh網(wǎng)絡(luò)的驗證這種新型無線mesh

16、網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在實驗室環(huán)境（無噪聲）和真實環(huán)境（有噪聲）中進行了測試。測試跳數(shù)逐步從1跳增加到10跳，結(jié)果表明即使達到10跳，無噪聲情況下網(wǎng)絡(luò)回程吞吐量只有4%的丟失，而實際噪聲環(huán)境也僅丟失了40%。時延測試結(jié)果也同樣令人滿意完全在語音（VoIP）和視頻應(yīng)用可接受的范圍內(nèi)。帶寬下降測試結(jié)果是與為回程流量使用單頻的mesh網(wǎng)絡(luò)的最佳情況進行比較的。而單頻mesh網(wǎng)絡(luò)在無噪聲情況下經(jīng)過5跳后帶寬就會令人吃驚地丟失了80%。  五、結(jié)論多跳大規(guī)模無線mesh網(wǎng)絡(luò)對帶寬降低，無線干擾和網(wǎng)絡(luò)時延等問題十分敏感。如果沒有使用多頻結(jié)構(gòu)化的無線mesh，每一跳的吞吐量可能會下降多達50%。特別是在更大規(guī)模部署情況下，網(wǎng)絡(luò)時延和漫游也是需要著重考慮