无线宽带领域的变革——Wireless Mesh

　　WLAN固然是好，但也有其不足，其中最主要的一点便是接入点(AP)的覆盖范围较为有限，即若要在一个相对较大的区域提供无线覆盖就需要在该地区内配置多个接入点，由此增加了建设基于WLAN的公共宽带网的成本。

　　针对此，电信业界曾提出一些解决方法，但大多仍是以增加接入点或降低网络运行效率为代价。于是人们把目光转向了一种全新的网络结构——Wireless Mesh(无线网状网)。

　　Wireless Mesh结构

　　通常我们可以把无线网络结构分成两种: 一种是点到多点的星型网络，如IEEE 802.11无线LAN;一种是点对点的网状网络，如移动Adhoc网络(MANET)。通常认为Wireless Mesh是点对点网络的一种，把它看成是移动Adhoc技术的一种简化版本，但两者又有一定的区别，主要的不同在于网络结构的连接上，即Wireless Mesh中的接入点(AP)既可以作为MANET中的一种同等的数据转发实体，又可作为一连接到其他有线网络的桥接器。

　　实际上，Wireless Mesh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，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。Wireless Mesh与传统无线星型网络的不同在于：Wireless Mesh采用了对等式的网络拓扑，需要在一种分散式网络环境中进行构建。

　　如图1所示，Wireless Mesh中主要存在着两种网络实体：移动节点(MN)与接入点(AP)，与传统点对多点网络不同，Wireless Mesh中的每个节点都具备路由选择的功能，而且每个节点只与其临近节点进行通信，在网络中MN既是业务的使用者又是业务的提供者，也就是说它具有数据的转发功能，可以向网络中的其他节点(MN或AP)转发它所接收到的数据包，因而Wireless Mesh也是一种自组织和自管理网络。

　　图1 Wireless Mesh结构示意图

　　图2 基于WMR的Wireless Mesh协议栈

　　图2是Wireless Mesh的协议栈，从图中可以看出，为提供多次反射无线路由功能，在AP和MN都执行有WMR路由协议。

　　而且，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，这样一来，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，因此，通过图2软件结构的使用，WMR能够较好地工作于各种目前的无线标准(如802.11b、802.11e)和多数的现有应用中。

　　Wireless Mesh优势

　　从以上介绍中可以看出，Wireless Mesh在组网与选路等特征上与传统无线网络存在着明显的区别。实际上，Wireless Mesh像是Internet网络的一种无线版本，由于节点只和其临近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据WMR协议的配置逐跳(hop)传递到目的节点。这种结构与传统点对多点网络结构相比具有较多的优势。

　　可靠性提高

　　通常提高网络可靠性的方法是让每个节点可以用多条路径进行接续，以便任何一条链路出现故障时都不会影响到整个网络。而在传统的点对多点网络中，节点的接入采用了星型(Star)结构，即多个节点将首先接入到一个中心点，再由中心点接入到网络中。这样一来，若其中某一节点出现了故障，特别是中心点出现了故障将会影响到整个网络的正常工作，因而这种网络结构的可靠性得不到很好的保证。

　　例如在蜂窝移动通信系统中，星型结构的中心便是移动交换中心(MSC)，位于周边的若干个BTS首先接入到一个BSC上，然后再通过BSC连接到MSC，若其中某一BTS与BSC间的链路出现故障，则此BTS便无法接入到MSC。为提高网络的可靠性，目前的点对多点网络中也采用了一些保护措施，如MHSP(Monitored Hot-Standby Protection)，为主链路配置后备链路，此方法虽然简单，但每条路径都需要配备有两个独立的链路和一个保护交换，而且同时只能有一个信道用于业务的传送，大大降低了信道带宽的使用效率。而在Wireless Mesh中，链路为网状结构，每个节点可使用的链路数大大增加，且每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出现了故障节点便可以自动转向其他可选链路进行接入，因而对网络的可靠性有了很大程度的提高。

　　从图3中我们还可以看出，BTS与BSC之间采用了无线连接方式，这也给出了蜂窝移动通信系统在采用Mesh拓扑后的不同之处。

　　图3 星型与Mesh网络路由方式的比较

　　冲突减轻

　　Wireless Mesh可以较大程度地减轻业务执行时冲突现象的发生。这是因为Wireless Mesh中提供了多个可选路径，业务在执行过程中受某一路径冲突的影响便会降低，而且，Wireless Mesh中还提供了冲突保护机制，那些未经认证的无线链路被应用于执行Mesh业务而引起冲突时，系统将自动对此冲突与链路进行标识，并将在此链路上执行的业务转向可选链路中。另外，在Wireless Mesh中节点的可选链路与本身链路的夹角通常为一钝角，甚至为相反方向，这为减轻链路间的干扰创造了条件，我们知道天气对无线信道会有一定的影响，如雨天会给无线链路的功率造成一定的衰减，但是天气的影响是局部的、有方向性的，通常同一方向的可选路由或可选链路处于这种天气条件下的几率要大于方向相差较大的可选路由或链路，因而呈钝角关系的路由或链路受到这种天气因素的影响便会大大降低，这也从一个侧面减轻了业务执行时发生冲突的可能性。

　　简化无线链路设计

　　相比星型网络，Wireless Mesh在无线链路的设计上也有所简化，主要体现在两个方面。

　　一是Wireless Mesh中节点间呈网状或环状连接，相距较远节点间通信时的数据包将通过多个节点的转发，逐跳传递到目的节点，但在星型网络中，较远节点的数据包通常是用一个较长链路连接到某一中心点，再由此中心点转发此数据包。相比点对多点链路，Wireless Mesh中无线链路的长度通常会更短，因而Wireless Mesh中对天线传输距离与性能的要求便会大大降低，降低了天线的成本。

　　二是无线链路越短，所需的发射功率也将随之越低，降低了射频信号间的干扰，从而也减少了整个网络的自干扰现象的发生。

　　可测量性

　　相比星型网络，Wireless Mesh是一种对等网络，网络中的每个节点是对等的，这样连接到一共同节点的链路数目就会减少，因而需要进行信道分配的无线链路数目也会随之减少，增加了网络的可测量性。另外，对于网络带宽的配置，可以通过对接入点(AP)的配置来完成，若网络的带宽不足，只要通过适当增加接入点或节点间链路的带宽就可以实现网络带宽的增加，而且还可以通过运行在节点和接入点上的Wireless Mesh路由(WMR)协议对不同业务进行带宽的匹配，实现不同业务间带宽的平衡。因而相比星型网络，Wireless Mesh网络具有更好的可测量性。

　　维护方便

　　Wireless Mesh简化了网络的维护与升级，如前所述，每个节点有多条可选路由，其中某一链路或路由被切断时并不会影响到业务的正常执行，因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行，方便了网络的维护与操作。

　　Wireless Mesh的需求

　　尽管Wireless Mesh有着以上这些优势，但这些优点也是建立在对网络的某些特定需求之上。

　　首先，如前所述Wireless Mesh中每个节点都具有路由选择功能，因而每个网络节点都需要配置有若干个路由，并对其进行控制与管理，增加了节点的负担。

　　其次，相比无线星型网络，Wireless Mesh需要在节点间建立更多的无线链路，例如若在某一星型网络中有N个节点连接到一个中心点，所需要的无线链路数即为N条，而对于Wireless Mesh，如果网络较为稀疏，一环状网络将需要有N+1条无线链路，如果网络较为密集，就大约需要有2N条链路。

　　最后，在使用Wireless Mesh时需要对网络的结构进行重新设计，以便网络中的每个节点都具有路由选择功能，不会出现点星型网络中接入点或接出点处的负荷过载问题，如果需要的话还需要对部分链路的容量进行重新配置。为此，在设计Wireless Mesh时采用了一种分层机制，即在需求较低的链路上使用低容量链路，在需求较高的链路上使用高容量链路，在图4中以蜂窝移动系统为例对此进行了说明。

　　图4 星型与Mesh网络结构的比较

　　编者视点

　　目前，Wireless Mesh正处于研究与初步应用阶段，人们也正在努力寻求Wireless Mesh技术与其他技术(如智能天线、UWB等)的融合，希望通过对这些先进技术的引入来提高Wireless Mesh的性能，如美国的SkyPilot公司将智能天线技术应用于Wireless Mesh中，并成功实现了频谱的重复使用，大大提高了频谱的利用率。

　　有理由相信，Wireless Mesh将在无线组网等领域有着广泛的应用前景，并有望给无线宽带领域带来一场重大变革。

原文转自：http://www.ltesting.net