基于無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的無(wú)線多跳Mesh網(wǎng)絡(luò)多信道實(shí)現(xiàn)

引言

　　無(wú)線局域網(wǎng)近年來(lái)在機(jī)場(chǎng)、酒吧、家庭等地方已實(shí)現(xiàn)WLAN的覆蓋，從而使用戶(hù)擺脫了有線上網(wǎng)的束縛而獲得了極大的方便。為了以無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)更大范圍的覆蓋，WLAN中的接入點(diǎn)AP應(yīng)添加無(wú)線mesh路由功能，同時(shí)這種AP也將成為mesh路由器，以負(fù)責(zé)本地接入和其他AP的分組轉(zhuǎn)發(fā)，最終通過(guò)無(wú)線連接組成多跳的接入骨干網(wǎng)，也就是mesh網(wǎng)絡(luò)。

1 WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　圖1所示是WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，Mesh路由器通過(guò)無(wú)線連接組成接入骨干網(wǎng)再，骨干網(wǎng)通過(guò)mesh網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)internet的接人。每個(gè)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)在本地的具有AP功能的路由器上接入，然后通過(guò)路由器的路由功能多跳地接入inter-net，以實(shí)現(xiàn)WLAN的無(wú)線擴(kuò)展。

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

2 WLAN mesh網(wǎng)絡(luò)的信道實(shí)現(xiàn)

2.1 單電臺(tái)單信道WLAN Mesh網(wǎng)絡(luò)

　　傳統(tǒng)的WLAN Mesh路由器都是單電臺(tái)的，其組網(wǎng)模式如圖2所示。為便于分析，圖2中簡(jiǎn)略了每個(gè)路由器連接的其它節(jié)點(diǎn)。圖中的單電臺(tái)路由器以ad-hoc模式組成骨干轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，也稱(chēng)為類(lèi)ad-hoc組網(wǎng)模式。每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的唯一一個(gè)電臺(tái)不僅為本地用戶(hù)提供接入服務(wù)，還負(fù)責(zé)為其它路由器轉(zhuǎn)發(fā)分組。像ad-hoc網(wǎng)絡(luò)那樣，該網(wǎng)絡(luò)所有的節(jié)點(diǎn)都在一個(gè)信道上工作，它們共享帶寬，也容易受到干擾。因此網(wǎng)絡(luò)的性能很低，可擴(kuò)展性很差。

　　從圖2可以看出，使用單信道時(shí)，由于相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在著干擾，所有節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收或發(fā)送，故要在多跳范圍內(nèi)用CSMA／CA MAC機(jī)制進(jìn)行協(xié)調(diào)。在骨干網(wǎng)絡(luò)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(gè)路由器本地服務(wù)的結(jié)點(diǎn)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(shè)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(hù)以及路由器3共4 個(gè)節(jié)點(diǎn)將在1／4C的帶寬上競(jìng)爭(zhēng)接入路由器2。而路由器3的三個(gè)用戶(hù)將在(1／4)×(1／4)·C的帶寬上競(jìng)爭(zhēng)接人?？梢?jiàn)，離網(wǎng)關(guān)跳數(shù)越大的用戶(hù)，由于平均分配的帶寬越小，成功接人的機(jī)會(huì)就越小。圖中只是假設(shè)每個(gè)路由器的下一跳只有一個(gè)路由器，當(dāng)更多的路由器接入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)所支持的用戶(hù)跳數(shù)將更小。而當(dāng)跳數(shù)增加到很大時(shí)，南于使用了頻率復(fù)用技術(shù)，有研究表明，分配到的帶寬可達(dá)到1／2m和l／m之間(m是跳數(shù))。但存在著嚴(yán)重的接人不公平性和不可擴(kuò)展性?？梢?jiàn)，單信道WLAN mesh網(wǎng)絡(luò)不能很好的支持多跳。

2.2 多電臺(tái)多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)

　　當(dāng)今無(wú)線寬帶通信的需求為mesh網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，internet連接不再是本地點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接。數(shù)據(jù)資源在internet網(wǎng)絡(luò)上需要 mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)多跳的方式為用戶(hù)提供所需的帶寬。在這種新的需求下，傳統(tǒng)利用一個(gè)電臺(tái)和一個(gè)信道為所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供接人的Mesh組網(wǎng)方式已經(jīng)不適應(yīng)了，因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)都在一個(gè)信道上工作，同時(shí)傳輸?shù)目赡苄圆淮螅?jié)點(diǎn)也不能同時(shí)發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量將大大降低。為了解決這一問(wèn)題，可以使用多電臺(tái)多信道的mesh路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量的骨干組網(wǎng)，一般可以考慮使用兩種多信道機(jī)制。

(1) 雙電臺(tái)雙信道

　　圖3所示是雙電臺(tái)雙信道組網(wǎng)模式示意圖，它的每個(gè)路由器使用兩個(gè)電臺(tái)，其中一個(gè)電臺(tái)為本地接入服務(wù)，它工作在一個(gè)信道上，另一個(gè)電臺(tái)和其它路由器以 ad-hoc方式組成Mesh骨干網(wǎng)，由于使用兩個(gè)電臺(tái)把接入和轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)分開(kāi)了，因此也可稱(chēng)為1+l類(lèi)ad-hoc組網(wǎng)模式。這種方式下，兩個(gè)電臺(tái)工作于不同的頻率。如本地接入服務(wù)用2.4 GHz 802.1l b／g信道，骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)則可用802.11a(5.8 GHz)信道。這樣，每個(gè)路由器就可以在服務(wù)本地接入的同時(shí)，也可以執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)功能。

　　這種網(wǎng)絡(luò)中，所有的路由器都是用一個(gè)電臺(tái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。它們都工作在同一個(gè)信道上，故不能同時(shí)收發(fā)。事實(shí)上，在整個(gè)骨干轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)上，隨著跳數(shù)的增加，每個(gè)路南器分配到的帶寬仍然存在著隨指數(shù)減小的問(wèn)題。離網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)的路由器將處于信道接入劣勢(shì)。為了改善網(wǎng)絡(luò)性能，設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒有線網(wǎng)絡(luò)路由器多端口、每個(gè)端口獨(dú)立地進(jìn)行收發(fā)的思想。在有線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)路由器有多個(gè)上行和下行的端口，它們能組成一個(gè)樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)。路由器保持轉(zhuǎn)發(fā)包到目的節(jié)點(diǎn)所需要的路由，每個(gè)路由器負(fù)責(zé)它的子網(wǎng)。由于上行鏈路和下行鏈路是分開(kāi)的，就不存在隨著跳數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)性能下降的問(wèn)題，因而可以說(shuō)，有線網(wǎng)絡(luò)隨著跳數(shù)的增加，其帶寬是“保值” 的。

(2) 三電臺(tái)多信道

　　三電臺(tái)多信道的WLAN結(jié)構(gòu)structured Mesh網(wǎng)絡(luò)正是體現(xiàn)了有線網(wǎng)絡(luò)的組織思想，它不同于前述情況。它把無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)基本服務(wù)區(qū)(BSS)，每個(gè)BSS和其它的BSS獨(dú)立地工作在不同的信道上。相當(dāng)于每個(gè)Mesh路由器負(fù)責(zé)一個(gè)BSS，它們?cè)诠歉删W(wǎng)的上行鏈路和下行鏈路以及提供本地連接服務(wù)上，都是工作在不同的信道上的，所以，它們之間沒(méi)有太大的干擾。節(jié)點(diǎn)的每個(gè)電臺(tái)可以隨時(shí)切換到別的信道以避免鄰近節(jié)點(diǎn)的干擾，這樣就可以同時(shí)收發(fā)。從而消除了Mesh網(wǎng)絡(luò)中相互競(jìng)爭(zhēng)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了“帶寬保值”。另外，離根節(jié)點(diǎn)不同跳數(shù)的路由器也能機(jī)會(huì)均等地轉(zhuǎn)發(fā)和為本地客戶(hù)端提供接入服務(wù)。同時(shí)，樹(shù)形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)路由維護(hù)起來(lái)更加方便，路由尋找也更加快捷。總之，多電臺(tái)多信道Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可在不降低網(wǎng)絡(luò)性能的情況下，實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)更大范圍的覆蓋。圖 4所示是三電臺(tái)多信道的組網(wǎng)模式。

3 性能測(cè)試

　　為了驗(yàn)證多信道WLAN mesh網(wǎng)絡(luò)的性能，筆者對(duì)路由器使用單電臺(tái)單信道、雙電臺(tái)1+1模式和三電臺(tái)的組網(wǎng)方式進(jìn)行了仿真和比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

　　圖中，橫坐標(biāo)顯示網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)，縱坐標(biāo)顯示跳數(shù)增加時(shí)，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)所分配到的實(shí)際帶寬。該值能反映實(shí)際達(dá)到的吞吐量。

　　由圖5可見(jiàn)，在傳統(tǒng)的單電臺(tái)單信道ad-hoc模式中，隨著跳數(shù)的增加，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)實(shí)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(tái)雙信道的1+1模式，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的情況。而使用三電臺(tái)多信道的網(wǎng)絡(luò)組織時(shí)，用戶(hù)節(jié)點(diǎn)分配到的帶寬，就不會(huì)隨跳數(shù)的增加而迅速下降，只是因?yàn)槠渌囊蛩氐母蓴_略微下降，總體性能比較良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著基于WLAN的多跳mesh網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的單信道ad-hoc網(wǎng)絡(luò)模式已不能很好地滿足用戶(hù)多跳接人的需要。鑒于多電臺(tái)多信道能在很大程度上實(shí)現(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳擴(kuò)展，因此，它將日益引起業(yè)界的重視。