基于WLAN实现mesh网络的多跳无线扩展的设计

引言

无线局域网近年来在机场、酒吧、家庭等地方已实现WLAN的覆盖，从而使用户摆脱了有线上网的束缚而获得了极大的方便。为了以无线的方式实现更大范围的覆盖，WLAN中的接入点AP应添加无线mesh路由功能，同时这种AP也将成为mesh路由器，以负责本地接入和其他AP的分组转发，最终通过无线连接组成多跳的接入骨干网，也就是mesh网络。

1、WLAN Mesh网络结构

图1所示是WLAN Mesh网络结构示意图。在图1中，Mesh路由器通过无线连接组成接入骨干网再，骨干网通过mesh网关实现internet的接人。每个用户节点在本地的具有AP功能的路由器上接入，然后通过路由器的路由功能多跳地接入inter-net，以实现WLAN的无线扩展。

Mesh网络能够避免无线局域网因节点的摆放位置而造成的覆盖死角。由于mesh路由器是无线连接，因而可降低无线局域网AP有线接入inter-net的安装成本和带来的不便。另外，在一个社区或企业里，网络接人一般采用电缆或DSL系列连接。有时最后一公里采用无线方式，通过无线路由器连接到电缆或DSL调制解调器。这种连接方式有很多弊端。即便是在小区内，用户节点之间或者企业各办公室之间共享信息也需要通过inter-net，这显然会降低网络资源的利用效率。而利用无线覆盖用户家庭或企业办公室、不同办公楼之间，往往会有很多覆盖盲点，有时难以获得无线服务。很多昂贵的宽带网关又不能共享，必须在每个家庭或办公楼分别安装，这样网络铺设的成本就会升高。为此，小区的每个家庭或在企业的一个办公室、一栋楼里面也可以组成一个基于IEEE 802.11小型的网络。它们之间不再用以太网的有线连接，而通过mesh路由器实现其连接。而mesh网正好可以实现多个无线局域网的无线互连，因而可以代替以太网的有线连接。

2、WLAN mesh网络的信道实现

2.1 单电台单信道WLAN Mesh网络

传统的WLAN Mesh路由器都是单电台的，其组网模式如图2所示。为便于分析，图2中简略了每个路由器连接的其它节点。图中的单电台路由器以ad-hoc模式组成骨干转发网络，也称为类ad-hoc组网模式。每个路由节点的唯一一个电台不仅为本地用户提供接入服务，还负责为其它路由器转发分组。像ad-hoc网络那样，该网络所有的节点都在一个信道上工作，它们共享带宽，也容易受到干扰。因此网络的性能很低，可扩展性很差。

从图2可以看出，使用单信道时，由于相邻节点之间存在着干扰，所有节点不能同时接收或发送，故要在多跳范围内用CSMA／CA MAC机制进行协调。在骨干网络上，随着跳数的增加，路由器分配到的带宽将以1／n为底的指数递减，这里，n是每个路由器本地服务的结点数加上它的下行链路所连接的路由器数。在图2中，假设路由器1下行链路的带宽为C，那么，路由器2平均只能分配l／4C的带宽，这样，路由器2的本地用户以及路由器3共4个节点将在1／4C的带宽上竞争接入路由器2。而路由器3的三个用户将在（1／4）×（1／4）·C的带宽上竞争接人。可见，离网关跳数越大的用户，由于平均分配的带宽越小，成功接人的机会就越小。图中只是假设每个路由器的下一跳只有一个路由器，当更多的路由器接入时，网络所支持的用户跳数将更小。而当跳数增加到很大时，南于使用了频率复用技术，有研究表明，分配到的带宽可达到1／2m和l／m之间（m是跳数）。但存在着严重的接人不公平性和不可扩展性。可见，单信道WLAN mesh网络不能很好的支持多跳。

2.2 多电台多信道Mesh网络

当今无线宽带通信的需求为mesh网络提出了更高的要求，internet连接不再是本地点对点的连接。数据资源在internet网络上需要mesh网络通过多跳的方式为用户提供所需的带宽。在这种新的需求下，传统利用一个电台和一个信道为所有的网络节点提供接人的Mesh组网方式已经不适应了，因为所有的节点都在一个信道上工作，同时传输的可能性不大，节点也不能同时发送和接收，网络的吞吐量将大大降低。为了解决这一问题，可以使用多电台多信道的mesh路由器来实现大容量的骨干组网，一般可以考虑使用两种多信道机制。

（1） 双电台双信道

图3所示是双电台双信道组网模式示意图，它的每个路由器使用两个电台，其中一个电台为本地接入服务，它工作在一个信道上，另一个电台和其它路由器以ad-hoc方式组成Mesh骨干网，由于使用两个电台把接入和转发任务分开了，因此也可称为1+l类ad-hoc组网模式。这种方式下，两个电台工作于不同的频率。如本地接入服务用2.4 GHz 802.1l b／g信道，骨干Mesh网络则可用802.11a（5.8 GHz）信道。这样，每个路由器就可以在服务本地接入的同时，也可以执行转发功能。

这种网络中，所有的路由器都是用一个电台实现转发任务。它们都工作在同一个信道上，故不能同时收发。事实上，在整个骨干转发网上，随着跳数的增加，每个路南器分配到的带宽仍然存在着随指数减小的问题。离网关远的路由器将处于信道接入劣势。为了改善网络性能，设计时可以借鉴有线网络路由器多端口、每个端口独立地进行收发的思想。在有线网络中，每个路由器有多个上行和下行的端口，它们能组成一个树形网络。路由器保持转发包到目的节点所需要的路由，每个路由器负责它的子网。由于上行链路和下行链路是分开的，就不存在随着跳数的增加网络性能下降的问题，因而可以说，有线网络随着跳数的增加，其带宽是“保值”的。

（2） 三电台多信道

三电台多信道的WLAN结构structured Mesh网络正是体现了有线网络的组织思想，它不同于前述情况。它把无线网络分成多个基本服务区（BSS），每个BSS和其它的BSS独立地工作在不同的信道上。相当于每个Mesh路由器负责一个BSS，它们在骨干网的上行链路和下行链路以及提供本地连接服务上，都是工作在不同的信道上的，所以，它们之间没有太大的干扰。节点的每个电台可以随时切换到别的信道以避免邻近节点的干扰，这样就可以同时收发。从而消除了Mesh网络中相互竞争信道和干扰所引起的带宽随着跳数的增加逐渐减小的问题，实现了“带宽保值”。另外，离根节点不同跳数的路由器也能机会均等地转发和为本地客户端提供接入服务。同时，树形结构的网络路由维护起来更加方便，路由寻找也更加快捷。总之，多电台多信道Mesh网络结构，可在不降低网络性能的情况下，实现无线局域网更大范围的覆盖。图4所示是三电台多信道的组网模式。

3、 性能测试

为了验证多信道WLAN mesh网络的性能，笔者对路由器使用单电台单信道、双电台1+1模式和三电台的组网方式进行了仿真和比较。实验结果如图5所示。

图中，横坐标显示网络的跳数，纵坐标显示跳数增加时，用户节点所分配到的实际带宽。该值能反映实际达到的吞吐量。

由图5可见，在传统的单电台单信道ad-hoc模式中，随着跳数的增加，用户节点实际分配到的带宽迅速下降，到了5跳，已基本不能支持多跳传输。使用双电台双信道的1+1模式，也会出现类似的情况。而使用三电台多信道的网络组织时，用户节点分配到的带宽，就不会随跳数的增加而迅速下降，只是因为其他的因素的干扰略微下降，总体性能比较良好。

4、 结束语

随着基于WLAN的多跳mesh网络的广泛应用，传统的单信道ad-hoc网络模式已不能很好地满足用户多跳接人的需要。鉴于多电台多信道能在很大程度上实现mesh网络的多跳扩展，因此，它将日益引起业界的重视。

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