铁路无线Mesh网络（通用7篇）
铁路无线Mesh网络 篇1
摘要：铁路无线Mesh网络不仅要求用户数据包按照确定的无线多跳链进行数据转发, 而且需要根据节点故障概率的动态变化进行自适应的调整。为此设计了用户/管理数据包选择性转发策略, 并基于Linux开源代码进行了具体的功能实现。实验结果表明, 基于用户/管理数据包选择性转发策略的铁路无线Mesh网络能正确而高效地进行数据转发, 同时可根据Mesh节点故障概率的动态变化进行自适应的转发路径调整。
关键词：铁路无线Mesh网络,无线多跳链,选择性转发策略,尾节点
互联网已经成为人们生活的一部分, 但是在旅客列车上至今还难以提供高效的互联网服务, 旅客列车Internet应用成为国内外的研究热点之一[1]。如图1所示, 文献[2]提出了一种榕树型拓扑, 并设计了一种多出口总线结构的铁路无线Mesh网络。理论分析表明:铁路无线Mesh网络具有较高的传输带宽和较低的传输延迟, 部署便捷, 结构调整灵活, 适合于铁路无线宽带覆盖的部署。
铁路无线Mesh网络由交换控制中心 (Switch Center, SC) 、Mesh网关 (Mesh Gateway, MG) 和Mesh路由器 (Mesh Router, MR) 构成。其中, SC是铁路无线Mesh网络的核心, 通过它实现网络的集中式管理。MR是部署在铁路沿线的多模Mesh节点, 为部署在列车上的Mesh终端 (Mesh Client, MC) 提供无缝的无线宽带接入, 当它与有线网络出口直接连接时, 它就成为MG, 同时负责起进行无线/有线网络数据转发的任务。MC承担着车-地无线互联的任务, 随着列车快速地从一个MR切换到下一个MR而保持着不间断的网络连接。
MR是铁路无线Mesh网络的主体, 它承担着MC接入、ingress和egress数据回传3项主要任务。MR由3个无线模块和1个有线模块构成[2], 其中3个无线模块分别负责这3项任务。当该节点作为网关节点时, 由有线模块负责与有线网络的数据传输任务。MR设计为一个2层网络设备, 采用bridge模块将4个网络模块连接在一起, 实现数据包的转发。
根据bridge的数据包转发策略[3], MRi接收的数据包可能同时通过MRi-1和MRi+1转发给SC, 从而导致重复数据包的出现, 严重影响铁路无线Mesh网络的性能。为此, 文献[2]设计了动态最小生成树算法。该算法根据节点故障概率的动态变化, 导出一棵不包含任何回路的最小生成树, 从而用户数据包可按照节点失效危险性最小的路径进行转发。在铁路无线Mesh网络中, 该路径实质上是一条无线多跳链l<i, j>=vi, vi+1, …, vj。其中, vj是MG节点, vi是最后一个MR节点。
bridge的数据包转发策略不能满足铁路无线Mesh网络这种特定的需求。本文将对这种需求进行深入分析, 提出用户/管理数据包选择性转发策略, 并基于bridge开源代码对该策略进行具体的功能实现。
1 选择性数据包转发策略
显然, 为避免重复数据包的出现, 节点vi不能将用户数据包转发给相邻另一条无线多跳链l<i-1, j-1>=vi-1, vi-2, …, vj-1, 而只能沿l<i, j>转发, 从而在逻辑上将铁路无线Mesh网络转化为一棵不包含回路的普通树型结构。
同时, 节点vi需要将包含节点故障信息或最小生成树信息的管理数据包不受限制地转发。因为若无线多跳链l<i, j>=vi, …, vk-1, vk, vk+1, …, vj的某节点vk出现故障, 则vi到vk-1的节点故障信息不能再通过l<i, j>转发到SC, 而只能通过l<i-1, j-1>转发给SC。SC根据节点故障概率的动态变化, 更新最小生成树, 并将最小生成树信息发布给各Mesh节点, 从而得到两条新的无线多跳链l<k+1, j>=vk+1, …, vj和l<k-1, j-1>=vk-1, …, vi, …, vj-1。
所以, 铁路无线Mesh网络要求对用户和管理数据包进行选择性的转发, 即必须阻止用户数据包而许可管理数据包转发给相邻的另一条无线多跳链。
2 总体方案设计
由于MR采用bridge实现数据包的转发, 选择性数据包转发策略将基于bridge开源代码进行具体的功能实现。为此, 首先定义实现方案应遵循的两个基本原则:
用户无关性原则:必须保证用户应用的透明性;
最小修改原则:在保证功能实现的前提下, 仅对bridge开源代码进行最小修改。
对于用户数据包的转发, 铁路无线Mesh网络基于最小生成树算法, 从逻辑上划分为若干条以MG节点为终点的无线多跳链。对于每条无线多跳链, 其接入用户的数据包均只能经由该路径转发。我们不妨定义无线多跳链的最后一个MR节点为尾节点。显然, 若尾节点不将用户数据包转发给相邻的另一条无线多跳链, 则可实现无线多跳链的逻辑划分。同时, 尾节点的设置决定了如何进行这种无线多跳链的逻辑划分。
对于管理数据包的转发, 铁路无线Mesh网络要求不受无线多跳链逻辑划分的限制, 即尾节点应该允许管理数据包转发给相邻的另一条无线多跳链。
为此, 选择性数据包转发策略将主要集中在尾节点的功能实现。对任意两个相邻MG节点间的MR节点集合, 根据最小生成树信息, 设置且仅设置两个尾节点, 从而确定出两条无线多跳链。若无故障节点, 则两个尾节点是相邻节点, 否则两个尾节点之间的MR节点将不属于任意无线多跳链, 成为孤岛。并且, 尾节点应该阻止用户数据包而许可管理数据包转发给另一条无线多跳链, 即尾节点至少需要具备如下两个功能:
功能I:可阻止用户数据包而许可管理数据包转发给另一条无线多跳链;
功能II:可动态实现正常节点与尾节点的状态变换。
显然, 实现功能I的关键是如何识别用户数据包和管理数据包, 实现功能II的关键是如何更新正常节点和尾节点状态。
基于用户无关性原则, 我们必须设置一个bridge处理程序可以读取的、与所有用户数据包均不同的管理数据标志。根据数据包的包头定义[4], 在给定的3个标志位中, 第一位是未使用的位, 系统将默认地赋值为0。从而对于所有的用户数据包, 该标志位的值均为0。如果管理数据包将该标志位设置为1, 则可以通过该标志位识别用户数据包和管理数据包。我们不妨称该标志为管理数据标志。
基于最小修改原则, 我们必须设置一个bridge处理程序可以读取的、与其它所有Mesh节点不同的尾节点标志。根据bridge的stp协议实现方法[5,6], 网桥的每个端口均可以通过用户配置命令设置其pathcost值, 在存在环路的情况下, bridge网桥处理程序根据各端口的pathcost值决定数据包该往哪个端口转发。由于铁路无线Mesh网络由最小生成树算法避免了环路的出现, 所以各端口的pathcost值不再需要, 为此可借用于标志尾节点。在默认情况下, 所有Mesh节点各端口的pathcost值均为100, 不妨设尾节点与另一无线多跳链相连接的端口的pathcost值为1 000, 则bridge处理程序可以通过该标志判断是否向该端口转发数据包。我们不妨称该标志为尾节点标志。
根据以上的分析和方案设计, 我们将基于bridge开源代码进行具体的实现。
3 程序设计与实现
3.1 尾节点功能实现
bridge的端口处于混杂工作模式, 它接受与之相连的所有LAN传送的每一个数据包。当数据包到达时, bridge必须决定将其丢弃还是转发。钩子函数net/core/dev.c/net_bh () 接收到数据包之后将其交给bridge处理程序br_input.c, 经过如图2所示的处理流程, 判断该数据包应该被丢弃, 还是转发给一个或多个目标端口。
当查找到数据包的转发目标端口后, bridge处理程序br_forward.c将判决目标端口是否应该转发该数据包, 判决子函数should_deliver () 的实现原型如下:
根据功能I的要求, 对于与另一个无线多跳链连接的端口p, 它不应该转发用户数据包。为此, 我们只需要给判决子函数should_deliver () 增加两个判决条件即可实现第I个功能。由于与另一个无线多跳链连接的端口p的p->path_cost恒为1 000, 且用户数据包包头的第一位标志位总为0, 故我们可将判决条件修改为:
if (skb->dev == p->dev ||p->state != BR_STATE_FORWARDING || (p->path_cost ==1000 && skb->nh.iph->frag_off & 0x8000 ==0) )
则可阻止将用户数据包转发给另一条无线多
跳链。显然, 对于管理数据包依然可以转发给另一条无线多跳链。
3.2 管理数据包封装
根据前面的分析, 对于管理数据包需要设置管理数据标志位为1。由于在socket编程中, 数据包的包头将由操作系统自动封装为普通的用户数据包[7], 为此, 我们采用原始套接字 (raw socket) 编程, 并指定数据包的包头封装由用户程序完成, 然后在数据包的包头封装时将管理数据标志位设置为1。为此, 我们编写一个管理数据包发送程序send.c, 其核心代码如下:
3.3 辅助程序设计
为测试管理数据包可通过无线多跳链的尾节点转发给另一条无线多跳链, 在通信对端设计了一个简单的管理数据包接收程序receive.c。该程序调用函数recvfrom () 接收数据, 然后将相应字节内容读出, 其核心代码如下:
4 实验与验证
4.1 实验平台
为验证本文提出的方法是否成功实现功能I和II, 本节在实验室环境下建立了如图3所示的实验平台。
节点1和节点3为两台通信主机, 它们之间的数据通信由节点2进行转发。其中, 节点1可以发送普通的用户数据包 (执行ping 211.80.197.3) , 也可以发送管理数据包 (执行./send 211.80.197.3) ;节点2配置两块集成了atheros芯片的无线网卡ath0和ath1, 由上节改进的bridge网桥处理模块br0实现数据转发, 它可以允许用户数据包转发 (执行brctl set pathcost br0 eth0 100) , 也可以阻止用户数据包转发 (执行brctl set pathcost br0 eth0 1000) 。
这3个节点的配置为:P4 2.6 GHZ CPU, 512 MB内存, Linux FC4操作系统, 内核版本为2.6.11。节点1、2、3的IP地址分别是211.80.197.1、211.80.197.2、211.80.197.3。下面将基于该实验平台进行具体的功能验证。
4.2 实验步骤
4.2.1 允许管理数据包转发
步骤1:节点2执行brctl set pathcost br0 eth0 1 000设置为尾节点状态
步骤2:节点1执行./send 211.80.197.3产生管理数据包
步骤3:节点3执行./receive接收管理数据包:
4.2.2 阻止用户数据包转发
步骤1:节点2执行brctl set pathcost br0 eth0 1000设置为尾节点状态
步骤2:节点1执行ping 211.80.197.3产生用户数据包, 节点3接受信息
4.2.3 取消尾节点状态
步骤1:节点2执行brctl set pathcost br0 eth0 100设置为正常节点状态
步骤2:节点1执行./send 211.80.197.3产生管理数据包
步骤3:节点3执行./receive接收管理数据包
步骤4:节点1执行ping 211.80.197.3产生用户数据包, 节点3接受信息
4.2.4 实验结论
节点1构造了载荷长度为64B的IPv4_TCP数据包进行测量[8], 在接收端节点3对收到的数据包进行统计。实际测得节点3对不同节点下的不同数据包的丢包率如表1所示:
实验结果表明:无线多跳链的尾节点能很好地实现阻止用户数据包而许可管理数据包转发给另一条无线多跳链, 同时能保证正常节点与尾节点的状态变换。
5 结论与展望
本文设计了用户/管理数据包选择性转发策略, 并基于Linux开源代码, 遵循最小修改和用户无关性原则进行了具体的功能实现。实验结果表明, 基于用户/管理数据包选择性转发策略的铁路无线Mesh网络能正确而高效地进行数据转发, 同时可根据Mesh节点故障概率的动态变化进行自适应的链路调整。下一步将要开展的工作是支持用户大都是快速移动的铁路无线Mesh网络数据包转发策略研究。
参考文献
[1]蒋新华, 邹复民, 林漳希, 等.旅客列车Internet应用与研究现状综述.铁道学报, 2007;29 (5) :103—110
[2]邹复民, 蒋新华, 林漳希, 等.一种基于榕树型拓扑的铁路无线Mesh网络结构.铁道学报
[3]IEEE std802.1D—2004.Media Access Control (MAC) Bridges.2004.6
[4]周明天, 汪文勇.TCP/IP网络原理与技术.北京:清华大学出版社, 2000
[5]朱斌.Linux Socket编程及其在无线网关中的应用.微计算机信息, 2007;23:12—22
[6]Nguyen U T, Jin X.Multicast routing in wireless mesh networks:minimum cost trees or shortest path trees?IEEE Communications Magazine, 2007;45 (11) :72—77
[7]贾明, 严世贤.Linux下的C编程.北京:人民邮电出版社, 2001
[8]周炎涛, 李立明.TCP/IP协议下网络编程技术的实现.航空计算技术, 2002;32 (3) :122—125
城市无线Mesh网络规划 篇2
未来"无线城市"需要具备综合信息化支撑能力,提供综合服务,所以网络基础必须具备高可靠性、高性能、安全性、可扩展性等特点。因此,我们建议可以把下面几点作为网络设计的原则。
(1)高可用性和可靠性。城市无线宽带网络担负着整个范围的信息传输和服务的重任,其可用性和可靠性至关重要。网络的有效性和可靠性,即它的可连续运行性,是网络主干建设必须考虑的首要原则。
(2)实用性。遵循面向应用,注重实效,急用先上,逐步完善的原则,充分保护已有投资,不设计成华而不实的网络,也不设计成利用率低下的网络,以实用性的原则为依据,建设具有最低的TCO(拥有的总成本最低),有最高的性价比的城市的无线网络。
(3)先进性。采用先进成熟的网络概念、技术、方法与设备,反映当今先进水平,又给未来的发展留有余地;充分采用目前国际、国内流行和成熟的技术,保证网络能适应技术的快速发展。
(4)开放性。整体规划应符合开放性原则,有利于科教研发、产品制造、软件开发等各方面的机构利用无线城市信息化平台开展有关领域的创新和产业培育。
选择的产品应具有好的互操作性和可移植性,并符合相关的国际标准和工业标准;
(5)高性能。由于今后基于IP技术的多媒体应用越来越丰富,不同的应用对网络的传输速度、延迟等有着不同的需求,因而对网络的带宽性能以及对接入用户的服务质量性能的需求极高。这些务必对网络设备的性能提出很高的要求。
(6)灵活、统一性。在组网方式上,城市无线Mesh网络应该可以灵活、统一地集成基于室内无线接入设备、室外无线接入设备、基于Mesh技术的无线接入设备。并且可以方便地增加、扩充网络,网络可以通过自身的能力自动进行组网。网络设备需要支持多种协议,并可便捷、灵活地根据需求进行变换。
(7)安全性。安全性是任何一个网络所必须具备的重要特性,信息安全目前已受到越来越多的重视。对于城市整体部署无线这样一个重要的政府应用来说,信息安全更是重中之重。因此,网络结构、网络设备应提供相应的安全控制机制。
(8)可扩充性。随着城市无线Mesh网络规模的发展以及今后应用的日益普及和进步,对网络系统的可伸缩性要求成为网络设计的一个重要考虑。
一个设计良好的网络系统应能方便地对其规模或技术进行扩充。用户对网络资源的需求经常随着应用而发生变化,系统应具有一定的灵活性,为满足用户的不同需求而作灵活的系统配置和资源的再分配。网络将会是一个不断增长的网络,包括它的规模,它的应用范围和服务内容将随着计算机应用的不断普及而不断增加。
(9)可管理性。网络管理系统应该具备集中式的管理功能,有效地对全网的设备、利用方式进行控制,此外可对整个网络的使用性能、使用效果进行分析,以便管理人员有效地对网络资源进行分配,充分发挥网络的利用率。
(10)采用面向应用QoS的网络设计。城市无线网络的建设必须符合当前应用的需求,并且能有效推动网络应用的开发和利用。随着Internet的不断发展,基于Interne的网络应用日新月异,这些新应用不仅意味着流量的增加,而且流量的特征发生了变化,尤其是许多新型多媒体应用。这些应用网络的带宽、延迟等有着不同的要求,网络系统需要具备为各种应用分配优先级、带宽的能力。
2 城市无线Mesh网部署
通常大规模的无线Mesh网采用分区域建设或者全区域分期建设两种方式。分区域建设遵循分片规划、分片勘测和分片实施的原则,按地理区域进行项目建设。分期建设采用部署热点由疏到密的原则,从城区中心等业务量需求较大区域开始,从以专网建设为主的前期逐步过渡到为企业、商户和居民提供接入服务的公共网络建设,逐步实现对整个新城的无线覆盖。城市无线Mesh网的建设,我们采用分期分片建设、建设与应用同步推进的总体思路。
2.1 组网技术
"安全可靠、应用广泛"是我们选择何种无线宽带技术的出发点,主要采用WiFi(802.11b和802.11g)标准,并使用MESH自动组网方式,同时采用WiMax(802.16d)标准,实现无线回传。随着技术的进一步发展,将分别逐步演进到802.11n和802.16e。
鉴于城市现有网络的建设基础,传输网络尽量采用现有的光纤资源,整个城市"无线城市"网以有线与无线,WiFi与WiMax技术相结合的方式组建,如图1所示。
2.2 网络架构
图2中涉及无线Mesh网的各种网元:
(1)无线接入点AP(Access Point)是集成了智能天线阵列、集成路由器、自适应路由选择和安全认证机制的智能化的无线AP。
(2)网络接入点路由器NAP-R(Network Access PointRouter)具有可伸缩性,实现弹性覆盖,可构成任意规模的信号覆盖。
(3)网络接入点NAP(Network Access Point)是结合IP路由功能(路由器或交换机)与无线AP的逻辑功能节点。每个住宅区接入网可以拥有一个或多个NAP,当采用多个NAP连接宽带骨干网时,可避免单个NAP失效对网络的影响,同时可增加社区接入网到宽带骨干网的业务吞吐量。
(4)网络运行支持系统NOSS(NetworkOperation Support System),无线Mesh网中提供整套NOSS方案,包括用户管理服务系统和一系列运行支持服务器系统(如FTP服务器、DHCP服务器、AAA服务器、OAM&P服务器等),实现对网络的运营与管理。
图2基于Mesh结构的骨干接入网(参见右栏)
2.3 IP核心网络设计
城市无线城市IP核心网络的设计目标是建立一个覆盖整个城区承载Wireless Mesh AP设备接入,以无所不在的无线信息网络平台支撑公共安全、物流应用、园区管理、应急联动、公共服务、商务旅游、生活学习等信息化应用形式,并可以支持VPN、视频监控、电子商务、Internet浏览、远程教育、在线影视和音乐、网络游戏等多种应用,它将是一个可以通过无线、有线的一体化网络系统为政府部门、商业用户、广大市民及游客提供多种服务的网络平台,城市无线城市IP核心网络将建成电信级的IP城域网,以其高可靠性、高带宽、高安全性、QoS保证等多个方面更好地从满足不同层次的用户对无线接入业务的需求。通过一个可靠、高性能的IP骨干网支撑的无线网络将使在城市工作、生活、旅游的人都能通过无线方式宽带上网,体会到无处不在、随时随地的信息服务,以高品位的商务、办公、生活和旅游环境吸引一流的企业和高素质的人才;政府社会管理和公共服务功能也将充分利用这个无线网络平台,实现普遍、灵活、快速的部署,为提升政府管理效率和服务水平、打造"平安城市"奠定基础。
城市无线城市的网络平台划分为三个逻辑功能区块:"政府用户服务平台"、"城市信息应用平台"、"个人用户服务平台",城市无线网络平台的三个逻辑功能区块可以如图3所示。
按照城市无线Mesh网路的总体规划,我们在第一期IP网的结构可按下述方案进行设计。
第一期IP骨干网的拓扑如图4所示。
网络分为5个部分,核心承载区、网管控制区、办公区、Internet区和服务器区。
2.4 频率规划
任何无线网络在规划设计时均需要进行频率规划,结合城市"无线城市"的业务需求和网络整体架构,在规划设计时要充分考虑信道间的干扰,可以采取以下的频率规划。
(1)分层覆盖。地面道路采用2.4GHz覆盖,实现WiF终端的接入;楼顶设置3.5GHz基站,对大范围的区域覆盖,实现视距和非视距的无线宽带接入和Mesh WiFi网络的骨干连接。
(2)综合组网。单个基站可装入多个频段的板卡,同时利用2.4GHz/5.8GHz(4.9GHz)/3.5GHz进行综合组网,节省建设成本;用户按需使用不同的频段,保证各类用户的安全性、服务质量(QoS)和方便性。
(3)公众业务。对安全性和服务质量的要求相对较低,方便性更重要,2.4GHz的Mesh WiFi网络是提供服务的最佳选择。如上网、收发邮件、观看视频、通话等等。
(4)政府业务。安全性要求高、服务质量要求一般的业务,使用5.8GHz(4.9GHz)的Mesh WiFi网络,实现专网专频段使用。如城市应急、网上政务、道路监控、城市管理等。安全性要求高、服务质量要求高的业务,使用3.5GHz的网络传送。如重要的政务内网、重要机构或事件的监控、重要专线、等等。
(5)AP频率规划。城市"无线城市"的无线宽带Mesh网络中,终端用户只要有支持802.11b/g的WLAN网卡或无线转换器,就可以使用2.4GHz的频段,通过802.11b/g协议与无线接入点AP连接。WLAN终端可以是最终用户自行购买的、支持INTEL公司迅驰标准的笔记本电脑;或者是普通的WLAN网卡;用户也可以购买无线转换器设备,在沿街道住宅内通过无线转换器所提供的高灵敏度接收装置来接收在街道上部署的无线AP信号。
3 结束语
以上总结了城市无线Mesh网络的规划方案,对城市无线Mesh网络建设具有一定的指导意义。
无线Mesh网的特有优势注定它有着美好的应用前景,"无线城市"概念及其实际应用,正在为现代化城市带来新的经济效益和社会效益,因而也越来越受到全球各城市管理者、技术界人士、投资方和市民各个阶层的关注。
摘要：本文对城市无线Mesh网络的规划进行了研究。围绕"无线城市,无限服务"的理念,借鉴国际各无线城市先行者的成功经验,在深入调研、科学分析、严格论证的基础上,对"无线城市"无线Mesh网络的规划原则、网络部署等方面进行深入的研究和分析,将如何构建一个健全、高效的无线Mesh网络为研究重点。
无线Mesh网络技术研究 篇3
无线Mesh网络 (WMN, Wireless Mesh Network) , 又称无线网状网或者无线网格网, 是一种由多种类型节点构成的、以网状为基本拓扑结构的、多跳、自组织和自管理的无线网络架构, 被看成是因特网的一种无线版本[1]。这种无线网状网络在军事通信网、公安移动数据网以及智能交通网络等领域对系统网络的设计具有重要价值[2]。目前它已经作为一种关键技术迅速引起人们的广泛关注。
2 无线Mesh网络的组成结构
无线mesh网主要由两种网络节点组成:mesh路由器和mesh终端[3]。Mesh路由器具有支持mesh网络互连的路由功能。mesh终端可以是笔记本电脑、PDA、Wi-Fi手机、RFID阅读器和无线传感器或控制器 (如ARM) 等。按照结构来分类, 无线Mesh网络可以分为分级骨干网Mesh结构、平面客户端Mesh结构和混合结构三种。
2.1 分级骨干网Mesh结构
如图1所示, 图中虚线表示无线连接, 实线表示有线连接, 网络使用多种无线技术 (包括IEEE802.11等) 。底层的普通客户端由以太接口接入到Mesh路由器再接入到上层Mesh网络中, 实现网络节点的互连互通。Mesh路由器为普通客户端提供顺利无线链路来顺利接入到网关节点。移动终端节点与其他节点通信的最佳路径也由网关节点来选择
2.2 平面客户端Mesh结构
客户端Mesh结构网络如图2所示, 由使用相同无线技术的客户端直接互连, 而不通过传统的AP (Access Point) , 是点对点的连接方式。它没有中心节点, 每个客户端都具备自动配置和路由功能, 这样相邻节点可以直接通信而不相邻节点可以通过多跳实现连通。
2.3 混合结构
混合结构综合了以上两种网络结构的特点, 如图3所示, 客户端通过路由器接入骨干网。这种结构能提供无线Mesh网与其它网络的连接, 如因特网、Wi Max、蜂窝网络等。
3 无线Mesh网络的应用前景
从无线信道利用率的角度来看, 无线Mesh网络减少了信号冲突的可能性, 能大幅度提高信道的利用率。从用户安全性的角度看, 无线Mesh网络使用的低功率无线电波产生电磁辐射较小, 从而减小了对用户的影响。无线Mesh网络的应用主要有以下几个方面[4]:
3.1 传感器Mesh网络[5]
无线Mesh网络应用的主要领域为传感器网络。在传感器网络中, 无线Mesh网络技术将分散的传感器进行组网, 让传感器和控制中心互连通信。传感器节点散布在特定的感知区域, 协作地实时监测、感知和采集网络分布周边环境或监测对象的热、红外、声纳、雷达和地震波等各种信息, 并对这些信息进行协作分布式处理。传感器网络在军事、交通、工业、医疗等场合都具有非常高的实用潜力。
3.2 骨干Mesh网络
无线Mesh网络的骨干一般是在网络中进行主要数据传输的高速链路。骨干Mesh能布置在室内或者室外。室外设备通常依附在电线杆、街灯等有电力可用的建筑物侧面或顶端。骨干Mesh网络需要包含作为回程用IEEE802.lal和给客户端用的IEEE802.lbl g两套无线电, 减轻双向用户对流量的争夺。
3.3 其他场合
在遭遇通信基础设施遭受破坏的突发事件现场, 或者无法依赖已有的网络设备通信的偏僻地区, 无线Mesh网络提供的通信服务尤为重要。另外, 无线Mesh网络还能为地铁、城市轻轨等地下交通提供Wi-Fi接入。在将来三网合一的无线数字化家庭, 家庭多媒体无线网络能通过Mesh轻松组建, 实现互联网、有线电视网、家庭移动通信设备之间的互联互通。
4 研究现状
4.1 研究无线Mesh网络的主要标准化组织
鉴于无线Mesh网络的迅速发展, 许多国际标准化组织也积极考虑在各种无线网络标准中支持Mesh组网方式的研究[6]。IEEE802.11[7]的无线局域网标准由IEEE在1997年制定, 用于解决校园网和办公室局域网中的用户终端之间的无线接入。IEEE802.11无线局域网工作组在2004年初成立了Mesh研究组 (编号为802.11s) , 为WMN定义MAC和PHY层去提高WLAN覆盖, 使其能全球覆盖。IEEE802.15[8]提供低耗能、简单的无线连接标准, 由IEEE工作组针对无线个域网 (WPAN) 开发, 正逐步发展成为PAN (包括便携式和移动计算设备) 和短距离无线网络的国际标准。IEEE802.16标准定义了WMAN (无线城域网) 空中接口规范, 致力于解决WMAN的“最后一公里”连接问题。802工作组进一步发展制定了WMAN标准:802.16d/e, 通常称为Wi Max[9]。无线Mesh网和其他无线接入技术结合形成的更层次化的宽带无线接入网络也正在投入使用当中[10]。IEEE802.20[11]即移动宽带无线接入MBWA (Mobile Broadband Wireless Access) 工作组致力于开发在室内外环境中支持Mesh结构, 提供在3GHZ频带移动用户进行高速可靠无线数据传输的标准。
此外, 国际电信联盟 (ITU) 、3GPP以及IETF等机构也将无线Mesh网络纳入到工作计划中。这些领域的标准化工作, 将进一步推动无线Mesh网络技术的研究、应用和发展。
4.2 无线Mesh的商业化
新颁布的IEEE802.16a标准明确提出把无线Mesh网络技术应用于宽带无线接入, 无线Mesh网络技术作为一种新的宽带无线接入方式开始进入商业化。Tropos公司的Wi-Fi室外蜂窝网络, 由具有路由功能的无线局域网来构成Wi-Fi蜂窝;还有很多相关的无线路由器等产品, 如诺基亚公司推出的无线路由器, 也已开始商用;美国Mesh Networks公司开发了适用于无线Mesh网络的无线硬件、智能路由软件等, 手机和笔记本等移动终端可以使用它们来自由构建无线Mesh网络甚至微型网。
5 无线Mesh网与蜂窝网、移动Ad hoc网以及WLAN的比较
无线Mesh网作为一种新型的网络, 它与蜂窝网、移动Ad hoc网以及WLAN都有一定的关系[12]。无线Mesh网是从移动Ad hoc网络进化过来, 并继承了无线局域网技术的一种新型网络技术。表1对无线Mesh网与蜂窝网、移动Ad hoc网以及WLAN的各种特征进行了比较。
总之, 无线Mesh网络与其它网络相比既有继承点又有不同点:1) 无线Mesh网络是多跳网络, 具有自形成、自恢复和自组织等特点;2) 可靠性提高, 碰撞减轻, 无线链路设计简化, 维护简便;3) 移动性以及功耗随节点类型的不同而不同;4) 能够支持与其他无线网络的兼容和互操作 (如Wi Max、Wi-Fi和蜂窝网络等) [13]。
6 结束语
铁路无线Mesh网络 篇4
关键词：Ad hoc网络,无线mesh网络,结构,路由安全
无线mcsh网络,也称无线多跳网,已经成为下一代无线网络的重要技术,它是不依赖于已有的基础设施布置大规模无线网络的重要解决方案,使局域网可以快速、简单的扩展到一个广域网中,是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。
一、无线mesh网的起源及发展
无线mesh网的研究起源于Ad hoc网的发展。1997年,美国国防高级研究计划局(DARPA)开始战场鲁棒战术移动通信系统的研发。随着移动Ad hoc网络的基础理论与技术问题得以解决,以往构建无线网络的规则得以彻底改变。DARPA的目标是:无传统的通信基础设施;采用多跳转发的传输机制;宽带数据数率;端到端的IP支持;除了数据业务以外,还要支持话音和视频业务;内置定位系统(非CPS系统);能支持高达250 mile/h的车辆移动速度。目前,美国已经掌握了Ad hoc网络的一些关键技术,其中,ITT持有其中核心的自主知识产权技术。然而,Ad hoc网络的商业化开始于ITT将专有技术转让给mesh Networks以后。2002年,Intel开始关注并认可Ad hoc网络技术,Mesh Networks和Tropos等公司相继开发出适用于商业应用的相关产品。之后,Sky Pilot,Tropos.Nortel和Cisco等公司也推出了相关解决方案。
鉴于无线mesh网技术的不断发展,国际标准化组织也积极考虑在各种无线网络标准中加入对mesh组网方式的支持。IEEE802.16标准工作组在2003年4月颁布的IEEE802.16a宽带无线城域网标准中同时设计了对点到多点和mesh两种拓扑结构的支持。IEEE 802.15无线个域网工作组在2003年11月成立了mesh研究组TG5,研究利用短距离、低成本设备通过mesh方式来覆盖一个较大的环境,如房间、医院机场、校园等。IEEE802.11无线局域网工作组在2004年初也成立了mesh研究组(编号为802.lls),主要研究支持无线分布系统(Wireless Distribution System,WDS)的协议,以便实现无线局域网的多个AP之间通过自动配置拓扑的方式组网。这些领域的标准化工作,将进一步推动无线mesh网技术的研究和应用。
二、无线mesh网的结构
无线mesh网络由两类节点组成:mesh路由器和mesh客户端。无线mesh路由器除了具有传统无线路由器的网关/中继功能外,还支持mesh网络的路由功能。为进一步提高mesh网络的灵活性,mesh路由器通常有多个使用相同无线访问技术或者不同无线访问技术的无线接口。与传统的无线路由器相比,无线mesh路由器能够以较多的传输能量实现相同覆盖范围的多跳通信。mesh客户端也有构成mesh网络所必须的功能,因此也能像路由器一样工作,但是它没有网关或者网桥的功能。此外,mesh客户端通常只有一个无线接口。根据网络中节点功能的不同无线mesh网络可以分为三类[1]。
1、骨干mesh网络(infrastructure meshing)
骨干mesh结构是由mesh路由器组成一个可以自配置和自愈的网络来充当骨干网,通过mesh路由器的网关功能与Internet相连,并为mesh客户端提供宽带接入服务。这种网络结构下,普通mesh客户端和已有的无线网络可以通过mesh路由器的网关或中继功能接入WMN,见图1.1所示。虚线和实线分别表示无线和有线连接,使用包括IEEE802.11在内的多种无线技术,具有以太网接口的普通客户端都可以接入mesh路由器。如果普通客户端具有与mesh路由器相同的无线技术则可以直接建立通信;若所用的无线技术不同,则不同的客户端需要先接入与mesh路由器具有相同无线技术的基站,再与mesh路由器相连。骨干网mesh结构是最常见的类型。一般来说,在mesh网络中会使用两种无线电技术,分别对应骨干网络通信和用户网络通信。
2、客户端mesh网络(Client meshing)
客户端mesh网络提供了一种对等网络。在这种结构下,客户端节点构成了实际的网络并且完成路由和和配置功能,同时为用户提供终端应用服务,因此在这种网络中不需要mesh路由器,其结构如图2所示。在客户端mesh网络中,数据包通过多个节点一跳一跳转发到目的节点。客户端mesh网络通常使用一种无线电技术的设备。此外,与基础结构设施mesh网络相比,终端用户设备必须有路由和自配置等额外的功能。
3、混合mesh网络(Hybrid meshing)
如图3所示,在混合mesh结构中mesh客户端可以直接通过mesh路由器接入mesh网络,也可以通过其它mesh客户端多跳接入网络。这种结构提供了与其它一些网络结构的连接,如Internet、WLAN、WiMAX、蜂窝和传感器网络。同时,客户端的路由能力可以为WMN增强连接性和扩大覆盖范围。混合mesh网络是应用前景最好的结构。
三、无线mesh网的特点
与传统的固定无线接入系统相比,无线mesh网具有一些新的特点[2]:①多跳网络。无线mesh网的目的是在不牺牲信道容量的情况下扩展无线网络的覆盖范围,提供非视距(NLOS)传输。为了满足这些需求,多跳网络是不可缺少的;②支持Ad hoc网络,具有自配置、自恢复、自组织的能力。无线mesh网络组网灵活,部署简单,容错能力强,具有网状拓扑结构,增强了网络的性能。无线mesh网在前期的投资较低,可以根据后期的需要不断地扩展网络的规模;③rmesh网中节点类型的不同其移动性也有所不同。通常情况下,mesh路由器是不移动的,而mesh客户端可以是固定的或是移动的;④支持多种类型的网络接入。在无线mesh网中,既有与Internet的连接又支持对等的通信。另外,通过无线mesh网可以实现与其他无线网络的融合,为终端用户提供服务;⑤电源管理随节点类型相异而不同。mesh路由器通常没有严格的电源限制,然而mesh客户端需要有效的电源管理,尤其对于无线传感器网络;⑥与其他现有无线网络兼容和并且可以进行互操作。例如基于802.11技术的无线mesh网络可以兼容其它的802.11无线设备,这些mesh网络也可以同WiMAX、Zig-Bee以及蜂窝网络进行互操作。
四、无线mesh网络的路由安全研究
目前对无线mesh网络路由协议的性能关注较多,而对其安全问题研究较少。事实上一个高效的路由协议如果得不到很好的保护,恶意的攻击者可能对路由协议造成破坏甚至使路由协议完全瘫痪。无线mesh网络除了可能受到WLAN常见的攻击方式外,还具有其特有的安全问题[3],对于WLAN的mesh模式,它所遭受的攻击如图4所示。
1、决策分散
WMN中的决策往往是分散的,许多WMN算法依赖于所有节点的参与合作。集中权力结构的缺乏意味着攻击者能够利用这些弱点实施新型的,用于破坏写作的算法进行攻击。和传统的集中式WLAN相比,mesh网络的每一个MP都处以一个相对来说比较重要的地位,对于整体网络的认证和路由功能发挥着作用,这种相对的平等性将导致决策的分散性。
2、mesh网络的认证
对于传统的WLAN,用户节点的接入可以通过AP的认证,但是mesh网络,没有一个相对集中的认证节点存在。而且由于mesh网络中节点的相互平等性,要实现双向认证将意味着实现一个全网络的连接边数,才能保证任何一个mesh节点对于其它所有可能连接的Mesh节点都是被认证的,但是随着mesh节点的数量增长,这种认证数量将快速增长,如果MP的数量为n,则需要认证2的n-1次方次。当n大于一定数目的时候,认证次数的激增将导致网络通信流量的暴涨,这是不现实的,所以必须要有独特的认证解决方案来实现MP节点之间的双向认证。
3、多跳路由安全
由于无线网络的覆盖范围有限,一个无法直接接入到路由器的MP可以借助其他的MP转发进行数据通信,可在没有固定设施的情况下,通过移动节点间相互协作保持网络互联,拓展了移动通信的网络范围。这直接导致网络存在窃听攻击和终端服务的隐患。WMN的路由也呈现特别的脆弱性,在有线网络中,可在路由器和网关处进行特别的保护,而WMN则不同,劫持WMN节点的供给者能够通过散播错误的路由信息使整个网络瘫痪。更严重的是由于失密节点给出的错误路由信息对来自所有节点的信息都产生影响。在mesh网络中,由于路由的脆弱性,拒绝服务攻击变得更加容易,形式也有所改变,mesh网络中任何一个MP节点都可以成为"攻击者”,通过路由手段实现欺骗。
4、自组织与资源分配
WMN的节点一般是静止的,但在出现拓扑变化即新节点加入或旧节点退出、链路干扰的情况下可能会发生变化,此时,WMN自组织特性就会自动维护网络的可用性,这就为黑客实施网络入侵创造了机会。如果一个假冒MP或者泄密的MP可能会广播虚假路由信息,会导致WMN面临两种威胁,一是所有的通信量被定向到攻击者所在的MP,攻击者及此刻已窃听、篡改,直接导致整个网络通信中断。毫无疑问,此时网络传输速度也会由于通信量过于集中而导致网络传输速率大幅下降。攻击者的后续行为极有可能控制整个网络。另一种威胁是被入侵MP利用发送虚假路由信息欺骗与之有联系的MP,会导致错误路由信息的破坏作用的放射状增幅,直接导致整个网络崩溃。由于无线路由器距离Internet接入点有近有远,远离Internet接入点的节点有可能获得很小的带宽,所以设计合理的协议来保证节点间公平是很重要的,对公平性的保护也带来了新的挑战。
五、结语
Mesh具有组网的快速灵活性和节点的分布性等优点,可以提供高速的接入速率,优于其他的接入方式。此外,其以少量的基础设施构成覆盖范围广的高速无线网络,投资较小,网络建设时间短,便于升级。安全性的提高是这种技术从实验室走向商业化和普及化的重要因素。有理由相信,随着人们对安全的重视程度日益提高和研究的不断深入,更加成熟和安全的无线mesh网络系统将很快得到推广和应用。
参考文献
[1]Akyildiz Lan F,Wang Xudong,Wang weilin.Wireless mesh networks:a survey[J].Computer networks 2005,47(4):445～487.
[2]姜红旗，康凯，林孝康．拓展宽带接入的无线mesh网技术[J]．电信科学，2005，21(1)：24～30．
浅谈无线MESH网络技术 篇5
随着移动通信技术的不断发展, 通过无线方式为用户提供语音接入获得了巨大的成功, 下一步无线网络发展的目标是为用户提供更高的速率以便支持各种宽带业务的接人, 特别是高速Internet的接入。基于IEEE 802.11的无线局域网技术和基于IEEE 802.16的固定宽带无线接入技术就是这一发展过程中两个典型的例子。通过大规模在城市公众环境内 (如商场、咖啡厅、车站等) 安装无线局域网接入点 (AP) , 可以为用户很方便地提供Internet浏览、E-mail、移动办公等业务。固定宽带无线接入技术则是将城市分为多个小区, 每个小区设置一个基站, 各用户可以通过安装在建筑物顶上的用户站实现宽带业务的接入。
但是, 上述两种技术在展开大规模商用时都遇到了同一个问题, 即系统的覆盖能力有限。无线局域网受限于其覆盖范围和传播距离。一种新的无线网络技术—mesh逐渐发展并引起了人们广泛的注意。无线mesh网, 即无线网状网, 也称为无线多跳网, 它可以和多种宽带无线接入技术如802.11、802.16、802.20以及3G移动通信等技术相结合, 组成一个含有多跳无线链路的网状网络。这种无线网状网, 可以大大增加系统的覆盖范围, 同时可以提高带宽容量以及通信可靠性, 是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。
2 无线Mesh网的网络架构
传统的无线接入技术中, 主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点, 例如移动通信系统中的基站、802.11WLAN中的AP等等。中心节点负责控制各用户节点的接入和提供到骨干网的网络接口, 功能上远较用户节点复杂, 成本也比较高昂。而在mesh网络中, 采用网状拓扑结构, 也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。
如图1所示, 各用户节点可以通过相邻的其他用户节点, 以多跳方式实现到骨干网的连接。新用户可以通过它周围的其他用户节点很方便地接入到网络中。由于在网络扩展时, 不再需要中心节点, 无线Mesh网可以极大地减少整个网络的建设成本。
3 系统组成
城域范围内提供宽带无线接入的无线Mesh网一般由网关节点、用户节点、中继节点和网管系统四部分组成, 如图2所示。网关节点是无线Mesh网和骨干网的接口, 一般与高速路由器相连。在一个无线Mesh网中, 网关节点可以有一个或多个, 可以根据网络的容量和可靠性要求来逐渐增加。任何一个用户节点都可以充当网关节点, 因此可以选择一个合适位置的节点作为网关节点。用户节点直接与用户终端或用户网络相连, 其功能除了提供业务接口外, 还作为一个多端口的无线路由器, 完成其他节点业务的中转功能。中继节点只包含中转功能, 用来扩展无线Mesh网或提高整个网络的性能。网管系统则是对无线Mesh网进行配置, 此外还具有资源分配、监控、认证等其他管理功能。
4 无线MESH网中的无线路由算法
在无线Mesh网中, 路由算法首先应该具有一定的健壮性。当无线Mesh网采用基于IP的分组交换时, 路由算法需要能够快速同步于网络拓扑结构的变化, 并且能够适应网络规模的不断扩展。当网络采用虚电路方式时, 当某个节点或某个路径发生故障时, 可以通过一个快速的恢复过程快速自愈, 如图3所示。
在任意的源节点和目的节点间, 都有可能存在多条路径。为了最大限度利用带宽, 多条路径上的流量工程技术也可以应用到Mesh网上。这种分散的路由和流量控制可以借鉴IP数据业务上的MPLS技术。当某个链路受到影响时, 可以通过流量工程将通信业务重新路由到其他路径。通过这种路径分集的方法, 使系统容量达到最大。
另外, 由于Mesh网直接面向的是用户节点, 一个经常出现的现象是当所有用户同时访问同一个热点资源时, 比如视频点播, 网络中产生大量的冗余业务量, 进而发生拥塞, 因此无线Mesh网中的路由技术需要支持组播功能。
除此之外, 无线Mesh网中还需要解决好商用化时的一些问题, 例如:如何识别新加入用户节点的身份并对空中传输的用户数据进行加密, 以保证无线Mesh网的安全性;如何提供一个简单的界面对全网进行管理 (配置、监控、计费等) ;在使用同一频段时, 无线Mesh网如何与其他系统 (固定宽带无线接入网、无线局域网等) 共存。
5 结束语
无线Mesh网技术通过自动配置实现节点间的互联以及用户节点对骨干网的访问, 摆脱了以往对中心节点 (如基站) 的依赖, 可以灵活地应用于多种无线环境。目前, 无线Mesh网技术处于初步发展的阶段, 要充分发挥其潜力, 还需要解决诸如智能天线设计、动态资源分配、无线路由算法等多项关键技术。但是, 无线Mesh网作为一种新的具有众多优点的技术, 通过与其他无线网络技术相结合, 将在下一代宽带无线网络中发挥重要的作用。
摘要：无线mesh网络是新近出现的一种无线多跳网状拓扑网络, 是一种非常有前途的无线接入网络技术。本文简要介绍了无线mesh网的网络结构、特点、应用, 并分析了影响无线mesh网性能的主要技术因素。
无线Mesh网络技术及其应用 篇6
1 无线Mesh网络的拓扑结构
无线Mesh网是低功率的多级跳点(multi-hop)系统,它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问;另一方面,中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。而无线Mesh网络的核心指导思想是让网络中的每个节点都可以发送和接收信号,它采用网状Mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种拓扑结构中,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。各网络节点通过相临其他网络节点,以无线多跳方式相连。它们处理消息的方式是把信息包从一个节点传递到另一个节点,直到信息包到达目的地。传统的点到点网络节点过滤掉所有信息包,只留下自己的信息包,而网状网节点接收要传给其它节点的信息包,并把它们再次传送出去。每个无线Mesh网络的节点可以作为接入终端,也可具有路由和信息转发功能,具有极高的组网自由度。无线Mesh网络提供从源头到目的地的多条冗余通信路径。如果一条路径由于硬件故障或干扰而停止工作,网状网会自动改变信息包的路由,使它们穿过一条替代路径。
无线Mesh技术的出现,代表着无线网络技术的又一大跨越,它将传统的无线网络中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。
2 无线Mesh网络的关键技术
Mesh网络在设计方面不仅要考虑需无线传输中的各种问题,如天线设计、多址接入、控制等,还需要考虑各种网络层功能的实现以及上下层功能之间的相互影响,这就使得无线Mesh网的设计要更复杂。其涉及到的关键技术如下:
2.1 智能天线技术
当采用定向天线时,用户节点之间通过点到点方式连接,降低了所需的发射功率,同时也减少路径之间的同频干扰,能够实现很高的频谱效率,但是存在一些其他方面的问题,每个用户节点需要多个定向天线和射频单元,任意两点之间都需要精确的对准,当有节点加入或退出网络时,网络的拓扑结构发生变化,需要重新调整定向天线,增加了使用难度。另一种方案是采用全向天线或区域天线,但由于多个用户节点要共享同一无线信道,系统的频谱效率将会大大降低。更合适的方案是采用智能天线技术,智能天线是具有测向和波束成形能力的天线阵列,使用智能天线技术,用户节点可以根据周围节点的状况,在软件控制下调整波束方向,分别对应多个相邻节点,起到空分复用的作用,提高了系统的容量。当网络拓扑发生变化时,可以通过自动调整波束的方向来重新建立用户节点之间的联系。
2.2 MAC层多址访问机制
无线mesh网是分布式无线多跳网状网。现有的无线网络MAC机制大多都是针对单跳无线网络设计的,这种面向单跳无线网络设计的MAC机制并不适于分布式无线多跳网状网络,如802.11WLAN的MAC机制在无线链路跳数达到四跳时,性能下降非常大。同时,在无线mesh网这种分布式无线多跳网状网中,由于实现时间同步和码管理困难,采用TDMA和CDMA多址接入也比较复杂。此外,在无线mesh网络中,还要求能够有效的进行空间频率重用,以提高网络容量。这样,MAC层机制设计将成为影响无线mesh网性能和成功与否的关键技术因素之一。
2.3 自适应配置技术
在无线Mesh网中,两相邻节点的信道参数,如载干比、延迟扩展等,会受多种因素的影响,例如相邻节点之间的距离、新节点的加入、某些用户节点处于不工作状态等。自适应调制技术的主要思想是根据传输信道的实际参数动态改变调制方式,使得任何时刻信道的容量都能达到最大,同时保证链路在恶劣环境下的可用性。
用户节点可以采用不同的调制技术与不同的相邻节点通信,在同一条路径上根据其信道参数的变化来更改调制方式。
另一个更复杂的问题是,即使某条路径上能达到最佳性能,并不意味着在整个网络范围内的总体性能最佳。可能需要从全网的角度考虑每条链路上的调制方式的选择。
2.4 Mesh路由协议
无线mesh网络中,mesh路由协议的设计是一个关键。首先,在无线多跳mesh网络中,路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择,而要综合考虑多种性能度量指标来进行路由选择。其次,mesh路由协议要提供网络容错性和健壮性支持,能够在无线链路失效时,迅速选择替代链路避免业务提供中断。第三,mesh路由协议要能够利用流量工程技术,在多条路径间进行负载均衡,尽量最大限度利用系统资源。第四,路由协议要求能同时支持mesh路由器和mesh终端。对于静止不动的mesh路由器,由于没有功耗限制,可以采用比现有adhoc路由协议简单得多的路由协议;而对于mesh终端,则需要采用类似adhoc的路由协议。这样,就需要一种行之有效的路由协议能够自适应支持mesh路由器和mesh终端。
2.5 宽带Qos业务支持
与adhoc网络不同,无线mesh网的大多数应用都是具有不同Qos要求的宽带业务。这样,除了端到端时延和公平性以外,还需要在通信协议中考虑时延抖动、聚合吞吐量、每节点吞吐量以及分组丢失率等性能评价指标。
2.6 无线交换技术
交换方式的选择对整个网络的业务性能有很大的影响。承载的业务满足多业务Qo S支持的要求,网络层一般使用分组交换。基于IP的分组交换,对实时业务的服务质量不能很好保证;ATM需要额外的带宽消耗和复杂的协议;及MPLS。另外,选择交换方式时还要考虑到无线Mesh网的特性,如链路的可靠性较差、节点的加入和退出、多跳对延时的影响等。
2.7 安全性
用户鉴权和数据加密。如何识别新加入用户节点的身份并对空中传输的用户数据进行加密保证网的安全性。包括:网络管理。如何提供一个简单的界面对全网进行管理、配置、监控、计费等;干扰共存。在使用同一频段时,如何与其他系统,如点到多点固定宽带无线接入网、无线局域网等共存。
3 无线Mesh网络的应用
Mesh网络在家庭、企业和公共场所等诸多领域都具有广阔的应用前景。
3.1 家庭
家庭式无线Mesh联网可以连接台式PC机、笔记本和手持计算机、HDTV、DVD播放器、游戏控制台,以及其他各种消费类电子设备,而不需要复杂的布线和安装过程。在家庭Mesh网络中,各种家用电器既是网上的用户,也作为网络基础设施的组成部分为其他设备提供接入服务。当家用电器增多时,这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。Mesh技术应用家庭环境中的另外一个关键好处是它能够支持带宽高度集中的应用,如高清晰度视频等。
3.2 企业
大型企业用户相对集中,通信量大且对网络覆盖要求较高。无线Mesh网络允许网络用户共享带宽,消除了目前单跳网络的瓶颈,并且能够实现网络负载的动态平衡。在无线Mesh网络中增加或调整AP也比有线AP更容易、配置更灵活、安装和使用成本更低。尤其是对于那些需要经常移动接入点的企业,无线Mesh技术的多跳结构和配置灵活将非常有利于网络拓朴结构的调整和升级。
3.3 学校
校园无线网络与大型企业非常相似,但也有自己的特点。一是校园无线网络的规模大,不仅地域范围大,用户多,而且通信量也大,因为与一般企业用户相比学生会更多地使用多媒体;二是网络覆盖的要求高,网络必须能够实现室内、室外、礼堂、宿舍、图书馆和公共场所等之间的无缝漫游;三是负载平衡非常重要,由于学生经常要集中活动,当学生同时在某个位置使用网络时,就可能发生通信拥塞现象。采用无线Mesh网络方式组网,不仅易于实现网络结构的升级和调整,而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。
3.4 高速公路
无线Mesh网络可以为各类车辆内的乘客提供高速移动状态下的多媒体服务、定位服务。如在城铁、地铁、公交车、火车上为乘客提供高速网络互动、到站提示、车辆定位、实时影视、广告等各类服务。同时,由于无线Mesh网络可以兼容Wi-Fi的网络设备,因此Wi-Fi终端用户也可享受移动宽带服务。
3.5 油田和旅游场所
Mesh非常适合于在那些地理位置偏远布线困难或经济上不合算,而又需要为用户提供宽带无线Internet访问的地方,如旅游场所、度假村、汽车旅馆等。Mesh能够以最低的成本为这些场所提供宽带服务。
3.6 医院
Mesh还为像医院这样的公共场所提供了一种理想的联网方案。由于医院建筑物的构造密集而又复杂,一些区域还要防止电磁辐射,因此是安装无线网络难度最大的领域之一。医院的网络有两个主要的特点。一是布线比较困难:在传统的组网方式中,需要在建筑物上穿墙凿洞才能布线,这显然不利于网络拓朴结构的变化。二是对网络的健壮性要求很高:如果医院里有重要的活动(如手术),网络任何可能的故障都将会带来灾难性的后果。采用无线Mesh组网则是解决这些问题的理想方案。如果要对医院无线网络拓扑进行调整,只需要移动现有的Mesh节点的位置或安装新的Mesh节点就可以了,过程非常简单,安装新的Mesh节点也非常方便。而无线Mesh的健壮性和高带宽也使它更适合于在医院中部署。
3.7 应急通讯
无线Mesh网络可作为公共安全及城市监管部门/应急指挥的通讯平台-特种行业特定应用。典型应用场景包括:特定区域的公共安全,应急通讯,军队/特警部队的相关应用,警察局、消防部门、国土安全局等建立的专网,采用2.4G/4.9G双频点。需要支持的基本业务技术包括:提供指挥、调度、监控、定位、数据采集,IP视频监控,实时上行视频传送,Adhoc应用。营运模式拟采用由特种行业自行建设及维护。
在公共安全和紧急救助行业中,大多数工作人员都处于移动状态,因此在通信方面必须依赖于无线网络解决方案。无线Mesh网络可以满足其对数据调度、移动视频监控、车辆/人员定位、移动指挥车应急通信等业务需求。应急指挥车辆或现场工作人员只要有一台笔记本电脑或者手持终端就可以通过无线Mesh网络实时在现场人员之间及与总部保持视频、数据、语音通信。无线Mesh网络无疑是需要快速部署或临时安装的场景最方便经济有效的组网方法,应急通讯也是无线Mesh网络的设计的最初出发点。
应急通讯可分为如下几大类:因发生自然灾害时的通信保障:洪水、地震、台风、泥石流、雪灾等;因发生公共卫生突发事件时的通信保障:重大疫情、重大伤亡救治等;因发生社会安全突发事件时的通信保障:大规模集会、游行以及恐怖暴力事件等;因举行重大活动时的通信保障:国事会议、大型体育运动会、大型展览、军事演习等;因电信运营企业自身运营事故导致企业自身网络发生重大异常或中断情况时的通信保障。
4 结论
总之,作为一种新型的网络,由于其组网快速灵活,接入速率高,覆盖范围广,投资较小,技术相对成熟,网络建设时间短,便于升级等优点,将对于网络营运商具有巨大的诱惑力。无线Mesh网络既是WLAN的延伸,又可以作为3G的补充,也可以与Wi MAX相辅相成,亦解决了无线接入的“最后一公里”的瓶颈问题。因而无线Mesh网络技术将给无线宽带网领域带来重大的变革。
摘要：作为一种新型无线技术,Mesh网络技术的拓扑结构、关键技术及应用领域一直以来备受关注。通过分析它的多级跳点系统拓扑结构,可以总结出它比传统无线网络具有更大的容量、速率和覆盖范围;它涉及了智能天线、MAC层多址访问等一系列关键技术,应用领域十分广泛。
关键词：Mesh,多级跳点,智能天线,多址访问,自适应配置,应用领域
参考文献
[1]赵红礼.无线局域网[M].北京:科学出版社,2004:103-127.
[2]段水福,历晓华,段炼.无线局域网设计与实现[M].浙江:淅江大学出版社,2007:133-136.
铁路无线Mesh网络 篇7
关键词：Mesh,WMN,视频,监控,传输
Mesh技术, 作为网络中“最后一公里”的竞争技术之一, 对于目前的无线数据传输发展意义重大。目前无线Mesh网络WMN的应用已经日趋广泛, 尤其是其核心技术特征在视频监控方面更是凸显优势。
1 Mesh核心技术优势分析
用于视频监控的Mesh技术, 从本质上具备其他无线数据传输所不能比拟的优势, 可以从网络的物理层面以及逻辑层面等多个角度展现出来。
从网络拓扑结构方面看, Mesh技术具有一些天然的优势。传统的无线数据传输网络, 通常在主干网部分采取树形拓扑结构, 而在无线接入部分则通常采用星形设计, 每个用户端都直接与且仅与接入节点相联系, 这种网络接入方式, 对于接入节点的要求较高, 其负担相对较大。而Mesh网络中, 每一个无线节点都可以发送或接收信号, 并且能够在一定意义上成为其他节点的信号中继, Mesh网络中每一个节点都会与其周围节点保持连通状态, 呈现出网状的逻辑拓扑结构。
对于Mesh网络, 可以通过骨干网Mesh结构和客户端Mesh结构进行构建, 骨干网Mesh结构通过无线路由器簇提供一个可靠性相对较高的数据传输覆盖区域, 保证客户端可以通过无线路由器接入骨干网进行数据传输;而客户端Mesh结构则由多个客户端构成WMN, 对多个无线客户端进行集成, 并通过相应的路由规则进行数据的传输。
这种工作方式虽然在路由层面看会成为整个数据传输网络的负担, 但是其多条冗余传输路径的存在, 为视频信号的传输带来了很大的便利。
Mesh网络中多个用户接入端共同构成WMN的运行方式, 行了了网络中的多跳链路 (Multi-hop) , 不同于传统网络中客户端直接与网络接入节点相联系的单跳链路, 多跳链路的冗余链路传输方式, 从一定角度看增加了逻辑层面的传输带宽, 对于流媒体的传输十分有利。同时多跳链路有效缩短了每一个单跳的传输距离, 在改善信号衰减造成的数据丢失方面效果显著, 有效地提升了网络的可靠性, 对于不同路径间信号的干扰也有所降低。
从路由角度看, WMN面临着更为复杂的路有需求。由于无线网络的拓扑结构非固定, 且WMN网络本身的多跳传输方式, 使得传统路由协议无法得以应用, 而只能采用Ad Hoc网络协议, 主要包括动态源路由协议DSR以及Ad Hoc按需距离矢量路由协议AODV。就DSR协议而言, 已经有详实数据表明在相同的网络负载之下, 其相对于传统的PMP星形网络在吞吐量和传输时延方面更具优势。而作为DSR与DSDV相综合的ADOV协议, 则采取了广播式的路由机制, 能够在无法检索到目标地址路由信息的情况下通过广播更快地将数据包传输到位。
除上述Mesh技术特征以外, 在其他方面, Mesh技术也有不俗表现, 例如:能够对非对称数据传输进行适应的TDD时分双工, 以及能够更为充分利用WMN内频段资源的基于OFDM的多址技术OFDMA等。此外, Mesh技术目前也已经相对成熟, 虽然国际上对于Mesh技术簇的相应标准尚未得到完全建立, 但是通过和现有的各种无线通信和网络技术融合, 特别是与IEEE802.11a/b/g标准的融合, WMN已实现了有效的产品化, 并且极具生命力, 相信标准的出台将随着进一步的技术成熟指日可待。
2 基于WMN的视频监控系统结构分析
目前Mesh技术已经广泛应用的视频监控领域, 并且基于其对流媒体传输的技术优势, 已经在该领域中显现出极大的生构参见图1。
图1大体展示了基于Mesh系统的视频控制软件结构, 在系统完成初始化之后, 用户可以通过网络访问控制层的相关操作下达关于视频采集、视频压缩以及数据传输等相应指令, 并且经由用户端的相应设备对视频数据进行接收并且进而通过解压最终播放。
核心控制系统负责通过各类驱动程序对硬件进行控制, 完成相应的任务, 通常采用Linux作为核心控制系统的开发基础, 并且在配置时根据硬件资源选择Flash和SRAM的大小, 对于网络子项中的TCP/IP和IEEE802.11协议的支持, 对于不支持的选项全部去除借以缩减内核体积, 最后通过编译得到相应的Linux的内核映像文件。
在对整个系统完成了构建之后, 还需要反复测试确保整个系统的可靠性和易用性, 才能正式投入使用。目前的视频监控系统已经日趋成熟, 随着技术的发展, Mesh的独特优势毕竟在众多领域发挥作用。
参考文献
[1]任智, 郭伟.多跳无线网路由协议研究进展[J].电信科学, 2003 (8) .