引言

無線局域網近年來在機場、酒吧、家庭等地方已實現WLAN的覆蓋，從而使用戶擺脫了有線上網的束縛而獲得了極大的方便。為了以無線的方式實現更大范圍的覆蓋，WLAN中的接入點AP應添加無線mesh路由功能，同時這種AP也將成為mesh路由器，以負責本地接入和其他AP的分組轉發，最終通過無線連接組成多跳的接入骨干網，也就是mesh網絡。

1、WLAN Mesh網絡結構

圖1所示是WLAN Mesh網絡結構示意圖。在圖1中，Mesh路由器通過無線連接組成接入骨干網再，骨干網通過mesh網關實現internet的接人。每個用戶節點在本地的具有AP功能的路由器上接入，然后通過路由器的路由功能多跳地接入inter-net，以實現WLAN的無線擴展。

Mesh網絡能夠避免無線局域網因節點的擺放位置而造成的覆蓋死角。由于mesh路由器是無線連接，因而可降低無線局域網AP有線接入inter-net的安裝成本和帶來的不便。另外，在一個社區或企業里，網絡接人一般采用電纜或DSL系列連接。有時最后一公里采用無線方式，通過無線路由器連接到電纜或DSL調制解調器。這種連接方式有很多弊端。即便是在小區內，用戶節點之間或者企業各辦公室之間共享信息也需要通過inter-net，這顯然會降低網絡資源的利用效率。而利用無線覆蓋用戶家庭或企業辦公室、不同辦公樓之間，往往會有很多覆蓋盲點，有時難以獲得無線服務。很多昂貴的寬帶網關又不能共享，必須在每個家庭或辦公樓分別安裝，這樣網絡鋪設的成本就會升高。為此，小區的每個家庭或在企業的一個辦公室、一棟樓里面也可以組成一個基于IEEE 802.11小型的網絡。它們之間不再用以太網的有線連接，而通過mesh路由器實現其連接。而mesh網正好可以實現多個無線局域網的無線互連，因而可以代替以太網的有線連接。

2、WLAN mesh網絡的信道實現

2.1 單電臺單信道WLAN Mesh網絡

傳統的WLAN Mesh路由器都是單電臺的，其組網模式如圖2所示。為便于分析，圖2中簡略了每個路由器連接的其它節點。圖中的單電臺路由器以ad-hoc模式組成骨干轉發網絡，也稱為類ad-hoc組網模式。每個路由節點的唯一一個電臺不僅為本地用戶提供接入服務，還負責為其它路由器轉發分組。像ad-hoc網絡那樣，該網絡所有的節點都在一個信道上工作，它們共享帶寬，也容易受到干擾。因此網絡的性能很低，可擴展性很差。

從圖2可以看出，使用單信道時，由于相鄰節點之間存在著干擾，所有節點不能同時接收或發送，故要在多跳范圍內用CSMA／CA MAC機制進行協調。在骨干網絡上，隨著跳數的增加，路由器分配到的帶寬將以1／n為底的指數遞減，這里，n是每個路由器本地服務的結點數加上它的下行鏈路所連接的路由器數。在圖2中，假設路由器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的本地用戶以及路由器3共4個節點將在1／4C的帶寬上競爭接入路由器2。而路由器3的三個用戶將在（1／4）×（1／4）·C的帶寬上競爭接人。可見，離網關跳數越大的用戶，由于平均分配的帶寬越小，成功接人的機會就越小。圖中只是假設每個路由器的下一跳只有一個路由器，當更多的路由器接入時，網絡所支持的用戶跳數將更小。而當跳數增加到很大時，南于使用了頻率復用技術，有研究表明，分配到的帶寬可達到1／2m和l／m之間（m是跳數）。但存在著嚴重的接人不公平性和不可擴展性。可見，單信道WLAN mesh網絡不能很好的支持多跳。

2.2 多電臺多信道Mesh網絡

當今無線寬帶通信的需求為mesh網絡提出了更高的要求，internet連接不再是本地點對點的連接。數據資源在internet網絡上需要mesh網絡通過多跳的方式為用戶提供所需的帶寬。在這種新的需求下，傳統利用一個電臺和一個信道為所有的網絡節點提供接人的Mesh組網方式已經不適應了，因為所有的節點都在一個信道上工作，同時傳輸的可能性不大，節點也不能同時發送和接收，網絡的吞吐量將大大降低。為了解決這一問題，可以使用多電臺多信道的mesh路由器來實現大容量的骨干組網，一般可以考慮使用兩種多信道機制。

（1） 雙電臺雙信道

圖3所示是雙電臺雙信道組網模式示意圖，它的每個路由器使用兩個電臺，其中一個電臺為本地接入服務，它工作在一個信道上，另一個電臺和其它路由器以ad-hoc方式組成Mesh骨干網，由于使用兩個電臺把接入和轉發任務分開了，因此也可稱為1+l類ad-hoc組網模式。這種方式下，兩個電臺工作于不同的頻率。如本地接入服務用2.4 GHz 802.1l b／g信道，骨干Mesh網絡則可用802.11a（5.8 GHz）信道。這樣，每個路由器就可以在服務本地接入的同時，也可以執行轉發功能。

這種網絡中，所有的路由器都是用一個電臺實現轉發任務。它們都工作在同一個信道上，故不能同時收發。事實上，在整個骨干轉發網上，隨著跳數的增加，每個路南器分配到的帶寬仍然存在著隨指數減小的問題。離網關遠的路由器將處于信道接入劣勢。為了改善網絡性能，設計時可以借鑒有線網絡路由器多端口、每個端口獨立地進行收發的思想。在有線網絡中，每個路由器有多個上行和下行的端口，它們能組成一個樹形網絡。路由器保持轉發包到目的節點所需要的路由，每個路由器負責它的子網。由于上行鏈路和下行鏈路是分開的，就不存在隨著跳數的增加網絡性能下降的問題，因而可以說，有線網絡隨著跳數的增加，其帶寬是“保值”的。

（2） 三電臺多信道

三電臺多信道的WLAN結構structured Mesh網絡正是體現了有線網絡的組織思想，它不同于前述情況。它把無線網絡分成多個基本服務區（BSS），每個BSS和其它的BSS獨立地工作在不同的信道上。相當于每個Mesh路由器負責一個BSS，它們在骨干網的上行鏈路和下行鏈路以及提供本地連接服務上，都是工作在不同的信道上的，所以，它們之間沒有太大的干擾。節點的每個電臺可以隨時切換到別的信道以避免鄰近節點的干擾，這樣就可以同時收發。從而消除了Mesh網絡中相互競爭信道和干擾所引起的帶寬隨著跳數的增加逐漸減小的問題，實現了“帶寬保值”。另外，離根節點不同跳數的路由器也能機會均等地轉發和為本地客戶端提供接入服務。同時，樹形結構的網絡路由維護起來更加方便，路由尋找也更加快捷。總之，多電臺多信道Mesh網絡結構，可在不降低網絡性能的情況下，實現無線局域網更大范圍的覆蓋。圖4所示是三電臺多信道的組網模式。

3、 性能測試

為了驗證多信道WLAN mesh網絡的性能，筆者對路由器使用單電臺單信道、雙電臺1+1模式和三電臺的組網方式進行了仿真和比較。實驗結果如圖5所示。

圖中，橫坐標顯示網絡的跳數，縱坐標顯示跳數增加時，用戶節點所分配到的實際帶寬。該值能反映實際達到的吞吐量。

由圖5可見，在傳統的單電臺單信道ad-hoc模式中，隨著跳數的增加，用戶節點實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。使用雙電臺雙信道的1+1模式，也會出現類似的情況。而使用三電臺多信道的網絡組織時，用戶節點分配到的帶寬，就不會隨跳數的增加而迅速下降，只是因為其他的因素的干擾略微下降，總體性能比較良好。

4、 結束語

隨著基于WLAN的多跳mesh網絡的廣泛應用，傳統的單信道ad-hoc網絡模式已不能很好地滿足用戶多跳接人的需要。鑒于多電臺多信道能在很大程度上實現mesh網絡的多跳擴展，因此，它將日益引起業界的重視。

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