纖效無線移動MESH解決多跳難題--武漢纖效電子科技有限公司|MESH無線網橋|移動無線網橋|覆蓋無線網橋|遠距離無線網橋|非視距無線網橋

纖效無線移動MESH解決多跳難題 概述隨著無線mesh網絡的普及，其規模和復雜程度持續發展。然而多跳的mesh網絡遇到越來越多的難題，比如帶寬降低，無線干擾以及網絡時延等。譬如，在網絡中的每一跳吞吐量會下降多達50%，連續多跳情況下吞吐量下降得更迅速，其結果將導致網絡性能的嚴重降低。在語音和視頻應用大量運行的極端情況下，時延和RF干擾將達到不可接受的程度，而導致連接完全中斷。傳統的mesh網絡只能提供有限的擴展性，多跳自身的難題使得它對于大規模網絡部署還存在諸多疑問。因而需要一種新型結構化的無線mesh，在其網絡中無論跳數多少，都能夠提供高性能和高可靠性。為了具有可實施性，無線mesh必須是低時延的網絡，為ingress和egress回程流量提供單獨的無線帶寬鏈路（類似于全雙工連接），并自動地使用最高的可用吞吐量。它必須是多頻、多信道、多RF的系統，還應該是模塊化的，并且具有擴展為未來技術的靈活性。這種低時延的mesh網絡已經在實驗室環境（無噪聲）和真實環境（有噪聲）中進行了測試。測試跳數逐步從1跳增加到10跳，結果表明即使達到10跳，無噪聲情況下網絡回程吞吐量只有4%的丟失，而實際噪聲環境也僅丟失了40%。時延測試結果也同樣令人滿意——完全在語音（VoIP）和視頻應用可接受的范圍內。帶寬下降測試結果是與為回程流量使用單頻的mesh網絡的最佳情況進行比較的。單頻mesh網絡在無噪聲情況下經過5跳后帶寬就會令人吃驚地丟失了80%。介紹無線局域網（WLAN）或者Wi-Fi已經不僅僅局限于小規模網絡的解決方案。由于無線所固有的高效性和靈活性，它已經成為IT的主流，并被認為是企業級和運營級網絡一種行之有效的解決方案。業界中的很多企業都認識到，向無線終端提供數據和VoIP的移動性服務將獲得巨大的收益，因此他們在特定區域進行無線覆蓋或“熱區”（hot zone）來更好地服務客戶。無線覆蓋也可以擴展為大規模部署，比如城域和區域網絡，甚至實現覆蓋多城市傳輸應用。為什么需要無線mesh？無線mesh網絡具有諸多優于其它類型無線部署的優勢。這些優勢主要集中在降低網絡關鍵環節的成本——安裝、維護以及運行維護等方面。以某些情況下，由于網絡拓撲結構、缺少有線基礎設施、或者是在客戶室內或室外位置布線成本高等原因，無線mesh網絡成為部署網絡基礎設施的唯一可行方案。在發展歷程上，業界中有三種Wi-Fi方案：第一代集中式網絡模式——是一種非智能的網絡，相互獨立的多個接入點（AP）連接到同一個有線局域網中。第二代集中式網絡模式——是對已有交換機最簡單的一種擴展方式，大多數有線交換機設備均支持。這種模式傾向于將智能功能從AP剝離出來放到交換機中。然而，這種方法產生了許多意想不到的后果（例如，單點故障、帶寬瓶頸以及缺乏擴展性和靈活性）。此外，要是增加AP設備使得現有的WLAN交換機端口不夠用時，就必須購買新的交換機。這兩種Wi-Fi方案還存在著一個共性的問題——它們不是真正的無線，只是“更少的”有線。連接AP的以太網還是必要的。第三代Wi-Fi mesh網絡——是一種智能網絡。由于網絡節點間能夠通過802.11無線鏈路相互連接，因此它們不需要通過有線連接到交換機上。Mesh網絡架構可以擴展通信傳輸區域，也可以同時為無線用戶和網絡節點提供接入服務。如果設計的合理，mesh網絡可以成為高性能、高可靠并具有冗余能力，并且能夠擴展到包含成千上萬個設備。這種類型的網絡安裝快捷，并且不要求精細的規劃和位置選擇即可獲得可靠的通訊。簡單地移動某個網絡節點或者增加一個節點就可以立即完善一個信號較弱或無信號的區域。在無線mesh網絡中，每個節點都會維持到最鄰近節的最優路徑。當無線環境發生變化時，比如加入新節點或者發生擁塞，數據路徑會根據時延、吞吐量、噪聲等因素進行重新評估，并且mesh網絡會自動地進行自我調節將性能維持在最佳性能。如果某個數據路徑丟失，或者RF干擾影響了性能，網絡會通過重路由流量實現自我修復，這樣節點既可以保持連接，而且數據路徑也始終是最優的。所有的自我調節和自我修復過程都是動態的，在后臺執行并且是實時的——對用戶而言是透明的，不需要人為干預。在室外環境中部署網絡時，mesh體系架構允許無線網絡繞過大的物體（比如建筑物和樹木）進行流量交換。無線mesh網絡能夠很容易地通過中間中繼節點繞過障礙物轉發數據包，而不是試圖直接穿過障礙物。尤其在有很多障礙物的城市環境或者有丘陵或山區等傳統無線網絡覆蓋有困難的鄉村區域，該方案都非常有效。實現無線Mesh的方案無線Mesh的方案有很多種，但是大部分的方案都來源于最初的無線分布式系統（Wireless Distribution System, WDS）概念。WDS是一種使用無線橋接和無線repeating的無線AP模式，無線橋接也就是只能在AP之間進行通訊，AP不接受無線客戶端的訪問；而無線repeating既允許AP之間互相通訊，AP也可以與無線客戶端進行通訊。所有的mesh網絡在本質上都是用戶流量在離開網絡（比如到達有線的LAN）之前通過多個節點。用戶流量到達目的地所要經過的跳數取決于網絡的設計、鏈路的長度、使用的技術以及其它一些因素。 單頻方案--——所有信息都在同一信道上單頻模式是無線mesh最脆弱的方案。接入點僅使用一個信道，此信道由無線客戶端和回程流量（在AP之間轉發）共享。 當更多的AP加入到網絡中的時候，用于回程流量的帶寬將會占據越來越高的比例，僅僅留很少一部分容量給無線客戶端。此現象的原因是由于無線是一個共享的媒質。 本方案的AP不能同時發送和接收數據。而且在其覆蓋范圍內另一個AP正在傳輸的時候，該AP也不能發送數據。這種對可用共享帶寬的競爭是基于類似以太網的無線沖突避免原則(CSMA/CA)。 簡單計算一下就會發現，在單頻方案中每個無線客戶端只能獲得很有限的吞吐量。舉例來說，假設你有5個AP，每個AP有20個無線客戶端與之相連，所有的AP和客戶端共享同一個802.11b信道（5Mbps），這樣等價于每個用戶只能獲得少于50Kbps的吞吐量——比撥號連接還要慢。而且由于所有的無線客戶端和AP必須工作在同一個信道上，無線資源的競爭和RF干擾還會導致不可預期的時延。 雙頻方案——回程共享在雙頻方案中，一個頻道專門用來連接無線客戶端，而另一個頻道專門用來進行無線回程傳輸——回程信道同時由ingress和egress流量共享。這意味著什么呢？無線客戶端流量將得到一些的改善，但是全網的性能仍然由于回程的瓶頸問題而不理想。 多頻方案——結構化的無線mesh在多頻（或者稱作結構化mesh）方案中，每個網絡節點至少使用三個頻道的專用無線鏈路接口，其中一個頻道用于客戶端的流量，第二個頻道用于ingress無線回程流量，第三個頻道用于egress無線回程流量。這個無線mesh網絡的方案與單頻或雙頻方案相比提供了很好的性能。因為每個鏈路都工作在獨立的信道上，專用的回程鏈路可以同時發送和接收數據。多跳的難題多跳的難題包括帶寬降低、無線干擾和網絡時延問題，這些問題是由于流量需要在無線mesh網絡中進行多次“跳躍”所引起的。帶寬降低當回程被共享的時候，多跳帶來的帶寬降低的問題尤為嚴重，比如單頻和雙頻方案。在這些情況下，每個從AP到AP“跳越”的流量，其吞吐量都幾乎會被削減了一半。對于這類帶寬降低模式主要有兩個原理。不管你選擇最佳情景原理的降低為1/n（其中n是跳數），還是選擇最壞情景原理的降低為1/2n-1，帶寬降低的數量都是現實存在的，參見下表。最佳情況的場景是假設所有的節點都以線性的方式排列，類似于一個珍珠串，每個節點只能和它兩個鄰接的節點通信。但是在實際部署的mesh網絡中，任何一個節點都能“偵聽”到至少3個或4個鄰接的節點。這時，帶寬降低更加類似于最壞情況的情景。下圖說明了802.11a/g和802.11b采用單頻方案在最佳情況的場景下吞吐量降低的情況。在802.11b情況下，此表的起始吞吐量為5 Mbps－－因為802.11b任何信道的毛數據速率為11 Mbps，其有效吞吐量接近于5 Mbps。類似地，802.11a/g的有效吞吐量接近于24 Mbps。正像前表中所顯示的一樣，即使在最佳情景的時候，對于中等規模和大規模環境，帶寬的損失也是不可接受的。無線干擾無線干擾是一個十分重要的問題，它將影響到無線網絡的性能。簡單地說，無線干擾可以定義為非期望的信號干擾了其他無線通信設備的正常操作。在當今的無線網絡中，802.11b和802.11g是企業和服務提供商向用戶提供無線覆蓋最常用的技術。而大部分無線mesh部署都是使用802.11b作為無線回程的基礎架構，這些網絡回程帶寬很容易受到來自于相同頻段內工作的鄰近設備無線干擾的影響。無線干擾還會導致傳輸錯誤，這些錯誤可能會混合。而且需要注意的是，在網絡不同的部分干擾也千差萬別。就像前面所提到的，單頻和雙頻方案在網絡中使用同一個回程信道，當網絡中任何部分受到了干擾的影響，整個網絡的性能將會降低。而且，這些方案不能修改網絡中該部分的配置（比如調整信道）來避免干擾。Wi-Fi網絡并不是工作在免許可的2.4 GHz和5 GHz頻段的唯一無線設備。還有其他類型設備工作在這些頻段，包括安全系統、對講系統、無繩電話以及其他很多設備。另外，也有一些電子設備會在免許可頻段內泄露無線信號（比如微波爐、計算機和移動電話）。這些設備會導致不同方式的干擾，可能是暫時的（比如微波爐）或持續的（比如無線視頻監控攝像機）。網絡時延VoIP的應用是Wi-Fi的一個關鍵驅動力。建立和部署Wi-Fi和IP電話融合的解決方案可同時支持語音和數據服務，該解決方案可能會使得WLAN在企業中得到廣泛應用。為了支持這些語音和視頻應用，就要求網絡具有很小的時延和抖動。當分組包在網絡節點之間轉發的時候，一定會存在處理時延。在大規模廣域mesh網絡中，通常需要很多到有線網絡的終止點來避免過多的時延——但是這樣就不能充分發揮無線mesh網絡的優勢。而且，隨著時延的增加，語音和視頻應用將受到嚴重的影響（尤其當無線客戶端漫游的時候），甚至可能會導致連接完全中斷。當mesh使用layer 3（路由）協議的時候將會引入另一個問題，也就是在使用layer 3協議的時候，幀頭開銷可能會很小，因此數據比較適合小規?；蛑械纫幠２渴鸬木W絡，而不適合支持很多用戶的大規模環境，這些用戶會漫游并使用語音和視頻應用。時延會影響整個無線網絡的性能，而導致時延的原因有很多種，包括啁啾聲，擁塞，超時和重傳。帶寬時延產品（Bandwidth Delay Product，BDP）是用來測量網絡鏈路能力的一個產品——可以考慮在設計和部署大規模網絡時應用。新型結構化的無線Mesh對于大規模無線網絡部署，尤其在語音、視頻和數據漫游應用很關鍵的時候，將需要新型的無線mesh技術——提供專用的無線鏈路、802.11a用于回程流量、低時延交換、蜂窩狀的客戶端覆蓋。要想在任何時候都提供最佳的性能，這樣的網絡必須是模塊化的、多頻、多信道、多RF 的mesh。同時具有以下特點：非常靈活，完全可擴展的，而且是面向未來技術的，比如WiMAX、802.11n (MIMO)或者 Ultra-Wideband (UWB)。專用無線鏈路在建立一個高級的mesh網絡時，使用方法一定是與其它類型解決方案所不同的。它將應用模塊化的方案，使用專用的帶寬鏈路來完成AP的功能（客戶端連接）或回程功能（網絡級連）。注意圖中理想的無線mesh節點和有線VLAN交換結構設計上的相似性。他們都為用戶接入提供接口，都為回程鏈路提供了專門的接口——客戶端連接（Client Connect）的下行方向回程和網絡級連（Network Connect）的上行方向回程。客戶端連接無線模塊必須設計為或者與無線客戶端連接（用戶接入）關聯，或者使用分離的模塊與其他mesh節點（回程）關聯。網絡級連無線模塊必須根據到網絡egress（有線網絡）的最佳可能路徑為中繼回程流量（ingress和egress）建立與另一個mesh節點的鏈路。對于repeater或者用來擴展網絡范圍的節點，需要包含3個或更多的無線模塊——一個用于ingress流量（回程），一個用于egress流量（回程），還有一個用于無線終端（用戶接入）。下圖闡明了這一概念。802.11a無線回程這個新型結構化的無線mesh需要支持不同類型的無線技術。一些原則決定了針對某一特定的用途，哪一種技術應用更為廣泛。正如前面所提到的，802.11b和802.11g僅有三個可能的非重疊信道。然而802.11a沒有此限制，并且該頻段無線干擾更?。▉碜杂谄渌P記本電腦，無繩電話等），頻譜更寬。鑒于以上原因，802.11a非常適合用于回程mesh架構。可獲得的802.11a信道個數依賴于監管區域，比如美國FCC監管區域在5GHz范圍內為免許可應用保留了4個頻段。這四個頻段指定為UNII (Unlicensed National Information Infrastructure)頻段，總共有24個可能的信道。802.11a與802.11b或802.11g相比較的另一個優勢就是所有可獲得的信道都是非重疊的。因此你可以讓無線節點工作在臨近信道而會不產生相互干擾。在一些國家，也許不能利用802.11a的頻譜。然而在網絡中，節點之間的無線連接也可以像使用802.11a一樣使用802.11g。這兩種技術提供了相似的帶寬和吞吐量特性，并都支持高速模式（11g的Super G，11a的Turbo）將連接速度從54 Mbps提高到108 Mbps。802.11a Turbo信道被指定為42, 50, 58, 152和160信道。低時延交換理想的mesh網絡必須支持語音應用和快速漫游切換，這就是為什么網絡應該設計為layer 2交換。這將會保持時延和開銷最小，并提高多跳的性能。許多現在的mesh網絡都集中在layer 3路由，這種方案的問題是路由開銷最終會限制網絡的可擴展性。高速應用下的低時延交換蜂窩狀覆蓋mesh網絡還應該允許使用多個、分離的扇區狀天線（非常類似蜂窩網絡中無線小區站點天線）同時向不同的方向發射信號，每個方向都使用不同的信道。蜂窩狀覆蓋可以支持向所有相連的客戶端同時進行無沖突的傳輸——意味著在更大范圍內，更多的用戶可以與同一個節點進行關聯，并且獲得更高的吞吐量，這是因為用戶之間發生更少的沖撞。概念的驗證為了驗證新型無線mesh網絡的有效性，我們分別在無噪聲環境和真實環境中做了一系列測試，跳數從1到增加到10。測試的目標是表征流量經過多跳后的降低程度，流量通過了從客戶端相連的節點到流量發生服務器這個菊花鏈上的多個節點。服務器用于測量TCP和UDP帶寬性能（比如最大帶寬），并允許調整不同的參數和特征，它還可以報告帶寬、時延和丟包率。網絡測試場景說明我們在所有場景中都通過幾種類型的測試來對流量進行表征。在理想的mesh網絡中增加或減少節點的情況下，為了確定流量將受到什么影響的目的，這些測試可以認為是精確的。下圖給出了這個測試場景的基本網絡架構。第一組測試場景是在無噪聲、無干擾環境中進行的，可以認為是最優情況。目的是在沒有外部資源和干擾影響下，精確地分析mesh網絡的行為。第二組測試場景引入了真實環境，也就是網絡暴露在充滿噪聲的環境中。為了表征流量通過mesh網絡的行為，所有測試都是使用802.11a作為無線回程的情況下完成的。網絡測試結果在每一跳都要通過有線以太網終端獲取測試結果。結果表明，即使在10跳的情況下，這個網絡在無噪聲環境中只丟失了4％的回程吞吐量，而在真實環境中也僅僅丟失40％回程吞吐量。時延結果也是同樣令人振奮的，32 byte的分組包的時延只有15ms，1400 byte的分組包時延為25ms。這兩個結果都在VoIP和視頻應用可接受的時延限制即100ms以內。帶寬降低測試結果與單頻和雙頻mesh網絡最佳情景相比較，單頻和雙頻mesh網絡在無噪聲環境下的結果顯示了僅僅5跳帶寬就會有80%丟失。結論：多跳大規模無線mesh網絡對帶寬降低，無線干擾和網絡時延等問題十分敏感。如果沒有使用多頻結構化的無線mesh，每一跳的吞吐量可能會下降多達50%。特別是在更大規模部署情況下，網絡時延和漫游也是需要著重考慮的問題。在廣域、高利用率環境中，當無線客戶端使用的語音和視頻應用需要漫游（比如在汽車或火車上）時，時延和帶寬問題將變得不可接受。選擇單頻、雙頻甚至某些多頻mesh網絡將會導致網絡性能降低、擴展性差、不能支持大范圍的應用。顯然，需要一種新型的無線mesh網絡來解決多跳的難題。這一新型網絡需要使用模塊化的、多頻、多信道、多RF的mesh網絡系統，使用蜂窩狀覆蓋來展示高級的系統回程。使用該系統可部署高性能、高擴展性的網絡，并支持實時的語音、視頻和數據應用。

展開

武漢纖效電子科技有限公司|MESH無線網橋|移動無線網橋|覆蓋無線網橋|遠距離無線網橋|非視距無線網橋

聯系我們