《无线mesh网络》PPT课件.ppt

无线MESH技术 主讲人 学号 无线MESH网络 4 1无线mesh网络定义及特点4 2无线mesh技术特点与网络结构4 3无线mesh网络关键技术4 4无线mesh网络与传统的WLAN无线局域网4 5典型应用场景和应用行业 4 1无线mesh网络定义及特点 4 1 1无线MESH网络概述Mesh网络 WirelessMeshNetwork 即 无线网格网络 是一种基于wifi技术而发展出来的一种新型的无线城域网解决方案 由于其具有自组网 自修复 自平衡 自动扩展等特点 目前正在世界范围内尤其是欧美等发达国家掀起应用热潮 与传统无线网络完全不同 无线mesh网络大幅降低运营商对网络部署的成本和复杂度 无线mesh可以与其它网络协同通信 是一个动态的可以不断扩展的网络架构 任意的两个设备均可以保持无线互联 无线网状网 WMN 技术是面向基于IP接入的新型无线移动通信技术适合于区域环境覆盖和宽带高速无线接入 无线Mesh网络基于呈网状分布的众多无线接入点间的相互合作和协同 具有宽带高速和高频谱效率的优势 目前 基于Mesh技术的无线网络集成了健壮的安全性和全面的可管理性 可提供移动宽带和灵活的自组网通信 并拥有对局部区域可靠和安全的覆盖能力 已成为符合国际电联 ITU 公众保护及救灾 PPDR 业务要求的一项优秀解决方案 Mesh网络不仅有助于改善城市信息化的应用环境 而且对提升城市的综合服务能力也有十分明显的作用 4 1无线mesh网络定义及特点 4 1无线mesh网络定义及特点 4 1 2无线MESH技术的三个阶段第一阶段的典型代表是基于交换技术的无线网状网络 采用交换技术的无线网状网产品是一个无线交换机和AP的结合 它本身没有路由功能 必须有一个根节点来进行数据交换 这一阶段的产品主要特征是适合小规模组网 连接多个热点 第二阶段的典型代表是基于路由技术得无线网状网 具有路由功能的无线网状网真正体现了网状路由的特性 每个无线网络中的路由器不仅为覆盖区内连接的用户提供网络接入 同时作为该网络的基本设施将数据通过无 4 1无线mesh网络定义及特点 线网状网络路由到目的地 但由于使用的是来自于有线网络被广泛应用的3层路由技术 并不完全适用于无线网络 无线网状网的真正潜力没有发挥出来 第三代无线mesh产品 采用多种技术 在无线性能 传输距离 移动速率 抗干扰 穿透等 方面具有大幅增强 能够适用于更多更复杂的应用场景 第三代无线mesh网络具备灵活性高和容错能力强的特点 它以最少量的网络基础设施和互联网成本大大扩展了网络的覆盖范围 4 2无线mesh技术特点与网络结构 无线Mesh网络是一种与传统的无线网络完全不同的网络 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 11无线局域网 WLAN 中的接入点 AP 等等 中心节点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 同时 又通过有线链路与有线骨干网相连 提供到骨干网的连接 而在无线Mesh网络中 采用网状Mesh拓扑结构 是一种多点到多点网络拓扑结构 在这种Mesh网络结构中 各网络节点通过相邻其他网络节点 以无线多跳方式相连 在WMN中包括两种类型的节点 无线Mesh路由器和无线Mesh用户端 WMN的系统结构根据节点功能的不同分为3类 骨干网Mesh结构 客户端Mesh结构 混合结构 4 2无线mesh技术特点与网络结构 骨干网Mesh结构是由Mesh路由器网状互连形成的 无线Mesh骨干网再通过其中的Mesh路由器与外部网络相连 Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关 中继功能外 还具有支持Mesh网络互连的路由功能 可以通过无线多跳通信 以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围 客户端Mesh结构是由Mesh用户端之间互连构成一个小型对等通信网络 在用户设备间提供点到点的服务 Mesh网用户终端可以是手提电脑 手机 PDA等装有无线网卡 天线的用户设备 这种结构实际上就是一个Adhoc网络 可以在没有或不便使用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑 4 2无线mesh技术特点与网络结构 1 是一种新型无线技术 提供无线路由功能 可扩展WiFi形成无线城域网 2 单节点无线性能比WiFi有很大增强 满足构建无线城域网的要求 3 网络拓扑成网状 4 具备多跳功能 5 网络具有自组织 自修复 自平衡能力 6 高带宽 低成本 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 1网状拓扑网状拓扑结构 如下图 传统的无线网络结构如图b 属于树状结构 有父子关系 每个节点只与它直接有父子关系的节点连接 父节点有故障将导致其所有子节点无法正常工作 mesh拓扑结构如图a 没有父子关系 只要在无线发射功率可及范围内的节点都可以直接通讯 一个节点故障只会影响到与它相关的无线链路 其他链路可照常通信 这种网络的一个显著特点就是可靠性高 但其最大挑战来自过于复杂的网络结构导致路由协议非常复杂 特别在无线环境中 节点具有移动性 而无线环境瞬息万变 节点发射功率也经常调整 导致网络拓扑结构变化非常频繁 路由协议必须管理这种快速变化 使任一时刻任意俩点间的通讯都能找到最佳路径 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 2网络自组织功能网络具备自组织功能 可自动探知新增节点 并更新路由 自动调整网络参数 如相邻节点发射功率等 自组织功能带来诸多优势 减小无线规划复杂度 无需复杂配置 新增节点非常方便 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 3网络自修复功能网状结构 无中心 单个节点破坏不会影响到其他节点 可进行路由自调整 节点具备功率自调整功能 通过覆盖区域呼吸效应减小节点毁坏带来的影响 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 4网络自平衡功能节点具有自平衡能力 能根据数据目的地和各前向路由中拥塞情况选择最佳路径发送 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 5分布式控制分布式控制 为实现节点间相互通讯 无线网状网需要众多控制功能 如认证 无线资源安排 路由发现等 这些工作在传统网络中都是通过中心控制节点完成的 但在无线网状网中没有中心控制节点 这些工作必须由各节点或节点间自行完成 设计的控制流程与传统无线网络存在很大区别 如下图所示 图b为传统网络 节点A和节点E认证工作都与中心节点F直接交互 但在图a网状网网络中 节点A认证与其相邻的节点进行 如图中的B 节点E认证也与其相邻节点进行 如图中的B和D 4 2无线mesh技术特点与网络结构 一般而言 无线mesh网络由客户节点 mesh路由器节点和网关节点组成 客户节点可以是笔记本电脑 智能手机 无线传感器或者控制器等 客户节点按照功能可以分为俩类 一类只作为普通终端接入网络 不具有转发信息的功能 另一类即具有普通节点的接入功能 又具有路由和信息转发功能 即兼具了无线路由器的功能 按照结构层次 无线mesh网络可以分为平面结构 多极结构和混合结构 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 6平面结构平面结构中所有节点都是对等的关系 每个节点都包含相同的MAC 路由 管理和安全协议 既可以接入网络 也可以转发其他节点的消息 网内的节点能够形成任意网状的拓扑结构 节点也可以任意移动 网络的拓扑结构会动态得发生变化 在这种环境下 由于节点的无线通信覆盖范围有限 两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发功能进行数据通信 而不需要借助其他基础设施 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 7多级网络结构无线mesh网络的典型多极结构 分为上下两层 下层的客户端节点可以通过无线mesh路由器接入到上层mesh结构的网络中 mesh路由器提供路由选择和中继功能 为客户节点提供一条顺利连接到网关节点的无线链路 网关节点通过路由选择和管理控制等功能为移动终端选择与其他网络节点通信的最佳路径 这种结构的优点 可以兼容市场上已经有的设备 降低系统成本 提高了网络覆盖率和可靠性 缺点 任意两个终端节点之间不能之间通信 4 2无线mesh技术特点与网络结构 4 2 8混合网络结构在混合结构中 用户节点增加了具有转发和路由功能的mesh设备 之间可以实现无线互连 4 3无线mesh网络关键技术 4 3 1无线mesh网络关键技术 路由路由判据无线mesh网络中另一个很重要的问题是路由选择问题 例如从某个节点A到达其他节点B 可以经过不同的用户站中转 于是就存在多条路径 选择哪条路径就成为一个关键问题 这将直接影响系统的性能 而一般有线网络中的路由协议技术并不适合无线路由场景 需要综合考虑多方面的因素 当节点增加或者减少时 无线mesh网络中的拓扑结构就会发生变化 路由选择问题变得更加复杂 快速收敛无线网状网中拓扑高度变化 由于常规路由协议需要花费较长时间才能达到收敛 而此时拓扑结构在达到收敛前又发生了变化 结果导致整个网络路由始终无法处于收敛状态 在无线网状网中 路由算法必须具备快速收敛特性 使其能够感知和跟踪上节点移动造成的链路状况变化 以维护正确的动态路由 另外 由于无线宽带有限 路由协议开销不能太大 否则会严重影响网络性能 快速无缝切换节点在高速移动的情况下 需要在很短的时间内进行无线链路的切换 如果切换时间过长 会导致数据传输的中断等情况 4 3 2无线mesh网络关键技术 无线 无线性能增强技术无线信号存在着慢衰落和快衰落问题 如何增强传输距离 移动速率 抗干扰 穿透等无线性能是众多无线mesh厂家研究的重点 新兴的物理层无线电技术 如定向智能天线 自适应调制编码以及无线电 多信道系统已经成为下一代无线接入系统的不可或缺的关键技术 此外 为了进一步改善无线射频性能以及高层协议的控制 更先进的可重配置无线电 感知无线电 甚至软件无线电技术都已开始在无线系统中有所应用 这些高级物理层无线电技术的开发设计部署仅对物理层性能起着决定性作用 而且要求进行整合物理层和网络层进行整体设计 以便最大限度的提高整个网络性能 另外对于无线mesh网络 由于共享信道等以及干扰等方面的原因 多跳后带宽会严重降低 这个也是需要解决的问题 4 3 3无线mesh网络关键技术 功率控制 功率控制与管理功率控制与管理对于无线mesh网络来说非常重要 特别是终端对节能尤为敏感 功率控制的主要好处在于 1 采用尽可能小的发送功率或者减少不必要的功率发射 能延长电池的使用期限 并且能增大网络容量 2 降低发射功率能够减少链路冲突 3 当系统流量负荷较高时 低发射功率将获得更小的端对端时延 而当负荷较低时 高发射功率将获得更小的时延 所以功率控制需要根据系统负荷大小确定功率的分配 4 功率控制应该与网络层的路由技术联合进行优化设计 无线资源管理不仅包括功率控制 还包括容量和负载管理 以及资源分配和调度机制等 无线资源管理一方面是满足各种业务的QoS要求 另一方面能保证珍贵无线资源高效使用 4 3 4无线mesh网络关键技术 QoS与安全 QoS保证无线mesh网络的大多数应用都是具有不同的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包率等性能评价指标 一般mesh节点都具有转发功能 特别是网状网络的情况下 节点自身业务和转发业务发生冲突时如何保障QoS还是一个严峻的问题 网络信息安全无线mesh网络和802 11无线局域网相比 多跳通信是一个主要的安全挑战 无线通信的广播本质使其更容易受到被动攻击 如窃听 以及主动攻击 如信息篡改 DOS攻击 而这些安全隐患在多跳的mesh网中将被进一步放大 所以必须设计安全的路由协议 4 3 5IEEE802 11sMesh标准 IEEE802 11在大规模应用时遇到的一个难点是系统的覆盖能力有限 WLAN受发射功率的限制 覆盖范围一般在100m范围内 为了扩大网络的覆盖范围 通常通过增加AP的办法来实现 但这种方法增加了公众网的建设成本 无线Mesh网络作为一种新的组网技术为解决上述问题提供了新的途径 IEEE802 11s任务组 主要研究支持无线分布式系统 WDS 的协议 为WMN定义媒体接入控制 MAC 层和物理层协议 以实现WLAN在多个AP之间通过自配置多跳的方式组网 提高WLAN的覆盖范围 WDS是802 11网络的一部分 用来作中继桥接的功能 可以让无线AP之间通过无线进行桥接 中继 同时不影响其无线AP覆盖的功能 支持WDS技术的无线AP或无线路由器具有混合的无线局域网工作模式 可以支持点对点 点对多点的数据传输 4 3 5IEEE802 11sMesh标准 IEEE802 11s提出了无线Mesh网络的参考体系结构 Mesh媒体接入协调功能组件 MMACFC 位于物理层之上 Mesh路由组件之下 负责有效的竞争接入和WMN中多跳节点间数据包发送接收的调度 当安全的Mesh链路建立以后 Mesh节点需要与其他Mesh节点协调以解决竞争和共享无线媒体的问题 来保证该节点本身及其他节点的数据包通过多跳的WMN有效转发 直观上看 MMACFC等同于802 11WLAN中的分布式协调功能 DCF 或802 11e中增强的分布式信道接入机制 EDCA 对DCF或EDCA加以必要的改进 可高效地工作于多跳Mesh网络中 MMACFC需要解决的问题有 隐藏终端问题 暴露终端问题 在多跳Mesh路径上从源节点到目的节点的流量控制 在多跳转发路径上的有效调度 对多跳多媒体业务 视频或语音 分布式允许接入控制 分布式保证服务质量 QoS 的业务管理 本地业务和转发业务的有效处理 不同网络环境下的可升级性 Mesh节点间信道工作接入的调度 使用多信道提高Mesh网络的性能等 4 3 5IEEE802 11sMesh标准 IEEE802 11s的目标是突破传统AP功能上的限制 使之具有Mesh路由器的功能 业务流转发给邻近的AP进行的多跳传输 这种方式决定了WMN具有较高的可靠性 较大的伸缩性和较低的投资成本等特点 这样 在新的WLAN架构中 WLAN的AP自动形成WLAN的WMN骨干网 IEEE802 11Mesh网络可以是骨干网Mesh结构 也可以是客户端Mesh结构 客户端Mesh结构中 所有设备工作在WLAN的Adhoc网络模式下 WMN通过自动配置实现节点间的互联 摆脱了以往对AP的依赖 4 3 6Mesh基站的可扩展性 在无线Mesh网络中 由于多跳传输的原因 提高容量与增大覆盖范围成为一对矛盾体 因此 研究无线Mesh网络可扩展性相关技术 其目标是在保持容量的情况下扩大覆盖范围 而要达成以上的目标 需要从两个层面开展研究 一个是Mesh基站的可扩展性 另一个就是每个Mesh移动台的可扩展性 相比而言 目前Mesh移动台可扩展性研究比较多 而且其与AdHoc网络中的可扩展性研究有很多相似之处 但是Mesh基站的可扩展性却更为重要 因为Mesh基站是无线Mesh网络的骨干节点 根据无线Mesh基站的特点 其可扩展性相关技术主要包括信道分配技术 智能路由技术以及多天线技术等几个方面 接下来主要介绍一下信道分配技术 由于无线Mesh基站承担着骨干节点的作用 因此其采用多信道的方式进行传输几乎是必不可少的 在实际的系统中 无线Mesh基站一般是多模的 即可以在多种空中接口 如IEEE802 11a b g等 上传输 这样才能满足实际传输的需要 在多模的情况下 信道分配技术目前被认为是无线Mesh网络中的一项较为实用有效的关键技术 4 3 6Mesh基站的可扩展性 然而 信道分配必须将Mesh基站与Mesh移动台结合起来考虑 通常说来 是让Mesh基站之间用802 11a接口进行传输 而将802 11b g接口用于Mesh基站与属下的Mesh移动台之间进行连通 因此 对于相邻的Mesh基站来说 必须要进行合理的频率协调规划 由于802 11a接口中从5 25 5 35GHz以及5 725 5 825GHz可以使用8个非重叠的信道 因此可以在相邻的Mesh基站之间采用不同的信道进行传输 考虑到Mesh基站的可扩展性 当一个新的Mesh基站尝试接入已有的Mesh网络的时候 除了要研究高效的接入技术之外 合理的信道分配也非常重要 一个较为实用的方法是采用载波侦听 CSMA 的方式来进行信道获取 另外 离网关越近的Mesh基站 由于其需要中继的数据也越多 通常其应该享有更高的信道使用优先级 合理的信道分配可以减少冲突概率 降低干扰 减少时延 从而增强无线Mesh基站的可扩展性 在实际情况下 我们应根据实际无线Mesh基站的特点 选取合适的技术以提高无线Mesh基站的课扩展行 4 3 7Mesh移动台的可扩展性 Mesh移动台的可扩展性主要指在一个Mesh基站为核心的区域里 如何在保证容量的情况下扩大覆盖范围的问题 涉及的主要技术有 信道分配技术 节点分类和QoS分级技术 协作传输技术等 这里我们主要还是介绍一下信道分配技术 为了提高多跳网络的性能 未来的无线Mesh网络中的移动台也可以是多模的 如配置IEEE802 11b g等等 IEEE802 11b g在2 4GHz到2 4835GHz上有3个不重叠的信道 这样 Mesh移动台也可以采用不同的空中接口或者运行在不同的信道上 用于与Mesh基站之间的互联互通 一个实用的信道分配方案是在一个以Mesh基站为圆心的覆盖范围内 采取分圈的办法将覆盖范围划分 并且将每个圈之间采用的空中接口错开 当新的Mesh移动台接入网络的时候 可以根据其所在的位置来选用其合适的信道进行传输 对于这种方案 重点是要考虑一个Mesh基站所能服务的圈数以及各个圈之间的合理距离 4 3 7Mesh移动台的可扩展性 另外 与Mesh基站中的情况类似 离Mesh基站越近的Mesh移动台 由于其需要中继的数据也越多 通常其应该享有更高的信道使用优先级 而且 这些Mesh移动台在发送数据的时候必须考虑优先转发远端Mesh移动台过来的信息 以保证远端节点和近端节点信息传输时延的公平性 在结合上节点的分类和Qos分级技术及协作传输技术真的的实现了保证容量的情况下扩大覆盖范围的问题 4 4无线mesh网络与传统的WLAN无线局域网 4 4 1WLAN无线局域网 树状结构 4 4 2无线mesh网状网 网状结构 4 4 3无线mesh网络与WLAN性能对比 4 4 4mesh与WLAN互补关系 WiFi网络的特点是带宽较高但通信范围较小 主要用于小范围的无线通信 被定义为无线局域网 WLAN 目前 WiFi网络迅速向人群聚集的地点或楼房内发展 像咖啡厅 酒店 机场候机大厅等地为用户接入互联网的服务 相对于WiFi 无线mesh在组网方式 传输距离以及移动性上都有很大的改进 特别是它具备兼容WiFi的特性 利用无线mesh网络和WLAN的特点 在组网时 可以用无线mesh做骨干传输 同时用WLAN做接入 做到互相补充 4 4 5无线mesh网络与蜂窝移动通信系统的区别 可靠性提高传输速率大大提高 采用无线mesh网络 可融合其他网络或技术 如WiFi 超宽带等 速率可以达到54Mbit s 甚至更高 成本降低 无线mesh网络中 大大节省了骨干网络的建设成本 而且接入点 无线mesh路由器等基础设备比起蜂窝移动通信系统中的基站等设备便宜的多 4 4 5无线mesh网络与Adhoc的区别 无线mesh网络与Adhoc网络均是点对点网络 无线mesh网络可视为Adhoc网络技术的另一个版本 无线mesh网络注重的是 无线 而Adhoc网络更强调的是 移动 无线mesh网络多为静态或者弱移动的拓扑 而Adhoc网络多为随意移动 包括高速移动 的网络拓扑 无线mesh节点的主要业务是来往于因特网网关的业务 Adhoc网络节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流 无线mesh网络主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入 Adhoc网络主要应用在军事或其他专业通信 4 4 6无线mesh网络的主要优缺点 优点 1 可靠性大大增强 2 具有冲突保护机制 3 简化链路设计 4 网络覆盖范围增大 5 组网灵活 维护方便 6 投资成本低 风险小 4 4 6无线mesh网络的主要优缺点 缺点 1 对于不同射频信道的无线mesh的研究还处于试验研制阶段 性能改善总体来说还不太满意 2 在无线mesh路由准则和选择算法等方面 目前提出的特别适用于无线mesh网络的路由协议寥寥无几 3 在无线mesh连接性和多路支持方面 每个节点链路连接也是一个至关重要的问题 并非使用射频信道数越多 网络性能越好 射频信道数增加会带来设备开销和成本上升 同时可能会带来更多的干扰问题 4 在无线mesh网络中的带宽利用和资源分配算法方面 目前还没有提出非常有效的可用算法和协议 相关问题还有待研究 4 5典型应用场景和应用行业 无线视频监控除固定无线视频监控外 还可移动视频监控 摄像头可移动 视频客户端也可移动 视频监控是mesh的一种主要应用方式 4 5典型应用场景和应用行业 无线宽带上网由于mesh兼容WiFi终端 可以用WiFi卡上网 也可以用mesh卡上网 mesh卡性能比WiFi卡明显优越 4 5典型应用场景和应用行业 由于mesh能提供高带宽 可以用于视频广播 视频对讲等业务 4 5典型应用场景和应用行业 mesh扩展WiFi热点成为热区 WiFi手机可在城域范围内漫游通讯 极大促进了WiFi手机的应用 4 5典型应用场景和应用行业 应急临时通讯mesh属于无中心网络 具备自组织功能 无需事先布设基础设置 终端间可自组织直接通讯 特别适用各类应急通讯场合 4 5典型应用场景和应用行业 生产作业等数据业务无线mesh节点除提供标准WiFi终端接入功能外 还提供以太网口接入 适合各类传感器 生产作业工具的的接入 使其轻松在终端间或终端与服务器间通讯 满足各行业生产作业的需求 4 5无线mesh技术应用迅猛发展 已超过450个城市应用 行业应用更是广泛 4 5mesh技术是当前最具竞争力的无线宽带技术 1 技术先进 符合通信无线化 宽带化和IP化发展趋势 可提供高速移动下的宽带数据 提供独特的网状拓扑和Ad hoc功能 2 产品成熟 应用广泛 3 高带宽 但成本低 技术商用化能力强 4 部署方便 工程成本低 对环境影响小 5 兼容WiFi 存在终端用户基础 谢谢