无线MESH技术介绍V1[1].0.ppt

交流提纲 nwifi-mesh定义及特点 nwifi-mesh关键技术 n 同类技术比较 n典型应用场景和应用行业 n当前应用状况 什么是wifi-mesh 无线网状网(wifi mesh)，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，wifi-mesh大幅降低运营商对网 络部署的成本和复杂程度。 wifi-mesh典型网络 wifi-mesh技术起源 l 在现代化战场上，各种军事 车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆 之间都需要保持密切的联系，以实现统一指挥， 协同作战。这是一 种典型的移动自组织网络.自组织网络已被认为是未来移动通信技术 的核心组成部分之一，甚至有不少人认为自组织网络的思想将会把 所有我们能想到的网络组合在一起，从而实现世界通信网络的大统 一。 l wifi-mesh的研究起源于美国军方darpa计划中对manet(mobile ad -hoc network，移动自组织网络)的研究，应用于波斯湾和海湾战争 的作战通信指挥系统。今天，在经历了多年的技术进步和商业推动 之后，商用的无线网状网最终成为现实。目前，已经商用的无线网 状网产品基本上都基于wifi，称之为wifi-mesh wifi-mesh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。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的无线网状网。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 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。 wifi-mesh的三个阶段 第三代wifi-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，能够适应于更多更 复杂的应用场景。第三代wifi-mesh网络具备灵活性高和容错能力强 的特点。它简化了视距通信问题并以最少量的网络基础设施和互联 成本大大扩展了网络的覆盖范围 。 相对于现有的有线系统，无线系统在信号质量、覆盖程度、传输距 离、通讯安全、服务质量等方面遭遇了更为苛刻的挑战。如何克服 这些瓶颈一直是无线网状网领域的核心问题。此外，如何与wimax、 zigbee等其他新技术进行融合也是当前wifi-mesh的重要研究课题。 wifi-mesh发展趋势 随着经济和文化的发展，越来越多的无线应用市场需求激发了无线 技术的快速发展。无线网状网自一开始就是为“随时随地随需”的 无线应用所设计，它可以动态地创建新的链接和其他节点相连，具 有自组网、自管理、自动修复、自我平衡等优点。无线网状网技术 不但被福布斯杂志认为是预示着无线革命下一个阶段的到来， 也被ieee评选为代表未来趋势的十大信息技术之一。因此，无线网 状网已经被业内普遍认为是无线网络技术的发展方向，被公认为是 未来的4g技术。 无线mesh技术特点 (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). 网络具有自组织能力 (6). 网络具有自修复能力 (7). 网络具有自平衡能力 (8). 高带宽，低成本 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联系， 父节点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之内的节点都 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， 其它链路可照常通讯。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， 特别是在无线环境中，节点具有移动性，而且无线环境瞬息万变 ，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， 路由协议必须能管理这种快速变化，使任一时刻任意两点间通讯 都能找到最佳路径。 a b c d e f a b c d e f 图a 图b 网络自组织功能 l 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 l 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 b a c d 新增f e a c 网络自修复功能 l 网状结构，无中心，单个节点破坏不会影响到其它节点，可进行 路由自调整。 l 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。 b b a c a c d f e 网络自平衡功能 l 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 。 b a c d f e 路径拥塞 节点拥塞 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，而b和d对a和e的认证信息必须事先从节点f 获得。 a b c d e f a b c d e f 图a图b mesh网络的结构 一般而言，wifi-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、pda、wifi 手机、rfid阅读器和无线 传感器或控制器等；客户节点按照功能可以分为两类：一类只作为 普通终端接入网络，不具有转发信息的功能；另一类既具有普通节 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。mesh 路由器可以是普通pc，也可以是专用的嵌入式系统， 如arm 等。 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。 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、管理和安全等协议，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的发生变化。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。 多级网络结构 无线mesh 网络的典型多级结构，分为上下两层。下层的客户节点可 以通过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直接通信. 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。 wifi-mesh关键技术-路由 l 路由判据 无线mesh网络中另外一个很重要的问题是路由选择问题， 例如从某个节点a到达其它的节点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，当节点增加或是减少时， 无线mesh网络的拓扑结构就会发生变化，路由选择问题变的更加复 杂。 l 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，而此时拓扑结构可能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 于无线带宽有限，路由协议开销不能太大，否则会严重影响网络性 能 l 快速无缝切换 结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. 交流提纲 n wifi-mesh定义及特点 n wifi-mesh关键技术 n 同类技术比较 n 典型应用场景和应用行业 n 当前应用状况 wifi-mesh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厂家的研究重点。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、mimo 技术以及多无线电/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运用。这些高级物理层无线电技 术的开发设计不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、mac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wifi-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 wifi-mesh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 荷较高是，低发射功率将获得更小的端到端时延；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。 无线资源管理实际上包括前面所述的功率控制，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，另外一方面能保证珍贵的无线资源高效使用。 wifi-mesh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结点都具有转发功能,特别是网状网络的情况下,结点自身 业务和转发业务发生冲突时如何保障qos还是个问题 网络信息安全 无线mesh网和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以对抗针 对路由协议的攻击。 交流提纲 n wifi-mesh定义及特点 n wifi-mesh关键技术 n 同类技术比较 n 典型应用场景和应用行业 n 当前应用状况 mesh网络与传统的wlan无线局域网 internet internet 传统的wlan无线局域网 无线mesh网络 - 热点覆盖 - 依赖有线连接 - 无线性能较差 - 数据固定路径转发 - 热区覆盖 - 无线自成网络，不依赖有线连接 - 无线性能大幅增强 - 自动适应最佳路由，网络自组织 ，自均衡 wlan无线局域网（树状结构） -独立唯一路径 a b internet -容易阻塞 -必须经过有线网络，且因容易发 生阻塞，网络延时大 -所有节点必须与有线相连，部 署不方便（如采用网桥，则存 在严重的单点故障问题） mesh无线网状网（网状结构） -网状网络结构、存在 多条可选路径，自动寻 找最佳路径 -多条路径间自动平衡 流量，不易阻塞 -选择最短路径，延时 小 -无需所有节点落地， 网络部署方便 -无单点故障问题，网 络具备自愈能力 与wlan无线性能对比 无线局域网wlan无线mesh 覆盖距离 (100mw发射 功率，全向天 线) 室内100m，室外300m(空旷地带) 室内100200m，室外300m 3km(空旷地带) 移动性小于50km/h50km/h350km/h 传输带宽22mbps(tcp) 322mbps(带宽损失用于底层私 有协议开销) 抗干扰能力弱强 无线网络性能 由于节点间无协商机制，再多节点也 无法形成高质量无线覆盖网络，盲区 众多，切换时延大（几秒） 节点间存在协商机制，可以形成 高质量覆盖的无线网络，可消除 盲区，切换时延小(无缝切换几 秒) 各厂家间无线性能存在较大差异，是无线mesh产品的核心竞争焦点 mesh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 线通讯，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宇内发展，像咖啡店、 酒店、机场候机大厅、写字楼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，特别是它具有兼容wifi的特性，利用wifi-mesh和wlan的特点 ,在组网络时,可以用wifi-mesh做骨干传输,同时用wlan做接入,做到 互相补充的关系 与公众移动网络比较 2g公众网 (gprs/cdm a1x) 3g公众网(td- scdma/wcdma/ cdma2000) 3.5g公众网 (hspa ) 无线mesh 最大传输带宽30-70kbps 128kbps,部分重点 区域384kbps 理论值 下行14.4mbps 上行5.8mbps 20mbps 网络覆盖 广域覆盖,目前建 设很充分,无 处不在 广域覆盖,目前仅在 奥运城市建设 广域覆盖,目前 无建设 城域覆盖,按需建 设 安全 国内未实施空口 加密,安全存在重 大隐患,可轻松进 行空口窃听和数 据拦截 空口加密可靠,主要 隐患来自非专网存 在的安全问题 空口加密可靠, 主要隐患来自非 专网存在的安全 问题 空口加密,节点认 证,用户认证,专 网 建网成本高高高低 使用费中高高低 无线mesh与3g的融合 3g已经酝酿很久，而且得到各大通信公司的支持，我们国内也有td- scdma专有技术，可谓众望所归。到目前为止，数字移动电话在一些 基本应用上已经做得很完美，如语音通信、短消息、简单的新闻服 务以及股市行情等等。下一步移动通信所要解决的就是实现移动电 话之间更加直接的视频通信. 无线mesh网络也具有移动、宽带的特性，与3g提供的业务有些相近 。但是二者的定位有所不同。3g定位在广域网，将继续为公众移动 通信服务，3g发展必须依赖大规模布网，时间会比较长。而无线 mesh是基于ip的，定位在城域网，组网灵活，可以先在小范围使用 ，然后逐渐发展起来，更适合于各垂直行业的专网应用。它先于3g 进入市场，同时它又具有很强的兼容性，便于将来与3g兼容，解决 3g末端接入的问题。在未来的通信市场，3g与mesh的结合存在很大 的可能性。 与wimax比较 固定wimax移动wimax无线mesh 最大带宽(物理层。 20mhz频率资源) 75mbps75mbps54mbps 支持移动速度不支持移动100km/h以下 50-350km/h(各厂家能 力不同) 网络覆盖 固定点之间通讯,视距 传输距离可达30-50km ，但无法形成网络 城域覆盖,城市环境 覆盖半径可达成3- 5km。边缘覆盖困难 。 城域覆盖,城市环境覆 盖半径300m-1.5km。 可灵活按需建设。 技术成熟度成熟，已规模商用 预计2009年初成熟商 用 成熟，已规模商用 建设成本高高低 使用费用低低低 频率资源 可使用许可频段和非 许可频段 中国未分配公开频段，免许可 无线mesh 与wimax l 总体来说，在占有市场空间方面，wifi-mesh已经先于wimax、3g进 入市场。同时，wifi-mesh也可以依靠已被市场接受的wifi终端迅速 发展起来。 l 从技术上分析，wifi-mesh、固定wimax,在远距离大面积覆盖时候, 彼此可以相互补充，wifi-mesh做为接入,固定wimax做骨干传输。同 时无线网状网能够实现城域范围内的移动宽带专用通信网。随着技 术和市场的不断发展，wifi-mesh与移动wimax确实存在竞争,但是也 有互补的情况.同时,目前移动wimax技术不成熟,而且面临众多的问 题,如频率没有规定,技术不成熟,成本太高,同时支持wimax的终端还 很少. 交流提纲 n wifi-mesh定义及特点 n wifi-mesh关键技术 n 同类技术比较 n 典型应用场景和应用行业 n 当前应用状况 无线视频监控 l 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的一种主应用方式 无线宽带上网 l 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 多媒体业务 l 由于mesh能提供高带宽，可以用于视频广播、视频对讲等业务 固定mesh节点 媒体播放服务器 （含视频编码器） 显示屏 视频解码器 车载mesh节点 无线voip业务 l 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。 应急临时通信 l 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