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接入网课程报告
目录
一、无线Mesh网络（WMNs）的概念及特点
二、无线Mesh网络的体系结构及
三、关键技术
四、无线Mesh网络应用场 景及模式
五、无线Mesh网络的演进发展方向
背景：
目前随着集成了Wi-Fi功能的笔记本电脑、PDA以及其它电子产品的日益增多，人们对无线宽带网络的依赖性也在不断增强。现在一些机场、酒店、咖啡厅等公共场所已部署了WiFi“热点”，可为网络用户提供便利的网上冲浪条件。其中，最广泛的一项应用就是在校园网络中的应用。无线校园局域网 在国内已经被越来越多的用户接受，上海、广州、北京等高校相继采用了无线方式搭建或者补充校园网。如占地18平方公里的广州大学城，无线网已经实现了跨校 漫游，公众也可免费接入使用Wi-Fi。
与笔记本电脑和PDA产品不同，在中国，手机产品不能包含Wi-Fi功能。这是由于中国政府正在 大力推动自主研发的无线宽带技术标准——WAPI。为何我国不与国际接轨，却要推广这个许多人都不甚清楚的WAPI协议呢？最官方的说法，也是当初我国开 始研究WAPI的一大动因——即WIFI所存在的安全隐患，而本质上，大力推动WAPI跟保护中国的民族通信产业以及保障中国通信安全紧密相关。
WAP确实弥补了Wi-Fi在安全方面存在的一些缺陷，但要将国际通行的Wi-Fi标准换成WAPI，并不是件容易的事情——没有人愿意抛弃已经 成熟的产品再为中国的新标准投入人力、物力来开发，毕竟对于企业来说，利益才是第一位的。两边僵持的结果是：WAPI虽然在安全性方面有优势但依然没有被 广泛推行；而Wi-Fi虽然在世界其他国家都畅通无阻但是到坚持WAPI协议的中国大陆就只能被取消。而作为消费者所看到的，就是一个又一个带有Wi-Fi模块的手机产品，在进入国内市场后发生“缩水”现象。
虽然在手机领域，Wi-Fi由于WAPI的竞争因素而备受打压，在中国市场发展 停滞不前，但在笔记本、PDA等领域，Wi-Fi技术却得到了高速发展与应用，特别是最近几年，利用Mesh网络技术，Wi-Fi技术及应用在教育、餐 饮、酒店等行业市场得到了大力发展。
在以往的Wi-Fi应用中，用户通过Wi-Fi“热点”接入网络。但“热点”数量毕竟有限，覆盖范围 和移动性等因素在一定程度上制约着Wi-Fi应用的发展。而无线Mesh技术的成熟，可使Wi-Fi在传输距离和移动性方面获得提升，给WiFi应用扩展 带来新的机会。无线Mesh网是由包括一组呈网状分布的无线节点构成，节点均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统WLAN中的无线“热点”扩展为 真正大面积覆盖的无线“热区”。
1.无线Mesh网络的概念及特点
随着无线通信技术和Internet高速发展，融合二者实现Mobile Internet成为目前的研究热点。宽带无线Mesh网络（Wirele Mesh Networks, 又称无线网状网、无线网格网等）也因此越来越多地得到人们的关注。无线Mesh网络是一种基于多跳路由、对等网络技术的新型网络结构，具有移动宽带的特 性。它由Ad-Hoc网络发展变化而来，承袭了Ad-Hoc网络动态扩展、自组网、自配置、自管理以及自愈合等优良特性。
无线Mesh网络与传统无线网络相比具有如下特点：
(1)无线Mesh网络可以看作是Ad-Hoc网络的商用化版本、是Ad-Hoc与IEEE 802系列网络融合的产物，也可以看作是因特网的一种无线版本。
(2)传输速率高：由于采用多跳传输，减小传输距离，使得路径损耗大大降 低，从而获得高的数据速率。此外，还可融合其他先进空口技术（如OFDM、UWB、MIMO等）进一步提高传输速率。
(3)覆盖范围大： 由于支持多跳中继，终端用户可以通过无线路由器或其他节点中转连接至网络。接入点的覆盖范围大大增加，并且可支持非视距范围的覆盖。
(4)可靠性高：无线Mesh网络配备多条冗余路由。一旦其中一条链路中断，数据包可自动重新寻路继续传输，不会影响整个网络的运行。从而避免出现单跳网络中一 个节点出现故障，造成大范围服务中断的问题。
(5)网络配置和维护简便快捷：无线Mesh网络所需设备小巧轻便，易于安装。并且由于其路 由选择特性使得链路中断，局部扩容和升级而不影响整个网络的运行。
(6)投资成本低：无线Mesh网络初建成本低，可随用户量增大逐步扩 容。节省了骨干网络的建设成本，且一般采用非许可证频段，为用户节省了支出。
2.无线Mesh网络的组成和结构
2.1.无线Mesh网络组成
(1)无线Mesh网络由Mesh 路由器（Mesh Router）、Mesh客户端（Mesh Client）构成[2]。
(2)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。位于网络边缘的Mesh无线路由器将兼具有因特网网关的功能。Mesh路由器除了具有传统无线路由器中网关/网桥功能的路由能力外，还包含特殊的路由功能以支持mesh组网。
(3)客户节点可以是笔记本电脑、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。
(4)Mesh路由 器具有很小的移动性，为mesh客户端构成骨干网。这样，虽然mesh客户节点也可以为mesh网络作为路由器工作，它们的硬件平台和软件都可以比 mesh路由器简单很多。例如，mesh客户端中的通信协议可以简化，可以不具备网关和网桥功能，一个mesh客户端只需要一个无线接口，等等。
2.2.无线Mesh网络结构
按结构层次，无线Mesh网络可 分为平面结构、分层结构以及混合结构。
1.平面结构
平面结构中的节点仅包含具有Mesh路由功能的增强型终端用户设备。终端用户之间形成Ad-Hoc网络结构模式，节点可以任意移动，网络拓扑动态变化。它 可以在没有或不便利用现有基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。
2.分层结构 分层结构为无线Mesh网络典型的结构，分成回传层和接入层上下两个层次。接入层由普通的不具备路由功能的Mesh客户端构成，这些客户端通过Mesh路 由器接入到上层Mesh结构的网络中，并通过Mesh路由器提供路由选择和中继功能与网络边缘的网关节点形成无线链路。网关节点通过路由选择及管理控制等 功能为移动终端选择与其他网络通信的最佳路径。这样的结构可兼容市场上已有的设备，降低了系统成本，也提高了网络可靠率和可靠性，但缺点是任意两个终端节 点间不具备直接通信功能。
3.混合结构
混合结构中，Mesh客户端增加了转发和路由功能，可以与Ad-Hoc方式互联直接通信。终端节点设备需要同时能够支持接入上层网络Mesh路由器和本层 网络对等节点的功能。如图表1所示，这是无线Mesh网络最常见的组网结构，也是最具有普遍研究意义的结构。
图 表 1 混合结构无线Mesh网络
2.3.无线Mesh网络与蜂窝 中继网络及Ad-Hoc网络的比较
无线Mesh网络与蜂窝中继网络以及Ad-Hoc网络从本质上看都属于多跳中继网络。无线Mesh网络与Ad-Hoc网络主要不同在于移动性以及业务流量 [3]。它们三者的详细比较如下表所示：
3.无线Mesh网络关键技术
3.1.MAC协议
无线Mesh网络的MAC层协议需要根据无线Mesh网络的特性作相应的改动。[4]尽管存在一个集中实体（网关），但网关将不可能协调几跳之外的节点的 MAC层。有大量为MANETs（无线自组网）设计的MAC协议，它们之中很多都能够在无线Mesh网络中工作得相当好。特别是MACAW(接入与 无线冲突避免)，（802.11中标准化的 RTS/CTS option），在避免隐藏节点问题的影响方面非常有效。无线Mesh MAC中的一个重要问题是如何高效利用多个物理信道。可能涉及的问题包括：信道分配、单信道MAC层、多信道MAC层、智能天线的MAC层。
无线Mesh网络MAC协议尚有待研究的问题有：可扩展MAC协议的设计、MAC物理层跨层设计以及MAC层异构网络融合等。
3.2.路由协议
路由协议是任何网络的一个重要因素，但对无线Mesh网络来说意味着成败的关键，因为无线Mesh网络与其竞争技术相比较的好几个优势都是由路由协议带来 的。
由于无线Mesh网络中节点分为不同类型（Mobile Router以及Mobile Client）并具有不同的移动性、能量约束及业务模式，所以对路由协议也有相应的不同要求。主要要求包括：可扩展性、可靠性、移动用户连接性、QoS以 及高效Mesh基础网络路由。
目前出现的WMN路由协议方案，主要有以下类型：多判据路由、多信道路由、多径路由（与多连接相关，可实现负载均衡、路由容错）、分级路由、跨层路由、QoS路由以及基于地理位置信息的路由。
目前比较重要的无线Mesh网络路由协议包括：802.11s默认的HWMP协议、802.11s可选的RA-OLSR协议、微软公司研发的MR-LQSR协议、Tropos公司开发的PWRP协议等。
有待解决的问题包括：路由协议的可扩展性、更好的性能判据、路由/MAC跨层设计以及高效的mesh路由等。
3.3.安全性
无线Mesh网络的多跳及自组织特性，也是其在安全性方面的天然缺陷。首先无线链路的应用使得WMN易受从被动偷听到主动破坏的影响；其次，移动单元如果 没有充分的物理保护易被捕获、劫持和泄密；第三，WMN中的决策经常是分散的，没有可靠的中心授权在WMN中分发公共密钥；WMN的路由也呈现了另一种脆 弱性。
WLAN是直接在接入点之上或通过网关的AAA RADIUS（远程鉴权拨入用户服务）来处理的，这样一种集中化的体制不能应用于无线Mesh网络中。需要为无线Mesh网络提出一种具有安全密钥管理的 分布式鉴权与授权机制。为进一步保证无线Mesh网络的安全性，需要考虑两种另外的类别：将安全机制嵌入到网络协议中，例如安全路由和MAC协议，或者开 发安全监控和反馈系统以检测攻击，监控服务中断，以及对攻击快速反应。
3.4.移动性支持
无线Mesh网络分为两种类型：[5]基于网络二层的无线Mesh网络和基于网络三层的无线Mesh网络。从TCP/IP的角度来看，基于网络二层的无线 网状网是把整个无线Mesh网络当作一个IP子网。这个IP子网是一个完整的广播域。而基于网络三层的无线Mesh网络则允许把整个无线网状网划分为多个 IP子网。子网之间的通信是通过IP路由来实现的。基于二层的无线网状网实现起来简单一些，但由于广播域的限制以及管理的方便，当网络覆盖稍大时需要采用 基于网络三层的无线网状网。
在基于网络二层的无线网状网中，整个无线Mesh网络被当作一个IP子网。从外部IP路由的角度来看，新旧的接入点在同一个目的地，从路由上无须调整，只 是网状网内部二层网桥转发信息需要调整，实现起来比较简单。但用纯二层的方法无法将无线网状网铺到稍具规模而不影响网络性能，所以在这种情况下支持基于三 层的跨子网漫游是必不可少的。
移动IP（Mobile IP）是一种传统的三层漫游解决方案。其优点是标准化。在无线网状网的具体应用中，移动IP的一些缺点更为凸显。首先，移动IP要求客户端软件能支持移动 IP。其次，移动的协议本身较为复杂，开支较大。由于它是纯三层设计，对漫游事件的触发反应较慢，往往不能满足快速漫游的时间要求。
4.无线Mesh网络的应用及商业模式
4.1.按网络结构分类
按无线Mesh网络的网络结构及业务流量进行区分[2]，其提供的业务大致可分为如下三类：
1.因特网接入
各种各样的因特网应用为人们提供重要的即时信息，使生活更加便捷，并提高工作效率及生产率。在一个家庭或中等商务环境，最流行的解决方案仍然是DSL或者 cable modem和IEEE 802.11接入点。然而，与这些方法相比，无线Mesh网络具有很多潜在优势：低开销、高速、安装更简易。
2.分布式信息存储及共享 回程接入因特网在这类应用中是不需要的，用户仅需要在无线Mesh网络内部通信。一个用户可能想要在磁盘存储别的用户的大量数据，基于P2P网络机制从别 的用户磁盘下载文件，以及询问/获取位于分布式数据库服务器中的信息。无线Mesh网络中的用户之间可能想要视频聊天以及一起玩游戏。
3.多个无线网络之间的信息交互
例如，一个蜂窝网电话需要通过无线Mesh网络与一个Wi-Fi的电话进行通话，或者一个Wi-Fi网络用户可能希望监测在一个无线感知网络中几个传感器 的状态。
4.2.按应用场景分类
基于Mesh网络的优势，它还可以在不同异构的环境下提供多种服务[6]；当用户在高速移动时，或者在较大范围的区域内可以通过3G或2.5G传输语音、数据；在局部的范围内可通过WLAN提供宽带网络服务，例如视频点播等。由于其网络形态灵活适应性强，不同配置和规模的无线Mesh网络可以渗透入现代生 活的各种场景和领域。
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。按应用场景可大致分为无线园区、无线城市以及应急通信[7]：
4.2.1.无线园区
无线Mesh网络可在园区范围内为用户提供室内外一体的无线网络覆盖，能够实现无缝漫游，并提供语音、数据和视频等多种业务。其典型的应用场景包括：工业 园，校园，港口/码头货场，高速公路，度假村/游乐场，油田，社区，体育场馆等等。需要支持的基本业务技术包括：数据采集，IP视频监控，VoWLAN等。营运模式拟采用企业自行建设及营运或运营商做管理服务。
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。
2.企业&校园
大型企业及校园用户相对集中，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或校园，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.高速公路
利用无线Mesh网络构建具有移动性的Wi-Fi网络在国外已经进行了试验检测。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。
4.油田&度假村
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。
4.2.2.无线城市
利用城域覆盖的无线Mesh网络提供市政服务及为市民提供廉价/免费无线上网服务及多媒体应用。城市街区社区覆盖，应用于公共交通，医疗，消防，公共安全 等市政公共服务。典型应用场景包括楼宇和消防法令检查、城市公园和休闲设施维护、执法、市容维护、交通监控、社区监管和其他公共安全职责、自动抄表系统。需要支持的基本业务技术包括：无线上网，数据采集，IP视频监控，实时上行视频传送等。营运模式拟考虑为市政自行建设及营运或运营商做管理服务。
1.公共交通
在智能交通方面。先进的智能交通管理系统，包括交通信号控制系统、交通视频监控系统、交警车辆调度、交通信息提示牌、车辆定位等系统，这些系统需要依靠强 大的移动宽带网络的支撑，无线Mesh网络恰好能提供这种宽带移动业务。
2.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.消防监控
构建传感器Mesh网络进行消防监控或对温度及湿度敏感的重要区域进行实时监控[8]。传感器是一种构造相对简单、体积较小的装置，具有一个简单的处理 器，可嵌入设备当中。它经常被用来收集一些数据，例如湿度、压力、温度和振动等，并把这些数据传递给其他的传感器。它们体积小，一般没有用户界面，甚至可 以被视为数据传送器。传感器彼此之间挨得很近，能够以接力的形式将信号传到主控无线电设备上，并由此主无线电设备再对信息进行聚合。
传感器的另一个应用是设备监控和资产追踪，这时可以使用小的无线电设备来组成Mesh网络。
4.2.3.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； 5.无线Mesh网络的未来发展方向
5.1.WiMAX-WiFi Mesh联合组网结构
目前的热点技术WiMAX定位在无线IP城域网，能够提供远距离下的高容量传输，特别适合用作远距离回程连接。而对于Mesh拓扑连接，Wi-Fi具有一 系列优点。因此可以将两种组网方式融合起来，即采用双层结构，骨干网采用WiMAX技术，接入网采用Wi-Fi。如图表2所示：
5.2.无线Mesh网络与异构网络融合
在无线Mesh网络中，同时支持传统和mesh客户端的网络接入是缺省的要求。所以，无线Mesh网络需要对传统客户端节点后向兼容。除mesh路由器与 mesh客户端之间的mesh组网以外，mesh路由器上的网关/网桥功能使得无线Mesh网络能够跟其他的网络整合。配备了无线网络接口卡（NICs）的传统节点可以通过无线路由器直接连接至无线Mesh网络。没有无线NICs的用户可以通过例如以太网连接至无线mesh路由器来接入无线Mesh网络。这样，无线Mesh网络能够在很大程度上帮助用户实现随时随地总是在线。
无线Mesh网络将提供灵活性，使得Wi-Fi、WiMAX、WPAN和蜂窝网络等各种不同的无线radio和接入技术能够整合到一个统一环境。如图表3 所示，无线Mesh网络将是下一代网络的关键能动技术。
图 表 3与异构网络融合的无线Mesh网络
5.3.泛在无线Mesh 网络
无线Mesh网络被期望能够集成不同类型的无线网络，例如Wi-Fi，WiMAX，WPAN，WSN。为实现这一目标，无线Mesh网络必须能够与不同的 网络技术协同工作。因此工业标准化组织已经开始着手为各种无线网络标准加入对Mesh组网方式的支持，如IEEE802.11s Wi-Fi Mesh，IEEE802.15.1 WPAN Bluetooth，IEEE802.15.4 WPAN ZigBee，IEEE802.15.5 all other WPAN，IEEE802.16-2004 WiMAX，IEEE802.20 MBWA。
IEEE802系列多个工作组的Mesh工作模式可以联合组网[10]。如图表4所示，采用WPAN 802.15覆盖人体和房间，采用WLAN 802.11s覆盖建筑物、园区、街道，采用WMAN 802.16进行城域覆盖，可得到渗透入各个空间和应用领域的泛在无线Mesh网络。
图 表 4 泛在无线Mesh网络
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