基于wifi的无线组网技术

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1、基于WIFI的无线网状Mesh组网技术摘要:目前，无线局域网由于相对有线网络的众多优点受到广泛应用，其中WiFi因高效的工作能力而受到热捧,但是WiFi由于支持范围有限,使得 它的开展受到一定程度的限制，这里对该问题进行了研究。在不添加有线根底设 施、扩大本钱的情况下,考虑将网上的无线设备作路由器使用,对数据进行不断 转发，通过多个无线跳来进行组网，即利用无线网状Mesh 组网技术，在低 本钱的条件下,大大的扩展无线信号的覆盖范围。考虑到无线网状组网技术在当 前市场上的应用，其业务支持能力和性能方面的优势，证明了想法提出的合理性 机可行性。基于 WiFi的无线网状Mesh组网技术不仅具有 Wi

2、Fi本身 的优势，还解决了 W iFi的覆盖范围小的问题，因此会有广泛的应用空间和很 好的开展前景。关键词：无线网状网络；无线局域网;WiFi;无线跳1. WiFi技术的探讨与研究WIFI全称 Wireless Fidelity，意思是无线保真技术。乂称802.11b标准，该技术使用的是2.4GHz附近的频段。它的最大优点就是传输速度较高，可以达 到11Mbps在信号较弱或有十扰的情况下，带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbp带宽的自动调整，有效地了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为：速 度快，可靠性情况高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米

3、，方便与有线以太网络整合，组网的本钱更低。同时它 还能与已有的各种802.11 DSSS设备良好的兼容。1.1 WIFI现状及特点WIFI无线宽带计入技术有以下几个特点：1 WIFI的覆盖半径可达300英尺左右，约合100米，办公室自不用说， 就是在整栋大楼中也可使用。2传输速度快，虽然有时 WIFI传输的无线通信 质量不是很好，但传输速率比拟快，可以到达 11 Mbp成口果无线网卡使用的标准 不同的话，WIFI的速度也会有所不同。3建网本钱低：只要在机场、车站、 咖啡店、图书馆等人员比拟密集的地方设置“热点,并通过高速线路将因特网 接入上述场所。4更健康更平安：IEEE802.11实际发射功

4、率约6070毫瓦， 而 的发射功率约 200毫瓦至1瓦问，手持式对讲机高达 5瓦，而且WIFI 无线网络使用方式并非像 直接接触人体，对人体的辐射较小，使用起来应该是绝对平安的。1.2 WIFI技术剖析1.2.1 WIFI的网络构成。站点Station ，网络最根本的组成局部。根本效劳单元Basic Service Set , BSS。网络最根本的效劳单元。最简 单的效劳单元可以只由两个站点组成。站点可以动态的连接 associate 到基 本效劳单元中。分配系统Distribution System , DS。分配系统用于连接不同的根本服 务单元。分配系统使用的媒介Medium逻辑上和根本效

5、劳单元使用的媒介是截 然分开的，尽管它们物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。接入点 Acess Point , AR。接入点既有普通站点的身份，乂有介绍如到分配系统的功 能。扩展效劳单元Extended Service Set, ESS。由分配系统和根本效劳单元 组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上的。不同的根本效劳单元物有可能在 地理位置相去甚远。分配系统也可以使用各种各样的技术。关口 Portal ,也 是一个逻辑成分。用丁将无线局域网和有线局域网或其 的补充。1.2.2 WIFI 组建方法WIFI是指由AP Access Point 和无线网卡组成的无线网络。AP 一般称为网

6、 络桥接器或接入点，它主要在媒体存取控制层 MAC中扮演无线工作站与有线局 域网络的桥梁。具体链接如图1所示。有线宽带网络ADSL小区LAN等到户后，连接到一个 AP,然后在电脑 中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，贝/需增加端口，也能以共享的方式上网。如果在网络建设完备的情况下，802.11b的真实工作距离能到达100米以上，而且还减 少了高速移动 时数据的纠错问题、误码问题，WIFI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证也能得到很好的解决。1.3 WIFI 与WIMAX技术的比拟WIMAX 是英文 World Interoperability

7、 for Microwave Access的缩写。采用802.16x标准。主要工作在2-11G的频段范围内，信号绕过障碍的能力得 到提高，目前已经可以支持非视距传输，意味着在基站和客户端之间可以有树木 或者建筑物的阻挡与 WIFI相比，WIMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择 以及更高的接入速度等等，WIFI主要是解决100米内的无线接入问题，是届丁 WLAN无线局域网的范畴。因此有人认为WIMAX将取代3G,成为下一代通讯 的主流技术。各种标准之间的开展关系如图2。1.4 WIFI未来的开展方向近几年，随着无线AP数量的迅猛增长、低廉的价格以及无线网络的方便与 高效使WIFI得到了迅速的

8、普及。WIFI的无线地位将会日益牢固。但 WIFI技 术的商用却碰到了许多困难。一方面是受制丁 WIFI技术自身的限制，比方其漫 游性、平安性和如何计费等都还没有得到妥善的解决。另一方面，由丁 WIFI的赢利模式不明确，将其作为单一网络来经营，商业用户的缺乏会使网络建设出现 高投资低收益，因此会影响电信运营商的积极性。 但从以往的经验来看，只有各 种接入手段相互补充使用才能带来更高的经济性、可靠性和有效性。因此运营商 们可以将其应定位于以下几个方面：高速有线接入技术的补充。蜂窝移动通信的补充。未来还可以作为在特定的区域 3G的重要补充。1.4.1 高速有线接入技术的补充。目前，有线接入技术主要

9、包括以太网、 xDSL等。WIFI技术作为高速有线接入技术的补充，具有为可移动性、价格低廉的优点，WIFI技术广泛应用于有线接入需无线延伸的领域，如临时会场等。由 于数据速率、覆盖范围和可靠性的差异，WIFI技术在宽带应用上将作为高速有线接入技术的补充。1.4.2蜂窝移动通信的补充。WIFI技术可定位为蜂窝移动通信的补充。蜂 窝移动通信有广覆盖、高移动性等优点但传输速率较低，它可以利用WIFI高速 数据传输的特点弥补自己数据传输速率受限的缺乏。而WIFI不仅可利用蜂窝移动通信网络完善的鉴权与计费机制，而且可结合蜂窝移动通信网络广覆盖的特点 进行多接入切换功能。这样就可实现WIFI与蜂窝移动通信

10、的融合，进一步扩大 其业务量。1.4.3 WIFI是现有通信系统的补充，可看作是3G的一种补充。目前WIFI 接入效劳除了上网、接收email等应用之外，并未出现对使用者而言具有独占 性、迫切性、必要性之应用效劳，这也是它难以大量吸引用户族群的原因。白年来通信开展的历史证明，使用一种包办所有功能的通信系统是不可取的，各种接入手段的混合使用才能带来经济性、可靠性和有效性的同时提高。2. 无线Mesh组网技术无线网状网络Wireless M esh Netw ork, WMNf*为一种新兴的组网技术， 在近两年迅速引起业界的关注。与很多新技术出现的背景类似 ,WMN的出现是应 用需求直接推动的结果

11、。首先，无线局域网WLAN的快速开展为企业和公众带来了极大的通信自由。WiFi Wireless fidelity 作为第一个被广泛推广的高速 WLA眦术，包括已经 批准的IEEE 802. 11a, b, g和n等标准，由于其提高工作效率的能力而受到 追捧，并在全球得到广泛部署。然而，WiFi能够支持的范围非常有限：用户只有 保持在距离无线接入点设备AP 300英尺的范围内才能实现高速连接。因此如 果想把WiFi的效劳模式变成无所不在的覆盖,其本钱将高得可怕。那么，能不 能将网上的无线设备作为路由器使用，对数据进行不断转发，直至把它们送至目的地，从而把接入点的覆盖效劳延伸到几英里甚至更远，这

12、就是提出无线Mesh 组网技术的根本思路,即通过多个无线跳来进行组网WiFi只使用一跳，从 而能在不添加有线根底设施的情况下,大大延展无线信号的覆盖范围。因此，无 线Mesh网络是一种非常适合于覆盖大面积开放区域 包括室外和室内的无线区 域网络解决方案，其特点在于：由包括一组呈网状分布的无线 AP构成，AP均采 用点对点方式通过无线中继链路互联，将WiFi中的无线“热点 扩展为真正 大面积覆盖的无线“热区。这种结构带来的好处包括:自配置：即WM陆AP具备自动配置和集中管理能力，简化了网络的管理 维护；自愈合：即AP能够自动发现和动态路由连接，消除单点故障对业务的影 响，提供冗余路径；兼容性：即

13、如果采用标准的IEEE802. 11b/ g制式，那么可广泛的兼容无线客户终端连通性：即采用M esh结构的系统，信号能够避开障碍物的十扰，使信号 传送畅通无阻，消除盲区。所以,最适合部署无线Mesh网络的环境为：大学园区、体育场馆、临时应 急通信如大型灾难的就在现场等。3. 基于WiFi的无线网状网络无线局域网WLAN 的根本结构是两个无线设备之间点对点或者点对多点 的通信。在点对点模式中，无线连接取代了通信电缆，而且在两个终端距离较近 时可以进行可靠的数据传输。在点对多点模式下，系统有一个中央管理单元 AP， 所有的信号都被会聚到该接入点中，因此无线网络的可靠性依赖于AP和终端之间射频率频

14、连接的质量。无线Mesh网络的通信模式与上述点对点或者点对多 点通信模式是完全不同的。如前所述，WMN!一种基于多跳路由、对等网络等技 术的高速率、高容量的新型网络结构，其本身是可以动态地不断扩展、自组网、 自配置、自动修复、自我平衡的。针对以上特点，工业界标准化组织已经开始着手为其制定新的标准，以满足各种覆盖与网络业务方面的需要。其 中，IEEE 802. 11, IEEE 802.15 以及IEEE802.16等都建立了为 WM制定新标 准的工作组。下面将就802.11标准对 WMN吉构的支持进行简要介绍。最初的IEEE 802. 11业务主要限于数据传输，速率最高只能到达2Mb/ s，但

15、是，IEEE 802. 11 b和802. 11 a/ g的峰值速度可以分别到达 11 Mb/ s和54M b/ s，而 IEEE802. 11n那么期望可以到达100 M b/ s，这就使得现有的电缆和 DSL连接限 制了家庭和办公网络的连接速度。倘假设能够跳过这些有线局部，那么可以克服这一 问题，同时减少铺设和维护以太网电缆的开销。至此，WMN勺思想被引入。虽然 可以用802. 11点对点模式来构建无线 Mesh网络，但是其MAC协议的不可伸缩 性使得网络的性能很差，不适合多跳的 WMN为了将其商用，IEEE新成立了一个 IEEE802. 11s子工作组，制定标准化的扩展效劳集ESS ，即

16、IEEE 802. 11s 专门为WMNt义了 MAC和PHY层协议。在这样的网络中，WLANg入点可以像路 由器那样转发消息。在IEEE 802. 11s工作组中，M esh网络可以是2种根本结构：根底设施的 网络结构和终端设备的网络结构IEEE 802. 11s工作组为支持这两种结构制定了新的标准。在根底设施的网络结构中，IEEE 802. 11s工作组定义了一个基于 IEEE 802. 11 MAC层的结构和协议，来建立一个同时支持在 MAC层播送/多播 和单播的IEEE802. 11无线分布式系统WDS ；而在终端设备的网络结 构中，所有设备工作在点对点模式下的同一平面结构上使用IP路

17、由协议。客户端之间形成无线的点到点的网络，而不需任何网络根底设施来支持。4. WiFi-Mesh网络规划流程进行WiFi-Mesh无线网络规划，首先要确定准确的覆盖目标、网络设计容 量以及网络的预期质量。包括 ：哪些区域需要覆盖、会有什么样的应用、用 户量、效劳质量要求、覆盖区域地图、现有资源、附近是否有十扰源、硬件设备 选型、回传链路及传输选择等。之后要进行现场勘测，了解实地的情况获得现场环境参数、传输及点位等资 源情况，特别是AP安装点选择、障碍物、十扰信号。最后才能进行详细的设计 和仿真。并且在实施和校正阶段，需要根据现场情况调整；测量实际覆盖效果， 假设不满足那么进行相应调整和优化。图

18、 3为WiFi-Mesh无线网络规划流程图。5. WiFi-Mesh 网络规划方法结合以往建设经验以及试验网结果，本又对WiFi-Mesh网络规划万法中以下方面进行了分析和总结。5.1组网方式建议采用双载频和多载频技术组网，不采用单载频方式。考虑到容量和本钱 的均衡，建议先以802.11a/g双频模式进行部署，在对带宽有较高要求的区域 采用802.11n进行部署以提高容量。淮备防融曲定M坊规豚嫁fv怎曲 倘定翻步M帮位V见坊HJj判职片叫黝附以图3 WiFi-Mesh无线网络规划流程图5.2网络规划中簇的划分在组网时建议以簇为单兀进行规划，每个簇最多不超过20个节点。另外在每个单独的Mesh簇

19、都有一个或多个根节点 AP接入有线网络，这样每个AP节 点都有主用和备份的链路。整个 Mesh网络由多个这样的高可靠的二期额保证带 宽的Mesh簇组成。5.3跳数选择多跳为无线Mesh网增加了灵活健壮性，但是也对网络的时延以及吞吐量均 产生影响，因此跳数的选择需要均衡考虑。时延是影响实际Mesh组网的重要因素之一，时延一方面会影响到相关业务 的QoS性能，另一方面链路层的时延过大也会间接影响到基丁 TCP的业务的流 量性能。图4为某实验网中不同类型的组网条件下，通过加载不同程度的符合已全面 考查Mesh组网的双向时延性能。a为单频各跳各种业务的时延趋势图，b 为双频各跳各种业务的时延趋势图。从

20、图 4中可以看出，无论单频组网还是多频 组网，跳数的增加对丁 Mesh网的时延有较大的影响，大负荷下5跳时的时延可 以到达单跳时延的10余倍，即每增加一级无线回传链路，时延都会较大程度的 增加。图5为某试验网中单双频组网条件下不同跳数吞吐量比照表，从以上测试 结果中可以看出，当单链情况下时，3跳50m是单跳50m处的吞吐量的1/5 , 性能下降较为明显。因此综合考虑多条的传输带宽和时延，建议 Mesh组网时通常单挑链路3跳 为宜，最多不超过5跳。，10FTP 15FTP FTP 不限速图4 (a)单频组网各跳各种业务时延趋势图图4 (b)双频组网各跳各种业务时延趋势图5.4频点选择及规划802

21、.11a工作在5.8GHz频段，802.11b/g 工作在2.4GHz频段，全部 采用非授权许可频段，无须向国家相关管理部门申请频段使用。图5单双频组网条件下不同条数吞吐量比照表建议最好采用5.8GHz频段做无线回传，2.4GHz做无线网络覆盖。这是因 为目前绝大多数终端均工作在 2.4GHz频段，5.8GHz的终端设备相对较少。回 传由丁需要更可靠的保证，采用频谱相对纯洁的5.8GHz频段。但由丁 5.8GHz频段较高，传输距离较短，因此5.8GHz覆盖面积需要在网络规划给与充分考虑。对丁 2.4GHz频段，存在3个非重叠的信道；对丁 5.8GHz频段，存在5 个非重叠的信道，如图6所示。图

22、6 (a) 2.4GHz频段存在的信道图6 (b) 5.8Ghz频段存在的信道在进行频点规划时，非重叠信道可以进行复用，但确保使用同一信道的AP之间有足够远的距离，相邻节点不要采用同样的信道。 图7 (a)为802.11a频 点规划示意图，图7 (b) 802.11b/g的频点规划示意图802.1 la图7 (a) 802.11a频点规划示意图图7 (b) 802.11b/g的频点规划示意图5.5站址选择与安装在进行站址选择时，尽量遵循以下的原那么：(1)站址尽量选择在交通便利、供电可靠、资源丰富的地方；(2)尽量使无线接入信号视距传播，避开密集树林高楼等遮挡。对丁回程无线信号要求保 证直线可

23、视传输；(3)根节点要求确认传输条件，回传节点要求确认供电条件 ； 4)对丁街道，可以选择在道路的交通信号灯或者路灯灯杆上。取电那么使用各类 灯杆上的220V交流电，但需要确定是否能够提供 24h持续供电的电源，以及 能否从灯杆顶端穿引电源线 ；(5)对丁沿道路部署，可采用链状组网。并且在 十字路口四角的灯杆中选择视野最好的位置，便丁与来自道路上不同方向的设备建立无线回程；道路过长、无法形成 Mesh拓扑时，可以选择周边具有一定高 度且具有良好视距的建筑物，保证同链型拓扑的设备建立冗余的无线回程。在占据路口和占据好的商业覆盖位置问进行合理的选取，保持相互间的平衡；(6)设备安装时，对丁街道，为

24、了减少树木的衰减，尽量在路的两侧交替的放置 Mesh AP 节点设备，这有利丁在树木茂密的区域保证视距条件；图8接到两旁交替放置Mesh AP节点(7)相邻站点的天线高度尽量保证一致 ；(8)当AP天线置丁楼顶或灯杆时， 同时要考虑AP的防富。5.6天线的选择对丁天线的选择，主要分为室外天线的选择和室内天线的选择。对丁室外天线，在网络建设初期和开展期更多地考虑无线覆盖面积，所以无线回传链路要采 用大增益的天线扩大覆盖面积。由丁天线的水平波束宽度变窄以及室外空旷环境 的反射较少，所以要求天线的极化方向和高度尽量一致。对丁室内天线选择，要根据不同的环境选择不同的天线，一般全向天线用丁典型的办公室和

25、商务楼的无线覆盖，扇区天线比拟多地用丁室内环境比拟复杂的 环境，如超市，通常有一排一排高大货架，选用定向天线互相对打，就可以在货架之间 获得很好的覆盖效果。如图9所示。图9定向天线相互对打方式5.7 AP 站间距AP的站间距和物理地形密切相关。根据实际测试结果，通常站点间距保持 在300m左右。但用户密度也决定了站点密度，如果某一区域的用户密度较高， 那么设计时就要首先考虑节点密度，适当增加站点数量，缩小站间距。因此一般对丁密集城区考虑 AP问距在150200m之间。但在实际操作的时候，AP的具体数量是和实际环境以及 AP安放点密切相 关的。AP的安装位置不会那么理想，实际传播路径也会存在各种

26、各样的情况， 因此，在规划时，必须要进行实际勘测，并结合实际环境以及AP的安放点决定AP的数量及站间距。5.8 AP接入用户数由丁 WLAN采用CSMA/CA机制，如果接入用户过多，那么同一时刻发生冲 突的概率明显增大，也必定会延长每个用户等待的时间， 而使得系统带宽闲置； 如果用户超过一定的限度，会导致系统的瘫痪。工程设计上一般每AP接入用户 数在2030台左右应该比拟适宜。5.9干扰的躲避由丁 WiFi-Mesh的频谱资源不受管制，不可防止的会在同一地区存在大量 同频干扰。因此需要尽量采用一些手段进行干扰的躲避。(1) 合理的频点规划：建议以手动规划为主，建立可配置网络，在干扰 非常严重的

27、密集城区，可有选择的考虑开启 AP的动态频点调整功能；(2) 定向天线使用：可以在网络规划阶段，采用定向天线进行有针对性 的覆盖，防止对同频其它 AP的干扰，并同时防止来自某个方向的干扰。6.关丁室内覆盖室内覆盖方式分为单独覆盖和与现有的 2G 2.5G或PHS共用分布式系统， 除一些特殊的场所也可以通过室外 AP布放实现室内的无线覆盖外，不建议用室 外Mesh来覆盖室内。如果采用室外覆盖室内的方式，通常使用高增益的定向天线，这种方法适用 走廊在楼层一边的结构。其它室内覆盖方式应从网络容量出发进行设计，所以不建议采用大增益的天线。室内单AP覆盖范围为3050m,由丁室内障碍物穿 透损耗不同，要根据实际情况确定AP数量。随着Mesh技术的不断成熟和普及， 将有越来越多的 WiFi-Mesh无线网络建设在各大城市展开， WiFi-Mesh网络规 划的重要性也日益突出。总体来说，WiFi-Mesh网络规划与 WiFi网络规划有类 似但也有本质的区别，网络规划不是一劳永逸的，WiFi-Mesh无线网络规划方法 仍需要在实际的规划和网络运营当中不断总结和完善。