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WiFi的无线网状组网技术浅析
摘要: 本文首先介绍了WiFi相关技术的特点，然后介绍了WIFI的无线网状组网技术，并在无线Mesh网络的规划流程的基础上，主要针对WiFi-Mesh网络规划中的关键问题进行了分析。
关键词: 无线网状网络;无线局域网;WiFi;
ABSTRACT: This paper introduces the characteristics of WiFi technology, and then describes the WiFi wireless mesh network technology and wireless Mesh network planning process, based on mainly for WiFi-Mesh network planning key issues were analyzed.
Keywords: Wireless Mesh Network; Wireless Local Area Networks;WiFi;

1．WiFi特点介绍
WiFi全称Wireless Fidelity，意思是无线保真技术。又称802.11b 标准，该技术使用的是2.4GHz附近的频段。WiFi传输速度较高，可以达到11Mbps，在信号强度小或者存在干扰的情况下，带宽可依次调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps。自动调整带宽有效地保证了网络的可靠性和稳定性。WiFi传输速度快，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，方便与有线以太网络整合，组网的成本相对较低。而且WiFi更健康更安全。IEEE802.11 实际发射功率约 60~70 毫瓦,而手机的发射功率约 200 毫瓦至 1 瓦间，手持式对讲机则高达 5 瓦,而且 WiFi 无线网络使用方式不像手机直接接触人体，对人体的辐射较小，使用起来是绝对安全的。
WiFi 主要是由接入点AP（Access Point）和无线网卡组成的。AP在媒体存取控制层中连接无线工作站和有线局域网。
用户在安装了有线宽带后，找到并连接一个AP，接着给电脑装一块无线网卡，就能完成WiFi上网。一般来说，一个家庭有一个AP就够了，用户授权给附近邻居时，邻居甚至也能在不增加端口的前提下共享上网。如果网络建设较为完备，802.11b能达到100米以上的工作距离，而且会减少高速移动时的数据纠错问题和误码问题。WiFi相关设备与设备之间以及设备与基站之间的切换和安全认证也能得到不错的解决。
2. Mesh组网技术简介
作为一种新兴的组网技术, 无线网状网络 ( Wireless Mesh Network, WMN)在近年迅速引起业界的关注。WMN的出现是应用需求直接推动的结果。
无线Mesh技术的主要特点如下：
一、多跳性。数据包均能由每个网络节点以及用户端设备转发或者路由发送到另一个对端。Mesh还能选择确定从发端到对端的最佳路由。
二、自组织。Mesh网络能够自动寻找发现相邻AP并组建Mesh网络。
三、自配置。Mesh网络中的AP能够自动配置并集中管理，从而使网络的管理和维护得到简化。
四、自愈合。Mesh网络中的AP能够主动发现并且动态连接路由，单点故障对业务的影响可以得到消除，进而提供了冗余路径。
五、利用率高。利用率高是Mesh网络的又一个优势。在一般的WLAN网络中，多个设备共享使用一个固定的AP。但是网络设备的增多，AP的网络可用率会慢慢下降。在Mesh网络中，节点都是一个个AP，一旦某一个AP可用率开始下降，数据则会自动重新选择其它可用率较高的AP进行传输。
但目前Mesh技术仍存在不足，主要体现在：互通标准仍在正在制定中，不同厂商的设备不兼容；在3－4跳之后，链路总带宽下降导致每用户带宽降低。因此，Mesh技术暂不推荐应用于无线城市场景的建设。图1为无线Mesh网络架构示意图。

图1 无线Mesh网络架构示意图
3. WiFi 的Mesh组网
WiFi- Mesh网络通常由下面几个网络节点组成：
①Mesh Portal (MPP)。WLAN Mesh网络的进口和出口，能够连接其它网络，因此也被称作是Mesh网关。
②Mesh Point (MP)。MP相互之间建立对等链接。但是简化的MP将只支持１跳的链接，就是只和直接相邻的MP链接，不能越过多跳进行路由。MP有时也叫网桥。
③Mesh AP (MAP)。MAP不仅具有MP的网桥功能，还具有一部分基站的功能，也可与STA互相链接。
④STATION(STA)。STA可通过MAP连接终端。

图2 WiFi MESH网络结构示意图
在有些情况下，STA也能互连网络和转发分组，但是一般情况下没有网关的桥接功能。一般，Mesh网络终端只有一个无线接口，实现起来的复杂度远远小于Mesh路由器的实现难度。Mesh终端种类也很多，比如笔记本电脑、PDA、掌上电脑、手机等。Mesh终端之间相互连接，可以构成一个小型的对等通信网络，如图4。

图4对等MESH通信网络示意图
4.WiFi- Mesh网络的应用环境
随着WiFi技术的普及，WiFi Mesh网络应用场景和应用范围变得相当广泛，可以实现企业网络、家庭网络以及“热区”网络内的多层次多范围的应用。
1. 实现企业网络之间互连
目前，WiFi已经在企业办公室、写字楼中得到了广泛的应用，但这些WiFi设备要不是互相之间没有连接，要不就是采用了相对较贵的有线接入方式相连。如果采用Mesh组网技术，将这些设备通过Mesh路由器互连，不仅能解决无线网络连通性的问题，而且相对有线接入方式来说还可以节约不少成本，部署也更加灵活，同时网络的容错性和健壮性还能得到提高。
2.实现家庭宽带网络之间互连
有线宽带家庭网络之间的互连大多使用WiFi实现，但在一些场景下，单个AP仍会产生WiFi覆盖不到的盲区。为了消除这些盲区，无线Mesh网络技术可在家庭互连网络中采用。放置一定数量的小型Mesh路由器，家庭内部的网络数字设备可以以多跳Mesh网络的形式互连。这样可以有效的消除盲区，同时网络的容错性还可以大大提高，且迂回路由访问造成的拥塞也能减少。
3.实现“热区”之间网络互连
无线Mesh技术的应用，可以将城市重点“热点地区”的网络相互连接，从而形成一个“热区”无线多跳网络。这个“热区”的连接出现，在“热区”内部的用户之间就能共享若干个因特网接入设备，这样就不必每个用户都要具备因特网接入设备。不仅如此，“热区”内的用户还无需通过远端网络，就能在所在“热区”内进行本地的相互访问，实现内部网络资源的共享。
5. WiFi-Mesh 网络规划流程
进行 WiFi-Mesh 无线网络规划，首先要确定覆盖目标、设计容量以及网络的预期质量。包括：哪些区域要求覆盖、有什么样的应用、用 户量、覆盖区域地图、服务质量要求、附近是否有干扰源、现有资源、回传链路、硬件设备选型及传输选择等。
然后进行现场勘测，了解现场的情况获得现场环境参数、传输及点位等情况，特别是AP安装点选择、干扰信号、障碍物等。最后才能进行设计和仿真。在实施和校正阶段，要根据现场情况调整，测量实际覆盖效果，如果不满足则要进行调整和优化。图 2为 WiFi-Mesh无线网络的规划流程图。
6. WiFi-Mesh 网络规划方法
根据以往建设经验和试验网结果，下面对 WiFi-Mesh 网络规划方法中的以下方面进行分析和总结。
6.1 组网方法
建议采用双载频和多载频的技术组网，尽量避免采用单载频方式。考虑到容量以及成本的均衡，建议用 802.11a/g 双频模式先进行部署，对带宽有较高要求的区域采用802.11n 进行部署，以提高容量。

图2 WiFi-Mesh无线网络规划流程图
6.2 网络规划中簇划分
组网时建议以簇为单元进行规划，单簇最多不要超过20个节点。另外在每个单独的Mesh簇都要有一个或者多个根节点AP接入有线网，这样以来每个AP节点都能拥有主用及备份两个链路。整个Mesh网络就是由许多个这样既可以保证带宽又具有高可靠性的Mesh簇组成。
6.3 跳数选择
多跳虽然为无线 Mesh 网络增加了灵活性和健壮性，但是也对网络的时延和吞吐量产生了影响，因此再选择跳数时需多方面考虑。
时延对影响实际 Mesh 组网很重要，一方面时延会对相关业务的 QoS 产生影响，另一方面如果链路层过大的时延，也会间接对基于 TCP 业务的流量性能产生影响。
图3为某实验网中采用不同类型的Mesh组网条件下，通过加载不同的负荷对Mesh 组网的双向时延的大小进行全面考查。图3（a）为单频情况下不同跳各种业务的时延大小趋势图，图3（b）为双频情况下不同跳各种业务的时延大小趋势图。从图3中可以看出,不管是单频组网或者多频组网，增加跳数会对Mesh网络的时延产生较大的影响，在较大的负荷条件下可以看出5跳的时延是单跳时延的10多倍，即当增加一级的回传链路时，时延都会得到很大程度增加。
图4为某试验网中单频、双频的组网条件下采用不同跳数产生的吞吐量对比表，从以下测试结果中不难看出，在单链情况下，采用单跳50m是采用3跳50m处产生的吞吐量的5倍， 性能的下降较明显。
综合尽兴考虑多跳的时延和传输带宽，建议Mesh组网的时候一般单条链路选择3跳为宜，最多也尽量不要超过5跳。

图3（a）单频组网各跳各种业务时延趋势图

图3（b）双频组网各跳各种业务时延趋势图
6.4 频点选择及规划
802.11b/g 工作在2.4GHz 频段，802.11a工作在5.8GHz频段，均采用非授权许可频段，因此无须向国家相关部门申请频段使用。

图4 单双频组网条件下不同条数吞吐量对比表
建议采用5.8GHz 频段做无线回传，2.4GHz做网络覆盖。因为目前绝大多数终端设备都是工作在 2.4GHz 频段，而5.8GHz 的终端设备相对来说较少。由于回传需要的可靠性更高，因此建议采用频谱较为纯净的 5.8GHz频段。但是 5.8GHz频段比较高，传输距离比较短，因此5.8GHz的覆盖面积需要在网络规划时充分考虑。
对2.4GHz 频段来说，有3个非重叠的信道 ，而对于5.8GHz频段，则存在5个非重叠的信道，如图5所示。

图5（a）2.4GHz频段存在的信道

图5（b）5.8Ghz频段存在的信道
对频点进行规划时，可以复用非重叠信道，但要确保同一信道的 AP 之间的距离足够远，同样的信道不要相邻。图6（a）为 802.11a频点规划示意图，图6（b）802.11b/g 的频点规划示意图

图6（a）802.11a频点规划示意图

图 6（b）802.11b/g 的频点规划示意图
6.5 站址的选择和安装
选择站址时，应尽量遵守下面的原则：
①站址应该尽量选择在供电不仅可靠交通还要便利资源也要丰富的地方 ；②尽量使接入信号能避开密集树林或者高楼等以避免遮挡到视距传播。回程的无线信号也要求直线、可视传输的保证；③选择根节点时要确认传输条件，回传节点要求确认供电条件是否符合；④如果在街道上，可以在道路交通信号灯或者路灯灯杆上安装。取电方面则要使用各类灯杆上的 220V交流电，前提是确定能否提供 24h 持续供电、电源线能否从灯杆顶端穿引；⑤对沿道路部署的，可链状组网。位置应选在十字路口四角的灯杆中选择视野最好的，以便和来自道路上不同方向的设备建立无线回程 ；道路过长或者无法形成网状拓扑时，应在周边选择具有一定高度、具有良好视距的建筑物。在路口和好的商业覆盖位置间合理选取，尽量保持相互间的平衡 ；⑥安装设备时，在街道上为了减少周边树木对信号的衰减，尽量保证AP节点设备在路的两侧交替放置，这对在植物茂密的场所保证视距传播条件有很大影响；⑦尽量保证相邻两个站点的天线挂高基本一致；⑧如果AP天线置于楼顶或灯杆，还要考虑 AP天线的防雷。

图7 接到两旁并交替放置Mesh AP 节点
6.6 天线选择
选择天线时，分为选择室内天线和选择室外天线。选择室外天线时，在网络建设启用初期和未来发展期，要更多地长远考虑无线网络的覆盖面积，所以为了扩大覆盖面积，无线回传链路因而要采用增益较大的天线。因为天线的水平波束宽度变窄而且室外空旷，环境的反射较少，因此要求天线的挂高和极化方向尽量一致。
选择室内天线时，环境的不同决定了选择的天线的不用，通常的办公室和商务楼的覆盖尽量选择全向天线，室内环境相对来说比较复杂的环境较多选择扇区天线 。比如Market，有一排一排的高大货架，要在货架之间获得很好的覆盖效果，可以选用定向天线互相对打。如图 8所示。

图8 定向天线相互对打方式
6.7 AP站间距的确定
AP的站间距受到物理地形的。实际测试结果显示通常站点间距保持在 300m 左右。影响站点密度也受到用户密度的影响，遇到用户密度较高的区域时，要首先照顾到节点的密度，适当对站点数量增加，减小站间距。密集城区AP 间距一般在 150～200m 之间。
在实际操作的时候，AP 的具体数量受到AP 安放点以及实际环境的影响。AP 的安装位置和实际传播路径也会存在不同差异的情况。因此规划时一定要实实地勘察，并结合AP 的安放点以及实际环境决定 AP 的站间距及数量。
6.8 AP 接入用户数的控制
WLAN的CSMA/CA 机制决定了接入的用户过多会造成同一时刻时产生冲突的概率增大，每个用户必须等待的时间也会必定延长，从而造成系统带宽闲置。如果用户超过一定的限度会导致系统的瘫痪。一般每 AP 接入用户数在 20 ～ 30 台左右较为合适。
6.9 干扰的规避手段
WiFi-Mesh 的频谱资源不受管制会不可避免的出现在同一地区存在大量同频干扰的情况。因此进行干扰的规避也要采取一些规避手段。
①采用定向天线。网络规划阶段，可以采用定向天线进行富有针对性的覆盖，防止同频其它 AP受到干扰。同时也能避免来自其他某一个方向的干扰。
②合理规划频点。建议手动规划可以配置的网络，条件允许的情况下考虑开启 AP 的动态频点调整功能应对密集城区的严重干扰。
7. 室内外覆盖
室内覆盖方式分为与现有的2G、2.5G或 PHS 共用分布式系统和单独覆盖。也可以通过室外 AP 布放实现室内的无线覆盖（特殊场所除外），尽量不使用室外组网来覆盖室内。
遇到特殊场所，通常使用高增益的定向天线来室外覆盖室内。这种办法比较适用走廊在大楼一边的结构。其他情况应从网络容量出发，进行设计其它室内覆盖方式。室内单AP 覆盖范围通常为 30 ～ 50m。AP 数量要根据室内障碍物的穿透损耗特性不同的实际情况确定。总体来说，WiFi-Mesh 网络规划类似WiFi 网络规划，但也有本质的区别。网络规划不能做到一劳永逸，WiFi-Mesh 无线网络规划方法仍需要不断总结，不断完善。
案例：某大学体育场。据实地考察，体育场长约300米，宽约为180米，运动会等大型活动时，会有约200名各学院学生会干事等工作人员集中于主看台下，其对无线网络应用基础需求约为70-80台各学院工作用笔记本电脑，为了保证基础需求以及额外需求，体育场的无线信号覆盖可以选择5台无线MESH AP以及2台定向天线。具体部署如图4-6所示，在主席台下方部署室外Mesh路由器一台，在主席台左右2侧分别部署室外Mesh路由器各2台。定向天线部署在体育场2个对顶角（定向天线的水平覆盖范围是一个超过90度角及距离300米左右的扇形区）。通过将信号定向覆盖，将Mesh信号增强便可达到体育场的全覆盖。如图10所示。

图10 体育场Mesh设备及定向天线部署示意图
8. WiFi的发展前景
这两年内，无线AP的数量增长迅猛，无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及。目前除了在一些公共地方有AP之外，国外已经有先例以无线标准来建设城域网。因此，WiFi的无线地位将会越来越稳固。 
　　WiFi是目前无线接入的主流标准。家庭和小型办公网络用户对移动网络连接的需求一直是无线局域网市场增长的动力。目前为止，欧美和日本等发达国家依然是WiFi用户最活跃的地区。不过随着电子商务的进一步发展和移动办公的快速普及，廉价的WiFi，一定会成为需要随时连接到移动网络的人群的必选。 
　　但也不可否认，目前WIFI技术在商用上遇到了不少困难。一方面是由于WIFI自身的限制性，比如它的漫游、安全和计费方式等都还没有妥善的解决。另一方面，WIFI还未找到明确的盈利方式。如果按照单一网络的标准来经营WIFI，商业用户又会不足，从而使网络建设的投资收益不高，也就会影响运营商的积极性。但从WIFI的技术定位看，对运营商来说，WIFI主要是作为高速有线接入技术的补充，将来也会逐渐成为蜂窝移动通信的补充。而且从大量的经验来看，每一种先进的技术都不能包含所以通信系统的工程，因此只有合理运用各种接入手段，才能提高可靠性、经济型以及有效性。 相信WiFi在不久的将来，一定会有广阔的前景。

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