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•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