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Mesh网络关键技术及组网性能分析2010-01-29 14:21文章结构：1. 背景2. Mesh基本原理及关键技术3. Mesh组网方案及性能分析4. Mesh产品应用摘要：本文对Mesh网络的组网技术及系统性能进行了详细分析。首先介绍 了 Mesh网络的基本原理和系统结构，并对其关键技术进行了分析；然后在分析 Mesh组网方案的基础上，结合产品试验结果对各方案的系统性能进行了综合评 估；最后给出Mesh产品的应用建议。关键词：无线Mesh，性能，关键技术，单频，双频组网1. 背景在无线通信网络的发展过程中，先后涌现出多种多样的无线接入技术，通 过各种灵活便捷的接入手段，使用户体验到无处不在的通信网络及服务。然而， 接入网络的多样性使得异构网络的互通和融合成为构建下一代无线通信网络时 必须重点考虑的问题。此外，如何突破传统蜂窝网络结构的局限性，构建低成本 的下一代无线网络也成为了关注的焦点。Mesh组网技术以其自组织、自管理、 鲁棒性等独特的性能，成为实现宽带无线接入网络连续覆盖的一种有效手段，可 以灵活地应用于多种无线环境，极有可能成为构建下一代宽带移动通信网络的关 键技术之一1。目前，Mesh组网已逐步从概念走向产品实用化，各主流设备供 应商也已纷纷推出各自的解决方案并开始商用。本文将结合运营商的实际需求以 及对各主流厂家Mesh设备的试验情况，从理论和实际两方面综合分析Mesh组网 方案和关键技术性能，为Mesh技术的进一步成熟和应用提供参考。2. Mesh基本原理及关键技术2.1 Mesh基本原理Mesh网络结构主要由Mesh AP、Root AP （根AP）及相关的认证、网管系 统组成，如图1所示。其中，Mesh AP主要负责为终端和其他Mesh AP提供接入 和回传服务，与传统网络的最大差别在于Mesh AP可以根据无线信道和干扰情况 灵活选择最佳无线路由，最终通过不同的Mesh AP和有线接入点Root AP连接到 因特网。有线接入点Root AP与Mesh AP的区别在于它一端提供无线接入，另一 端提供了 Mesh网络最终与有线因特网连接的桥梁，实际上在一个Mesh网络中可 以同时存在多个Root AP以保证与外界网络的通信流量。图1： Mesh组网结构示意图2.2 Mesh关键技术分析1）自配置无线Mesh网络中的AP （包括Mesh AP、Root AP,以下同）具备自动频点 检测、配置以及集中管理能力，可简化网络的管理维护。2）自发现、自组织、自愈合技术无线Mesh网中AP具备自动发现和动态路由连接功能，能够消除单点故障 对业务的影响，提供冗余路径。在某条链路出现错误后可以自动通过其他AP接 入有线网络。针对有线接入点的Root AP，一旦其有线链路出现故障，也将自动 关闭其无线链路，使得其他连接到该Root AP的节点可以自动选择其他有线点接 入，保证网络的正常运行。3）路由优化路由协议是无线Mesh网络最重要的技术之一。无线Mesh网络中的路由协 议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择，而要综合考虑多种性能度量指 标；其次，路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在无线链路失效时， 迅速选择替代链路避免业务提供中断；第三，路由协议要能够利用流量工程技术， 在多条路径间进行负载均衡，尽量最大限度利用系统资源；第四，路由协议要求 能同时支持路由器和用户终端2。4）Qos保证机制随着各种不同类型的业务在Mesh网络上的应用，尤其是在Mesh跳数较多 的情况下，需要保证各种业务的接入、时延、公平性等需求，同时还需协调Mesh 接入网络中的Qos策略与有线网中的QoS策略互连时的一致性，从而为用户提供 端到端的业务Qos保证。5）Mesh安全传统网络的安全隐患在多跳的Mesh网中将被进一步放大。目前Mesh网络 中的安全解决方案主要有两种，一种是采用了多层安全架构，对客户机提供WEP、 WPA保护；对AP间的数据采用64/128 bit WEP或128bit AES加密；同时在网 络层使用VPN来增强整体的安全性等3。另一种方案是在AP间建立经过加密的 IPSec隧道，以便安全地传送所有用户的数据业务、内部信令处理和管理信息， 即所有数据在AP之间的传送都处于IPSec保护之下。3. Mesh组网方案及性能分析3.1组网方案Mesh组网需综合考虑信道干扰、跳数选择、频率选取等因素。本节将以基 于802.11s的WLAN MESH为例，分析实际可能的各种组网方案。下面重点分析单 频组网和双频组网方案及性能。3.1.1单频组网单频组网方案主要用于设备及频率资源受限的地区，分为单频单跳及单频 多跳。单频组网时，所有的无线接入点Mesh AP和有线接入点Root AP的接入和 回传均工作于同一频段，以图2为例，可采用2.4GHz上的信道802.11b/g进行 接入和回传。按照产品实现方式及组网时信道干扰环境的不同，各跳之间采用的 信道可能是完全独立的无干扰信道，也可能是存在一定干扰的信道（实际环境中 多为后者）。此时由于相邻节点之间存在干扰，所有节点不能同时接收或发送， 需要在多跳范围内用CSMA / CA的MAC机制进行协商。随着跳数的增加，每个Mesh AP分配到的带宽将急剧下降，实际单频组网性能也将受到很大限制。图2： Mesh单频组网方案3.1.2双频组网双频组网中每个节点的回传和接入均使用两个不同的频段，如本地接入服 务用2.4 GHz 802.1l b/g信道，骨干Mesh回传网络使用5.8 GHz 802.11a信道， 互不存在干扰。这样每个Mesh AP就可以在服务本地接入用户的同时，执行回传 转发功能。双频组网相比单频组网，解决了回传和接入的信道干扰问题，大大提 高了网络性能。但在实际环境和大规模组网中，回传链路之间由于采用同样的频 段，仍无法完全保证信道之间没有干扰，因此随着跳数的增加，每个Mesh AP 分配到的带宽仍存在下降的趋势，离Root AP远的Mesh AP将处于信道接入劣势， 故双频组网的跳数也应该谨慎设置。图3： Mesh双频组网方案3.2组网关键性能分析本节将对多家主流WLAN Mesh设备厂商产品的试验结果进行分析，并与理 论值进行对比，全面反映目前Mesh实际组网的关键性能指标。3.2.1吞吐量性能根据在实验室环境下对单AP组网以及Mesh簇的双频组网（图4所示）性 能测试，我们选取两类具有代表性产品（Mesh设备A和Mesh设备B）的吞吐量 性能作为分析对象，如图5所示。其中Root AP为有线接入点，Mesh AP为无线 接入点，STA为笔记本终端，接入采用802.11g模式。可以看出两类产品在单AP 组网时吞吐量性能基本相当，达到25Mbps左右，这与理论值也基本吻合。但在 Mesh簇组网情况下，采用设备A的系统吞吐量可达到接近50Mbps，为单AP吞吐 量的2倍，而采用设备B的系统吞吐量则只与单AP基本相当。图4： Mesh簇吞吐量性能评估方案口单侦吞吐量口腿曦吞吐量-U E 5 4 3 2 1nw-ti仰图5： Mesh组网吞吐量性能理论上来看，对于Mesh簇组网由于其中一个节点为有线接入点，不考虑产 品实际的处理能力时，Mesh簇吞吐量应该为单AP吞吐量的两倍，但由于Mesh 设备内部CPU处理器需要同时处理回传和接入的MAC层协议，设备A由于采用了 强大的CPU处理器，使处理器的性能不至成为瓶颈，从而Mesh簇吞吐量基本上 与理论值相当，而设备B的系统吞吐量则受限于CPU处理器。实际上，即使对于 设备A，当组网跳数增加时，其CPU处理器也将不可避免的成为影响性能的主要 因素之一，簇吞吐量性能随跳数增加将会有进一步下降的趋势。Mesh簇的吞吐 量将会直接影响其实际组网时的性能，故在实际网络部署时，需要慎重选择单簇 的跳数，在节约有线资源和保证容量/覆盖之间做好平衡。3.2.2流量与覆盖性能Mesh产品在室外环境中不同组网条件下的流量与距离的典型性能如图6所 示，包括单AP组网、单频单跳、单频两跳、双频单跳以及双频两跳组网的情况。 其中多跳组网时相邻AP的距离固定为150m左右，终端从最后一个Mesh AP处向 远离它的方向移动。图中给出的是接入终端在离最后一个MeshAP点不同距离下 的吞吐量性能，实际覆盖距离还应加上接入AP与回传AP的距离。各距离点流量 绝对值与发射功率、和干扰环境等息息相关，故这里只是考察不同组网条件的流 量对比与变化趋势，以得出针对Mesh组网性能的通用结论。从图中可以看出，在各距离点上流量的大小排序依次为单入?、双频单跳、 双频两跳、单频单跳、单频两跳，这与理论趋势基本吻合。此外，两跳组网的流 量远远低于同样条件下的单跳组网或单AP组网，单频组网的流量也远远低于双 频组网，尤其是单频两跳组网，终端在各距离点的流量均不超过5Mbps，其原因 主要是由于单频组网的接入和回传采用同样的频段，信道干扰问题限制了其性 能，且当Mesh大规模组网、跳数增加时，该问题将更加突出，故实际应用时是 否采用单频组网需要谨慎考虑。综合多家Mesh设备的测试性能，在采用双频组 网时，随着跳数N的增加，流量大致会以大约1/N的规律逐渐下降，实际Mesh 多跳组网的应用将受到上述规律的限制，需要谨慎选择组网跳数。Um 50m 1 UUni 150m 200m 250m 300m 350m 籍院离接入APlIlNh AP）的距离0 5 0 5 0 nffl埠图6： Mesh组网流量性能3.2.3网络时延性能在不同类型的组网条件下，通过加载不同程度的负荷以全面考查Mesh组网 的双向时延性能。从图7中可以看出，在跳数相同的情况下，单频组网时延是双 频组网时延的1.52倍，其原因是单频组网在回传链路与接入采用同样的频段， 接入处理和回传处理只能分时工作，理论上会导致平均时延增加一倍，测试结果 与理论值也基本吻合。此外，两跳时延是单跳时延的1.5倍左右；双频单跳时延 是单AP时延的1.5倍左右，即每增加一级无线回传链路，时延都会较大程度的 增加。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 会间接影响到基于TCP的业务的流量性能。实际上这里的时延性能与上述的流量 性能也较为一致。故时延也将成为影响实际Mesh组网的重要因素之一。64208&4202)徵您单虹 单频单疏单频两疏T-双频单疏岳1号 出 sM 壕号PL.E-IHT双频两疏加裁不同程度顼荷下的时延性能图7： Mesh组网时延性能4. Mesh产品应用Mesh技术作为一种通用新型的无线网络结构，非常适合覆盖大面积开放区 城（包括室外和室内），并能很好地与各种通信技术如WLAN、2G、3G以及未来的 LTE系统结合使用。4.1 Mesh应用场景Mesh网络以其特有的组网优势在国内外已逐步得到应用，主要应用场景包 括：1）无线园区：如工业园、校园、港口 /码头、度假村/游乐场、油田、社区、 体育馆等；2）无线城市：提供市政服务及市民无线上网服务；3）公共安全及城市监管部门/应急指挥的通讯平台：包括特种行业特定应 用、数据采集、IP视频监控、实时上行视频传送等。4.2 Mesh产品成熟度及组网建议目前各厂商的Mesh产品基本功能普遍已较为成熟，但不同厂商的设备还不 能完全互联互通，设备之间的性能参差不齐，大规模组网能力尚需进一步验证。 根据前文的分析，在实际大规模组网应用时，需要谨慎考虑单频组网方式的使用， 在设备能力具备及频率资源充足的条件下尽可能采用双频组网。在跳数选择上要 充分考虑覆盖范围与吞吐量性能的折衷。此外，还需进一步完善Mesh网管系统 以及性能，使之更好地应用于实际系统中。