精品----精品 Mesh 网络关键技术及组网性能分析 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 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。 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 精品-- --精品 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 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、配臵以及集中管理能力, 可简化网络的管理维护。 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。 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]。 精品-- --精品 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。 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 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。 精品-- --精品 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 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臵。 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。 精品-- --精品 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 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。 精品-- --精品 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Mesh AP 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AP、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, 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 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。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 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1.5~2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 精品-- --精品 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。 图7:Mesh 组网时延性能 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。 精品-- --精品