無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在校園生活中的應(yīng)用

何宇寧　劉春曉　劉姝含　鄂旭

摘要：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WirelessMeshNetwork）即無線網(wǎng)狀網(wǎng)，是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是高速率高容量的分布式網(wǎng)絡(luò)。本文論述了校園無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在校園生活中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)。同時對渤海大學(xué)校園網(wǎng)進行分析，并提出了一種基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的渤海大學(xué)校園網(wǎng)絡(luò)的解決方案。

關(guān)鍵詞：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)；校園無線網(wǎng)；無線網(wǎng)絡(luò)解決方案

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：J DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.015

0 引言

所謂無線校園網(wǎng)，就是通過無線局域網(wǎng)（Wireless Local AreaNetwork）技術(shù)在校園之中建立的無縫無線的通訊式網(wǎng)絡(luò)，使校園各處都能夠進行無線連接式地上網(wǎng)。

目前，我國大部分高校已經(jīng)擁有屬于自己學(xué)校的無線校園網(wǎng)，并且學(xué)校的大部分區(qū)域都可以無線上網(wǎng)，所以大部分學(xué)生在自己大學(xué)生活中都會考慮購買能夠無線上網(wǎng)的筆記本電腦。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)在正處于飛速發(fā)展的階段，在現(xiàn)在校園的信息化生活中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)變得不可替換，同時也持續(xù)在各個領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用，得到各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已悄然走進我們的大學(xué)生活。雖然，目前大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)仍然是有線的架構(gòu)，但是近年來無線網(wǎng)路在校園內(nèi)的應(yīng)用卻日益加。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)擺脫了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的局限性，在校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的拓展中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以快捷、方便的優(yōu)勢，受到廣大師生的青睞，從而成為人們翹首以盼的校園新寵。WLAN技術(shù)在校園生活中的應(yīng)用具有十分良好的前景，如果在校園中建立無線校園網(wǎng)，將會便利所有在校師生的上網(wǎng)環(huán)境，因此倡導(dǎo)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將會意義重大。

1 國內(nèi)外無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外較國內(nèi)對無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究更早一步，并且現(xiàn)如今在美國某些地區(qū)已經(jīng)開始商用化。

Maltz測試平臺由美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院于1999年建立，是最早的一個真實環(huán)境下的測試平臺之一。

APE測試平臺的中心部分是由一個縮小定制的和預(yù)先配置好的Linux系統(tǒng)配置組成，它是由瑞典烏普薩拉大學(xué)信息學(xué)院建立。

LinuxMint測試平臺于2006年開始發(fā)行，是一份基于Debian和Ubuntu的Linux發(fā)行版，其目標是提供一種更完整的即刻可用體驗。

Roofnet測試平臺由麻省理工學(xué)院提出，由37個節(jié)點組成，他的每個節(jié)點上各安裝一塊基于802.1b的無線網(wǎng)卡和一根定向天線，其路由功能由一個被稱為“Click”的模塊化路由實現(xiàn)。

Orbit測試平臺是由美國羅斯福大學(xué)于2005年提出的，目前還在進一步完善之中。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于WLAN受到發(fā)射功率的限制，WLAN的覆蓋范圍有限，其覆蓋范圍最大只能達到100米，所以傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)沒有進行大規(guī)模的應(yīng)用。因此，有學(xué)者提出了無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)相比，它能夠保證既能接受信號，又能發(fā)送信號。因此，可以確定的說：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)加快了信息化生活的發(fā)展。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到許多方面，小到支持個人、家庭用戶，大到能夠支持商務(wù)用戶、學(xué)校乃至一個城市構(gòu)建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。利用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以很容易實現(xiàn)NLOS配置，因此，無線Mesh不僅能應(yīng)用于室內(nèi)，還能廣泛地應(yīng)用于戶外。信號能夠自動選擇最佳路徑不斷從一個用戶跳到另一個用戶，并最終達到物質(zhì)界局勢的目標用戶。這樣，具有直接視距的用戶實際上為沒有直接視距的臨近用戶提供了無線寬帶訪問功能。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U展了無線寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍。因此可以看出，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展前景是非常大的。當然，在實際應(yīng)用中還需要解決一些問題。

1.3 國內(nèi)校園無線Mesh網(wǎng)絡(luò)遇到的問題

雖然國內(nèi)校園無線Mesh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍廣，但是在實際應(yīng)用中卻存在一些問題：

（1）通信量多、規(guī)模大：在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，每一跳都會帶來一些延遲。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍越大，接跳也越多，積累的總延遲量就會越大。因此需要購買大量的接入點設(shè)備。

（2）信號有限：由于學(xué)生的活動場所較為集中，主要集中在教室、圖書館、寢室、食堂的主要活動場所，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)、信號差或者網(wǎng)絡(luò)擁擠的現(xiàn)象。

（3）互操作性：目前影響無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速普及的一個重要障礙就是互操作性。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的技術(shù)標準，用戶現(xiàn)在要么面臨如何與各種不同類型的嵌入式無線設(shè)備接口的問題，要么就只能使用某一個廠商的無線Mesh產(chǎn)品，這個問題目前是影響無線Mesh技術(shù)推廣使用最重要的原因。想徹底解決互操作性問題，最終還需要業(yè)界統(tǒng)一制定無線Mesh技術(shù)標準。

2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介

2.1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（Wireless Mesh Network）是一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是高容量，高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)，也稱為“多跳”網(wǎng)絡(luò)（multi-hop），它可以作為無線接入“最后一公里”的新解決方案。任何無線設(shè)備的節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或絡(luò)中多個對等節(jié)點進行直接通信（如圖l所示）。

WMN現(xiàn)已經(jīng)被寫到IEEE802.16和802.15系列標準之中。

校園無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點：

（1）擴展網(wǎng)絡(luò)范圍廣：每一個結(jié)點即能接受信號，也能傳輸信號；

（2）自愈性：在某臺設(shè)備發(fā)生故障或從其拓撲為之上拆卸的情況下，網(wǎng)絡(luò)會自動適應(yīng)這種改變。

（3）多調(diào)式：每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端設(shè)備、無線通信單元，均能選擇并確定一個從發(fā)端到對端的最佳路由。

（4）點對點式網(wǎng)絡(luò)：自組織網(wǎng)絡(luò)只要發(fā)端和對端的距離足夠近，就能不必通過中央管理節(jié)點，直接連接發(fā)端和對端。

2.2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的技術(shù)

2.2.1 MAC層

MAC（MediaAccess Contr01）層，又叫介質(zhì)訪問控制層，主要負責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。

在傳統(tǒng)局域網(wǎng)中，各種傳輸介質(zhì)的物理層對應(yīng)到相應(yīng)的MAC層，目前MAC所對應(yīng)的標準為IEEE 802.3的MAC層標準，采用CSMA/CD訪問控制方式；而在無線局域網(wǎng)中，普遍使用的網(wǎng)絡(luò)是IEEE 802.11，其工作方式采用DCF（分布控制）和PCF（中心控制）。

2.2.2 信道分配

在移動通信系統(tǒng)中，信道分配是無線資源管理（Radio Resource Management，RRM）的重要內(nèi)容。根據(jù)分配方法的不同，信道分配可分為固定信道分配、動態(tài)信道分配和混合信道分配。

常用的固定信道分配方案有：均勻固定信道分配方案、非均勻固定信道分配方案、靜態(tài)信道借用分配方案、簡單信道借用分配方案、混合信道借用方案。

動態(tài)信道分配的作用是通過業(yè)務(wù)量參數(shù)對信道資源和信道質(zhì)量準則進行優(yōu)化配置。

混合信道分配，是指在采用信道復(fù)用技術(shù)的小區(qū)制蜂窩移動系統(tǒng)中，在多信道公用的情況下，以最有效的頻譜利用方式為每個小區(qū)的通信設(shè)備盡可能多的提供可使用信道。

2.2.3 路由技術(shù)

路由技術(shù)的主要功能是將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從源節(jié)點指引到目的節(jié)點。從網(wǎng)絡(luò)分成的角度看，路由功能位于網(wǎng)絡(luò)層。路由可以分為路由轉(zhuǎn)發(fā)和路由選擇兩個部分，其中路由轉(zhuǎn)發(fā)功能是收到分組后，根據(jù)目的地址搜索轉(zhuǎn)發(fā)表，決定分組的發(fā)送方向；路由選擇功能是搜索分組從某個源節(jié)點到目的節(jié)點的最佳傳輸路徑，以構(gòu)造路由表。

由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，因此無線Mesh網(wǎng)絡(luò)適用于拓撲結(jié)構(gòu)相對固定的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議并不適用，需要設(shè)計專門的路由協(xié)議。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)由Adhoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的，是Adhoc網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形態(tài)，所以一些在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中使用的路由協(xié)議可以應(yīng)用到無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中來，例如AODV、DSR等。但由于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)自身具有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、動態(tài)拓撲、能量約束、業(yè)務(wù)模式、結(jié)點移動性等特點與Adhoc網(wǎng)絡(luò)之間存在一些差異，路由協(xié)議的性能不高，因此仍然需要設(shè)計適用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。目前研究設(shè)計無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仍是國內(nèi)外研究的熱點。

3 基于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的渤海大學(xué)校園網(wǎng)解決方案

3.1 環(huán)境介紹

3.1.1 校園環(huán)境介紹

渤海大學(xué)是中國唯一一所以海域命名的綜合性大學(xué)。渤海大學(xué)現(xiàn)有30000多學(xué)生，教職員工有幾千人，用戶數(shù)量十分龐大。校園中有山，有水，有小型瀑布，各種綜合性建筑。校內(nèi)最宏偉的就是藏書192萬冊的圖書館，另有宿舍樓11棟，教學(xué)樓8棟，食堂兩棟，體育場兩棟，及多種多樣的綠化植物組成（如圖2所示）。

師生宿舍樓分布較廣，教學(xué)樓比較密集，用網(wǎng)范圍大，用戶密度較大，所用流量多。有些地點網(wǎng)絡(luò)信號強度低，如理工二號樓、人文樓。

3.1.2 校園環(huán)境特點

（1）校園環(huán)境WLAN網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，地域覆蓋范圍也較大。

（2）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍要廣，需實現(xiàn)師生在宿舍，教學(xué)樓，食堂，體育場等在校任何角落的全網(wǎng)覆蓋，滿足所有在校人員的無縫隙漫游。

（3）使用無線校園網(wǎng)的人數(shù)較多，每個用戶都存在各種各樣不同的網(wǎng)絡(luò)需求，所產(chǎn)生的上網(wǎng)流量比其他地區(qū)明顯偏多。

3.2 方案設(shè)計

針對渤海大學(xué)在校人數(shù)多，網(wǎng)速慢，某些地區(qū)連不上網(wǎng)的情況，我們提出以下設(shè)計方案：

（1）室外無線網(wǎng)覆蓋

在教學(xué)樓、宿舍樓、食堂以外連網(wǎng)不便的地方，建立多條回轉(zhuǎn)鏈路，使用5.8G無線網(wǎng)橋作為各個主要覆蓋區(qū)域同基站間的回轉(zhuǎn)鏈路。另外，可以在每條主干鏈路上設(shè)計多個Mesh根橋，在無線空間利用獨立的5.8G天線互聯(lián)擴展Mesh網(wǎng)絡(luò)，形成多Mesh網(wǎng)絡(luò)，以增強穩(wěn)定性。也可以采用室外無線橋接方式進行室外無線網(wǎng)的覆蓋，成本低且易操作。

（2）室內(nèi)無線網(wǎng)覆蓋

師生在室內(nèi)，也處于室外無線網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，因此可以使用室內(nèi)CPE設(shè)備增補信號，讓用戶更快捷地搜索到網(wǎng)絡(luò)。

4 總結(jié)

本文給出了無線移動技術(shù)的不斷發(fā)展以及信息化時代的到來推動了無線校園網(wǎng)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)在校園的接入使師生能夠以更加高品質(zhì)的方式學(xué)習(xí)，但還尚有不足。本文針對渤海大學(xué)的師生上網(wǎng)環(huán)境進行了研究和假設(shè)性設(shè)計思路，并未進行實施，倘若要具體實施，還需要專業(yè)人士針對具體校園環(huán)境設(shè)計完整的解決方案。