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(shí)對渤海大學(xué)校園網(wǎng)進(jìn)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(xiàn)標(biāo)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(jìn)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(shí)也持續(xù)在各個(gè)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(jìn)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(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院于1999年建立，是最早的一個(gè)真實(shí)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(gè)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(biāo)是提供一種更完整的即刻可用體驗(yàn)。

Roofnet測試平臺由麻省理工學(xué)院提出，由37個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，他的每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)被稱為“Click”的模塊化路由實(shí)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(jìn)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(dá)到100米，所以傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)沒有進(jìn)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(gè)人、家庭用戶，大到能夠支持商務(wù)用戶、學(xué)校乃至一個(gè)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(shí)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(gè)用戶跳到另一個(gè)用戶，并最終達(dá)到物質(zhì)界局勢的目標(biāo)用戶。這樣，具有直接視距的用戶實(shí)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(kuò)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(dāng)然，在實(shí)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(shí)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(diǎn)進(jìn)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(diǎn)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(gè)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(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)廠商的無線Mesh產(chǎn)品，這個(gè)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(biāo)準(zhǔn)。

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(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或絡(luò)中多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)之中。

校園無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)：

（1）擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍廣：每一個(gè)結(jié)點(diǎn)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?fù)錇橹喜鹦兜那闆r下，網(wǎng)絡(luò)會自動適應(yīng)這種改變。

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

（4）點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)，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(fù)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(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3的MAC層標(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)則進(jìn)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(gè)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(diǎn)指引到目的節(jié)點(diǎn)。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(gè)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(gè)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最佳傳輸路徑，以構(gòu)造路由表。

由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，因此無線Mesh網(wǎng)絡(luò)適用于拓?fù)浣Y(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(jì)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?fù)?、能量約束、業(yè)務(wù)模式、結(jié)點(diǎn)移動性等特點(diǎn)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(jì)適用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。目前研究設(shè)計(jì)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仍是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度低，如理工二號樓、人文樓。

3.1.2 校園環(huán)境特點(diǎn)

（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(shí)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(gè)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(jì)

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(jì)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(gè)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(jì)多個(gè)Mesh根橋，在無線空間利用獨(dú)立的5.8G天線互聯(lián)擴(kuò)展Mesh網(wǎng)絡(luò)，形成多Mesh網(wǎng)絡(luò)，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。也可以采用室外無線橋接方式進(jìn)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(bǔ)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(shí)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(jìn)行了研究和假設(shè)性設(shè)計(jì)思路，并未進(jìn)行實(shí)施，倘若要具體實(shí)施，還需要專業(yè)人士針對具體校園環(huán)境設(shè)計(jì)完整的解決方案。