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        無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在校園生活中的應(yīng)用

        2015-08-22 16:09:56何宇寧劉春曉劉姝含鄂旭
        軟件 2015年5期

        何宇寧 劉春曉 劉姝含 鄂旭

        摘要:無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WirelessMeshNetwork)即無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng),是一種新型的寬帶無(wú)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀,無(wú)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(duì)渤海大學(xué)校園網(wǎng)進(jìn)行分析,并提出了一種基于無(wú)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò);校園無(wú)線網(wǎng);無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案

        中圖分類號(hào):TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:J DOI:10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.015

        0 引言

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

        目前,我國(guó)大部分高校已經(jīng)擁有屬于自己學(xué)校的無(wú)線校園網(wǎng),并且學(xué)校的大部分區(qū)域都可以無(wú)線上網(wǎng),所以大部分學(xué)生在自己大學(xué)生活中都會(huì)考慮購(gòu)買能夠無(wú)線上網(wǎng)的筆記本電腦。無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)無(wú)線網(wǎng)路在校園內(nèi)的應(yīng)用卻日益加。無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以快捷、方便的優(yōu)勢(shì),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(wú)線校園網(wǎng),將會(huì)便利所有在校師生的上網(wǎng)環(huán)境,因此倡導(dǎo)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)意義重大。

        1 國(guó)內(nèi)外無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀

        1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

        國(guó)外較國(guó)內(nèi)對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的研究更早一步,并且現(xiàn)如今在美國(guó)某些地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始商用化。

        Maltz測(cè)試平臺(tái)由美國(guó)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(cè)試平臺(tái)之一。

        APE測(cè)試平臺(tái)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(cè)試平臺(tái)于2006年開(kāi)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(cè)試平臺(tái)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(wú)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(cè)試平臺(tái)是由美國(guó)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(guó)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(wú)線局域網(wǎng)沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。因此,有學(xué)者提出了無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的無(wú)線局域網(wǎng)相比,它能夠保證既能接受信號(hào),又能發(fā)送信號(hào)。因此,可以確定的說(shuō):無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)加快了信息化生活的發(fā)展。無(wú)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。利用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以很容易實(shí)現(xiàn)NLOS配置,因此,無(wú)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(hào)能夠自動(dòng)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(shì)的目標(biāo)用戶。這樣,具有直接視距的用戶實(shí)際上為沒(méi)有直接視距的臨近用戶提供了無(wú)線寬帶訪問(wèn)功能。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠非視距傳輸?shù)奶匦源蟠髷U(kuò)展了無(wú)線寬帶的應(yīng)用領(lǐng)域和覆蓋范圍。因此可以看出,無(wú)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(wèn)題。

        1.3 國(guó)內(nèi)校園無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)遇到的問(wèn)題

        雖然國(guó)內(nèi)校園無(wú)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(wèn)題:

        (1)通信量多、規(guī)模大:在無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)可通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā),每一跳都會(huì)帶來(lái)一些延遲。無(wú)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(huì)越大。因此需要購(gòu)買大量的接入點(diǎn)設(shè)備。

        (2)信號(hào)有限:由于學(xué)生的活動(dòng)場(chǎng)所較為集中,主要集中在教室、圖書(shū)館、寢室、食堂的主要活動(dòng)場(chǎng)所,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)、信號(hào)差或者網(wǎng)絡(luò)擁擠的現(xiàn)象。

        (3)互操作性:目前影響無(wú)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在還沒(méi)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(wú)線設(shè)備接口的問(wèn)題,要么就只能使用某一個(gè)廠商的無(wú)線Mesh產(chǎn)品,這個(gè)問(wèn)題目前是影響無(wú)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(wèn)題,最終還需要業(yè)界統(tǒng)一制定無(wú)線Mesh技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

        2 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)介

        2.1 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)概述

        無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network)是一種新型的寬帶無(wú)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(wú)線接入“最后一公里”的新解決方案。任何無(wú)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(hào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或絡(luò)中多個(gè)對(duì)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(wú)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(hào),也能傳輸信號(hào);

        (2)自愈性:在某臺(tái)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(huì)自動(dòng)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(wú)線通信單元,均能選擇并確定一個(gè)從發(fā)端到對(duì)端的最佳路由。

        (4)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式網(wǎng)絡(luò):自組織網(wǎng)絡(luò)只要發(fā)端和對(duì)端的距離足夠近,就能不必通過(guò)中央管理節(jié)點(diǎn),直接連接發(fā)端和對(duì)端。

        2.2 無(wú)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(wèn)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(duì)應(yīng)到相應(yīng)的MAC層,目前MAC所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.3的MAC層標(biāo)準(zhǔn),采用CSMA/CD訪問(wèn)控制方式;而在無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)中,信道分配是無(wú)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(dòng)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(jiǎn)單信道借用分配方案、混合信道借用方案。

        動(dòng)態(tài)信道分配的作用是通過(guò)業(yè)務(wù)量參數(shù)對(duì)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(dòng)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)由Adhoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中來(lái),例如AODV、DSR等。但由于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)自身具有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、能量約束、業(yè)務(wù)模式、結(jié)點(diǎn)移動(dòng)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(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。目前研究設(shè)計(jì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仍是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

        3 基于無(wú)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(guó)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(shū)192萬(wàn)冊(cè)的圖書(shū)館,另有宿舍樓11棟,教學(xué)樓8棟,食堂兩棟,體育場(chǎng)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(hào)強(qiáng)度低,如理工二號(hào)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(chǎng)等在校任何角落的全網(wǎng)覆蓋,滿足所有在校人員的無(wú)縫隙漫游。

        (3)使用無(wú)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(duì)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線橋接方式進(jìn)行室外無(wú)線網(wǎng)的覆蓋,成本低且易操作。

        (2)室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)覆蓋

        師生在室內(nèi),也處于室外無(wú)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(hào),讓用戶更快捷地搜索到網(wǎng)絡(luò)。

        4 總結(jié)

        本文給出了無(wú)線移動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展以及信息化時(shí)代的到來(lái)推動(dòng)了無(wú)線校園網(wǎng)的發(fā)展,無(wú)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(duì)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(duì)具體校園環(huán)境設(shè)計(jì)完整的解決方案。

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