田曉陽

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000）

一種針對(duì)鏈狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)WiFi回傳和自適應(yīng)組的網(wǎng)方法研究

田曉陽

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000）

文章從分析鏈狀網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)入手，對(duì)鏈狀WiFi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及運(yùn)營需求進(jìn)行分析探討，并且針對(duì)性地提出了新的WiFi回傳的自組網(wǎng)方法，同時(shí)提出新的適應(yīng)鏈狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化路由算法及針對(duì)WDS的優(yōu)化。

WiFi回傳；wireless mesh network；MULTIWAN；路由算法

在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN）［1］中，每個(gè)客戶端均通過一條與AP（Access Point）相連的鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)局部的基站子系統(tǒng)（Base Station Subsystem，BSS）［2］。用戶如果要進(jìn)行相互通信的話，必須首先訪問一個(gè)固定的接入點(diǎn)（Access Point，AP），這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。

由于無線終端只能和AP通信，而AP又必須與有線網(wǎng)絡(luò)相連接，這樣就極大地制約了WLAN的覆蓋范圍。當(dāng)前集中式拓?fù)鋀LAN的應(yīng)用一般只局限在小范圍場景，而且周圍必須有固定線路以便AP能夠連入有線網(wǎng)絡(luò)。

在無法布線的空曠地區(qū)，移動(dòng)區(qū)域，傳統(tǒng)的WLAN網(wǎng)絡(luò)無法滿足網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)作為一種對(duì)傳統(tǒng)WLAN的技術(shù)創(chuàng)新，是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，它與傳統(tǒng)的單跳網(wǎng)絡(luò)的最大不同之處在于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的AP不僅提供用戶接入功能，還可以轉(zhuǎn)發(fā)無線信號(hào)。多個(gè)AP構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，信號(hào)在網(wǎng)內(nèi)從一個(gè)AP路由到另一個(gè)AP，最后通過與固定線路相連的AP傳送到有線網(wǎng)絡(luò)。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以顯著提高WLAN網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，但是由于網(wǎng)絡(luò)的自組織性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不確定性及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)，每一跳至少會(huì)帶來一些延遲，隨著無線Mesh網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，跳接越多，積累的總延遲就會(huì)越大。

這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不適于蜂窩回傳的WiFi運(yùn)營，特別不適于發(fā)揮火車等鏈狀網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)。

本文通過優(yōu)化針對(duì)鏈狀結(jié)構(gòu)的路由算法，減少網(wǎng)絡(luò)更新的消耗，提升效率；增加獨(dú)立WiFi回傳模塊，擴(kuò)大了物理帶寬；共享各個(gè)設(shè)備本地存儲(chǔ)，減少本地內(nèi)容更新帶寬消耗，提升用戶體驗(yàn)。

1 空口WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1 物理接入層架構(gòu)

如圖1所示，空口轉(zhuǎn)WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩個(gè)方面。一方面是運(yùn)營商蜂窩網(wǎng)絡(luò)（3G，4G）回傳結(jié)構(gòu)，另一方面是WiFi接入下的用戶使用模式，WiFi接入與有線轉(zhuǎn)WiFi模式一樣。

圖1 空口WiFi的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 內(nèi)容前置（CDN）架構(gòu)

在空口流量高昂的費(fèi)用與相對(duì)有線的速度劣勢都影響用戶體驗(yàn)，WiFi運(yùn)營者都在AP上集成媒體服務(wù)與本地內(nèi)容，引導(dǎo)用戶在訪問互聯(lián)網(wǎng)同時(shí)也能感知訪問AP存儲(chǔ)的本地內(nèi)容，以達(dá)到節(jié)省費(fèi)用提升體驗(yàn)。

2 通過自組網(wǎng)WiFi網(wǎng)絡(luò)達(dá)到優(yōu)化運(yùn)營目的

針對(duì)鏈狀網(wǎng)絡(luò)（例如：火車，長隧道等）的具體情況，利用采用Mesh網(wǎng)絡(luò)的原理，通過增加3G/4G回傳模塊來適應(yīng)移動(dòng)場景，通過固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來簡化路由算法，利用Multiwan同時(shí)支持蜂窩和WiFi的WAN口，減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，增加內(nèi)容服務(wù)來提升用戶訪問體驗(yàn)，尤其對(duì)于一些視頻點(diǎn)播服務(wù)，可以釋放大量帶寬，節(jié)約空口流量。

2.1 增加3G/4G回傳模塊［3］

回傳模塊不指定運(yùn)營商，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r，選擇網(wǎng)絡(luò)狀況比較好的運(yùn)營商。對(duì)于移動(dòng)的場景，如：高鐵、動(dòng)車、火車?？梢赃x擇多家運(yùn)營商同時(shí)接入。系統(tǒng)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況切換到當(dāng)?shù)乇容^好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保證空口的回傳質(zhì)量。

同時(shí)，也可以采取在一個(gè)鏈狀網(wǎng)絡(luò)的不同結(jié)點(diǎn)采用不同的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，這樣可以實(shí)現(xiàn)鏈路的備份功能。

2.2 增加WiFi回傳模塊

WiFi回傳模塊主要用于在無法布線的環(huán)境下，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。通常用2.4G頻段的模塊做用戶覆蓋，用5G頻段的模塊做WiFi回傳。并且，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量和性能需要，增加多個(gè)回傳模塊。最大可以采用3個(gè)5G信道，2個(gè)2.4G的WiFi信道作為回傳信道。

2.3 增加本地存儲(chǔ)

考慮到應(yīng)用場景的高流量訪問的需要，如視頻類，可以預(yù)存一些內(nèi)容在本地結(jié)點(diǎn)。不同結(jié)點(diǎn)內(nèi)容可以相同，也可以不同，這樣可以最大限度地緩存內(nèi)容，提高用戶的訪問體驗(yàn)，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞和對(duì)空口資源的占用。如圖2所示，邏輯上，結(jié)點(diǎn)A，B，C構(gòu)成了一個(gè)集群服務(wù)，所以所有終端都可以訪問內(nèi)容A，內(nèi)容B，內(nèi)容C。

圖2 增加本地存儲(chǔ)的集群服務(wù)

2.4 針對(duì)性的路由算法［4］

該種組網(wǎng)方式中，只有兩類結(jié)點(diǎn)，一類的邊結(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)A，結(jié)點(diǎn)C），一類是中間結(jié)點(diǎn)（結(jié)點(diǎn)B）。邊結(jié)點(diǎn)有3種可能的路選：

本地內(nèi)容：最快捷，體驗(yàn)最好；

互聯(lián)網(wǎng)：通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)；

其他結(jié)點(diǎn)：通過WiFi回傳到下一跳；對(duì)于邊結(jié)點(diǎn)，只有一個(gè)下一跳結(jié)點(diǎn)；

實(shí)現(xiàn)說明（以結(jié)點(diǎn)A為例子）：

結(jié)點(diǎn)A地址：192.168.1.1；

結(jié)點(diǎn)B地址：192.168.1.2；

結(jié)點(diǎn)C地址：192.168.1.3；

互聯(lián)網(wǎng)出口：ppp0；

WiFi下一跳：wlan0；

路由表：

192.168.1.1 255.255.255.255 lo

192.168.1.2 255.255.255.0 wlan0

192.168.1.3 255.255.255.0 wlan0

Default ppp0

中央結(jié)點(diǎn)有4中可能的路選：

本地內(nèi)容：最快捷，體驗(yàn)最好；

互聯(lián)網(wǎng)：通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)；

左邊結(jié)點(diǎn)：通過WiFi回傳到左邊下一跳結(jié)點(diǎn)；

右邊結(jié)點(diǎn)：通過WiFi回傳到右邊下一跳結(jié)點(diǎn)；

實(shí)現(xiàn)說明（以結(jié)點(diǎn)C為例子）：

結(jié)點(diǎn)A地址：192.168.1.1；

結(jié)點(diǎn)B地址：192.168.1.2；

結(jié)點(diǎn)C地址：192.168.1.3；

互聯(lián)網(wǎng)出口：ppp0；

WiFi左下一跳：wlan0；

WiFi右下一跳：wlan1；

路由表：

192.168.1.2 255.255.255.255 lo

192.168.1.1 255.255.255.255 wlan0

192.168.1.3 255.255.255.255 wlan1

Default ppp0

3 結(jié)語

本文通過采用針對(duì)鏈狀結(jié)構(gòu)的路由算法，減少路由更新的網(wǎng)絡(luò)消耗；增加獨(dú)立WiFi回傳模塊，最大利益2.4G，5G下的5個(gè)信道作為MULTIWAN回傳自組網(wǎng)信道，擴(kuò)大了物理帶寬；共享各個(gè)設(shè)備本地存儲(chǔ)，減少本地內(nèi)容更新帶寬消耗?；疖嚨萕iFi運(yùn)營企業(yè)已經(jīng)在采用本文建議技術(shù)構(gòu)建火車等WiFi自組網(wǎng)運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)，提升運(yùn)營與用戶體驗(yàn)。

［1］電氣和電子工程師協(xié)會(huì).IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)［Z］.北京：電氣和電子工程師協(xié)會(huì)，1997.

［2］華為技術(shù)有限公司.華為WLAN MESH技術(shù)白皮書［Z］.深圳：華為技術(shù)有限公司，2013.

［3］華為技術(shù)有限公司.華為HRC高鐵信息化解決方案［Z］.深圳：華為技術(shù)有限公司，2013.

［4］FORHAD R，TAUFIQUR R，AFSER U，et al.An Efficient Wireless Mesh Network：A New Architecture［D］.Bangladesh：Department of Computer Science & Engineering，Shah Jalal University of Science & Technology Sylhet，2006.

A study on the return and adaptive networking method of WiFi chain network

Tian Xiaoyang

（Zhengzhou University，Zhengzhou 450000，China）

This paper started from the analysis of the chain network network architecture，to analyze the chain WiFi network architecture and operational requirements，and put forward a new method of ad hoc WiFi return，and put forward to optimize routing algorithm and chain network for WDS new.

WiFi return；wireless mesh network；MULTIWAN；routing algorithm

田曉陽（1994—），女，河北秦皇島，本科；研究方向：電子信息工程。