随着无线Mesh网络技术和应用的不断发展，在过去的5年中Mesh技术也在不断的演进—技术演进的主要方向是解决无线Mesh随着规模和复杂程度发展带来的多跳的Mesh性能难题，比如带宽降低，无线干扰以及网络时延等。譬如，在网络中的每一跳吞吐量会下降多达50%，连续多跳情况下吞吐量下降得更迅速，其结果将导致网络性能的严重降低。在语音和视频应用大量运行的极端情况下，时延和RF干扰将达到不可接受的程度，而导致连接完全中断。

　　Strix的第三代解决方案采用了多模块、多射频和多信道技术有效的解决了无线Mesh多跳性能的难题，远远优于单模块和双模块的早期Mesh解决方案的每跳50%的吞吐量下降。

　　传统的单模块Mesh和双模块Mesh网络只能提供有限的扩展性，多跳自身的难题使得它对于大规模网络部署还存在诸多疑问。因而需要一种新型结构化的无线Mesh，在其网络中无论跳数多少，都能够提供高性能和高可靠性。

　　为了具有可实施性，无线Mesh必须是低时延的网络，为Mesh上行和Mesh下行回程流量提供单独的无线带宽链路(类似于全双工连接)，并自动地使用最高的可用吞吐量。如Strix Mesh系统，采用多频、多信道、多RF模块方式组网. Strix这种低时延的Mesh网络已经在实验室环境(无噪声)和真实环境(有噪声)中进行了测试。测试跳数逐步从1跳增加到10跳，结果表明即使达到10跳，无噪声情况下网络回程吞吐量只有4%的丢失，而实际噪声环境也仅丢失了40%。时延测试结果也同样令人满意——完全在语音(VoIP)和视频应用可接受的范围内。带宽下降测试结果是与为回程流量使用单频的Mesh网络的非常好的情况进行比较的。而早期的单模Mesh或者双模Mesh网络在无噪声情况下经过5跳后带宽就会令人吃惊地丢失了80%。

　　技术演进 - 实现无线Mesh的方案

　　单模块Mesh方案­­——所有信息都在同一信道上

　　单模块模式是无线Mesh最脆弱的方案。接入点仅使用一个信道，此信道由无线客户端和回程流量(在Mesh节点之间)转发共享。

　　当更多的Mesh节点加入到网络中的时候，用于回程流量的带宽将会占据越来越高的比例，仅仅留很少一部分容量给无线客户端。此现象的原因是由于无线是一个共享的媒质。单模块方案的Mesh节点不能同时发送和接收数据。而且在其覆盖范围内另一个Mesh节点正在传输的时候，该Mesh节点也不能发送数据。这种对可用共享带宽的竞争是基于类似以太网的无线冲突避免原则(CSMA/CA)。

　　简单计算一下就会发现，在单模块Mesh方案中每个无线客户端只能获得很有限的吞吐量。举例来说，假设有5个节点，每个节点有20个无线客户端与之相连，所有的节点和客户端共享同一个802.11b信道(5Mbps)，这样等价于每个用户只能获得少于50Kbps的吞吐量——比拨号连接还要慢。而且由于所有的无线客户端和Mesh节点必须工作在同一个信道上，无线资源的竞争和RF干扰还会导致不可预期的时延。

　　双模块Mesh方案——回程共享

　　在双频方案中，一个频道专门用来连接无线客户端，而另一个频道专门用来进行无线回程传输——回程信道同时由Mesh上行和Mesh下行流量共享。这意味着什么呢?无线客户端流量将得到一些的改善，但是全网的性能仍然由于回程的瓶颈问题而不理想。

　　多模块Mesh方案——结构化的无线Mesh

　　在多频(或者称作结构化Mesh)方案中，每个网络节点至少使用三个模块的专用无线链路接口，其中一个模块用于客户端的流量，第二个模块用于Mesh上行无线回程流量，第三个模块用于Mesh下行无线回程流量。这个无线Mesh网络的方案与单模块或双模块方案相比提供了很好的性能。因为每个链路都工作在独立的信道上，专用的回程链路可以同时发送和接收数据。

　　多跳的难题

　　多跳的难题包括带宽降低、无线干扰和网络时延问题，这些问题是由于流量需要在无线Mesh网络中进行多次“跳跃”所引起的。

　　带宽降低

　　当回程被共享的时候，多跳带来的带宽降低的问题尤为严重，比如单模块和双模块方案。在这些情况下，每个从MESH节点到MESH节点“跳越”的流量，其吞吐量都几乎会被削减了一半。对于这类带宽降低模式主要有两个原理。

　　不管你选择非常好的情景原理的降低为1/n(其中n是跳数)，还是选择最坏情景原理的降低为1/2n-1，都会存在严重的带宽降低问题。

　　最具代表性的场景是假设所有的节点都以线性的方式排列，类似于一个珍珠串，每个节点只能和它两个邻接的节点通信。但是在实际部署的Mesh网络中，任何一个节点都能“侦听”到至少3个或4个邻接的节点。这时，带宽降低更加类似于最坏情况的情景。

　　无线干扰

　　无线干扰是一个十分重要的问题，它将影响到无线网络的性能。简单地说，无线干扰可以定义为非期望的信号干扰了其他无线通信设备的正常操作。在当今的无线网络中，802.11b和802.11g是企业和服务提供商向用户提供无线覆盖最常用的技术。而大部分无线Mesh部署都是使用802.11b作为无线回程的基础架构，这些网络回程带宽很容易受到来自于相同频段内工作的邻近设备无线干扰的影响。

　　无线干扰还会导致传输错误，这些错误可能会混合。而且需要注意的是，在网络不同的部分干扰也千差万别。就像前面所提到的，单频和双频方案在网络中使用同一个回程信道，当网络中任何部分受到了干扰的影响，整个网络的性能将会降低。而且，这些方案不能修改网络中该部分的配置(比如调整信道)来避免干扰。

　　网络时延

　　VoIP的应用是Wi-Fi的一个关键驱动力。建立和部署Wi-Fi和IP电话融合的解决方案可同时支持语音和数据服务。当分组包在网络节点之间转发的时候，一定会存在处理时延。在大规模广域Mesh网络中，通常需要很多到有线网络的终止点来避免过多的时延——但是这样就不能充分发挥无线Mesh网络的优势。

　　当Mesh使用layer 3(路由)协议的时候将会引入另一个问题，也就是在使用layer 3协议的时候，帧头开销可能会很小，因此数据比较适合小规模或中等规模部署的网络，而不适合支持很多用户的大规模环境，这些用户会漫游并使用语音和视频应用。

　　Strix解决方案优势 - 新型结构化的无线Mesh

　　对于大规模无线网络部署，尤其在语音、视频和数据漫游应用很关键的时候，将需要新型的无线Mesh技术——提供专用的无线链路、802.11a用于回程流量、低时延交换、蜂窝状的客户端覆盖。要想在任何时候都提供非常好的的性能，这样的网络必须是模块化的、多频、多信道、多RF 的Mesh。同时具有以下特点：非常灵活，完全可扩展的，而且是面向未来技术的，比如WiMAX、802.11n (MIMO)或者 Ultra-Wideband (UWB)。

　　专用无线链路

　　在建立先进的Mesh网络时，使用方法一定是与其它类型解决方案所不同的。它将应用模块化的方案，使用专用的带宽链路来完成MESH节点的功能(客户端连接)或回程功能(网络级连)。注意图中理想的无线Mesh节点和有线VLAN交换结构设计上的相似性。他们都为用户接入提供接口，都为回程链路提供了专门的接口——客户端连接(Client Connect)的下行方向回程和网络级连(Network Connect)的上行方向回程。

　　客户端连接无线模块必须设计为或者与无线客户端连接(用户接入)关联，或者使用分离的模块与其他Mesh节点(回程)关联。网络级连无线模块必须根据到网络Mesh下行(有线网络)的非常好的可能路径为中继回程流量(Mesh上行和Mesh下行)建立与另一个Mesh节点的链路。对于repeater或者用来扩展网络范围的节点，需要包含3个或更多的无线模块——一个用于Mesh上行流量(回程)，一个用于Mesh下行流量(回程)，还有一个用于无线终端(用户接入)。下图阐明了这一概念。

　　终端连接与网络连接

　　低时延交换

　　理想的Mesh网络必须支持语音应用和快速漫游切换，这就是为什么网络应该设计为layer 2交换。这将会保持时延和开销最小，并提高多跳的性能。许多现在的Mesh网络都集中在layer 3路由，这种方案的问题是路由开销最终会限制网络的可扩展性。

　　蜂窝状覆盖

　　Mesh网络还应该允许使用多个、分离的扇区状天线(非常类似蜂窝网络中无线小区站点天线)同时向不同的方向发射信号，每个方向都使用不同的信道。蜂窝状覆盖可以支持向所有相连的客户端同时进行无冲突的传输——意味着在更大范围内，更多的用户可以与同一个节点进行关联，并且获得更高的吞吐量，这是因为用户之间发生更少的冲撞。

　　概念的验证

　　为了验证新型无线Mesh网络的有效性，我们分别在无噪声环境和真实环境中做了一系列测试，跳数从1到增加到10。测试的目标是表征流量经过多跳后的降低程度，流量通过了从客户端相连的节点到流量发生服务器这个菊花链上的多个节点。服务器用于测量TCP和UDP带宽性能(比如最大带宽)，并允许调整不同的参数和特征，它还可以报告带宽、时延和丢包率。

　　网络测试场景说明

　　我们在所有场景中都通过几种类型的测试来对流量进行表征。在理想的Mesh网络中增加或减少节点的情况下，为了确定流量将受到什么影响的目的，这些测试可以认为是精确的。下图给出了这个测试场景的基本网络架构。

　　测试场景

　　第一组测试场景是在无噪声、无干扰环境中进行的，可以认为是最优情况。目的是在没有外部资源和干扰影响下，精确地分析Mesh网络的行为。第二组测试场景引入了真实环境，也就是网络暴露在充满噪声的环境中。为了表征流量通过Mesh网络的行为，所有测试都是使用802.11a作为无线回程的情况下完成的。

　　网络测试结果

　　在每一跳都要通过有线以太网终端获取测试结果。结果表明，即使在10跳的情况下，这个网络在无噪声环境中只丢失了4%的回程吞吐量，而在真实环境中也仅仅丢失40%回程吞吐量。时延结果也是同样令人振奋的，32 byte的分组包的时延只有15ms，1400 byte的分组包时延为25ms。这两个结果都在VoIP和视频应用可接受的时延限制即100ms以内。

　　带宽降低测试结果与单模块和双模块Mesh网络非常好的情景相比较，单模块和双模块Mesh网络在无噪声环境下的结果显示了仅仅5跳带宽就会有80%丢失。

　　结论

　　多跳大规模无线Mesh网络对带宽降低，无线干扰和网络时延等问题十分敏感。如果没有使用多频结构化的无线Mesh，每一跳的吞吐量可能会下降多达50%。特别是在更大规模部署情况下，网络时延和漫游也是需要着重考虑的问题。在广域、高利用率环境中，当无线客户端使用的语音和视频应用需要漫游(比如在汽车或火车上)时，时延和带宽问题将变得不可接受。

　　选择单模块、双模块甚至某些多模块Mesh网络将会导致网络性能降低、扩展性差、不能支持大范围的应用。

　　显然，需要一种新型的无线Mesh网络来解决多跳的难题。这一新型网络需要使用Strix模块化的、多频、多信道、多RF的Mesh网络系统，使用蜂窝状覆盖来展示高级的系统回程。使用该系统可部署高性能、高扩展性的网络，并支持实时的语音、视频和数据应用。

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　　作者：宿韬锐，Strix Systems中国区首席代表，

　　邮箱：rick.su@strixsytems.com