无线Mesh网络在校园生活中的应用

何宇宁　刘春晓　刘姝含　鄂旭

摘要：无线Mesh网络（WirelessMeshNetwork）即无线网状网，是一种新型的宽带无线网络结构，是高速率高容量的分布式网络。本文论述了校园无线Mesh网络在国内外研究的现状，无线Mesh网络在校园生活中的应用及关键技术。同时对渤海大学校园网进行分析，并提出了一种基于无线Mesh网络的渤海大学校园网络的解决方案。

关键词：无线Mesh网络；校园无线网；无线网络解决方案

中图分类号：TN915 文献标识码：J DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.015

0 引言

所谓无线校园网，就是通过无线局域网（Wireless Local AreaNetwork）技术在校园之中建立的无缝无线的通讯式网络，使校园各处都能够进行无线连接式地上网。

目前，我国大部分高校已经拥有属于自己学校的无线校园网，并且学校的大部分区域都可以无线上网，所以大部分学生在自己大学生活中都会考虑购买能够无线上网的笔记本电脑。无线网络技术现在正处于飞速发展的阶段，在现在校园的信息化生活中，无线网络技术变得不可替换，同时也持续在各个领域发挥其重要作用，得到各领域的广泛应用。无线Mesh网络技术已悄然走进我们的大学生活。虽然，目前大多数的网络仍然是有线的架构，但是近年来无线网路在校园内的应用却日益加。无线Mesh网络摆脱了传统网络的局限性，在校园网络基础的拓展中，无线网络技术以快捷、方便的优势，受到广大师生的青睐，从而成为人们翘首以盼的校园新宠。WLAN技术在校园生活中的应用具有十分良好的前景，如果在校园中建立无线校园网，将会便利所有在校师生的上网环境，因此倡导无线网络技术的应用将会意义重大。

1 国内外无线Mesh网络的研究现状

1.1 国外研究现状

国外较国内对无线Mesh网络的研究更早一步，并且现如今在美国某些地区已经开始商用化。

Maltz测试平台由美国卡内基·梅隆大学计算机科学学院于1999年建立，是最早的一个真实环境下的测试平台之一。

APE测试平台的中心部分是由一个缩小定制的和预先配置好的Linux系统配置组成，它是由瑞典乌普萨拉大学信息学院建立。

LinuxMint测试平台于2006年开始发行，是一份基于Debian和Ubuntu的Linux发行版，其目标是提供一种更完整的即刻可用体验。

Roofnet测试平台由麻省理工学院提出，由37个节点组成，他的每个节点上各安装一块基于802.1b的无线网卡和一根定向天线，其路由功能由一个被称为“Click”的模块化路由实现。

Orbit测试平台是由美国罗斯福大学于2005年提出的，目前还在进一步完善之中。

1.2 国内研究现状

由于WLAN受到发射功率的限制，WLAN的覆盖范围有限，其覆盖范围最大只能达到100米，所以传统的无线局域网没有进行大规模的应用。因此，有学者提出了无线Mesh网络。与传统的无线局域网相比，它能够保证既能接受信号，又能发送信号。因此，可以确定的说：无线Mesh网络的出现加快了信息化生活的发展。无线Mesh网络可以应用到许多方面，小到支持个人、家庭用户，大到能够支持商务用户、学校乃至一个城市构建无线Mesh网络。利用无线Mesh网络可以很容易实现NLOS配置，因此，无线Mesh不仅能应用于室内，还能广泛地应用于户外。信号能够自动选择最佳路径不断从一个用户跳到另一个用户，并最终达到物质界局势的目标用户。这样，具有直接视距的用户实际上为没有直接视距的临近用户提供了无线宽带访问功能。无线Mesh网络能够非视距传输的特性大大扩展了无线宽带的应用领域和覆盖范围。因此可以看出，无线Mesh网络的发展前景是非常大的。当然，在实际应用中还需要解决一些问题。

1.3 国内校园无线Mesh网络遇到的问题

虽然国内校园无线Mesh网络应用范围广，但是在实际应用中却存在一些问题：

（1）通信量多、规模大：在无线Mesh网络中数据可通过中间节点进行多跳转发，每一跳都会带来一些延迟。无线Mesh网络的应用范围越大，接跳也越多，积累的总延迟量就会越大。因此需要购买大量的接入点设备。

（2）信号有限：由于学生的活动场所较为集中，主要集中在教室、图书馆、寝室、食堂的主要活动场所，导致网络不稳、信号差或者网络拥挤的现象。

（3）互操作性：目前影响无线Mesh网络技术迅速普及的一个重要障碍就是互操作性。无线Mesh网络现在还没有一个统一的技术标准，用户现在要么面临如何与各种不同类型的嵌入式无线设备接口的问题，要么就只能使用某一个厂商的无线Mesh产品，这个问题目前是影响无线Mesh技术推广使用最重要的原因。想彻底解决互操作性问题，最终还需要业界统一制定无线Mesh技术标准。

2 无线Mesh网络技术简介

2.1 无线Mesh网络概述

无线Mesh网络（Wireless Mesh Network）是一种新型的宽带无线网络结构，是高容量，高速率的分布式网络，也称为“多跳”网络（multi-hop），它可以作为无线接入“最后一公里”的新解决方案。任何无线设备的节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或络中多个对等节点进行直接通信（如图l所示）。

WMN现已经被写到IEEE802.16和802.15系列标准之中。

校园无线Mesh网络的优点：

（1）扩展网络范围广：每一个结点即能接受信号，也能传输信号；

（2）自愈性：在某台设备发生故障或从其拓扑为之上拆卸的情况下，网络会自动适应这种改变。

（3）多调式：每个网络节点和用户端设备、无线通信单元，均能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由。

（4）点对点式网络：自组织网络只要发端和对端的距离足够近，就能不必通过中央管理节点，直接连接发端和对端。

2.2 无线Mesh网络关键的技术

2.2.1 MAC层

MAC（MediaAccess Contr01）层，又叫介质访问控制层，主要负责控制与连接物理层的物理介质。

在传统局域网中，各种传输介质的物理层对应到相应的MAC层，目前MAC所对应的标准为IEEE 802.3的MAC层标准，采用CSMA/CD访问控制方式；而在无线局域网中，普遍使用的网络是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

在移动通信系统中，信道分配是无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）的重要内容。根据分配方法的不同，信道分配可分为固定信道分配、动态信道分配和混合信道分配。

常用的固定信道分配方案有：均匀固定信道分配方案、非均匀固定信道分配方案、静态信道借用分配方案、简单信道借用分配方案、混合信道借用方案。

动态信道分配的作用是通过业务量参数对信道资源和信道质量准则进行优化配置。

混合信道分配，是指在采用信道复用技术的小区制蜂窝移动系统中，在多信道公用的情况下，以最有效的频谱利用方式为每个小区的通信设备尽可能多的提供可使用信道。

2.2.3 路由技术

路由技术的主要功能是将业务数据从源节点指引到目的节点。从网络分成的角度看，路由功能位于网络层。路由可以分为路由转发和路由选择两个部分，其中路由转发功能是收到分组后，根据目的地址搜索转发表，决定分组的发送方向；路由选择功能是搜索分组从某个源节点到目的节点的最佳传输路径，以构造路由表。

由于网络拓扑结构不断变化，因此无线Mesh网络适用于拓扑结构相对固定的传统网络的路由协议并不适用，需要设计专门的路由协议。无线Mesh网络由Adhoc网络发展而来的，是Adhoc网络的一种特殊形态，所以一些在Ad hoc网络中使用的路由协议可以应用到无线Mesh网络中来，例如AODV、DSR等。但由于无线Mesh网络自身具有的网状结构、动态拓扑、能量约束、业务模式、结点移动性等特点与Adhoc网络之间存在一些差异，路由协议的性能不高，因此仍然需要设计适用于无线Mesh网络的路由协议。目前研究设计无线Mesh网络路由协议仍是国内外研究的热点。

3 基于无线Mesh网络的渤海大学校园网解决方案

3.1 环境介绍

3.1.1 校园环境介绍

渤海大学是中国唯一一所以海域命名的综合性大学。渤海大学现有30000多学生，教职员工有几千人，用户数量十分庞大。校园中有山，有水，有小型瀑布，各种综合性建筑。校内最宏伟的就是藏书192万册的图书馆，另有宿舍楼11栋，教学楼8栋，食堂两栋，体育场两栋，及多种多样的绿化植物组成（如图2所示）。

师生宿舍楼分布较广，教学楼比较密集，用网范围大，用户密度较大，所用流量多。有些地点网络信号强度低，如理工二号楼、人文楼。

3.1.2 校园环境特点

（1）校园环境WLAN网络规模庞大，地域覆盖范围也较大。

（2）网络覆盖范围要广，需实现师生在宿舍，教学楼，食堂，体育场等在校任何角落的全网覆盖，满足所有在校人员的无缝隙漫游。

（3）使用无线校园网的人数较多，每个用户都存在各种各样不同的网络需求，所产生的上网流量比其他地区明显偏多。

3.2 方案设计

针对渤海大学在校人数多，网速慢，某些地区连不上网的情况，我们提出以下设计方案：

（1）室外无线网覆盖

在教学楼、宿舍楼、食堂以外连网不便的地方，建立多条回转链路，使用5.8G无线网桥作为各个主要覆盖区域同基站间的回转链路。另外，可以在每条主干链路上设计多个Mesh根桥，在无线空间利用独立的5.8G天线互联扩展Mesh网络，形成多Mesh网络，以增强稳定性。也可以采用室外无线桥接方式进行室外无线网的覆盖，成本低且易操作。

（2）室内无线网覆盖

师生在室内，也处于室外无线网覆盖范围内，因此可以使用室内CPE设备增补信号，让用户更快捷地搜索到网络。

4 总结

本文给出了无线移动技术的不断发展以及信息化时代的到来推动了无线校园网的发展，无线网络在校园的接入使师生能够以更加高品质的方式学习，但还尚有不足。本文针对渤海大学的师生上网环境进行了研究和假设性设计思路，并未进行实施，倘若要具体实施，还需要专业人士针对具体校园环境设计完整的解决方案。