无线自组网络的多场景方案及实现

邓　可，张保和

(北京市信息技术应用研究所，北京 100091)

0　引言

无线自组网络[1]是一种自组织、自配置的无线网络，与传统小区制蜂窝网络相比，无基站等网络中心设备，具有成本低、部署灵活等特点[2]。在无线自组织网技术中，无线网状网络(Wireless Mesh Networks)已经成为最具发展潜力的组网技术之一[3]，并已在视频监控等领域进行了实际应用[4]。无线网状网络节点由无线Mesh路由器[5]承担，可组建无线IP分组网络。Mesh路由器具有射频传输、路由交换和无线接入等多种功能，经过近10年的发展，性能已有长足进步[6]。然而，为适用于远距离传输，Mesh路由器需集成高增益收发设备，成本较高，如大规模部署，将与低成本建网的初衷相违背，势必影响其应用前景。因此，本文提出了一种混合组网方案，利用无线网桥、大增益板状天线[7]等设备实现无线长距离城域传输，组建骨干网；由Mesh路由器、无线AP等实现接入网；可连接至互联网，实现本地用户移动互联。该种混合组网方案具有以下优势：① 在满足用户需求的前提下，可有效节省成本；② 骨干网无线网桥设备使用ISM频段[8]，符合频率管理规则，部署机动快速；③ 使用小型室内Mesh路由器实现接入网WLAN覆盖，组网灵活简便，扩展性强。

本文详细介绍了该种方案的实现方式，构建了实验系统。利用WIFI接入智能手机等用户设备进行了实际测试。通过构建上述系统，有利于理解无线网桥的原理和特点，验证网络传输距离、带宽等关键指标，同时通过对实际业务的测试体验，摸索此种网络方案的实际应用场景。

1　总体设计

系统主要由无线网桥、无线Mesh路由器、天线及无线AP等组成，如图1所示。其中无线网桥可以实现网络的点对点无线组网，配合大增益盘状天线，可以实现远距离传输，组成骨干网络。Mesh路由器负责组建局部无线自组网并接入WiFi终端，无线AP负责接入WiFi终端，形成接入网络，可接入普通公网手机，承载IP电话、视频点播等多种业务。终端间通过接入网络进入骨干网实现信息互联。

图1　系统结构示意

系统使用的主要网络设备为美国UBIQUITI(以下简称UBNT)公司研发的无线网桥、Mesh路由器及AP[9]，具体设备型号和配置方式将在下节具体介绍。本文以UBNT网络设备为例，介绍了此种网络通用的具体配置方式，其型号设备与此类似。

1.1　部署位置

系统选择了城市环境内3个制高点进行搭建，如图所示A、B、C三点。其中，A点与B点之间距离1.1 km，两点连线间无任何遮挡，B点与C点间距离8.2 km，两点连线间存在少量建筑物遮挡。A点、C点部署骨干网及接入网设备，其中骨干网设备负责连接B点网络中继设备形成骨干网络并接入用户数据，接入网设备负责各点局部区域的无线网络覆盖及用户数据接入；B点仅部署骨干网设备，主要负责无线信号的中继及数据的转发。各点相对位置、主要功能、部署设备和IP配置情况如图2所示。

图2　部署情况说明

1.2　设备配置

设备详细配置情况如表1所示。设备编号按“设备类别_部署位置”方式进行，如编号为Bridge_A的设备为部署在A点的网桥类设备。

1.2.1网桥配置

网桥类(编号Bridge_X)设备供电均采用以太网供电[10](POE)，工作频率为5.8 GHz，发射功率26 dBm，IP地址为192.168.1.0/24网段。网桥具有远程管理地址，使用本地管理PC或笔记本的浏览器访问，输入密码即可管理，配置关键内容包括无线及网络配置。无线配置中，每对互连无线网桥的无线模式应分别选择为接收站(Station，STA)及接入点(Access Point，AP)。网络配置中，除IP设置外，网络模式选择为“网桥”，该设备可上电后，可自动。

表1主要设备详细配置表

设备编号型号工作频段/GHz发射功率/增益无线模式网络模式IP地址/掩码Bridge_APowerBeamM5 4005.826 dBmAP桥接192.168.1.110/24Bridge_B1PowerBeamM5 4005.826 dBmSTA桥接192.168.1.111/24Bridge_B2Rocket M55.827dBmAP桥接192.168.1.100/24Bridge_CRocket M55.827dBmSTA桥接192.168.1.101/24MAP_A1(A2, A3省略)UniFiAP-AC-Mesh2.4/5.8(Auto)Auto自动DHCP192.168.100.0/24 (DHCP)AP_C2.4AutoWLAN AP桥接192.168.1.21Antenna_B5.034 dBi——Antenna_C5.034 dBi——

1.2.2无线AP配置

无线AP类(编号MAP_X、AP_X)设备同样采用POE供电，MAP是具备Mesh自组网功能的无线Mesh路由器，基于认知无线电技术[11]，其回传链路(用于MAP互联)和接入链路(用于终端接入MAP)可自动从2.4 GHz及5.8 GHz两个频段内自动选择质量较好的信道。AP为普通无线接入点，仅支持2.4 GHz，可进行信道自动选择。发射功率根据无线环境自动调节，IP地址均使用192.168.100.0/24网段，IP地址由互联网侧路由器自动分配。AP均未开启远程访问，采用本地管理方式，使用PC或笔记本电脑直接连接设备并登录管理界面。MAP通过自组织技术进行可自动配对，仅需将待配对设备放置在一起并上电，5 min左右即可完成配对。

1.2.3其他配置

由于B、C两点相距8 km左右，因此使用了大增益波束天线(Antenna_X)，最大增益34 dBi。系统中使用3台交换机，均不具备配置功能。管理终端包括PC机及笔记本电脑，未进行设备管理及系统测试，分别配置了192.168.1.0/24及192.168.100.0/24两个网段的地址。

1.3　网络连接

1.3.1骨干网

A点网桥Bridge_A使用以太网线(图3中空心圆线表示)与POE模块POE口连接进行供电和数据传输，POE模块负责将220 V交流电转换为POE直流供电。A点网安装位置为楼顶；POE模块及交换机Switch_A1位于楼内配线间，POE模块LAN口与Switch_A1相连，进行数据传输，Switch_A1连接了互联网侧路由器、网桥及办公区交换机Switch_A2。

B点网桥Bridge_B1与A点Bridge_A使用无线链路连接，网桥Bridge_B2使用馈线连接天线后与C点网桥连接。两网桥POE模块LAN口直连进行数据传输。

C点天线接收数据后通过馈线传输至网桥Bridge_C，其POE模块LAN口与交换机Switch_C连接。

1.3.2接入网

A点接入网使用了3台Mesh AP，三者间使用无线连接，每台设备部署于楼内不同位置，接入不同用户终端。其中MAP_A1的POE模块LAN口与交换机Switch_A2连接，并通过Switch_A1接入互联网，管理PC连接Switch_A2，可对整个网络进行管理。

C点AP的POE模块LAN口与Switch_C进行连接，通过骨干网无线链路接入互联网。管理笔记本可连接至Switch_C对AP_C及其他网络设备进行管理。

图3　设备网络连接

2　系统实现

2.1　设备连接

为验证网络无线连接情况，进入网络中继点B点网桥Bridge_B2管理页面(https：∥192.168.1.100)，使用设备发现工具，测试结果如表2所示。可以看到，列表中显示了网络中连接的设备，列表中包含了2对网桥和C点的AP。由于A点MAP与上述设备不使用一套后台管理系统，故不能看到，使用其专用管理后台可以看到3台MAP已经相互连接，如表3所示。

2.2　运行参数

通过后台可以看到全部网络设备的运行参数，Bridge_B1及Bridge_B2运行参数如表4所示。具体参数包括设备信号强度，收发信号强度、距离、IP地址和传输速率等信息。Bridge_B1为A点至B点链路的一端节点(接收站模式)，从其参数可以看出，传输距离1 km左右时，接收电平为-48 dBm，链路连接质量[12](CCQ)接近1，表明当前链路质量极好。Bridge_B2为B点到C点链路的一端节点(接入点模式)，其接收电平为-85 dBm，CCQ值接为0.87，链路质量略低。

表2骨干网(含AP_C)设备连接列表

设备名称模式SSID产品固件IP地址AP_CAPCPicoStation M2v5.5.8192.168.1.21Bridge_CSTAubnt110PowerBeam M5 400v5.6.2192.168.1.111Bridge_B2APubnt110PowerBeam M5 400v5.6.2192.168.1.110Bridge_B1STAubnt100Rocket M5v5.6.11192.168.1.101Bridge_AAPubnt100Rocket M5v5.6.11192.168.1.100

表3骨干网(含AP_C)设备连接列表

IP地址状态型号客户端192.168.100.30CONNECTED (100 FDX)UniFi AP-AC-Mesh1192.168.100.34CONNECTED (WIRELESS)UniFi AP-AC-Mesh0192.168.100.33CONNECTED (WIRELESS)UniFi AP-AC-Mesh0

表4无线网桥设备参数监控列表

Bridge_B1参数(A点至B点链路)设备名称Bridge_B1产品PowerBeam M5 400固件XW.ar934x.v5.6.2.27989.150716.1149已连接时间7天 04:09:32RX信号-48 dBmTX信号-49 dBm噪声值-106 dBm距离0.9 km(测量有误差)CCQ99%Bridge_B2参数(B点至C点链路)设备名称Bridge_B2产品Rocket M5固件XW.ar934x.v5.6.11.29745.160930.1526已连接时间00:24:47RX信号-85 dBmTX信号-84 dBm噪声值-104 dBm距离10.2 km(测量有误差)CCQ87%

2.3　系统测试

2.3.1链路ping测试

在A点使用管理PC机分别对B点和C点网桥进行300次ping工具测试，测试结果如图4所示。

图4　链路ping测试结果

根据以上结果可以看到，A点至B点ping数据包平均时延较短(1 ms)，A点至C点平均时延较长(22 ms)。两者差异原因主要在于传输距离及建筑物遮挡情况不同：A点至B点传输距离较短(1 km)且基本无遮挡；A点至C点需经B点中继，而B点至C点距离较长(8.2 km)且存在一定遮挡(高楼)。

尽管平均时延存在差异，但可以看到A点至C点丢包数为0，说明无线链路传输比较稳定。

2.3.2链路网速测试

使用专用测试工具的网速测试结果如图5所示。A点至B点带宽较宽，达到180 Mbps；A点至C点带宽较低，为0.83 Mbps。以上带宽测试结果与ping测试时延结果吻合。

图5　链路网速测试结果

4　结束语

通过观察系统的运行情况，并进行相关测试后可以看到，系统实现了城区内中长距离(10 km)多个制高点上自组网桥的无线链路连接和数据传输，同时利用Mesh AP构建了室内自组无线局域网络。然而，系统还存在遮挡及传输距离较长时实验系统网络带宽较低的不足，今后应采取措施，如通过提高天线高度、设备发射功率等方式，进一步提升系统带宽。同时，针对无线自组网的安全性问题[13]，进行进一步的设计、改进及实现。