适合VoIP的Wi-Fi mesh网络

随着无线mesh网络的蓬勃发展，几乎每天都有新的公用或私用无线网络在部署。当在Wi-Fimesh中使用多跳来覆盖大范围区域的时候，出现了带宽下降、无线干扰和网络时延等一系列问题。

这些问题严重破坏了对实时业务的提供，比如Wi-Fi提供商最希望提供的VoIP业务。多模块化设计、多射频、多信道的Wi-Fimesh网络可以解决上述所有这些问题，提供真正的高性能Wi-Fi网络，使得语音这样的实时业务最优化。

虽然Wi-Fi已经明确了其数据应用的网络拓扑结构，但是在部署无线VoIP(wVoIP)时，还有一些内在的问题需要解决。而Wi-Fimesh网络解决了Wi-Fi的问题，使得规划、部署和运营更加节省成本，尤其是在有线难以达到的环境（在几十平方公里内需要成百上千个的有线光纤节点，在经济上是不划算的）。

一、mesh网络的四个要求

StrixSystems公司认为，mesh网络架构必须能够传送高吞吐量、低时延和端到端QoS。这些要求已经不仅是在无线终端和接入点之间，还包括整个mesh链路直到有线终结点。因此，mesh骨干网必须满足以下4个要求。

1.经过多跳的高吞吐量

无论mesh上有几跳（通常是3到10之间），mesh骨干网必须仍然能够支持流量负载。支持高吞吐量的能力直接等价于系统能够提供的语音和数据用户数。经过多跳后带宽的不足将导致无法令人满意的用户密度，网络中也就需要额外的设备和更多的有线终结点。

2.经过多跳的低时延

为了避免发生抖动这样的问题，每跳必须保证分组包时延最小。分组包在mesh网络中的任何节点停留的时间必须最短，达到与有线网络基本相同的性能。因此，在理想情况下，分组包应该在从前一个节点接收到所有信息之前就被转发出去。

3.端到端QoS为语音分组包的设置优先级

为了解决负载流量之间的冲突，语音必须在mesh骨干中赋予优先级，在具有流量优先级处理能力的交换机上被终结。为语音分配优先级需要是自动的，能够通过VLAN/SSID很好地进行处理。在短期内还不能过多地指望802.11e。仅仅在无线终端和AP之间提供服务等级是远远不够的。mesh在整个骨干网提出了对QoS的要求，以避免mesh中每一跳可能会发生的冲突。

4.Layer2交换网络

在Layer3网络中会出现的漫游问题，而Layer2网络使得该问题最小化。Layer3网络还要求对不同的高层协议进行仔细地规划。这两点都会引起性能和安装上的问题。

以上这四个因素中的任何一个都将直接影响到可扩展性（根据用户的数量和网络的覆盖）和语音质量。如果多跳拓扑结构不能满足这些要求，它将缺乏语音支持能力。

二、无线mesh网络方案

无线Mesh的方案有很多种，但是大部分的方案都来源于最初的无线分布式系统（WDS）概念。WDS是一种使用无线桥接和无线中继的无线AP模式，无线桥接也就是只能在AP之间进行通讯，AP不接受无线客户端的访问；而无线repeating既允许AP之间互相通讯，AP也可以与无线客户端进行通讯。所有的mesh网络在本质上都是用户流量在离开网络（比如到达有线的LAN）之前通过多个节点。

吞吐量和时延问题的根源来自于802.11是一种半双工技术，也就是在一个时间内只能执行一个功能（或者发送、或者接受流量）。因此，用于无线终端和mesh骨干网的频段个数，这些频段在某个特定拓扑中所起到的作用将会直接影响到上面提到的4个因素。

1.单模方案把所有信息放在同一信道上

StrixSystems公司认为，单模模式是无线mesh最脆弱的一种方案，因为每个节点仅使用一个频段（信道）来处理所有的三个功能：终端接入、ingress回程和egress回程。当更多的AP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。而且，节点不能同时发送和接收，而且在其覆盖范围内另一个AP正在传输的时候，该AP也不能发送数据。这些问题将导致经过3跳后，时延将变得不可忍受。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)。

这也就意味着，在单模mesh架构下，一个频段必须不断地在ingress回程、egress回程和终端连接之间转换，这将引起严重的时延问题。

简单计算一下就会发现，在单模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，假设你有5个AP，每个AP有20个无线客户端与之相连，所有的AP和客户端共享同一个802.11b信道（5Mbit/s），这样等价于每个用户只能获得少于50kbit/s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AP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。

2.双模方案实现回程共享

在双模方案中，一个模块专门用来连接无线客户端，而另一个模块专门用来进行无线回程传输——回程信道同时由ingress和egress流量共享。由于双模方案为终端连接和回程分别提供了专门的模块，终端侧的问题（如低吞吐量，高时延）会得到一些改善，但是回程mesh信道还必须由ingress和egress流量共享。由于回程频段还需要不断地在ingress回程和egress回程间进行转换，因此全网的性能仍然由于回程时延长导致的瓶颈问题而不理想。

3.多模方案实现结构化的无线mesh

在多模（或者称作结构化mesh）方案中，每个网络节点至少使用三个频道的专用无线链路接口，分别为客户端流量、ingress无线回程流量和egress无线回程流量设置独立的模块。这个无线mesh网络的方案与单模或双模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。

由于ingress终端接入、egress回程和ingress回程都在专门的模块进行处理，因此在10跳以上的情况下，依然能够保持高吞吐量；每一跳的时延可以保持在4~5ms，大大低于语音所要求的120ms；如果每个模块均能支持QoS和多重SSID/VLAN，就可以在无线终端为语音流量设置合适的优先级，通过mesh网络最终到达有线终结点。

为了满足像VoIP这类实时通信应用的要求，Wi-Fimesh网络要求多模块、多射频和多信道的体系架构。多模架构通过为终端接入、ingress回程、egress回程分别设置专门模块的方法，可以非常经济地提供经过多跳后高吞吐量、低时延和为语音流量设置高优先级所要求的容量和覆盖。