Mesh-Netzwerke sind drahtlose Netze mit mehreren Hops, die aus Ad-hoc-Netzwerken hervorgegangen sind und eine Schlüsseltechnologie zur Lösung des Problems der „letzten Meile“ darstellen. Im Zuge der Weiterentwicklung von Netzwerken der nächsten Generation ist die drahtlose Kommunikation unverzichtbar. Drahtlose Mesh-Netzwerke ermöglichen die kooperative Kommunikation mit anderen Netzwerken und sind eine dynamische Netzwerkarchitektur, die sich kontinuierlich erweitern lässt. Beliebige Geräte können drahtlos miteinander verbunden bleiben.
Allgemeine Lage
Dank ihrer Multi-Hop-Verbindungen und der Mesh-Topologie haben sich drahtlose Mesh-Netzwerke zu einer effektiven Lösung für verschiedene drahtlose Zugangsnetze entwickelt, darunter Breitband-Heimnetzwerke, Community-Netzwerke, Unternehmensnetzwerke und Metropolregionennetze. Drahtlose Mesh-Router bilden Ad-hoc-Netzwerke durch Multi-Hop-Verbindungen, was eine höhere Zuverlässigkeit, eine größere Serviceabdeckung und geringere Anfangskosten für WMN-Netzwerke ermöglicht. WMN übernimmt die meisten Eigenschaften drahtloser Ad-hoc-Netzwerke, weist aber auch einige Unterschiede auf. Im Gegensatz zur Mobilität der Knoten in drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken ist der Standort von drahtlosen Mesh-Routern in der Regel fest. Im Vergleich zu energiebeschränkten drahtlosen Ad-hoc-Netzwerken verfügen drahtlose Mesh-Router üblicherweise über eine feste Stromversorgung. Darüber hinaus unterscheidet sich WMN von drahtlosen Sensornetzwerken. Es wird üblicherweise angenommen, dass das Geschäftsmodell zwischen drahtlosen Mesh-Routern relativ stabil ist und eher einem typischen Zugangsnetz oder Campusnetzwerk ähnelt. Daher kann WMN als Weiterleitungsnetzwerk mit relativ stabilen Diensten fungieren, ähnlich einem traditionellen Infrastrukturnetzwerk. Bei temporärem Einsatz für kurzfristige Aufgaben können WMNS oft wie herkömmliche mobile Ad-hoc-Netzwerke fungieren.
Die allgemeine Architektur von WMN besteht aus drei verschiedenen drahtlosen Netzwerkkomponenten: Gateway-Routern (Routern mit Gateway-/Bridge-Funktionalität), Mesh-Routern (Zugangspunkten) und Mesh-Clients (mobil oder stationär). Der Mesh-Client ist drahtlos mit dem Mesh-Router verbunden, der wiederum ein relativ stabiles Weiterleitungsnetzwerk in Form einer Multi-Hop-Verbindung bildet. In der WMN-Architektur kann jeder Mesh-Router als Datenweiterleitungs-Relay für andere Mesh-Router fungieren, und einige Mesh-Router bieten zusätzlich die Funktion eines Internet-Gateways. Der Gateway-Mesh-Router leitet den Datenverkehr zwischen dem WMN und dem Internet über eine schnelle kabelgebundene Verbindung weiter. Die WMN-Architektur lässt sich in zwei Ebenen unterteilen: Die Zugangsebene stellt die Netzwerkverbindungen für Mesh-Clients bereit, während die Weiterleitungsebene Relay-Dienste zwischen den Mesh-Routern vermittelt. Durch den zunehmenden Einsatz virtueller drahtloser Schnittstellen in WMN gewinnt die von WMN entworfene Netzwerkarchitektur immer mehr an Bedeutung.
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MESH-Netzwerksystem
In Mesh-Netzwerken müssen Faktoren wie Kanalinterferenzen, Hop-Anzahl und Frequenzwahl umfassend berücksichtigt werden. Dieser Abschnitt analysiert anhand von WLANMESH auf Basis von 802.11s verschiedene Netzwerkarchitekturen. Im Folgenden werden Single-Frequency- und Dual-Frequency-Netzwerke sowie deren Leistungsfähigkeit beschrieben.
Einzelfrequenz-Mesh-Netzwerk
Das Single-Frequency-Netzwerkverfahren wird hauptsächlich in Bereichen mit begrenzten Geräten und Frequenzressourcen eingesetzt. Es wird in Single-Frequency-Single-Hop und Single-Frequency-Multi-Hop unterteilt. Im Single-Frequency-Netzwerk arbeiten alle drahtlosen Mesh-APs und der kabelgebundene Root-AP im selben Frequenzband. Wie in Abbildung 1 dargestellt, kann der 802.11b/g-Kanal im 2,4-GHz-Band für die Hin- und Rückübertragung genutzt werden. Abhängig von den Kanalinterferenzen während der Produkt- und Netzwerkimplementierung kann der zwischen den Hops verwendete Kanal ein vollständig unabhängiger, störungsfreier Kanal sein oder einen gewissen Interferenzkanal aufweisen (in der Praxis ist Letzteres häufiger der Fall). In diesem Fall können aufgrund von Interferenzen zwischen benachbarten Knoten nicht alle Knoten gleichzeitig senden oder empfangen, und der MAC-Mechanismus CSMA/CA muss zur Aushandlung im Multi-Hop-Bereich verwendet werden. Mit zunehmender Hop-Anzahl sinkt die jedem Mesh-AP zugewiesene Bandbreite stark, wodurch die tatsächliche Leistung des Single-Frequency-Netzwerks erheblich eingeschränkt wird.
Dualfrequenz-MESH-Netzwerk
In Dualband-Netzwerken nutzt jeder Knoten zwei unterschiedliche Frequenzbänder für Rückleitung und Zugriff. Beispielsweise verwendet der lokale Zugriffsdienst den 2,4-GHz-802.1lb/g-Kanal, während das Backbone-Mesh-Netzwerk störungsfrei den 5,8-GHz-802.11a-Kanal nutzt. So kann jeder Mesh-AP sowohl Rückleitung als auch Weiterleitung durchführen und gleichzeitig lokale Zugriffsnutzer bedienen. Im Vergleich zu einem Single-Frequency-Netzwerk löst das Dualband-Netzwerk das Problem der Kanalinterferenzen bei Rückleitung und Zugriff und verbessert die Netzwerkleistung deutlich. In realen Umgebungen und großen Netzwerken kann jedoch aufgrund der Verwendung desselben Frequenzbands für die Backhaul-Verbindungen keine absolute Interferenzfreiheit zwischen den Kanälen gewährleistet werden. Daher sinkt die jedem Mesh-AP zugewiesene Bandbreite mit zunehmender Hop-Anzahl tendenziell, und Mesh-APs, die weit vom Root-AP entfernt sind, sind beim Kanalzugriff benachteiligt. Die Hop-Anzahl in Dualband-Netzwerken sollte daher sorgfältig festgelegt werden.
Veröffentlichungsdatum: 12. Januar 2024