一文看懂Mesh组网,安排!

1个月前发布 SanS三石
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一文看懂Mesh组网

一、Mesh组网初了解

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1、Mesh组网是什么?

Mesh是一种多节点、无中心、自组织的无线多跳通信网络(注:当前也有部分厂家及应用市场引出了有线Mesh及混合互联:即有线+无线的概念,但我们这里主要讨论传统无线Mesh,因为在很多非家用的特殊应用场景下,是不具备布线条件或者说布线起来十分困难且使用不便的),网络中的任何无线设备节点都可以作为路由器发送和接收信号,并且都能以任意方式动态地保持与其他单个或多个节点的连接通信。无线mesh可以与其它网络协同通信,以解决有线网络覆盖不到的绝大部分区域的通信问题。

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例:Sinomartin五节点组网拓扑图

2、网络形态

Mesh网络拓扑形态并不固定,完全依据各节点之间的信道质量自适应变化,如以下几张图片所示4个节点组网时的网络拓扑变化。

1) 链式拓扑

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各节点之间链式分布,只有相邻的两个节点可以直接通信。

节点2、3、4回传视频数据给节点1,但节点4需要节点3、2作为中继,节点3需要节点2作为中继。

2) 星型拓扑

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各节点之间以星型方式连接成网,网络中有中央节点(如图中的节点1),其它节点都与中央节点直接相连。

节点2、3、4直接回传视频数据给节点1。

3) 网状拓扑

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由多个节点将多种类型网络连接起来,可让网络选择一条最快的路径传输数据。

节点2、3、4回传视频数据给节点1,但节点4需要节点2作为中继,节点2、3直接回传到节点1。

二、Mesh组网的特点分析

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1、Mesh组网特点

1) 不需要通讯节点之外的设备(基站)

2) 由两个或两个以上节点组成,且增加节点方便

3) 无中心灵活组网

4) 不需要或极少配置

5) 支持任意节点之间的相互通信

6) 支持多次中继

2、Mesh组网优势

     1) 快速部署:安装简单,上电即可。
     2) NLOS:直视距节点可转发信号给非直视距节点 。
     3) 稳定性:节点出现故障或者受到干扰,数据包将自动无缝路由到更优路径继续进行传输,且跨路由时不掉线,整个网络的运行不会受到影响。

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4) 结构灵活:每个设备都有多个传输路径可用,网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由,从而有效地避免节点的通信拥塞。

5) 自同步:当主路由无线配置信息修改时,子路由会自动同步wifi等参数配置(新增节点接入后也无需设置即可自动同步)

6) 大带宽:节点数量多,经多个短跳传输数据时,干扰较小数据丢失少,总带宽大。

3、局限以及攻克

传统Mesh网络的主要局限性在于节点限制以及转发延迟,因而对于超大型的网络使用场所以及对于实时性要求很高的网络场景,Mesh存在一定的局限性。

基于此,希诺麦田借鉴4G、5G经验,基于场景深度定制,实现了无线基带及调度协议全自研,打造出了全自定义无线宽带Mesh自组网产品。具有低延时、远距离、大带宽、图像压缩、可二次开发的优点,并逐步实现32节点到128节点的突破,解决了目前图像无线传输中延时、画质、距离三难全,以及4G/5G公网覆盖不足的两大痛点。并已通过多个客户测试集成,经受市场检验,性能PK达到国际领先水平。后续将持续进行节点数突破以及延迟时间缩减,提供更灵活、高效、便捷的Mesh组网方案。

知识点扩充

Tips: Mesh组网与无线中继的区别

以上我们了解了Mesh组网的基本概念和主要特点,那么同样用来扩大信号覆盖的无线中继技术跟Mesh组网方案相比,有哪些不一样的地方呢?

(1)⽆线中继的⽹络拓扑结构是固定的,是由⽤户设置之初就已经定义好的,整个⽹络⽆法保证是最优的效果。⼀台离线后,可能导致后面的所有节点瘫痪,无法自动修复。而Mesh可以智能组网,网络自愈性强。

(2)⽆线中继系统中⼏个路由器相互之间不知道彼此的状态,无法主动引导设备连接更好的节点,设备从主路由连接到中继路由时会出现明显掉线。而Mesh可以找到最优节点路由实现⽆缝漫游且无卡顿。
(3)⽆线中继需要逐个配置SSID、密码,并选择需要中继的⽹络,步骤繁琐,门槛较高。不像Mesh一样具备自同步功能。
三、Mesh网络分层
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从网络分层的视角观察,Mesh覆盖了物理层、数据链路层以及部分网络层的功能,如下图所示。

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Mesh在分层网络中的位置

01
物理层(PHY):

提供了用于传输数据的物理设备及接口,对于Mesh而言,其提供了无线传输(空口)、以太网、串口等数据传输接口。

02
数据链路层(DLL):

定义了数据在链路上的传输方式。传统网络中数据链路层协议分为两个子层,逻辑链路控制(LLC)层和媒体访问控制(MAC)层,但在我司的Mesh产品架构中,未明确区分LLC和MAC,只有MAC层,主要定义了数据传输帧格式、用户接入方式、接入传输控制等。

03
网络层(NETWORK):

Mesh中的网络层的主要任务是为网络上的不同主机提供通信,主要实现路由控制算法,为不同的数据包选择合适的传输路径,并不具备传统意义网络层中流量控制、拥塞控制等功能。

其中,MAC层以及网络层中的路由控制是我们关注的重点。我司产品的MAC层采用时分多址(TDMA)协议,从而引出帧、时隙、多跳等概念。

四、组网术语理解
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1、频率(Hz)

频率,是单位时间内完成周期性变化的次数,是描述周期运动频繁程度的量,单位为赫兹。无线通信中的频率指的是电磁波的频率,即信号波形在一秒内重复的次数,一秒变化一次就是1Hz。

2、频段

频段指的是电磁波的频率范围,用作无线通信的频段只是电磁波频段中的一部分。

3、带宽(Hz 或者 bps)

在通信领域,带宽指的是频段上用来通信的一小段频率范围,即无线信号的频率宽度。

注:

在计算机网络领域,带宽指网络系统的通信链路传输数据的能力,即表征单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率”,单位是bit/s

4、频点

频点是给固定频率的编号,它代表了带宽上某个具体的发射频率。

以上几个概念比较抽象且易混淆,下面分享一个视频来帮助大家理解记忆:

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点击图片进入视频课程  

(视频版权归原作者所有,分享已获授权)

5、发射功率(dbm)

这里先插一个概念:dB,dB是一个相对值,它表示功率P相对于参考功率P0的大小关系,公式是db=10lg(P/P0)。由这个公式可以知道:

dB+3=发射功率×2,因为10lg2=3

dB+10=发射功率×10,因为10lg10=10

同理可得:

dB-3=发射功率÷2

dB-10=发射功率÷10

总结为口诀即:

“加3乘2,加10乘10;

  减3除2,减10除10”

接下来我们来说dbm,它是以1mW功率为基准的一个比值,即把dB公式中的参考功率P0固定成了1 mW,即dbm=10lg(P/1mW)所以是用来表示功率绝对值的一个概念。射频发射功率单位一般是dbm。

例如:发射功率为1W,换算成dbm就是10lg(1W/1mW)即10lg(1000)= 30dbm。1W=30dbm,总结为口诀即:

“30是基准,等于1W整”

结合以上两组口诀(第一组口诀对dbm同样适用),就可以快速进行很多功率运算了,来个热乎的例题试一下:

43dbm=30dbm+10dbm+3dbm

=1W×10×2=20W

41dbm=30dbm+10dbm+10dbm

-3dbm-3dbm-3dbm

=1W×10×10÷2÷2÷2=12.5W

此外,结合以上知识点及对数运算法则,也可以推导出另一个公式来进行W和dbm的换算:

dbm=30+10lgP,P的单位:W

大家可以根据实际需求选择使用。

例:40W换算成dbm,为30+10lg40=46dbm

6、接收功率(dbm)

RSSI:无线接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator),单位是dbm,计算公式为10lg(接收功率值/1mw)。因为无线信号多为mW级别,当数值小于1mW时,转化为dbm一般为负值。只有在理想状态下,即无线路由器发射的功率都被无线网卡接收到了,此时的dbm值为0,当然在实际传输过程中是很难达到的。实际应用中dbm值越接近于0,信号强度越好,如-50dbm说明接收到的无线信号强度要高于-70dbm。

Tips:接收功率为什么会如此之小呢?
无线路由器发射功率一般都是100mw,还有更高的。但是接收功率值通常却小于1mW。以-50dbm为例,它表示接收到的信号为0.01μW,仅为发射功率100mw的10000000分之一。实际上这个是正常的传输,就好像太阳发出的能量只有一亿分之一被地球接收到一样,接收功率肯定要远远小于发射功率。

7、灵敏度(dbm)

接收机能够识别到的、最低的电磁波能量,单位也是dBm;即能接收到的最小功率信号。

Mesh设备的灵敏度通常在-100dbm左右,灵敏度负的越多,信号强度就越低,灵敏度也就越高,传输距离也就越远。

8、底噪(dbm)

即背景噪声,一般指电声系统中除有用信号外的总噪声。

9、信噪比(dB)

信噪比(SIGNAL NOISE RATIO,SNR or S/N),即放大器的输出信号的功率,与同时输出的噪声功率的比值,一般以分贝(dB)为单位。例如,某设备的信噪比为80dB,即输出信号功率是噪音功率的10^8倍。信噪比越大,说明混在信号里的噪声越小,采集到的的信号质量越高,否则相反。

在Mesh中功率和底噪用db表示,则信噪比用db表示为:功率 – 底噪;例:接收功率为-80dbm,底噪为-97db,则信噪比为: -80 -(-97)= 17dbm

10、码流(Mbps)

码流(Data Rate)是指视频文件单位时间内使用的数据流量,也叫码率或码流率,单位是kb/s或者Mb/s

11、帧长(ms)

帧是Mesh网络中数据传输的基本单元,MESH网页里的帧长表示的是发射周期,单位为毫秒。

12、时隙(slot,单位ms)

表示帧长里面的具体的毫秒数,通常说到时隙的时候,会具体到时隙位置和时隙长度。

帧与时隙的关系:

帧、时隙是从时域角度去定义的,时隙是比帧更小的时间段,它可以理解成是帧的组成单位。在时分系统中,一个帧里面的不同时隙可以用来传输不同用户、不同上下行的数据或者信令,实际上构成了物理层面的信道概念。(在不同的系统里,帧与时隙的时间长度是不一样的,一帧包含的时隙数也会不同。)

五、Mesh组网应用领域
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作为当下最为灵活、高效、便捷的扩大信号覆盖的通信解决方案之一,Mesh组网得到了极大推广。希诺麦田作为专业的通信产品研发及通信服务提供商,旗下全自研Mesh自组网产品及解决方案主要应用于无人机/车/船、特种机器人、巡检、应急(如城市应急、抢险救援、城区覆盖、森林消防、能源矿场、隧道人防、水域通信等)、C端等产品及特殊场景,行业多种多样应用领域极为广泛。

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具体产品涵盖HEPBURN组网模块(如传输距离依次递增的HEPBURN Mini,HEPBURN P27J、HEPBURN ODP27(室外型),HEPBURN Lite,HEPBURN P33,HEPBURN P35,HEPBURN P37,HEPBURN P40等)及Esmart应急产品系列(包含一机三屏调度台、车载台、背负台、手持台、手持机),欢迎各行各业的朋友关注了解~

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