無線網狀網與協(xié)作中繼技術

    摘要：無線網狀網已經成為無線寬帶通信領域的研究熱點，但是基于交換技術的無線網狀網因為其將整個網絡看作是一個IP子網而無法適用于大范圍的覆蓋。在無線鏈路中采用協(xié)作中繼，可以提高無線鏈路的傳輸速率及傳輸可靠性。同時采用基于網絡層路由技術的無線網狀網技術，可以實現(xiàn)整個無線網狀網的頻譜效率提升和廣域覆蓋。不過，由于標準化、關鍵技術研究以及產業(yè)化推進方面還存在許多問題，使得協(xié)作中繼技術在無線網狀網中的應用面臨著巨大挑戰(zhàn)。

    關鍵詞：無線網狀網；協(xié)作中繼；無線Mesh結構；路由技術

    Abstract:WirelessMeshnetworkshave become a focus in research of wireless broadband communications. In a switching technologies-based wireless Mesh network, the entire network is regarded as an IP subnet, so it cannot be applied in situations where large coverage is required. The use of cooperative relaying technologies can improve the transmission rate and reliability of wireless link; while the wireless Mesh network, once integrated with cooperative relaying technologies and routing technologies, can improve its spectrum efficiency and cover a wide area. However, there are many problems to be solved with respect to standardization, key technologies research and industrialization. Therefore, the application of cooperative relaying technologies in wireless Mesh networks is still a great challenge.

    Keywords:wirelessMeshnetwork; cooperative relaying; wireless Mesh architecture; routing technology

    無線網狀網是移動Ad hoc網絡和蜂窩網技術融合的產物，是一種多跳的Ad hoc網絡。與移動Ad hoc網絡實現(xiàn)用戶移動設備之間的對等通信的目的不同，無線網狀網主要是為用戶終端提供無線接入[1-7]。無線網狀網具有自組網、自管理、自動修復、自我平衡、節(jié)點自我管理以及多跳等特點，而且安裝簡單、覆蓋范圍廣，可以動態(tài)實現(xiàn)移動寬帶接入、支持多種業(yè)務、無線定位等，因而它逐漸成為寬帶無線接入的研究熱點。IEEE標準化組織也正在聯(lián)合產業(yè)界與學術界共同致力于無線網狀網的標準化工作，比如IEEE 802.11s、IEEE 802.16j、IEEE 802.15.5、IEEE 802.20以及IEEE 802.16m[8]等。

    1  無線網狀網的技術特點

    1.1無線網狀網的分類

    在開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)的網絡分層模型中，第二層是數(shù)據鏈路層，第三層是網絡層。目前，無線網狀網在技術上可以分成兩大類：一類是Layer 2的無線網狀網，或是采用交換技術的無線網狀網，另外一類是Layer 3的無線網狀網，或是基于路由技術的無線網狀網[9]。

    從TCP／IP的角度來看，基于Layer 2的無線網狀網是把整個無線網狀網當作一個IP子網。IEEE 802系列的無線網狀網技術以及當前市場上的絕大多數(shù)無線網狀網產品都屬于此類。在網絡Layer 2中完成接入控制、網狀組網、路由、鏈路擁塞控制、快速移動，切換支持和安全認證等功能。目前大部分廠商的產品都是采用交換技術解決的無線網狀網，也就是在Layer 2進行接入點(AP)間的數(shù)據交換。針對小范圍網絡覆蓋的情況，這種基于Layer 2的無線網狀網還能夠勝任。

    與基于Layer 2的無線網狀網不同，基于Layer 3的無線網狀網則允許把整個無線網狀網劃分為多個IP子網，IP子網之間的通信是通過IP路由來實現(xiàn)的。由于是基于路由的技術，當A節(jié)點的數(shù)據傳輸?shù)紹節(jié)點就不需要到根節(jié)點進行數(shù)據交換了，而是走最短的路徑到達B接點。具有路由能力的無線網狀網絡具有類似有線網絡的結構，每個無線網絡中的路由器不僅為覆蓋區(qū)內連接的用戶提供互聯(lián)網接入，同時作為該網絡的基本設施將數(shù)據通過無線網狀網絡路由到目的地。支持路由的網狀網絡具備靈活性高和容錯能力強的特點，它簡化了視距通信問題并以最少量的網絡基礎設施和互聯(lián)成本擴展了網絡的覆蓋范圍。

    1.2無線網狀網實現(xiàn)的基礎

    無論是基于Layer 2的無線網狀網，還是基于Layer 3的無線網狀網，其本質都是一種多跳網絡，兩個相鄰節(jié)點(可以看作是一個源節(jié)點和一個目的節(jié)點)之間的通信質量、可靠性和效率是保證無線網狀網優(yōu)良性能的基礎。協(xié)作中繼技術由于可以充分利用從源節(jié)點到目的節(jié)點的多跳路徑的信息，進而可以提高源節(jié)點和目的節(jié)點之間的無線鏈路性能，從而滿足無線網狀網兩個節(jié)點之間的通信質量需求。

    由于網狀網節(jié)點的移動性使得其網絡拓撲結構不斷變化，傳統(tǒng)的Internet路由協(xié)議無法適應這些特性，因此需要開發(fā)專門的路由協(xié)議，同時需要在物理層保證兩個節(jié)點之間的數(shù)據速率以及傳輸可靠性。

    此外，針對無線網狀網，不能只考慮某一層面協(xié)議性能的提高，需要同時考慮多個層面間的影響，進行跨層設計。也就是打破傳統(tǒng)的開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI/RM)中嚴格分層的束縛，針對各層相關模塊/協(xié)議的不同狀態(tài)和要求，利用層與層之間的相互依賴和影響，對網絡性能進行整體優(yōu)化。具體來說，跨層設計就是充分、合理利用現(xiàn)有的網絡資源，達到系統(tǒng)總吞吐量的最大化、總傳輸功率的最小化、QoS的最優(yōu)化等最終目的。

    2  無線網狀網與協(xié)作中繼技術的結合

    2.1骨干網需要實現(xiàn)無線Mesh結構

    無線網狀網是基于IP協(xié)議的無線網絡技術，從網絡拓撲結構上來講，無線網狀網可以看作是無線版、縮微版的互聯(lián)網。隨著寬帶無線技術的發(fā)展，人們需要無線網絡具有更高數(shù)據速率、更高頻譜效率、更高覆蓋和更強業(yè)務支撐能力，比如，B3G/4G要求傳輸速率能夠達到1 Gb/s，需要的頻譜至少是100 MHz。對于這樣的寬帶的頻譜需求，很難在現(xiàn)有的頻段中找到，因此需要對B3G/4G分配更高的頻段，比如5 GHz或者6 GHz。

    工作頻率的提高、帶寬的增大，有利于數(shù)據速率的提升，但是，頻率的提升會導致小區(qū)覆蓋范圍縮小，進而引起數(shù)據速率和覆蓋范圍之間的矛盾，需要在數(shù)據速率和覆蓋范圍之間進行折中。比如，IEEE 802.11n期望在15 m范圍內，媒體接入控制(MAC)層數(shù)據速率達到100 Mb/s；超寬帶(UWB)能夠提供高達480 Mb/s的數(shù)據速率，但是其覆蓋范圍只能達到2 m甚至更低。在這種情況下，要在較大覆蓋范圍內實現(xiàn)高數(shù)據速率，將來的無線網絡需要部署大量的AP。然而，安裝部署數(shù)量龐大的AP在現(xiàn)實中比較困難，一方面是建設成本太高，另外一方面是全部將無線AP連接到有線骨干網中也是不太現(xiàn)實的，特別是在目前那些沒有有線服務的地區(qū)。雖然采用基于Mesh和中繼的結構是比較可行的解決思路，而且目前市場上出現(xiàn)的許多無線網狀網產品，都可以與無線個域網(WPAN)、無線城域網(WMAN)、無線局域網(WLAN)以及無線寬帶接入(WBA)等系統(tǒng)結合，但是，如果將整個無線Mesh網絡看作是一個海洋的話，這些WPAN、WMAN、WLAN以及WBA就好像海洋中的一座座“孤島”，它們的中央控制器只有連接到了骨干網中以后，才能為用戶提供真正的服務。因此，從這個角度講，實現(xiàn)全網的無線Mesh覆蓋，首先需要解決的是骨干網本身的無線實現(xiàn)問題[10]。

    2.2無線網狀網的結構

    無線網狀網是使用多跳的全無線網絡，數(shù)據流進出有線Internet網關。與平面Ad hoc相比，無線網狀網呈現(xiàn)分層的特點，其節(jié)點按照功能可以分成Mesh路由器和Mesh客戶機兩類。這些Mesh節(jié)點可以組成全Mesh結構，也可以組成部分Mesh結構。所謂全Mesh結構是指網絡中的任意兩個節(jié)點都可以實現(xiàn)直接連接，而部分Mesh結構是指只有整個網絡中的部分節(jié)點之間可以直接通信。如圖1所示。

    Mesh路由器不僅具有路由的功能，它還具有網關或者網橋的功能。與傳統(tǒng)的無線路由器相比，無線Mesh路由器可以通過多跳網絡，以較小的傳輸功率來實現(xiàn)同樣的覆蓋；通過加強Mesh路由器中的MAC協(xié)議，還能構使得它在多跳Mesh網絡環(huán)境下具有更好的可伸縮性。Mesh客戶機必須具有組網的功能，同時它還可以當作一個路由器。不過，在Mesh客戶機中，不存在網關和網橋的概念，而且一個Mesh客戶機只有一個無線接口，只能支持一種無線接入技術。

    目前，由Mesh路由器和Mesh客戶機可以組成兩種基本的無線Mesh結構，基礎設施的無線網狀網和客戶機網狀網。不過比較有前途的是圖2所示的二者的混合結構。這種無線網狀網是基礎設施結構和客戶機結構的結合，客戶機可以通過Mesh路由器接入網絡，同時也可和其他Mesh客戶機直接組成Mesh網絡。

    2.3協(xié)作中繼技術的特點

    協(xié)作中繼也被稱作為協(xié)作分集，其原理來自于“虛擬天線陣列”思想。協(xié)作中繼就是單路徑中繼的一個擴展，在源節(jié)點S和目的節(jié)點D之間可以引入一個或者多個具有共同覆蓋區(qū)域的節(jié)點充當中繼節(jié)點R，目的節(jié)點可以合并來自源節(jié)點和來自中繼節(jié)點的數(shù)據。這樣可以緩解終端無法配置較多天線的壓力[11]。我們以如圖3為例，源節(jié)點、中繼節(jié)點、目的節(jié)點分別由基站(BS)、中繼站(RS)和用戶終端(UT)來充當。

    按照各個節(jié)點之間的發(fā)送和接收時隙不同， 定義“X→Y”表示X發(fā)射、Y接收，可以將協(xié)作中繼分成表1所示的3類。目的節(jié)點將不同時隙接收的信號進行合并，以獲得空間分集增益。由于目的節(jié)點利用了多條路徑的信號信息，因此可以獲得空間分集增益，進而使得中繼鏈路的數(shù)據速率和可靠性得到保證。

    2.4無線網狀網域協(xié)作中繼技術的結合

    從前文可知，無線網狀網主要是在網絡層或者數(shù)據鏈路層實現(xiàn)Mesh結構，然而，協(xié)作中繼的思想主要是在物理層體現(xiàn)，以保證無線中繼鏈路的傳輸數(shù)據速率和可靠性。下面以圖4所示固定無線Mesh網絡為例來介紹協(xié)作中繼在無線網狀網中的應用[12]。其中Mesh節(jié)點包含AP、固定的/或者游牧RS，UT可以不必包含在Mesh結構中，不過需要與Mesh結構中的Mesh節(jié)點進行連接，方可接受網絡的服務。AP可以由BS擔任，也可以是RS，可以直接連接到骨干網絡中(一般是Internet)。如圖4中，節(jié)點C就可以合并來自節(jié)點A和B的信號，以實現(xiàn)協(xié)作中繼，獲得空間分集增益。

    在任何一個無線中繼鏈路中，都可以使用協(xié)作中繼。而且為了充分利用頻譜資源及多輸入多輸出(MIMO)技術，在源節(jié)點、中繼節(jié)點和目的節(jié)點中都可以配置多天線，充分利用不同RS的協(xié)作，可以在目的節(jié)點實現(xiàn)協(xié)作MIMO中繼，大大提高無線中繼鏈路的數(shù)據速率?；驹砣鐖D5所示。其仿真?zhèn)鬏斔俾驶颈瘸Ｒ?guī)MIMO要高2倍左右。隨著無線技術的發(fā)展，在無線網狀網中采用協(xié)作MIMO中繼技術必將是一個發(fā)展方向[13]。

    3  協(xié)作中繼在無線網狀網中應用所面臨的主要問題

    3.1標準化問題

    無線網狀網本身的發(fā)展路線是市場占領在先，標準推進在后。要真正實現(xiàn)電信級的應用，無線網狀網本身需要克服3個障礙：一是無線網狀組網的關鍵技術；二是克服節(jié)點快速移動所帶來網絡性能的惡化，特別是物理層的關鍵性能；三是各種無線網狀網技術融合所必需的標準化。

    目前，學術界對協(xié)作中繼已經有較深入研究，IEEE 802.16j等標準組織中也有部分研究結論，但是基本都是在蜂窩網的基礎上進行的。要想將其融入到無線網狀網中并且完全標準化，還有相當一段路程。

    3.2關鍵技術研究問題

    與常規(guī)中繼技術一樣，協(xié)作中繼站的性能也主要受到資源分配、協(xié)作中繼節(jié)點的選擇(或者協(xié)作路由發(fā)現(xiàn)和維護)、時延以及切換等關鍵處理過程的影響。從實現(xiàn)角度來講還需要以下幾個方面對協(xié)作中繼技術進行深入研究：

協(xié)作中繼站的選擇和資源分配：這兩個過程密切相關，特別是在正交頻分復用多址接入(OFDMA)系統(tǒng)中，二者需要聯(lián)合進行，關鍵是信令負載要低。

    傳輸?shù)臅r延：跳數(shù)的增加導致無線網狀網鏈路傳輸?shù)妮^大延遲是阻礙其大范圍應用的關鍵技術。

    中繼鏈路的速率調整：針對固定無線Mesh而言，許多節(jié)點之間處于視距(LOS)傳輸環(huán)境，架設源節(jié)點和中繼節(jié)點之間處于LOS環(huán)境，中繼節(jié)點與目的節(jié)點之間處于非視距(NLOS)環(huán)境，則在LOS情形常規(guī)的MIMO技術無法直接使用，這就需要想辦法對中繼鏈路的傳輸速率進行協(xié)調，進而提升整個鏈路的性能。

    中繼路由的發(fā)現(xiàn)和維護協(xié)議：這個問題也適用于常規(guī)中繼系統(tǒng)，特別是當UT移動的時候中繼路由的維護協(xié)議。

    3.3產業(yè)化推進問題

    目前，無線網狀網的產品還主要出自于小公司，除了北電推出了相對完整的無線網狀網產品解決方案以外，還沒有出現(xiàn)其他實力強勁公司的產品。因此，無線網狀網要實現(xiàn)電信級的應用，還需要產業(yè)界的大力支持。只有在無線網狀網等技術得到充分用用以后，協(xié)作中繼等技術方可得到大力發(fā)展。

    4  結束語

    基于多跳的無線網狀網作為一種新興的網絡形式，雖然目前還有許多關鍵問題沒有解決，但是，因為其具有組網靈活、維護方便、覆蓋范圍大、投資成本低、風險小、可靠性高等優(yōu)點，必將在寬帶無線接入系統(tǒng)中有廣闊的發(fā)展空間。而且在無線網狀網的發(fā)展過程中，協(xié)作中繼等技術也將為其鏈路性能的提升發(fā)揮重要作用。

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    作者簡介：

    蔣小奎，2004年博士畢業(yè)于西北工業(yè)大學聲學研究所，目前任中興通訊股份有限公司無線預研部三級主任工程師，主要從事無線中繼技術的預研和標準工作，申請相關專利20余篇。