無線網(wǎng)狀網(wǎng)與協(xié)作中繼技術(shù)

    摘要：無線網(wǎng)狀網(wǎng)已經(jīng)成為無線寬帶通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是基于交換技術(shù)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)因?yàn)槠鋵⒄麄€網(wǎng)絡(luò)看作是一個IP子網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)層路由技術(shù)的無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整個無線網(wǎng)狀網(wǎng)的頻譜效率提升和廣域覆蓋。不過，由于標(biāo)準(zhǔn)化、關(guān)鍵技術(shù)研究以及產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)方面還存在許多問題，使得協(xié)作中繼技術(shù)在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的應(yīng)用面臨著巨大挑戰(zhàn)。

    關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)狀網(wǎng)；協(xié)作中繼；無線Mesh結(jié)構(gòu)；路由技術(shù)

    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(wǎng)狀網(wǎng)是移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)技術(shù)融合的產(chǎn)物，是一種多跳的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。與移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶移動設(shè)備之間的對等通信的目的不同，無線網(wǎng)狀網(wǎng)主要是為用戶終端提供無線接入[1-7]。無線網(wǎng)狀網(wǎng)具有自組網(wǎng)、自管理、自動修復(fù)、自我平衡、節(jié)點(diǎn)自我管理以及多跳等特點(diǎn)，而且安裝簡單、覆蓋范圍廣，可以動態(tài)實(shí)現(xiàn)移動寬帶接入、支持多種業(yè)務(wù)、無線定位等，因而它逐漸成為寬帶無線接入的研究熱點(diǎn)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織也正在聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界共同致力于無線網(wǎng)狀網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)狀網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)

    1.1無線網(wǎng)狀網(wǎng)的分類

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

    從TCP／IP的角度來看，基于Layer 2的無線網(wǎng)狀網(wǎng)是把整個無線網(wǎng)狀網(wǎng)當(dāng)作一個IP子網(wǎng)。IEEE 802系列的無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)以及當(dāng)前市場上的絕大多數(shù)無線網(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品都屬于此類。在網(wǎng)絡(luò)Layer 2中完成接入控制、網(wǎng)狀組網(wǎng)、路由、鏈路擁塞控制、快速移動，切換支持和安全認(rèn)證等功能。目前大部分廠商的產(chǎn)品都是采用交換技術(shù)解決的無線網(wǎng)狀網(wǎng)，也就是在Layer 2進(jìn)行接入點(diǎn)(AP)間的數(shù)據(jù)交換。針對小范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況，這種基于Layer 2的無線網(wǎng)狀網(wǎng)還能夠勝任。

    與基于Layer 2的無線網(wǎng)狀網(wǎng)不同，基于Layer 3的無線網(wǎng)狀網(wǎng)則允許把整個無線網(wǎng)狀網(wǎng)劃分為多個IP子網(wǎng)，IP子網(wǎng)之間的通信是通過IP路由來實(shí)現(xiàn)的。由于是基于路由的技術(shù)，當(dāng)A節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紹節(jié)點(diǎn)就不需要到根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換了，而是走最短的路徑到達(dá)B接點(diǎn)。具有路由能力的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有類似有線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，每個無線網(wǎng)絡(luò)中的路由器不僅為覆蓋區(qū)內(nèi)連接的用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入，同時作為該網(wǎng)絡(luò)的基本設(shè)施將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由到目的地。支持路由的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具備靈活性高和容錯能力強(qiáng)的特點(diǎn)，它簡化了視距通信問題并以最少量的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和互聯(lián)成本擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

    1.2無線網(wǎng)狀網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)

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

    由于網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的移動性使得其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，傳統(tǒng)的Internet路由協(xié)議無法適應(yīng)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(diǎn)之間的數(shù)據(jù)速率以及傳輸可靠性。

    此外，針對無線網(wǎng)狀網(wǎng)，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(jìn)行跨層設(shè)計(jì)。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(yán)格分層的束縛，針對各層相關(guān)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(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行整體優(yōu)化。具體來說，跨層設(shè)計(jì)就是充分、合理利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)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(wǎng)狀網(wǎng)與協(xié)作中繼技術(shù)的結(jié)合

    2.1骨干網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)無線Mesh結(jié)構(gòu)

    無線網(wǎng)狀網(wǎng)是基于IP協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來講，無線網(wǎng)狀網(wǎng)可以看作是無線版、縮微版的互聯(lián)網(wǎng)。隨著寬帶無線技術(shù)的發(fā)展，人們需要無線網(wǎng)絡(luò)具有更高數(shù)據(jù)速率、更高頻譜效率、更高覆蓋和更強(qiáng)業(yè)務(wù)支撐能力，比如，B3G/4G要求傳輸速率能夠達(dá)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(jù)速率的提升，但是，頻率的提升會導(dǎo)致小區(qū)覆蓋范圍縮小，進(jìn)而引起數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍之間的矛盾，需要在數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍之間進(jìn)行折中。比如，IEEE 802.11n期望在15 m范圍內(nèi)，媒體接入控制(MAC)層數(shù)據(jù)速率達(dá)到100 Mb/s；超寬帶(UWB)能夠提供高達(dá)480 Mb/s的數(shù)據(jù)速率，但是其覆蓋范圍只能達(dá)到2 m甚至更低。在這種情況下，要在較大覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，將來的無線網(wǎng)絡(luò)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(shí)中比較困難，一方面是建設(shè)成本太高，另外一方面是全部將無線AP連接到有線骨干網(wǎng)中也是不太現(xiàn)實(shí)的，特別是在目前那些沒有有線服務(wù)的地區(qū)。雖然采用基于Mesh和中繼的結(jié)構(gòu)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(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品，都可以與無線個域網(wǎng)(WPAN)、無線城域網(wǎng)(WMAN)、無線局域網(wǎng)(WLAN)以及無線寬帶接入(WBA)等系統(tǒng)結(jié)合，但是，如果將整個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)中以后，才能為用戶提供真正的服務(wù)。因此，從這個角度講，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的無線Mesh覆蓋，首先需要解決的是骨干網(wǎng)本身的無線實(shí)現(xiàn)問題[10]。

    2.2無線網(wǎng)狀網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

    無線網(wǎng)狀網(wǎng)是使用多跳的全無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)流進(jìn)出有線Internet網(wǎng)關(guān)。與平面Ad hoc相比，無線網(wǎng)狀網(wǎng)呈現(xiàn)分層的特點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)按照功能可以分成Mesh路由器和Mesh客戶機(jī)兩類。這些Mesh節(jié)點(diǎn)可以組成全Mesh結(jié)構(gòu)，也可以組成部分Mesh結(jié)構(gòu)。所謂全Mesh結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)直接連接，而部分Mesh結(jié)構(gòu)是指只有整個網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)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(wǎng)關(guān)或者網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)，以較小的傳輸功率來實(shí)現(xiàn)同樣的覆蓋；通過加強(qiáng)Mesh路由器中的MAC協(xié)議，還能構(gòu)使得它在多跳Mesh網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有更好的可伸縮性。Mesh客戶機(jī)必須具有組網(wǎng)的功能，同時它還可以當(dāng)作一個路由器。不過，在Mesh客戶機(jī)中，不存在網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)橋的概念，而且一個Mesh客戶機(jī)只有一個無線接口，只能支持一種無線接入技術(shù)。

    目前，由Mesh路由器和Mesh客戶機(jī)可以組成兩種基本的無線Mesh結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)狀網(wǎng)和客戶機(jī)網(wǎng)狀網(wǎng)。不過比較有前途的是圖2所示的二者的混合結(jié)構(gòu)。這種無線網(wǎng)狀網(wǎng)是基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和客戶機(jī)結(jié)構(gòu)的結(jié)合，客戶機(jī)可以通過Mesh路由器接入網(wǎng)絡(luò)，同時也可和其他Mesh客戶機(jī)直接組成Mesh網(wǎng)絡(luò)。

    2.3協(xié)作中繼技術(shù)的特點(diǎn)

    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(kuò)展，在源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)R，目的節(jié)點(diǎn)可以合并來自源節(jié)點(diǎn)和來自中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。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(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)分別由基站(BS)、中繼站(RS)和用戶終端(UT)來充當(dāng)。

    按照各個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)將不同時隙接收的信號進(jìn)行合并，以獲得空間分集增益。由于目的節(jié)點(diǎn)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(jìn)而使得中繼鏈路的數(shù)據(jù)速率和可靠性得到保證。

    2.4無線網(wǎng)狀網(wǎng)域協(xié)作中繼技術(shù)的結(jié)合

    從前文可知，無線網(wǎng)狀網(wǎng)主要是在網(wǎng)絡(luò)層或者數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)Mesh結(jié)構(gòu)，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(jù)速率和可靠性。下面以圖4所示固定無線Mesh網(wǎng)絡(luò)為例來介紹協(xié)作中繼在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中的應(yīng)用[12]。其中Mesh節(jié)點(diǎn)包含AP、固定的/或者游牧RS，UT可以不必包含在Mesh結(jié)構(gòu)中，不過需要與Mesh結(jié)構(gòu)中的Mesh節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，方可接受網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。AP可以由BS擔(dān)任，也可以是RS，可以直接連接到骨干網(wǎng)絡(luò)中(一般是Internet)。如圖4中，節(jié)點(diǎn)C就可以合并來自節(jié)點(diǎn)A和B的信號，以實(shí)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(shù)，在源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)協(xié)作MIMO中繼，大大提高無線中繼鏈路的數(shù)據(jù)速率。基本原理如圖5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(shù)的發(fā)展，在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中采用協(xié)作MIMO中繼技術(shù)必將是一個發(fā)展方向[13]。

    3  協(xié)作中繼在無線網(wǎng)狀網(wǎng)中應(yīng)用所面臨的主要問題

    3.1標(biāo)準(zhǔn)化問題

    無線網(wǎng)狀網(wǎng)本身的發(fā)展路線是市場占領(lǐng)在先，標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)在后。要真正實(shí)現(xiàn)電信級的應(yīng)用，無線網(wǎng)狀網(wǎng)本身需要克服3個障礙：一是無線網(wǎng)狀組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)；二是克服節(jié)點(diǎn)快速移動所帶來網(wǎng)絡(luò)性能的惡化，特別是物理層的關(guān)鍵性能；三是各種無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)融合所必需的標(biāo)準(zhǔn)化。

    目前，學(xué)術(shù)界對協(xié)作中繼已經(jīng)有較深入研究，IEEE 802.16j等標(biāo)準(zhǔn)組織中也有部分研究結(jié)論，但是基本都是在蜂窩網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。要想將其融入到無線網(wǎng)狀網(wǎng)中并且完全標(biāo)準(zhǔn)化，還有相當(dāng)一段路程。

    3.2關(guān)鍵技術(shù)研究問題

    與常規(guī)中繼技術(shù)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(diǎn)的選擇(或者協(xié)作路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù))、時延以及切換等關(guān)鍵處理過程的影響。從實(shí)現(xiàn)角度來講還需要以下幾個方面對協(xié)作中繼技術(shù)進(jìn)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(guān)，特別是在正交頻分復(fù)用多址接入(OFDMA)系統(tǒng)中，二者需要聯(lián)合進(jìn)行，關(guān)鍵是信令負(fù)載要低。

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

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

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

    3.3產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)問題

    目前，無線網(wǎng)狀網(wǎng)的產(chǎn)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(wǎng)狀網(wǎng)產(chǎn)品解決方案以外，還沒有出現(xiàn)其他實(shí)力強(qiáng)勁公司的產(chǎn)品。因此，無線網(wǎng)狀網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)電信級的應(yīng)用，還需要產(chǎn)業(yè)界的大力支持。只有在無線網(wǎng)狀網(wǎng)等技術(shù)得到充分用用以后，協(xié)作中繼等技術(shù)方可得到大力發(fā)展。

    4  結(jié)束語

    基于多跳的無線網(wǎng)狀網(wǎng)作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)形式，雖然目前還有許多關(guān)鍵問題沒有解決，但是，因?yàn)槠渚哂薪M網(wǎng)靈活、維護(hù)方便、覆蓋范圍大、投資成本低、風(fēng)險小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，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(wǎng)狀網(wǎng)的發(fā)展過程中，協(xié)作中繼等技術(shù)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(xué)聲學(xué)研究所，目前任中興通訊股份有限公司無線預(yù)研部三級主任工程師，主要從事無線中繼技術(shù)的預(yù)研和標(biāo)準(zhǔn)工作，申請相關(guān)專利20余篇。