无线网状网与协作中继技术

无线网状网与协作中继技术

作 者：蒋小奎

    摘要：无线网状网已经成为无线宽带通信领域的研究热点，但是基于交换技术的无线网状网因为其将整个网络看作是一个IP子网而无法适用于大范围的覆盖。在无线链路中采用协作中继，可以提高无线链路的传输速率及传输可靠性。同时采用基于网络层路由技术的无线网状网技术，可以实现整个无线网状网的频谱效率提升和广域覆盖。不过，由于标准化、关键技术研究以及产业化推进方面还存在许多问题，使得协作中继技术在无线网状网中的应用面临着巨大挑战。

    关键词：无线网状网；协作中继；无线Mesh结构；路由技术

    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

    无线网状网是移动Ad hoc网络和蜂窝网技术融合的产物，是一种多跳的Ad hoc网络。与移动Ad hoc网络实现用户移动设备之间的对等通信的目的不同，无线网状网主要是为用户终端提供无线接入[1-7]。无线网状网具有自组网、自管理、自动修复、自我平衡、节点自我管理以及多跳等特点，而且安装简单、覆盖范围广，可以动态实现移动宽带接入、支持多种业务、无线定位等，因而它逐渐成为宽带无线接入的研究热点。IEEE标准化组织也正在联合产业界与学术界共同致力于无线网状网的标准化工作，比如IEEE 802.11s、IEEE 802.16j、IEEE 802.15.5、IEEE 802.20以及IEEE 802.16m[8]等。

    1  无线网状网的技术特点

    1.1无线网状网的分类

    在开放系统互联(OSI)的网络分层模型中，第二层是数据链路层，第三层是网络层。目前，无线网状网在技术上可以分成两大类：一类是Layer 2的无线网状网，或是采用交换技术的无线网状网，另外一类是Layer 3的无线网状网，或是基于路由技术的无线网状网[9]。

    从TCP／IP的角度来看，基于Layer 2的无线网状网是把整个无线网状网当作一个IP子网。IEEE 802系列的无线网状网技术以及当前市场上的绝大多数无线网状网产品都属于此类。在网络Layer 2中完成接入控制、网状组网、路由、链路拥塞控制、快速移动，切换支持和安全认证等功能。目前大部分厂商的产品都是采用交换技术解决的无线网状网，也就是在Layer 2进行接入点(AP)间的数据交换。针对小范围网络覆盖的情况，这种基于Layer 2的无线网状网还能够胜任。

    与基于Layer 2的无线网状网不同，基于Layer 3的无线网状网则允许把整个无线网状网划分为多个IP子网，IP子网之间的通信是通过IP路由来实现的。由于是基于路由的技术，当A节点的数据传输到B节点就不需要到根节点进行数据交换了，而是走最短的路径到达B接点。具有路由能力的无线网状网络具有类似有线网络的结构，每个无线网络中的路由器不仅为覆盖区内连接的用户提供互联网接入，同时作为该网络的基本设施将数据通过无线网状网络路由到目的地。支持路由的网状网络具备灵活性高和容错能力强的特点，它简化了视距通信问题并以最少量的网络基础设施和互联成本扩展了网络的覆盖范围。

    1.2无线网状网实现的基础

    无论是基于Layer 2的无线网状网，还是基于Layer 3的无线网状网，其本质都是一种多跳网络，两个相邻节点(可以看作是一个源节点和一个目的节点)之间的通信质量、可靠性和效率是保证无线网状网优良性能的基础。协作中继技术由于可以充分利用从源节点到目的节点的多跳路径的信息，进而可以提高源节点和目的节点之间的无线链路性能，从而满足无线网状网两个节点之间的通信质量需求。

    由于网状网节点的移动性使得其网络拓扑结构不断变化，传统的Internet路由协议无法适应这些特性，因此需要开发专门的路由协议，同时需要在物理层保证两个节点之间的数据速率以及传输可靠性。

    此外，针对无线网状网，不能只考虑某一层面协议性能的提高，需要同时考虑多个层面间的影响，进行跨层设计。也就是打破传统的开放系统互联参考模型(OSI/RM)中严格分层的束缚，针对各层相关模块/协议的不同状态和要求，利用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行整体优化。具体来说，跨层设计就是充分、合理利用现有的网络资源，达到系统总吞吐量的最大化、总传输功率的最小化、QoS的最优化等最终目的。

    2  无线网状网与协作中继技术的结合

    2.1骨干网需要实现无线Mesh结构

    无线网状网是基于IP协议的无线网络技术，从网络拓扑结构上来讲，无线网状网可以看作是无线版、缩微版的互联网。随着宽带无线技术的发展，人们需要无线网络具有更高数据速率、更高频谱效率、更高覆盖和更强业务支撑能力，比如，B3G/4G要求传输速率能够达到1 Gb/s，需要的频谱至少是100 MHz。对于这样的宽带的频谱需求，很难在现有的频段中找到，因此需要对B3G/4G分配更高的频段，比如5 GHz或者6 GHz。

    工作频率的提高、带宽的增大，有利于数据速率的提升，但是，频率的提升会导致小区覆盖范围缩小，进而引起数据速率和覆盖范围之间的矛盾，需要在数据速率和覆盖范围之间进行折中。比如，IEEE 802.11n期望在15 m范围内，媒体接入控制(MAC)层数据速率达到100 Mb/s；超宽带(UWB)能够提供高达480 Mb/s的数据速率，但是其覆盖范围只能达到2 m甚至更低。在这种情况下，要在较大覆盖范围内实现高数据速率，将来的无线网络需要部署大量的AP。然而，安装部署数量庞大的AP在现实中比较困难，一方面是建设成本太高，另外一方面是全部将无线AP连接到有线骨干网中也是不太现实的，特别是在目前那些没有有线服务的地区。虽然采用基于Mesh和中继的结构是比较可行的解决思路，而且目前市场上出现的许多无线网状网产品，都可以与无线个域网(WPAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)以及无线宽带接入(WBA)等系统结合，但是，如果将整个无线Mesh网络看作是一个海洋的话，这些WPAN、WMAN、WLAN以及WBA就好像海洋中的一座座“孤岛”，它们的中央控制器只有连接到了骨干网中以后，才能为用户提供真正的服务。因此，从这个角度讲，实现全网的无线Mesh覆盖，首先需要解决的是骨干网本身的无线实现问题[10]。

    2.2无线网状网的结构

    无线网状网是使用多跳的全无线网络，数据流进出有线Internet网关。与平面Ad hoc相比，无线网状网呈现分层的特点，其节点按照功能可以分成Mesh路由器和Mesh客户机两类。这些Mesh节点可以组成全Mesh结构，也可以组成部分Mesh结构。所谓全Mesh结构是指网络中的任意两个节点都可以实现直接连接，而部分Mesh结构是指只有整个网络中的部分节点之间可以直接通信。如图1所示。

    Mesh路由器不仅具有路由的功能，它还具有网关或者网桥的功能。与传统的无线路由器相比，无线Mesh路由器可以通过多跳网络，以较小的传输功率来实现同样的覆盖；通过加强Mesh路由器中的MAC协议，还能构使得它在多跳Mesh网络环境下具有更好的可伸缩性。Mesh客户机必须具有组网的功能，同时它还可以当作一个路由器。不过，在Mesh客户机中，不存在网关和网桥的概念，而且一个Mesh客户机只有一个无线接口，只能支持一种无线接入技术。

    目前，由Mesh路由器和Mesh客户机可以组成两种基本的无线Mesh结构，基础设施的无线网状网和客户机网状网。不过比较有前途的是图2所示的二者的混合结构。这种无线网状网是基础设施结构和客户机结构的结合，客户机可以通过Mesh路由器接入网络，同时也可和其他Mesh客户机直接组成Mesh网络。

    2.3协作中继技术的特点

    协作中继也被称作为协作分集，其原理来自于“虚拟天线阵列”思想。协作中继就是单路径中继的一个扩展，在源节点S和目的节点D之间可以引入一个或者多个具有共同覆盖区域的节点充当中继节点R，目的节点可以合并来自源节点和来自中继节点的数据。这样可以缓解终端无法配置较多天线的压力[11]。我们以如图3为例，源节点、中继节点、目的节点分别由基站(BS)、中继站(RS)和用户终端(UT)来充当。

    按照各个节点之间的发送和接收时隙不同， 定义“X→Y”表示X发射、Y接收，可以将协作中继分成表1所示的3类。目的节点将不同时隙接收的信号进行合并，以获得空间分集增益。由于目的节点利用了多条路径的信号信息，因此可以获得空间分集增益，进而使得中继链路的数据速率和可靠性得到保证。

    2.4无线网状网域协作中继技术的结合

    从前文可知，无线网状网主要是在网络层或者数据链路层实现Mesh结构，然而，协作中继的思想主要是在物理层体现，以保证无线中继链路的传输数据速率和可靠性。下面以图4所示固定无线Mesh网络为例来介绍协作中继在无线网状网中的应用[12]。其中Mesh节点包含AP、固定的/或者游牧RS，UT可以不必包含在Mesh结构中，不过需要与Mesh结构中的Mesh节点进行连接，方可接受网络的服务。AP可以由BS担任，也可以是RS，可以直接连接到骨干网络中(一般是Internet)。如图4中，节点C就可以合并来自节点A和B的信号，以实现协作中继，获得空间分集增益。

    在任何一个无线中继链路中，都可以使用协作中继。而且为了充分利用频谱资源及多输入多输出(MIMO)技术，在源节点、中继节点和目的节点中都可以配置多天线，充分利用不同RS的协作，可以在目的节点实现协作MIMO中继，大大提高无线中继链路的数据速率。基本原理如图5所示。其仿真传输速率基本比常规MIMO要高2倍左右。随着无线技术的发展，在无线网状网中采用协作MIMO中继技术必将是一个发展方向[13]。

    3  协作中继在无线网状网中应用所面临的主要问题

    3.1标准化问题

    无线网状网本身的发展路线是市场占领在先，标准推进在后。要真正实现电信级的应用，无线网状网本身需要克服3个障碍：一是无线网状组网的关键技术；二是克服节点快速移动所带来网络性能的恶化，特别是物理层的关键性能；三是各种无线网状网技术融合所必需的标准化。

    目前，学术界对协作中继已经有较深入研究，IEEE 802.16j等标准组织中也有部分研究结论，但是基本都是在蜂窝网的基础上进行的。要想将其融入到无线网状网中并且完全标准化，还有相当一段路程。

    3.2关键技术研究问题

    与常规中继技术一样，协作中继站的性能也主要受到资源分配、协作中继节点的选择(或者协作路由发现和维护)、时延以及切换等关键处理过程的影响。从实现角度来讲还需要以下几个方面对协作中继技术进行深入研究：

协作中继站的选择和资源分配：这两个过程密切相关，特别是在正交频分复用多址接入(OFDMA)系统中，二者需要联合进行，关键是信令负载要低。

    传输的时延：跳数的增加导致无线网状网链路传输的较大延迟是阻碍其大范围应用的关键技术。

    中继链路的速率调整：针对固定无线Mesh而言，许多节点之间处于视距(LOS)传输环境，架设源节点和中继节点之间处于LOS环境，中继节点与目的节点之间处于非视距(NLOS)环境，则在LOS情形常规的MIMO技术无法直接使用，这就需要想办法对中继链路的传输速率进行协调，进而提升整个链路的性能。

    中继路由的发现和维护协议：这个问题也适用于常规中继系统，特别是当UT移动的时候中继路由的维护协议。

    3.3产业化推进问题

    目前，无线网状网的产品还主要出自于小公司，除了北电推出了相对完整的无线网状网产品解决方案以外，还没有出现其他实力强劲公司的产品。因此，无线网状网要实现电信级的应用，还需要产业界的大力支持。只有在无线网状网等技术得到充分用用以后，协作中继等技术方可得到大力发展。

    4  结束语

    基于多跳的无线网状网作为一种新兴的网络形式，虽然目前还有许多关键问题没有解决，但是，因为其具有组网灵活、维护方便、覆盖范围大、投资成本低、风险小、可靠性高等优点，必将在宽带无线接入系统中有广阔的发展空间。而且在无线网状网的发展过程中，协作中继等技术也将为其链路性能的提升发挥重要作用。

    5  参考文献

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    [2]Schultzdc, Walke b, Hiertz g r, et al. Meshing for relay based deployment concepts[R]. WWRF-WG4 White Paper, 2006.

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    作者简介：

    蒋小奎，2004年博士毕业于西北工业大学声学研究所，目前任中兴通讯股份有限公司无线预研部三级主任工程师，主要从事无线中继技术的预研和标准工作，申请相关专利20余篇。