無線協(xié)作Mesh網(wǎng)

摘要：異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合是當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。針對融合過程中遇到的諸如傳輸模式選擇、負(fù)載平衡、路由和切換之類的問題，文章提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)：無線協(xié)作Mesh網(wǎng)。該架構(gòu)基于無線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過協(xié)作通信進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、提升其性能。該架構(gòu)能充分發(fā)揮Mesh技術(shù)高頻譜效率、動態(tài)自組織的優(yōu)點和協(xié)作通信高分集增益、高能量效率的優(yōu)點，可為無線網(wǎng)絡(luò)融合提供一種有效的解決方案。

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，為了滿足不同應(yīng)用場景的需要，各種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)層出不窮，這些種類繁多的無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為用戶在帶寬、覆蓋范圍、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、計費等方面提供了多樣化的選擇。但是為了實現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)融合成為必然趨勢[1]。網(wǎng)絡(luò)融合現(xiàn)階段的研究主要集中于自組網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)的融合[2]，用網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)的優(yōu)點來彌補點對多點的覆蓋問題，主要通過以下兩種方式實現(xiàn)：

(1)網(wǎng)絡(luò)交互

3GPP給出的3G/WLAN交互結(jié)構(gòu)，其交互模式有兩種：緊交互和松交互。不論哪種模式，因采用雙模終端，都無需改動3G或無線局域網(wǎng)(WLAN)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以網(wǎng)絡(luò)交互對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有太大影響。

(2)網(wǎng)絡(luò)混合

將自組網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)融合成支持單一或多模終端的新網(wǎng)絡(luò)，包括：機會驅(qū)動多址接入(ODMA)、多跳蜂窩網(wǎng)(MCN)、蜂窩與Ad Hoc聯(lián)合網(wǎng)(UCAN)、自組織支持的GSM網(wǎng)(A-GSM)、自組織中繼支持的蜂窩系統(tǒng)(PARCEL)、移動節(jié)點輔助數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模型(MADF)、分組多跳無線網(wǎng)(SOPRANO)以及集成蜂窩和Ad Hoc的中繼系統(tǒng)(iCAR)等等。所有這些網(wǎng)絡(luò)模型的共性是支持終端直傳和多跳兩種傳輸模式，區(qū)別在于終端類型(單一終端或多模終端)以及中繼節(jié)點類型(終端、專用中繼站或?qū)Ｓ脽o線路由器等)。網(wǎng)絡(luò)混合改變了蜂窩網(wǎng)和自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，混合后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為兩類：第一類中繼節(jié)點為終端；第二類中繼節(jié)點為專用節(jié)點，不一定需要終端具有轉(zhuǎn)發(fā)路由功能。

目前對網(wǎng)絡(luò)融合的研究大都是對現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修改或增強，尚沒有一個較好的網(wǎng)絡(luò)融合方案。因此，設(shè)計一種新的網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)來實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合成為人們的努力目標(biāo)。

無線Mesh網(wǎng)因其高頻譜效率、動態(tài)自組織和敷設(shè)成本低等優(yōu)點被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)融合中的一項關(guān)鍵技術(shù)。作為一個完整的網(wǎng)絡(luò)，無線Mesh網(wǎng)通過多跳中繼技術(shù)，在移動臺和有線網(wǎng)絡(luò)(如Internet)之間轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。無線Mesh網(wǎng)中采用了中繼，不管是固定中繼還是移動中繼，這都為協(xié)作通信技術(shù)的應(yīng)用提供了前提條件。

協(xié)作通信技術(shù)具有高分集增益和高能量效率的優(yōu)點，被認(rèn)為是增強無線通信系統(tǒng)性能的一項重要技術(shù)�；�于無線Mesh網(wǎng)和協(xié)作通信兩項技術(shù)，本文給出無線協(xié)作Mesh網(wǎng)這樣一種新的網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。該架構(gòu)基于無線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過協(xié)作通信進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、提升其性能，能夠有效地提高無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性、有效性、魯棒性以及用戶服務(wù)質(zhì)量，使得有限的無線頻譜和功率資源能發(fā)揮出最大的效用。

1 無線Mesh網(wǎng)的基本原理

無線Mesh網(wǎng)[3]是從Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)分離出來的，承襲了部分WLAN技術(shù)，是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)簡單、方便和可擴展等優(yōu)點。

無線Mesh網(wǎng)作為一種新型的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種高容量、高速率的分布式網(wǎng)絡(luò)，它與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有較大的差別。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，無線Mesh網(wǎng)可以看作是無線版、縮微版的互聯(lián)網(wǎng)，亦可看作是WLAN和Ad Hoc網(wǎng)的融合，且充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢。作為一種可以解決“最后一公里”“瓶頸”問題的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，被寫入了IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16和IEEE 802.20標(biāo)準(zhǔn)中[4]。

無線Mesh技術(shù)的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)WLAN一直存在的可伸縮性差和魯棒性差等諸多問題迎刃而解。它代表了無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的又一大跨越，有著廣闊的應(yīng)用前景[5-7]。一般來講，無線Mesh網(wǎng)由用戶節(jié)點、Mesh路由器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，但是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體配置的不同，不是所有的Mesh網(wǎng)都包含以上所有類型的節(jié)點。Mesh用戶節(jié)點可以是筆記本電腦、PDA、Wi-Fi手機、無線傳感器等。Mesh路由器可以是普通的PC，也可以是專用的嵌入式系統(tǒng)。

在無線Mesh網(wǎng)中，由Mesh路由器互聯(lián)構(gòu)成無線骨干網(wǎng)，其移動性很小，他們提供無線Mesh網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)(如Internet、蜂窩網(wǎng)、基于IEEE 802.11的無線局域網(wǎng)、基于IEEE 802.15的無線個域網(wǎng)、基于IEEE 802.16的無線城域網(wǎng)以及無線傳感網(wǎng))連接的網(wǎng)關(guān)和路由功能。

與傳統(tǒng)的無線路由器相比，無線Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)路由器的功能外，還有額外的路由功能來支持Mesh連網(wǎng)，可以通過無線多跳通信，以低得多的發(fā)射功率獲得同樣的無線覆蓋范圍。Mesh路由器通常具有多個無線接口(基于相同的或不同的無線接入技術(shù)構(gòu)建)，以進(jìn)一步提高M(jìn)esh網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性。

Mesh用戶節(jié)點可分為兩類：一類是普通的WLAN用戶節(jié)點，這類節(jié)點不具有移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)典型意義下的信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，只作為普通終端設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)；另一類節(jié)點既具有普通節(jié)點的接入功能，又具有路由和信息的轉(zhuǎn)發(fā)功能，即兼具了無線路由器的功能。

無線Mesh網(wǎng)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可以分為3類：骨干Mesh結(jié)構(gòu)、用戶Mesh結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)；依據(jù)結(jié)構(gòu)層次的不同又可分為3類：多級結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。下面重點介紹最常用的骨干Mesh結(jié)構(gòu)，它是一種多級結(jié)構(gòu)。骨干Mesh結(jié)構(gòu)是由Mesh路由器組成一個可以自配置和自愈的鏈路來充當(dāng)骨干網(wǎng)，通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能與Internet相連，并為用戶提供接入服務(wù)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，普通用戶和已有的無線網(wǎng)絡(luò)可以通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)或中繼功能接入無線Mesh網(wǎng)。骨干Mesh結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中虛線和實線分別表示無線和有線連接，其中無線連接使用包括IEEE 802.11在內(nèi)的多種無線技術(shù)，具有以太網(wǎng)接口的普通用戶通過以太連接接入Mesh路由器。如果普通用戶具有與Mesh路由器相同的無線技術(shù)，則可以直接建立通信；若所用的無線技術(shù)不同，則用戶需要先接入具有以太網(wǎng)接口的基站再與Mesh路由器相連。

2 協(xié)作通信的基本原理

協(xié)作通信[8]是利用信號的廣播特性，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)信號并在接收端聯(lián)合處理源信號和協(xié)作中繼信號使得接收端獲得空間分集增益的一種無線通信技術(shù)。換言之，它是中繼(即多跳)通信與直接通信并行融合的方案。從信號處理的角度看，它顯然不是單純的多跳通信或中繼通信。協(xié)作通信的中繼節(jié)點(R)既可以是具有轉(zhuǎn)發(fā)功能的移動臺(MS)，也可以是專用的中繼站。

基本的協(xié)作通信模式如圖2(a)所示，首先源節(jié)點移動臺廣播信息至中繼節(jié)點和目的節(jié)點，如基站(BS)；然后中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)接收的信息(可以采用放大轉(zhuǎn)發(fā)或譯碼轉(zhuǎn)發(fā)等協(xié)作通信策略)至目的節(jié)點；目的節(jié)點通過合并兩次接收到的信號聯(lián)合解調(diào)源節(jié)點信息。為了保證源信號和中繼信號的正交性，可以采用頻分復(fù)用或時分復(fù)用模式。

圖2(b)為協(xié)作通信最常見的應(yīng)用形式，可以具體衍生為以下幾類傳輸模型：

協(xié)作多址接入，該模型支持用戶上行鏈路的同時接入�？蛇M(jìn)一步細(xì)分為兩種模式，一是利用額外中繼節(jié)點協(xié)作所有源節(jié)點；二是源節(jié)點相互協(xié)作，沒有額外中繼節(jié)點。

協(xié)作廣播，該模型支持下行鏈路的單播和廣播業(yè)務(wù)。

協(xié)作接收，該模型特別適合點對點傳輸，例如在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，如果中繼節(jié)點距離目的節(jié)點(如無線路由器等)很近，即可采用協(xié)作接收。

協(xié)作發(fā)送，該模型適用于中繼節(jié)點靠近源節(jié)點的情況。

圖2(c)為基于協(xié)作通信的信息交互模式，適用于對等業(yè)務(wù)傳輸。在圖2所有應(yīng)用模型中，中繼節(jié)點既可以是一個，也可以是多個；既可以并行中繼，也可以串行中繼。已有的研究結(jié)果表明，協(xié)作通信具有比單跳通信和多跳通信更顯著的優(yōu)勢。

3 無線協(xié)作Mesh網(wǎng)

本文以無線Mesh網(wǎng)和協(xié)作通信技術(shù)為基礎(chǔ)給出了無線協(xié)作Mesh網(wǎng)這樣一種新的網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)，該架構(gòu)基于無線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過協(xié)作通信進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、提升其性能。該架構(gòu)如圖3所示。首先是由Mesh路由器組成無線Mesh骨干網(wǎng)，然后用戶之間組成無線Mesh用戶網(wǎng)。用戶要得到服務(wù)，先接入無線Mesh骨干網(wǎng)。離Mesh路由器較近的用戶可以直接接入無線Mesh骨干網(wǎng)，而離Mesh路由器較遠(yuǎn)的用戶可以通過多跳接入無線Mesh骨干網(wǎng)。此外，由于協(xié)作通信的引入，用戶之間還可以互相協(xié)作，以獲得更好的性能。下面從4個方面討論無線協(xié)作Mesh網(wǎng)的工作原理。

3.1 傳輸模式選擇

在融合網(wǎng)絡(luò)中，會有多種傳輸模式可供選擇：傳統(tǒng)蜂窩方式、Ad Hoc方式、協(xié)作通信方式等等。因此，當(dāng)這些傳輸模式都能實現(xiàn)用戶的通信需求時，就不可避免地要解決傳輸模式的選擇問題，這當(dāng)中包括業(yè)務(wù)發(fā)起時的模式選擇和業(yè)務(wù)過程中的模式轉(zhuǎn)換兩部分。傳輸模式的不同將直接影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能，因此在選擇傳輸模式時必須綜合考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡程度、業(yè)務(wù)的QoS要求以及用戶的移動特性等各種因素，以達(dá)到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。同時，我們還應(yīng)當(dāng)明確衡量一種傳輸模式選擇機制優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，確定有效的優(yōu)化函數(shù)關(guān)系。

3.2 負(fù)載平衡

負(fù)載平衡問題也是融合網(wǎng)絡(luò)中的一個關(guān)鍵問題。有研究發(fā)現(xiàn)，融合網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點所承擔(dān)中繼轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的多少和該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的位置以及周圍區(qū)域節(jié)點密度有關(guān)。靠近網(wǎng)絡(luò)中心的節(jié)點要比網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點承擔(dān)更多的中繼轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。這就使得處于網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)域的節(jié)點最早消耗完自身的能量，從而造成網(wǎng)絡(luò)中心區(qū)域節(jié)點的密度降低，并增大了這一區(qū)域其他節(jié)點的負(fù)擔(dān)，形成惡性循環(huán)。這種區(qū)域性的節(jié)點密度降低一方面會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)分割，另一方面也會對正在進(jìn)行的業(yè)務(wù)產(chǎn)生影響，造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量降低。所以，負(fù)載平衡問題是融合網(wǎng)絡(luò)中需要重點研究的問題之一。在我們給出的無線協(xié)作Mesh網(wǎng)中，我們對最短路由發(fā)現(xiàn)機制進(jìn)行了改進(jìn)，搜索多條備份路徑而不是只搜索一條最短路徑。業(yè)務(wù)發(fā)起時，由節(jié)點自主地選擇一條鏈路節(jié)點負(fù)載最小的路徑進(jìn)行傳輸；或者由基站根據(jù)全網(wǎng)當(dāng)前的負(fù)載分配和吞吐量從搜索出的路徑中選取一條路徑指配給用戶。

3.3 路由

融合網(wǎng)絡(luò)的路由需求不同于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)和Ad Hoc網(wǎng)，其傳輸模式的多元化以及節(jié)點類型的多樣化使得現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)和Ad Hoc網(wǎng)路由協(xié)議都不能滿足融合網(wǎng)絡(luò)的需要。一方面，融合網(wǎng)絡(luò)中的多種傳輸模式給路由機制帶來了新的要求，而且傳輸模式間的動態(tài)切換也是設(shè)計融合網(wǎng)絡(luò)路由機制必須考慮的因素之一；另一方面，融合網(wǎng)絡(luò)中不僅有預(yù)先敷設(shè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，而且還可能有一些專門設(shè)置的計算能力和存儲能力都更為強大的中繼節(jié)點。這些具備完全或部分“中心”功能的節(jié)點可以獲得一定覆蓋區(qū)域內(nèi)的節(jié)點位置信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔�，從而為路由的計算和路徑的選擇起到一定的輔助作用。所以，設(shè)計融合網(wǎng)絡(luò)路由機制時必須合理地利用這些節(jié)點，將分布式路由和“中心節(jié)點”的輔助相結(jié)合，從而提高全網(wǎng)的性能。

3.4 切換

切換是移動應(yīng)用最直接的支撐技術(shù)。切換包括水平切換和垂直切換兩種，前者指的是同一網(wǎng)絡(luò)中不同小區(qū)(扇區(qū))之間的切換，后者指異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換。影響切換性能有兩個因素：小區(qū)頻譜規(guī)劃和容量規(guī)劃，這兩個因素又與業(yè)務(wù)模型和業(yè)務(wù)分布密切相關(guān)。合理的容量規(guī)劃應(yīng)該以最小化切換阻塞率為優(yōu)化目標(biāo)，同時保證最大的剩余容量。當(dāng)前，移動業(yè)務(wù)模型不僅具有突發(fā)特性，還將具有群發(fā)特性。例如火車、汽車等交通工具行駛過程中產(chǎn)生的群體業(yè)務(wù)切換請求。雖然提高剩余容量可以解決這個問題，但這會浪費網(wǎng)絡(luò)資源也會增加小區(qū)內(nèi)新呼叫接入的阻塞率。利用協(xié)作切換可以很好地解決這個問題。協(xié)作切換的思路簡單地說就是利用協(xié)作通信技術(shù)進(jìn)行負(fù)載平衡。傳統(tǒng)切換決策通常會在接收信號強度和小區(qū)阻塞率兩個參數(shù)之間為難，而在無線協(xié)作Mesh網(wǎng)中，切換的唯一準(zhǔn)則就是接入到業(yè)務(wù)負(fù)荷最輕的臨近小區(qū)，利用協(xié)作多跳的方案確保接入傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

協(xié)作切換可以認(rèn)為是接入點主控和移動端主控兩種方案的折衷，移動端首先發(fā)起切換接入請求，業(yè)務(wù)負(fù)荷最輕的接入端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)計算路由信息并為移動端指定接入路徑(即指定中繼為移動端提供路由)，同時分配相應(yīng)帶寬。另外，針對群發(fā)業(yè)務(wù)，可在交通工具上安置無線路由器作為切換請求代理。

4 結(jié)束語

異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的融合是無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大勢所趨。本文以無線Mesh網(wǎng)和協(xié)作通信技術(shù)為基礎(chǔ)，給出了無線協(xié)作Mesh網(wǎng)這一新的網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)。該架構(gòu)基于無線Mesh網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并通過協(xié)作通信進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、提升其性能。

無線協(xié)作Mesh網(wǎng)能充分發(fā)揮Mesh技術(shù)高頻譜效率、動態(tài)自組織的優(yōu)點和協(xié)作通信高分集增益、高能量效率的優(yōu)點，為無線網(wǎng)絡(luò)融合提供了一種有效的解決方案。

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