摘要:無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)融合了無線局域網(wǎng)(WLAN)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)勢,具有容量大、速率高、覆蓋范圍廣等特點,成為寬帶無線接入的一種有效手段,可以靈活地應(yīng)用于多種無線環(huán)境。目前,蜂窩移動通信系統(tǒng)中各基站間的有線連接,使得傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)難以滿足部署方便、成本低廉、高可擴展性、高可靠性等指標。為適應(yīng)下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)扁平化、簡單化的發(fā)展趨勢,IP化基站的無線Mesh組網(wǎng)架構(gòu)是可選方案之一。支持IP化基站自組織的關(guān)鍵技術(shù)包括按需的基站自組織技術(shù)、聯(lián)合無線資源調(diào)度機制、路由技術(shù)、安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等。
在移動通信從2G向3G的發(fā)展過程中,涌現(xiàn)出了許多無線技術(shù):如GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、HSDPA/HSUPA、3G的增強系統(tǒng)、802.11a/b/g、802.16、WiMAX、藍牙、超寬帶(UWB)、 DVB-T/H、 Zigbee、傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID等等。各種無線接入技術(shù)為用戶提供了靈活便捷的接入環(huán)境,使用戶體驗到了無處不在的通信網(wǎng)絡(luò)?梢灶A(yù)見未來的移動通信系統(tǒng)將不再是單一結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),而是多種無線網(wǎng)絡(luò)的融合。如何突破蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局限性,構(gòu)建低成本的下一代無線網(wǎng)絡(luò)將是實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互通與融合的關(guān)鍵問題之一。同時無線網(wǎng)狀網(wǎng)(WMN)因其所具有的寬帶性、無線匯聚功能、自組織、自管理、魯棒性等獨特的性能,正受到越來越多的關(guān)注。因此WMN這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)極有可能成為構(gòu)建下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的潛在技術(shù)之一。目前它已被業(yè)內(nèi)普遍認為是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個發(fā)展方向。
1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特點
在無線Mesh中包括兩種類型的節(jié)點:無線Mesh路由器和無線Mesh終端用戶。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)主干由呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布的路由器連接而成。WMN有兩種典型的實現(xiàn)模式:基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式和終端用戶Mesh模式。在基礎(chǔ)設(shè)施Mesh模式中,Internet的接入點(IAP)和終端用戶之間可形成無線的閉合回路。IAP通過路由選擇及管理控制等功能,為移動終端選擇通信的最佳路徑。同時,移動終端通過IAP可與其他網(wǎng)絡(luò),如Wi-Fi、WiMAX和傳感器網(wǎng)絡(luò)等互聯(lián),提高網(wǎng)絡(luò)自身的兼容性。在終端用戶Mesh模式中,終端用戶以無線方式形成點到點的網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備可以在沒有其他基礎(chǔ)設(shè)施的條件下獨立運行,并且可以支持移動終端較高速地移動,快速形成寬帶網(wǎng)絡(luò)。終端用戶具有主機和路由器的雙重角色:一方面,節(jié)點作為主機運行相關(guān)的應(yīng)用程序;另一方面,節(jié)點作為路由器運行路由協(xié)議,參與路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等操作。根據(jù)Mesh路由器和Mesh客戶端這兩種類型節(jié)點功能的不同,WMN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為3類:一類是骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)(分級結(jié)構(gòu)),一類是客戶端Mesh結(jié)構(gòu)(平面結(jié)構(gòu)),以及它們的混合結(jié)構(gòu)[1-2]。
1.1 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh路由器組成的可以自配置、自愈的鏈路來充當,通過Mesh路由器的網(wǎng)關(guān)功能與因特網(wǎng)相連,為客戶端提供接入服務(wù)。骨干網(wǎng)Mesh結(jié)構(gòu)如圖1所示。終端節(jié)點設(shè)備通過下層的Mesh路由器(相當于各接入網(wǎng)絡(luò)中的中心接入點)接入上層Mesh結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互聯(lián)互通。這樣,通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點,任何終端都可與其他網(wǎng)絡(luò)連接,從而實現(xiàn)無線寬帶接入。這樣不僅降低了系統(tǒng)建設(shè)的成本,也提高了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和可靠性。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠兼容市場上現(xiàn)有的設(shè)備,但任意兩個終端節(jié)點間不具備直接通信的功能。
客戶端Mesh結(jié)構(gòu)由Mesh客戶端組成,是在用戶設(shè)備間提供點到點服務(wù)的WMN?蛻舳私M成一個能提供路由和自配置功能的網(wǎng)絡(luò),支持用戶的終端應(yīng)用,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點是對等的,具有完全一致的特性,即每個節(jié)點都包含相同的媒體訪問控制(MAC)、路由、管理和安全等協(xié)議,這些節(jié)點不僅具有客戶端節(jié)點的功能,也具有能夠轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)的路由器節(jié)點的功能。顯然,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點不能兼容現(xiàn)有的多種無線接入技術(shù),并且其單一的結(jié)構(gòu)決定其不適合大規(guī)模組網(wǎng)。因此只適用于節(jié)點數(shù)目較少且不需要接入到核心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合。
混合結(jié)構(gòu)WMN如圖3所示,Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網(wǎng)絡(luò)。這種結(jié)構(gòu)提供了與其他網(wǎng)絡(luò)的互連功能,如因特網(wǎng)、WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時,客戶端的路由能力增強了網(wǎng)絡(luò)的連通性,擴大了覆蓋范圍。這時的終端節(jié)點已不是現(xiàn)有的僅支持單一無線接入技術(shù)的設(shè)備,而是增加了具有轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能的Mesh設(shè)備,設(shè)備間可以直接通信。通常要求終端節(jié)點設(shè)備具備同時支持接入上層網(wǎng)絡(luò)Mesh路由器和本層網(wǎng)絡(luò)對等節(jié)點的功能。
在支持無線網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的標準中,802.11s[3]采用了樹形多跳網(wǎng)狀網(wǎng)以及Ad Hoc方式多跳網(wǎng)狀網(wǎng)兩種基本結(jié)構(gòu),并定義了Mesh節(jié)點(MP)、Mesh接入點(MAP)、傳統(tǒng)WLAN站點3種節(jié)點。在Ad Hoc方式多跳網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,沒有起集中控制作用的中心節(jié)點,網(wǎng)絡(luò)中MP和MAP節(jié)點的地位是平等的,并具有類似于狹義Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點的功能,即節(jié)點可以是數(shù)據(jù)源產(chǎn)生數(shù)據(jù)分組,也可以轉(zhuǎn)發(fā)來自其他節(jié)點的分組。節(jié)點間所形成的無線P2P網(wǎng)絡(luò),不需要網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。802.16[4]定義了兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu):點對多點(PMP)和網(wǎng)狀網(wǎng)。通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋,結(jié)構(gòu)如圖4所示。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由稱為Mesh基站(WiMAX基站)的中心節(jié)點控制。中心節(jié)點可以與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)外的回程設(shè)備建立起直接鏈路,作為連接到外網(wǎng)的接口。
1.2 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點
無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是多跳與多點到多點結(jié)構(gòu)的融合,具有以下幾個重要特點[5]:
(1)多跳的結(jié)構(gòu)。在不犧牲信道容量的情況下,擴展當前無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是WMN的最重要的目標之一。WMN的另一個目標是為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。Mesh網(wǎng)絡(luò)中的鏈路比較短,所受干擾較小,因此可以提供較高的吞吐量和較高的頻譜復(fù)用效率。
(2)支持Ad Hoc組網(wǎng)方式,具備自形成、自愈和自組織能力。WMN靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、便利的網(wǎng)絡(luò)配置、較好的容錯能力和網(wǎng)絡(luò)連通性,使得WMN大大提升了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能。在較低的前期投資下,WMN可以根據(jù)需要逐步擴展。
(3)移動特性隨Mesh節(jié)點類型的不同而不同。Mesh路由器通常具有較小范圍的移動性,而Mesh客戶端既可以是靜止不動的節(jié)點,也可以是移動的節(jié)點。
(4)支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式。WMN既支持通過骨干網(wǎng)接入的方式,又支持端到端的通信方式。此外,WMN可與其他網(wǎng)絡(luò)集成,為這些網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供服務(wù)。
(5)對功耗的限制取決于Mesh節(jié)點的類型。Mesh路由器通常沒有嚴格的功耗限制,但Mesh客戶端需要有效的節(jié)能機制。
(6)與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)兼容,并支持與WiMAX、Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等的互操作。
2 IP化基站組網(wǎng)構(gòu)架
目前蜂窩移動通信系統(tǒng)中各基站間有線連接的限制以及基站與其他外部網(wǎng)絡(luò)間通信節(jié)點過多的制約,使得傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)難以滿足部署方便、成本低廉、高可擴展性、高可靠性等指標要求[6]。而下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)具有扁平化、簡單化的趨勢,鏈路上的節(jié)點數(shù)將繼續(xù)減少,但各節(jié)點的功能將進一步增強。這在長期演進(LTE)接入網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架中已有體現(xiàn)。演進的通用移動通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(UTRAN)采用了全IP的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),減少了網(wǎng)絡(luò)實體和接口數(shù)目。它包括多個增強節(jié)點(eNB),取消了之前版本的無線網(wǎng)絡(luò)控制(RNC)實體,其功能部分放在了節(jié)點或核心網(wǎng)中,這樣大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。功能加強的eNB通過X2接口互相連接,相互進行數(shù)據(jù)和信令交互。從而降低了信令交換時延,提高了系統(tǒng)效率[7]。進一步,未來的基站有可能是通過無線相連接,一方面具有傳統(tǒng)基站的功能,為終端提供無線接入、無線資源管理等功能;另一方面,基站又具備無線路由器的功能,通過網(wǎng)關(guān)可直接接入IP核心網(wǎng)絡(luò)。
圖5給出了一種IP化基站的無線Mesh組網(wǎng)架構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用扁平化的組網(wǎng)方式,基站通過網(wǎng)關(guān)可以直接與IP核心網(wǎng)相連。圖5中的IP化基站除了具有傳統(tǒng)基站的功能外,還新增加了Mesh路由實體,從而使得基站間的通信擺脫有線連接的限制,極大地方便了基站間的自組織,使得多基站間的資源能統(tǒng)一協(xié)調(diào)、管理及分配,能夠優(yōu)化系統(tǒng)全局性能;此外,該路由實體可以根據(jù)負載平衡的路由技術(shù),為終端的接入選擇恰當?shù)穆酚陕窂剑瑥亩鴺O大地提高系統(tǒng)容量,降低系統(tǒng)成本。從圖中可以看出,IP化基站能夠直接連接到網(wǎng)關(guān)取得與IP核心網(wǎng)的聯(lián)系,同時,也能夠形成IP化基站簇,通過簇首基站與IP核心網(wǎng)連接以實現(xiàn)整個基站簇與核心網(wǎng)的互通,完成不同接入網(wǎng)間的協(xié)同工作。
3 IP化基站無線Mesh組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)
IP化基站無線Mesh組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)[8-11]包括:按需的基站自組織技術(shù)、聯(lián)合無線資源調(diào)度技術(shù)、路由技術(shù)、安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)等。
3.1 按需的基站自組織技術(shù)
為提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和可靠性、資源利用的高效性,需要研究基站間自組織策略,包括基站之間的發(fā)現(xiàn)機制、協(xié)商機制;緦⒏鶕(jù)設(shè)備狀況、資源及業(yè)務(wù)負載,按需進行網(wǎng)絡(luò)配置、資源分配和管理。
在基站自組織策略中,可以引入基站簇的概念,由簇首負責(zé)與簇內(nèi)其他基站的協(xié)調(diào)和通信。同時為避免因簇首基站的業(yè)務(wù)量過多而出現(xiàn)的擁塞現(xiàn)象,該結(jié)構(gòu)中簇內(nèi)各基站均可以直接通過網(wǎng)關(guān)接入IP核心網(wǎng)中,進行業(yè)務(wù)交互。這樣既避免了簇首基站的“瓶頸”問題,又滿足了未來通信多用戶、多業(yè)務(wù)需求以及用戶移動性等問題帶來的復(fù)雜的無線資源管理問題,使系統(tǒng)達到負載平衡。
根據(jù)移動終端的移動和負載情況,基站簇的大小及簇頭可以動態(tài)改變。當移動終端進行跨簇切換時,相關(guān)基站簇的簇頭進行交互和控制;而簇內(nèi)的切換則由簇內(nèi)各基站通過信令交互完成切換控制;并且當本小區(qū)的基站損壞時,無線路由器可以將原來流向該基站的業(yè)務(wù)中繼傳輸?shù)狡渌,保證通信系統(tǒng)的有效性和抗毀性。
總之,基站自組織技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)“網(wǎng)內(nèi)協(xié)同”高速協(xié)作傳輸?shù)哪芰,而且也能夠體現(xiàn)出“網(wǎng)間協(xié)同”的思想。同一簇內(nèi)的基站可以通過簇首與簇內(nèi)的其他基站通信,也可以根據(jù)業(yè)務(wù)量直接通過網(wǎng)關(guān)接入IP核心網(wǎng);不同子網(wǎng)系統(tǒng)的基站簇頭之間可以根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求和傳輸模式進行信息交互和資源調(diào)配,支持異構(gòu)和多模傳輸,適應(yīng)未來移動通信系統(tǒng)的泛在化趨勢。
3.2 聯(lián)合無線資源調(diào)度
在IP化基站的結(jié)構(gòu)下,新的扁平化的組網(wǎng)方式使得原有的集中式的面向傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度機制變得無能為力,這就使得解決適應(yīng)于具有扁平性、自組織特性、動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)的資源管理與調(diào)度技術(shù)變得非常迫切。
首先要解決聯(lián)合無線資源調(diào)度與基站自組織之間的協(xié)作機制和信令流程,使無線網(wǎng)絡(luò)資源能夠達到自主優(yōu)化管理。傳統(tǒng)的集中式資源調(diào)度能夠?qū)λ茌牱秶鷥?nèi)的無線資源進行統(tǒng)一的管理,較容易達到全局資源最優(yōu)使用和最大化系統(tǒng)容量的目標,但是其缺乏靈活性;分布式資源調(diào)度策略具有很高的靈活性,可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際部署情況,擴展分布式管理節(jié)點,但是由于其不具備集中管理實體,所以不能對所管理的實體進行統(tǒng)一調(diào)整,并針對某些目標進行統(tǒng)一計算,從而較難獲得系統(tǒng)全局最優(yōu)方案。在IP化基站結(jié)構(gòu)下,無線資源調(diào)度需要考慮基站間自組織策略,通過具體的基站自組織部署場景,采用分布式與集中式相結(jié)合的資源調(diào)度理論與機制,來滿足自組織和他組織組網(wǎng)方式的不同要求。其次,需要具體的面向多目標優(yōu)化的聯(lián)合無線資源調(diào)度策略。在設(shè)計聯(lián)合無限資源調(diào)度策略時,需要考慮如何提高無線頻譜利用率,防止網(wǎng)絡(luò)擁塞和減小信令負荷等多方面因素,從而實現(xiàn)無線資源的優(yōu)化使用和達到系統(tǒng)容量最大化的目標。
3.3 路由技術(shù)
由于基站是通過無線相連接的,所以基站作為無線路由器時同樣存在路由問題,并且由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大,基站間的路由管理、路由配置會更加復(fù)雜,建立路由的開銷也會相應(yīng)增加。雖然Mesh構(gòu)架中的基站位置是固定的,相應(yīng)的路由選擇也近似固定,但是無線環(huán)境、負載的變化,同樣會導(dǎo)致重選最佳路由的處理開銷。
雖然有多種無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議,如單一判據(jù)路由協(xié)議、多信道路由協(xié)議、多徑路由協(xié)議、分級路由協(xié)議、跨層路由協(xié)議、QoS路由、基于地理位置信息的路由等。但這些路由方案對于IP化的基站是否合適,存在什么問題,如何設(shè)計專門應(yīng)用于IP化基站無線Mesh組網(wǎng)的路由協(xié)議,是需要考慮和研究的。
3.4 安全技術(shù)
多跳網(wǎng)絡(luò)不可避免的問題就是安全問題,并且全網(wǎng)的配置、監(jiān)控、計費等管理也會進一步復(fù)雜化。眾所周知,無線通信很容易受到被動攻擊(如竊聽),以及主動攻擊(如信息篡改、拒絕服務(wù)攻擊)。雖然蜂窩通信系統(tǒng)具有嚴密的鑒權(quán)、認證、接入機制,但網(wǎng)絡(luò)由集中變?yōu)榉植际胶,安全隱患將被進一步放大。在哪些網(wǎng)絡(luò)實體上實施安全管理,如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和入侵檢測,如何避免路由器中的信息被修改,如何保證空中接口的安全,如何保證授權(quán)的安全、保證身份驗證、信息加密、數(shù)據(jù)完整性校驗和數(shù)字簽名等都是IP化基站Mesh組網(wǎng)所面臨的安全挑戰(zhàn)。
3.5 網(wǎng)絡(luò)管理
下一代無線移動網(wǎng)絡(luò)將是各種無線技術(shù)的融合,各類網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、復(fù)雜性和異構(gòu)性比以往大大增加,所以在IP化基站Mesh組網(wǎng)的構(gòu)架中,網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性是不可避免的。并且由于無線環(huán)境的復(fù)雜性,對網(wǎng)絡(luò)的管理提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。由于各類網(wǎng)絡(luò)的融合,原有的集中式的面向單一制式、結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)管理機制將顯現(xiàn)出嚴重的弊端,其相應(yīng)的分立的網(wǎng)絡(luò)管理方法已不能符合發(fā)展的需要。因此需要探討新的、有效的綜合網(wǎng)絡(luò)管理體系以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的智能性、可擴展性、靈活性和健壯性,實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)管理和QoS管理。
4 結(jié)束語
WMN作為一種融合了無線局域網(wǎng)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢的新型無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò),成為寬帶無線接入的一種有效手段,可以靈活地應(yīng)用于多種無線環(huán)境。因其組網(wǎng)的快速靈活性、節(jié)點的分布性等優(yōu)點,可以以少量的基礎(chǔ)設(shè)施,構(gòu)建覆蓋范圍廣的高速無線網(wǎng)絡(luò),并且具有成本低,升級方便等特點。如何在下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮這種構(gòu)架的性能優(yōu)勢和潛力,是需要深入研究和探討的。
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