IP化基站無線Mesh組網構架

摘要：無線網狀網(WMN)融合了無線局域網(WLAN)和Ad Hoc網絡的性能優(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。為適應下一代移動通信網絡扁平化、簡單化的發(fā)展趨勢，IP化基站的無線Mesh組網架構是可選方案之一。支持IP化基站自組織的關鍵技術包括按需的基站自組織技術、聯(lián)合無線資源調度機制、路由技術、安全技術、網絡管理技術等。

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：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、傳感器網絡、RFID等等。各種無線接入技術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絡�？梢灶A見未來的移動通信系統(tǒng)將不再是單一結構的網絡，而是多種無線網絡的融合。如何突破蜂窩網絡結構的局限性，構建低成本的下一代無線網絡將是實現(xiàn)異構網絡互通與融合的關鍵問題之一。同時無線網狀網(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注。因此WMN這種網絡架構極有可能成為構建下一代移動通信網絡的潛在技術之一。目前它已被業(yè)內普遍認為是無線網絡技術的一個發(fā)展方向。

1 無線Mesh網絡的結構與特點

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網絡主干由呈網狀結構分布的路由器連接而成。WMN有兩種典型的實現(xiàn)模式：基礎設施Mesh模式和終端用戶Mesh模式。在基礎設施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可與其他網絡，如Wi-Fi、WiMAX和傳感器網絡等互聯(lián)，提高網絡自身的兼容性。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絡。終端設備可以在沒有其他基礎設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，快速形成寬帶網絡。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的應用程序；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)結構可以分為3類：一類是骨干網Mesh結構(分級結構)，一類是客戶端Mesh結構(平面結構)，以及它們的混合結構[1-2]。

1.1 無線Mesh網絡結構

骨干網Mesh結構由Mesh路由器組成的可以自配置、自愈的鏈路來充當，通過Mesh路由器的網關功能與因特網相連，為客戶端提供接入服務。骨干網Mesh結構如圖1所示。終端節(jié)點設備通過下層的Mesh路由器(相當于各接入網絡中的中心接入點)接入上層Mesh結構的網絡中，實現(xiàn)網絡節(jié)點的互聯(lián)互通。這樣，通過網關節(jié)點，任何終端都可與其他網絡連接，從而實現(xiàn)無線寬帶接入。這樣不僅降低了系統(tǒng)建設的成本，也提高了網絡的覆蓋率和可靠性。該網絡結構能夠兼容市場上現(xiàn)有的設備，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結構由Mesh客戶端組成，是在用戶設備間提供點到點服務的WMN�？蛻舳私M成一個能提供路由和自配置功能的網絡，支持用戶的終端應用，其結構如圖2所示。網絡中所有的節(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，也具有能夠轉發(fā)業(yè)務的路由器節(jié)點的功能。顯然，網絡中的節(jié)點不能兼容現(xiàn)有的多種無線接入技術，并且其單一的結構決定其不適合大規(guī)模組網。因此只適用于節(jié)點數(shù)目較少且不需要接入到核心網絡的應用場合。

混合結構WMN如圖3所示，Mesh客戶端可以通過Mesh路由器接入骨干Mesh網絡。這種結構提供了與其他網絡的互連功能，如因特網、WLAN、WiMAX、蜂窩和傳感器網絡。同時，客戶端的路由能力增強了網絡的連通性，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的設備，而是增加了具有轉發(fā)和路由功能的Mesh設備，設備間可以直接通信。通常要求終端節(jié)點設備具備同時支持接入上層網絡Mesh路由器和本層網絡對等節(jié)點的功能。

在支持無線網狀拓撲結構的標準中，802.11s[3]采用了樹形多跳網狀網以及Ad Hoc方式多跳網狀網兩種基本結構，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方式多跳網狀網結構中，沒有起集中控制作用的中心節(jié)點，網絡中MP和MAP節(jié)點的地位是平等的，并具有類似于狹義Ad Hoc網絡移動節(jié)點的功能，即節(jié)點可以是數(shù)據(jù)源產生數(shù)據(jù)分組，也可以轉發(fā)來自其他節(jié)點的分組。節(jié)點間所形成的無線P2P網絡，不需要網絡基礎設施的支持。802.16[4]定義了兩種網絡拓撲結構：點對多點(PMP)和網狀網。通過網狀結構以實現(xiàn)網絡的全覆蓋，結構如圖4所示。網狀網絡由稱為Mesh基站(WiMAX基站)的中心節(jié)點控制。中心節(jié)點可以與網狀網絡外的回程設備建立起直接鏈路，作為連接到外網的接口。

1.2 無線Mesh網絡的特點

無線Mesh網絡是多跳與多點到多點結構的融合，具有以下幾個重要特點[5]：

(1)多跳的結構。在不犧牲信道容量的情況下，擴展當前無線網絡的覆蓋范圍是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網絡中的鏈路比較短，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用效率。

(2)支持Ad Hoc組網方式，具備自形成、自愈和自組織能力。WMN靈活的網絡結構、便利的網絡配置、較好的容錯能力和網絡連通性，使得WMN大大提升了現(xiàn)有網絡的性能。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)支持多種網絡接入方式。WMN既支持通過骨干網接入的方式，又支持端到端的通信方式。此外，WMN可與其他網絡集成，為這些網絡的終端用戶提供服務。

(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)有無線網絡兼容，并支持與WiMAX、Wi-Fi和蜂窩網絡等的互操作。

2 IP化基站組網構架

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絡間通信節(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絡的結構具有扁平化、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)接入網絡的構架中已有體現(xiàn)。演進的通用移動通信系統(tǒng)陸地無線接入網(UTRAN)采用了全IP的網絡架構，減少了網絡實體和接口數(shù)目。它包括多個增強節(jié)點(eNB)，取消了之前版本的無線網絡控制(RNC)實體，其功能部分放在了節(jié)點或核心網中，這樣大大簡化了系統(tǒng)結構。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，通過網關可直接接入IP核心網絡。

圖5給出了一種IP化基站的無線Mesh組網架構。該結構采用扁平化的組網方式，基站通過網關可以直接與IP核心網相連。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、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，為終端的接入選擇恰當?shù)穆酚陕窂�，從而極大地提高系統(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關取得與IP核心網的聯(lián)系，同時，也能夠形成IP化基站簇，通過簇首基站與IP核心網連接以實現(xiàn)整個基站簇與核心網的互通，完成不同接入網間的協(xié)同工作。

3 IP化基站無線Mesh組網的關鍵技術

IP化基站無線Mesh組網的關鍵技術[8-11]包括：按需的基站自組織技術、聯(lián)合無線資源調度技術、路由技術、安全技術、網絡管理技術等。

3.1 按需的基站自組織技術

為提高網絡的抗毀性和可靠性、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�；�站將根據(jù)設備狀況、資源及業(yè)務負載，按需進行網絡配置、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，由簇首負責與簇內其他基站的協(xié)調和通信。同時為避免因簇首基站的業(yè)務量過多而出現(xiàn)的擁塞現(xiàn)象，該結構中簇內各基站均可以直接通過網關接入IP核心網中，進行業(yè)務交互。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)務需求以及用戶移動性等問題帶來的復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，相關基站簇的簇頭進行交互和控制；而簇內的切換則由簇內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)務中繼傳輸?shù)狡渌�基站，保證通信系統(tǒng)的有效性和抗毀性。

總之，基站自組織技術不僅能夠實現(xiàn)“網內協(xié)同”高速協(xié)作傳輸?shù)哪芰�，而且也能夠體現(xiàn)出“網間協(xié)同”的思想。同一簇內的基站可以通過簇首與簇內的其他基站通信，也可以根據(jù)業(yè)務量直接通過網關接入IP核心網；不同子網系統(tǒng)的基站簇頭之間可以根據(jù)用戶的業(yè)務需求和傳輸模式進行信息交互和資源調配，支持異構和多模傳輸，適應未來移動通信系統(tǒng)的泛在化趨勢。

3.2 聯(lián)合無線資源調度

在IP化基站的結構下，新的扁平化的組網方式使得原有的集中式的面向傳統(tǒng)蜂窩網絡的資源調度機制變得無能為力，這就使得解決適應于具有扁平性、自組織特性、動態(tài)變化網絡的資源管理與調度技術變得非常迫切。

首先要解決聯(lián)合無線資源調度與基站自組織之間的協(xié)作機制和信令流程，使無線網絡資源能夠達到自主優(yōu)化管理。傳統(tǒng)的集中式資源調度能夠對所管轄范圍內的無線資源進行統(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；分布式資源調度策略具有很高的靈活性，可以根據(jù)網絡的實際部署情況，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化基站結構下，無線資源調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合的資源調度理論與機制，來滿足自組織和他組織組網方式的不同要求。其次，需要具體的面向多目標優(yōu)化的聯(lián)合無線資源調度策略。在設計聯(lián)合無限資源調度策略時，需要考慮如何提高無線頻譜利用率，防止網絡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

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，并且由于網絡規(guī)模的擴大，基站間的路由管理、路由配置會更加復雜，建立路由的開銷也會相應增加。雖然Mesh構架中的基站位置是固定的，相應的路由選擇也近似固定，但是無線環(huán)境、負載的變化，同樣會導致重選最佳路由的處理開銷。

雖然有多種無線Mesh網絡的路由協(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，如何設計專門應用于IP化基站無線Mesh組網的路由協(xié)議，是需要考慮和研究的。

3.4 安全技術

多跳網絡不可避免的問題就是安全問題，并且全網的配置、監(jiān)控、計費等管理也會進一步復雜化。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、拒絕服務攻擊)。雖然蜂窩通信系統(tǒng)具有嚴密的鑒權、認證、接入機制，但網絡由集中變?yōu)榉植际胶�，安全隱患將被進一步放大。在哪些網絡實體上實施安全管理，如何實現(xiàn)網絡監(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組網所面臨的安全挑戰(zhàn)。

3.5 網絡管理

下一代無線移動網絡將是各種無線技術的融合，各類網絡的規(guī)模、復雜性和異構性比以往大大增加，所以在IP化基站Mesh組網的構架中，網絡的復雜性是不可避免的。并且由于無線環(huán)境的復雜性，對網絡的管理提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。由于各類網絡的融合，原有的集中式的面向單一制式、結構相對穩(wěn)定的網絡管理機制將顯現(xiàn)出嚴重的弊端，其相應的分立的網絡管理方法已不能符合發(fā)展的需要。因此需要探討新的、有效的綜合網絡管理體系以實現(xiàn)網絡管理的智能性、可擴展性、靈活性和健壯性，實現(xiàn)端到端的網絡管理和QoS管理。

4 結束語

WMN作為一種融合了無線局域網和Ad Hoc網絡優(yōu)勢的新型無線寬帶接入網絡，成為寬帶無線接入的一種有效手段，可以靈活地應用于多種無線環(huán)境。因其組網的快速靈活性、節(jié)點的分布性等優(yōu)點，可以以少量的基礎設施，構建覆蓋范圍廣的高速無線網絡，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絡中發(fā)揮這種構架的性能優(yōu)勢和潛力，是需要深入研究和探討的。

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