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隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類社會(huì)已經(jīng)從工業(yè)社會(huì)進(jìn)入信息社會(huì)，信息社會(huì)對(duì)人們的生活產(chǎn)生了巨大的影響，它改變著我們的行為、思維方式，20世紀(jì)80年代初美國學(xué)者托夫勒在其著作《第三次浪潮》中就預(yù)言信息社會(huì)中人們的生活中心將從工業(yè)社會(huì)的以社會(huì)為核心回歸以家庭和個(gè)人為核心[1]，從通信領(lǐng)域來看，數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)將成為熱點(diǎn)，在信息社會(huì)中具有重要的地位。
數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是為了滿足用戶的某些需求而組建的，為用戶提供一定業(yè)務(wù)與應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。用戶的需求可以是有限范圍內(nèi)多個(gè)設(shè)備之間的信息流通，也可以是有限范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備與公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息流通，甚至可以是有限范圍內(nèi)的所有設(shè)備之間以及這些設(shè)備與公共網(wǎng)絡(luò)之間的信息流通。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)可以基于無線也可以基于有線架構(gòu)，需要注意的是，寬帶無線接入在全球不斷升溫，近幾年來中國的寬帶無線用戶數(shù)增長勢頭也十分強(qiáng)勁。作為寬帶無線接入的研究重點(diǎn)，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)擁有廣闊的市場空間。據(jù)In-Stat/MDR公司預(yù)測，家庭網(wǎng)絡(luò)市場將于2007年增長至53億美元，在
這個(gè)市場內(nèi)，家庭多媒體無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將占據(jù)大約49%的份額，即26億美元[2]。
數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)采用無線接入方式有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著家用電氣、移動(dòng)設(shè)備和電腦設(shè)備技術(shù)不斷更新和提高，三者之間的無縫交互，消費(fèi)者在家電、移動(dòng)設(shè)備和電腦設(shè)備上獲取、查看和管理越來越多的數(shù)字媒體內(nèi)容，在家中不同的地方通過不同的設(shè)備輕松便捷地欣賞媒體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)化已成為發(fā)展的趨勢。無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)具有短程特性，更關(guān)注最后10 m的接入，它將以超寬帶(UWB)作為高速短程無線通信技術(shù)的核心，這樣能夠保證家庭環(huán)境下的消費(fèi)電子、辦公設(shè)備、計(jì)算機(jī)周邊設(shè)備和移動(dòng)通信終端等通信速度。但是，只是具有鏈路間的高速傳輸速度，無法保證能夠組建一個(gè)高速的無線數(shù)據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)，必須定義其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和媒體介入層的相關(guān)協(xié)議。
1 無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)研究和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀
從無線空中接口來看，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)屬于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的接入子網(wǎng)，從其無線通信的距離來看，屬于短程無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)的技術(shù)范疇。對(duì)于短程無線個(gè)域網(wǎng)來說，目前主要側(cè)重使用超寬帶(UWB)技術(shù)來提供短程的高速信息傳輸，也可以用來提供測距和定位等功能。超寬帶技術(shù)相對(duì)于擴(kuò)頻通信等傳統(tǒng)窄帶和寬帶通信方式而言是一種全新的通信方式，從信號(hào)的產(chǎn)生角度看，超寬帶技術(shù)可以不采用正弦波將基帶信號(hào)調(diào)制到信道上，而采用基帶信號(hào)直接激勵(lì)天線發(fā)射超短時(shí)寬的沖激脈沖，以時(shí)域窄脈沖作為信息載體。目前，UWB主要有兩種通信技術(shù)，一種為基于窄脈沖的超寬帶技術(shù)，主要由Motorola等公司倡導(dǎo)；另一種為類似于正交頻分技術(shù)的脈沖化多波超寬帶技術(shù)，主要由Intel公司倡導(dǎo)。但這兩種超寬帶通信技術(shù)中國并不具有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，而且其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用還沒有成熟，相反，沖激脈沖型的UWB技術(shù)中國具有一定的知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢，并且就沖激脈沖型UWB技術(shù)本身而言，具有數(shù)據(jù)傳輸率高，定位精確等特點(diǎn)，能支撐更多的業(yè)務(wù)類型。超寬帶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要在IEEE 802.15工作組進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)，一個(gè)是極短程、極高數(shù)據(jù)率的802.15.3a協(xié)議，另一個(gè)是較長距離、低數(shù)據(jù)率的802.15.4a協(xié)議。
藍(lán)牙技術(shù)是另一種目前使用較廣泛的無線通信方式，是一種實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無線接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，使各種設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。其標(biāo)準(zhǔn)工作主要由藍(lán)牙特別興趣組(Bluetooth SIG)完成，傳輸頻段為全球公眾通用的2.4 GHz免許可證頻段(ISM)，提供1 Mb/s的傳輸速率和10 m的傳輸距離。
還有一種主要的短程無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)是Zigbee技術(shù)。Zigbee是一種新興的短程、低功率、低速率無線接入技術(shù)。它工作于無需注冊(cè)的2.4 GHz ISM頻段，傳輸速率為10～250 kb/s，傳輸距離為10～75 m。它看起來更接近于藍(lán)牙，但比藍(lán)牙更為簡單，具有更低的傳輸速率和功率消耗，且大多數(shù)時(shí)間處于睡眠模式，更加適用于那些不需要實(shí)時(shí)傳輸或連續(xù)更新的場合，如工業(yè)控制領(lǐng)域和傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee的主要支持者聯(lián)合起來成立了Zigbee聯(lián)盟，共同推進(jìn)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，該聯(lián)盟目前已有70個(gè)成員。該聯(lián)盟7個(gè)最初的發(fā)起企業(yè)是：Emer、Honeywell、Invensys、三菱、摩托羅拉、三星和飛利浦。Zigbee是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展集，802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制訂物理層及媒體訪問控制(MAC)層的協(xié)議，Zigbee定義了應(yīng)用層和安全方面的規(guī)范，使得來自不同廠商的設(shè)備可以相互對(duì)話。
其他具有發(fā)展?jié)摿Φ亩坛虩o線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)包括：短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。這些技術(shù)或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊需要，或著眼于功能的擴(kuò)充性，或符合某些單一應(yīng)用場景的要求，或滿足競爭技術(shù)的差異化等。表1給出了3種主要短程無線通信技術(shù)的特性。
目前，支持短程無線個(gè)域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)主要是IEEE 802.15系列，它是為特定的無線短程無線通信網(wǎng)絡(luò)，即無線個(gè)域網(wǎng)，所量身定制的標(biāo)準(zhǔn)，雖然目前該標(biāo)準(zhǔn)還沒有成熟。1998年IEEE 802.15工作組成立，主要致力于研究個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化問題。根據(jù)數(shù)據(jù)速率、功耗以及對(duì)服務(wù)質(zhì)量(QoS)的要求的不同，IEEE 802.15工作組定義了3種不同類型的無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)，它們分別是傳輸速率高于20 Mb/s的高速無線個(gè)域網(wǎng)(HR-WPAN)、傳輸速率1 Mb/s的中速無線個(gè)域網(wǎng)(MR-WPAN)和傳輸速率比較低的低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)。IEEE 802.15工作組還成立了專門的任務(wù)組分別對(duì)他們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。IEEE 802.15.1是IEEE提出的第一個(gè)取代有線連接的無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)，屬于中速短程無線通信網(wǎng)絡(luò)。IEEE 802.15.2于1999年成立，主要目標(biāo)是為IEEE 802.15無線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)發(fā)展推薦應(yīng)用。它可以與基于開放頻率波段的其他無線設(shè)備(如IEEE 802.11設(shè)備)共存。為其他802.15標(biāo)準(zhǔn)提出修改意見以提高與其他在開放頻率波段工作的無線設(shè)備的共存性能。IEEE 802.15.3的目標(biāo)在于得到更高的數(shù)據(jù)傳輸率，取得低成本和低電能消耗，同時(shí)還與藍(lán)牙兼容，為低功率、低成本的短程通信制訂高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)。此外，工作組3a(TG3a)進(jìn)行IEEE 802.15.3超高速WPAN物理層可選標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，用以替代高速WPAN的物理層，超寬帶(UWB)技術(shù)目前為其主要考慮的技術(shù)。對(duì)于一些只需要簡單的無線連接的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求不高，對(duì)功耗的要求則更為嚴(yán)格，如工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò)，IEEE 802.15.4工作組由此應(yīng)運(yùn)而生。工作組研究定位于低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用設(shè)備，為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供綜合的網(wǎng)絡(luò)解決方案。工作組4(TG4)主要負(fù)責(zé)制訂物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。
需要注意的是，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興的無線應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)滿足家用市場需求的無線技術(shù)尚在不斷的探尋之中。目前，中國的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)已經(jīng)正式開始對(duì)基于電信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作，包括家庭網(wǎng)絡(luò)支持的電信類業(yè)務(wù)、家庭網(wǎng)絡(luò)的參考模型、家庭網(wǎng)絡(luò)功能要求、家庭網(wǎng)絡(luò)的媒體格式、家庭網(wǎng)絡(luò)的編號(hào)及地址、家庭網(wǎng)絡(luò)的性能設(shè)備的電磁兼容(EMC)要求、家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備環(huán)保要求等，但無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作還沒有啟動(dòng)。
2 無線數(shù)字家庭接入技術(shù)
2006年2月，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)批準(zhǔn)了《基于電信網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)總體技術(shù)要求》和《基于電信網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備技術(shù)要求??家庭網(wǎng)關(guān)》兩項(xiàng)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿。在這兩份報(bào)批稿中，對(duì)基于電信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)定義，闡述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的功能，并就其支撐的業(yè)務(wù)進(jìn)行了探討。在標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，對(duì)于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)來說，其接入方式可以是無線的也可以是有線的[3]。從未來通信技術(shù)的發(fā)展來看，無線寬帶接入是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向。由于目前的標(biāo)準(zhǔn)還沒有討論無線接入技術(shù)，下面提出一種適合數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的無線泛在異構(gòu)接入架構(gòu)，并闡述其中的關(guān)鍵技術(shù)。
對(duì)于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的無線接入承載環(huán)境，這里稱為微微網(wǎng)。圖1所示的無線終端可以是單�；蚨嗄９�(jié)點(diǎn)，支持單一或多種不同無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)物理層接入模式。其中同構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)的無線終端接入所在微微網(wǎng)內(nèi)的專用接入點(diǎn)，網(wǎng)內(nèi)通信可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或采用專用接入點(diǎn)中繼的方式；而異構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)的無線終端接入所在微微網(wǎng)內(nèi)的通用接入點(diǎn)。網(wǎng)內(nèi)同構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的通信可以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或采用通用接入點(diǎn)中繼的方式，網(wǎng)內(nèi)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)之間的通信由通用接入點(diǎn)提供中繼。
專用接入點(diǎn)具備同構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)控制功能，通用接入點(diǎn)具備異構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)分布式通信功能，無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)間可以通過有線或無線的方式進(jìn)行異構(gòu)互連和協(xié)同應(yīng)用。專用/通用接入點(diǎn)均可自適應(yīng)地處理時(shí)域、頻域、碼域、空域信號(hào)，精細(xì)調(diào)度頻譜資源，同時(shí)提供對(duì)外以有線或無線的方式高速接入分組核心網(wǎng)的服務(wù)，從而與未來移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)(B3G/4G)互為支撐，統(tǒng)一享有通用IP多媒體子系統(tǒng)(GIMS)的服務(wù)。
GIMS能夠通過采用IP多媒體應(yīng)用為任何狀態(tài)的用戶提供語音和數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，支持與現(xiàn)有的固定/移動(dòng)語音和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(如PSTN、Internet)等進(jìn)行互通，從而形成全I(xiàn)P多媒體核心網(wǎng)。為了滿足不同業(yè)務(wù)和外部接口的需要，GIMS由以下幾個(gè)功能模塊組成：歸屬用戶服務(wù)器(HSS)、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF)、多媒體資源功能代理(MRFP)、媒體網(wǎng)關(guān)功能(MGF)、安全功能模塊、QoS功能模塊、會(huì)話啟動(dòng)協(xié)議(SIP)服務(wù)器等。
基于該整體網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)支撐的業(yè)務(wù)和服務(wù)、終端節(jié)點(diǎn)物理層技術(shù)以及通信需求不同，可能的應(yīng)用場景包括：
(1)同構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)通信
此時(shí)專用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)其所在微微網(wǎng)內(nèi)與各終端節(jié)點(diǎn)間信令信息的控制，并根據(jù)物理層技術(shù)的不同支持，保證兩個(gè)同模終端節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信或由專用接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼傳輸。
(2)異構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)通信
異構(gòu)微微網(wǎng)內(nèi)通信時(shí)通用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)其所在微微網(wǎng)內(nèi)與各終端節(jié)點(diǎn)間信令信息的控制，并根據(jù)物理層技術(shù)的不同支持，保證兩個(gè)同模終端節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信或由通用接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼傳輸，以及兩個(gè)異模終端節(jié)點(diǎn)由通用接入點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼傳輸。
(3)同構(gòu)微微網(wǎng)間通信
此時(shí)專用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)跨微微網(wǎng)的同構(gòu)終端節(jié)點(diǎn)間通信，其功能包括無線網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)路由、資源分配和調(diào)度，以及分布式功控等。
(4)異構(gòu)微微網(wǎng)間通信
此時(shí)通用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)不同接入模式的終端節(jié)點(diǎn)在異構(gòu)微微網(wǎng)間的通信，可以采用無線或有線的方式。
無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)及分布式控制機(jī)制將會(huì)為用戶提供一個(gè)通用的業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，滿足用戶隨時(shí)隨地的不同需要的多元化業(yè)務(wù)需求。無線移動(dòng)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合將使得不同形態(tài)不同組織結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，這種協(xié)同式的服務(wù)并非簡單的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，而是通過不同網(wǎng)絡(luò)的差異和互補(bǔ)性來實(shí)現(xiàn)資源的有效整合，使其充分發(fā)揮局部優(yōu)勢，為用戶提供無處不在的人性化的服務(wù)。從協(xié)議棧的角度看，異構(gòu)泛在無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的整體協(xié)議框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。
網(wǎng)絡(luò)層基于異構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，使用分布式Mesh路由機(jī)制。這種技術(shù)比起傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信技術(shù)具有諸如節(jié)能、自配置、自愈性和易擴(kuò)容等很多優(yōu)勢。
數(shù)據(jù)鏈路層之上使用通用鏈路層，它的主要作用包括：
(1)作為多種接入技術(shù)匯聚子層，對(duì)上層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽下層多種接入環(huán)境。
(2)控制和補(bǔ)充各種接入技術(shù)的MAC層功能，即盡可能地有效利用多系統(tǒng)無線資源管理分配的無線資源。
控制部分使用多系統(tǒng)間的分布式無線資源管理，有效利用無線資源，保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的多種業(yè)務(wù)的QoS。同時(shí)考慮功率控制、網(wǎng)絡(luò)安全信息等的管理。在這種異構(gòu)無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，需要采用一些關(guān)鍵技術(shù)，比如感知無線電技術(shù)、無線Mesh技術(shù)等等。
2.1 感知無線電
感知無線電(CR)技術(shù)是軟件無線電技術(shù)的演化，是一種新的智能無線通信技術(shù)，它具有智能性，能夠使無線設(shè)備及其天線感知其所處的射頻(RF)環(huán)境，并在必要時(shí)調(diào)節(jié)所使用的頻帶以避免發(fā)生干涉，從而指導(dǎo)軟件定義無線電(SDR)選擇正確的執(zhí)行方式和參數(shù)。
感知無線電的基本原理在于傳輸信號(hào)時(shí)，首先要分析無線傳輸場景。在無線場景下發(fā)送端產(chǎn)生的激勵(lì)一般都是非穩(wěn)態(tài)的空時(shí)信號(hào)，過程主要由空時(shí)處理完成。在接收端，通過判斷不同頻段下的干擾大小，檢測干擾小的可用頻段，并且做出對(duì)一些傳輸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的判決。接收端所有的這些信息然后反饋到發(fā)送端，用于控制發(fā)信信號(hào)的功率和占用的頻譜等。另外，對(duì)于時(shí)分復(fù)用模式，考慮到無線信道的互易性，可以應(yīng)用自適應(yīng)天線波束形成技術(shù)進(jìn)行干擾抑制。
在無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，由于物理層一般可使用UWB設(shè)備，它具有占用寬帶寬的特色，通過使用感知無線電技術(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻譜分配，調(diào)整射頻端的發(fā)射功率，從而避免強(qiáng)的干擾，提高泛在網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。
2.2 無線網(wǎng)狀網(wǎng)
對(duì)于無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)來說，各種終端將組成一個(gè)分布式無線網(wǎng)絡(luò)。在目前的分布式網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有望給無線寬帶領(lǐng)域帶來重大變革。在無線Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只和鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，因此是一種自組織和自管理的網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)更像是Internet本身的一種無線版本，分組數(shù)據(jù)從一個(gè)路由到另一個(gè)路由進(jìn)行傳遞直至到達(dá)其目的地。這些特點(diǎn)使無線Mesh網(wǎng)絡(luò)比起傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信網(wǎng)具有諸如節(jié)能、自動(dòng)配置和易擴(kuò)容等優(yōu)勢，很多公司如諾基亞公司、北電公司等開始將無線Mesh技術(shù)用于寬帶網(wǎng)絡(luò)接入(相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.11n)，并且相關(guān)的無線路由器等產(chǎn)品也已開始商用[4]。
目前，無線Mesh仍處于關(guān)鍵技術(shù)研究與初步應(yīng)用階段，在IEEE 802各無線接入標(biāo)準(zhǔn)化組織中都有涉及，IEEE 802.15已成立了無線個(gè)域網(wǎng)Mesh工作組(TG5 WPAN Mesh Networking)。無線Mesh技術(shù)應(yīng)用于基于UWB、藍(lán)牙或其他接入技術(shù)的異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)互通，其潛在優(yōu)勢和可能取得的技術(shù)性突破包括：
通過中繼拓展無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。
可用帶寬隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而增加，從而提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量。
初期建設(shè)費(fèi)用低，無需復(fù)雜中繼基礎(chǔ)設(shè)施的安裝。
網(wǎng)絡(luò)具有可伸縮性，易擴(kuò)容。
分布式自配置、自組織。
多路由選擇，增強(qiáng)系統(tǒng)柔韌性和自愈能力。
2.3 通用接入點(diǎn)鏈路轉(zhuǎn)換機(jī)制
在異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)中，通用接入點(diǎn)負(fù)責(zé)不同模式的無線家庭網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳遞與轉(zhuǎn)發(fā)，因而通用接入點(diǎn)需要具備與不同無線家庭網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的功能，同時(shí)還要具備與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的功能(有線或無線方式)。通用接入點(diǎn)應(yīng)被設(shè)計(jì)為可軟件配置的多模設(shè)備，支持與多個(gè)無線家庭網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)通信。目前解決方法為，在物理層和MAC層之上，加入通用鏈路層(GLL)，如圖3所示。
GLL主要以完成如下功能：
對(duì)上層協(xié)議(如IPv6)提供統(tǒng)一接口。
進(jìn)行不同無線家庭通信網(wǎng)絡(luò)間的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)映射，以支持不同無線家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間通信。
支持動(dòng)態(tài)的無線家庭網(wǎng)絡(luò)接入及選擇機(jī)制。
模塊化的結(jié)構(gòu)，以支持新的無線家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
由于不同網(wǎng)絡(luò)MAC標(biāo)準(zhǔn)有很大差異，表現(xiàn)在：首先，物理幀結(jié)構(gòu)不同，使得依賴于幀長及微時(shí)隙的調(diào)度時(shí)間等級(jí)會(huì)有很大差異；其次，同樣由于幀結(jié)構(gòu)的差異，不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的MAC分組數(shù)據(jù)單元(PDU)大小不同；另外，特定網(wǎng)絡(luò)采用特定的頻譜、雙工方式、調(diào)制編碼方式及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致所支持的業(yè)務(wù)速率也可能會(huì)有很大差異。因此，需要研究并設(shè)計(jì)適應(yīng)性非常好的GLL功能，從而保證較優(yōu)的包格式、速率匹配及業(yè)務(wù)質(zhì)量等需求。
另外，因?yàn)楫悩?gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)需要通過接入點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)，如互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩通信網(wǎng)、城域網(wǎng)等進(jìn)行通信，而設(shè)計(jì)一個(gè)支持高速吞吐量的通用接入點(diǎn)(AP)，可以有多種可選方案。一種為基于未來全I(xiàn)P網(wǎng)的概念，異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)中的接入點(diǎn)(AP)可直接接入相應(yīng)的IP網(wǎng)邊緣路由器。另外一種方案融合無線城域網(wǎng)技術(shù)，將通用接入點(diǎn)作為WiMAX系統(tǒng)中的一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，通過WiMAX空中接口連接到骨干網(wǎng)。
2.4 業(yè)務(wù)的QoS保障機(jī)制
未來的異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)必須能支持各種多媒體業(yè)務(wù)。不同的業(yè)務(wù)類型具有不同的服務(wù)質(zhì)量的要求，如視頻流等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延很敏感，要求的速率也很高，而一些文件的傳輸則相對(duì)能忍受更長的時(shí)延。鑒于業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)要求的多樣性，未來的異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用有效的QoS保障機(jī)制，為各種具有不同時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)、速率、丟包率等QoS要求的業(yè)務(wù)提供可接受的服務(wù)。按照上述的異構(gòu)無線家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，QoS的保障主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，同構(gòu)結(jié)點(diǎn)間的通信，如果必須經(jīng)由專用接入點(diǎn)，則專用接入點(diǎn)應(yīng)能在控制范圍內(nèi)保證結(jié)點(diǎn)通信的即時(shí)性和通信速率，限制差錯(cuò)率；若多個(gè)結(jié)點(diǎn)間可直接通信，則需要采用有效機(jī)制對(duì)它們之間的通信進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，以提高通信效率和資源利用率。另一方面，對(duì)于異構(gòu)的通信實(shí)體，通用接入點(diǎn)應(yīng)能通過有效的資源管理方式以及對(duì)不同業(yè)務(wù)、不同結(jié)點(diǎn)的調(diào)度和控制以及其他的有效措施來保證所需的通信質(zhì)量，如盡量縮短異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的處理時(shí)延等。
QoS的支持不僅僅要考慮無線接入網(wǎng)，需要考慮端到端的通信。從整個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)來看，它支持的QoS保證功能可分為3種類型，并形成相互獨(dú)立但有機(jī)關(guān)聯(lián)的3個(gè)平面：控制平面、數(shù)據(jù)平面和管理平面。
控制平面內(nèi)包含了一系列與用戶流量傳播路徑相關(guān)的控制功能。家庭網(wǎng)絡(luò)支持的控制平面QoS功能包括接納控制和資源預(yù)留。接納控制功能支持在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的入口處控制流量能否接入網(wǎng)絡(luò)。通常情況下的接入標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)策略驅(qū)動(dòng)的決策過程，流量是否被接入取決于已經(jīng)協(xié)商確定的用戶服務(wù)的優(yōu)先等級(jí)。接納決策依賴于網(wǎng)絡(luò)中可用資源的多少和接入該流量后是否會(huì)影響已被接入到網(wǎng)絡(luò)中的其他流量的服務(wù)性能。接納控制機(jī)制確保服務(wù)提供者在和用戶的交易過程中協(xié)商確定的性能參數(shù)能夠得到滿足，同時(shí)能滿足用戶期望的(也是由服務(wù)提供者和用戶事先協(xié)商約定的)服務(wù)可用性和可靠性；對(duì)于用戶業(yè)務(wù)流量，連接接納控制分4種優(yōu)先等級(jí)：緊急服務(wù)(一般保留給應(yīng)急通信流量)、高優(yōu)先級(jí)、一般優(yōu)先級(jí)和盡力傳送。而資源預(yù)留機(jī)制支持高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的資源預(yù)留功能，支持認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)(AAA)，并能夠在多個(gè)服務(wù)提供者爭用資源時(shí)進(jìn)行仲裁。
數(shù)據(jù)平面內(nèi)包含的是直接涉及用戶流量的控制功能。家庭網(wǎng)絡(luò)支持的傳送平面QoS功能包括流量分類、分組標(biāo)記、流量整形和流量管制、排隊(duì)和調(diào)度、擁塞避免、緩存管理等。
管理平面內(nèi)包含的機(jī)制涉及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營、管理等方面。家庭網(wǎng)絡(luò)的管理平面QoS控制功能包括流量計(jì)量和測量、策略管理等。
對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)而言，它最好支持策略執(zhí)行點(diǎn)(PEP)功能，并與接入網(wǎng)/廣域網(wǎng)內(nèi)的策略決策點(diǎn)(PDP)相互協(xié)同。PEP與PDP之間交換的策略信息可包括分組標(biāo)記、接納判決、用戶優(yōu)先級(jí)、顯式路由、分組丟棄、隊(duì)列帶寬分配、按需增值業(yè)務(wù)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞的響應(yīng)動(dòng)作等。
2.5 電磁兼容和異構(gòu)系統(tǒng)共存機(jī)制
系統(tǒng)共存的一個(gè)重要因素和頻率資源分配和干擾避免密切相關(guān)，這時(shí)就牽涉到不同系統(tǒng)間的資源協(xié)調(diào)控制�；诟兄獰o線電機(jī)制，家庭接入網(wǎng)的不同電子設(shè)備間的電磁干擾較少，但仍需要從理論上給出實(shí)際的異構(gòu)泛在無線家庭網(wǎng)絡(luò)的電磁兼容和系統(tǒng)共存機(jī)制，確保相互之間的電磁干擾達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于無線家庭網(wǎng)絡(luò)來說，其可使用的頻譜仍然沒有確認(rèn)。如果物理層采用UWB技術(shù)，則由于UWB設(shè)備需要在很寬的頻帶中與其他無線通信系統(tǒng)共存，UWB系統(tǒng)在防止受到其他系統(tǒng)干擾的同時(shí)，要保證其他系統(tǒng)的正常使用。這點(diǎn)是UWB技術(shù)能否順利推廣的重要因素。即使UWB設(shè)備能夠滿足相關(guān)頻率監(jiān)管部門的發(fā)射功率限制，仍需要規(guī)避某些敏感頻段[5]。
基于UWB的無線家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共存和電磁兼容理論還有很多工作要做，如頻譜尚未劃分、發(fā)射功率的限制要求尚未確定、作為頻譜劃分依據(jù)的兼容性研究和測試技術(shù)尚不成熟、技術(shù)方案尚未選定等。
3 結(jié)束語
數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)作為寬帶網(wǎng)絡(luò)的延伸和寬帶增值服務(wù)的擴(kuò)展，將為電信運(yùn)營商提供新的機(jī)遇。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)延伸入家庭的部分，是電信多業(yè)務(wù)運(yùn)營和管理的橋頭堡。利用數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)，可延續(xù)和保證傳統(tǒng)電信運(yùn)營商的端到端業(yè)務(wù)及新業(yè)務(wù)的運(yùn)營。
目前，有關(guān)數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的中國標(biāo)準(zhǔn)化工作剛剛啟動(dòng)，預(yù)計(jì)2009年能取得初步階段性成果。但是對(duì)于其無線接入機(jī)制，目前還沒有展開研究。傳統(tǒng)的集中控制的典型接入機(jī)制對(duì)于數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)同樣適用，而傳統(tǒng)消費(fèi)電子產(chǎn)品與帶寬的限制使各終端采用對(duì)等通信的方式將變得非常流行，所以無線Mesh機(jī)制將在未來的數(shù)字家庭接入網(wǎng)中占有重要地位�？紤]到未來網(wǎng)絡(luò)的泛在異構(gòu)性，本文專門提出了一種新型接入網(wǎng)架構(gòu)，并討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)。如何解決這些關(guān)鍵技術(shù)，是未來的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是未來無線寬帶通信系統(tǒng)的研究方向。
