基于Wireless Mesh的寬帶無線接入系統(tǒng)

1 引言

最近幾年來寬帶無線接入技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，相對于其它寬帶接入技術(shù)，寬帶無線接入系統(tǒng)投資少，建設(shè)周期短，提供業(yè)務(wù)快，具有很多優(yōu)點(diǎn)。IEEE委員會為此專門制定了IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種采用PMP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的寬帶無線接入解決方案，但是采用PMP結(jié)構(gòu)，必須確保視距傳輸，對于人口密集的城市，由于存在高樓、樹木等許多障礙物，導(dǎo)致覆蓋范圍非常受限，所以在后來制定的IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)中，又提出了一種基于無線Mesh技術(shù)的寬帶無線接入解決方案，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)實際上是一種高容量高速率的多點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，它是一種新型的可以解決"最后一公里"瓶頸問題的分布式網(wǎng)絡(luò)。

Mesh網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，因為其中的每個用戶節(jié)點(diǎn)都是骨干網(wǎng)絡(luò)的一部分，可以轉(zhuǎn)發(fā)其它用戶節(jié)點(diǎn)的信息，并且隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍以及靈活性也會隨之增加。

2 基于Wireless Mesh技術(shù)的寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，所有的BS和SS都稱為節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中存在兩種節(jié)點(diǎn)：Mesh BS節(jié)點(diǎn)和Mesh SS節(jié)點(diǎn)，Mesh BS節(jié)點(diǎn)類似于PMP網(wǎng)絡(luò)中的BS，它和其它主干網(wǎng)絡(luò)相連，實現(xiàn)寬帶接入；Mesh SS節(jié)點(diǎn)既可以實現(xiàn)本地用戶的寬帶接入，又可以轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)傳送到目的節(jié)點(diǎn)，作用類似于一個中繼站。Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與PMP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最大的差別在于：在PMP網(wǎng)絡(luò)中，只有BS和SS之間可以直接通信，而在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，SS之間也可以直接通信，并且BS和SS之間可以通過其它的SS間接通信。與一個節(jié)點(diǎn)直接相連的節(jié)點(diǎn)稱為這個節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，它們之間的距離稱為"一跳"。

在使用Wireless Mesh技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都具備路由選擇功能，每個節(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)。實際上，Wireless Mesh網(wǎng)絡(luò)更像是Internet本身的一種無線版本，分組數(shù)據(jù)從一個路由到另一個路由進(jìn)行傳遞直到到達(dá)其目的地，這些特點(diǎn)使Wireless Mesh網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)和固定通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著區(qū)別。

3 基于無線Mesh技術(shù)的寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)

在過去的幾年里，寬帶無線接入系統(tǒng)大多采用的是PMP結(jié)構(gòu)，它能夠支持較高的數(shù)據(jù)速率，多個用戶共享網(wǎng)絡(luò)資源，但是它的覆蓋范圍較小，工作在微米波段，基站BS和用戶站SS之間需要視距傳輸，大大減少了能夠提供服務(wù)的用戶數(shù)，容量受限，當(dāng)用戶增加時，需要增加新的BS設(shè)備來保證視距傳輸，這需要花費(fèi)很大的代價。而對于基于Mesh結(jié)構(gòu)的寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)來說，用戶數(shù)增加時，由于每個用戶站可以作為一個中轉(zhuǎn)站，潛在地增加了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。對運(yùn)營商來說，采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)比采用PMP網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍增大，頻譜利用率提高，系統(tǒng)容量增加。

（2）Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特有的多路由選擇特性提高了網(wǎng)絡(luò)的柔韌性和可用性，當(dāng)某條路徑出現(xiàn)錯誤時，可以選擇其它的路徑。

（3）網(wǎng)絡(luò)具有可伸縮性，易擴(kuò)容，初期建設(shè)費(fèi)用低，投資成本大約是PMP網(wǎng)絡(luò)的15%。

（4）投資風(fēng)險相對較小，在較短時間內(nèi)即可收回成本獲得盈利。

總之，這種技術(shù)比起傳統(tǒng)的點(diǎn)對多點(diǎn)來具有諸如節(jié)能、自動配置和易擴(kuò)容等很多優(yōu)勢，很多公司已經(jīng)開始將Wireless mesh技術(shù)用以寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，并且相關(guān)的無線路由器等產(chǎn)品也已開始商用。

4 基于Wireless Mesh技術(shù)的寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)的幾個關(guān)鍵技術(shù)

采用Wireless Mesh寬帶接入網(wǎng)絡(luò)確實可以解決PMP寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)存在的一些問題，但是它也存在自己的問題，其中有幾個關(guān)鍵技術(shù)問題需要進(jìn)一步研究解決。

4.1 天線技術(shù)

Wireless Mesh寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中一個重要的問題就是天線的使用，因為每個節(jié)點(diǎn)必須和各個方向上的多個節(jié)點(diǎn)通信，很簡單的一種方式就是采用全向天線，但是這樣覆蓋范圍有限，并會帶來干擾，導(dǎo)致頻譜利用率下降，減小網(wǎng)絡(luò)的容量。所以不建議采用全向天線，美國的SkyPilot公司將智能天線技術(shù)應(yīng)用與Wireless Mesh網(wǎng)絡(luò)，允許頻譜重復(fù)使用，從而大大提高了頻譜的利用效率，同時減小了干擾。

4.2 路由選擇技術(shù)

Wireless Mesh寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中另外一個很重要的問題是路由選擇問題，例如從某個節(jié)點(diǎn)A到達(dá)其它的節(jié)點(diǎn)B，可以經(jīng)過不同的用戶站中轉(zhuǎn)，于是就存在多條路徑，選擇哪條路徑就成為一個關(guān)鍵問題，這將直接影響系統(tǒng)的性能。而且，當(dāng)節(jié)點(diǎn)增加或是減少時，Wireless Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化，路由選擇問題變的更加復(fù)雜。采用Wireless Mesh技術(shù)，還會帶來"隱藏終端"問題，這些都需要進(jìn)一步研究解決。實際上，Wireless Mesh技術(shù)可以看作是Ad hoc技術(shù)的簡化版本，所以可以參考Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的解決方法來解決Wireless Mesh寬帶接入網(wǎng)絡(luò)中的這些問題。

4.3 動態(tài)帶寬分配技術(shù)

寬帶無線接入系統(tǒng)的頻譜資源有限，因此必須使信道資源盡可能充分地被用戶利用。在IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的點(diǎn)對多點(diǎn)寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)中采用了動態(tài)按需時分多址分配方式（DAMA-TDMA）, 在這種網(wǎng)絡(luò)中資源的管理和分配由BS負(fù)責(zé)，而在IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對于基于Wireless Mesh 技術(shù)的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，帶寬的分配可以采用集中式調(diào)度方式，或者采用分布式調(diào)度方式。如果采用集中式調(diào)度方式，由Mesh BS節(jié)點(diǎn)收集所有Mesh SS節(jié)點(diǎn)的資源請求信息，分別為它們分配一定數(shù)量的帶寬資源。如果采用分布式調(diào)度方式，包括Mesh BS和Mesh SS在內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)該相互協(xié)調(diào)，充分利用資源。任何一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時，不能和"兩跳"以內(nèi)的鄰近區(qū)域的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞。

5 目前發(fā)展?fàn)顩r

Wireless mesh技術(shù)應(yīng)用于寬帶無線接入還是剛剛開始，但是Wireless mesh技術(shù)在其它方面已經(jīng)獲得了初步應(yīng)用，比如在日本的Nankoku市已經(jīng)使用Wireless Mesh連接了13個小學(xué)、4個中學(xué)和18個市政建筑。美國MeshNetworks公司也已經(jīng)開發(fā)了相關(guān)的無線硬件和智能路由軟件，其構(gòu)建的Wireless Mesh網(wǎng)絡(luò)支持諸如手機(jī)和筆記本等移動終端，這些終端可以自由接入或退出網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)兩個或更多終端退出網(wǎng)絡(luò)范圍時，還可以組成自己的微型網(wǎng)。

IEEE802.16a標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確提出把Wireless Mesh技術(shù)應(yīng)用于寬帶無線接入領(lǐng)域，已經(jīng)引起了業(yè)界的關(guān)注，它會對目前用于駐地用戶寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的DSL技術(shù)和電纜技術(shù)帶來很大的競爭壓力，很多公司已經(jīng)開始將Wireless mesh技術(shù)用以寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，并且相關(guān)的無線路由器等產(chǎn)品也已開始商用。如諾基亞公司推出的無線路由器可以安裝在屋頂上，其產(chǎn)品目前已經(jīng)獲得超過50家運(yùn)營商的青睞，他們將借此建立以用戶為基礎(chǔ)的高速無線網(wǎng)絡(luò)。另外，Wireless Mesh、智能天線和UWB技術(shù)的融合更是將深刻影響無線寬帶接入的未來。

6 結(jié)束語

本文簡單介紹了一種新的基于Wireless mesh技術(shù)的寬帶無線接入系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了它的優(yōu)點(diǎn)以及其中的幾個關(guān)鍵技術(shù)，采用Wireless Mesh技術(shù)，由于其不會受到基站覆蓋范圍的限制，很大程度上增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且投資風(fēng)險小，網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性和靈活性較大，有望給無線寬帶領(lǐng)域帶來重大變革。