基于Ｍｅｓｈ技術的網絡融合與協同

摘要：無線網絡在網絡、技術、終端、運營管理等各個方面越來越體現出異構的特點。異構網絡的有效融合與協同可以通過Mesh技術完成。異構網絡的融合為IP層面的融合，是對網絡共性的整合，異構網絡的協同則是對網絡個性的整合。通過網絡間的融合與協同，對異構網絡分離的、局部的優勢能力與資源進行有序整合，最終實現無處不在、無所不能的智能性網絡。

關鍵詞：異構網絡；網狀網；網絡融合；網絡協同

無線通信技術飛速發展，出現了無線局域網(WLAN)、WiMAX、Wi-Fi、無線個域網(WPAN)、無線Mesh網(WMN)、無線傳感器網(WSN)、Ad Hoc、3G和B3G移動通信網絡等許多新型的采用不同組網技術的異構網絡，給人們的工作和生活方式帶來了深刻變革。但在人們體驗著通信技術帶來的獲取信息越來越便利的同時，由于無線通信網絡朝著高速化、寬帶化、泛在化的方向發展，各種無線接入技術紛紛涌現，使得未來網絡的異構性更加突出。其實，不僅在無線接入方面具有這樣的趨勢，在終端、網絡、業務和運營管理等方面，異構化、多樣化的趨勢也同樣引人注目。如何將這些異構無線網絡融合在一起，互聯互通，并且多網協同工作，提供覆蓋廣、帶寬高、移動性高且費用低廉的接入服務，將是下一代無線通信系統的發展方向，也是網絡運營商以及通信行業產業價值鏈上各個其他環節所共同關注的問題。

1 無線網絡的異構性

針對不同的無線頻段特性、迥異的組網接入技術和多樣的業務需求，不同無線技術所使用的空中接口設計及相關協議在實現方式上具有差異性和不可兼容性。無線網絡及其通信系統的異構性主要體現在如下幾個方面[1]：

(1)頻譜資源異構

由于不同頻段物理特性不同，適用于各種頻段的無線技術也不同，各個區域頻譜規劃方式也有顯著區別，導致特定頻段上實現的無線技術總是需要滿足特定的技術和業務需求。

(2)組網接入技術異構

由于需要綜合考慮網絡規模、網絡覆蓋、兼容性等要求，組網方式、網絡功能設置、資源管理和配置方式等呈現出迥然不同的特點。而物理層及媒體訪問控制(MAC)層在調制技術、天線技術、加密技術、接入技術的實現上都有很大差別。

(3)業務需求異構

不同的用戶偏好和需求導致了多樣化的業務類型，包括傳統的電信業務、支持交互應用的交易型業務和以內容為中心的業務等。這些業務將具有不同的特征并對技術與終端提出不同的服務質量(QoS)要求。

(4)移動終端的異構

異構網絡條件下，不同網絡將提供不同的QoS，終端的工作環境將產生巨大的變化，業務需求、制式、運營者的差異導致了移動終端的不同，各種移動終端會具有不同的業務能力，包括接入能力、移動能力等[2]。

(5)運營管理的異構

不同的運營商將會設計出不同的管理策略，包括尋呼漫游策略、網絡切換策略、資源分配策略、認證與鑒權策略、計費策略等。為保證通信各層之間的有效交互并滿足組網需要，須根據所使用的無線資源以及所針對的業務特點，設計合理的通信協議棧和適當的網絡管理機制。

以上幾個方面交叉聯系，相互影響構成了無線網絡的異構性，也對網絡的穩定、可靠和高效性帶來了挑戰，這種異構性帶來的移動性管理技術、聯合無線資源管理和端到端的QoS保證是未來無線通信系統亟需解決的問題。

2 基于Mesh技術的網絡融合與協同

2.1 Mesh技術介紹

無線Mesh網絡是一種新型寬帶接入網絡，又被稱為無線網狀網或無線網格網。WMN源于1997年美國軍方機構DARPA與ITT公司合作研究的最新集無線組網、路由和定位一體化的先進戰術通信系統(ATCS)。2004年1月，IEEE 802.11工作組專門成立了網狀網研究組，其初步草案計劃在2008年7月發表最終結果，這標志著WMN技術正式邁上標準化道路。無線Mesh網絡作為一種解決無線接入“最后一公里”“瓶頸”問題的關鍵技術受到了越來越廣泛的關注。WMN的核心是讓網絡中每個節點都發送和接收信號。作為一個多跳的系統，從源到目的地有多條冗余的通信路徑。網絡中每個節點都具備自動路由功能，每個節點只和鄰近節點進行通信，因此是一種自組織、自管理、自動修復、自我平衡的智能網絡。

WMN的架構可分為3類：基礎設施型網絡配置模式、客戶端型網絡配置模式以及混合型網絡配置模式。其中，混合型WMN將基礎設施型和客戶端型兩種網絡配置模式綜合在一起，吸收了兩者的優點，實現了優勢互補。圖1給出了混合型無線Mesh網絡的一個例子。它可以包括各種異構的無線/有線網絡，如無線局域網、WiMAX、無線蜂窩網、移動Ad Hoc網、無線傳感器網絡(WSN)、因特網以及無線骨干網。可以看出，無線Mesh網實際上已經是移動Ad Hoc網的超集，而移動Ad Hoc網只是無線Mesh網絡的一個子集。混合結構的無線Mesh網絡囊括了WMN的所有優點，具有網絡覆蓋范圍大、頻譜利用率高、可靠性高、多跳路由、組網靈活、維護方便和支持與其他無線網絡兼容和互操作等優點，可以應用到各種場景中，如寬帶家庭網、社區網絡、企業網絡、城域網絡等。特別地，WMN將成為未來無線核心網理想的組網方式，因此在這種網絡覆蓋情況復雜、多種技術并存的移動通信環境中，采用Mesh技術可以實現異構技術的有效融合與協同工作，實現異構資源的優勢互補和協調管理，不僅是技術發展的必然趨勢，也是網絡運營者實現最佳用戶體驗和最優的資源使用的根本途徑[3]。

2.2 基于Mesh技術的網絡融合

由于異構網絡相對獨立自治，相互間缺乏有效的協調機制，造成了系統間干擾、重疊覆蓋、單一網絡業務提供能力有限、頻譜資源稀缺、業務的無縫切換等問題無法解決。因此異構網絡的融合已經成為網絡各個層面的主要趨勢，體現在網絡融合、業務融合、終端融合及運營管理的融合，各種業務都被整合在一個網絡的物理媒介(融合網絡)中進行傳輸，統一的傳輸控制協議/網間協議(TCP/IP)的普遍采用，使得各種以IP為基礎的業務都能在不同的網上實現互通。基于Mesh技術的融合需要從4個不同的層面來實現[4-6]。

(1)核心網與接入網的融合

目前基于IP分組數據網絡的有線網絡已經成為了下一代網絡要采用的基礎架構，這種網絡將為各種接入網提供合適的有線網絡的基礎結構。而WCDMA、GSM、WLAN等不同的移動接入網絡，覆蓋不同的區域，具有不同的技術參數，提供不同的業務能力，執行不同的通信與控制協議，具有不同的網絡結構，因此不同的接入網絡之間需要具有一定的信息交互能力以支持基于IP的網絡融合。同時終端的可重配置能力為接入不同網絡提供了保障，而IP技術的廣泛應用使得不同的接入網絡將基于IP網絡層進行融合。圖2給出了一個WMN應用到無線城域網的實例，各種用戶終端(如Wi-Fi手機、筆記本等)通過Ad Hoc方式相互連接，并根據其支持的協議選擇與Wi-Fi Mesh基站(IEEE 802.11)或WiMAX基站(IEEE 802.16)通信，而Wi-Fi Mesh基站(或WiMAX基站)可以通過無線多跳與視距范圍外的基站或Internet核心網建立聯系。這里，Wi-Fi Mesh基站和WiMAX基站充當了Mesh路由器，承擔融合的任務，并組成了無線Mesh骨干網，網絡間的融合通過IP層來實現，Mesh終端采用多模或重配置方式適應用戶和業務的需求，最終實現整個網絡的融合。

(2)業務的融合

業務的融合指不同的業務網提供統一的平臺、統一的用戶賬號和對用戶隱藏的自動切換機制，讓用戶感覺無論在什么情況下都能進行暢通無阻的通信，享受最佳的多元化服務。通過多種接入技術，在不同業務支持能力的網絡及終端限制條件下，使得業務同時向多個終端提供服務。如在圖2中，Wi-Fi手機和筆記本所承載的業務不同，但經過IP層面的融合，都可以接入WMN網絡，實現不同業務的互通。

(3)終端的融合

異構網絡條件下，在同一地點存在不同制式和不同運營商的無線網絡交疊覆蓋，不同網絡將提供不同的業務和QoS，其付費方式也將不同。此時終端的元件組成不會產生質的變化，但需兼容所有在當地存在的無線接入技術(RAT)，綜合考慮多種無線接入技術的能力、網絡覆蓋情況、資費和用戶的偏好等方面。使用基于軟件無線電的重配置技術可提高兼容性、減少體積、降低功耗和節約成本，多模可重配置移動終端的實現使得原本單一的移動終端具備了接入不同移動網絡的能力。如在圖2中，Wi-Fi手機和筆記本可以通過核心網互通數據業務，如果手機是多模甚至可重配置的則可以互通視頻、語音等更多的業務。

(4)運營管理的融合

運營管理系統需要為用戶提供統一的網絡管理界面和網絡服務界面，如統一的認證與鑒權服務、計費服務，統一的訂購服務、統一的賬單服務。

網絡融合是一個含義十分廣泛的大課題，它的真正價值在于如何利用先進的技術系統幫助用戶降低成本、提高效率、通過贏得用戶的認同增加競爭優勢，但網絡融合在為用戶帶來靈活豐富的業務體驗的同時，也需要考慮如下實際問題：

(1)可用性

除適當增加可用帶寬之外，需要規范、控制業務應用所占用資源的優先級別，從而解決由于應用增多帶來的關鍵業務無法保障、服務質量急劇下降問題。

(2)安全性

通過采用加密、虛擬專用網(VPN)和防火墻技術解決信息資源的訪問控制和授權用戶網絡接入存在的隱患，消除由于網絡的可移動性和靈活性等為企業所帶來的前所未有的安全風險。需要在成本、收益和安全性等方面折衷綜合考慮。

(3)服務質量

不同的數據、語音及視頻業務需要考慮不同的服務質量，在管理完善、帶寬充足、延遲特性良好的IP網絡上也需要保障服務質量，以達到對數據、語音及視頻業務的優先排序，從而滿足不同業務服務的QoS。

從不同層面實現異類網絡的融合解決上述問題，需要通過基于Mesh技術的切換技術，聯合無線資源管理、端到端的QoS保證來實現：

(1)移動管理中的切換技術

切換是無線移動通信系統特有的最重要的功能之一。同構蜂窩網中移動主機在小區內和小區間的切換統稱為水平切換，即移動主機在基于同一種鏈路層技術的不同接入路由器間的切換；而移動主機在異構網絡之間進行的切換稱為垂直切換，即移動主機在不同鏈路層技術和不同接入路由器間的切換，此時該終端是具備能夠在兩種網絡系統間工作的雙模終端，甚至是可重配置終端。異構網絡切換的關鍵問題是設計出合理的切換算法，保證用戶的服務要求。垂直切換是異構網絡融合的基礎，也是未來移動互聯網的關鍵特征和核心技術。切換算法可以在維持較小丟包率的情況下，有效地減少切換次數，消除“乒乓效應”(由于終端的移動特性和無線信道的時變特性，終端像乒乓球一樣不停地在兩個或多個接入點之間切換，會造成負載抖動)，改善切換呼叫阻塞率，取得較好的切換性能。在面向全IP的下一代的無線通信系統中，采用移動IP來處理接入網間的切換，采用蜂窩IP來處理接入網內的切換。這種分層式的移動性管理策略很有研究價值。

(2)聯合無線資源管理技術

與傳統的無線資源相比，未來的異構無線資源并不僅僅指無線頻譜，還包括無線網絡中的其他資源，如移動用戶的接入權限、信道編碼、發射功率、連接模式等。傳統無線資源管理的目標是在有限帶寬的條件下，考慮在網絡話務量分布不均勻、信道特性因信道衰弱和干擾而起伏變化等情況下，分配和調整無線傳輸部分和網絡的可用資源，提高無線頻譜利用率，防止網絡擁塞和保持盡可能小的信令負荷。而聯合無線資源管理(JRRM)則是針對所有異構網絡的控制機制的集合。通過應用多種接入技術，可重配置或者多模終端技術，支持智能的呼叫和會話接納控制技術，業務、功率的分布式處理技術，實現無線資源的優化使用和達到系統容量最大化的目標。JRRM涵蓋了原有無線資源管理的各項功能。

JRRM主要包括兩部分功能：聯合會話準入控制(JOSAC)和聯合資源調度(JOSCH)，主要包括最優化異構網絡的頻譜效率，處理各種類型的業務承載以及用戶和業務的各種QoS需求，對各種混合型業務流進行自適應地調度。JRRM設計主要有兩個基本特征：適用于緊耦合的異構互通模式，具有分流的功能。未來的JRRM模式不再局限于單一的集中式管理，而是可以采用集中式、分布式以及介于兩者之間的分級式的管理方式。JRRM需要終端乃至網絡都具有可重配置性，從而能夠滿足接入允許控制和聯合資源調度的綜合管理需求[7]。

多接入選擇(MRAS)作為JRRM中的關鍵技術，通過動態管理終端接入一個或多個不同的無線網絡，可有效利用多接入增益。由多接入選擇所帶來的多接入增益包括兩個方面：多接入分集和多接入合并。另外JRRM通過負載均衡以及動態頻譜分配等技術[8]，使得在多個可用無線網絡之間能夠以一種協調的方式自適應分配資源。

與JRRM相關的通用鏈路層，基于可重配置的鏈路層平臺，完成不同無線接入技術的協同數據處理，為上層提供統一接口，充當多接入的匯聚層功能，隱藏底層多接入的異構性，將鏈路層上下文信息匯集到高層，實現不同RAT的無縫和無損的垂直切換。通用鏈路層(GLL)中一個重要的功能就是將來自高層的數據流動態倒換到合適的RAT中，而上層完成最佳接入路徑的選擇，通過控制正在服務的無線資源管理模塊，對GLL進行配置和重新配置，根據無線資源的可用情況和來自底層的判決信息，使數據流在不同的RAT之間進行倒換[9]。

(3)端到端的QoS保證

由于異構網絡的融合是完全基于IP的，因此對于任意具有IP互連能力的通信終端，端到端的呼叫不僅會跨越不同所有者的網絡、采用不同接入技術，而且不同網絡的QoS支持能力與QoS控制策略可能無法在呼叫發起之前獲知。因此，在異構移動網絡中提供完善的端到端QoS保證首先需要提供基于IP的QoS協商與聯合資源分配機制，另外不同網絡的QoS信息應該能夠在同一體系中被表示與計算，可以引入跨層的反饋交互機制，最終實現自適應的端到端QoS保證。

2.3 基于Mesh技術的網絡協同

協同和融合是一對統一體，異構無線網絡的融合一般是在技術創新和概念創新的基礎上對不同網絡間共性的整合，而異構無線網絡的協同，則是在技術創新和概念創新的基礎上對不同網絡間或同一網絡內不同終端或不同技術間個性的整合。無線網絡的融合是基于網絡之間存在某種形式上的共性，融合是為了更好的服務于協同，即融合可以使原有各無線通信網絡更好地實現其原有功能，也為更進一步的功能實現和技術創新等協同操作提供了條件[10-11]。

異構網絡的協同是為了得到單一網絡或單一技術所不具有的能力，為用戶提供一加一大于二的多樣化服務。通過協同處理后的網絡或技術的功能大于每個組成部分的功能之和，即追求系統理論中的“涌現”效應。基于Mesh技術的網絡協同技術研究，包含如下內容：單一無線網絡內部不同終端或不同技術的協同，以增強單一無線通信系統的性能；不同異構無線網絡相互協同，以提供異構無線網絡的“涌現”增益。異構無線網絡的協同不是簡單的疊加或拼湊，它涉及到從頻譜協同到協議棧設計協同、空中接口協同、業務協同、異構終端通信技術協同、網絡安全協同等方面[12-13]。

為實現同構與異構網絡的內部及相互間的通信，同構無線接入網絡內部采用協同多天線、協同編碼、協同多路由匯聚等先進技術；異構無線接入網間采用協同處理機制，實現未來異構無線接入網絡間的互聯互通，減小傳輸時延，提高整個網絡性能增益等。協同中繼節點選擇對于實現異構和同構無線接入網絡的協同通信是非常關鍵的，主要內容包括：節點駐留、基于信號強度的協同中繼節點粗確定、基于多目標優化的中繼節點的細確定以及中繼節點的功率配置和資源分配等。如在圖2中，當Mesh網中某個手機用戶因地理位置或衰落等原因無法連接到基站時，可以通過Ad Hoc方式連接下的另一Wi-Fi手持終端通過多跳、中繼方式實現協同工作，接入核心網，實現業務通信功能。

另外，類似于融合，網絡協同可以從幾個層面來實現：單條無線鏈路，可以采用各種協同信道技術，包括協同多輸入多輸出(MIMO)、協同編碼和協同多用戶分集等；終端用戶，可以通過多用戶之間的協同，實現單個目標用戶的高速數據傳輸或高服務質量，解決傳輸時延等服務質量無法保障等問題；接入網，可以在多個無線接入網間通過協同實現高速數據傳輸，解決網間傳輸“瓶頸”問題；對于核心網，可以實現協同的多核心網融合。

為了構建一個先進的無線通信網絡，不僅需要終端的協同而且需要網絡的協同，在一定意義上講，協同在信息領域的發展中將比融合更為重要，因為協同意味著新功能的出現，也意味著更多的技術創新機會。但目前協同的研究還處于初步階段，大多停留在簡單的技術層面上，網絡間的協同還有待于我們進一步研究。

3 環境感知網絡與未來網絡融合與協同展望

針對異構網絡的融合與協同，亞太、歐盟、北美3個具有代表性的地區相繼提出一些觀點相近的新概念，由此環境感知智能泛在網絡(AUN)應運而生[14]。在AUN環境中，網絡不再被動地滿足用戶需求，而是主動感知用戶場景的變化并進行信息交互，通過分析人的個性化需求主動提供服務。相應地，終端設備具備智能型接口及環境感知能力，使人們使用起來更加簡單和方便。AUN在傳統網絡業務應用層與網絡接入及承載層之間加入3層：網絡資源抽象平面、AUN控制平面、業務支撐及代理平面。統一的控制平面、網絡動態重構控制系統及網絡設備資源化是環境感知泛在網絡有別于傳統網絡的顯著特征。AUN為未來的信息社會提供了一個美好的愿景，它具有如下特征：環境感知性；自組織、自愈性；泛在性、異構性；開放性、透明性；移動性、寬帶性；多媒體、協同性；對稱性、融合性。從以上特征可以看出，AUN不是顛覆性的網絡革命，而是對傳統網絡潛力的挖掘和網絡效能的提升。

隨著無線技術的迅速發展，未來通信網絡越發異構化，各網絡將經歷從隔離到互通、從互通到協同的演進，通過網絡間的融合與協同，對分離的、局部的優勢能力與資源進行有序的整合，從而最終使系統擁有自愈、自管理、自發現、自規劃、自調整、自優化等一系列新的功能，更加智能化，因此AUN為未來異構網絡的融合與協同帶來了希望，但要想真正擁有無處不在、無所不能的智能性網絡，在技術和實現上還有很長的路要走。

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收稿日期：2008-03-17

田峰，南京郵電大學自動化學院講師、博士。主要研究方向為無線通信與網絡信號處理、認知無線電與頻譜資源管理。

楊震，南京郵電大學校長、教授、博士生導師。主要研究方向為無線通信與網絡信號處理、語音處理與現代語音通信技術、信息安全技術。