無線協作Ｍｅｓｈ網

摘要：異構無線網絡的融合是當前無線網絡的發展趨勢。針對融合過程中遇到的諸如傳輸模式選擇、負載平衡、路由和切換之類的問題，文章提出了一種新的網絡融合架構：無線協作Mesh網。該架構基于無線Mesh網的網絡結構，并通過協作通信進一步優化其結構、提升其性能。該架構能充分發揮Mesh技術高頻譜效率、動態自組織的優點和協作通信高分集增益、高能量效率的優點，可為無線網絡融合提供一種有效的解決方案。

關鍵詞：協作通信；無線Mesh網；網絡融合

隨著無線通信技術的飛速發展，為了滿足不同應用場景的需要，各種異構無線網絡層出不窮，這些種類繁多的無線網絡的發展為用戶在帶寬、覆蓋范圍、服務質量(QoS)、計費等方面提供了多樣化的選擇。但是為了實現各種異構網絡的互聯互通，網絡融合成為必然趨勢[1]。網絡融合現階段的研究主要集中于自組網與蜂窩網的融合[2]，用網狀網(Mesh)的優點來彌補點對多點的覆蓋問題，主要通過以下兩種方式實現：

(1)網絡交互

3GPP給出的3G/WLAN交互結構，其交互模式有兩種：緊交互和松交互。不論哪種模式，因采用雙模終端，都無需改動3G或無線局域網(WLAN)的網絡結構，所以網絡交互對網絡結構沒有太大影響。

(2)網絡混合

將自組網與蜂窩網融合成支持單一或多模終端的新網絡，包括：機會驅動多址接入(ODMA)、多跳蜂窩網(MCN)、蜂窩與Ad Hoc聯合網(UCAN)、自組織支持的GSM網(A-GSM)、自組織中繼支持的蜂窩系統(PARCEL)、移動節點輔助數據轉發模型(MADF)、分組多跳無線網(SOPRANO)以及集成蜂窩和Ad Hoc的中繼系統(iCAR)等等。所有這些網絡模型的共性是支持終端直傳和多跳兩種傳輸模式，區別在于終端類型(單一終端或多模終端)以及中繼節點類型(終端、專用中繼站或專用無線路由器等)。網絡混合改變了蜂窩網和自組網結構，混合后的網絡結構可分為兩類：第一類中繼節點為終端；第二類中繼節點為專用節點，不一定需要終端具有轉發路由功能。

目前對網絡融合的研究大都是對現有的各種網絡進行修改或增強，尚沒有一個較好的網絡融合方案。因此，設計一種新的網絡融合架構來實現異構網絡的融合成為人們的努力目標。

無線Mesh網因其高頻譜效率、動態自組織和敷設成本低等優點被認為是網絡融合中的一項關鍵技術。作為一個完整的網絡，無線Mesh網通過多跳中繼技術，在移動臺和有線網絡(如Internet)之間轉發業務。無線Mesh網中采用了中繼，不管是固定中繼還是移動中繼，這都為協作通信技術的應用提供了前提條件。

協作通信技術具有高分集增益和高能量效率的優點，被認為是增強無線通信系統性能的一項重要技術。基于無線Mesh網和協作通信兩項技術，本文給出無線協作Mesh網這樣一種新的網絡融合架構。該架構基于無線Mesh網的網絡結構，并通過協作通信進一步優化其結構、提升其性能，能夠有效地提高無線網絡的可靠性、有效性、魯棒性以及用戶服務質量，使得有限的無線頻譜和功率資源能發揮出最大的效用。

1 無線Mesh網的基本原理

無線Mesh網[3]是從Ad Hoc網絡分離出來的，承襲了部分WLAN技術，是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡，具有組網簡單、方便和可擴展等優點。

無線Mesh網作為一種新型的寬帶無線網絡結構，是一種高容量、高速率的分布式網絡，它與傳統的無線網絡有較大的差別。從網絡拓撲結構上看，無線Mesh網可以看作是無線版、縮微版的互聯網，亦可看作是WLAN和Ad Hoc網的融合，且充分發揮了兩者的優勢。作為一種可以解決“最后一公里”“瓶頸”問題的新型網絡結構，被寫入了IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16和IEEE 802.20標準中[4]。

無線Mesh技術的出現使得傳統WLAN一直存在的可伸縮性差和魯棒性差等諸多問題迎刃而解。它代表了無線網絡技術的又一大跨越，有著廣闊的應用前景[5-7]。一般來講，無線Mesh網由用戶節點、Mesh路由器節點和網關節點組成，但是根據網絡具體配置的不同，不是所有的Mesh網都包含以上所有類型的節點。Mesh用戶節點可以是筆記本電腦、PDA、Wi-Fi手機、無線傳感器等。Mesh路由器可以是普通的PC，也可以是專用的嵌入式系統。

在無線Mesh網中，由Mesh路由器互聯構成無線骨干網，其移動性很小，他們提供無線Mesh網與其他網絡(如Internet、蜂窩網、基于IEEE 802.11的無線局域網、基于IEEE 802.15的無線個域網、基于IEEE 802.16的無線城域網以及無線傳感網)連接的網關和路由功能。

與傳統的無線路由器相比，無線Mesh路由器除了具有傳統路由器的功能外，還有額外的路由功能來支持Mesh連網，可以通過無線多跳通信，以低得多的發射功率獲得同樣的無線覆蓋范圍。Mesh路由器通常具有多個無線接口(基于相同的或不同的無線接入技術構建)，以進一步提高Mesh網絡的可伸縮性。

Mesh用戶節點可分為兩類：一類是普通的WLAN用戶節點，這類節點不具有移動Ad Hoc網絡典型意義下的信息轉發功能，只作為普通終端設備接入網絡；另一類節點既具有普通節點的接入功能，又具有路由和信息的轉發功能，即兼具了無線路由器的功能。

無線Mesh網依據網絡結構的不同可以分為3類：骨干Mesh結構、用戶Mesh結構和混合結構；依據結構層次的不同又可分為3類：多級結構、平面結構和混合結構。下面重點介紹最常用的骨干Mesh結構，它是一種多級結構。骨干Mesh結構是由Mesh路由器組成一個可以自配置和自愈的鏈路來充當骨干網，通過Mesh路由器的網關功能與Internet相連，并為用戶提供接入服務。在這種網絡結構下，普通用戶和已有的無線網絡可以通過Mesh路由器的網關或中繼功能接入無線Mesh網。骨干Mesh結構如圖1所示。圖1中虛線和實線分別表示無線和有線連接，其中無線連接使用包括IEEE 802.11在內的多種無線技術，具有以太網接口的普通用戶通過以太連接接入Mesh路由器。如果普通用戶具有與Mesh路由器相同的無線技術，則可以直接建立通信；若所用的無線技術不同，則用戶需要先接入具有以太網接口的基站再與Mesh路由器相連。

2 協作通信的基本原理

協作通信[8]是利用信號的廣播特性，通過中繼轉發信號并在接收端聯合處理源信號和協作中繼信號使得接收端獲得空間分集增益的一種無線通信技術。換言之，它是中繼(即多跳)通信與直接通信并行融合的方案。從信號處理的角度看，它顯然不是單純的多跳通信或中繼通信。協作通信的中繼節點(R)既可以是具有轉發功能的移動臺(MS)，也可以是專用的中繼站。

基本的協作通信模式如圖2(a)所示，首先源節點移動臺廣播信息至中繼節點和目的節點，如基站(BS)；然后中繼節點轉發接收的信息(可以采用放大轉發或譯碼轉發等協作通信策略)至目的節點；目的節點通過合并兩次接收到的信號聯合解調源節點信息。為了保證源信號和中繼信號的正交性，可以采用頻分復用或時分復用模式。

圖2(b)為協作通信最常見的應用形式，可以具體衍生為以下幾類傳輸模型：

協作多址接入，該模型支持用戶上行鏈路的同時接入。可進一步細分為兩種模式，一是利用額外中繼節點協作所有源節點；二是源節點相互協作，沒有額外中繼節點。

協作廣播，該模型支持下行鏈路的單播和廣播業務。

協作接收，該模型特別適合點對點傳輸，例如在無線傳感器網絡中，如果中繼節點距離目的節點(如無線路由器等)很近，即可采用協作接收。

協作發送，該模型適用于中繼節點靠近源節點的情況。

圖2(c)為基于協作通信的信息交互模式，適用于對等業務傳輸。在圖2所有應用模型中，中繼節點既可以是一個，也可以是多個；既可以并行中繼，也可以串行中繼。已有的研究結果表明，協作通信具有比單跳通信和多跳通信更顯著的優勢。

3 無線協作Mesh網

本文以無線Mesh網和協作通信技術為基礎給出了無線協作Mesh網這樣一種新的網絡融合架構，該架構基于無線Mesh網的網絡結構，并通過協作通信進一步優化其結構、提升其性能。該架構如圖3所示。首先是由Mesh路由器組成無線Mesh骨干網，然后用戶之間組成無線Mesh用戶網。用戶要得到服務，先接入無線Mesh骨干網。離Mesh路由器較近的用戶可以直接接入無線Mesh骨干網，而離Mesh路由器較遠的用戶可以通過多跳接入無線Mesh骨干網。此外，由于協作通信的引入，用戶之間還可以互相協作，以獲得更好的性能。下面從4個方面討論無線協作Mesh網的工作原理。

3.1 傳輸模式選擇

在融合網絡中，會有多種傳輸模式可供選擇：傳統蜂窩方式、Ad Hoc方式、協作通信方式等等。因此，當這些傳輸模式都能實現用戶的通信需求時，就不可避免地要解決傳輸模式的選擇問題，這當中包括業務發起時的模式選擇和業務過程中的模式轉換兩部分。傳輸模式的不同將直接影響網絡的整體性能，因此在選擇傳輸模式時必須綜合考慮當前網絡資源的利用率、網絡的負載平衡程度、業務的QoS要求以及用戶的移動特性等各種因素，以達到最佳的網絡性能。同時，我們還應當明確衡量一種傳輸模式選擇機制優劣的標準，確定有效的優化函數關系。

3.2 負載平衡

負載平衡問題也是融合網絡中的一個關鍵問題。有研究發現，融合網絡中的節點所承擔中繼轉發業務的多少和該節點在網絡中的位置以及周圍區域節點密度有關。靠近網絡中心的節點要比網絡邊緣的節點承擔更多的中繼轉發業務。這就使得處于網絡中心區域的節點最早消耗完自身的能量，從而造成網絡中心區域節點的密度降低，并增大了這一區域其他節點的負擔，形成惡性循環。這種區域性的節點密度降低一方面會導致網絡出現分割，另一方面也會對正在進行的業務產生影響，造成網絡吞吐量降低。所以，負載平衡問題是融合網絡中需要重點研究的問題之一。在我們給出的無線協作Mesh網中，我們對最短路由發現機制進行了改進，搜索多條備份路徑而不是只搜索一條最短路徑。業務發起時，由節點自主地選擇一條鏈路節點負載最小的路徑進行傳輸；或者由基站根據全網當前的負載分配和吞吐量從搜索出的路徑中選取一條路徑指配給用戶。

3.3 路由

融合網絡的路由需求不同于傳統的蜂窩網和Ad Hoc網，其傳輸模式的多元化以及節點類型的多樣化使得現有的蜂窩網和Ad Hoc網路由協議都不能滿足融合網絡的需要。一方面，融合網絡中的多種傳輸模式給路由機制帶來了新的要求，而且傳輸模式間的動態切換也是設計融合網絡路由機制必須考慮的因素之一；另一方面，融合網絡中不僅有預先敷設的基礎網絡設施，而且還可能有一些專門設置的計算能力和存儲能力都更為強大的中繼節點。這些具備完全或部分“中心”功能的節點可以獲得一定覆蓋區域內的節點位置信息和網絡拓撲信息，從而為路由的計算和路徑的選擇起到一定的輔助作用。所以，設計融合網絡路由機制時必須合理地利用這些節點，將分布式路由和“中心節點”的輔助相結合，從而提高全網的性能。

3.4 切換

切換是移動應用最直接的支撐技術。切換包括水平切換和垂直切換兩種，前者指的是同一網絡中不同小區(扇區)之間的切換，后者指異構網絡之間的切換。影響切換性能有兩個因素：小區頻譜規劃和容量規劃，這兩個因素又與業務模型和業務分布密切相關。合理的容量規劃應該以最小化切換阻塞率為優化目標，同時保證最大的剩余容量。當前，移動業務模型不僅具有突發特性，還將具有群發特性。例如火車、汽車等交通工具行駛過程中產生的群體業務切換請求。雖然提高剩余容量可以解決這個問題，但這會浪費網絡資源也會增加小區內新呼叫接入的阻塞率。利用協作切換可以很好地解決這個問題。協作切換的思路簡單地說就是利用協作通信技術進行負載平衡。傳統切換決策通常會在接收信號強度和小區阻塞率兩個參數之間為難，而在無線協作Mesh網中，切換的唯一準則就是接入到業務負荷最輕的臨近小區，利用協作多跳的方案確保接入傳輸的可靠性。

協作切換可以認為是接入點主控和移動端主控兩種方案的折衷，移動端首先發起切換接入請求，業務負荷最輕的接入端根據網絡連通狀態計算路由信息并為移動端指定接入路徑(即指定中繼為移動端提供路由)，同時分配相應帶寬。另外，針對群發業務，可在交通工具上安置無線路由器作為切換請求代理。

4 結束語

異構無線網絡的融合是無線網絡發展的大勢所趨。本文以無線Mesh網和協作通信技術為基礎，給出了無線協作Mesh網這一新的網絡融合架構。該架構基于無線Mesh網的網絡結構，并通過協作通信進一步優化其結構、提升其性能。

無線協作Mesh網能充分發揮Mesh技術高頻譜效率、動態自組織的優點和協作通信高分集增益、高能量效率的優點，為無線網絡融合提供了一種有效的解決方案。

5 參考文獻

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收稿日期：2008-03-03

楊文東，解放軍理工大學通信工程學院在讀博士研究生，主要從事MIMO技術和協作通信技術研究。

蔡躍明，東南大學博士畢業，解放軍理工大學通信工程學院教授、博士生導師，主要從事下一代移動通信關鍵技術的研究。

徐友云，上海交通大學博士畢業，解放軍理工大學通信工程學院教授、博士生導師，上海交通大學兼職教授，主要從事信息論與編碼、無線資源管理和下一代無線通信網絡的研究。`