基于Wireless Mesh技术的宽带无线接入系统

http://www.51cto.com 2006-05-16 15:09 出处:山东通信技术
【导读】宽带无线接入技术是目前研究的一个技术热点，本文介绍了一种新的基于Wireless Mesh技术的宽带无线接入系统，其中包括它的结构，优点和几个关键技术, 最后介绍了这种技术目前的发展状况。
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1 引言
最近几年来宽带无线接入技术引起了人们的广泛关注，相对于其它宽带接入技术，宽带无线接入系统投资少，建设周期短，提供业务快，具有很多优点。IEEE委员会为此专门制定了IEEE802.16标准，提出了一种采用PMP网络结构的宽带无线接入解决方案，但是采用PMP结构，必须确保视距传输，对于人口密集的城市，由于存在高楼、树木等许多障碍物，导致覆盖范围非常受限，所以在后来制定的IEEE802.16a标准中，又提出了一种基于无线Mesh技术的宽带无线接入解决方案，无线Mesh网络实际上是一种高容量高速率的多点对多点网络，它是一种新型的可以解决"最后一公里"瓶颈问题的分布式网络。
Mesh网络不同于传统的无线网络，因为其中的每个用户节点都是骨干网络的一部分，可以转发其它用户节点的信息，并且随着网络节点的增加，网络的覆盖范围以及灵活性也会随之增加。
2 基于Wireless Mesh技术的宽带无线接入网络构成
在这种网络结构中，所有的BS和SS都称为节点。网络中存在两种节点：Mesh BS节点和Mesh SS节点，Mesh BS节点类似于PMP网络中的BS，它和其它主干网络相连，实现宽带接入；Mesh SS节点既可以实现本地用户的宽带接入，又可以转发其它节点的数据，把这些数据传送到目的节点，作用类似于一个中继站。Mesh网络拓扑结构与PMP网络结构最大的差别在于：在PMP网络中，只有BS和SS之间可以直接通信，而在Mesh网络中，SS之间也可以直接通信，并且BS和SS之间可以通过其它的SS间接通信。与一个节点直接相连的节点称为这个节点的邻居节点，它们之间的距离称为"一跳"。
在使用Wireless Mesh技术构建的网络中，网络中的每个节点都具备路由选择功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种自组织和自管理的网络。实际上，Wireless Mesh网络更像是Internet本身的一种无线版本，分组数据从一个路由到另一个路由进行传递直到到达其目的地，这些特点使Wireless Mesh网络与传统的蜂窝通信网络和固定通信网络有着显著区别。
3 基于无线Mesh技术的宽带无线接入网络的优点
在过去的几年里，宽带无线接入系统大多采用的是PMP结构，它能够支持较高的数据速率，多个用户共享网络资源，但是它的覆盖范围较小，工作在微米波段，基站BS和用户站SS之间需要视距传输，大大减少了能够提供服务的用户数，容量受限，当用户增加时，需要增加新的BS设备来保证视距传输，这需要花费很大的代价。而对于基于Mesh结构的宽带无线接入网络来说，用户数增加时，由于每个用户站可以作为一个中转站，潜在地增加了网络的覆盖范围。对运营商来说，采用无线Mesh网络比采用PMP网络具有以下优点：
（1）网络覆盖范围增大，频谱利用率提高，系统容量增加。
（2）Mesh网络结构特有的多路由选择特性提高了网络的柔韧性和可用性，当某条路径出现错误时，可以选择其它的路径。
（3）网络具有可伸缩性，易扩容，初期建设费用低，投资成本大约是PMP网络的15%。
（4）投资风险相对较小，在较短时间内即可收回成本获得盈利。
总之，这种技术比起传统的点对多点来具有诸如节能、自动配置和易扩容等很多优势，很多公司已经开始将Wireless mesh技术用以宽带网络接入，并且相关的无线路由器等产品也已开始商用。
4 基于Wireless Mesh技术的宽带无线接入网络的几个关键技术
采用Wireless Mesh宽带接入网络确实可以解决PMP宽带无线接入网络存在的一些问题，但是它也存在自己的问题，其中有几个关键技术问题需要进一步研究解决。
4.1 天线技术
Wireless Mesh宽带接入网络中一个重要的问题就是天线的使用，因为每个节点必须和各个方向上的多个节点通信，很简单的一种方式就是采用全向天线，但是这样覆盖范围有限，并会带来干扰，导致频谱利用率下降，减小网络的容量。所以不建议采用全向天线，美国的SkyPilot公司将智能天线技术应用与Wireless Mesh网络，允许频谱重复使用，从而大大提高了频谱的利用效率，同时减小了干扰。
4.2 路由选择技术
Wireless Mesh宽带接入网络中另外一个很重要的问题是路由选择问题，例如从某个节点A到达其它的节点B，可以经过不同的用户站中转，于是就存在多条路径，选择哪条路径就成为一个关键问题，这将直接影响系统的性能。而且，当节点增加或是减少时，Wireless Mesh网络的拓扑结构就会发生变化，路由选择问题变的更加复杂。采用Wireless Mesh技术，还会带来"隐藏终端"问题，这些都需要进一步研究解决。实际上，Wireless Mesh技术可以看作是Ad hoc技术的简化版本，所以可以参考Ad hoc网络中相应的解决方法来解决Wireless Mesh宽带接入网络中的这些问题。
4.3 动态带宽分配技术
宽带无线接入系统的频谱资源有限，因此必须使信道资源尽可能充分地被用户利用。在IEEE 802.16标准中规定的点对多点宽带无线接入网络中采用了动态按需时分多址分配方式（DAMA-TDMA）, 在这种网络中资源的管理和分配由BS负责，而在IEEE802.16a标准中规定，对于基于Wireless Mesh 技术的宽带接入网络，带宽的分配可以采用集中式调度方式，或者采用分布式调度方式。如果采用集中式调度方式，由Mesh BS节点收集所有Mesh SS节点的资源请求信息，分别为它们分配一定数量的带宽资源。如果采用分布式调度方式，包括Mesh BS和Mesh SS在内的所有节点应该相互协调，充分利用资源。任何一个节点发送数据时，不能和"两跳"以内的邻近区域的其它节点发送的数据产生碰撞。
5 目前发展状况
Wireless mesh技术应用于宽带无线接入还是刚刚开始，但是Wireless mesh技术在其它方面已经获得了初步应用，比如在日本的Nankoku市已经使用Wireless Mesh连接了13个小学、4个中学和18个市政建筑。美国MeshNetworks公司也已经开发了相关的无线硬件和智能路由软件，其构建的Wireless Mesh网络支持诸如手机和笔记本等移动终端，这些终端可以自由接入或退出网络，当两个或更多终端退出网络范围时，还可以组成自己的微型网。
新颁布的IEEE802.16a标准中已经明确提出把Wireless Mesh技术应用于宽带无线接入领域，已经引起了业界的关注，它会对目前用于驻地用户宽带接入网络的DSL技术和电缆技术带来很大的竞争压力，很多公司已经开始将Wireless mesh技术用以宽带网络接入，并且相关的无线路由器等产品也已开始商用。如诺基亚公司推出的无线路由器可以安装在屋顶上，其产品目前已经获得超过50家运营商的青睐，他们将借此建立以用户为基础的高速无线网络。另外，Wireless Mesh、智能天线和UWB技术的融合更是将深刻影响无线宽带接入的未来。
6 结束语
本文简单介绍了一种新的基于Wireless mesh技术的宽带无线接入系统，重点讨论了它的优点以及其中的几个关键技术，采用Wireless Mesh技术，由于其不会受到基站覆盖范围的限制，很大程度上增加网络的覆盖范围，并且投资风险小，网络的可伸缩性和灵活性较大，有望给无线宽带领域带来重大变革。