多跳網絡技術在WiMAX網絡中的應用

　　目前的無線蜂窩系統(tǒng)架構主要依賴于底層設備(基站和接入點)和用戶端設備(移動站)之間的無線鏈路來傳輸語音和數據，這樣就帶來了許多問題。首先，傳輸速率越高導致發(fā)射距離越短，基站能夠覆蓋的面積就越小。其次，未來大部分無線系統(tǒng)都將在大于2GHz頻段上應用，如此高頻段無線電信號的衰減比現有的1～2GHz頻段要嚴重的多，小區(qū)邊緣用戶的服務質量就得不到保證。如果繼續(xù)采取這種網絡結構，將無法適應未來無線應用的要求。雖然智能天線技術和編碼及信號處理技術已經大大提高了系統(tǒng)的性能，但沒有更好的底層架構設備，這些技術本身并不能滿足未來無線系統(tǒng)的要求，尤其是在范圍很大或者用戶很密集的地區(qū)。因此，設計新的網絡構架來彌補傳統(tǒng)的蜂窩網絡的不足已經是一個趨勢。同時，從經濟成本上看，依靠增加基站的辦法成本太高，人們開始考慮能否不增加基站而達到擴展覆蓋面積且減少功率損失的問題。 

　　作為新—代寬帶無線城域網(WMAN)接入網絡的WiMAX(World Interoperability for MicrowaveAccess，特指以IEEE 802.16系列寬帶無線標準為基礎的寬帶無線接入技術)也為此進行了許多研究，并引進了多跳網絡技術來滿足上述要求。

　　1 IEEE 802.16標準中應用的多跳技術

　　IEEE 802.16系列標準分為固定寬帶無線接入空中接口標準和移動寬帶無線接人空中接口標準。其中，802.16、802.16a、802.16d屬于固定無線接入空中接口標準，802.16e以及后續(xù)的一些增補標準(如IEEE802.16j標準)屬于移動寬帶無線接人空中標準。從網絡跳數上區(qū)分，除了傳統(tǒng)單跳網絡模式，IEEE802.16系列標準中還有2項涉及多跳網絡的標準：802.16d(802.16-200-4)標準專門在原有的PMP(Point to Multi-Point)模式上增添了一種可選的多跳網絡模式—Mesh模式；正在制定中的802.16j標準中提出了使用中繼的多跳網絡架構。

　　1.1 IEEE802.16d Mesh模式

　　無線網絡受限于發(fā)射功率的影響，對于一定發(fā)射功率來說，傳輸的數據速率越高，覆蓋范圍會越低。若超過了最大允許發(fā)射功率，發(fā)送機必須降低數據傳輸速率以增加覆蓋距離。發(fā)送功率一般受標準規(guī)范和用戶設備電池的限制，所以在蜂窩系統(tǒng)中鄰近基站的用戶需要采用自適應技術以提供較高的數據速率，但數據速率會隨著與基站間隔距離增加而急劇下降。在IEEE802.16d的PMP模式下，由于工作在10～66GHz頻段，基站和用戶站之間一般采用視距傳輸或準視距傳輸。對于人口密集的城市，由于樹木、建筑物等障礙物的遮擋，許多用戶站無法和基站進行有效的通信，導致覆蓋范圍非常受限制。而在IEEE802.16d的Mesh模式下則不同，其中的每個用戶節(jié)點都是骨干網絡的一部分，可以轉發(fā)其他用戶節(jié)點的信息。這樣可以通過跳經一系列中間結點以提供長的端到端通信距離。在這種模式的網絡中存在2種節(jié)點：Mesh BS節(jié)點、Mesh SS節(jié)點，見圖1所示。Mesh BS節(jié)點(圖中黃顏色圈代表)類似于網絡中的基站，與其他主干網絡相連，作為WiMAX Mesh到外網的接口實現寬帶接入；Mesh SS節(jié)點既可以實現本地用戶的寬帶接入，又可以轉發(fā)其他節(jié)點的數據，把這些數據傳送到目的節(jié)點，作用于一個中繼站。

　　與PMP模式下的基站到用戶站之間的距離相比，Mesh模式下各結點之間的距離相對較短，每一跳可以完成比直接通信高得多的數據傳輸速率，使在長距離的端到端通信系統(tǒng)中同樣能支持高數據傳輸速率。并且每個結點只需傳輸很短的距離，發(fā)送功率相對較小，從而大大降低了系統(tǒng)內的干擾并使頻率復用更加密集。另外，由于可跳經中間結點傳送數據，信號可以繞過障礙物和本地網絡的阻塞物建立健壯的路由。隨著網絡節(jié)點的增加，網絡的覆蓋范圍以及靈活性也會隨之增加，在一定程度上解決了PMP網絡覆蓋范圍受限的問題。

　　在調度方式上，802.16d Mesh網絡可以采用集中調度方式和分布調度方式。如果采用集中調度方式，由Mesh BS節(jié)點收集所有節(jié)點的資源請求信息，分別為它們分配一定數量的帶寬資源；如果采用分布調度方式，包括Mesh BS和Mesh SS在內的所有節(jié)點應該相互協(xié)調，充分利用資源。任何一個節(jié)點發(fā)送數據時，不能和兩跳以內的鄰近區(qū)域的其他節(jié)點發(fā)送的數據產生碰撞。這樣，使得Mesh網絡比其他自組織網絡更實用，更陜更容易地構建和擴展—個無線城域網。

　　作為一項新興的先進技術，目前國內外對此研究仍處于起步階段。由于它的多跳特性，對傳統(tǒng)的MAC協(xié)議、無線資源管理、調度機制和功率控制機制等方面都提出了新的挑戰(zhàn)，諸如多跳網絡特有的碰撞避免機制、無線調度算法、無線路由算法、網絡容量問題、交叉層設計等很多關鍵技術和實現方案都仍需要研究和完善。

　　1.2 lEEE802.16j中繼模式

　　IEEE 802.16j吼際準是移動多跳中繼MMR(MobileMulti-hop Relay),系統(tǒng)規(guī)范，通過在基站信號弱的地區(qū)布建成本相對低的中繼站RS(Relay Station)作為網絡拓展。主要用于擴大網絡覆蓋范圍、提高系統(tǒng)吞吐量和容量等用途，其網絡亦被稱為MMR(Mobile Multi-hop Relay)網絡。標準預計于2008年發(fā)布，它是對IEEE 802.16e標準的增補，將會完全兼容IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。

　　在MMR網絡中，用戶除了可以直接與基站聯系外，還可以通過中繼站轉發(fā)基站發(fā)來的信號，且中繼站還可以通過連接到其他中繼站進行多跳轉發(fā)。中繼站具有雙重角色，對于基站它類似是用戶站；對于用戶站它類似是基站。同IEEE 802.16e相比，在傳播路徑中增加了基站BS(Base Station)至中繼站RS之間的中繼路徑(Relay Link)及中繼站RS至用戶站MS(Mobile Station)之間的的接入路徑(Access Link)，使得網絡成為多跳網絡，且拓撲結構變得更加復雜，如圖2所示。

　　使用中繼的系統(tǒng)一般可以分為2類：解碼-轉發(fā)(decode-and-forward)式的系統(tǒng)、放大-轉發(fā)(amplify-forward)式的系統(tǒng)。解碼-轉發(fā)系統(tǒng)中主要使用的是數字中繼，這種中繼節(jié)點本身有相對簡單的協(xié)議，對接收信號進行解調和基帶處理，將噪聲和干擾盡可能處理掉，然后重新編碼進行調制，生成發(fā)射信號。相反，在放大-轉發(fā)系統(tǒng)中，中繼收到信號后不做其他處理，直接對接收信號做簡單的放大處理后直接發(fā)射，放大信號的同時，干擾和噪聲也被放大。因此解碼-轉發(fā)中繼系統(tǒng)會在下一代移動通信系統(tǒng)中大量運用，在MMR網絡中也將大量應用。

　　從是否支持移動眭上分類，MMR網絡主要使用3種中繼站：固定、游牧和移動中繼站，因而MMR網絡的主要應用場景也基于這3個方面，如圖3所示。固定中繼可以對某一區(qū)域提供長期、穩(wěn)定的覆蓋，它既可以作為基站的補充，對小區(qū)邊緣、建筑物內部、隧道或地下建筑進行覆蓋，也可以為擴展小區(qū)范圍所用，將基站信號延伸到小區(qū)外部；游牧中繼站可以滿足—些區(qū)域臨時性或突然增加的通信需求，如在某些賽事的賽場通常會集中出現突發(fā)的大量話務或數據業(yè)務的需求，而且中繼還可以協(xié)助將業(yè)務負載平衡到鄰近的基站上；移動中繼主要針對某些公眾交通工具上的用戶，由于是群體移動的，在經過不同的小區(qū)時可能產生大量的切換請求，大量用戶分別進行鏈路調整會加重沿途基站的負擔。如果通過中繼接入網絡，則需要切換和調整的僅為中繼站與基站之間的鏈路，終端與中繼之間的鏈路則相對穩(wěn)定。

　　總之，在IEEE802.16j的MMR網絡中，將上述3種類型的中繼站布建于適當的位置，能夠使信號避開不理想的傳輸路徑，進而減少信號衰減，同時在轉發(fā)信號時中繼站再加強其功率，使用戶所收到的信號質量大為改善。

　　IEEE802.16j標準在使用中繼站方式時也面臨許多挑戰(zhàn)，例如在路由、調度機制、資源分配、功率控制、頻率重利用、傳輸層協(xié)議、QoS(網絡負載平衡和擁塞控制)、安全等方面都有許多需要考慮的問題。同時，IEEE 802.16j標準的制定必須在不修改用戶端標準的情況下實現，也是目前工作的難點。

　　2 2 種多跳網絡技術的比較和聯系

　　無線Mesh網絡又稱為無線網狀網，它起源于Ad hoe(無線自組織)網絡。但Ad hoc網絡主要應用于軍事通信，而民用領域中需要開發(fā)出一種無線多跳網絡技術，無線Mesh網絡技術應運而生，并于2000年開始應用于接入網。由于同Ad hoc一樣是采用點到點的聯網形成一個分布式的系統(tǒng)，所以Mesh網絡擁有Ad hoc網絡的所有優(yōu)點，如自我配置和自我修復功能。但它一般不作為一個獨立的網絡形態(tài)存在，而是因特網核心網的無線延伸。該技術于2004年被IEEE802.16標準組所接納，即802.16d的Mesh模式。

　　IEEE802.16j中使用的移動多跳中繼技術，可以使IEEE802.16e提升傳輸速度，擴展覆蓋范圍，進而達到覆蓋區(qū)內客戶端可以獲得—致傳輸速度(uniformdata rate)的特性。這項特性很有可能符合未來4G移動通信技術所要求的目標，而IEEE 802.16 MMR SG是目前唯一把此技術納入標準的機構，因此吸引了許多廠商進入參與制定，成為802.16標準在技術方面的一個新的方向。

　　由于同是多跳網絡架構，它們很多共同點。

　　基礎設施鋪設成本低：從圖4可以看出，無線Mesh網絡同802.16 PMP接入網絡之間只有幾個接入點，這樣可以大大減少網絡基礎設施成本，鋪設速度快，可為無線網絡服務商降低70％～75％的運營和安裝成本。中繼站不需后端有線回程網絡的支撐，可大幅節(jié)省運營商為建設回程網絡所耗費的成本(如道路開挖、電路租用等)，而且中繼站的復雜程度和成本也比基站低很多。因此，雖然其提供的效果可能不如增設微蜂窩，但其低成本與靈活性的優(yōu)勢對運營商仍有其吸引力。

　　高帶寬：在Mesh模式中，各個節(jié)點只與其鄰居節(jié)點進行通信，擁有較高的傳輸速率。在中繼網絡中，用戶節(jié)點通過周圍中繼站的轉接，可得到更大的帶寬。

　　信息傳輸可靠性高：在傳統(tǒng)的PMP模式中，基站作為網絡的中心節(jié)點，成為網絡穩(wěn)定性的瓶頸。如果基站崩潰了，周邊的用戶站節(jié)點也同時失效。在Mesh模式下，網絡可以為每個用戶提供多條傳輸路徑，路由算法和調度程序會為用戶選擇最優(yōu)路徑，從而增加了通信的可靠性，消除了用戶之間通信失敗或鏈路造成的通信瓶頸。用戶可選擇多個接入點中的任何一個接入網絡，所以有很強的容錯恢復能力，如對付由于臨時障礙物或外部干擾。IEEE802.16j中能提供固定、游牧、移動3種類型的中繼站，這些中繼站的使用同樣可為用戶提供多條可選路徑，用戶通過選擇鏈路質量高的路徑得到更加可靠的通信。

　　擴展網絡覆蓋面積，提高網絡容量：Mesh模式通過中間節(jié)點進行接力，可以極大地擴大基站信號的覆蓋范圍。小區(qū)邊緣的中繼站可以將信號擴展到小區(qū)外，而通過多個相鄰的中繼站之間可將信號進行多跳轉發(fā)到更遠的地點。

　　二種多跳網絡技術之間的差異有：拓撲結構差異：從2種網絡的拓撲結構上看(圖5)，IEEE16j多跳中繼網絡是典型的樹形拓撲，比較簡單；IEEE16d-Mesh網絡則融合了星形和網狀2種拓撲。由圖1可知，在IEEE16d-Mesh網絡的集中控制式拓撲圖中也存在樹形拓撲，而IEEE16d-Mesh分布式拓撲圖中則是網狀拓撲結構，故IEEE16d-Mesh網絡的拓撲結構比較復雜。

　　路由方面：由于拓撲上的不同，IEEE802.16j的中繼網絡不像IEEE16d-Mesh網絡或Ad hoc那樣需要復雜的分布式路由算法，體現了中繼網絡的優(yōu)勢；IEEE16d-Mesh網絡架構通過集中式調度和分布式調度的結合，同時具備集中式和分布式的優(yōu)點，如可擴展性強，可靠性強等。

　　支持模式不同：在IEEE802.16標準中，16-mesh模式是固定無線接人空中接口標準下的一種模式，而IEEE802.16j則是屬于移動無線接人空中接口標準。從技術角度上看，IEEE802.16j支持IEEE802.16d的模式，但對于IEEE16d中的mesh模式目前尚不能支持。而IEEE802.16j系統(tǒng)的MMR網絡可以結合Mesh模式生成一種混合PMB與Mesh的拓撲結構，如圖6所示。

　　3 WiMAX網絡中多跳技術的發(fā)展方向——協(xié)同中繼技術

　　未來的B3G／4G移動通信系統(tǒng)不僅要通過多種無線接人技術解決更廣域和更深入的無縫覆蓋，還要能夠為用戶提供高速率的無線接人服務，同時達到網絡的資源利用更加高效的要求，因而必將面臨多種無線接人技術共存和互通的局面。WiMAX網絡中的多跳技術必然要與其他技術進行融合，以期滿足上述需求。

　　在IEEE802.16Mesh模式下，各個Mesh節(jié)點可以通過協(xié)同工作來合作傳輸信息；在IEEE802.16j標準制定中，有提案嗍提出通過使用分布式MIMO(multiple-in-multipie-out)技術進行中繼站之間的協(xié)同傳輸。由此看來，多跳技術和協(xié)同技術的融合將是未來研究的—個熱點。協(xié)同技術是為了生成單一網絡或者單一技術所不具有的能力，通過協(xié)同處理后的網絡或技術的功能大于每個組或部分的功能之和。

　　中繼協(xié)同傳輸如圖7所示。圖中的兩個中繼站RS1和RS2分別負責為移動用戶站MS1、MS2和MS3、MS4服務，并共同為MSO合作傳輸信息。

　　前面提到的分布式MIMO技術是物理層上的一個技術，它是指移動終端之間、移動終端與中繼之間以及終端／中繼與基站之間通過空間分集和復用技術，形成一個虛擬MIMO信道進行協(xié)同合作傳輸，因而又叫做協(xié)同MIMO技術或虛擬MIMO技術。與傳統(tǒng)的MIMO技術不同，分布式MIMO技術的用戶不再使用多天線，而是在多用戶環(huán)境中的單天線用戶。它們在傳輸自己的信息時，也能傳送所接收和檢測到的臨近用戶(即伙伴)的信息，這樣就可以利用合作伙伴的天線與自身天線構成多發(fā)射天線，得到分集增益，形成虛擬的MIMO系統(tǒng)。除了將信號獨立傳輸到各自的目的地外，兩個用戶還可以互相監(jiān)聽各自的傳輸，從而聯合傳輸它們的信息實現協(xié)同通信。

　　在IEEE802.16j的提案中，所應用的分布式MIMO技術主要指多個中繼站之間的協(xié)同通信，如圖8所示。用戶站MS到達基站BS中間需要3跳，經過RS1～RS4中繼站的協(xié)同傳輸，其中，RS1、RS2是負責第一跳的中繼，另外2個負責第二跳，它們共同組成了—個分布式的虛擬天線陣列。這樣，由于空間分集，同一個包的多個副本可以通過多跳中繼同時重傳，而空間復用又可以使得不同的包或同一個包的不同部分通過幾個中繼同時傳輸。

　　使用協(xié)同中繼具有系統(tǒng)兼容性好，復雜性低，不需要改動移動用戶站，只需對基站和中繼站進行小的更新即可實現；由于空間分集，系統(tǒng)可以得到更好的性能，例如可以減少誤比特率；空間頻譜的復用可以減少信道資源的浪費；可以提高系統(tǒng)的健壯性；使用戶站在不同中繼之間的切換變得簡單；利用用戶間的協(xié)作，抵抗無線信道的多徑衰落，克服陰影效應，從而增強通信質量，提高頻譜效率。

　　除了分布式MIMO技術以外，物理層上的協(xié)同技術還包括協(xié)同空時編碼、協(xié)同同步技術、協(xié)同接收技術等。此外，從系統(tǒng)層的角度看，考慮到各種多媒體業(yè)務的特陛、不同的QoS需求、多用戶的應用環(huán)境等因素，如何選擇協(xié)同伙伴是一個關鍵問題。例如什么時候什么條件下進行協(xié)同，哪些中繼節(jié)點間協(xié)同，如何處理可能引起的沖突，如何有效地實現資源的共享、分配與管理，如何進行中繼結點的管理，以及如何進行有效的路由選擇都是未來要研究的關鍵問題。

　　4 結束語

　　采用IEEES02.16系列標準的WiMAX網絡，具有接人速率高、覆蓋范圍大以及支持移動性等一系列優(yōu)點，為寬帶無線接入系統(tǒng)的建構和應用提供了良好的平臺。近年來，以其技術的優(yōu)越性和應用的廣泛性，已經成為電信市場的一大熱點。在WiMAX網絡中使用多跳網絡技術，將解決網絡覆蓋范圍受限的難題，提高網絡吞吐量。同時，通過與其他無線技術(如協(xié)同技術)相結合，多跳網絡技術必將在下一代寬帶無線網絡中發(fā)揮重要作用。