基于环境感知的异构无线Mesh网络体系结构及关键技术

基金项目：国家自然科学基金课题(60772062)；国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题(2009AA01Z241)

    未来无线通信技术将朝着宽带化、移动化、全IP化、异构化及个性化等方面发展，以达到通信的“无所不在”。

    一般认为，未来的无线通信系统将由各种不同的网络融合而成，其中包括未来的蜂窝移动通信网络、无线局域网(WLAN)、移动Ad Hoc网络(MANET)、无线传感器网络(WSN)、卫星网络、公共电话交换网络(PSTN)等。网络融合具有融合增益，体现在：网络间流量均衡、网络分集、覆盖延伸和多样性服务，最终使得无线通信网拥有更大的容量、更好的质量、更经济和更便利的服务。然而，多设备共存、多网共存、多接入技术共存的局面使得网络融合变得困难重重。网络融合分为两个层面：一是在网络拓扑上选择不同网络的融合点，二是在通信过程中选择端到端的路由重置。这两种方法在网络分集和流量均衡上有较大的差异。

    无线Mesh技术的出现为解决不同网络之间的接入问题提供了极大的可能性，并越来越引起国内外学者、专家和研究人员的广泛关注，已成为无线通信领域新的研究热点[1]。在此基础上构建的新型宽带无线网络结构：无线格状网网络(WMN)，即一种高容量、高速率的分布式网络。它不同于传统的任何一种有线与无线网络，具有自配置、自愈合、高带宽、高兼容性、低成本等优点，非常适合于覆盖大面积开放区域(包括室外和室内)。未来的蜂窝移动通信网络、WLAN、MANET、WSN、卫星网络、PSTN等可以通过WMN集成到因特网中。WMN将是未来无线通信领域重大技术革新，将成为未来无线城域网理想的组网方式，是构建B3G/4G的潜在技术之一。

    本文以现有的蜂窝网、WLAN、Ad Hoc 3种典型的网络环境为组成元素，研究集无线环境感知、协作通信与网络融合于一体的异构无线格状网(Mesh)网络体系框架及其相关理论与技术问题。着重研究基于跨层策略和虚拟MAC技术的异构无线Mesh网络体系结构、动态监测网络环境的无线环境感知技术和充分利用无线资源的动态频谱接入技术[2]；实现既能提高网络容量和带宽效率，又能保证服务质量(QoS)的协作通信机制[3-4]和多无线电[5-6]的协作接入方案。并在此基础上，搭建通信仿真平台，对提出的技术方案进行实验验证和网络性能分析。

1 异构无线Mesh网络构架
    传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻的其他网络节点，以无线多跳方式相连。无线Mesh网主要由两种网络节点组成：Mesh路由器和Mesh终端。Mesh路由器是Mesh网络的关键设备，具有无线路由器、无线接入点和网管的复合功能。作为路由器，Mesh路由器为底层的Mesh终端设备提供分组路由和转发。作为接入点，Mesh路由器能将无线网络接入核心网，使装有无线网卡的终端设备可以通过Mesh路由器共享核心网络的资源。Mesh路由器通常具有多个无线接口，这些无线接口可以是基于相同的无线接入技术构建，也可以是基于不同的无线接入技术构建。在无线Mesh网络中，Mesh路由器互连构成无线骨干网。无线骨干网通过其中的网关Mesh路由器与外部网络，如Internet相连。Mesh终端也具有一定的Mesh网络互连和分组转发功能。

    其实Mesh网络结构对我们并不陌生，现在的因特网已经体现了Mesh网络的特质。位于网络边缘并已接入因特网的用户，由于他们之间的通信借助网络内部的路由器和节点完成，而途经的路由器和节点又是不固定的，当任意一条链路失效后，通过因特网路由策略，网络会找到其他替代路径。因此无线Mesh网络也可以看成是因特网的一种无线版本。

    采用如图1所示的Mesh网络结构中的每个节点都具备路由功能。每个节点都能和邻近节点进行通信。理论上来说，所有的终端如有必要，都可以接入到任何网络中，得到任何的服务(通过直接接入，或多跳接入，跳到多模的设备即网关为止)。图1中的任何示意连接都是可能的，而不是必须的。任何终端之间，任何终端和任何接入点(AP)之间的连接(基于单跳或多跳)都应该是基于服务、网络状态、终端性能而言最优化的路由连接。这种方法可以允许任意终端通过分布式的多个节点接入任意网络，从而实现了网络在拓扑结构上的深度融合[7-8]。

1.1 协议框架结构
    异构无线Mesh网络体系将会为用户提供一个通用的服务体系，满足用户随时随地的不同需要的多元化业务需求。它将使得不同形态的网络协同工作，通过不同网络的差异和互补性来实现资源的有效整合，使其充分发挥局部优势。从协议栈的角度看，为了实现异构网络融合，人们设计了两种不同的融合方案，如图2和图3所示。图2是在链路和网络层之间，增加通用链路层形成虚拟媒体访问控制(MAC)的融合方案。图3是在传输层之上增加异构适配层实现融合的方案。显然图2方案主要是在接入方式上实现融合，而图3方案具有业务融合功能，更复杂些。本文以图2为例说明基于异构无线Mesh网络的整体协议框架。

    (1)协作控制层
    由于多跳路由和异构网络的存在，简单网络融合下的多模终端垂直切换(网络再选)就变成了路由选择和端到端路由重构的问题(路由和网络在通话过程中的再次选择)。使用协作控制层(CC)来完成基于环境感知和语义命名的路由选择，并基于多种动态触发条件来完成端到端的路由重构，实现异构网络在通信链路选择上的深度融合。

    (2)通用链路层
    数据链路层之上增加通用链路层(GLL)的主要作用包括：作为多种接入技术汇聚子层，对上层提供统一的接口，屏蔽下层多种网络的不同接入环境；控制和补充各种接入技术的MAC层功能，即能有效利用多系统无线资源。

    (3)虚拟MAC层
    多种MAC层构成了虚拟MAC，用来适配不同的物理层接入控制。所提出的虚拟MAC不是多种MAC的简单罗列，而是有机融合了蜂窝通信网的调度技术、IEEE 802系列的资源竞争技术等，并重新为异构无线Mesh网络优化设计MAC层。

    (4)多种物理层
    框架提供多种网络物理层传输接口。包括点对点的超宽带(UWB)传输，蜂窝通信网的物理层空中接口和IEEE 802系列的物理层接口。分布式无线资源管理能有效地利用无线资源，保证异构网络下的多种业务的QoS以及功率控制、网络安全等多种目标都分解在各层协议中完成。协议设计使用跨层优化的方法。

1.2 体系结构层支撑关键技术
    (1)异构无线资源的表达和量化
    就资源划分和占用的角度而言，不同的无线电系统可以分为两类，即频谱带宽受限型系统和链路质量受限型。在频谱带宽受限型系统(如FDMA和TDMA)中，资源的表达量化较为简单，有可以明确的资源表达，如频谱带宽，且TDMA无线网在MAC层分配资源时，主要是按时间分配频谱带宽，即分配时隙。而CDMA系统是链路质量(如误码率)受限系统，即系统容量取决于用户的链路质量要求。用户通过扩频占据整个系统的频谱带宽，难以通过直观地分配带宽而保证各个用户的QoS。引入基于误码率(BER)的多用户调度法：即采用基于BER的时分多址方式调度用户占用不同的时隙进行信息传输。

    (2)业务的QoS保证问题
    服务质量QoS在不同的层有不同的表示，但归根到底是取决于物理层的误码率和传输时延。通过发送概率控制能使得发送的信息量少于或等于系统的链路容量，从而保证链路质量要求。但是仍难以保证信息包的发送时延，因此必须合理限制网络中呼叫或会话的数量。通过把用户对链路的质量要求映射成其占用的等效带宽，将不同系统中资源的分配映射成为等效带宽的分配，使得各种网络的资源分配如同FDMA中分配频道一样直接和简单；且通过联合优化，使得MAC层对发送时延的要求能体现在网络选择中预留资源的约束上，从而使得QoS(尤其是实时多媒体业务的QoS)得以保证[9]。

2 异构无线Mesh网络中的协作通信技术
    协作通信通过协作分集(如图4所示)借助多用户之间共享天线和其他网络资源的形式构造“虚拟多天线阵列”，并通过分布式处理产生协作来获得一定的空间分集增益，为多输入多输出(MIMO)多天线技术走向实用提供了一条新的途径。由于Mesh网络多跳和多路径的特点，很适合采用协作通信技术。由于允许不同的用户和节点共享彼此的天线和其他网络资源，协作通信系统通过分布式传输和处理实现合作，可望大大提高无线网络容量和复用增益，对降低选路问题的复杂性和实现无线无缝组网颇有益处。未来协作通信理论与关键技术的研究必须面向多用户，使多个通信实体之间通过协作来提高工作能力及效率，共同完成通信任务，以达到“整体大于部分之和”的效应。针对异构无线Mesh网络环境，研究既能提高网络容量和带宽效率又能保证通信QoS的协作通信机制十分必要。

    为解决“如何协作”问题，着重做了3个方面的研究。

    (1)物理层空时编码协作
    物理层空时编码协作技术研究异于传统单节点多天线MIMO系统的多用户协作通信分布式空时编码技术。鉴于传统编码协作无法获得较高的增益，在多用户编码协作中引入空时分集，可在快衰落信道下获得协作分集增益与编码增益。研究基于空间分集的分布式空时分组编码(D-STBC)和基于空间复用的分布式垂直型贝尔实验室分层空时编码(D-VBLAST)及其低复杂度空时译码算法。在此基础上，研究多节点分布式编码的分集复用折衷(DMT)技术，实现复用与分集的最佳折衷[10]。

    (2)协作多包接收
    协作多包接收技术是一种融时间分集、空间分集、网络辅助分集于一体的新的跨层协作多包接收方法。为精确评估基于网络辅助分集多址接入(NDMA)的协作多包接收机制的性能，将非理想冲突检测引入ALLIANCES机制，对系统性能进行理论分析，提出一种新的检测器的门限选择方法[11]。

    (3)上层协作协议
    上层协作协议是一种高效的协作MAC方案。它在IEEE 802.11协议的基础上引入了协作分集思想，通过跨层提取物理层的信道信息，选择出一个距源节点信道条件最佳的节点作为中继共同转发数据。目的节点在接收源节点数据失败时，可以接收中继节点转发的数据。该方案可以明显提高吞吐量，有效降低时延。

    为解决“与谁协作”的问题，着重研究了协作中继选择方法，提出了基于放大重传和解码重传下最佳协作中继的选择准则，并结合跨层协作的思想，给出了基于MAC层最佳协作中继选择的分布式协议。所提出的协作中继选择准则明显优于传统中继选择准则，且协作传输方案可以获得明显的分集增益，系统平均误比特率显著下降。

    为评估“协作效果”，着重研究了在多用户协作通信资源分配中，资源受限条件下，协作MIMO系统不同优化目标下的节点最优功率分配问题。在最大化容量准则、最小化符号差错率准则下，节点间不同协作策略(如放大前传、选择解码前传、解码前传等)和不同协作中继数对节点最优功率分配的影响。进而研究利用物理层与协作MAC层的跨层优化机制实现分布式中继选择策略，以获得最大化协作分集增益。

3 异构无线Mesh网络中的频谱感知与动态频谱接入技术
    异构无线Mesh网使得无线节点或接入点与其他节点间的通信可以不经过一个中心交换点而直接进行，于是通信将在无中心控制下进行。这使得网络具有自修复和自组织功能。由于Mesh网络所具有的短距离特征，更有可能使用更高端的频谱。在低发射功率和多跳结构下，当所使用的频谱一定时无线Mesh网可以增强系统的平均频谱利用率。当网络用户数增大时，无线Mesh网络可以达到较高的系统容量，可以支持高速率数据、视频和语音等各种宽带业务。与此同时，不同业务和不同接入方式的不断增长，使得频谱资源越来越紧缺。日益多样化的无线业务对无线频谱资源的需求不断增长，导致可用频谱资源日益紧缺，另一方面大量授权的无线频谱却被闲置或者利用率极低，动态频谱接入技术于是应运而生。

    认知无线电(CR)是频谱资源复用的关键技术，可大大提高无线频谱利用率、实现动态频谱接入。因此采用具有认知功能的无线Mesh节点，即认知用户(也称次用户)，通过动态频谱接入技术可以在不干扰主用户的情况下，识别、搜索、感知并使用瞬时的频谱机会，以瞬时机会或随机接入为手段进行通信，构成新型的认知无线Mesh网络。无线Mesh节点可实现频谱共享，从而提高频谱利用率，进一步提高Mesh网络的通信容量与通信质量。

    为解决“频谱感知”问题，着重做了3个方面的研究。

    (1)认知无线电合作频谱感知
    认知无线电合作频谱感知技术提出了一种新型两人纳什议价合作感知NBS算法。利用合作感知信息，自适应地调节能量检测门限，可有效地提高数据可信度，且使感知数据的被检测率显著提高。

    (2)基于天线选择的多天线频谱感知
    基于天线选择的多天线频谱感知技术利用认知多天线的感知信息，根据认知用户与主用户之间信道的差异，通过多天线的空间分集，选择部分使得检测概率最大化的天线进行合作检测。合作检测可有效地提高感知数据可靠性，使感知数据的检测概率显著提高。

    (3)认知无线电中的分集与协作频谱感知
    认知无线电中的分集与协作频谱感知技术研究并分析了在瑞利衰落环境下的协作频谱感知的检测概率以及分集频谱感知结果。

    为解决“频谱接入与共享”问题，着重做了3个方面的研究。

    (1)基于合作博弈的认知无线电频谱分配算法
    基于合作博弈的认知无线电频谱分配算法根据不同CR用户在频谱感知中做出的不同贡献，使用合作博弈论中的非对称纳什协商模型构造了效能函数。算法实现了多用户的两两最优匹配和两用户间的纳什协商新算法，不仅考虑了公平性和有效性的问题，而且鼓励认知用户积极参与频谱感知，从而最大化频谱感知的结果[12]。

    (2)基于非合作博弈的认知无线电频谱分配算法
    在高斯干扰信道中，自私理性的用户贪婪地扩展自身所占频谱空间。基于非合作博弈的认知无线电频谱分配算法分析和构建了高斯干扰信道中优化频谱分配的重复囚徒困境模型，通过生物进化策略实现优化的频谱分配，使竞争变为合作，从而得到全局优化的频谱共享性能。

    (3)基于最优化理论的分布式认知无线电机会调度算法
    在速率、公平性和干扰等相关调度准则下，采用离散随机逼近算法解决优化的传输模式选择问题，得到的系统最大速率和、最小干扰和最大比例公平性不仅很好地实现了对真实最优值的逼近，而且最佳的实现了各自的性能指标。

    为解决“功率控制”问题，着重做了3个方面的研究。

    (1)认知无线电合作功率控制算法
    认知无线电合作功率控制算法是一种基于纳什议价的合作功率控制博弈算法。算法降低了认知用户之间的相互干扰，提高了系统整体性能，实现了认知用户共享频谱资源的公平性，在相同的功率消耗时，获得的网络吞吐量显著提高。

    (2)认知无线电非合作功率控制算法
    认知无线电非合作功率控制算法针对用户的信干比(SIR)需求和单位功率网络吞吐量需求，提出一种非合作功率控制(NPCG)算法。NPCG算法根据干扰变化和用户SIR需求灵活地控制发射功率和输出SIR，有效地提高了单位功率网络吞吐量，并保障了不同认知用户SIR要求[13]。

    (3)认知无线电跨层链路设计技术
    认知无线电跨层链路设计技术结合TPCG功率控制算法、带宽分配和自适应调制技术，提出一种基于自适应调制的功率控制算法，以充分地利用无线资源，实现频谱带宽的有效管理，降低认知用户之间的干扰，有效提高网络吞吐量。

4 异构无线Mesh网络软硬件验证平台设计与实现
    本文设计并实现的异构无线Mesh网络验证系统平台，采用图3的协议体系结构。系统中除了包含终端设备和接入服务器(包含所有设备管理地址服务器)，还在接入服务器中引入具有静态IP地址的服务器。为了实现系统中各种设备的功能，采用了分层设计的思想。硬件平台的两种节点：Mesh路由器节点和Mesh终端节点中都有核心控制模块、存储模块、以太网控制模块，由于这些模块都是固定的，因此将这些模块做在一块核心板上，引出控制线、数据线、地址线和I/O功能扩展线，在其外围根据设定的功能加上不同的接口和模块合成一块扩展板。

    具有网络感知功能的WMN硬件平台主要的部分是接入服务器和3种手持终端。其中接入服务器分为核心板和扩展板两个部分。核心板主处理器采用S3C2410X处理器。S3C2410X内部集成了微处理器和一些手持设备的常用组件。S3C2410微处理器是一个多用途的通用芯片，内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域。核心板主要硬件包括核心CPU、FLASH、SDRAM、以太网卡设备等；扩展板包含：GPRS模块(蜂窝网接入模块)、蓝牙模块、DSP模块、WLAN模块(无线局域网接入模块)，各个模块结合供电模块、TFT/触摸屏模块等构成手持终端。软件采用Linux系统作为软件开发系统，提供对当前TCP/IP协议的完全支持，并支持许多热门的网络协议，如蓝牙协议、IPv6协议。基于Linux系统设计系统通信流程，采用通用C程序编写系统程序，我们构建了系统软件平台，最终通过软、硬件联调完成异构无线Mesh网络系统验证平台设计，实现异构设备的互联互通达到网络融合的目的。由于平台是在传输层之上通过增加通用适配层实现异构网络融合的，所以平台成功有效地实现了异构设备间的业务：文件和语音业务的传送。

5 结束语
    本文以现有的移动蜂窝网、WLAN、Ad Hoc网络3种典型网络环境为组成元素，研究集环境感知、协作通信与网络融合于一体的异构无线Mesh网络体系架构及其相关理论与技术问题，实现了各种异构网络的兼容和融合，达到了网络间流量均衡、网络分集、覆盖延伸和多样性服务，显著提高了无线通信网的容量和质量，提供了更经济和更便利的服务。着重研究了基于跨层策略和虚拟MAC技术的异构无线Mesh网络体系结构、异构环境下的多无线电协作通信机制、无线频谱环境感知和动态频谱接入技术，设计并实现了异构无线Mesh网络验证平台。在研究过程中，采用了理论分析、计算机仿真和实验平台相结合的研究手段，从理论和实际应用两个方面对所研究的课题进行了深入的探讨，并从中取得了一些具有理论指导和实际价值的研究成果。
总之，基于环境感知的异构无线Mesh网络的体系结构和关键技术研究是一个具有巨大市场前景的前沿课题。
如何进一步融合感知、协作等新的实用技术来提高网络性能，进而推动无线异构Mesh网络的演进与发展，对实现新一代无线宽带通信系统具有重要的意义，在新一代无线通信网络中具有非常广阔的应用前景。

6 参考文献

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收稿日期：2010-04-06

[摘要] 文章以蜂窝网、无线局域网(WLAN)、Ad Hoc网络3种典型网络环境为组成元素，研究集环境感知、协作通信与网络融合于一体的异构无线格状网(Mesh)网络体系架构及其相关理论与技术问题。文章设计与实现的软硬件平台，不仅达到了各种异构网络的兼容和融合的目的，而且显著提高了无线通信网的容量和质量，可提供更经济和更便利的服务。

[关键词] 异构无线Mesh网络；网络融合；环境感知；协作通信；软硬件平台

[Abstract] Through ambient, cooperative communication and network convergence, it is possible to integrate cellular networks, WLAN, and Ad Hoc networks into a heterogeneous wireless mesh network. This paper introduces the architecture and key technologies of such a network. The design and implementation of its software and hardware platform can bring about heterogeneous network compatibility and integration, and can also significantly improve the capacity and quality of wireless communication networks. This provides more convenient and economical services.

[Keywords] heterogeneous wireless Mesh networks; network convergence; ambient; cooperative communication; software and hardware platform