IP化基站无线Mesh组网构架

摘要：无线网状网(WMN)融合了无线局域网(WLAN)和Ad Hoc网络的性能优势，具有容量大、速率高、覆盖范围广等特点，成为宽带无线接入的一种有效手段，可以灵活地应用于多种无线环境。目前，蜂窝移动通信系统中各基站间的有线连接，使得传统的蜂窝移动通信系统难以满足部署方便、成本低廉、高可扩展性、高可靠性等指标。为适应下一代移动通信网络扁平化、简单化的发展趋势，IP化基站的无线Mesh组网架构是可选方案之一。支持IP化基站自组织的关键技术包括按需的基站自组织技术、联合无线资源调度机制、路由技术、安全技术、网络管理技术等。

关键词：无线网状网；宽带无线接入；IP化基站；自组织

Abstract:Combining the performance advantages of both Wireless Local Area Network (WLAN) and Ad Hoc network, the Wireless Mesh Network (WMN) is characterized by large capacity, high rate and wide coverage. It has become an effective means for broadband wireless access and can flexibly be applied in various wireless environments. The wired connections between base stations in traditional cellular mobile communications systems can no longer satisfy the requirements for flexible deployment, low cost, high scalability and good reliability. The wireless Mesh architecture for IP based base stations is thus introduced as an optional solution to support the flat and simplified next generation mobile communications network. The key technologies used to support self-organizing of IP based base stations involve several aspects, including self-organizing of base stations on demand, joint radio resource scheduling mechanism, routing, security and network management.

Key words:wireless Mesh network; broadband wireless access; IP based base station; self-organizing

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60632030)

在移动通信从2G向3G的发展过程中，涌现出了许多无线技术：如GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、HSDPA/HSUPA、3G的增强系统、802.11a/b/g、802.16、WiMAX、蓝牙、超宽带(UWB)、 DVB-T/H、 Zigbee、传感器网络、RFID等等。各种无线接入技术为用户提供了灵活便捷的接入环境，使用户体验到了无处不在的通信网络。可以预见未来的移动通信系统将不再是单一结构的网络，而是多种无线网络的融合。如何突破蜂窝网络结构的局限性，构建低成本的下一代无线网络将是实现异构网络互通与融合的关键问题之一。同时无线网状网(WMN)因其所具有的宽带性、无线汇聚功能、自组织、自管理、鲁棒性等独特的性能，正受到越来越多的关注。因此WMN这种网络架构极有可能成为构建下一代移动通信网络的潜在技术之一。目前它已被业内普遍认为是无线网络技术的一个发展方向。

1 无线Mesh网络的结构与特点

在无线Mesh中包括两种类型的节点：无线Mesh路由器和无线Mesh终端用户。无线Mesh网络主干由呈网状结构分布的路由器连接而成。WMN有两种典型的实现模式：基础设施Mesh模式和终端用户Mesh模式。在基础设施Mesh模式中，Internet的接入点(IAP)和终端用户之间可形成无线的闭合回路。IAP通过路由选择及管理控制等功能，为移动终端选择通信的最佳路径。同时，移动终端通过IAP可与其他网络，如Wi-Fi、WiMAX和传感器网络等互联，提高网络自身的兼容性。在终端用户Mesh模式中，终端用户以无线方式形成点到点的网络。终端设备可以在没有其他基础设施的条件下独立运行，并且可以支持移动终端较高速地移动，快速形成宽带网络。终端用户具有主机和路由器的双重角色：一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器运行路由协议，参与路由发现、路由维护等操作。根据Mesh路由器和Mesh客户端这两种类型节点功能的不同，WMN的系统结构可以分为3类：一类是骨干网Mesh结构(分级结构)，一类是客户端Mesh结构(平面结构)，以及它们的混合结构[1-2]。

1.1 无线Mesh网络结构

骨干网Mesh结构由Mesh路由器组成的可以自配置、自愈的链路来充当，通过Mesh路由器的网关功能与因特网相连，为客户端提供接入服务。骨干网Mesh结构如图1所示。终端节点设备通过下层的Mesh路由器(相当于各接入网络中的中心接入点)接入上层Mesh结构的网络中，实现网络节点的互联互通。这样，通过网关节点，任何终端都可与其他网络连接，从而实现无线宽带接入。这样不仅降低了系统建设的成本，也提高了网络的覆盖率和可靠性。该网络结构能够兼容市场上现有的设备，但任意两个终端节点间不具备直接通信的功能。

客户端Mesh结构由Mesh客户端组成，是在用户设备间提供点到点服务的WMN。客户端组成一个能提供路由和自配置功能的网络，支持用户的终端应用，其结构如图2所示。网络中所有的节点是对等的，具有完全一致的特性，即每个节点都包含相同的媒体访问控制(MAC)、路由、管理和安全等协议，这些节点不仅具有客户端节点的功能，也具有能够转发业务的路由器节点的功能。显然，网络中的节点不能兼容现有的多种无线接入技术，并且其单一的结构决定其不适合大规模组网。因此只适用于节点数目较少且不需要接入到核心网络的应用场合。

混合结构WMN如图3所示，Mesh客户端可以通过Mesh路由器接入骨干Mesh网络。这种结构提供了与其他网络的互连功能，如因特网、WLAN、WiMAX、蜂窝和传感器网络。同时，客户端的路由能力增强了网络的连通性，扩大了覆盖范围。这时的终端节点已不是现有的仅支持单一无线接入技术的设备，而是增加了具有转发和路由功能的Mesh设备，设备间可以直接通信。通常要求终端节点设备具备同时支持接入上层网络Mesh路由器和本层网络对等节点的功能。

在支持无线网状拓扑结构的标准中，802.11s[3]采用了树形多跳网状网以及Ad Hoc方式多跳网状网两种基本结构，并定义了Mesh节点(MP)、Mesh接入点(MAP)、传统WLAN站点3种节点。在Ad Hoc方式多跳网状网结构中，没有起集中控制作用的中心节点，网络中MP和MAP节点的地位是平等的，并具有类似于狭义Ad Hoc网络移动节点的功能，即节点可以是数据源产生数据分组，也可以转发来自其他节点的分组。节点间所形成的无线P2P网络，不需要网络基础设施的支持。802.16[4]定义了两种网络拓扑结构：点对多点(PMP)和网状网。通过网状结构以实现网络的全覆盖，结构如图4所示。网状网络由称为Mesh基站(WiMAX基站)的中心节点控制。中心节点可以与网状网络外的回程设备建立起直接链路，作为连接到外网的接口。

1.2 无线Mesh网络的特点

无线Mesh网络是多跳与多点到多点结构的融合，具有以下几个重要特点[5]：

(1)多跳的结构。在不牺牲信道容量的情况下，扩展当前无线网络的覆盖范围是WMN的最重要的目标之一。WMN的另一个目标是为处于非视距范围的用户提供非视距连接。Mesh网络中的链路比较短，所受干扰较小，因此可以提供较高的吞吐量和较高的频谱复用效率。

(2)支持Ad Hoc组网方式，具备自形成、自愈和自组织能力。WMN灵活的网络结构、便利的网络配置、较好的容错能力和网络连通性，使得WMN大大提升了现有网络的性能。在较低的前期投资下，WMN可以根据需要逐步扩展。

(3)移动特性随Mesh节点类型的不同而不同。Mesh路由器通常具有较小范围的移动性，而Mesh客户端既可以是静止不动的节点，也可以是移动的节点。

(4)支持多种网络接入方式。WMN既支持通过骨干网接入的方式，又支持端到端的通信方式。此外，WMN可与其他网络集成，为这些网络的终端用户提供服务。

(5)对功耗的限制取决于Mesh节点的类型。Mesh路由器通常没有严格的功耗限制，但Mesh客户端需要有效的节能机制。

(6)与现有无线网络兼容，并支持与WiMAX、Wi-Fi和蜂窝网络等的互操作。

2 IP化基站组网构架

目前蜂窝移动通信系统中各基站间有线连接的限制以及基站与其他外部网络间通信节点过多的制约，使得传统的蜂窝移动通信系统难以满足部署方便、成本低廉、高可扩展性、高可靠性等指标要求[6]。而下一代移动通信网络的结构具有扁平化、简单化的趋势，链路上的节点数将继续减少，但各节点的功能将进一步增强。这在长期演进(LTE)接入网络的构架中已有体现。演进的通用移动通信系统陆地无线接入网(UTRAN)采用了全IP的网络架构，减少了网络实体和接口数目。它包括多个增强节点(eNB)，取消了之前版本的无线网络控制(RNC)实体，其功能部分放在了节点或核心网中，这样大大简化了系统结构。功能加强的eNB通过X2接口互相连接，相互进行数据和信令交互。从而降低了信令交换时延，提高了系统效率[7]。进一步，未来的基站有可能是通过无线相连接，一方面具有传统基站的功能，为终端提供无线接入、无线资源管理等功能；另一方面，基站又具备无线路由器的功能，通过网关可直接接入IP核心网络。

图5给出了一种IP化基站的无线Mesh组网架构。该结构采用扁平化的组网方式，基站通过网关可以直接与IP核心网相连。图5中的IP化基站除了具有传统基站的功能外，还新增加了Mesh路由实体，从而使得基站间的通信摆脱有线连接的限制，极大地方便了基站间的自组织，使得多基站间的资源能统一协调、管理及分配，能够优化系统全局性能；此外，该路由实体可以根据负载平衡的路由技术，为终端的接入选择恰当的路由路径，从而极大地提高系统容量，降低系统成本。从图中可以看出，IP化基站能够直接连接到网关取得与IP核心网的联系，同时，也能够形成IP化基站簇，通过簇首基站与IP核心网连接以实现整个基站簇与核心网的互通，完成不同接入网间的协同工作。

3 IP化基站无线Mesh组网的关键技术

IP化基站无线Mesh组网的关键技术[8-11]包括：按需的基站自组织技术、联合无线资源调度技术、路由技术、安全技术、网络管理技术等。

3.1 按需的基站自组织技术

为提高网络的抗毁性和可靠性、资源利用的高效性，需要研究基站间自组织策略，包括基站之间的发现机制、协商机制。基站将根据设备状况、资源及业务负载，按需进行网络配置、资源分配和管理。

在基站自组织策略中，可以引入基站簇的概念，由簇首负责与簇内其他基站的协调和通信。同时为避免因簇首基站的业务量过多而出现的拥塞现象，该结构中簇内各基站均可以直接通过网关接入IP核心网中，进行业务交互。这样既避免了簇首基站的“瓶颈”问题，又满足了未来通信多用户、多业务需求以及用户移动性等问题带来的复杂的无线资源管理问题，使系统达到负载平衡。

根据移动终端的移动和负载情况，基站簇的大小及簇头可以动态改变。当移动终端进行跨簇切换时，相关基站簇的簇头进行交互和控制；而簇内的切换则由簇内各基站通过信令交互完成切换控制；并且当本小区的基站损坏时，无线路由器可以将原来流向该基站的业务中继传输到其他基站，保证通信系统的有效性和抗毁性。

总之，基站自组织技术不仅能够实现“网内协同”高速协作传输的能力，而且也能够体现出“网间协同”的思想。同一簇内的基站可以通过簇首与簇内的其他基站通信，也可以根据业务量直接通过网关接入IP核心网；不同子网系统的基站簇头之间可以根据用户的业务需求和传输模式进行信息交互和资源调配，支持异构和多模传输，适应未来移动通信系统的泛在化趋势。

3.2 联合无线资源调度

在IP化基站的结构下，新的扁平化的组网方式使得原有的集中式的面向传统蜂窝网络的资源调度机制变得无能为力，这就使得解决适应于具有扁平性、自组织特性、动态变化网络的资源管理与调度技术变得非常迫切。

首先要解决联合无线资源调度与基站自组织之间的协作机制和信令流程，使无线网络资源能够达到自主优化管理。传统的集中式资源调度能够对所管辖范围内的无线资源进行统一的管理，较容易达到全局资源最优使用和最大化系统容量的目标，但是其缺乏灵活性；分布式资源调度策略具有很高的灵活性，可以根据网络的实际部署情况，扩展分布式管理节点，但是由于其不具备集中管理实体，所以不能对所管理的实体进行统一调整，并针对某些目标进行统一计算，从而较难获得系统全局最优方案。在IP化基站结构下，无线资源调度需要考虑基站间自组织策略，通过具体的基站自组织部署场景，采用分布式与集中式相结合的资源调度理论与机制，来满足自组织和他组织组网方式的不同要求。其次，需要具体的面向多目标优化的联合无线资源调度策略。在设计联合无限资源调度策略时，需要考虑如何提高无线频谱利用率，防止网络拥塞和减小信令负荷等多方面因素，从而实现无线资源的优化使用和达到系统容量最大化的目标。

3.3 路由技术

由于基站是通过无线相连接的，所以基站作为无线路由器时同样存在路由问题，并且由于网络规模的扩大，基站间的路由管理、路由配置会更加复杂，建立路由的开销也会相应增加。虽然Mesh构架中的基站位置是固定的，相应的路由选择也近似固定，但是无线环境、负载的变化，同样会导致重选最佳路由的处理开销。

虽然有多种无线Mesh网络的路由协议，如单一判据路由协议、多信道路由协议、多径路由协议、分级路由协议、跨层路由协议、QoS路由、基于地理位置信息的路由等。但这些路由方案对于IP化的基站是否合适，存在什么问题，如何设计专门应用于IP化基站无线Mesh组网的路由协议，是需要考虑和研究的。

3.4 安全技术

多跳网络不可避免的问题就是安全问题，并且全网的配置、监控、计费等管理也会进一步复杂化。众所周知，无线通信很容易受到被动攻击(如窃听)，以及主动攻击(如信息篡改、拒绝服务攻击)。虽然蜂窝通信系统具有严密的鉴权、认证、接入机制，但网络由集中变为分布式后，安全隐患将被进一步放大。在哪些网络实体上实施安全管理，如何实现网络监控和入侵检测，如何避免路由器中的信息被修改，如何保证空中接口的安全，如何保证授权的安全、保证身份验证、信息加密、数据完整性校验和数字签名等都是IP化基站Mesh组网所面临的安全挑战。

3.5 网络管理

下一代无线移动网络将是各种无线技术的融合，各类网络的规模、复杂性和异构性比以往大大增加，所以在IP化基站Mesh组网的构架中，网络的复杂性是不可避免的。并且由于无线环境的复杂性，对网络的管理提出了更高的要求和挑战。由于各类网络的融合，原有的集中式的面向单一制式、结构相对稳定的网络管理机制将显现出严重的弊端，其相应的分立的网络管理方法已不能符合发展的需要。因此需要探讨新的、有效的综合网络管理体系以实现网络管理的智能性、可扩展性、灵活性和健壮性，实现端到端的网络管理和QoS管理。

4 结束语

WMN作为一种融合了无线局域网和Ad Hoc网络优势的新型无线宽带接入网络，成为宽带无线接入的一种有效手段，可以灵活地应用于多种无线环境。因其组网的快速灵活性、节点的分布性等优点，可以以少量的基础设施，构建覆盖范围广的高速无线网络，并且具有成本低，升级方便等特点。如何在下一代移动通信网络中发挥这种构架的性能优势和潜力，是需要深入研究和探讨的。

5 参考文献

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[11] 傲丹, 方旭明, 马忠建. 无线网格网关键技术及其应用 [J]. 电讯技术,2005 ,45(2):16-22.

作者简介：

田辉，北京邮电大学教授、博士。主要研究领域为先进移动通信系统及无线网络。承担、参与了7项国家、省部级以及企业资助的科研项目。已经发表论文40余篇，其中30余篇发表在SCI、EI检索期刊上。 陶小峰，北京邮电大学副教授、博士。主要研究领域为先进移动通信系统及无线网络。承担、参与了9项国家、省部级及企业资助的科研项目。已发表论文50余篇，其中40余篇发表在SCI、EI检索期刊上。