多跳网络技术在WiMAX网络中的应用

　　目前的无线蜂窝系统架构主要依赖于底层设备(基站和接入点)和用户端设备(移动站)之间的无线链路来传输语音和数据，这样就带来了许多问题。首先，传输速率越高导致发射距离越短，基站能够覆盖的面积就越小。其次，未来大部分无线系统都将在大于2GHz频段上应用，如此高频段无线电信号的衰减比现有的1～2GHz频段要严重的多，小区边缘用户的服务质量就得不到保证。如果继续采取这种网络结构，将无法适应未来无线应用的要求。虽然智能天线技术和编码及信号处理技术已经大大提高了系统的性能，但没有更好的底层架构设备，这些技术本身并不能满足未来无线系统的要求，尤其是在范围很大或者用户很密集的地区。因此，设计新的网络构架来弥补传统的蜂窝网络的不足已经是一个趋势。同时，从经济成本上看，依靠增加基站的办法成本太高，人们开始考虑能否不增加基站而达到扩展覆盖面积且减少功率损失的问题。 

　　作为新—代宽带无线城域网(WMAN)接入网络的WiMAX(World Interoperability for MicrowaveAccess，特指以IEEE 802.16系列宽带无线标准为基础的宽带无线接入技术)也为此进行了许多研究，并引进了多跳网络技术来满足上述要求。

　　1 IEEE 802.16标准中应用的多跳技术

　　IEEE 802.16系列标准分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动宽带无线接人空中接口标准。其中，802.16、802.16a、802.16d属于固定无线接入空中接口标准，802.16e以及后续的一些增补标准(如IEEE802.16j标准)属于移动宽带无线接人空中标准。从网络跳数上区分，除了传统单跳网络模式，IEEE802.16系列标准中还有2项涉及多跳网络的标准：802.16d(802.16-200-4)标准专门在原有的PMP(Point to Multi-Point)模式上增添了一种可选的多跳网络模式—Mesh模式；正在制定中的802.16j标准中提出了使用中继的多跳网络架构。

　　1.1 IEEE802.16d Mesh模式

　　无线网络受限于发射功率的影响，对于一定发射功率来说，传输的数据速率越高，覆盖范围会越低。若超过了最大允许发射功率，发送机必须降低数据传输速率以增加覆盖距离。发送功率一般受标准规范和用户设备电池的限制，所以在蜂窝系统中邻近基站的用户需要采用自适应技术以提供较高的数据速率，但数据速率会随着与基站间隔距离增加而急剧下降。在IEEE802.16d的PMP模式下，由于工作在10～66GHz频段，基站和用户站之间一般采用视距传输或准视距传输。对于人口密集的城市，由于树木、建筑物等障碍物的遮挡，许多用户站无法和基站进行有效的通信，导致覆盖范围非常受限制。而在IEEE802.16d的Mesh模式下则不同，其中的每个用户节点都是骨干网络的一部分，可以转发其他用户节点的信息。这样可以通过跳经一系列中间结点以提供长的端到端通信距离。在这种模式的网络中存在2种节点：Mesh BS节点、Mesh SS节点，见图1所示。Mesh BS节点(图中黄颜色圈代表)类似于网络中的基站，与其他主干网络相连，作为WiMAX Mesh到外网的接口实现宽带接入；Mesh SS节点既可以实现本地用户的宽带接入，又可以转发其他节点的数据，把这些数据传送到目的节点，作用于一个中继站。

　　与PMP模式下的基站到用户站之间的距离相比，Mesh模式下各结点之间的距离相对较短，每一跳可以完成比直接通信高得多的数据传输速率，使在长距离的端到端通信系统中同样能支持高数据传输速率。并且每个结点只需传输很短的距离，发送功率相对较小，从而大大降低了系统内的干扰并使频率复用更加密集。另外，由于可跳经中间结点传送数据，信号可以绕过障碍物和本地网络的阻塞物建立健壮的路由。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，在一定程度上解决了PMP网络覆盖范围受限的问题。

　　在调度方式上，802.16d Mesh网络可以采用集中调度方式和分布调度方式。如果采用集中调度方式，由Mesh BS节点收集所有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他节点发送的数据产生碰撞。这样，使得Mesh网络比其他自组织网络更实用，更陕更容易地构建和扩展—个无线城域网。

　　作为一项新兴的先进技术，目前国内外对此研究仍处于起步阶段。由于它的多跳特性，对传统的MAC协议、无线资源管理、调度机制和功率控制机制等方面都提出了新的挑战，诸如多跳网络特有的碰撞避免机制、无线调度算法、无线路由算法、网络容量问题、交叉层设计等很多关键技术和实现方案都仍需要研究和完善。

　　1.2 lEEE802.16j中继模式

　　IEEE 802.16j吼际准是移动多跳中继MMR(MobileMulti-hop Relay),系统规范，通过在基站信号弱的地区布建成本相对低的中继站RS(Relay Station)作为网络拓展。主要用于扩大网络覆盖范围、提高系统吞吐量和容量等用途，其网络亦被称为MMR(Mobile Multi-hop Relay)网络。标准预计于2008年发布，它是对IEEE 802.16e标准的增补，将会完全兼容IEEE 802.16-2004和IEEE 802.16e。

　　在MMR网络中，用户除了可以直接与基站联系外，还可以通过中继站转发基站发来的信号，且中继站还可以通过连接到其他中继站进行多跳转发。中继站具有双重角色，对于基站它类似是用户站；对于用户站它类似是基站。同IEEE 802.16e相比，在传播路径中增加了基站BS(Base Station)至中继站RS之间的中继路径(Relay Link)及中继站RS至用户站MS(Mobile Station)之间的的接入路径(Access Link)，使得网络成为多跳网络，且拓扑结构变得更加复杂，如图2所示。

　　使用中继的系统一般可以分为2类：解码-转发(decode-and-forward)式的系统、放大-转发(amplify-forward)式的系统。解码-转发系统中主要使用的是数字中继，这种中继节点本身有相对简单的协议，对接收信号进行解调和基带处理，将噪声和干扰尽可能处理掉，然后重新编码进行调制，生成发射信号。相反，在放大-转发系统中，中继收到信号后不做其他处理，直接对接收信号做简单的放大处理后直接发射，放大信号的同时，干扰和噪声也被放大。因此解码-转发中继系统会在下一代移动通信系统中大量运用，在MMR网络中也将大量应用。

　　从是否支持移动眭上分类，MMR网络主要使用3种中继站：固定、游牧和移动中继站，因而MMR网络的主要应用场景也基于这3个方面，如图3所示。固定中继可以对某一区域提供长期、稳定的覆盖，它既可以作为基站的补充，对小区边缘、建筑物内部、隧道或地下建筑进行覆盖，也可以为扩展小区范围所用，将基站信号延伸到小区外部；游牧中继站可以满足—些区域临时性或突然增加的通信需求，如在某些赛事的赛场通常会集中出现突发的大量话务或数据业务的需求，而且中继还可以协助将业务负载平衡到邻近的基站上；移动中继主要针对某些公众交通工具上的用户，由于是群体移动的，在经过不同的小区时可能产生大量的切换请求，大量用户分别进行链路调整会加重沿途基站的负担。如果通过中继接入网络，则需要切换和调整的仅为中继站与基站之间的链路，终端与中继之间的链路则相对稳定。

　　总之，在IEEE802.16j的MMR网络中，将上述3种类型的中继站布建于适当的位置，能够使信号避开不理想的传输路径，进而减少信号衰减，同时在转发信号时中继站再加强其功率，使用户所收到的信号质量大为改善。

　　IEEE802.16j标准在使用中继站方式时也面临许多挑战，例如在路由、调度机制、资源分配、功率控制、频率重利用、传输层协议、QoS(网络负载平衡和拥塞控制)、安全等方面都有许多需要考虑的问题。同时，IEEE 802.16j标准的制定必须在不修改用户端标准的情况下实现，也是目前工作的难点。

　　2 2 种多跳网络技术的比较和联系

　　无线Mesh网络又称为无线网状网，它起源于Ad hoe(无线自组织)网络。但Ad hoc网络主要应用于军事通信，而民用领域中需要开发出一种无线多跳网络技术，无线Mesh网络技术应运而生，并于2000年开始应用于接入网。由于同Ad hoc一样是采用点到点的联网形成一个分布式的系统，所以Mesh网络拥有Ad hoc网络的所有优点，如自我配置和自我修复功能。但它一般不作为一个独立的网络形态存在，而是因特网核心网的无线延伸。该技术于2004年被IEEE802.16标准组所接纳，即802.16d的Mesh模式。

　　IEEE802.16j中使用的移动多跳中继技术，可以使IEEE802.16e提升传输速度，扩展覆盖范围，进而达到覆盖区内客户端可以获得—致传输速度(uniformdata rate)的特性。这项特性很有可能符合未来4G移动通信技术所要求的目标，而IEEE 802.16 MMR SG是目前唯一把此技术纳入标准的机构，因此吸引了许多厂商进入参与制定，成为802.16标准在技术方面的一个新的方向。

　　由于同是多跳网络架构，它们很多共同点。

　　基础设施铺设成本低：从图4可以看出，无线Mesh网络同802.16 PMP接入网络之间只有几个接入点，这样可以大大减少网络基础设施成本，铺设速度快，可为无线网络服务商降低70％～75％的运营和安装成本。中继站不需后端有线回程网络的支撑，可大幅节省运营商为建设回程网络所耗费的成本(如道路开挖、电路租用等)，而且中继站的复杂程度和成本也比基站低很多。因此，虽然其提供的效果可能不如增设微蜂窝，但其低成本与灵活性的优势对运营商仍有其吸引力。

　　高带宽：在Mesh模式中，各个节点只与其邻居节点进行通信，拥有较高的传输速率。在中继网络中，用户节点通过周围中继站的转接，可得到更大的带宽。

　　信息传输可靠性高：在传统的PMP模式中，基站作为网络的中心节点，成为网络稳定性的瓶颈。如果基站崩溃了，周边的用户站节点也同时失效。在Mesh模式下，网络可以为每个用户提供多条传输路径，路由算法和调度程序会为用户选择最优路径，从而增加了通信的可靠性，消除了用户之间通信失败或链路造成的通信瓶颈。用户可选择多个接入点中的任何一个接入网络，所以有很强的容错恢复能力，如对付由于临时障碍物或外部干扰。IEEE802.16j中能提供固定、游牧、移动3种类型的中继站，这些中继站的使用同样可为用户提供多条可选路径，用户通过选择链路质量高的路径得到更加可靠的通信。

　　扩展网络覆盖面积，提高网络容量：Mesh模式通过中间节点进行接力，可以极大地扩大基站信号的覆盖范围。小区边缘的中继站可以将信号扩展到小区外，而通过多个相邻的中继站之间可将信号进行多跳转发到更远的地点。

　　二种多跳网络技术之间的差异有：拓扑结构差异：从2种网络的拓扑结构上看(图5)，IEEE16j多跳中继网络是典型的树形拓扑，比较简单；IEEE16d-Mesh网络则融合了星形和网状2种拓扑。由图1可知，在IEEE16d-Mesh网络的集中控制式拓扑图中也存在树形拓扑，而IEEE16d-Mesh分布式拓扑图中则是网状拓扑结构，故IEEE16d-Mesh网络的拓扑结构比较复杂。

　　路由方面：由于拓扑上的不同，IEEE802.16j的中继网络不像IEEE16d-Mesh网络或Ad hoc那样需要复杂的分布式路由算法，体现了中继网络的优势；IEEE16d-Mesh网络架构通过集中式调度和分布式调度的结合，同时具备集中式和分布式的优点，如可扩展性强，可靠性强等。

　　支持模式不同：在IEEE802.16标准中，16-mesh模式是固定无线接人空中接口标准下的一种模式，而IEEE802.16j则是属于移动无线接人空中接口标准。从技术角度上看，IEEE802.16j支持IEEE802.16d的模式，但对于IEEE16d中的mesh模式目前尚不能支持。而IEEE802.16j系统的MMR网络可以结合Mesh模式生成一种混合PMB与Mesh的拓扑结构，如图6所示。

　　3 WiMAX网络中多跳技术的发展方向——协同中继技术

　　未来的B3G／4G移动通信系统不仅要通过多种无线接人技术解决更广域和更深入的无缝覆盖，还要能够为用户提供高速率的无线接人服务，同时达到网络的资源利用更加高效的要求，因而必将面临多种无线接人技术共存和互通的局面。WiMAX网络中的多跳技术必然要与其他技术进行融合，以期满足上述需求。

　　在IEEE802.16Mesh模式下，各个Mesh节点可以通过协同工作来合作传输信息；在IEEE802.16j标准制定中，有提案嗍提出通过使用分布式MIMO(multiple-in-multipie-out)技术进行中继站之间的协同传输。由此看来，多跳技术和协同技术的融合将是未来研究的—个热点。协同技术是为了生成单一网络或者单一技术所不具有的能力，通过协同处理后的网络或技术的功能大于每个组或部分的功能之和。

　　中继协同传输如图7所示。图中的两个中继站RS1和RS2分别负责为移动用户站MS1、MS2和MS3、MS4服务，并共同为MSO合作传输信息。

　　前面提到的分布式MIMO技术是物理层上的一个技术，它是指移动终端之间、移动终端与中继之间以及终端／中继与基站之间通过空间分集和复用技术，形成一个虚拟MIMO信道进行协同合作传输，因而又叫做协同MIMO技术或虚拟MIMO技术。与传统的MIMO技术不同，分布式MIMO技术的用户不再使用多天线，而是在多用户环境中的单天线用户。它们在传输自己的信息时，也能传送所接收和检测到的临近用户(即伙伴)的信息，这样就可以利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射天线，得到分集增益，形成虚拟的MIMO系统。除了将信号独立传输到各自的目的地外，两个用户还可以互相监听各自的传输，从而联合传输它们的信息实现协同通信。

　　在IEEE802.16j的提案中，所应用的分布式MIMO技术主要指多个中继站之间的协同通信，如图8所示。用户站MS到达基站BS中间需要3跳，经过RS1～RS4中继站的协同传输，其中，RS1、RS2是负责第一跳的中继，另外2个负责第二跳，它们共同组成了—个分布式的虚拟天线阵列。这样，由于空间分集，同一个包的多个副本可以通过多跳中继同时重传，而空间复用又可以使得不同的包或同一个包的不同部分通过几个中继同时传输。

　　使用协同中继具有系统兼容性好，复杂性低，不需要改动移动用户站，只需对基站和中继站进行小的更新即可实现；由于空间分集，系统可以得到更好的性能，例如可以减少误比特率；空间频谱的复用可以减少信道资源的浪费；可以提高系统的健壮性；使用户站在不同中继之间的切换变得简单；利用用户间的协作，抵抗无线信道的多径衰落，克服阴影效应，从而增强通信质量，提高频谱效率。

　　除了分布式MIMO技术以外，物理层上的协同技术还包括协同空时编码、协同同步技术、协同接收技术等。此外，从系统层的角度看，考虑到各种多媒体业务的特陛、不同的QoS需求、多用户的应用环境等因素，如何选择协同伙伴是一个关键问题。例如什么时候什么条件下进行协同，哪些中继节点间协同，如何处理可能引起的冲突，如何有效地实现资源的共享、分配与管理，如何进行中继结点的管理，以及如何进行有效的路由选择都是未来要研究的关键问题。

　　4 结束语

　　采用IEEES02.16系列标准的WiMAX网络，具有接人速率高、覆盖范围大以及支持移动性等一系列优点，为宽带无线接入系统的建构和应用提供了良好的平台。近年来，以其技术的优越性和应用的广泛性，已经成为电信市场的一大热点。在WiMAX网络中使用多跳网络技术，将解决网络覆盖范围受限的难题，提高网络吞吐量。同时，通过与其他无线技术(如协同技术)相结合，多跳网络技术必将在下一代宽带无线网络中发挥重要作用。