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。