多跳网络技术在WiMAX网络中的应用

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。