基于Mesh技術(shù)的網(wǎng)絡融合與協(xié)同

　　無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了無線局域網(wǎng)(WLAN)、WiMAX、Wi-Fi、無線個域網(wǎng)(WPAN)、無線Mesh網(wǎng)(WMN)、無線傳感器網(wǎng)(WSN)、Ad Hoc、3G和B3G移動通信網(wǎng)絡等許多新型的采用不同組網(wǎng)技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡，給人們的工作和生活方式帶來了深刻變革。但在人們體驗著通信技術(shù)帶來的獲取信息越來越便利的同時，由于無線通信網(wǎng)絡朝著高速化、寬帶化、泛在化的方向發(fā)展，各種無線接入技術(shù)紛紛涌現(xiàn)，使得未來網(wǎng)絡的異構(gòu)性更加突出。其實，不僅在無線接入方面具有這樣的趨勢，在終端、網(wǎng)絡、業(yè)務和運營管理等方面，異構(gòu)化、多樣化的趨勢也同樣引人注目。如何將這些異構(gòu)無線網(wǎng)絡融合在一起，互聯(lián)互通，并且多網(wǎng)協(xié)同工作，提供覆蓋廣、帶寬高、移動性高且費用低廉的接入服務，將是下一代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展方向，也是網(wǎng)絡運營商以及通信行業(yè)產(chǎn)業(yè)價值鏈上各個其他環(huán)節(jié)所共同關(guān)注的問題。

　　1 無線網(wǎng)絡的異構(gòu)性

　　針對不同的無線頻段特性、迥異的組網(wǎng)接入技術(shù)和多樣的業(yè)務需求，不同無線技術(shù)所使用的空中接口設(shè)計及相關(guān)協(xié)議在實現(xiàn)方式上具有差異性和不可兼容性。無線網(wǎng)絡及其通信系統(tǒng)的異構(gòu)性主要體現(xiàn)在如下幾個方面[1]：

　　(1)頻譜資源異構(gòu)

　　由于不同頻段物理特性不同，適用于各種頻段的無線技術(shù)也不同，各個區(qū)域頻譜規(guī)劃方式也有顯著區(qū)別，導致特定頻段上實現(xiàn)的無線技術(shù)總是需要滿足特定的技術(shù)和業(yè)務需求。

　　(2)組網(wǎng)接入技術(shù)異構(gòu)

　　由于需要綜合考慮網(wǎng)絡規(guī)模、網(wǎng)絡覆蓋、兼容性等要求，組網(wǎng)方式、網(wǎng)絡功能設(shè)置、資源管理和配置方式等呈現(xiàn)出迥然不同的特點。而物理層及媒體訪問控制(MAC)層在調(diào)制技術(shù)、天線技術(shù)、加密技術(shù)、接入技術(shù)的實現(xiàn)上都有很大差別。

　　(3)業(yè)務需求異構(gòu)

　　不同的用戶偏好和需求導致了多樣化的業(yè)務類型，包括傳統(tǒng)的電信業(yè)務、支持交互應用的交易型業(yè)務和以內(nèi)容為中心的業(yè)務等。這些業(yè)務將具有不同的特征并對技術(shù)與終端提出不同的服務質(zhì)量(QoS)要求。

　　(4)移動終端的異構(gòu)

　　異構(gòu)網(wǎng)絡條件下，不同網(wǎng)絡將提供不同的QoS，終端的工作環(huán)境將產(chǎn)生巨大的變化，業(yè)務需求、制式、運營者的差異導致了移動終端的不同，各種移動終端會具有不同的業(yè)務能力，包括接入能力、移動能力等[2]。

　　(5)運營管理的異構(gòu)

　　不同的運營商將會設(shè)計出不同的管理策略，包括尋呼漫游策略、網(wǎng)絡切換策略、資源分配策略、認證與鑒權(quán)策略、計費策略等。為保證通信各層之間的有效交互并滿足組網(wǎng)需要，須根據(jù)所使用的無線資源以及所針對的業(yè)務特點，設(shè)計合理的通信協(xié)議棧和適當?shù)木W(wǎng)絡管理機制。

　　以上幾個方面交叉聯(lián)系，相互影響構(gòu)成了無線網(wǎng)絡的異構(gòu)性，也對網(wǎng)絡的穩(wěn)定、可靠和高效性帶來了挑戰(zhàn)，這種異構(gòu)性帶來的移動性管理技術(shù)、聯(lián)合無線資源管理和端到端的QoS保證是未來無線通信系統(tǒng)亟需解決的問題。

　　2 基于Mesh技術(shù)的網(wǎng)絡融合與協(xié)同

　　2.1Mesh技術(shù)介紹

　　無線Mesh網(wǎng)絡是一種新型寬帶接入網(wǎng)絡，又被稱為無線網(wǎng)狀網(wǎng)或無線網(wǎng)格網(wǎng)。WMN源于1997年美國軍方機構(gòu)DARPA與ITT公司合作研究的最新集無線組網(wǎng)、路由和定位一體化的先進戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)(ATCS)。2004年1月，IEEE 802.11工作組專門成立了網(wǎng)狀網(wǎng)研究組，其初步草案計劃在2008年7月發(fā)表最終結(jié)果，這標志著WMN技術(shù)正式邁上標準化道路。無線Mesh網(wǎng)絡作為一種解決無線接入“最后一公里”“瓶頸”問題的關(guān)鍵技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注。WMN的核心是讓網(wǎng)絡中每個節(jié)點都發(fā)送和接收信號。作為一個多跳的系統(tǒng)，從源到目的地有多條冗余的通信路徑。網(wǎng)絡中每個節(jié)點都具備自動路由功能，每個節(jié)點只和鄰近節(jié)點進行通信，因此是一種自組織、自管理、自動修復、自我平衡的智能網(wǎng)絡。

　　WMN的架構(gòu)可分為3類：基礎(chǔ)設(shè)施型網(wǎng)絡配置模式、客戶端型網(wǎng)絡配置模式以及混合型網(wǎng)絡配置模式。其中，混合型WMN將基礎(chǔ)設(shè)施型和客戶端型兩種網(wǎng)絡配置模式綜合在一起，吸收了兩者的優(yōu)點，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。圖1給出了混合型無線Mesh網(wǎng)絡的一個例子。它可以包括各種異構(gòu)的無線/有線網(wǎng)絡，如無線局域網(wǎng)、WiMAX、無線蜂窩網(wǎng)、移動Ad Hoc網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)、因特網(wǎng)以及無線骨干網(wǎng)?？梢钥闯?，無線Mesh網(wǎng)實際上已經(jīng)是移動Ad Hoc網(wǎng)的超集，而移動Ad Hoc網(wǎng)只是無線Mesh網(wǎng)絡的一個子集?；旌辖Y(jié)構(gòu)的無線Mesh網(wǎng)絡囊括了WMN的所有優(yōu)點，具有網(wǎng)絡覆蓋范圍大、頻譜利用率高、可靠性高、多跳路由、組網(wǎng)靈活、維護方便和支持與其他無線網(wǎng)絡兼容和互操作等優(yōu)點，可以應用到各種場景中，如寬帶家庭網(wǎng)、社區(qū)網(wǎng)絡、企業(yè)網(wǎng)絡、城域網(wǎng)絡等。特別地，WMN將成為未來無線核心網(wǎng)理想的組網(wǎng)方式，因此在這種網(wǎng)絡覆蓋情況復雜、多種技術(shù)并存的移動通信環(huán)境中，采用Mesh技術(shù)可以實現(xiàn)異構(gòu)技術(shù)的有效融合與協(xié)同工作，實現(xiàn)異構(gòu)資源的優(yōu)勢互補和協(xié)調(diào)管理，不僅是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是網(wǎng)絡運營者實現(xiàn)最佳用戶體驗和最優(yōu)的資源使用的根本途徑

　　2.2基于Mesh技術(shù)的網(wǎng)絡融合

　　由于異構(gòu)網(wǎng)絡相對獨立自治，相互間缺乏有效的協(xié)調(diào)機制，造成了系統(tǒng)間干擾、重疊覆蓋、單一網(wǎng)絡業(yè)務提供能力有限、頻譜資源稀缺、業(yè)務的無縫切換等問題無法解決。因此異構(gòu)網(wǎng)絡的融合已經(jīng)成為網(wǎng)絡各個層面的主要趨勢，體現(xiàn)在網(wǎng)絡融合、業(yè)務融合、終端融合及運營管理的融合，各種業(yè)務都被整合在一個網(wǎng)絡的物理媒介(融合網(wǎng)絡)中進行傳輸，統(tǒng)一的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議(TCP/IP)的普遍采用，使得各種以IP為基礎(chǔ)的業(yè)務都能在不同的網(wǎng)上實現(xiàn)互通。基于Mesh技術(shù)的融合需要從4個不同的層面來實現(xiàn)[4-6]。

　　(1)核心網(wǎng)與接入網(wǎng)的融合

　　目前基于IP分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的有線網(wǎng)絡已經(jīng)成為了下一代網(wǎng)絡要采用的基礎(chǔ)架構(gòu)，這種網(wǎng)絡將為各種接入網(wǎng)提供合適的有線網(wǎng)絡的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。而WCDMA、GSM、WLAN等不同的移動接入網(wǎng)絡，覆蓋不同的區(qū)域，具有不同的技術(shù)參數(shù)，提供不同的業(yè)務能力，執(zhí)行不同的通信與控制協(xié)議，具有不同的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因此不同的接入網(wǎng)絡之間需要具有一定的信息交互能力以支持基于IP的網(wǎng)絡融合。同時終端的可重配置能力為接入不同網(wǎng)絡提供了保障，而IP技術(shù)的廣泛應用使得不同的接入網(wǎng)絡將基于IP網(wǎng)絡層進行融合。圖2給出了一個WMN應用到無線城域網(wǎng)的實例，各種用戶終端(如Wi-Fi手機、筆記本等)通過Ad Hoc方式相互連接，并根據(jù)其支持的協(xié)議選擇與Wi-Fi Mesh基站(IEEE 802.11)或WiMAX基站(IEEE 802.16)通信，而Wi-Fi Mesh基站(或WiMAX基站)可以通過無線多跳與視距范圍外的基站或Internet核心網(wǎng)建立聯(lián)系。這里，Wi-Fi Mesh基站和WiMAX基站充當了Mesh路由器，承擔融合的任務，并組成了無線Mesh骨干網(wǎng)，網(wǎng)絡間的融合通過IP層來實現(xiàn)，Mesh終端采用多?；蛑嘏渲梅绞竭m應用戶和業(yè)務的需求，最終實現(xiàn)整個網(wǎng)

　　(2)業(yè)務的融合

　　業(yè)務的融合指不同的業(yè)務網(wǎng)提供統(tǒng)一的平臺、統(tǒng)一的用戶賬號和對用戶隱藏的自動切換機制，讓用戶感覺無論在什么情況下都能進行暢通無阻的通信，享受最佳的多元化服務。通過多種接入技術(shù)，在不同業(yè)務支持能力的網(wǎng)絡及終端限制條件下，使得業(yè)務同時向多個終端提供服務。如在圖2中，Wi-Fi手機和筆記本所承載的業(yè)務不同，但經(jīng)過IP層面的融合，都可以接入WMN網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同業(yè)務的互通。