原建勝，謝 剛，趙哲峰

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原030024）

當前無線網(wǎng)絡對網(wǎng)絡覆蓋和吞吐量的需求越來越高，多跳網(wǎng)絡與無線Mesh機制的研究得到更廣泛關注。而為無線城域網(wǎng)（WMAN）而制定的IEEE802.16/WiMax標準也包含了其相應的Mesh運行模式[1-2]。這里在介紹了IEEE802.16d標準下的無線Mesh模式和IEEE 802.16j移動多跳中繼網(wǎng)絡[3]的網(wǎng)絡結構的基礎上，重點分析了基于IEEE802.16d的Mesh網(wǎng)絡中的調度、功率控制和路由等3個關鍵機制。

1 IEEE 802.16d Mesh模式

在IEEE 802.16d標準中支持2種運行模式：

1）PMP（點對多點）模式業(yè)務流直接由 BS（Base Station）流向 SS（Subscriber Station）或者由 SS 流向 BS。

2）Mesh模式 業(yè)務流直接在SS之間傳送，無需經(jīng)過BS路由。這意味著SS無需直接與BS相連。

在PMP的模式下，SS之間不能直接互相通信，任何網(wǎng)絡結點間的通信均轉換成SS與BS之間的通信。在Mesh模式中，網(wǎng)絡中任何節(jié)點間在可通信范圍內都可通過一跳的方式連接，BS不再是獨自承擔所有接點間通信的中轉站。

1.1 Mesh網(wǎng)絡與移動多跳中繼網(wǎng)絡

在IEEE802.16d標準定義的 Mesh網(wǎng)絡由單個中心節(jié)點控制，將該節(jié)點定義為Mesh基站 （BS），作為IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡與外網(wǎng)的接口。其網(wǎng)絡結構[4]見圖1。

圖 1 IEEE802.16d（WiMax）Mesh 網(wǎng)絡Fig.1 IEEE802.16d （WiMax） Mesh network

圖1中，傳統(tǒng)的IEEE802.16 PMP網(wǎng)絡與無線Mesh 網(wǎng)絡實現(xiàn)融合，在此網(wǎng)絡結構中，Mesh BS與主干網(wǎng)絡相連接，作為WiMax Mesh網(wǎng)絡到外網(wǎng)的出口，并實現(xiàn)本網(wǎng)絡的寬帶接入；MSS節(jié)點則除了實現(xiàn)本地用戶的寬帶接入之外，又可通過多次轉發(fā)將來自其他MSS節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康墓?jié)點。

隨著IEEE802.16協(xié)議的不斷發(fā)展與完善，IEEE移動多跳中繼（Mobile Multi-hop Relay，簡稱MMR）標準制定工作組開始制定了具有中繼功能的IEEE 802.16j協(xié)議。IEEE 802.16j移動多跳中繼網(wǎng)絡主要是在原有網(wǎng)絡基礎上加入了中繼站（Relay Station，簡稱RS）進行中繼通信，以此擴大小區(qū)網(wǎng)絡覆蓋范圍，并解決非視距傳輸、邊緣效應、信號盲點等問題[5]。圖 2所示為IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡與 IEEE802.16j多跳中繼網(wǎng)絡拓撲圖對比。其主要區(qū)別就在于：IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡由MSS實現(xiàn)通信中數(shù)據(jù)的中轉，而IEEE802.16j多跳中繼網(wǎng)絡則由RS實現(xiàn)。另外，IEEE802.16d-Mesh網(wǎng)絡包含星型與樹形拓撲2種結構，而IEEE802.16j多跳中繼網(wǎng)絡則只包含樹形拓撲結構。

圖2網(wǎng)絡拓撲圖對比Fig.2 Comparison of networks topology

基于以上2種網(wǎng)絡結構，文獻[6]提出了一種協(xié)同中繼技術的組網(wǎng)方案，該方案擬通過將多跳技術和協(xié)同技術的融合使網(wǎng)絡的功能大于每個組成部分的功能之和，從而解決更廣域和更深入的無縫覆蓋，并且同時為用戶提供高速率的無線接入服務，提高對網(wǎng)絡的資源利用率。

1.2 IEEE802.16d隨機接入機制

IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡拓撲結構中，每一個新節(jié)點進入Mesh網(wǎng)絡都需要尋找一個網(wǎng)絡內的節(jié)點作為其負責節(jié)點（Sponsor Node），負責節(jié)點為新節(jié)點開放負責信道，幫助其完成基本容量協(xié)商、節(jié)點ID獲取等接入過程[7]。具體為:

1）搜索網(wǎng)絡，與網(wǎng)絡建立粗同步 在初始化或丟失信號之后，節(jié)點應該搜索MSH-NCFG消息來獲取與網(wǎng)絡的粗同步。

2）獲得網(wǎng)絡參數(shù) 節(jié)點接收的MSH-NCFG消息，使其能和網(wǎng)絡保持同步。

3）開放負責信道 當新節(jié)點選擇它的一個鄰點作為候選負責節(jié)點，此新節(jié)點就成為候選節(jié)點。在進一步的初始化過程中，候選節(jié)點要請求候選負責節(jié)點建立臨時調度，以在候選節(jié)點初始化過程中進行消息傳遞。

4）協(xié)商基本容量 在Mesh網(wǎng)絡拓撲結構，2個節(jié)點間建立邏輯鏈路后，要進行基本的容量的協(xié)商。請求建立邏輯鏈路的節(jié)點以網(wǎng)絡中用戶節(jié)點的身份發(fā)出SBC-REQ消息。

5）節(jié)點的鑒權 新節(jié)點需要經(jīng)過鑒權才能進入網(wǎng)絡。

6）節(jié)點注冊 注冊是給一個節(jié)點安排節(jié)點ID的過程。

7）建立IP連接 節(jié)點通過DHDP獲得IP地址，此過程在負責信道上發(fā)生。

8）獲得網(wǎng)絡時間 Mesh網(wǎng)絡中的節(jié)點需要通過IETF RFC868中定義的協(xié)議來獲得網(wǎng)絡時間。此消息通過UDP在負責信道上傳播。

9）傳遞操作參數(shù) 獲得IP地址后，節(jié)點要使用FTP下載參數(shù)文件。

10）建立預備的傳輸參數(shù) 在PMP網(wǎng)絡拓撲結構中，通過使用DSx消息建立基于連接的QoS預備；在Mesh網(wǎng)絡拓撲結構中，Mesh CID逐包地進行預備，Mesh節(jié)點在傳輸操作參數(shù)的過程中獲得鑒權的QoS參數(shù)集。

11）和鄰點建立連接 進入網(wǎng)絡后，節(jié)點成為網(wǎng)絡的完全功能節(jié)點，可以和負責節(jié)點以外的點建立直接鏈路。

12）負責節(jié)點工作 當界定成為網(wǎng)絡的完全功能節(jié)點，可以和負責節(jié)點以外的點建立直接鏈路時，負責節(jié)點的工作就完成了，可以關閉負責信道。

通過以上接入過程，一個新的節(jié)點就成為了網(wǎng)絡節(jié)點的新加入節(jié)點，該節(jié)點可以和鄰節(jié)點直接通信，并且可以通過中繼聯(lián)系到網(wǎng)絡中的任意節(jié)點。

雖然標準已經(jīng)對新節(jié)點接入需要遵循的一般步驟做了具體規(guī)定，但其接入的成功率及接入延時等問題仍然值得關注。文獻[8]分析了標準所定義的節(jié)點接入算法，指出了現(xiàn)有算法所存在的問題，并給出了相應改進后的算法以及其仿真結果。

2 IEEE 802.16d Mesh關鍵機制分析

針對Mesh網(wǎng)絡結構的特殊性，目前IEEE 802.16d Mesh關鍵機制的研究主要集中在網(wǎng)絡調度機制、功率控制機制和網(wǎng)絡路由機制3個方面。

2.1 網(wǎng)絡調度機制

在IEEE 802.16d Mesh網(wǎng)絡中，主要有2種分配無線資源的機制：集中式調度（Centralized Scheduling）和分布式調度（Distributed Scheduling）。 在 IEEE 802.16d Mesh模式的調度機制研究中，主要也都是基于以上2種調度方式的研究，但也有就以上2種調度方式的存在的問題做討論和研究，并提出新的調度模型。文獻[9]提出了一種分層帶寬調度模型，并分析、求解了分層調度的最優(yōu)解，這是一種調度機制跨層設計思想，這也為IEEE 802.16d Mesh模式下的調度機制提供一種新的研究思路。

2.1.1集中式調度

在集中式調度里，調度由MBS集中控制，MBS定義MSS的發(fā)送時間，根據(jù)MSS的資源請求決定流安排。MBS收集在一定跳數(shù)范圍內所有MSS的資源請求，以獲取拓撲信息和信道信息。然后它建立一個樹形的路由結構，確定各條鏈路上的突發(fā)屬性，并在MSH-CSCF消息中廣播。同時，它還決定網(wǎng)絡中各條鏈路上下行所獲得的資源的數(shù)量，并通過MSHCSCF消息通知給所有的MSS。該消息并不包含確切的調度，但包含了各個MSS可用以計算確切調度的參數(shù)。如圖3所示，集中式調度中，MBS和MSS同處于一棵調度樹中，其中MBS位于調度樹的根部，MSS位于調度樹的各個樹枝節(jié)點處，網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流在調度樹的樹枝上沿箭頭方向雙向傳輸。該調度方式主要用于MSS的數(shù)據(jù)需要通過MBS路由至外部網(wǎng)絡或其他MBS的情況。

圖3調度機制Fig.3 Scheduling mechanism

集中式調度機制中，MBS負責整個網(wǎng)絡通信過程中MSS之間的資源分配關系，因此在一定程度上可以避免鏈路上的傳輸碰撞問題，有效解決MSS之間對于資源的競爭。但也容易出現(xiàn)問題。例如，由于數(shù)據(jù)都是往來于MBS，越靠近MBS的節(jié)點，需要中繼的數(shù)據(jù)越多，因此越可能成為影響網(wǎng)絡吞吐量的瓶頸節(jié)點。目前有較多文獻研究集中式調度算法[10-11]，以提高集中式調度網(wǎng)絡的吞吐效率。也有提出采用定向天線來提高網(wǎng)絡吞吐量的方法，文獻[12]則提出了一種利用多波束智能天線提高WiMax Mesh網(wǎng)絡集中調度性能的方法，其主要思想就是在網(wǎng)絡節(jié)點上（尤其是在瓶頸節(jié)點上）使用多波束智能天線，使更多鏈路并行傳輸，從而達到有效解決瓶頸問題的目的。近年來，結合智能天線技術的優(yōu)勢來提高網(wǎng)絡的吞吐效率和調度性能也成為了一個新的研究方向。

2.1.2分布式調度

分布式調度與集中式調度的區(qū)別在于流量的分布和調度方式的不同。如圖3所示，集中式調度方式，數(shù)據(jù)流只能在調度樹中的樹枝上沿箭頭方向雙向傳輸，而分布式調度的數(shù)據(jù)流不但可以發(fā)生在調度樹枝上，也可以發(fā)生在虛線所示的不屬于調度樹的鏈路上。因此，分布式調度減少了對MBS的依賴，與此同時也增加了通信中鏈路發(fā)生沖突碰撞的可能性。為此分布式調度又根據(jù)調度消息的發(fā)送是否存在協(xié)調機制分為協(xié)調式分布調度 （Coordinated Distributed Scheduling）和非協(xié)調分布調度（Uncoordinated Distributed Scheduling）。協(xié)調分布式調度，各個節(jié)點使用每幀的部分或全部控制子幀部分周期性地發(fā)送自己的調度結果，并基于PMP方式對所有的鄰居節(jié)點請求調度改變。所以在兩跳范圍內的所有節(jié)點的傳輸都將是協(xié)調的。非協(xié)調分布式調度，可快速以Ad-Hoc方式逐條鏈路地建立調度，調度通過2個節(jié)點之間的直接請求或準許而得以建立，并保證數(shù)據(jù)傳輸將不與協(xié)調分布式調度以及集中式調度方式所調度的數(shù)據(jù)和控制流相沖突。

分布式調度中，在MSH-DSCH消息中用一個專用的比特來表示，比特值為0，表示是協(xié)調分布式調度；為1，則表示是非協(xié)調分布式調度。在協(xié)調和非協(xié)調分布式調度里，所有的節(jié)點都要有規(guī)律地間隔發(fā)送分布式調度包，來告訴所有的鄰點自己的調度。協(xié)調分布式調度信息由MSH-DSCH消息來承載。協(xié)調分布式調度的MSH-DSCH在控制子幀中發(fā)送，非協(xié)調分布式的MSH-DSCH在數(shù)據(jù)子幀中發(fā)送。因此，在協(xié)調分布式調度中，控制子幀使用無碰撞的方式來傳輸調度包；而在非協(xié)調分布式調度中，傳輸調度包則部分的采用競爭方式，容易發(fā)生碰撞。

IEEE802.16d Mesh模式中的協(xié)調和非協(xié)調分布式調度都采用三次握手方式[13]，如圖4所示，源-目標節(jié)點通過請求、許可、認證3個過程確定用于傳輸數(shù)據(jù)的微時隙，完成對數(shù)據(jù)部分的調度。并且在協(xié)議規(guī)定了各個節(jié)點計算自己發(fā)送機會的調度算法，以實現(xiàn)各個節(jié)點之間發(fā)送機會的公平性。

圖43次握手過程Fig.4 Process of three-way handshake

2.2 網(wǎng)絡功率控制

在IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡中采用功率控制機制，不但能夠降低對鄰近節(jié)點的干擾、保障用戶的QoS，還可以降低網(wǎng)絡能耗，提高信道的空間復用度，最終提高整個網(wǎng)絡的容量。IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡是一種新型的分布式網(wǎng)絡結構。結合其網(wǎng)絡特性，目前IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡中的功率控制機制的研究重點在于對分布式功率控制技術的研究。

分布式功率控制[14]是一種由網(wǎng)絡中節(jié)點自行進行功率控制的方法，以在接收端接收到的SIR是否相等，來進行相應的網(wǎng)絡功率控制。該算法首先在窄帶蜂窩系統(tǒng)中提出，通過迭代法近似實現(xiàn)最佳功率控制。分布式功率控制需要的網(wǎng)絡信息較少，控制方法簡單，控制速度快，而且符合分布式網(wǎng)絡的特性，因此在分布式網(wǎng)絡中大多使用分布式功率控制。

在IEEE802.16協(xié)議中并未對功率控制的具體算法做出明確規(guī)定，因此這就為分布式功率控制研究提供很大空間。目前，在眾多的基于傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡的分布式控制算法中，Grandhi等[15]人提出的分布式帶約束的功率控制是被學術界廣泛接收的算法之一，也有文獻[16]對基于遺傳算法的功率控制方法做了一定研究，這些都為IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡中的功率算法研究提供參考。如何在結合IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡本身特點的同時，發(fā)揮出分布式功率算法的優(yōu)勢，使之更好適用于IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡，是IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡功率控制機制研究的重點之一。另外，基于博弈論的分布式功率控制機制[17]也是解決IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡功率控制問題的另一個研究熱點。

2.3 網(wǎng)絡路由機制

根據(jù)調度方式的不同，IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡中的路由算法可分為集中式路由和分布式路由。集中式路由為樹形結構，目標是建立并周期性維護一棵由網(wǎng)絡內所有參與集中式調度的激活節(jié)點構成的路由樹。該類路由大致可以分為3類：面向拓撲的路由、面向負載的路由和面向干擾的路由。而對于IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡中的分布式路由，則可以充分借鑒Ad-Hoc網(wǎng)絡中的路由算法[18-19]，較為經(jīng)典的算法有AODV、WRP、DSR等。然而，由于無線城域網(wǎng)中的IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡并非像Ad-Hoc網(wǎng)絡那樣在局域網(wǎng)內具有完全分布式的網(wǎng)絡結構，因此其相對應的路由算法也需要更多地以時延、吞吐量、可靠性、作為優(yōu)先考慮的指標來做更進一步的研究與改進。

3 結 論

從本文分析來看，IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡的關鍵機制的研究已不僅局限于沖突避免、無線調度、無線路由等機制上的改進或是算法上的優(yōu)化了，而是開始逐漸融合其他先進的物理層技術。分析和評估諸如智能天線、UWB、MIMO等先進技術的特點，并將其引入到IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡中以提高網(wǎng)絡性能，這也成為了IEEE802.16d Mesh網(wǎng)絡關鍵機制研究的一個重要方向。

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