劉 磊，張運(yùn)福，陳宏波，奚春陽(yáng)，黃 金

（1.廣東湛江中國(guó)人民解放軍九一三八八部隊(duì)，廣東 湛江 524000；2.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引 言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。在各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，LTE（Long Term Evolution）技術(shù)與WMN（Wireless Mesh Network）技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用備受關(guān)注[1]。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中快速發(fā)展，用戶(hù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和各種業(yè)務(wù)QoS的要求越來(lái)越高。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建必須滿足快速的數(shù)據(jù)傳輸速率增長(zhǎng)及各種特殊應(yīng)用環(huán)境下的組網(wǎng)需求。

當(dāng)前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類(lèi)型、大業(yè)務(wù)以及接入節(jié)點(diǎn)的增多，單一體制組網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)容量不足、頻率資源緊缺的問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。因此，能夠有效拓展網(wǎng)絡(luò)容量以及合理利用頻譜資源的混合組網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越受關(guān)注。

1 MESH與LTE技術(shù)

MESH組網(wǎng)技術(shù)基于WLAN和AdHoc，是一種系統(tǒng)容量大、網(wǎng)絡(luò)速率高的分布式無(wú)線寬帶多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。用戶(hù)業(yè)務(wù)在MESH網(wǎng)絡(luò)中能夠通過(guò)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)目的地。MESH網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都可用作無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)備[2]。

MESH組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。MESH是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，能夠自動(dòng)選擇最佳路徑，避免因障礙物無(wú)法通信的問(wèn)題，從而可以為處于非視距范圍的用戶(hù)提供業(yè)務(wù)傳輸能力；組網(wǎng)方式多樣，支持動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M網(wǎng)，為機(jī)動(dòng)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景提供有效的組網(wǎng)能力；能夠自組織、自愈和自均衡，網(wǎng)絡(luò)可靠性強(qiáng)[3]。

LTE是基于3GPP的長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。LTE組網(wǎng)技術(shù)擁有網(wǎng)絡(luò)帶寬高、時(shí)延低、適于多種環(huán)境組網(wǎng)的特點(diǎn)，已經(jīng)成為當(dāng)前無(wú)線通信的主流技術(shù)之一[4]。

LTE組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信速率快、吞吐量高，能夠?yàn)榇髽I(yè)務(wù)提供有力支撐；時(shí)延小，能夠滿足大多數(shù)實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用場(chǎng)景；LTE基站部署方便，可以在現(xiàn)有無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行補(bǔ)充建設(shè)，減少運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)費(fèi)用[4]。

2 MESH與LTE混合組網(wǎng)方案設(shè)計(jì)

2.1 混合組網(wǎng)架構(gòu)

混合組網(wǎng)方案采用雙信道技術(shù)，每個(gè)信道分別加載不同體制的網(wǎng)絡(luò)波形。圖1為多個(gè)設(shè)備不同體制混合組網(wǎng)的典型無(wú)線局域網(wǎng)拓?fù)浼軜?gòu)。

圖1 混合組網(wǎng)拓?fù)?/p>

如圖1所示，設(shè)備1為加載LTE體制的基站設(shè)備，其他每個(gè)設(shè)備同時(shí)存在LTE終端和MESH兩種體制。設(shè)備2和設(shè)備3通過(guò)LTE終端與LTE基站組網(wǎng)，與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備則通過(guò)MESH體制組網(wǎng)。

2.2 工作原理

混合組網(wǎng)設(shè)備基于軟件無(wú)線電平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，架構(gòu)邏輯如圖2所示。根據(jù)不同應(yīng)用需要加載不同波形，通過(guò)軟件設(shè)置可工作于基站模式或移動(dòng)站模式，滿足多種需求。

混合組網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)有兩個(gè)無(wú)線信道，信道1用于移動(dòng)站模式的無(wú)線接入，信道2可以加載LTE基站波形或MESH自組網(wǎng)波形。基站模式中，設(shè)備的信道2加載LTE基站波形，為附近區(qū)域提供無(wú)線接入覆蓋。移動(dòng)站模式中，信道1用于接入到基站，同時(shí)通過(guò)信道2組成MESH自組織網(wǎng)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，改善節(jié)點(diǎn)間的連通度，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

圖2 設(shè)備架構(gòu)邏輯

混合組網(wǎng)設(shè)備配置有北斗GPS同步功能，基站之間嚴(yán)格同步，并能完成越區(qū)切換與漫游；移動(dòng)站在多個(gè)基站覆蓋區(qū)域移動(dòng)時(shí)，可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)選擇基站，并能在鄰近基站間切換。

混合組網(wǎng)設(shè)備配套的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，可以對(duì)本地設(shè)備的工作參數(shù)進(jìn)行配置，也可以監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)以及混合組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)洹?/p>

2.3 關(guān)鍵技術(shù)體制

混合組網(wǎng)設(shè)備LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)的TD-LTE接入?yún)f(xié)議，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)下的各接入層功能和相關(guān)核心網(wǎng)接口。同時(shí)，從實(shí)際需求出發(fā)，為滿足實(shí)際應(yīng)用中的高機(jī)動(dòng)、快部署和自定義的需求，在標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)上增加了分布式核心網(wǎng)控制器、分布式安全認(rèn)證中心和自定義QoS控制器3個(gè)關(guān)鍵模塊，能夠使設(shè)備在脫離集中式核心網(wǎng)控制情況下，完成數(shù)據(jù)通信、用戶(hù)鑒權(quán)和服務(wù)區(qū)分等系統(tǒng)功能，滿足不同應(yīng)用環(huán)境下的混合組網(wǎng)架構(gòu)和通信需求。從實(shí)際環(huán)境考慮，為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的高干擾和多路徑情況，設(shè)計(jì)了一套感知干擾和屏蔽干擾的算法，能夠有效檢測(cè)干擾和扣除被干擾的子載波，提高設(shè)備的可用性和環(huán)境適應(yīng)性。

混合組網(wǎng)設(shè)備自組織網(wǎng)技術(shù)采用自主設(shè)計(jì)的MESH協(xié)議，支持多跳、寬帶、機(jī)動(dòng)通信等需求。MESH信號(hào)處理借鑒4G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用無(wú)中心多跳情況下節(jié)點(diǎn)間同步、前導(dǎo)插值與判決反饋相結(jié)合的信道估計(jì)和均衡、信道編碼等關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)考慮具體應(yīng)用中的電磁環(huán)境，子載波映射采用多載波方式，結(jié)合導(dǎo)頻設(shè)計(jì)可獲得頻域分集增益，接收端使用了最小均方誤差法(MMSE,Minimum Mean Square Error)信道估計(jì)，能較好解決多徑問(wèn)題。MESH接入控制提供無(wú)中心的物理層同步組網(wǎng)支持，采用基于預(yù)約的動(dòng)態(tài)無(wú)線資源分配算法實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突的資源分配，采用區(qū)分服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)QoS需求，采用跨層設(shè)計(jì)以更有效、公平地利用無(wú)線資源和節(jié)約能量。

混合組網(wǎng)設(shè)備路由吸收自組織網(wǎng)下多種路由協(xié)議的特點(diǎn)，采用基于鏈路和信道感知的混合路由技術(shù)，在降低路由開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí)，獲得更好的路由收斂速度，有效提升了尋路效率?；阪溌泛托诺栏兄倪x路標(biāo)準(zhǔn)，為多種不同類(lèi)型鏈路提供了互聯(lián)基礎(chǔ)，能夠在不同應(yīng)用場(chǎng)景下選擇合適路由，且與物理層、媒體接入控制層結(jié)合緊密，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)高效轉(zhuǎn)發(fā)和快速收斂，且在三層路由基礎(chǔ)上，支持二層交換功能，使得設(shè)備同時(shí)具備二、三層轉(zhuǎn)發(fā)功能，擴(kuò)展了設(shè)備應(yīng)用，為與交換機(jī)、路由器互聯(lián)提供了支持?；旌辖M網(wǎng)設(shè)備采用IP分組交換體制，支持VPN、單播、組播以及廣播業(yè)務(wù)交換。

為保證話音、視頻等業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延及時(shí)延抖動(dòng)等QoS需求，混合組網(wǎng)設(shè)備對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行了分類(lèi)。設(shè)備支持多級(jí)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)，提供優(yōu)先級(jí)與業(yè)務(wù)映射手段。在交換調(diào)度時(shí)，實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略，從而保障設(shè)備提供良好的用戶(hù)體驗(yàn)。

2.4 業(yè)務(wù)流程

數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖3所示。從以太網(wǎng)接口接收的數(shù)據(jù)送給業(yè)務(wù)交換模塊，業(yè)務(wù)交換模塊對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行識(shí)別、區(qū)分，確定優(yōu)先級(jí)等QoS需求信息，根據(jù)路由模塊轉(zhuǎn)發(fā)策略決定數(shù)據(jù)的發(fā)送通道，將數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)信道的接入控制模塊。信道的接入控制模塊根據(jù)業(yè)務(wù)QoS信息進(jìn)行調(diào)度，并發(fā)送至信號(hào)處理模塊，最后經(jīng)過(guò)射頻相關(guān)處理后通過(guò)天線輸出。

MESH信道的數(shù)據(jù)發(fā)送流程與經(jīng)過(guò)LTE信道類(lèi)似。首先由交換模塊送給接入控制層，接入控制層根據(jù)QoS信息，依據(jù)調(diào)度策略進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)度。通過(guò)IPC通道將數(shù)據(jù)幀交于物理層API進(jìn)行解析，物理層API將解析后的數(shù)據(jù)幀交給數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)功率放大和濾波后經(jīng)天線輸出。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

數(shù)據(jù)接收流程如圖4所示。從天線口進(jìn)入信道的射頻信號(hào)，經(jīng)濾波器濾波、低噪放放大和射頻模塊處理后得到中頻信號(hào)；中頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字前端模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)送信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理；信號(hào)處理模塊解調(diào)成數(shù)據(jù)流，并經(jīng)物理層API合成為數(shù)據(jù)幀，再通過(guò)IPC通道送給接入控制層，然后送給業(yè)務(wù)交換模塊；業(yè)務(wù)交換后送給以太網(wǎng)接口。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程

3 混合組網(wǎng)應(yīng)用前景

MESH與LTE混合組網(wǎng)具有組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)健壯性高、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬高、支持非視距通信以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大等優(yōu)勢(shì)。因此，MESH與LTE混合組網(wǎng)方案能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求，尤其是在特殊環(huán)境無(wú)線組網(wǎng)應(yīng)用中。

軍事領(lǐng)域尤其是在復(fù)雜地形的軍事作戰(zhàn)中，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，時(shí)刻保持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的正常通信至關(guān)重要。采用MESH與LTE混合組網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)簡(jiǎn)單、靈活，支持動(dòng)態(tài)組網(wǎng)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，完全滿足軍事作戰(zhàn)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特殊性的需求。

應(yīng)急通信領(lǐng)域，事件緊急，具有突發(fā)性強(qiáng)、環(huán)境不固定等特點(diǎn)?？焖俳M網(wǎng)、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等需求，是應(yīng)急通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必需滿足的。MESH與LTE混合組網(wǎng)靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及高帶寬，能夠滿足對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)緊急突發(fā)事件做出快速響應(yīng)，并能有效滿足各方救援力量統(tǒng)籌規(guī)劃、相互協(xié)調(diào)地實(shí)施搶險(xiǎn)救災(zāi)和災(zāi)后重建的網(wǎng)絡(luò)需求。

海洋開(kāi)發(fā)與探測(cè)領(lǐng)域具有布網(wǎng)困難、地點(diǎn)隨機(jī)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。MESH與LTE混合組網(wǎng)方案靈活的組網(wǎng)方式、支持動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M網(wǎng)等特點(diǎn)，完全能夠滿足海洋探測(cè)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了MESH與LTE協(xié)議及其優(yōu)勢(shì)。為了滿足用戶(hù)更大業(yè)務(wù)與更廣覆蓋的需求，提出了MESH與LTE混合組網(wǎng)的無(wú)線組網(wǎng)方案。具體地，詳細(xì)介紹了混合組網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵技術(shù)體制、業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)流程以及混合組網(wǎng)的應(yīng)用前景。本文所設(shè)計(jì)的MESH與LTE混合組網(wǎng)方案不僅滿足了用戶(hù)對(duì)大業(yè)務(wù)與廣覆蓋的需求，而且滿足用戶(hù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化方面的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭海虹.無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展分析[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2013,9(09):2077-2080.ZHENG Hai-hong.Analysis of Wireless Mesh Network Technology Development[J].Computer Knowledge and Te chnology,2013,9(09):2077-2080.

[2] IEEE 802.11 Working Group of the LAN/MAN Committee.IEEE P802.1ls／D2.0 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications.Amendment 10:Mesh Networking[R].2008.

[3] 蔡成都,王星光.MESH技術(shù)應(yīng)用與研究[J].信息通信,2015,153(09):255-256.CAI Cheng-du,WANG Xing-guang.Application and Research of MESH Technologies[J].Information & Comm unications,2015,153(09):255-256.

[4] 陳書(shū)貞,張旋,王玉鎮(zhèn).LTE關(guān)鍵技術(shù)與無(wú)線性能[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.CHEN Shu-zhen,ZHANG Xuan,WANG Yu-zheng.LTE Key Technologies and Wireless Performance[M].Beijing:China Machine Press,2012.