认知无线mesh网络
第11卷第4期
2010年8月信息工程大学学报
Journal of Inf or m ati o n Engineeri n g Un i v ersity Vol 111No 14Aug 12010
认知无线Mesh 网络
仵国锋, 季仲梅, 张 静, 何照盼
(信息工程大学信息工程学院, 河南郑州450002)
摘要:随着对无线网络带宽的更高追求以及业务的多样化, 网络模式越来越复杂, 无线频谱资
源越来越宝贵。如何无缝融合异构无线网络以及提高无线资源利用效率面临巨大的挑战。认
知无线Mesh 网络可以实现无线环境的认知、异构网络的融合, 成为未来网络有希望的候选方
案。文章介绍了认知无线M esh 网络的基本概念、特点、网络架构和协议体系, 最后对认知无
线Mesh 网络的发展进行了展望。
关键词:认知无线电; 无线Mesh 网络; 认知无线Mesh 网; 异构无线网络
中图分类号:TN925. 93 文献标识码:A +文章编号:1671-0673(2010) 04-0429-05
Cogn itiveW irelessM esh Network s
WU Guo 2feng , JI Zhong 2m e, i Z HANG Jing , HE Zhao 2pan
(Institute of In f or m ati on Engi neer i ng , Infor m atio n Engi nee ri ng Universit y , Zhengzhou 450002, Ch i na)
Ab stract :W ith the increasing need ofw ireless bandw i d th and t h e ser vice beco m i n gmore diversified ,
the net w ork mode beco mesmore co mp lex and rad i o spectru m resource beco mes more prec i o us . H o w
to rea liz e the sea m less i n tegration of heterogeneous w ire l e ss net w orks and ach ieve better radio re 2
source utiliz ati o n beco mes a cha llenge task . Cogn itive w irelessM esh net w orks be i n g able to rea lize
wireless environ m ent cogn ition and integration of heterogeneous net w orks , beco me a good candidate
of f uture net w or k. In this paper , the concept, characteristic , net w ork architect u re and protocol sys 2
te m of cogn itive w irelessM esh ne t w ork are discussed . Fina lly , a brief introducti o n to the pr ospects
of C WMN is given .
K ey w ord s :cogn itive rad i o ; w irelessM esh net w or ks ; cogn iti v e w ire lessMesh net w orks ; heterogene 2
ous w ireless net w orks
随着对无线网络带宽的更高追求以及业务的多样化, 网络模式越来越复杂, 无线频谱资源越来越宝贵。如何有效融合异构网络以及提高无线资源利用效率面临巨大的挑战。因此, 无线环境的认知、异
[2]构网络的融合已经成为业界研究的重点, 力求能够在保证现有网络结构与传输质量的同时, 降低未来
网络的硬件成本和部署成本和维护成本。
无线M esh 网也称无线网状网[3][1](Wire lessM esh Net w or ks , WMN ), 是一种新型的宽带无线网络, 具有不同于传统无线网络的特点, 在灵活组网、提高网络覆盖率、增加网络容量、减少前期投资等诸多方面都显现较大的优势, 尤其适合在缺乏有线网络资源情况下实现宽带无线接入和覆盖。目前无线Mesh 网已得到国际学术界和工业界的广泛关注, 正在得到越来越广泛的应用。
在传统的固定频谱分配策略下, 人们通常是采用先进的无线通信技术, 如正交频分复用、多天线、链路自适应等克服信道衰落及提高频谱效率。但由于时间和地理位置的变化, 一些非授权频段的占用非常拥 收稿日期:2010-04-29
基金项目:国家重大科技专项资助项目(2009ZX030032007)
), 男, ,
430信息工程大学学报 2010年 挤, 另外一些己经分配给现有很多无线系统的频谱资源却在时间和空间上存在不同程度的闲置, 于是人们在软件无线电的基础上提出了具有动态频谱接入功能的认知无线电(Cogn iti v e Rad i o , CR ) 技术, 通过从时间和空间上充分利用那些空闲的频谱资源, 有效解决无线通信频谱资源匾乏的难题。近几年来, 认知无线电技术受到了人们的普遍关注, 各国也纷纷开展了这方面的研究, 并取得了不少研究成果。
将认知无线电和宽带无线M esh 网络相结合, 可以建立一种具有认知能力的新型宽带无线网络, 称为认知无线M esh 网络(Cogn itiveW ire lessM esh N et w or k , C WMN /CogM esh) 。认知无线Mesh 网络在有效融合异构网络和提高无线资源利用效率方面具有巨大潜力, 成为未来网络有希望的候选方案。本文介绍认知无线M esh 网络的概念、特点和网络架构及其协议体系, 最后对其应用前景进行了展望。[527][4]
1 认知无线Mesh 网络的网络结构
认知无线Mesh 网络是指应用认知无线电技术的无线Mesh 网络, 具备认知能力、可重配置和自组织等能力。C WM N 中的认知Mesh 节点(Mesh 路由器、客户端节点等网络设备) 通过智能感知和分析无线环境资源(如频谱、时间、空间和功率), 获得当前频谱状态信息, 并与网络中的其它节点交互频谱信息, 扩大认知范围。认知M esh 节点综合自主感知信息和相邻节点的频谱感知信息, 通过重配置频率、调制方式、传输功率等参数避免对授权用户或其他节点产生干扰, 在保障C WMN 通信质量的同时, 以Overlay 或Un 2derlay 的方式与其他授权网络共享频谱资源, 扩展了无线Mesh 网络覆盖并提高网络吞吐量, 为多媒体用户提供灵活的宽带无线网络连接, 使无线Mesh 网络具有更广阔的应用空间。
除了能够通过频谱感知有效提高频谱利用率, 认知无线Mesh 节点能够感知可用的网络并与其周围的系统进行通信。认知无线Mesh 网络可以看作是由多种通信系统和网络组成的异构网络, 其异构性体现在无线接入技术、网络、用户终端、应用业务提供者等方面。认知无线Mesh 网络的设计目标是提高整个网络的效率, 而不仅仅是链路的频谱有效性。从用户的角度看, 意味着通过接入认知无线M esh 网络总能满足他们在任何时间任何地点的需求。从运营者角度看, 能够为以更加有效的途径分配无线电和网络资源, 用户提供更好的服务。认知无线M esh 网络能够部署成骨干型、客户端A d hoc 型和混合型等3类网络结构, 以满足授权和非授权应用的需求。
1. 1 骨干型结构
图1给出了骨干型C WMN 的示意图, 静态的认知M esh 路由器构成无线网络框架, 组成骨干中继网。认知Mesh 路由器可以为认知Mesh 客户端和传统客户端节点提供接入服务, 也可以作为一个无线中继站将相邻认知Mesh 路由器的流量转发到网关。具有网关和网桥作用的认知Mesh 路由器可以实现与其他网络, 如因特网、蜂窝网、WL AN 、W i F i 、W M i ax 等的互联。这样的无线多跳骨干网络为不同的无线通信系统之间的集成提供了灵活性, 可以部署各种宽带无线技术。而且可以通过逐步部署, 设置更多的网关来提高网络的可靠性, 当某个网关出现故障, 可以经其他路由和网关完成其数据的转发任务。
1. 2 客户端Ad hoc 型结构
客户端Ad hoc 型网络结构没有基础支持, 如图2所示, 网络中的认知Mesh 客户端节点为对等结构,
第4期仵国锋等:认知无线M esh 网络 431通过自配置以某种通信标准/协议互联, 在节点间建立链路, 从而构成一个Ad hoc 网络。节点间的链路可以采用不同的通信技术建立。2个认知Mesh 客户端能够通过现有的通信协议(如W i F , i Bl u etooth 等) 彼此通信, 或者动态使用频谱空穴进行通信。客户端节点具有路由和信息转发功能, 没有网关和网桥功能。2个无法直接通信的客户端可以建立多跳路由发送数据。节点可以任意移动, 网络拓扑结构动态变化。
1. 3 混合型结构
混合型结构是骨干型结构和客户端Ad
hoc 型结构的结合, 如图3所示。认知M esh
路由器作为无线路由器构成无线骨干网,
认知M esh 客户端具有路由和转发功能, 能
够直接接入认知Mesh 路由器或者通过自组网方式互联, 使用其他的客户端作为多
跳中继节点。一些认知M esh 路由器能够
连接到骨干/核心网, 作为网关来使用。因
为认知M esh 路由器不需要连接到有线骨
干/核心网, 部署时更加灵活, 代价更低。
认知M esh 路由器基于认知无线电能力, 彼
此可以使用频谱空穴进行通信。由于潜在
大量的频谱空穴可以使用, 认知无线M esh
节点链路的无线通信能力足以支持无线骨干网络。总之, 采用混合型结构可以提高网络的覆盖范围和网络的连接性, 减少所需的路由器数量, 降低网络成本。图3 混合型认知无线M es h 网络
2 认知无线Mesh 网络的特点
除了具有传统的无线M esh 网络的可靠性强、可扩展性强、覆盖范围大、频谱效率高等优点外, 由于采用先进的认知无线电技术, 认知无线Mesh 网络呈现出与传统的无线Mesh 网络不同的特点。在认知无线M esh 网络中, 各个节点应该能够感知环境(认知能力), 分析和学习感知到的信息(自组织能力) 和适应环境(可重配置能力) 。
2. 1 认知能力
认知无线Mesh 网络具有提供环境信息和决策依据的认知能力, 包括频谱感知、频谱分析和频谱决策3个循环步骤。通过频谱感知从环境中获取信息, 得到影响系统性能的环境数据; 通过对感知数据进行频谱分析提出对物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层的优化决策; 用户根据网络需求和应用相关信息, 结合频谱决策, 来指导调整认知无线M esh 网络使其达到最优化。认知能力保证了认知无线Mesh 网络能够实时捕捉无线环境的变化, 并依据变化采取合适的通信参数, 优化网络各协议层和设备之间的协作。认知能力主要体现在以下方面:
频谱感知 认知无线M esh 网能够感知频谱和检测/频谱空穴0。频谱空穴是那些未被授权用户使用的频段或者对授权用户的干扰有限的频段。
频谱共享 认知无线电感知周围环境以及根据环境自适应调整的能力, 使认知节点与授权用户、认知节点之间可以通过协商、机会接入等方式共享频谱资源, 认知节点之间能够不冲突的选择频谱以最大化频谱利用率。
位置识别 认知无线M esh 节点具有判断自身位置和其他发射机位置的能力, 并选择合适的工作参数, 例如在该位置允许的功率和频檬。在诸如用于卫星下行链路的那些频段, 仅仅是接收, 不需要发射信号, 采用频谱感知技术可能不能识别临近的接收机, 位置识别是避免干扰的合适方法。
网络/系统发现 认知无线Mesh 网可以通过多跳接入因特网, 认知无线Mesh 终端首先发现周围的可用网络, 然后选择决定最好的通信链路, 这些可用网络可以通过直接一跳通信或者通过多跳中继节点达, ,
432信息工程大学学报 2010年 W i F iAPs 。如果在终端和BTSs /APs之间没有直接的通信链路, 但通过其他的认知无线Mesh 节点中继, 一些接入网络是可达的, 它仍然能够在这种环境下发起呼叫。因此, 能够发现一跳或者多跳的远程接入网络/系统是很重要的。
业务发现 业务发现常常伴随着网络/系统发现。网络或者系统运营者通过其接入网络提供业务。认知无线M esh 终端将发现合适的业务来满足其应用需求。
2. 2 可重配置能力
认知无线Mesh 网络具有可重配置能力, 即认知Mesh 设备可以根据环境认知结果和用户需求动态调整传输参数, 如工作频率、调制方式、传输功率、通信协议等, 以达到最优化自身性能以支持用户需求, 而不需要任何的硬件改动。可重配置能力主要体现在以下方面:
频率捷变 认知无线M esh 节点能够改变其工作频率。这一能力常常和动态选择合适的工作频率相结合, 其前提是对授权用户信号或其他非授权用户的检测。
动态频率选择 动态频率选择对来自其他无线电系统的信号进行动态检测并避免和这些系统工作在同一信道上。认知无线Mesh 设备将根据频谱感知、地理位置监测或者来自网络或者其他设备的指令来改变频率、天线极化方式或者天线波束指向。
自适应调制/编码 当认知无线Mesh 节点附近存在其他信号时, 自适应调制/编码技术能够改变信号传输特性和波形来提供机会增加频谱接入和更好的使用频谱。认知无线Mesh 节点能够选择合适的调制类型用于特定的传输系统从而保证系统间的互操作性。
传输功率控制 传输功率控制能够使认知无线Mesh 设备在数据传输过程中在多个传输功率级别间动态切换。当高的传输功率不是必须的时候, 可以将传输功率降低到较低水平, 只要在保证性能的限制内即可, 这样可以允许更多用户共享频谱。
动态系统/网络接入 认知无线Mesh 节点在接入多个工作在不同协议的通信系统/网络时, 能够将自己配置成和这些系统相兼容, 从而动态异构系统/网络接入成为可能。
2. 3 自组织能力
频谱/无线电资源管理 为了有效管理和组织各个节点的频谱空穴信息, 好的频谱管理策略是必须的。移动性和连接性管理 由于认知无线Mesh 网的异构性, 路由和拓扑信息更加复杂。好的移动性管理和连接性管理能够帮助邻居发现, 检测可用的互联网接入点和支持垂直切换, 这将有助于各个节点选择路由和网络。
信任/安全管理 因为认知无线Mesh 网是异构网络, 多种异构性(例如无线接入技术, 系统/网络操作者等) 引入很多安全问题。信任和安全管理是认知无线Mesh 网能否实用的一个关键因素。3 认知无线Mesh 网络的协议体系
认知无线Mesh 网络的协议体系结构涉及物理层、链路层、网络层、传输层和应用层各个层次
4所示。
物理层通过增加频谱感知功能和信道估计模块完成
频谱感知和检测功能, 频谱感知的目的是发现在时域、频
域和空域上的频谱空穴。频谱空穴具有不同的中心频率、
带宽和可用时间等特性。信道估计的目的是通过分析通
信过程中接收到的数据包不断地估计信道的质量。
链路层完成频谱共享功能。逻辑链路控制子层主要
是负责认知节点之间的通信建立和链路维护, MAC 子层
主要负责让节点按照某种机制接入信道, 完成数据的收
发, 有效避免无线信道上的碰撞, 使多个认知节点高效共
享无线链路资源。
图4 认知无线M esh 网络协议体系结构[7], 如图
第4期仵国锋等:认知无线M esh 网络 433谱在时间和空间上的间断性, 网络拓扑结构和节点之间的邻居关系是动态变化的, 因此路由选择需要获取频谱感知和信道估计等模块的信息。
常用通信协议体系结构都采用分层结构, 不同协议层之间没有信息的交互, 从而简化协议的设计。然而考虑到认知无线电技术的特征, 为优化网络性能, 在不同性能指标之间取得折衷, 跨层设计思想是认知无线M esh 网络中协议设计的一个重要方向。非相邻层间的直接通信或不同层间的信息共享都可以归结到跨层设计的范畴。在认知无线Mesh 网络中, 节点感知到的可用频谱资源不同且动态变化, 正是这个突出的特点, 使得认知无线Mesh 网络的协议层之间需要协作来获得较好的性能。然而跨层设计可能会增加协议的复杂度, 因此获得性能与协议复杂度之间的平衡是十分重要的。[8]
4 结论与展望
未来的无线网络可能是一个无线生态系统, 通过异构的无线单元提供大范围的服务, 同时提供多种业务满足人们的日常需要, 其特点是灵活、异构和复杂性。为了实现这样的系统, 需要横跨多个无线领域的智能协作结构。认知无线M esh 网络将高效利用频谱的认知无线电技术和下一代最具有应用前景的无线M esh 网络技术结合在一起, 采用无缝的方式充分利用认知无线电网络和自治网络的优点来为现有的和未来出现的多种业务提供一个灵活的网络平台, 在充分发挥无线Mesh 网络大容量、高速率、宽覆盖和快速部署等优势的同时, 实现多种异构无线网络的互通融合, 以及为多媒体用户提供灵活便捷的移动宽带无线网络接入。在这个意义上, 从业务、网络融合、资源利用和性能等方面看, 认知无线M esh 网是实现未来无线网络的一个有吸引力的候选方案。
本文从认知无线M esh 网络的概念、特点、网络架构和协议体系等方面对其进行了介绍。目前对于认知无线Mesh 网络的研究尚处于起步阶段, 在系统结构、物理层、链路层、网络层、跨层设计等方面存在着大量的开放性研究课题, 可以预见, 认知无线M esh 网络将成为未来无线通信的一个重要发展方向, 受到越来越多的关注。
参考文献:
[1]H aykin S . Co gn iti ve rad i o :Bra i n 2e m po wered w ire less co mmunicati ons[J].IEEE Journa l ON Se lected Areas i n Co mmunica 2
tio ns , 2005, 23(2) :2012220.
[2]M ahmoud Q H. Cogn itive Net works[M].Jo hnW il ey&Sons Ltd , 2007:57271.
[3]Wh itehead P . M esh N et works :a new a rchitecture for broadband w ireless access system s[C]M I EEE RA WCON . 2000:43246.
[4]M itola J . MAG U I R E G Q Jr . Cogniti ve radio :M aki ng soft wa re radi os m ore P erso na l[J].IEEE Pe rsona l Co mm un i catio ns ,
1999, 6(4):13218.
[5]Cho wdhu ry R K , Akyildiz F I . Cog n iti ve W ire l essM esh Net works with Dyna m i c Spectrum Access[J].IEEE Journal o n Se lect 2
ed A reas in Co mm un ica ti ons , 2008, 26(1):1682181.
[6]Chen Tao , ZhangH onggang , G i an M arioM ag gio , et a. l TopologyM anage m ent i n Cog M esh :A C luster 2based Cognitive R adio
M esh N et work[C]M IEEE Cog NetW orkshop in conjuncti on with IEEE ICC 2007. 2007:651526521.
[7]黄联芬. 基于环境认知的无线M esh 网络MAC 协议的研究[D].厦门:厦门大学, 2008.
[8]方旭明等. 下一代无线因特网技术:无线M esh 网络[M ].北京:人民邮电出版社, 2006.