多种分布式无线网络的比较分析

1、 研究与开发多种分布式无线网络的比较分析收稿日期:2009202223基金项目:教育部“春晖计划”项目(Z200721263002牛艳萍,唐宏(重庆邮电大学移动通信重点实验室,重庆400065摘要:介绍了分布式无线网络的类型和几种典型的分布式无线网络,对几种网络的基本概念、技术特点及网络结构进行分析研究与比较,最后得出了各种网络的适用场合及发展趋势。关键词:多跳网络;中继网络;分布式无线网络Com para ti ve ana lysis on severa l d istr i buted w i reless networksN IU Yan2p ing,T ANG Hong(Key La

2、borat ory of Mobile Communicati ons Technol ogy,Chongqing University of Posts and Telecommunicati ons,Chongqing400065,P.R.ChinaAbstract:This paper intr oduces several typ ical distributed wireless net w orks,compares their basic concep ts and technical characteristics,and points out the app licati o

3、ns and trends of these net w orks.Key words:multi2hop net w ork;relay net w ork;distributed wireless net w ork0引言目前的无线蜂窝系统主要依赖于基站、接入点和移动站之间的无线链路传输语音和数据。随着传输速率的增加,发射距离会变短,因此基站覆盖的面积就越小。依靠增加基站克服链路速率的限制代价太大,而分布式网络中的多跳网络技术1可以扩展网络覆盖面积,提高网络容量,从而有效地解决这个问题。1分布式无线网络的类型无线网络的发展越来越趋向于网状结构,分布式无线技术逐渐成为未来分布式无线网络的重要

4、支撑技术2。分布式无线网络根据其网络拓扑结构的特点,主要可以分为无基础设施的分布式无线网络和具有基础设施的分布式无线网络。1.1无基础设施的分布式无线网络1.1.1Adhoc网络Adhoc网络也称为自组织网络,由若干无线移动节点组成,不依赖于任何固定基础设施,是通过节点间的相互协作进行网络互联的一种多跳自组织临时性自治网络系统。在Adhoc网络中,节点可以任意移动,网络拓扑结构也可随之发生变化,终端可以突破无线网络覆盖范围的有限性,使2个无法直接通信的用户终端借助于其它终端的分组转发进行数据通信。它可以在没有或不便于利用现有网络基础设施的情况下提供一种通信网络的支撑环境。与普通移动网络和固定网

5、络相比,无线自组织网络具有以下特征:无中心控制节点和节点之间的对等性,自发现、自动配置、自组织、自愈,动态的网络拓扑结构,无线传输带宽有限,移动终端有节能要求,安全性较差和存在单向的无线信道等。1.1.2无线网状网Mesh无线网状网Mesh是移动Adhoc网络和蜂窝网技术融合的产物,是一种多跳的Adhoc网络,Mesh 网主要由Mesh路由器和Mesh终端2种网络节点组成。Mesh路由器不仅具有网关/中继功能,还具有支持Mesh网络互连的路由功能。Mesh路由器通常具有多个无线接口,与传统的无线路由器相比,无线Mesh路由器可以通过无线多跳通信,以较低的发射功率获得同样的无线覆盖范围。在无线M

6、esh 网络中,由Mesh路由器互连构成无线骨干网,这个骨干网再通过其中的网关Mesh路由器与外部网络如I nternet相连。Mesh终端也有一定的Mesh网络互连和分组转发功能,但是一般不具有网关桥接功能。通常Mesh终端只具有一个无线接口,Mesh终35研究与开发 D I G I TAL COMMUN I C AT I O N /200918端可以是笔记本电脑、掌上电脑、P DA 以及手机等终端设备。Mesh 终端之间互连可以构成一个小型对等通信网络;Mesh 路由器和Mesh 终端间混合组网3。如图1所示。图1无线m esh 网络结构1.1.3W S N 网络W S N (wirele

7、ss sens or net w ork 网络,即无线传感器网络是由分布在一定范围内的大量传感节点组成,各节点间以无线多跳的无中心方式连接,能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内目标对象的信息,并返回给观测节点。无线传感网的首要目标是在满足应用需求的条件下尽可能延长网络生命期和维持网络拓扑稳定。无线传感器网络主要包括4类基本实体对象:目标、观测节点、传感节点和感知视场。对于整个系统来说,还需定义与外部网络连接的网关、外部传输网络、基站、外部数据处理网络、远程任务管理单元和用户等。它具有以下特点:拓扑结构动态性强,自组织性,寻址以数据为中心,网络的分布式特性,传感器数量巨大、分布范围广、感知数

8、据量大,大规模的分布式触发器。1.2具有基础设施的分布式无线网络根据分布式节点间的连接方式,可以分为有线分布式和无线分布式2种,有线分布式以采用ROF 的分布式天线技术为代表,无线分布式以relay net 2work 为代表。1.2.1ROF 技术ROF (radi o over fiber 即光纤无线电是无线信号在光纤媒介中的传输技术。它的产生与发展主要来源于用户对无线接入网带宽的需求,这种系统利用大量的分布式天线单元在整个系统内提供高质量的、无缝的无线电信号覆盖。ROF 系统中运用光纤作为基站与中心站之间的传输链路,直接利用光载波来传输射频信号,光纤仅起到传输的作用,交换、控制和信号的再

9、生都集中在中心站,基站仅实现光电转换,这样把复杂昂贵的设备集中到中心站,让多个远端基站共享这些设备,减少了基站的功耗和成本4-7。ROF 技术降低了天线的复杂度,具有以下几个优点:低损耗、大带宽;可以降低安装和场地租赁、维护以及电子处理成本;ROF 系统具有动态容量分配、多业务操作、透明性等优势;ROF 系统的抗电子干扰特性好,电磁辐射也小。1.2.2Relay net w orkRelay net w ork 即中继网络,指在传播路径中增加了基站BS 至中继站RS 之间的中继路径及中继站RS 至用户站MS 之间的的接入路径,从而有机会将一个信号质量较差的链路替换为多个信号质量好的链路。近几年

10、,多跳技术成为了移动通信领域的研究热点。I EEE 802.16j 标准8-9中引入移动多跳中继(MMR,mobile multi 2hop relay 技术,在基站信号弱的地区布建成本相对低的中继站RS,主要用于扩大网络覆盖范围、提高系统容量等。中继站RS 具有双重角色,对于基站它类似是用户站,对于用户站它类似是基站。用户除了可以直接与基站联系外,还可以通过中继站转发基站发来的信号,且中继站还可以通过连接到其他中继站进行多跳转发。MMR 网络主要使用3种中继站:固定、游牧和移动中继站,主要应用场景也基于这3个方面。固定中继可以对某一区域提供长期和稳定的覆盖;游牧中继站可以满足些区域临时性或突

11、然增加的通信需求;移动中继站则主要针对某些公众交通工具上的用户。2几种分布式无线网络的比较2.1Adhoc 和W SN 的比较Adhoc 和W S N 都有带宽受限、链路容量动态变化、节点功耗受限、网络动态拓扑等相似之处,但还有以下几点区别:W S N 主要用于数据采集,节点一次性使用(无法更换电池,W S N 中的节点数量和分布密度远远超过Adhoc 网;传感器节点出现故障的可能性要大于Adhoc 网,传感器节点主要采用广播方式通信,而Adhoc 网络大都采用点对点方式通信。2.2M esh 和Adhoc 的比较无线网状网Mesh 是一种多跳的Adhoc 网络,集中了Adhoc 的优点。下面

12、通过网络拓扑、能量受限等几个方面对Mesh 和Adhoc 进行比较。如表145 研究与开发所示。表1Adhoc和M esh的比较要点Adhoc Mesh网络拓扑变化快相对静止能量受限高低应用特性临时半永久或永久基础设施无需有部分或全部中继转发移动节点转发固定节点转发路由性能适用于全分布按需路由全分布及部分分布或分层路由应用场景军事军事或民用2.3M esh和中继系统的比较I EEE802.16j使用的是移动多跳中继技术,和Mesh同是多跳网络架构。它们有很多共同点,比如基础设施铺设成本低、传输速率高、带宽高、为用户提供多条路径,信息传输可靠性高,而且都可以扩展网络覆盖面积,提高网络容量。但这两

13、种多跳网络技术间也有不同之处:1拓扑结构:I EEE16j多跳中继网络是典型的树形拓扑,比较简单;Mesh网络则融合了星形和网状两种拓扑,也称为多点到多点的系统。如图2所示。图2两种网络拓扑图2路由算法:中继网络的拓扑结构简单,路由算法不复杂;而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。3标准模式:在I EEE802.16标准中,Mesh模式是固定无线接入空中接口标准下的一种模式,而I EEE802116j则是属于移动无线接入空中接口标准。3结论通过上面的比较分析,Adhoc网络、W S N和无线Mesh网络都采用分布式、自组织的

14、方式形成网络,每个节点都具备路由功能,随时为其他节点的数据传输提供路由和中继服务。这几种网络都有各自的适用场合:Adhoc网络是为了实现移动节点间的对等网络通信;W S N是侧重于实现对某个区域的物理现象的监测,适合于短距离的无线低功率通信;无线Mesh网络着眼于为各种业务需求的客户节点提供无线宽带接入功能;ROF技术主要用于宽带无线接入网;中继技术在802116j中得到了充分的应用,主要基于蜂窝结构进行多跳扩展。4展望ROF技术已成为4G的研究热点,应用领域越来越广,如应用于4G无线接入网、室内信号覆盖、车载无线通信中等。目前的分布式无线通信技术主要的应用集中在Mesh和Relay net

15、w ork。随着分布式无线网络的不断发展,Mesh,Relay等概念已不再局限于传统的全分布式无线多跳通信网络中,它们既可以是全分布式的,也可以与集中控制相结合,所以面向下一代移动通信系统的分布式无线网络将会是一种具有部分基础设施网络支撑的分布式无线网络技术。虽然近几年分布式无线网络得到了很大的发展,但在研究和应用中依然面临着许多挑战,如路由、功率控制、安全等,这些都还有待进一步的研究。参考文献:1李丹丹,靳浩.多跳网络技术在W I M AX中的应用J.数据通信,2008,10(3:18222.2李剑,刘扬,段军.未来分布式无线通信系统发展趋势J.移动通信,2008,36(1:31235.3杨文东,蔡跃明.无线协作Mesh网J.中兴通讯技术,2008,14(3:18221.4姜永,郑明春,李国强.I EEE802.16中的无线Mesh网络研究J.计算机技术与发展,2008,18(5:2342237.5李扬,万屹.Relay技术在B3G/4G系统中的应用J.现代电信科技,2007,37(1:15218.6郭达,张勇,彭晓川.无线网状网:架构、协议与标准M.北京:电子工业出版社,2008:3210.7熊飞,熊曼子,刘洋.ROF技术在移动通信中的应用J.电子元器件应用,2008,10(9:75277.8AR I A N,T ODD E,H