（通信与信息系统专业论文）无线和光纤混合宽带接入网中的信道分配研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工科通信与信息系统 研究方向：网络与应用技术 作者：2 0 0 7 级硕士研究生禹琦 指导教师：唐宝民教授 题目：无线和光纤混合宽带接入网中的信道分配研究 英文题目：r e s e a r c ho nc h a n n e la s s i g n m e n tf o rh y b r i dw i r e l e s s o p t i c f l b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r k 主题词：w o b a n ，多射频，信道分配，负载均衡，c p l e x k e y w o r d s ：w o b a n ，m u l t i - r a d i o ，c h a n n e l 觞s i g n m e n l l o a db f l a n c e ，c p l e x 直塞邮电太堂亟班究生堂位i 金塞 摘要 摘要 带宽密集型业务的不断涌现导致带宽需求量不断增长，而一直被人们视为信息高速公 路“最后一公里 的接入网却发展较为缓慢，成为网络宽带化的瓶颈。无线和光纤混合宽 带接入网( w o b a n ) 将无源光网络技术和无线网状网技术相结合，能够解决接入网中不 断增长的带宽需求问题，并且具有成本低、组网灵活等优点，因而受到人们的普遍关注。 本文首先介绍了w o b a n 技术的发展背景和网络结构，分析了w o b a n 在接入技术 方面的优势，相关的应用及研究现状。其次，阐述了当前适用于w o b a n 网络的主要路由 算法，分析了各种算法的原理和优缺点，并具体介绍了基于容量和时延的路由算法 ( c a d a r ) 。通过对无线网信道分配方法的研究，提出了一种适用于w o b a n 无线前端的 基于吞吐量的信道分配算法c a t ( c h a n n e la s s i g n m e n tb a s e do r lt h r o u g h p u t ) 。该算法首 先通过对网络内多个射频接口的分配来提高网络容量，同时减小网络组建成本，降低信道 分配的复杂度；然后，根据链路上的流量分布以吞吐量平衡为目标进行信道分配。最后， 运用c p l e x 优化工具，通过计算实例验证c a t 算法能够有效地改善w o b a n 无线网部 分的容量、时延及负载均衡等性能指标。 关键词：w o b a n ，多射频，信道分配，负载均衡，c p l e x a b s t r a c t w i t ht h ep r e s e n tg r o w i n gd e m a n df o rb a n d w i d t h - i n t e n s i v es e r v i c e s ，t h en e e do fb a n d w i d t h i n c r e a s er a p i d l y b u ta st h el a s tm i l eo ft h ei n f o r m a t i o nh i g h w a y , t h ea c c e s sn e t w o r kd e v e l o p ss o s l o w l yt h a ti tb e c o m e st h eb o t t l e n e c ko ft h eb r o a d b a n dn e t w o r k b e i n ga no p t i m a lc o m b i n a t i o n o fp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r ka n dw i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，t h eh y b r i dw i r e l e s s o p t i c a lb r o a d b a n d a c c e s sn e t w o r k ( w o b a n ) c a n s m a r t l ys o l v et h ep r o b l e mo ft h ee v e r - d e m a n d i n gn e e d si nt h e a c c e s sn e t w o r ka n dc o n s t r u c tt h en e t w o r kw i t hac o s t - e f f e c t i v ea n df l e x i b l ew a y , s oi td r a w st h e a t t e n t i o no ft h ep u b l i c i nt h i sp a p e r , f i r s t ，w em a k eas h o r ti n t r o d u c t i o na b o u tt h eb a c k g r o u n da n dt h es t r u c t u r e so f t h ew o b a n s e c o n d l y , i td i s c u s s e ss o m er o u t i n ga l g o r i t h m st h a tc a nb eu s e di nt h ew o b a n ， a n a l y z e st h ep r i n c i p l e ，a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e s ea l g o r i t h m s ；a m o n gt h e m ，w e d e s c r i b et h ea l g o r i t h mb a s e do nc a p a c i t ya n dd e l a y ( c a d a r ) i nd e t a i l a f t e rr e s e a r c ha b o u t a l g o r i t h m so fc h a n n e la s s i g n m e n ti nw i r e l e s sn e t w o r k , w ep r o p o s ean e wt h r o u g h p u t - a w a r e c h a n n e la s s i g n m e n tn a m e dc a - t w h i c hc o u l db eu s e di nt h ew i r e l e s sf r o n te n do fw o b a n t h ea l g o r i t h mf i r s td e p l o y sm u l t i p l er a d i o sa taf e wn o d e st oi m p r o v et h ec a p a c i t yo fw o b a n w i r e l e s sf r o n te n d , s i m u l t a n e o u s l yr e d u c et h ec o s to ft h en e t w o r ka n dt h ec o m p l e x i t yo fc h a n n e l a s s i g n m e n t t h e n ，w es t a r ta s s i g n i n gc h a n n e l sw h i c hp e r f o r m sb a l a n c i n gt h r o u g h p u tb a s e do n f l o w s a tt h ee n do ft h ep a p e r , w em a k eas i m u l a t i o no ft h ea l g o r i t h mb yc p l e x ；t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ec a tc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so ft h ew i r e l e s sn e t w o r ki nt h ew o b a n ，s u c h a sc a p a c i t y , d e l a y , l o a db a l a n c ea n ds oo n k e y w o r d s ：w o b a n ，m u l t i r a d i o ，c h a n n e la s s i g n m e n t ，l o a db a l a n c e ，c p l e x 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 目录i i i 第一章绪论。1 1 1 引言1 1 2 接入网技术的发展现状。1 1 3 研究方法3 1 4 内容安排3 第二章w o b a n 接入技术5 2 1w o b a n 技术的发展背景5 2 1 1 无源光网络( p o n ) 技术的发展5 2 1 2 无线网状网( w m n ) 技术的发展7 2 1 3r a d i o o n - f i b e r ( r o f ) 系统1 0 2 2w o b a n 技术1 1 2 2 1w o b a n 的基本架构一1 1 2 2 2w o b a n 的优势。13 2 3w o b a n 的研究挑战1 4 2 3 1w o b a n 网络组建1 4 2 3 2w o b a n 可靠性16 第三章w o b a n 路由算法分析1 7 3 1 最小跳路由算法( m h r a ) 和最短路径路由算法( s p r a ) 1 7 3 2 吞吐量预测路由算法( p ，认) 1 7 3 3 基于时延的路由算法( d a r a ) 1 7 3 4 基于容量和时延的路由算法( c a d a r ) 。1 8 3 4 1c a d a r 算法中的容量分配一1 8 3 4 2c a d a r 算法中的时延计算1 9 3 4 3c a d a r 算法描述2 0 3 4 4c a d a r 算法性能分析2 1 第四章数学规划与优化工具c p l e x 2 3 4 1 数学规划2 3 4 2 建模语言o p l 2 5 4 3 优化工具i l o gc p l e x 2 6 4 3 1i l o g 系列软件简介2 6 4 3 2i l o g 系列软件主要优化器2 6 4 3 3i l o gc p l e x 优化软件的使用2 7 第五章基于吞吐量的信道分配算法( c a d 3 2 5 1c a t 算法的提出3 3 5 1 1w o b a n 中多射频的影响3 3 5 1 2w o b a n 中的流量和容量分布3 4 5 1 3 链路上的传输干扰3 6 5 2c a t 算法描述3 7 5 3c a t 算法的公式表示3 9 i 直立整虫太堂硒班究生堂位论奎 目显 第六章c a t 算法优化分析4 2 6 1 优化前的准备工作4 2 6 1 1 网络模型4 2 6 1 2 性能指标4 3 6 2 算法优化及分析比较4 3 6 2 1c p l e x 计算结果。4 3 6 2 2 网络内需分配的射频数不同时c a - t 算法的比较4 5 6 2 3 信道数不同时c a t 算法的比较。4 8 第七章总论与展望5 1 7 1 全文总结5 1 7 2 下一步工作5 2 至| 【谢5 3 参考文献5 4 附录：攻读硕士期间发表的论文。5 7 i v 1 1 引言 第一章绪论 通信技术的进步使得电信业务向综合化、数字化、智能化、宽带化和个人化方向发展， 人们对电信业务多样化的需求也不断提高。同时，主干网上s d h 、a t m 、无源光网络( p o n ) 及密集波分复用( d w d m ) 技术的日益成熟和使用，为实现话音、数据、图像“三线合一， 一线入户 奠定了基础。如何充分利用现有的网络资源增加业务类型，提高服务质量，已 成为电信专家和运营商日益关注和研究的课题。站在传统的电信网络角度上，传输网已经 基本实现了数字化和光纤化，交换网也基本实现了数字化和程控化，而接入网发展则显得 较为缓慢，直接影响了电信网所提供业务的容量、质量、速度以及对网络资源的开发利用， 成为制约整个网络发展的瓶颈。另一方面，因特网用户与业务量的超常规发展使全世界的 电信运营商都在考虑如何迅速扩展网络容量，以适应日益增长的用户需求，而t b i t s 级的 光传输系统和t b i t s 级的路由器应运而生，为核心网的升级换代提供了及时的解决方案， 带宽的瓶颈又一次落在了接入网上。因此，接入网成为网络应用和建设的热点。 接入网既是整个电信网的窗口，也是电信网的“最后一公里 。它是整个电信网中较 复杂的部分，其投资比重占电信网总投资的很大一部分。随着社会的进步，人们对电信服 务的种类要求会越来越多。用户不仅迫切需求电话、传真、数据、图像等业务，还要求高 清晰度的可视电话、视频点播、电视、高速数据和电子邮件等宽带业务；另一方面，用户 要求电信服务不受时空限制，随时随地都能方便、迅速、准确地进行信息交换。接入已从 功能和概念上替代了传统的用户环路结构，具有广阔的市场前景。谁拥有了数字化、p 化 和宽带化并且能支持各种不同业务的接入，谁就拥有了市场的主动权。因此，包括中国在 内的很多国家都投入了大量的精力来进行接入网的研究和试验工作。 1 2 接入网技术的发展现状 传统意义上的网络般可以分为三部分：核心网、城域本地网、接入网和用户驻地网。 接入网位于通信网的末端，是指端局与用户之间的网络。接入网由传统的用户环路发展而 来。用户环路是由从本地交换机到用户的馈线电缆、配线电缆和用户线组成的，它只能传 送电话业务和少量低速数据业务。随着通信技术的不断发展，人们对通信的需求已从单一 l 直瘟鲣虫丕堂亟班究生堂焦i 金塞 箍= 童绩i 金 的电话业务转向语音、数据、图像等多种业务，传统用户环路日益成为通信网络的瓶颈， 因此接入网应运而生。 接入网( a n ) 是由业务节点接口( s n i ) 和相关用户网络接口( 切岍) 之间的一系列 传送实体( 如线路设备和传输设施) 所组成的，是为传送电信业务提供所需传送承载能力 的实施系统。接入网可以通过管理接口进行配置和管理。接入网具有下列主要特征： 1 ) 接入网对于所接入的业务提供承载能力、实现业务的透明传送； 2 ) 接入网对于用户信令是透明的，除了一些用户信令格式转换外，信令和业务处理 的功能依然在业务节点中； 3 ) 接入网的引入不应限制现有的各种接入类型和业务，接入网应通过有限个标准化 的接口与业务节点相连； 4 ) 接入网有独立于业务节点的网络管理系统，该网络管理系统通过标准化的接口连 接电信管理网( t m n ) ，t m n 实施对接入网的操作、维护和管理。 由于语音、数据和视频等多媒体业务需求的不断增长，人们对接入网关注的重点是如 何提供具有经济优势和技术优势的接入技术来满足用户的需求。在窄带接入网发展不久， 接入网数字化任务相当繁重的情况下，接入网的宽带化又摆在了运营商、制造商和用户的 面前，这是由接入网所处环境的差异性、业务的多样性决定的。同样，由于用户需求、用 户分布、地区经济发展水平等差异，宽带接入网不可能像核心网那样对下一步技术的走向 看得那么明朗和集中，传统的传输媒介并不因为接入网宽带化而退出历史舞台，各种技术 都在以宽带化为目标，在接入网中寻找适于发挥自身优势的空间，可以说随着宽带化的发 展，可供选择的接入网技术变得越来越多，不但是可支持的业务带宽，而且就可用的技术 而言，“最后一公里都是越走越宽了。对接入网本身而言，接入网的技术、设备和标准 也在发展之中。接入网技术涉及到传输方式、应用场合、成本等方面，没有一种技术能适 合所有情况。接入网的规划建设，既要考虑到它与现存网络的关系，还要考虑到未来网络 的发展。 就目前的情况看，接入网主要分为有线接入和无线接入两种。有线接入网包括铜线接 入网、光纤接入网和混合光纤铜缆接入网。无线接入网包括固定无线接入网和移动接入网。 各种方式的具体实现技术多种多样，各具特色。有线方式主要采用如下几种方式来实现接 入：一是在原有铜质导线的基础上通过采用先进的数字信号处理技术来提高双绞铜线对的 传输容量，进而提供多种业务；二是以光纤作为传输媒介，实现光纤到路边、光纤到大楼 和光纤到家等多种形式的接入；三是i - i f c ( 混合光纤铜缆) 方式，即在原有的c a t v 的 基础上，以光纤为主干传输，经同轴电缆实现用户的接入。无线接入主要采取固定接入和 2 直塞邮电太堂亟硒究生堂僮论塞 箍= 童绪! 金 移动接入两种方式，涉及微波一点多址、微蜂窝、卫星通信、无线局域网和宽带城域接入 等多种技术。当然，另外还有有线和无线相结合的综合接入方式，本文所研究的无线和光 纤混合宽带接入网就属于这种方式。由于光纤具有容量大、速率高和损耗小等优点，从长 远来看，光纤到户应该是接入网最理想的选择，但是考虑到价格、技术成熟度及已有网络 对新技术推广的影响，接入网在未来很长时间内将维持多种技术共存的局面。从目前通信 网络的发展情况和社会需求可以看出，未来接入网的发展趋势是网络数字化、业务综合化 和口化、传输宽带化和光纤化，在此基础上，实现对网络的资源共享、灵活配置和统一管 理。 1 3 研究方法 本文主要研究无线和光纤混合宽带接入网w o b a n ，它很好地实现了无源光网络和无 线网状网两种接入技术的融合。本文重点研究了w o b a n 无线部分的信道分配问题，提出 了基于吞吐量的信道分配算法( c a t ) 。该算法考虑了网络容量、系统时延及负载均衡等 性能指标。传统的无线网增加容量的方法是为网络内每一个节点增加多个射频。通过对网 络路由及链路流量的分析可以得出，网络内流量通常集中在少数节点的附近。因此考虑可 以只给流量比较集中的节点增加射频，如果通过这样的方法可以得到与传统方法相同程度 上的容量，则网络成本就会大大减少，另外也为后面要进行的信道分配工作降低了难度。 另外，观察到网络内某些链路流量为零，可以为这些空闲链路两端节点分配不同的信道， 这样可以节约网络资源。 采用混合整数规划( m i p ) 方法建立数学模型，并利用i l o gc p l e x 数学优化软件分 步解决m i p 问题，以负载平衡为目标，实现信道分配。运用c a - t 算法，可以在保证网络 容量及系统时延的条件下，降低组网成本，减少网络冲突，均衡信道间的负载。这是c a t 算法的主要贡献。 1 4 内容安排 共分七章，各章内容如下： 第一章，绪论，阐述接入网在整个电信网中的地位以及目前的发展情况，介绍了c a t 算法的研究方法。 第二章，介绍了无线和光纤混合宽带接入网w o b a n 的一些基础知识。 第三章，阐述了一些现有的应用于w o b a n 无线前端的路由算法，包括最小跳路由算 3 直塞整电态堂亟班究生堂僮j 金室 箍= 童缝i 金 法( m h i 认) ，最短路径路由算法( s p r a ) ，基于时延的路由算法等，重点介绍了基于容 量和时延的路由算法，通过数学计算分析出该算法的优越性。 第四章，介绍了数学规划和c p l e x 优化工具的知识。 第五章，这是本文的主要工作成果，提出了基于吞吐量的信道分配算法c a t ，通过 数学公式明确给出这种算法的计算过程和具体步骤。 第六章，对第五章介绍的信道分配算法建立数学模型，运用c p l e x 优化工具对设计 方案进行计算和比较。 第七章，对全文进行了总结，并指出了下一步可能的研究方向。 4 第二章w o b a n 接入技术 2 1w o b a n 技术的发展背景 无线和光纤混合宽带接入网w o b a n 很好的实现了光纤技术和无线技术的结合。目前 大部分研究都是基于无源光网络和无线网状网组成的网络架构，因此这里先对无源光网络 和无线网状网的发展作简单介绍。 2 1 1 无源光网络( p o n ) 技术的发展 光纤通信具有通信容量大、质量高、性能稳定、防电磁干扰、保密性强等优点。在干 线通信中，光纤扮演着重要角色，在接入网中，光纤通信也成为发展的重点。光纤接入网 是指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。按照光 网络单元在光接入网中所处的具体位置的不同，可以将光接入网划分为3 种基本不同的应 用类型，包括光纤到路边( f r r c ) ，光纤到楼( f t t b ) ，光纤到家( f 删) 和光纤到办公 室( f t l o ) 。一个全光纤的f t t h 网在战略上具有十分重要的位置，然而主要由于经济的 原因目前尚不能立即实现光纤到家，影响这一目标实现的因素很复杂，有系统成本的因素、 竞争的需要、政策法规的影响以及新技术的推动等。根据接入网室外设施中是否含有源设 备，光接入网又分为有源接入和无源接入。有源光接入技术现在已经得到广泛应用并且在 技术上比较成熟，主要包括p d h 和s d h 。它们大多借鉴干线传输网的技术，可以接入的 用户多，容量大，传输距离长，但也存在着很多不足。例如：要求有供电系统来供电；有 源器件的存在使网络容易受到电磁干扰，稳定性和可靠性比较差；发生故障的几率比较高， 需要经常维护和管理，系统的造价较高。目前，很多国家更注重推动无源光网络的发展。 基于无源光网络( p o n ) 的接入是无源接入。无源光网络p o n 技术是为了支持点到 多点应用发展起来的光接入技术。p o n ( 图2 1 ) 主要由光线路终端( o l t ) 、光网络单元 ( o n u ) 、光分配网( o d n ) 组成，通过为上下行分配不同波长信道实现中心局c o 与用 户间的通信。o d n 全部由无源器件组成，包括无源光分路器及光耦合器等，这样避免了外 部设备的电磁干扰和雷电影响，降低了线路和外部设备的故障率，简化了供电配置和网管 复杂度，提高了系统可靠性。与当前普遍应用的d s l 及铜缆m o d e m 技术相比，p o n 能够 提供高带宽以及更高的光纤覆盖率。当前的标准允许一个p o n 网络能够覆盖的最大范围 为2 0 千米。它的传输距离比有源光纤接入系统的短，覆盖的范围较小，但它造价低，无 5 壶塞整电2 鐾堂亟班宜生堂僮论塞箍三重迪旦基接厶基丕 须另设机房，维护容易，因此这种结构可以经济地为居家用户服务。从环保的角度看，随 着因特网用户数量及带宽需求的增加，能量的消耗也逐渐增多。据统计，仅美国一年的电 力消耗就达数十亿美元，其中大部分是由不合理的系统设计和低效的网络拓扑所造成的。 接入网是电信网分层结构的最后一环，为家庭和商业用户直接提供服务。接入网在整个网 络中占有较大的比重，因为接入网中各种有源器件的存在，使得接入网的能量消耗较大， 其中大部分的能量被一些闲置的网络器件所消耗掉。减少接入网的能量消耗对整个因特网 的能量消耗量的减少有着十分积极的意义。 图2 - 1 典型的树型无源光网络 宽带p o n 技术主要包括基于a t m 的宽带无源光网络( a p o n b p o n ) 、以太无源光网 络( e p o n ) 和吉比特无源光网络( g p o n ) 三类，其主要差异在于采用不同的二层技术。 b p o n a p o n 的最高速率为6 2 2 m b i t s ，二层采用的是a t m 技术。e p o n 可以支持1 2 5 g b i t s 对称速率，将来速率还能升级到1 0 g b i t s ，二层采用的是以太网技术。g p o n 是指支持吉比 特速率的p o n ，其技术特色是在二层采用i t u t 定义的通用成斟规程( g f p ) 对以太网、 t d m 、a t m 等多种业务进行封装映射，能提供1 2 5 g b i t s 和2 5 g b i t s 下行速率和所有标准 的上行速率，并具有强大o a m 功能，在高速率和支持多业务方面，g p o n 有明显优势【l 】。 目前，b p o n a p o n 由于技术比较复杂、成本较高、速率有限、业务映射效率低等原 因，不易采用。g p o n 标准的制定就是面向运营商提供综合业务接入的，具有良好的发展 前景，但设备不成熟，成本较高，尚不具备商用的条件。e p o n 是基于以太网承载技术的 p o n 标准，对于口业务有较好的支持能力及效率，并且技术比较简单、成本低，对于采 6 直壅邮电太堂亟班究生堂僮j 金塞 筮三童班q 垦鱼丛援厶兹苤 用以太网络为基础的运营商来说是个不错而且性价比较高的选择。e p o n 技术采用点到多 点的拓扑结构，下行采用广播方式、上行采用t d m a 方式实现双向数据传输。e p o n 技术 将以太网技术和p o n 技术相结合，其目标是以简单的方式实现点到多点的高速以太网光 纤接入。e p o n 技术的核心是在保留传统以太网体系结构的基础上定义了一种新的应用于 e p o n 系统的物理层规范和一种新的m a c 多点控制层协议m p c p ，以实现在点到多点无 源光网络中的以太网帧的时分多址接入，以及一种运行维护和管理功能【2 】。 传统p o n 具有高容量、安装和维护成本低等特点。与其它如电力、电话、视频等分 布式网络一样，p o n 是一个树形结构，所有用户通过无源光分路器实现对光载波的共享。 o n u 的数量受到分路耗损以及o l t 与o n u 内无线电收发两用机传送速率的影响。现有的 标准规定，在距o l t 的2 0 k m 之内，最多可以放置1 6 个o n u ：在1 0 k m 范围内，最多可 以放置3 2 个。现在的p o n 结构支持的带宽高达1 g b s ，将来期望增至l o g b s 。由于网内 所有用户共享带宽，所以人均联网成本较低。但随着用户带宽需求的增多，必须更新现有 的无源光网络结构，即将e p o n 、基于a t m 的b p o n 、g p o n 以及g f p p o n 向w d m p o n 演进。基于波分复用的无源光网络架构支持在同一光纤内使用多个波长进行数据传输，支 持透明的信道比特率，因而不会存在电力分路损失，具有良好的可伸缩性【3 】。 建立w d m p o n 较直接的方法是在o l t 与o n u 间的上行及下行方向采用不同的波长 信道，从而在o l t 与每个o n u 之间建立点到点的链路，而不是传统p o n 中点到多点的 方式。w d m p o n 中每个o n u 都能以其所占用信道的最大比特率进行数据传输，而且如 果需要的话不同的信道可以使用不同的传输速率，因而在一个网络内可支持不同类型的业 务，而w d m p o n 的这个优势是传统的p o n 网络望尘莫及的。 世界上很多国家及研究机构现在正在努力搭建p o n 架构。在美国，v e r i z o n 公司推出 了“光纤到户 的结构，称为“f i o s ”，目的在于为家庭用户提供高速语音及数据业务。 f i o s 为消费者提供三种带宽：下行5 m b s 、上行2 m b s ( 5 m b s 2 m b s ) ，1 5 m b s 2 m b s 以 及3 0 m b s 5 m b s 。f i o s 网络目前正由b p o n 向g p o n 演进，进而实现完全替代a t m 技 术，获得更高上下行传输速度。n o v e r ao p t i e s 公司提出了一种基于密集波分复用的f 唧 光接入方案，名为t u r b o l i g h t ，它具有灵活的多模式多速率数据传输能力。与之相似的 还有非洲的w e p o n 技术，它在c o 到w d m 设备间采用波分复用的工作方式，在w d m 设备和o n u 间采用时分复用的工作方式，期望达到l o o m b s 的传输速率【4 j 。 2 1 2 无线网状网( w m n ) 技术的发展 另一个比较理想的接入技术是无线接入，它在近几年得到了越来越多研究团体的关注。 7 密塞邮电太堂亟班究生堂鱼i 佥室 箍三重型q 垦丛撞厶拄盔 无线接入作为接入网的一种实现手段，是指从交换机节点到用户终端之间，部分或全部采 用无线信道连接技术，即用无线传输代替有线传输的全部或部分，向用户终端提供电话和 数据业务。无线接入系统具有建网费用低、扩容可按需而定、运行成本低等优点，所以在 发达地区可以作为有线网的补充，能迅速及时地替代有故障的有线系统或提供短期临时业 务；在发展中或边远地区可广泛用来替代有线用户环路，节省时间和投资，因此，无线接 入技术已成为通信界备受瞩目的焦点。当前，可采用的无线技术很多，主要有蜂窝、数字 无绳、点到多点微波、专用无线以及正在迅猛发展的各种宽带无线技术，它们大体上可以 分为两类，即移动无线接入和固定无线接入。其中，前者就是我们所熟悉的蜂窝移动电话 系统和卫星通信系统所采用的技术，移动无线接入技术服务的是移动终端，即实现移动终 端与固定终端或移动终端之间的信息交换。而固定无线接入技术是指能把以有线方式传来 的信息( 语音、数据和图像) 用无线方式传送到固定用户终端或是实现相反传输的一种通 信系统，主要适用的对象是固定位置的用户或仅在小范围内移动的用户群体。 无线网状网络( 无线m e s h 网络，或w m n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 也称为“多跳 ( m u l t i h o p ) 网络。它与传统的蜂窝网络和无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) 一样， 是一种网络的组织形式，但是与有控制中心的网络又有所区别。2 0 世纪6 0 年代末到2 0 世 纪7 0 年代初，有线网络得到了长足的发展，有线网络中的因特网取得了巨大的成功并得 到了广泛的应用。类似地，无线网状网有望成为未来无线网络的发展方向。无线网状网最 大的优势在于它天生的容错能力，易于架设，以及很高的带宽。在传统的蜂窝网络中，基 站( b s ) 出现故障会导致覆盖区域内的所有通信中断，而无线网状网则与此不同，它能提 供很高的网络容错能力，即使在很多节点不可用的情况下，网络仍然能够进行通信。w m n 从确切的定义上说是部分或全部具有网状拓扑的网络，但是实际使用中的w m n 中还有静 态的无线中继节点，这些节点部分具有网络结构的特性，这种分布式的网络设施为移动客 户节点提供接入服务。由于部分网状结构的存在，w m n 使用多跳中继，这一点类似于无 线a dh o e 网络。 w m n 根据网络拓扑可以分为3 种不同的网络结构：扁平w m n ，分层w m n 和混合 w m n 。在扁平w m n 中，网络由客户机组成，客户机既是主机也是路由器。在这种结构 下，每个节点对于其他节点来说都是同样级别的。无线客户节点通过相互之间的协作，来 提供路由，配置网络，提供服务和其他应用。这种结构与无线a d h o e 网络结构非常接近， 是w m n 三种结构中最简单的。这种结构最大的优点就在于它的简便，缺点包括可扩展性 不足和很高的资源约束。在分层w m n 中，网络由多个层次，w m n 客户节点组成网络的 底层。这些客户节点可以与一个由w m n 路由器组成的骨干网络进行通信。在大多数情况 2 直塞邮电太堂亟班究生堂僮j 金室簋三童受q 旦塑撞厶基莶 下，w m n 节点是组成w m n 骨干网络的专用节点。这就意味着骨干节点不是数据流的源 节点也不是目的节点。自组织，自配置的职责由w m n 路由器完成，其中一些骨干网络的 w m n 路由器有外部接口连接因特网，这种节点成为网关节点。混合结构是一种特殊的分 层w m n 结构，这种情况下w m n 使用其他无线网络进行通信，例如，有些w m n 网络使 用其他有基础设施的网络，包括蜂窝网络，无线本地环路，w i m a x 网络或温性网络。这种 混合w m n 包括多跳蜂窝网络，增强了吞吐量的无线本地环路( t h r o u g h p u te n h a n c e d w i r e l e s si nl o c a ll o o p ，t w i l l ) 网络，统一的蜂窝a dh o e 网络。由于w m n 的发展大大依赖 于它与现有无线网络的共同工作，所以这种结构成为w m n 发展的重要方向。 w m n 根据节点上的射频接口数量可以分为单射频w m n 和多射频w m n 。传统的 w m n 都是基于单信道或单射频接口的，吞吐量十分有限。而多射频w m n 可以很好地扩 充容量，成为研究热点。多射频w m n 的优点主要有提升容量、可扩展性、可靠性及健壮 性好等。但同时多射频w m n 增加了系统的复杂性，在结构设计、路由以及信道分配等方 面还有很多难题。 目前，应用于w m n 的主要技术有无线保真( w i f i ) 和全球微波互连接入( w i m a ) 【) 。 w i f i 是最流行的无线技术之一，适合短距离无线接入，主要应用于无线本地网络中，相关 标准为i e e e8 0 2 1 l a b g 。w i f i 的工作模式有两种：a dh o e 和i n f i - a s t r u c t u r e 模式。在 i n f r a s t r u c t u r e 模式中，接入点( a p ) 作为管理员管理整个网络，每一个客户将其数据报文 发给a p ，再由a p 转发给其它客户。在a dh o e 模式中，整个网络没有管理员的概念，用 户自我管理，因此提高了多跳的灵活性【5 1 。w i f i 使用用于工业，科研及医疗( i s m ) 的免 费频带，在有限的距离( 通常为1 0 0 m ) 内提供低速率服务，8 0 2 1 l a b g 允许的最大速率 分别为5 4 1 1 5 4 m b s 。目前在我国，已有基于w t f i 的无线网状网投入民用。w i m a x 是一 种新兴的无线接入技术，主要以i e e e 8 0 2 1 6 标准为基础，提供点到多点( p 2 m p ) 的宽带 接入服务。w i m a x 能够有效地应用在单跳通信，但在多跳通信中应用会导致时延增大，吞 吐量减小。w i m a x 使用较少的频谱提供高速率大范围的传输，因此适用于无线城域网。它 在传输距离为3 - 5 k m 的范围内可提供高达7 5 m b s 的传输速率，在大于5 k m 的范围内可提 供的速率为2 0 m b s 到3 0 m b s 1 6 1 。这里速率随着传输距离增大而减小的原因是w i m a x 并不 适用于非视距通信。w i m a x 网络中基站( b s ) 可置于室内( 用户) 或室外，用来管理整 个无线网。随着研究的逐渐深入，w i m a x 被认为可以作为现有的固定有线接入架构( 如 d s l 和电缆等) 之外的选择，为用户提供“最后一公里”宽带接入服务。w i m a x 技术在欧 美得到迅猛发展，并逐渐向亚洲推进。在美国，s p r i n t n e x t e l 公司获得了2 5 g h z 频段的持 有许可证，组建了全国范围内的无线接入网络，2 0 0 8 年所覆盖的用户已有一亿。t o w e r s t r e a m 9 直塞邮电太堂殛婴究垒堂焦论塞箍三童盟q 堡垒丛蓬厶拉盔 公司在美国的些地区构建了接入速率为1 0 m b s 的无线网络。因特尔公司也先后在欧洲 和印度与当地的服务提供商一起合作建立了w i m a x 实验室【7 1 。 2 1 3r a d i o o n - f i b e r ( r o f ) 系统 r a d i o o n f i b e r 光通信系统是近十年来随着高速大容量无线通信的需求而新兴发展的 一种光纤通信技术与无线通信技术相结合的无线信号传输接入技术，它可以看作是无线和 光纤混合接入技术( w o b a n ) 的前身。它的英文名称有r a d i oo v e r o nf i b e r , r a d i of i b e r ， r fo v e r o nf i b e r o p t i c a l r f 等多种别称。因为直译的中文含义对于这一技术的内涵表达不 太贴切，不能体现出该技术的特点，因此目前没有比较好的中文翻译。r o f 利用高度线性 的光纤链路在总站和远程天线单元之间实现射频( i 疆) 信号低损耗传输和良好的信噪比接 收。 r o f 系统中的射频信号通过“h y p r i df i b e rr a d i o ( 腼r ) 技术实现在已存在的光纤线路 上的有效传输。然而，r o f 技术所面临的主要挑战有：( 1 ) 设计更好的传输设备；( 2 ) 提 高信令功率增益；( 3 ) 发展复杂的信令调制解调器以及上下行转换技术，等等。最近的 研究工作提出了毫米波r o f 技术8 一，并且论证了r o f 系统下行链路的综合宽带业务【1 0 1 。 r o f 系统( 如图2 2 所示) 采用结构简单的分布式天线结构，将上下行转换、复用解复 用、调制解调等设备转移到了总站，从而减少了设计远程天线单元( 黜w ) 的复杂性，并 且它还使得在同一光纤上传输多个射频信号成为可能，因此降低了系统成本，实现了设备 共享，动态资源分配，并缩短了无线传输部分的距离，提高了频率使用效率和系统容量。 r o f 接入网络的拓扑结构有多种，例如“星型一点到点 结构，“树型一星型 结构，“星 型一蜂窝结构等，引号中前半部分表示光纤部分的结构，后半部分表示无线部分的结构。 文i l l 】为基于w d m 的f i b e r - r a d i o 环型接入网中突发流量负载提出了一种动态分配机制，文 【1 2 1 介绍了成本节约型的无线一光纤网络，文【1 3 】说明了无线一光纤混合网络的研究可参考。 图2 - 2 r o f 系统框图 l o 无线和光纤混合宽带接入网( w o b a n ) 概念的提出引起了人们的普遍关注。这是因 为之前提出的将光纤由中心局( c o ) 铺设到终端用户或企业的接入方案成本较高。另外， 在c o 与终端用户间采用无线接入虽然可以降低成本，但由于频谱资源有限，可行性仍然 不高。因此将光纤从c o 向用户侧尽可能地延伸，再通过无线技术将用户接入网络将是上 面提到的两种接入方法一个很好的折衷。从c o 到用户之间光纤应该铺设多远是一个有趣 的工程设计和优化问题。 2 2 1w o b a n 的基本架构 图2 - 3w o b a n 的基本架构 w o b a n 是一个两全其美的接入网解决方案：1 ) 即具有有线光通信网络可靠性、健 壮性和大容量等优点；2 ) 又有无线网络组网灵活、组网成本低等特点。一个w o b a n 网 络分为前端和后端，前端由无线网构成，后端由光网络进行支持，如图2 3 所示