IEEE802.16d Mesh网络及其关键机制分析

原建胜，谢 刚，赵哲峰

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原030024）

当前无线网络对网络覆盖和吞吐量的需求越来越高，多跳网络与无线Mesh机制的研究得到更广泛关注。而为无线城域网（WMAN）而制定的IEEE802.16/WiMax标准也包含了其相应的Mesh运行模式[1-2]。这里在介绍了IEEE802.16d标准下的无线Mesh模式和IEEE 802.16j移动多跳中继网络[3]的网络结构的基础上，重点分析了基于IEEE802.16d的Mesh网络中的调度、功率控制和路由等3个关键机制。

1 IEEE 802.16d Mesh模式

在IEEE 802.16d标准中支持2种运行模式：

1）PMP（点对多点）模式业务流直接由 BS（Base Station）流向 SS（Subscriber Station）或者由 SS 流向 BS。

2）Mesh模式 业务流直接在SS之间传送，无需经过BS路由。这意味着SS无需直接与BS相连。

在PMP的模式下，SS之间不能直接互相通信，任何网络结点间的通信均转换成SS与BS之间的通信。在Mesh模式中，网络中任何节点间在可通信范围内都可通过一跳的方式连接，BS不再是独自承担所有接点间通信的中转站。

1.1 Mesh网络与移动多跳中继网络

在IEEE802.16d标准定义的 Mesh网络由单个中心节点控制，将该节点定义为Mesh基站 （BS），作为IEEE802.16d Mesh网络与外网的接口。其网络结构[4]见图1。

图 1 IEEE802.16d（WiMax）Mesh 网络Fig.1 IEEE802.16d （WiMax） Mesh network

图1中，传统的IEEE802.16 PMP网络与无线Mesh 网络实现融合，在此网络结构中，Mesh BS与主干网络相连接，作为WiMax Mesh网络到外网的出口，并实现本网络的宽带接入；MSS节点则除了实现本地用户的宽带接入之外，又可通过多次转发将来自其他MSS节点的数据传输到目的节点。

随着IEEE802.16协议的不断发展与完善，IEEE移动多跳中继（Mobile Multi-hop Relay，简称MMR）标准制定工作组开始制定了具有中继功能的IEEE 802.16j协议。IEEE 802.16j移动多跳中继网络主要是在原有网络基础上加入了中继站（Relay Station，简称RS）进行中继通信，以此扩大小区网络覆盖范围，并解决非视距传输、边缘效应、信号盲点等问题[5]。图 2所示为IEEE802.16d Mesh网络与 IEEE802.16j多跳中继网络拓扑图对比。其主要区别就在于：IEEE802.16d Mesh网络由MSS实现通信中数据的中转，而IEEE802.16j多跳中继网络则由RS实现。另外，IEEE802.16d-Mesh网络包含星型与树形拓扑2种结构，而IEEE802.16j多跳中继网络则只包含树形拓扑结构。

图2网络拓扑图对比Fig.2 Comparison of networks topology

基于以上2种网络结构，文献[6]提出了一种协同中继技术的组网方案，该方案拟通过将多跳技术和协同技术的融合使网络的功能大于每个组成部分的功能之和，从而解决更广域和更深入的无缝覆盖，并且同时为用户提供高速率的无线接入服务，提高对网络的资源利用率。

1.2 IEEE802.16d随机接入机制

IEEE802.16d Mesh网络拓扑结构中，每一个新节点进入Mesh网络都需要寻找一个网络内的节点作为其负责节点（Sponsor Node），负责节点为新节点开放负责信道，帮助其完成基本容量协商、节点ID获取等接入过程[7]。具体为:

1）搜索网络，与网络建立粗同步 在初始化或丢失信号之后，节点应该搜索MSH-NCFG消息来获取与网络的粗同步。

2）获得网络参数 节点接收的MSH-NCFG消息，使其能和网络保持同步。

3）开放负责信道 当新节点选择它的一个邻点作为候选负责节点，此新节点就成为候选节点。在进一步的初始化过程中，候选节点要请求候选负责节点建立临时调度，以在候选节点初始化过程中进行消息传递。

4）协商基本容量 在Mesh网络拓扑结构，2个节点间建立逻辑链路后，要进行基本的容量的协商。请求建立逻辑链路的节点以网络中用户节点的身份发出SBC-REQ消息。

5）节点的鉴权 新节点需要经过鉴权才能进入网络。

6）节点注册 注册是给一个节点安排节点ID的过程。

7）建立IP连接 节点通过DHDP获得IP地址，此过程在负责信道上发生。

8）获得网络时间 Mesh网络中的节点需要通过IETF RFC868中定义的协议来获得网络时间。此消息通过UDP在负责信道上传播。

9）传递操作参数 获得IP地址后，节点要使用FTP下载参数文件。

10）建立预备的传输参数 在PMP网络拓扑结构中，通过使用DSx消息建立基于连接的QoS预备；在Mesh网络拓扑结构中，Mesh CID逐包地进行预备，Mesh节点在传输操作参数的过程中获得鉴权的QoS参数集。

11）和邻点建立连接 进入网络后，节点成为网络的完全功能节点，可以和负责节点以外的点建立直接链路。

12）负责节点工作 当界定成为网络的完全功能节点，可以和负责节点以外的点建立直接链路时，负责节点的工作就完成了，可以关闭负责信道。

通过以上接入过程，一个新的节点就成为了网络节点的新加入节点，该节点可以和邻节点直接通信，并且可以通过中继联系到网络中的任意节点。

虽然标准已经对新节点接入需要遵循的一般步骤做了具体规定，但其接入的成功率及接入延时等问题仍然值得关注。文献[8]分析了标准所定义的节点接入算法，指出了现有算法所存在的问题，并给出了相应改进后的算法以及其仿真结果。

2 IEEE 802.16d Mesh关键机制分析

针对Mesh网络结构的特殊性，目前IEEE 802.16d Mesh关键机制的研究主要集中在网络调度机制、功率控制机制和网络路由机制3个方面。

2.1 网络调度机制

在IEEE 802.16d Mesh网络中，主要有2种分配无线资源的机制：集中式调度（Centralized Scheduling）和分布式调度（Distributed Scheduling）。 在 IEEE 802.16d Mesh模式的调度机制研究中，主要也都是基于以上2种调度方式的研究，但也有就以上2种调度方式的存在的问题做讨论和研究，并提出新的调度模型。文献[9]提出了一种分层带宽调度模型，并分析、求解了分层调度的最优解，这是一种调度机制跨层设计思想，这也为IEEE 802.16d Mesh模式下的调度机制提供一种新的研究思路。

2.1.1集中式调度

在集中式调度里，调度由MBS集中控制，MBS定义MSS的发送时间，根据MSS的资源请求决定流安排。MBS收集在一定跳数范围内所有MSS的资源请求，以获取拓扑信息和信道信息。然后它建立一个树形的路由结构，确定各条链路上的突发属性，并在MSH-CSCF消息中广播。同时，它还决定网络中各条链路上下行所获得的资源的数量，并通过MSHCSCF消息通知给所有的MSS。该消息并不包含确切的调度，但包含了各个MSS可用以计算确切调度的参数。如图3所示，集中式调度中，MBS和MSS同处于一棵调度树中，其中MBS位于调度树的根部，MSS位于调度树的各个树枝节点处，网络中的数据流在调度树的树枝上沿箭头方向双向传输。该调度方式主要用于MSS的数据需要通过MBS路由至外部网络或其他MBS的情况。

图3调度机制Fig.3 Scheduling mechanism

集中式调度机制中，MBS负责整个网络通信过程中MSS之间的资源分配关系，因此在一定程度上可以避免链路上的传输碰撞问题，有效解决MSS之间对于资源的竞争。但也容易出现问题。例如，由于数据都是往来于MBS，越靠近MBS的节点，需要中继的数据越多，因此越可能成为影响网络吞吐量的瓶颈节点。目前有较多文献研究集中式调度算法[10-11]，以提高集中式调度网络的吞吐效率。也有提出采用定向天线来提高网络吞吐量的方法，文献[12]则提出了一种利用多波束智能天线提高WiMax Mesh网络集中调度性能的方法，其主要思想就是在网络节点上（尤其是在瓶颈节点上）使用多波束智能天线，使更多链路并行传输，从而达到有效解决瓶颈问题的目的。近年来，结合智能天线技术的优势来提高网络的吞吐效率和调度性能也成为了一个新的研究方向。

2.1.2分布式调度

分布式调度与集中式调度的区别在于流量的分布和调度方式的不同。如图3所示，集中式调度方式，数据流只能在调度树中的树枝上沿箭头方向双向传输，而分布式调度的数据流不但可以发生在调度树枝上，也可以发生在虚线所示的不属于调度树的链路上。因此，分布式调度减少了对MBS的依赖，与此同时也增加了通信中链路发生冲突碰撞的可能性。为此分布式调度又根据调度消息的发送是否存在协调机制分为协调式分布调度 （Coordinated Distributed Scheduling）和非协调分布调度（Uncoordinated Distributed Scheduling）。协调分布式调度，各个节点使用每帧的部分或全部控制子帧部分周期性地发送自己的调度结果，并基于PMP方式对所有的邻居节点请求调度改变。所以在两跳范围内的所有节点的传输都将是协调的。非协调分布式调度，可快速以Ad-Hoc方式逐条链路地建立调度，调度通过2个节点之间的直接请求或准许而得以建立，并保证数据传输将不与协调分布式调度以及集中式调度方式所调度的数据和控制流相冲突。

分布式调度中，在MSH-DSCH消息中用一个专用的比特来表示，比特值为0，表示是协调分布式调度；为1，则表示是非协调分布式调度。在协调和非协调分布式调度里，所有的节点都要有规律地间隔发送分布式调度包，来告诉所有的邻点自己的调度。协调分布式调度信息由MSH-DSCH消息来承载。协调分布式调度的MSH-DSCH在控制子帧中发送，非协调分布式的MSH-DSCH在数据子帧中发送。因此，在协调分布式调度中，控制子帧使用无碰撞的方式来传输调度包；而在非协调分布式调度中，传输调度包则部分的采用竞争方式，容易发生碰撞。

IEEE802.16d Mesh模式中的协调和非协调分布式调度都采用三次握手方式[13]，如图4所示，源-目标节点通过请求、许可、认证3个过程确定用于传输数据的微时隙，完成对数据部分的调度。并且在协议规定了各个节点计算自己发送机会的调度算法，以实现各个节点之间发送机会的公平性。

图43次握手过程Fig.4 Process of three-way handshake

2.2 网络功率控制

在IEEE802.16d Mesh网络中采用功率控制机制，不但能够降低对邻近节点的干扰、保障用户的QoS，还可以降低网络能耗，提高信道的空间复用度，最终提高整个网络的容量。IEEE802.16d Mesh网络是一种新型的分布式网络结构。结合其网络特性，目前IEEE802.16d Mesh网络中的功率控制机制的研究重点在于对分布式功率控制技术的研究。

分布式功率控制[14]是一种由网络中节点自行进行功率控制的方法，以在接收端接收到的SIR是否相等，来进行相应的网络功率控制。该算法首先在窄带蜂窝系统中提出，通过迭代法近似实现最佳功率控制。分布式功率控制需要的网络信息较少，控制方法简单，控制速度快，而且符合分布式网络的特性，因此在分布式网络中大多使用分布式功率控制。

在IEEE802.16协议中并未对功率控制的具体算法做出明确规定，因此这就为分布式功率控制研究提供很大空间。目前，在众多的基于传统蜂窝网络的分布式控制算法中，Grandhi等[15]人提出的分布式带约束的功率控制是被学术界广泛接收的算法之一，也有文献[16]对基于遗传算法的功率控制方法做了一定研究，这些都为IEEE802.16d Mesh网络中的功率算法研究提供参考。如何在结合IEEE802.16d Mesh网络本身特点的同时，发挥出分布式功率算法的优势，使之更好适用于IEEE802.16d Mesh网络，是IEEE802.16d Mesh网络功率控制机制研究的重点之一。另外，基于博弈论的分布式功率控制机制[17]也是解决IEEE802.16d Mesh网络功率控制问题的另一个研究热点。

2.3 网络路由机制

根据调度方式的不同，IEEE802.16d Mesh网络中的路由算法可分为集中式路由和分布式路由。集中式路由为树形结构，目标是建立并周期性维护一棵由网络内所有参与集中式调度的激活节点构成的路由树。该类路由大致可以分为3类：面向拓扑的路由、面向负载的路由和面向干扰的路由。而对于IEEE802.16d Mesh网络中的分布式路由，则可以充分借鉴Ad-Hoc网络中的路由算法[18-19]，较为经典的算法有AODV、WRP、DSR等。然而，由于无线城域网中的IEEE802.16d Mesh网络并非像Ad-Hoc网络那样在局域网内具有完全分布式的网络结构，因此其相对应的路由算法也需要更多地以时延、吞吐量、可靠性、作为优先考虑的指标来做更进一步的研究与改进。

3 结 论

从本文分析来看，IEEE802.16d Mesh网络的关键机制的研究已不仅局限于冲突避免、无线调度、无线路由等机制上的改进或是算法上的优化了，而是开始逐渐融合其他先进的物理层技术。分析和评估诸如智能天线、UWB、MIMO等先进技术的特点，并将其引入到IEEE802.16d Mesh网络中以提高网络性能，这也成为了IEEE802.16d Mesh网络关键机制研究的一个重要方向。

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