Key Technologies and Applications of Wireless Broadband Mesh Networks

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Yin Helin

(Public security bureau of Panzhihua, Panzhihua, 617000)

Abstract: Wireless mesh network, as one of the future directions in the field of professional communications, has attracted wide attentions. In the paper, the technology and application advantages wireless mesh network is introduced. Furtherly, the key technologies of wireless broadband mesh network are described in detail. Considering the application advantages, the application schemes of wireless broadband mesh network in the field of public safety and emergency rescue are proposed.

Keywords: Wireless broadband mesh network; Professional communications; Public safety; Emergency rescue

1 引言

与传统蜂窝网络结构不同,无线自组网是一种节点对等的点对点通信网络,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行通信。无线自组网部署方便简单,可以根据应用场景形成链型、星型以及混合型网络拓扑。通过不同节点的中继传输,无线自组网可以实现多跳传输,从而实现更远距离的覆盖。基于这些特点,无线自组网特别适合专网集群通信,在公共安全、应急救援和垂直行业等有着广泛的应用市场。

无线自组网最早起源于美国军方机构的先进战术通信系统(ATCS ),相关技术于2000年初正式推向民用和商用,此后包括摩托罗拉、诺基亚在内的众多公司纷纷开发和推出自己的无线自组网产品。早期的无线自组网技术主要应用在窄带无线网络中,特别是随着物联网和无线传感应用的推广,窄带自组网技术迅速发展。物联网的主流标准,如 Zigbee和蓝牙,都能够很好地支持自组网功能。

随着OFDM-MIMO宽带技术的成熟,特别是Wi-fi和LTE技术的广泛商用,无线自组网技术也在向宽带化和IP化发展。目前,国际组织IEEE和3GPP都已经开始着手制定无线宽带自组网相关标准,并发布了一些中间版本。国内B-trunc标准组织也在2.0版本规范中增加了宽带集群终端直通模式的研究。

2 无线宽带自组网的优势

相比传统的蜂窝网络结构,无线自组网具有如下主要优势。

(1)部署简便。顾名思义,无线自组网基本上都是自组织形成网络,极大地降低了网络建设和维护成本,而且可以很容易地通过增加网络节点来扩大网络覆盖范围和网络容量。

(2)非视距传输效果好。当发送节点和接收节

点之间存在遮挡物时,传输信号能够自动选择最佳路径,并最终到达无直射视距的目标接收节点,这种非视距传输特性极大扩展了网络的覆盖范围。

(3)强稳健性。当自组网中某个节点发生故障

时,信息可以由其他节点通过备用路径传输至目标接收节点,不会影响整个网络的运转。这种强稳健性在军用战术通信中是非常重要的,因此自组织功能成为这类高可靠性网络的必要功能之一。

(4)结构灵活。在传统网络中,静态配置的中

心节点容易成为系统性能的瓶颈。无线自组网则灵活配置中心节点,根据网络的实际负载情况动态分配路由,从而避免网络的拥塞。同时,无线自组网也非常适合网络拓扑结构不断变化的通信场景。

此外,相比无线窄带自组网,宽带自组网又具有一些独特优势。

(1)更多的资源调度维度。无线宽带自组网引入了OFDM-MIMO技术,将无线资源调度的维度

从窄带自组网的单一时间维度扩展到了时间-频率空间三个维度,系统资源利用率得到了显著提升。

(2)更高的传输速率。无线宽带自组网的OFDM

调制方式相比传统调制方式有着更高的频谱利用

率,而且MIMO技术的分集增益也能够有效地提

升信道容量,因此宽带自组网能够提供更宽的数据通道和更短的传输时延。

(3)全IP化的业务。在IP化的宽带自组织网络

中,语音业务、数据业务等不同类型的业务都能够

统一为IP承载,网络之间的互通更加容易实现,网

络运维成本也会显著降低。

3 无线宽带自组网的关键技术

在无线宽带自组织网络中,所有通信节点都是对等的,每个节点都可以与其他节点进行通信,网络架构与传统的蜂窝网络完全不同。相应地,传统蜂窝网络中的同步技术、调度技术等不再适用,同时新的网络架构也带来了新的问题,例如拓扑控制、路由选择、安全性等,因此需要制定新的技术方案来保障自组织网络的安全运行。

3.1 移动环境下的拓扑控制技术

无线自组网是一种没有中心控制的多跳网络,网络的拓扑结构,即节点位置、节点间距离都对网 络有着十分重要的影响。特别在移动环境下,节点位置和网络拓扑实时变化。当节点密度变大时,节点间的通信将相互干扰,节点的空间复用也会受到限制,进而引起吞吐量下降和不必要的功率浪费。

无线自组网拓扑控制是指通过控制网络的拓扑结构使得能够达到一定的网络性能,例如节点间可相互连通、干扰降低、吞吐量上升、端到端延迟减小等。拓扑控制可以通过功率控制和信道分配两种方式来实现,其中,功率控制通过改变传输距离可以影响到每个节点的相邻节点数目、数据传输速率、网络连通性等一系列重要参数,是实现拓扑控制最有效的手段。特别对于采用OFDM-MIMO技

术的宽带自组网,无线资源可以在时间-频率-空间等多个维度上进行分配,多个节点可以同时发送数据,也可以同时接收数据,节点之间的相互干扰远超窄带自组网,因此功率控制是一项非常重要的关键技术。

3.2 移动环境下的路由选择技术

在移动环境下,由于节点移动等原因导致传输路径不断改变,无线自组网需要不断更新路由,因此采用自适应路由技术非常必要。

在自适应路由中,每个节点持续跟踪其与周边节点之间的连接状况,并敏感发现断链状况。为了在动态变化网络中保持路由表的一致性,每个节点都周期性地与周边节点相互沟通并交换路由信息,在出现新的重要信息时立刻进行路由更新。为了进一步改善路由的自适应性和稳定性,自适应路由维持多条到达每个目的节点的路由,以实现快速的错误恢复和负载均衡。

3.3 复杂场景下的节点同步技术

无线自组网通常具有同步和异步两种通信模式,对于较大规模的网络,采用同步模式能获得更好的系统性能,而且网络健壮性也更高,但节点之间的同步是一个需要解决的关键问题。一般情况下,自组网系统会采用GPS或者北斗等卫星信号进

行网络的辅助同步,在卫星信号的辅助下,各节点之间比较容易实现频率和相位的同步,而且同步精度较高。

但是在诸如地下、丛林等卫星信号覆盖不到或信号质量不好的地方,卫星辅助同步的性能就会被严重影响。在这种情况下,节点之间必须要通过发送同步信号,实现网络的自同步。在网络自同步的过程中,网络会自主选举一个主节点,主节点发送同步信号,其它节点接收同步信号,并根据同步信号确定本地的帧边界,实现和主节点的同步。进一步地,其他节点检测到主节点的同步信号之后,按照本地设置的初始帧边界向主节点发送发现信号,主节点在接收发现信号之后,测量并估计传输时延。主节点通过广播信道将时延信息反馈给其他节点,其他节点根据时延信息来调整本地的帧边界,实现与主节点的精细同步。

3.4 公平高效的资源调度技术

在采用同步模式的自组网中,资源调度一般都是采用静态的时隙分配机制,各个节点轮询时隙获得无线资源。这种机制简单易实现,而且一旦网络同步,系统稳定性也比较高。但是随着业务流量的增加和业务模型的多样化,这种资源调度方法将会带来空口资源利用率低、节点之间传输速率无法有效增加等问题。同时,也无法适用突发业务增加的情况,将导致资源浪费严重,性能显著下降。

为解决上述问题,自组网可以采用静态分配与动态调度相结合的资源调度方法。根据一般的业务模型,单个节点上的业务可以分为周期性的小流量业务和突发性的大流量业务两种。周期性的业务包括一些信令在内的小流量数据交互,传输的数据量不大,但是比较频繁、有规律,这些业务所需资源采用静态固定方式进行分配。突发性的业务一般数据传输量都会比较大,不会太频繁,但是比较突然。这种情况下,根据实际需求动态申请大块连续的资源用于数据传输能够提升数据传输的效率。

此外,对于采用OFDM-MIMO空口技术的宽带自组网,空口资源可以通过更多的维度进行复用。在一个时隙内,通过分配不同的子载波,支持多个节点发送或者接收数据。相比原先以时隙为资源分配的基本单位,这种二维资源调度方法以时频资源块为基本单位,空口资源的分配会更加精细、高效。

4 无线宽带自组网的应用场景

如前所述,无线宽带自组网具有独特的组网和成本优势,非常适合专网集群通信,在公共安全、应急救援、国防建设等领域,以及交通、电力和能源等行业都有着广泛的应用。例如位于中国西南川滇交界部的攀枝花市,地貌类型复杂多样,具有平

坝、台地、高丘陵、低中山、中山和山原6类地形,市域最高海拔4195.5米(盐边县柏林山穿洞子),最低海拔937米(仁和区平地镇师庄)。攀枝花市公安局在这样地形复杂的地区进行应急通信保障,仅仅依

靠卫星动中通、350兆PDT数字集群通信网络等常

规手段是远远不够的,这个时候,宽带自组网的优势就显现出来了。

4.1 公共安全

在大型群体活动、重要会议等重大活动中,活动现场、外围道路等广大区域都需要进行实时的多媒体通信保障,包括高清视频监控、视频会议、大数据分析等。

利用无线宽带自组网设备可以建设若干全向固定站点覆盖活动现场和周边道路,固定站点之间通过无线传输进行数据交换,在无光纤或光纤故障的情况下仍然可以正常工作。通过车载等方式部署一些移动或者临时工作节点,通过固定节点接入系统,提供应急多媒体保障业务。

在重大活动通信保障中,无线宽带自组网组网

灵活、部署便捷、使用简单。通过采有线、无线相结合的方式,能够实现大范围的专网覆盖,且在特定区域内支持4K高清视频传输,是一种成本优势非常明显的应急通信保障方案。

4.2 应急救援

在火灾、地震等救援中,灾难中心区域通常没有网络信号覆盖,无法灾难现场的视频图像回传到指挥中心,进而影响指挥中心决策和远程指挥调度。

如图3方案所示,灾难现场部署摄像设备和宽

带自组网设备,二者通过有线连接。灾难现场外围部署无人机携带的自组网设备或地面部署的自组网设备作为中继节点,现场自组网节点将视频通过中继节点无线传输到应急通信指挥车,指挥车通

过卫星通信、4G公网或政务专网等方式将现场视

频回传至指挥中心。

(上接第41页)

2017年底至2018年8月,国网泰州电力公司立项研究了MEMS光子交换技术在电力通信系统的应用,项目研究了光纤故障自愈保护模型、MEMS光开关设备实现技术、MEMS光开关设备的设备管理技术研究并研发MEMS光开关可视化管理系统。本项目在分析了MEMS光子交换技术及其成本后,确定重点关注光纤故障自愈保护技术及其应用。总体应用如图4所示。

5 结束语

该技术的应用,实现了出现通信故障时切换时间不超过10ms,实现了人工远程或自动配置切换,实现了故障线路的快速保护。本项目的直接效益是提高了光纤光缆线路维护的自动化水平,提高光纤

上述方案充分利用无线自组网节点便捷部署的优点,将灾难现场视频图像快速传输至指挥车和指挥中心,为远程指挥调度提供了决策依据。四川攀枝花市公安局在实践中,已经建立起一套基于无线宽带自组网、卫星动中通、无人机等通信技术结合的应急救援通信体系,并收到了良好的效果反馈。

5 结束语

无线宽带自组网以其部署方便、操作简单、传输量高且成本低廉等优势,在不同领域和不同行业得到了广泛应用,也获得了很好的经济效益和社会效益。

在向5G的演进过程中, 3GPP组织将D2D应用

列为未来无线网络的主要应用功能之一,从而将无线自组网技术正式地引入到蜂窝通信领域。随着统一标准的出台和5G物联网、车辆网等推广应用,无

线自组网技术将迎来蓬勃发展。■

参考文献

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宽带集群产业联盟,2016.

[4] 5G Wireless Technology Architecture [WP]. IMT-2020推进组,2015.

[5] 3GPP TS36.211/212/213 Release 14. 光缆故障处理的效率、及时性和准确性。本项目的间接效益是丰富了光通信运维、检测的技术手段和管理效率。本项目的研究成果覆盖了光纤光缆故障的切换方案制定、切换实施和切换记录的全流程;可替代ODF功能;可为光纤光缆在线检测提供基础支撑,还对光纤光缆运维及其相关等业务具有实用价值。■

参考文献

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2004.02.

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2017.13.076.

[4] 何峰,何海,王航.MEMS光开关的控制[J].半导体技术,2003.11.

图1自适应路由选择示例

图2重大活动安保通信方案示例

图3应急救援通信方案示例

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