MESH与LTE混合组网的研究*

刘 磊，张运福，陈宏波，奚春阳，黄 金

（1.广东湛江中国人民解放军九一三八八部队，广东 湛江 524000；2.重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030）

0 引 言

随着无线通信技术的快速发展，无线网络技术得到了广泛应用。在各种无线网络技术中，LTE（Long Term Evolution）技术与WMN（Wireless Mesh Network）技术的发展及应用备受关注[1]。无线网络通信技术在实际应用中快速发展，用户对无线网络的吞吐量和各种业务QoS的要求越来越高。无线网络的组建必须满足快速的数据传输速率增长及各种特殊应用环境下的组网需求。

当前，无线网络业务类型、大业务以及接入节点的增多，单一体制组网技术的无线网络容量不足、频率资源紧缺的问题逐步显现。因此，能够有效拓展网络容量以及合理利用频谱资源的混合组网技术越来越受关注。

1 MESH与LTE技术

MESH组网技术基于WLAN和AdHoc，是一种系统容量大、网络速率高的分布式无线宽带多跳网状网络。用户业务在MESH网络中能够通过多个网络节点转发后到达目的地。MESH网络中的每个节点设备都可用作无线网络的接入设备[2]。

MESH组网的优势。MESH是一种多跳网络，能够自动选择最佳路径，避免因障碍物无法通信的问题，从而可以为处于非视距范围的用户提供业务传输能力；组网方式多样，支持动态拓扑组网，为机动性要求高的应用场景提供有效的组网能力；能够自组织、自愈和自均衡，网络可靠性强[3]。

LTE是基于3GPP的长期演进技术。LTE组网技术拥有网络带宽高、时延低、适于多种环境组网的特点，已经成为当前无线通信的主流技术之一[4]。

LTE组网的优势。无线网络通信速率快、吞吐量高，能够为大业务提供有力支撑；时延小，能够满足大多数实时性要求高的应用场景；LTE基站部署方便，可以在现有无线通信基础设施上进行补充建设，减少运营商和用户费用[4]。

2 MESH与LTE混合组网方案设计

2.1 混合组网架构

混合组网方案采用双信道技术，每个信道分别加载不同体制的网络波形。图1为多个设备不同体制混合组网的典型无线局域网拓扑架构。

图1 混合组网拓扑

如图1所示，设备1为加载LTE体制的基站设备，其他每个设备同时存在LTE终端和MESH两种体制。设备2和设备3通过LTE终端与LTE基站组网，与网络中的其他设备则通过MESH体制组网。

2.2 工作原理

混合组网设备基于软件无线电平台进行设计，架构逻辑如图2所示。根据不同应用需要加载不同波形，通过软件设置可工作于基站模式或移动站模式，满足多种需求。

混合组网设备设计有两个无线信道，信道1用于移动站模式的无线接入，信道2可以加载LTE基站波形或MESH自组网波形。基站模式中，设备的信道2加载LTE基站波形，为附近区域提供无线接入覆盖。移动站模式中，信道1用于接入到基站，同时通过信道2组成MESH自组织网，扩展网络的覆盖范围，改善节点间的连通度，优化网络的鲁棒性。

图2 设备架构逻辑

混合组网设备配置有北斗GPS同步功能，基站之间严格同步，并能完成越区切换与漫游；移动站在多个基站覆盖区域移动时，可根据信号强度自动选择基站，并能在邻近基站间切换。

混合组网设备配套的网络管理软件，可以对本地设备的工作参数进行配置，也可以监控设备的工作状态以及混合组网网络的节点拓扑。

2.3 关键技术体制

混合组网设备LTE无线网络技术采用标准的TD-LTE接入协议，实现了标准架构下的各接入层功能和相关核心网接口。同时，从实际需求出发，为满足实际应用中的高机动、快部署和自定义的需求，在标准架构上增加了分布式核心网控制器、分布式安全认证中心和自定义QoS控制器3个关键模块，能够使设备在脱离集中式核心网控制情况下，完成数据通信、用户鉴权和服务区分等系统功能，满足不同应用环境下的混合组网架构和通信需求。从实际环境考虑，为适应复杂环境下的高干扰和多路径情况，设计了一套感知干扰和屏蔽干扰的算法，能够有效检测干扰和扣除被干扰的子载波，提高设备的可用性和环境适应性。

混合组网设备自组织网技术采用自主设计的MESH协议，支持多跳、宽带、机动通信等需求。MESH信号处理借鉴4G关键技术进行设计，采用无中心多跳情况下节点间同步、前导插值与判决反馈相结合的信道估计和均衡、信道编码等关键技术。同时考虑具体应用中的电磁环境，子载波映射采用多载波方式，结合导频设计可获得频域分集增益，接收端使用了最小均方误差法(MMSE,Minimum Mean Square Error)信道估计，能较好解决多径问题。MESH接入控制提供无中心的物理层同步组网支持，采用基于预约的动态无线资源分配算法实现无冲突的资源分配，采用区分服务方式实现业务QoS需求，采用跨层设计以更有效、公平地利用无线资源和节约能量。

混合组网设备路由吸收自组织网下多种路由协议的特点，采用基于链路和信道感知的混合路由技术，在降低路由开销的同时，获得更好的路由收敛速度，有效提升了寻路效率。基于链路和信道感知的选路标准，为多种不同类型链路提供了互联基础，能够在不同应用场景下选择合适路由，且与物理层、媒体接入控制层结合紧密，实现了设备内部数据高效转发和快速收敛，且在三层路由基础上，支持二层交换功能，使得设备同时具备二、三层转发功能，扩展了设备应用，为与交换机、路由器互联提供了支持。混合组网设备采用IP分组交换体制，支持VPN、单播、组播以及广播业务交换。

为保证话音、视频等业务传输时延及时延抖动等QoS需求，混合组网设备对业务进行了分类。设备支持多级业务优先级，提供优先级与业务映射手段。在交换调度时，实现基于优先级的调度策略，从而保障设备提供良好的用户体验。

2.4 业务流程

数据发送流程如图3所示。从以太网接口接收的数据送给业务交换模块，业务交换模块对业务进行识别、区分，确定优先级等QoS需求信息，根据路由模块转发策略决定数据的发送通道，将数据发送给相应信道的接入控制模块。信道的接入控制模块根据业务QoS信息进行调度，并发送至信号处理模块，最后经过射频相关处理后通过天线输出。

MESH信道的数据发送流程与经过LTE信道类似。首先由交换模块送给接入控制层，接入控制层根据QoS信息，依据调度策略进行数据调度。通过IPC通道将数据帧交于物理层API进行解析，物理层API将解析后的数据帧交给数字信号处理模块进行处理，再经过功率放大和滤波后经天线输出。

图3 数据发送流程

数据接收流程如图4所示。从天线口进入信道的射频信号，经滤波器滤波、低噪放放大和射频模块处理后得到中频信号；中频信号经数字前端模数转换后，将数字信号送信号处理模块进行处理；信号处理模块解调成数据流，并经物理层API合成为数据帧，再通过IPC通道送给接入控制层，然后送给业务交换模块；业务交换后送给以太网接口。

图4 数据接收流程

3 混合组网应用前景

MESH与LTE混合组网具有组网灵活、网络健壮性高、无线网络带宽高、支持非视距通信以及网络规模大等优势。因此，MESH与LTE混合组网方案能够满足大多数应用场景对无线网络的需求，尤其是在特殊环境无线组网应用中。

军事领域尤其是在复杂地形的军事作战中，机动性强，时刻保持无线网络的正常通信至关重要。采用MESH与LTE混合组网技术的无线网络架设简单、灵活，支持动态组网拓扑的特点，完全满足军事作战对无线网络特殊性的需求。

应急通信领域，事件紧急，具有突发性强、环境不固定等特点。快速组网、动态拓扑、网络可靠性高等需求，是应急通信无线网络必需满足的。MESH与LTE混合组网灵活的网络结构及高带宽，能够满足对特定区域进行实时监控，对紧急突发事件做出快速响应，并能有效满足各方救援力量统筹规划、相互协调地实施抢险救灾和灾后重建的网络需求。

海洋开发与探测领域具有布网困难、地点随机性强、机动性强等特点。MESH与LTE混合组网方案灵活的组网方式、支持动态拓扑组网等特点，完全能够满足海洋探测对无线网络的需求。

4 结 语

本文介绍了MESH与LTE协议及其优势。为了满足用户更大业务与更广覆盖的需求，提出了MESH与LTE混合组网的无线组网方案。具体地，详细介绍了混合组网的组网架构、工作原理、关键技术体制、业务转发流程以及混合组网的应用前景。本文所设计的MESH与LTE混合组网方案不仅满足了用户对大业务与广覆盖的需求，而且满足用户对无线网络动态变化方面的需求。

参考文献：

[1] 郑海虹.无线Mesh网络技术发展分析[J].电脑知识与技术,2013,9(09):2077-2080.ZHENG Hai-hong.Analysis of Wireless Mesh Network Technology Development[J].Computer Knowledge and Te chnology,2013,9(09):2077-2080.

[2] IEEE 802.11 Working Group of the LAN/MAN Committee.IEEE P802.1ls／D2.0 Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications.Amendment 10:Mesh Networking[R].2008.

[3] 蔡成都,王星光.MESH技术应用与研究[J].信息通信,2015,153(09):255-256.CAI Cheng-du,WANG Xing-guang.Application and Research of MESH Technologies[J].Information & Comm unications,2015,153(09):255-256.

[4] 陈书贞,张旋,王玉镇.LTE关键技术与无线性能[M].北京:机械工业出版社,2012.CHEN Shu-zhen,ZHANG Xuan,WANG Yu-zheng.LTE Key Technologies and Wireless Performance[M].Beijing:China Machine Press,2012.