本发明公开了一种支持TDD双工方式的WMNs设备试验样机,该样机支持IEEE 802.16d标准和IEEE 802.11标准,具有自主创新的物理层技术、MAC层技术、网络层技术和跨层技术。测试结果表明该试验样机能较快的组建分布式的Mesh网络,并且样机节点间可以较好地传输话音、视频和多媒体等多种业务资源。
1.基于TDDxa0WMNs的设备试验样机,包括,物理层技术,MAC层技术、网络层技术和跨层技术,其特征在于,其中,所述物理层技术包括:样机的物理层具有与信道机和射频单元的接口,所述物理层具有同步和降低PAPR的OFDM技术,在802.16d-OFDM框架下,实现支持256点FFT的OFDM调制、解调;在接收端具有信道估计与同步功能;所述MAC层技术包括:利用TDDxa0MAC层框架与工程进行完善与优化,并可自动下载到DSP上,提出了具有分类、接入、排队、预留、调度机制的MAC层框架,并实现如下功能:-新节点快速接入网络;新节点在数秒内加入网络、获得网络参数、获得开放信道、网络授权;通过消息时间戳,进行网络粗同步,获得网络时间;保证新节点以较小的碰撞概率接入网络;-资源调度和网络信息维护;设计合理的控制资源调度方式,通过有协商的随机资源调度方式,保障业务的QoS;实时、有规律地完成邻居信息、网络功率、网络规模和信道状况的更新和维护;所述网络层技术包括:仅利用网卡,在ARM系统已有的拓扑路由技术上修改与优化;具备网络层的多QoS约束路由、多路径路由、拓扑与路由联合控制技术,为用户接入提供网络级的QoS保证,使用静态、动态、单层、分级、单播及多播路由算法;所述跨层技术用于完善与优化网络层与MAC层、MAC层与物理层、以及三层联合优化,包括:-自适应功控技术,通过发送数据前DSCH消息的交互进行功率探测,并由此获得节点发送数据所需要的最小发送功率,即将发送功率降到能够保证接收节点正确接收的最小值;-自适应调制方式,用于依据无线信号信道条件选择调制方法;针对无线信号信道条件不好时采用低阶调制,而对于无线信道条件较好时采用高阶调制;-功率、速率与子载波联合分配,用于进行灵活的动态功率分配和比特分配,在MAC层进行功率分配的基础上,物理层进而进行速率与子载波分配,达到最终对资源的联合分配效果,实现系统最优。
2.如权利要求1所述的试验样机,其特征在于,所述物理层与中射频模块配合,开发包括样值同步、符号同步在内的功能,确保子载波之间的正交性。
3.如权利要求1所述的试验样机,其特征在于,所述样机支持的自适应调制编码方式包括BPSK、BPSK-1/2、BPSK-3/4、16QAM-1/2和16QAM-3/4。技术领域
本发明属于无线Mesh网络通信领域,尤其涉及一种基于TDD(Timexa0Divisionxa0Duplexing,时分双工)WMNs(Wirelessxa0Meshxa0Networks,无线网格网络)的设备试验样机。xa0
背景技术
近年来,通信骨干网建设逐步趋于完善,“最后一公里”的接入问题得到业界的普遍关注,作为一种新型“最后一公里”无线接入技术及其扩展,WMNs成为其中一个新兴发展重点。xa0WMNs是一种高容量高速率的分布式网络,不同于传统的无线网络,可以看成是一种WLAN和Adxa0Hoc网络的融合,且发挥了两者的优势,作为一种可以解决′′最后一公里′′瓶颈问题的新型网络结构。WMNs具有广覆盖、高可靠、自配置、自愈合、高利用率等优点,较传统“最后一公里”接入技术更适合于覆盖大面积开放区域。同时未来网络将呈现融合、互补的趋势。WMNs不仅可以作为现有网络,如GSM、IS95等2G网络和TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000等3G网络的有效补充,也可以作为WLAN等城域网和未来4G网络的扩展和延伸,具有巨大的市场前景。有专家预测,如果WMNs与现在流行的WLAN、GPRS、3G、4G等网络完全融合之后,会给用户提供更广泛的无线接入覆盖,全面提升无线网络的服务质量,将展示出其特有的魅力。xa0随着WMNs优点的不断凸显,许多制造商、标准组和研究机构开始致力于xa0WMNs的产品化和标准化工作。在标准化方面,IEEExa0802.16、IEEExa0802.15和IEEExa0802.11陆续成立相关工作组。IEEExa0802.16-2004标准中定义的WMNs采用TDD方式,资源利用率较高,其物理层采用OFDM技术。IEEExa0802.15.5任务组于2003年10月成立,其终极目标是使Mesh网络能够在MAC层形成,不再需要ZigBee或IP选路,相关的草案和标准还在制定中。IEEExa0802.11s工作组与2004年9月成立,工作组的目标是开发能够进行高度互操作的WLANxa0Mesh网络标准。目前,已经提交相关的标准草案,但未发布完整的标准。另外,北电也提出了相关的WMNs解决方案,方案最大的特点在于它采用多射频技术。xa0在产品化方面,摩托罗拉、微软、阿德利亚、星矢科技等公司一直致力于WMNs产品化的研究。摩托罗拉通过收购MeshNetworks公司掌握成熟的WMNs解决方案和相关的专利。微软实验室构建的WMNs在网络层和MAC层之间增加了一个Mesh连接层,实现Mesh路由。阿德利亚着力于WMNs技术和网络设备的研发,拥有多项WMNs专利。星矢科技由西门子公司在美国成立,主要研究WMNs室内外覆盖设备,着力于大规模WMNs建设及产品研发。xa0在基础研究方面,卡耐基-梅隆大学、麻省理工大学、伊利诺斯大学香槟分校、加利福尼亚电信与信息技术研究所、乔治亚技术研究所的宽带和无线网络实验室等都在积极研究WMNs相关技术,如WMNs试验平台、WMNs网络性能、移动性平台、路由技术、资源管理技术等。xa0但到目前为止,市面上罕见TDDxa0WMNs产品,而且IEEExa0802.16中对于TDD还有很多关键技术问题未定义或待完善,针对TDDxa0WMNs的研发工作仍处于起步阶段。xa0
发明内容
本发明的目的在于研制一种基于TDDxa0WMNs的设备试验样机。xa0本发明的目的是通过以下技术方案实现的:xa0所述TDDxa0WMNs设备试验样机,基于IEEExa0802.16标准和IEEExa0802.11标准进行设计,具有新颖的物理层技术、MAC层技术、网络层技术和跨层技术。xa0所述的物理层技术具体内容包括:样机的物理层具有与信道机和射频单元的接口,利用搭建的物理层平台可进行优化与修正,方便模块化与灵活扩展。物理层具有同步和降低PAPR的OFDM技术,在802.16d-OFDM框架下,实现支持256点FFT的OFDM调制、解调。为保证信息传输的高可靠性,在接收端具有信道估计与同步功能。与中射频模块配合,开发样值同步(抽样同步)、符号同步等功能,确保子载波之间的正交性。样机所采用的峰均比消除技术,避免信号相位一致所导致的叠加信号的瞬时功率大于信号的平均功率的现象。xa0所述的MAC层技术具体内容包括:利用TDDxa0MAC层框架与工程进行完善与优化,并可自动下载到DSP上。提出了具有分类、接入、排队、预留、调度等机制的MAC层框架,并实现如下功能:xa0新节点快速接入网络。考虑小区要求设备具有快速部署和临时安装特性,新节点接入网络时具有以下特征:新节点在数秒内加入网络、获得网络参数、获得开放信道、网络授权等;通过消息时间戳,进行网络粗同步,获得网络时间;保证新节点以较小的碰撞概率接入网络。xa0资源调度和网络信息维护。考虑小区内业务种类的多样性,设计合理的控制资源调度方式,通过有协商的随机资源调度方式,尽可能避免隐藏终端和暴露终端,减少碰撞,从而保障业务的QoS;实时、有规律的完成邻居信息、网络功率、网络规模和信道状况等的更新和维护。xa0所述的网络层技术具体内容包括:可仅利用网卡(即利用802.11的物理链路层技术),在ARM系统已有的拓扑路由技术上修改与优化。针对应用范围和用户需求的不断拓展,网络层的多QoS约束路由、多路径路由、拓扑与路由联xa0合控制等高可靠路由技术,为用户接入提供网络级的QoS保证。同时,静态、动态、单层、分级、单播及多播路由算法,保证了在静态网络、动态网络、小规模网络及大规模网络等多种网络环境下的可靠通信,并针对不同的用户需求实现数据的单播或多播传输。xa0所述的跨层技术具体内容包括:利用该平台可完善与优化网络层与MAC层、MAC层与物理层、以及三层联合优化。如跨三层功率控制、自适应子载波速率功率分配、路由资源联合技术等。系统性能优化亦是可用性和可靠性的保障,基于跨层设计的自适应通信主要是使WMNs系统性能更加优化。xa0a)自适应功控技术。xa0网络中的节点和周围邻居进行通信时,由于节点的移动性,通信距离随时会发生变化。如果在通信过程中只采用恒定大小的功率,会造成通信中断或者能量浪费,自适应功控就是针对该问题提出的。xa0功率控制算法的思想是通过发送数据前DSCH消息的交互进行功率探测,并由此获得节点发送数据所需要的最小发送功率,即将发送功率降到能够保证接收节点正确接收的最小值。xa0b)自适应调制方式。针对小区街角、高楼底层、地下停车场等无线信号较弱信道条件不好时采用低阶调制,而对于开阔小区花园、社区活动小广场、宽敞道路两旁等无线信道条件较好时采用高阶调制。样机支持BPSK、BPSK-1/2、BPSK-3/4、16QAM-1/2和16QAM-3/4五种自适应调制编码方式。xa0c)功率、速率与子载波联合分配。考虑多业务要求,进行灵活的动态功率分配和比特分配。在MAC层进行功率分配的基础上,物理层进而进行速率与子载波分配,达到最终对资源的联合分配效果,实现系统最优。xa0本发明的效果是:本发明提供的TDDxa0WMNs设备试验样机能够快速组建多跳的Mesh网络,并且实现网络节点间正确的传输数据。xa0
附图说明
下面结合附图对本发明作详细说明:xa0图1为根据本发明实施例的试验样机的硬件组成。xa0
具体实施方式
本发明实施例的TDDxa0WMNs设备试验样机,基于IEEExa0802.16d标准和IEEE802.11标准,包含物理层技术、MAC层技术、网络层技术以及跨层技术。xa0样机的硬件组成如图1所示,该样机具有如下技术特点:xa0支持多协议IEEE802.11、IEEE802.16,可以实际需求灵活选择频段;xa0实现IPv4/IPv6双协议栈;xa0满足多种业务的QoS需求;xa0将集中式管理与分布式管理结合,实现异构网络的融合,增强了网络的抗毁性与适应性;xa0TDD模式,综合考虑排队算法、队列调度算法、多址方式等对于移动自组系统性能的影响,设计多业务资源调度策略;xa0自适应的功率、速率、子载波分配技术,快速的码字捕获、同步跟踪、信道估计技术使系统性能更具鲁棒性;xa0实现同步和信道估计功能,确保OFDM子载波之间的正交性;xa0峰均比消除技术,避免信号相位一致所导致的叠加信号的瞬时功率大于信号的平均功率的现象;xa0支持BPSK、BPSK-1/2、BPSK-3/4、16QAM-1/2、16QAM-3/4五种自适应调制编码方式;xa0网络信息维护,实时、有规律的完成邻居信息、网络功率、网络规模和信xa0道状况等的更新和维护;xa0控制资源调度,合理的控制资源调度方式,通过有协商的随机资源调度方式,尽可能避免隐藏终端和暴露终端,减少碰撞;xa0业务自动分类映射,根据从上层接收到的业务流的QoS要求,将不同的业务流映射到不同的队列中;xa0时隙资源管理,维护本节点可用时隙、为请求节点分配时隙。时隙资源管理模块中引入的时隙资源预留机制不仅避免碰撞的基本要求,而且进一步保障了业务流的QoS;xa0实现网络的多跳与抗毁特性,网络中每个节点即可以作为主机,也可以作为路由器,当节点要与其覆盖范围之外的其它节点通信时,利用中间节点进行多跳转发;源节点能够正确地建立到目的节点的多跳路由,并且在网络拓扑结构发生变化时能够及时更改路由,维护网络的连通性。xa0实现网络的各种路由算法,包括静态、动态;单层、分级;单播、多播路由。xa0在网络各节点间实现FTP文件传输、telnet登录等应用层通信功能。xa0实现WMNs网络与Internet的互联:在WMNs网络中设置一个无线WMNs网关节点,其它WMNs节点均通过其接入无线局域网或直接接入Internet。xa0所述的物理层技术具体内容包括:具有与信道机和射频单元的接口,利用搭建的物理层平台可进行优化与修正,方便模块化与灵活扩展。物理层具有同步和降低PAPR的OFDM技术,在802.16d-OFDM框架下,实现支持256点FFT的OFDM调制、解调。为保证信息传输的高可靠性,在接收端具有信道估计与同步功能。与中射频模块配合,开发样值同步(抽样同步)、符号同步等功能,确保子载波之间的正交性。样机所采用的峰均比消除技术,避免信号相位一致所导致的叠加信号的瞬时功率大于信号的平均功率的现象。xa0所述的MAC层技术具体内容包括:利用TDDxa0MAC层框架与工程进行完善与优化,并可自动下载到DSP上。提出了具有分类、接入、排队、预留、调度等机制的MAC层框架,并实现如下功能:xa0新节点快速接入网络。考虑小区要求设备具有快速部署和临时安装特性,新节点接入网络时具有以下特征:新节点在数秒内加入网络、获得网络参数、获得开放信道、网络授权等;通过消息时间戳,进行网络粗同步,获得网络时间;保证新节点以较小的碰撞概率接入网络。xa0资源调度和网络信息维护。考虑小区内业务种类的多样性,设计合理的控制资源调度方式,通过有协商的随机资源调度方式,尽可能避免隐藏终端和暴露终端,减少碰撞,从而保障业务的QoS;实时、有规律的完成邻居信息、网络功率、网络规模和信道状况等的更新和维护。xa0所述的网络层技术具体内容包括:可仅利用网卡(即利用802.11的物理链路层技术),在ARM系统已有的拓扑路由技术上进行修改与优化。针对应用范围和用户需求的不断拓展,网络层的多QoS约束路由、多路径路由、拓扑与路由联合控制等高可靠路由技术,为用户接入提供网络级的QoS保证。同时,静态、动态、单层、分级、单播及多播路由算法,保证了在静态网络、动态网络、小规模网络及大规模网络等多种网络环境下的可靠通信,并针对不同的用户需求实现数据的单播或多播传输。xa0所述的跨层技术具体内容包括:利用跨层技术完善与优化网络层与MAC层、MAC层与物理层、以及三层联合优化。如跨三层功率控制、自适应子载波速率功率分配、路由资源联合技术等。系统性能优化亦是可用性和可靠性的保障,基于跨层设计的自适应通信主要是使WMNs系统性能更加优化。xa0a)自适应功控技术。xa0网络中的节点和周围邻居进行通信时,由于节点的移动性,通信距离随时xa0会发生变化。如果在通信过程中只采用恒定大小的功率,会造成通信中断或者能量浪费,自适应功控就是针对该问题提出的。xa0功率控制算法的思想是通过发送数据前DSCH消息的交互进行功率探测,并由此获得节点发送数据所需要的最小发送功率,即将发送功率降到能够保证接收节点正确接收的最小值。xa0b)自适应调制方式。针对小区街角、高楼底层、地下停车场等无线信号较弱信道条件不好时采用低阶调制,而对于开阔小区花园、社区活动小广场、宽敞道路两旁等无线信道条件较好时采用高阶调制。样机支持BPSK、BPSK-1/2、BPSK-3/4、16QAM-1/2和16QAM-3/4五种自适应调制编码方式。xa0c)功率、速率与子载波联合分配。考虑多业务要求,进行灵活的动态功率分配和比特分配。在MAC层进行功率分配的基础上,物理层进而进行速率与子载波分配,达到最终对资源的联合分配效果,实现系统最优。xa0该试验样机已基于DSK6416、ARM和FPGA等硬件联合实现,并且对该试验样机进行了测试,结果表明,该试验样机能较快的组建网络,并且样机节点间可以传输话音、视频和多媒体等多种业务资源。xa0