基于WiMAX技術的校園網絡平臺設計與實現

王立輝，陳 雷

(寧波教育學院網絡與教育技術中心，浙江 寧波 315016)

目前，我國大學校園無線網絡普遍使用無線局域網 (WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)，基 于802.11X標準，是集成電路技術與無線通信技術相結合的產物。它能滿足各類便攜設備的入網要求，能實現計算機局域聯網、遠端接入、圖文傳真等多種功能，網絡各節點的變動不會受線纜的制約。然而，802.11X卻存在著大量難以避免的缺陷，除了覆蓋范圍較小，不支持QoS，安全性較差，建設周期長等缺點，更加突出的問題是無論WLAN處于OFDM或是CCK調制技術功能，都處于“保護機制”模式下，該模式下每發送一個數據幀都必須先做一次RTS/CTS交換［1］，都將對數據傳輸產生較大的傳輸延時。正因為如此，盡管目前WLAN在校園內的普及率始終保持旺盛，但是校園網的長遠發展迫切需要注入新的技術理念。

文中提出將德州儀器的CC1110無線傳感模塊與WiMAX這一寬帶無線接入技術作為校園無線網接入的策略，WiMAX基于IEEE802.16標準，是新一代的無線網絡技術。CC1110是基于無線傳感網絡技術的新型自適應模塊，是WLAN與Adhoc網絡的融合技術，兼具兩者的優勢。WiMAX與CC1110兩種技術在校園網的結合應用有效地彌補兩者的短板，實現了兩者功能的完美互補。通過將CC1110與WiMAX組網技術分布于復雜校園環境下的不同區域，有效地實現了大范圍校園環境下網絡的帶寬流量與穩定性。

1 WiMAX技術及應用分析

IEEE于1999年設立802.16工作組，主要開發固定寬帶無線接入系統標準，即IEEE802.16標準，又被稱為“WiMAX技術”。WiMAX基于無線城域網(WMAN)標準，主要用于高速移動下的寬帶數據接入服務。與Wi－Fi、WLAN標準相比，WiMAX頻段適應面更廣、伸縮性更強、擴展性更強、覆蓋范圍更寬，同時支持QoS以及高安全性能策略都使其成為校園無線網絡的理想接入方式。但是，從WiMAX自身技術上分析，存在一處缺陷，就是不能支持用戶在快速移動過程中無縫切換，而無線傳感技術正好具有這個優勢，可以彌補WiMAX這個缺陷。因此，盡管目前WiMAX在技術上仍有不成熟的地方，但通過與無線傳感網絡技術的融合，把WiMAX無線網絡技術作為校園無線網接入策略在技術上不僅可行，而且優勢明顯。

2 SmartRF CC1110無線傳感模塊分析

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)是一種新型的無中心基站的高容量、高速率的分布式自組織寬帶無線拓撲結構。在眾多無線傳感模塊中，德州儀器的CC1110憑借超低成本低功耗的單片UHF收發器特性脫穎而出。CC1110為低功耗無線應用而設計，電路可以設定在315、433、868和915 MHz的ISM(工業、科學、醫學)和SRD(短距離設備)頻率波段，同時也允許設置為300～350 MHz、400～480 MHz和820 ～962 MHz的其他頻率。

CC1110的RF射頻收發器集成了一個高度可配置的調制解調器。該調制解調器支持不同的調制格式，通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能相比CC1100得到大幅提升。網絡中的各CC1110節點均能收發和中繼數據，同時能夠自組網、自管理、自愈合，支持點到多點或多點到多點的數據傳送，為數據包處理、數據緩沖、突發數據傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發提供廣泛的硬件支持。

3 校園無線網絡架構設計

對于全局校園無線網絡，采用分級組網的模式，即采用雙層結構，骨干網采用WiMAX技術，而在空曠場地或者校園偏僻的WiMAX信號盲區采用傳感網絡技術，既可以保證校園網絡的高覆蓋性，同時又保證了校園網絡信號的高帶寬。校園骨干網主要覆蓋固定建筑物，骨干網的WiMAX采用星形網絡結構模式，以中心基站為核心，中心基站與各建筑屋頂的遠端基站采用5.8 GHz頻段通信。而在校園內的空曠場地中，則采用以無線傳感節點包圍無線傳感基站模式的無線傳感自組織網絡，每個無線傳感節點都工作在WOR(電磁波激活)模式［2］，使用多跳方式來續傳其他節點的信息交換業務。根據這個網絡架構思想，可以有效地將整個無線網絡劃分成若干個基站網絡，每個基站都有自己的接入點服務。以校園內的網絡中心為源基站，使無線網絡向四周不同層次的交流空間擴散，促進信息的高速暢通傳播。

4 校園WiMAX核心網的組建

作為基于IEEE 802.16d的固定終端接入手段，WiMAX可以實現快速布網，并大大降低建網成本。目前，WiMAX的典型接入方式有8種，不同的方式適用于不同的建網環境。由于校園內各建筑與中心信息基站之間的距離大部分都超過100 m，因此系統中心基站與各建筑群采用多模光纖來連接。根據固定WiMAX終端的硬件設備能力，選用WiMAX客戶端+AG、WiMAX客戶端+WiFi+AP+WiFi終端(+IAD)作為校園骨干網絡的構建方案。該接入方式主要適用于滿足業務量相對集中的區域，同時該方式使用上行并發業務量介于 3 Mbit·s－1與 5 Mbit·s－1之間的服務區域與高校的日常業務量相契合。圖1所示為WiMAX校園骨干網絡的結構分布圖。

圖1 基于WiMAX技術的校園骨干無線網絡

圖中CPE(Customer Premise Equipment)即用戶終端設備，是專門用來接收WiMAX信號的無線終端接入設備;POE(Power Over Ethernet)指在現有的以太網布線基礎結構不作改動的條件下，既可為客戶提供基于IP終端傳輸數據信號，同時還可為便攜式設備提供直流供電技術。虛線框中采用高優先級QoS(網絡服務質量)保證的CPE+AG業務，客觀上也擴展了移動網絡的覆蓋范圍;CPE的另一個優勢在于同時也充當校園內各樓宇與中心基站的中繼放大器，在放大電磁波功率的同時不增加噪聲功率。校園無線WiMAX接入以太網的核心內容是采用PHY作為空中接口規范，利用網關屏蔽下層網絡，從核心網收取數據傳輸給各個用戶站的基于以太網協議的用戶，或者從用戶站的以太網用戶向遠端用戶發送信息請求。WiMAX基站系統的網絡層主要與兩個模塊進行數據交換:一個是Ethernet接收模塊;另一個是 WiMAX系統的符合IEEE802.16e協議的MAC層。從Ethernet口接收的數據基本都是以太網幀，包括IP包和ARP包，這些包必須通過網絡層對其進行協議識別和處理。校園內各樓宇內的CPE作為無線分支基站實現對大樓內的AP終端中繼控制。同時，在數據傳輸鏈路層中加入ARQ機制［3］，并且根據WiMAX協議提供實現自適應天線陣(AAS)、MIMO和STC增強型天線技術的途徑，用以減少網絡層的信息差錯，消除NLOS(蜂窩網絡非視線傳輸)造成的深衰減，大幅提高系統的數據業務吞吐量。另外，大樓的另一項關鍵技術是在WiMAX網絡布局過程中，為防止無線網絡正常運行中所發生的各種意外，總基站的服務器與大樓內的關鍵設備還必須配置UPS電源，以保證校園WiMAX網絡的正常持續地運行。

5 校園樓宇內WiMAX網絡系統結構

校園WiMAX骨干網主要的覆蓋范圍為校內的固定學習場所，在這些場合中主要解決AP的覆蓋范圍和AP的容量兩大問題。同時，頻率規劃也是WiMAX網絡設計的重要內容，經過對視距傳播頻段與非視距傳播頻段，綜合考慮設計中的WiMAX采用OFDMA正交頻分多址多載波調制技術來提高非視距傳播下的網絡系統性能。基于OFDMA的骨干網系統，采用TDMA(時分多址)子信道來區分用戶，采用同頻組網可以有效地避免使用相同頻率的小區之間的嚴重干擾，降低網絡干擾，提高系統容量，增強鏈路的校驗強度。在合理地分析各AP的容量與覆蓋面后，還需考慮信號衰減因素，適當增加AP個數來減少數據覆蓋盲區。圖2為本設計的“二層交換機+多個IAD接入”WiMAX網絡系統在教學樓中的應用。

圖2 教學樓WiMAX系統信道覆蓋結構

如圖2所示，根據IAD(集成接入設備)的具體配置可以針對VLAN進行具體劃分，IAD通過FRAD(幀中繼接入設備)與IPPBX(專用集成交換機)設備相連，進而實現6～36等多種規格的POTS接口以及多路可保證業務由縣級的移動上網業務。該接入方式可以同時滿足用戶的VoIP語音和數據上網的需求，在樓宇內的WiMAX網絡結構布局中，還可以考慮將WiMAX與現有無線網絡相結合的方式，比如采用緊耦合的模式與WiFi、3G網絡組網。利用現有網絡對移動性管理的支持，無線網絡數據流需經過現有網絡的核心網和RNC，同時共享AAA服務器，減少切換時延，保證無線網絡的無縫連接。

6 室外分布式無線傳感網絡組建

校園室外網絡具有如下特點:節點頻繁快速移動，傳輸信息量大，實時性要求高，系統并不注重網絡初始化時間，而是更多關注于系統運行期間數據的可靠性和實時性。這樣的環境恰恰是WiMAX應用的短處，由于WiMAX對于節點頻繁快速移動的弱支持，必須采用另外的技術來彌補該缺陷。因此，室外無線網絡可采用自組織的無線傳感網絡模式。AP數據收發器采用CC1110無線傳感模塊，通過無線傳感網絡與ARM服務器基站進行數據的收發操作，接收基站對無線傳感節點的命令，控制或者調節傳感節點的無線收發行為，保證校園傳感環境下的網絡暢通運行，體現覆蓋范圍最大化的覆蓋原則來保證校園用戶需求。

7 無線傳感器基站體系結構

分布式傳感網絡構建方案中，以圖1中WiMAX核心網中虛線框內的CPE所提供的E1/T1接口以及TD信號端實現與CC1110無線傳感模塊基站的硬件對接，以MCU的時鐘信號調節流控信號收發，以SIP(階段信令控制協議)作為通信控制協議。硬件服務器基站采用嵌入式 ARM平臺，該 ARM平臺基于S3C2440A處理器、Fedora操作系統，以Web服務器和客戶端瀏覽器為架構主體建立分布式現場的流控應用平臺。無線傳感基站的組成結構如圖3所示。包括微處理器單元(MCU)、電源模塊、顯示模塊、復位模塊、串口TCP/IP以太網模塊、存儲模塊、CC1110無線射頻模塊和為了解決射頻發送距離近而設計的PA功放模塊。

圖3 無線傳感器基站體系結構圖

如圖3所示，微處理器采用三星公司的S3C2440A芯片，該微處理器基于ARM920T內核，它的杰出特點是16/32位RISC處理器，實現了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16 kB指令CACHE與16 kB數據CACHE，每個都由8 Byte長的行組成，通過提供一套完整的通用系統外設，S3C2440A芯片在實現高速率低功耗的同時減少總體系統成本以及無需配置額外的組件。圖中S3C2440A芯片以SPI模式對傳感器模塊CC1110進行控制，共有6條信號，其中，SCLK為時鐘信號，負責調整MCU與CC1110的信號同步;GD01為連續配置接口，負責數據輸出;CSn作為連續配制接口字，負責芯片的選擇;GDO0是作為一般用途的數字輸出腳，它的功能為測試信號、FIFO狀態信號、時鐘輸出以及連續輸入TX數據;它與GDO2承擔數字輸出功能，與GDO0作用相類似;SI是數字輸入信號，作為連續配置接口承擔接收數據輸入的功能。CC1110裝備了內置的狀態機，可以用來在不同的操作狀態之間切換。當CHIP_RDYn引腳拉低時，內部功率增加序列完成，在CSn拉低后，可選的電磁波激活功能(WOR)使CC1110周期性地從深度休眠狀態激活，從而不需要S3C2440A的作用即能偵測到發送過來的數據包。在WOR啟用的狀態下，在SWOR命令濾波被送到SPI接口后，當CSn被釋放后CC1110會進入休眠狀態，在WOR濾波使用前RC振蕩器必須啟用。在定時器終止后，芯片上的定時器將使CC1110再次進入空閑狀態。經過一段RX中的可控時間，芯片返回休眠狀態，直至被WOR拉低喚醒。當TX開啟時，芯片將保持TX狀態直到當前數據包已被成功地發送［4］。通過使用命令濾波，由MCSM1.TXOFF_MODE設置能自動地將CC1110從RX狀態轉變到TX狀態，若通信控制裝置當前處在發送狀態且SRX濾波正在使用，則當前傳輸將被終止，且向RX轉換。

8 CC1110無線數傳數據字節分配

室外無線傳感器網絡的數據包格式如圖4所示。前導是一個交互式的0、1序列，前導字節長度由MDMCF1.NU_PREAMBLE控制字可編程控制。當啟用TX時，調制器開始傳動前導，當控制字節的前導被傳送完畢時，調制器開始發送設置于SYNC1與SYNC0寄存器中的同步詞匯，該字節提供傳入數據包的字節同步。接著發送由PKTCTRL0.LENGTH_CONFIG寄存器來設置，數據包長度應該定義為有效荷載數據，不包括長度字節和可選CRC校驗，PKTLEN寄存器用來設置RX中允許的最大數據包長度，任何長度字節值大于PKTLEN的接收數據包將被丟棄。然后，MCU開始處理裝置檢查目的地址，當地職匹配時才繼續進行接收。若自動CRC校驗檢查開啟，則數據包處理裝置計算CRC，并將它同附加CRC檢驗和相匹配。

圖4 無線傳感網絡數據包結構

鑒于以上對數字化校園室外網絡的研究，無線傳感器網絡可以采用多個無線傳感基站，采用重疊交叉無線覆蓋的方式，完成區域的無縫無線覆蓋。首先，選擇網狀網結構作為校園無線網絡的拓撲結構，每個節點都工作在電磁波激活模式，使用多跳方式來續傳其它節點的信息交流業務;其次，將整個校園室外無線網絡劃分成各個小區網絡，每個小區都有自己的基站接入點服務;再次，采用無線與有線相結合的方式。將多模光纖連接到移動用戶終端集中的場所中;最后，根據校園所在的環境特點，以室外的無線控制集中器為中心，使無線傳感器網絡向四周不同層次的交流空間擴散［5］，促進信息的高速傳播。無線傳感網絡的網絡搜索路徑采用基于最小跳數的信息轉發協議，網絡內任何節點向集中器發送的信息都將沿著最短路徑傳送。

9 結束語

實驗采用校園內同一區域分別組網的方式來對比WLAN與本方案的網絡性能指標，采用通用的Adhoc BSS組網模式，站點隨機分布在200 m×200 m的教學樓與校園花園內，通過對動態的RF環境進行檢測，勘測整個RF環境是否存在影響無線傳輸性能的干擾，并且通過無線網絡的信道吞吐量檢測，考察無線AP的數據處理能力。監測無線網絡流量情況并進行協議分析，分析WLAN與本方案內運行的協議種類，以及各種協議所占比例，查看是否有異常的協議和流量在運行。從而有效地量化用戶的無線網絡性能，為用戶提供調整、完善整個無線網絡的依據及方案。表1為本方案與WLAN通過校園組網實地測定后得出的參數對照表。從該表中可以清楚地分析出，對比WLAN組網，經過本方案Wimax與CC1110傳感網絡的校園組網數據延時更短，吞吐量更高，數據丟包率更小，性能指標更趨于優異。

表1 校園實地測定本方案與WLAN性能指標對比表

WiMAX技術與無線傳感網絡技術是在寬帶網絡IP化、移動化、寬帶化的進程中逐漸壯大的。從最初的無線傳感器網絡與WiFi相配合解決無線網絡的信號覆蓋問題到如今的無線傳感網絡與3G網絡混合組網實現寬帶城域網可以看出，WiMAX技術與無線傳感網絡技術憑借其技術優勢，必將在未來有廣闊的發展前景。從組網的角度看，校園整體性無線網絡建設是一個相當復雜的系統工程，需要全局考慮、細致分工布局，這樣才能建設成一個真正滿足需求的、可運營、可管理的無線校園網絡。

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