WiMax宽带无线城域网系统的设计.docx

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WiMax宽带无线城域网系统的设计

目录

1前言1

2基于WiMax技术组建无线城域网的可行性分析2

2.1WiMax技术现状2

2.2WiMax的应用情况及优势3

3用户需求分析5

3.1宽带网的用户类群5

3.2宽带业务应用分析5

4网络规划6

4.1无线网状网络的结构类型6

4.2一个架构式mesh网络的实例8

5设备选型13

5.1网络仿真软件PacketTracer的介绍13

5.2核心交换机13

5.3接入层交换机13

6系统配置15

6.1网络模型15

6.2问题描述16

6.3干扰模型17

6.4优化目标17

6.5WMN网络架构与IGW放置18

7网络安全及管理措施21

8总结与体会23

9致谢24

10参考文献25

1前言

WiMax是一项新兴技术，能够在比Wi-Fi更广阔的地域范围内提供“最后一公里”宽带连接性，由此支持企业客户享受T1类服务以及居民用户拥有相当于线缆/DSL的访问能力。

凭借其在任意地点的1～6英里覆盖范围（取决于多种因素），WiMax可以为高速数据应用提供更出色的移动性。

此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMax还能够提供为电信基础设施、企业园区和Wi-Fi热点提供回程。

WiMax构建于高级无线技术，抵消效果的干扰提供更多数据以大范围。

两个关键高级无线突破结合入移动WiMax标准是正交频分多访问（OFDMA）和多个输入/多个输出（MIMO）智能天线技术。

这两种技术有效地放置到更多的数据的可用电波以提高吞吐量和/或覆盖范围。

尤其有利MIMO高干扰环境中，如中心城市。

OFDMA断裂一个信号转换许多独立之前将其传输碎跨电波以增加光谱效率。

通过多元化的信号这样,即使某些块没使它通过，则信号会重建仍然可以对方是否MIMO使用多个天线的两端的无线连接（基站和用户设备）以启用数据到沿多个独立路径。

例如：

一个1x2配置指设备带有1Tx（传输）和2Rx（接收）天线；同样：

3x3指3Tx和3Rx天线。

WiMax连接需要一个WiMax-启用设备和订阅了WiMax宽带服务。

WiMax连接性可能需要购买额外的软件或硬件在额外费用。

可用性WiMax可能受限制，需要咨询自己的载体支持的详情和网络限制。

宽带性能和结果可能不同由于环境因素和其它变量。

本课题将阐述采用先进的WiMax技术设计宽带无线城域网。

要求能根据实际问题绘制拓扑结构图，清晰的描述接口，进行路由器或交换机的代码配置实现。

2基于WiMax技术组建无线城域网的可行性分析

2.1WiMax技术现状

2.1.1.WiMax简介

WiMax又称为802.16无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一英里”的宽带无线连接方案。

因在数据通信领域的高覆盖范围（可以覆盖25～30英里的范围）,以及对3G可能构成的威胁，使WiMax在最近一段时间备受业界关注。

该技术以IEEE802.16的系列宽频无线标准为基础。

一如当年对提升802.11使用率有功的Wi-Fi联盟，WiMax也成立了论坛，将提高大众对宽频潜力的认识，并力促供应商解决设备兼容问题，借此加速WiMax技术的使用率，WiMax技术成为业界使用IEEE802.16系列宽频无线设备的标。

虽然WiMax无法另辟新的市场﹙目前市面已有多种宽频无在线网方式﹚，但是有助于统一技术的规范，有了标准化的规范，就可以以量制价，降低成本，提高市场增长率。

短期而言﹙2004年﹚，WiMax论坛将在年底之前，着手开发认证流程，为最后一步的产品测试预作准备。

2005年左右，大型供应商将推出拥有WiMax认证的产品，多数产品的频率不超过11GHz.长期而言，WiMax将进步到可以支持最后一哩，回程、私人企业应用。

2.1.2．技术现状

宽带城域网作为一种因技术进步和市场竞争而产生的新型网络模式，是现代传输技术、数据通信技术和接入网技术融合的产物。

CDMA技术主导者高通（Qualcomm）一向看衰移动WiMax的发展前景，认为GSM下一代技术长期演进（LongTermEvolution；LTE）及CDMA下一代技术UMB（UltraMobileBroadband）都比WiMax更有优势，而UMB未来将成为高速移动宽带主流技术之一。

国际电信联盟（ITU）10月1日批准WiMax以“OFDMATDDWMAN”名义成为ITU移动无线标准，这标志着WiMax成为与WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA并列的全球3G标准。

随着网络的普及，基于分组交换的VoIP技术得到迅猛发展。

如何将VoIP技术与无线通信技术相结合，实现无线VoIP话机是当前嵌入式VoIP话机设计的一个新方向。

2.2WiMax的应用情况及优势

2.2.1应用情况

   WiMax已经从本质上改变了最初的应用方向，增加了移动通信方面的服务。

通过加入移动特性，一方面，WiMax可以像原来设想的那样，作为服务供应商和电信商最后一公里接入的技术手段，同时还可成为运营商们搭建语音和数据骨干网络的主流技术。

   按照WiMax的商用计划，预计到2006年802.16即可集成到笔记本电脑，实现在城域网范围内的可移动的宽带无线数据服务。

在城域网的范围内，用户无须购置新的终端，仅用集成802.16功能的笔记本电脑，就可以60km/小时以上的移动速度，不间断地享用高于3G十倍以上的速率而构成的宽带精彩内容服务。

而且WiMax还能作为WiFi的备份，使用户可快速、容易地访问、漫游WiFi热点，而笔记本电脑、PDA、手机也可以通过在WiFi和WiMax间自由切换访问互联网，实现无缝的无线连接。

WiMax将可以为高速数据应用提供更出色的移动性。

此外，凭借这种覆盖范围和高吞吐率，WiMax还能够提供为电信基础设施、企业园区和Wi-Fi热点提供回程。

   WiMax还通过将无线接入系统上升到无线接入网络，多中心站之间通过负荷分担的方式大大增加了网络容量。

   同时WiMax通过OFDM技术具备了非试距传输的能力，因此能够在不同环境下获得最佳的传输性能，WiMax还采用了智能天线技术来提高覆盖能力。

2.2.2WiMax优势

WiMax之所以能掀起大风大浪，显然是有自身的许多优势。

而各厂商也正是看到了WiMax的优势所可能引发的强大市场需求才对其抱有浓厚的兴趣。

图2.1WiMax的应用前景

优势之一，实现更远的传输距离。

WiMax所能实现的50公里的无线信号传输距离是无线局域网所不能比拟的，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应用的范围大大扩展。

优势之二，提供更高速的宽带接入。

据悉，WiMax所能提供的最高接入速度是70M，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。

对无线网络来说，这的确是一个惊人的进步。

优势之三，提供优良的最后一公里网络接入服务。

作为一种无线城域网技术，它可以将Wi－Fi热点连接到互联网，也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。

WiMax可为50公里线性区域内提供服务，用户无需线缆即可与基站建立宽带连接。

优势之四，提供多媒体通信服务。

由于WiMax较之Wi－Fi具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级的多媒体通信服务。

优势之五,从产业链来讲，Wimax有商用数据上网卡有商用手机（HTCMax4G），并且还存在终端一致性测试的问题。

所以，WiMax的产业链还需要经过像TD-SCDMA产业链的规模试验过程。

3用户需求分析

3.1宽带网的用户类群

（1）、信息源用户：

主要是信息服务提供商。

（2）、个人用户：

透过网络进行多媒体通信、访问信息源、网上商业活动等。

（3）、企事业单位：

主要利用网络的多媒体传输、服务质量保证、VPN（虚拟专网）、VPDN（虚拟拨号专网）等服务。

从需求角度分析，学校源于电子化教学和远程教育需要；医院源于远程医疗和信息化社区服务需要；政府部门源于办公信息化、公开化等“电子政务”需要。

3.2宽带业务应用分析

个人用户对高速上网、多媒体娱乐、远程教育、在线证券等需求最大，对电视电话等兴趣也极大；话音、视频应用等对实时性要求较高，对IP等分组交换网络有一定的特殊要求。

企业单位、政府机关内部网通过公网扩大连接范围，在VPN等方面有需求，对于电视会议、电子商务、电子政务等有广泛应用。

虚拟专用网（VPN）利用公用网络为企业提供安全的网络远程互连，原来在FR、DDN等专网完成，VPN享有和物理专网同样的安全性、可靠性、优先级别和可管理性，提供方便、廉价的远程访问。

可将原来运行在FR、DDN专网上的业务迁移到宽带网上，而用户花费更小。

4网络规划

4.1无线网状网络的结构类型

4.1.1架构/骨干式WMN（Infrastructure/backboneWMN）

在这种结构中，mesh路由器构成mesh网络的主干，mesh客户通过mesh路由器接入WMN，部分mesh路由器作为网关与其它类型的网络连接（包括接入因特网），如图4.2所示。

除最常见的IEEE802.11以外，mesh主干也可以使用其它无线技术建立。

使用以太网接口的用户可通过以太网链路连接到mesh路由器，与mesh路由器具有相同无线接口的用户可直接连接到mesh路由器，使用不同无线接口的用户首先接入各自的基站，这些基站通过以太网链路连接到mesh路由器。

4.1.2对等式WMN（ClientWMN）

这种结构仅由mesh客户组成，如图4.1所示。

所有mesh客户通过无线链路形成对等网络，每个mesh客户要执行路由及配置功能，并向客户提供终端应用。

由于节点不需要具有网关或中继功能，所以不需要Mesh路由器。

对等式WMN通常使用一种类型的无线技术，因此实际上和常规移动自组网是一样的。

相比于架构式WMN中的mesh客户，对等式WMN中的mesh客户需要更强的功能。

图4.1对等式WMN

4.1.3混合式WMN（HybridWMN）

这种结构是架构式WMN和对等式WMN的结合，mesh客户可以通过mesh路由器或其它mesh客户接入网络，如图4.3所示。

在这种结构中，mesh主干提供了到其它网络（如因特网、Wi-Fi、WiMax、蜂窝网络及无线传感器网络）的连接，而mesh客户在WMN内部进一步改进了连接性和覆盖性。

图4.2架构/骨干式WMN

图4.3混合结构的WMN

WMN的特性概括如下（由于混合式WMN具有WMN的全部优点，因此这里考虑的是混合式WMN）：

●WMN支持自组织组网，具有自形成、自愈合和自组织的能力。

●WMN虽说是一种多跳无线网络，但它有一个无线骨干。

●Mesh路由器较少移动且专门执行路由与配置功能，从而大大减轻了mesh客户与其它终端节点的负担。

●通过无线骨干很容易支持终端节点的移动。

●Mesh路由器可集成包括有线网络和无线网络在内的异构网络，因此WMN可支持多种类型的网络接入。

●Mesh路由器和mesh客户具有不同的电源使用限制，mesh路由器通常不移动且有持久的电源供应，而mesh客户则一般是移动的且由电池供电。

●WMN并不是独立运行的，需要与其它无线网络相兼容和互操作。

因此，WMN并不仅仅是另一种类型的移动自组网，与常规移动自组网相比增加了很多功能，而实现这些新的功能需要新的算法和设计。

4.2一个架构式mesh网络的实例

4.2.1网络结构

描述了一个可自配置的、安全的架构式mesh网络的设计与实现。

其设计称为MeshCluster，如图4.4所示。

图4.4MeshCluster参考结构

MeshCluster架构由中继节点和网关节点两种网络节点组成，中继节点是支持接入和中继两种无线网络接口的多射频系统（有多个射频电台，支持不同的无线技术），而网关节点支持中继和因特网回程（back-haul，up-link）接口。

端用户移动节点（MobileNode，MN）使用接入接口接入网络。

中继接口用于在中继节点和网关节点之间构造一个自配置的包转发骨干。

接入链路可以基于3G或802.11，中继链路可以基于802.16或802.11。

网关通过有线（以太网）或无线（如802.16）上行链路连接到因特网。

中继节点和网关节点的放置取决于部署的场景。

比如，向端用户提供宽带接入的城域网，中继节点可以安放在电杆上，网关节点放置在市区的数据中心。

建筑物（如会议中心、博物馆）内的mesh网络可以采用类似的放置方法。

在以上场景中，中继节点是固定的。

在为灾难恢复、户外事件而临时建立的mesh网络中，中继节点可以任意放置且是准静态的。

在军事应用中，汽车里的战士使用中继节点通过远程网关节点与指挥控制中心通信，中继节点的移动性可能很大。

4.2.2自动配置

有一个MeshCluster-Manager实体（可以和网关放在一起），执行管理和监控功能，如为接入链路和中继链路分配频率和功率、平衡中继簇的负载、支持移动和鉴别等。

节点使用一个安全注册和自动配置协议向MeshCluster-Manager注册。

中继节点启动时初始化一个自动配置代理，该代理使用一个或多个中继接口监听其所在区域中所有自组网的ESSID广播。

对于每一个ESSID广播，代理首先发送BSSID广播加入相应的自组网，然后从零配置地址空间169.254.*.*中选择一个IP地址，加入到中继骨干中。

中继节点然后监听由已加入MeshCluster的中继节点周期性接收和重广播的网关通告消息，消息中包含了网关能力信息（如因特网回程链路速度）、中继节点容量以及经过该中继节点的最佳路由等。

代理与一个或多个选定的网关进行配置会话，网关的选择可以按照距离最近（跳数最少）、负载最轻或容量最高等原则来选择。

自动配置协议支持鉴别，代理可以使用安全信任状（如数字证书或保存在节点防窜改硬件中的对称密钥等）与网关进行相互鉴别。

中继节点向网关传送自己的能力信息（如射频接口的数量及类型）及观察到的环境信息（如不同频段上可见的邻居、干扰等），这些信息对网关分配频率非常有用。

网关向中继节点传送配置参数，如接入的ESSID、中继和接入接口上使用的频率、功率水平、移动方法、编址方案、任何路径特定信息等。

配置会话结束后，释放零配置地址，但安全参数保留以便用于将来的重配置。

（SSID是ServiceSetIdentifier的缩写，意为服务集标识。

SSID技术可将一个无线局域网分为几个需要不同身份验证的子网络，每个子网络都需要独立的身份验证，只有通过身份验证的用户才可以进入相应的子网络，防止未被授权的用户进入本网络。

SSID也可以写成ESSID，用来区分不同的网络。

SSID通常由AP广播出来，通过XP自带的扫描功能可以查看当前区域内的SSID。

无线网卡设置了不同的SSID就可以进入不同网络，只有设置了相同SSID的节点才能互相通信。

BSS是BasicServiceSet的缩写，是一种特殊的自组织局域网的应用，一群计算机设定相同的BSS名称即可自成一个group，而此BSS名称即为BSSID。

零配置联网是IETF零配置工作组正在做的一项工作，希望能够方便一群节点组网，实现：

1）不需要DHCP服务器来分配IP地址；2）不需要DNS服务器进行域名和IP地址的转换；3）不需要目录服务器来搜索服务；4）不需要MADCAP服务器来根本多播地址。

4.2.3路由协议

路由协议采用增强的AODV，称为AODV-ST（spanningtree）。

AODV-ST是一种混合路由协议，它采用主动策略积极维护中继节点到每个网关节点（常见的通信情形）的最佳路由，大大减小中继节点和网关节点之间的路由发现延迟，而采用按需路由发现策略建立中继节点之间（不常见的通信情形）的路由。

图4.5是有7个中继节点和两个网关节点的简单拓扑，以每个网关节点为根形成一棵最佳生成树，中继节点位于两棵树上，并选择可获得最佳性能（取决于所用的路由测度）的网关作为自己的缺省网关。

图4.5网关特定的生成树

4.2.4关键设计要素

影响WMN性能的关键设计要素概括如下：

（1）无线技术

近些年提出了多种提高无线系统容量及灵活性的方法，如有向和智能天线、多输入多输出（MIMO）系统、多无线电/多信道系统等。

为进一步提高无线通信的性能及高层协议对无线通信的控制能力，更先进的无线技术被应用到通信中，如可重配置无线电（reconfigurableradios）、频率敏捷/认知无线电（frequencyagile/cognitiveradios）、软件无线电（softwareradios）。

尽管这些无线技术尚在发展初期，但由于它们突出的动态控制能力而被认为是未来无线网络的平台。

这些先进的无线技术均要求高层协议进行革命性的设计，尤其是MAC层和路由协议。

（2）可扩放性

扩放性是对WMN的一个基本要求，否则当网络规模增大时性能会有极大下降，如路由协议可能找不到可靠的路径、传输层协议可能丢失连接、MAC层协议可能导致严重的吞吐量下降等。

为保证WMN的可扩放性，从MAC层到应用层的所有协议都必须是可扩放的。

（3）网状连接

WMN的许多优点来自于网状连接。

为确保可靠的网状连接，需要网络自组织和拓扑控制算法。

拓扑感知（topologyaware）的MAC协议和路由协议能够极大提高WMN的性能。

（4）宽带和QoS

不同于常规的移动自组网，WMN的大多数应用是具有不同QoS要求的宽带业务，因此除了端到端延迟和公平性之外，通信协议必须考虑更多的性能参数，如延迟抖动、集合吞吐量和每节点吞吐量、丢包率等。

（5）安全

尽管近些年来针对无线局域网已经提出了多种安全方案，但这些方案不能完全适用于WMN。

比如，由于采用分布式系统架构，WMN中没有一个集中式的认证权威可以分发公开密钥。

针对移动自组网而提出的安全方案可以用于WMN，但大多数这样的安全方案还不够成熟，而且由于移动自组网与WMN架构上的差异，这些方案应用到WMN中是低效的。

（6）易于使用

所设计的协议必须使得网络尽可能自治。

除此之外，需要开发网络管理工具来有效地维护WMN的运行、监视WMN的性能、配置WMN的参数。

这些管理工具以及网络协议中的自治机制允许人们快速部署WMN。

（7）兼容性和互操作性

在WMN中，同时支持常规用户和mesh客户是一个缺省的要求。

因此，WMN需要向后兼容常规客户节点，这要求mesh路由器能够集成异构无线网络。

5设备选型

5.1网络仿真软件PacketTracer的介绍

PacketTracer是Cisco公司开发的网络仿真工具软件，是一个用于设计，配置和解决复杂的基于CCNA层次的学习平台，媒体和仿真器，支持建立仿真、虚拟和活动网络模型，跟其他的仿真器一样，PT通过一组简化的网络设备和协议模型，真实的计算机网络保留和基准来了解网络行为和开发网络的技巧。

PacketTracer作为一个辅助学习工具，为学习网络课程的初学者去设计，配置、排除网络故障提供了网路模拟环境。

用户可以在软件的图形用户界面上直接使用拖拽方法建立网络拓扑，并可提供数据包在网络中行进的详细处理过程，观察网络实时运行情况。

5.2核心交换机

核心网络骨干交换机是宽带网的核心，应具备：

①高性能，高速第二、三层交换能力；把路由选择速度变为交换速度

②可扩展性，采用槽式机箱或具有堆叠能力；

③可升级和扩展，可配置高密度端口和大吞吐量扩展卡；

④高可靠性，冗余设计，部件易于更换

⑤强大的网络控制能力，提供QoS和网络安全，支持RADIUS、TACACS+等认证机制；

⑥良好的可管理性，支持通用网管协议，如SNMP、RMON、RMON2等。

5.3接入层交换机

5.3.1设备性能

网络边缘交换机构成用户接入网络，应具备：

①灵活性，提供多种固定端口数量搭配供组网选择，可堆叠、易扩展；

②支持千兆/百兆高速上连、高性能；

③价格便宜、使用方便、即插即用、配置简单；

④具备一定的网络服务质量和控制能力。

⑤支持VPN标准协议、端到端的QoS、支持多级别管理权限。

5.3.2电信宽带网对以太网交换机的特别要求

用户安全一般采用VLAN建立专用逻辑通路，电信以太网承载成千上万用户，管理员静态设置、管理同样数量的VLAN和路由，工作繁杂、不灵活，选用默认设置每端口一VLAN的交换机方便组网。

5.3.3组网容易忽略的问题

以太网接入方式价格极具竞争力，但组网容易存在急功近利、考虑不周，导致网络不能持续性发展的问题，包括传统局域网和广域网的范围：

①为减低成本采用共享式网络设备：

如用HUB或共享式交换机接入多个用户，使得同网段用户可通过网络侦听技术（sniffe）侦测到其他用户的数据。

②网络分段不理想，网络容易阻塞。

③交换机不支持多点组播协议，正常多媒体应用中不必要的数据包在网络上流动，占用其他用户的可用带宽。

④认证制度不完善，数据在传输过程被篡改，出现非法授权的访问、冒充合法用户、破坏数据完整性、网络传播病毒等。

6系统配置

6.1网络模型

图6.1是设想的网络场景：

每个MR配置有一个或几个无线接口，具有几个无线接口的MR可以同时在几个不重叠的信道上与相邻的MR通信（IEEE802.11a有12个，IEEE802.11b/g有3个），IGW通过无线链路与相邻MR通信，通过有线链路连接因特网。

图6.1一个WMN场景

将图6.1中多射频、多信道、多跳和基于架构的WMN抽象为一个无向图G=（V,E），其中V={v1,…,vn}是网络中n个节点（MR和IGW）的集合。

部署完成后，节点vi∈V的物理位置是固定的，用Xi表示，每个节点都有持续的电源供应。

在n个MR中，有m个是IGW，其余（n–m）个是普通的MR。

每个MR节点（vi）配置一组射频无线接口，用ρ（vi）={1,2,…,|ρ（vi）|}表示。

为了充分利用网络资源，同一个节点的不同射频接口配置在不同的信道上，从而可以同时收发。

假设IGW的有线连接及因特网带宽是无限的（与无线链路比较而言），且IGW成本比MR高。

一般而言，IGW的数量少于MR，即m<（n–m）。

为简单起见，假设MR用于骨干连接的射频传输距离均为Rtran。

集合CH={1,2,…,c}代表无线系统中c个不重叠的信道，比如，工作在5GHz的IEEE802.11a有12个，工作在2.4-2.5GHz的IEEE802.11b/g有14个。

信道i∈CH上可能的数据速率用wibit/s表示，比如，工作在2.4GHz的IEEE802.11b最高有11Mbps的容量，而802.11a/g信道最高支持54Mbps。

当且仅当两个节点（MR或IGW）之间的距离小于通信距离时，它们之间存在一条边（即可以通过将它们的射频频率调整到同一个信道进行通信）。

E={e1,…,ek}为边集，需要注意的是，两个相邻节点之间的无线连接（用一条边表示）可能由一条或多条无线链路组成。

在WMN中，每个MR都有从移动用户汇集流量的功能。

与一般移动自组网中流量在任意一对节点间随机产生不同，MR的流量主要都是去往网关或者从网关来的。

给定一个MRvi∈V，其流量可能包括两个部分：

1）本地因特网流量Tl（vi），由其服务区内的移动用户产生；2）中继因特网流量Tr（vi），为其它MR转发的流量。

本地流量可以看成是MR的流量需求，中继流量是由其它M