基于WiMAX技術的校園網(wǎng)絡平臺設計與實現(xiàn)

摘要 提出了一種適用于校園無線網(wǎng)絡的解決方案，該方案根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡技術特點，將CC1110無線傳感器模塊與WiMAX寬帶無線接入技術作為校園無線網(wǎng)接入的策略，針對其技術可行性、方案可實施性，校園全局網(wǎng)絡的具體建設等進行了分析和設計，并且通過實地測試證明了該方案的性能更加優(yōu)越。
關鍵詞 無線校園網(wǎng)；WiMAX；無線傳感器技術；CC1110；基站

    目前，我國大學校園無線網(wǎng)絡普遍使用無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，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(chǎn)物。它能滿足各類便攜設備的入網(wǎng)要求，能實現(xiàn)計算機局域聯(lián)網(wǎng)、遠端接入、圖文傳真等多種功能，網(wǎng)絡各節(jié)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(fā)送一個數(shù)據(jù)幀都必須先做一次RTS／CTS交換，都將對數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)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(wǎng)的長遠發(fā)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(wǎng)接入的策略，WiMAX基于IEEE802．16標準，是新一代的無線網(wǎng)絡技術。CC1110是基于無線傳感網(wǎng)絡技術的新型自適應模塊，是WLAN與Adhoc網(wǎng)絡的融合技術，兼具兩者的優(yōu)勢。WiMAX與CC1110兩種技術在校園網(wǎng)的結合應用有效地彌補兩者的短板，實現(xiàn)了兩者功能的完美互補。通過將CC1110與WiMAX組網(wǎng)技術分布于復雜校園環(huán)境下的不同區(qū)域，有效地實現(xiàn)了大范圍校園環(huán)境下網(wǎng)絡的帶寬流量與穩(wěn)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(fā)固定寬帶無線接入系統(tǒng)標準，即IEEE802．16標準，又被稱為“WiMAX技術”。WiMAX基于無線城域網(wǎng)(WMAN)標準，主要用于高速移動下的寬帶數(shù)據(jù)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(wǎng)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(yōu)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(wǎng)絡技術的融合，把WiMAX無線網(wǎng)絡技術作為校園無線網(wǎng)接入策略在技術上不僅可行，而且優(yōu)勢明顯。

2 SmartRF CC1110無線傳感模塊分析
    無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network)是—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(fā)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(yè)、科學、醫(yī)學)和SlID(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(fā)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(wǎng)絡中的各CC1110節(jié)點均能收發(fā)和中繼數(shù)據(jù)，同時能夠自組網(wǎng)、自管理、自愈合，支持點到多點或多點到多點的數(shù)據(jù)傳送，為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、清晰信道評估、連接質量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。

3 校園無線網(wǎng)絡架構設計
    對于全局校園無線網(wǎng)絡，采用分級組網(wǎng)的模式，即采用雙層結構，骨干網(wǎng)采用WiMAX技術，而在空曠場地或者校園偏僻韻WiMAX信號盲區(qū)采用傳感網(wǎng)絡技術，既可以保證校園網(wǎng)絡的高覆蓋性，同時又保證了校園網(wǎng)絡信號的高帶寬。校園骨干網(wǎng)主要覆蓋固定建筑物，骨干網(wǎng)的WiMAX采用星形網(wǎng)絡結構模式，以中心基站為核心，中心基站與各建筑屋頂?shù)倪h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(jié)點包圍無線傳感基站模式的無線傳感自組織網(wǎng)絡，每個無線傳感節(jié)點都工作在WOR(電磁波激活)模式，使用多跳方式來續(xù)傳其他節(jié)點的信息交換業(yè)務。根據(jù)這個網(wǎng)絡架構思想，可以有效地將整個無線網(wǎng)絡劃分成若干個基站網(wǎng)絡，每個基站都有自己的接入點服務。以校園內的網(wǎng)絡中心為源基站，使無線網(wǎng)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(wǎng)的組建
    作為基于IEEE 802．16d的固定終端接入手段，WiMAX可以實現(xiàn)快速布網(wǎng)，并大大降低建網(wǎng)成本。目前，WiMAX的典型接入方式有8種，不伺的方式適用于不同的建網(wǎng)環(huán)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(tǒng)中心基站與各建筑群采用多模光纖來連接。根據(jù)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(+LAD)作為校園骨干網(wǎng)絡的構建方案。該接入方式主要適用于滿足業(yè)務量相對集中的區(qū)域，同時該方式使用上行并發(fā)業(yè)務量介于3 Mbit·s-1與5 Mbit·s-1之間的服務區(qū)域與高校的日常業(yè)務量相契合。圖1所示為WiMAX校園骨干網(wǎng)絡的結構分布圖。

    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 Ethemet)指在現(xiàn)有的以太網(wǎng)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(shù)據(jù)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(yōu)先級QoS(網(wǎng)絡服務質量)保證的CPE+AG業(yè)務，客觀上也擴展了移動網(wǎng)絡的覆蓋范圍；CPE的另一個優(yōu)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(wǎng)的核心內容是采用PHY作為空中接口規(guī)范，利用網(wǎng)關屏蔽下層網(wǎng)絡，從核心網(wǎng)收取數(shù)據(jù)傳輸給各個用戶站的基于以太阿協(xié)議的用戶，或者從用戶站的以太網(wǎng)用戶向遠端用戶發(fā)送信息請求。WiMAX基站系統(tǒng)的網(wǎng)絡層主要與兩個模塊進行數(shù)據(jù)交換：一個是Ethemet接收模塊；另一個是WiMAX系統(tǒng)的符合IEEE802．16e協(xié)議的MAC層。從Ethemet口接收的數(shù)據(jù)基本都是以太網(wǎng)幀，包括IP包和ARP包，這些包必須通過網(wǎng)絡層對其進行協(xié)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(xiàn)對大樓內的AP終端中繼控制。同時，在數(shù)據(jù)傳輸鏈路層中加入，ARQ機制，并且根據(jù)WiMAX協(xié)議提供實現(xiàn)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(wǎng)絡層的信息差錯，消除NLOS(蜂窩網(wǎng)絡非視線傳輸)造成的深衰減，大幅提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務吞吐量。另外，大樓的另一項關鍵技術是在WiMAX網(wǎng)絡布局過程中，為防止無線網(wǎng)絡正常運行中所發(fā)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(wǎng)絡的正常持續(xù)地運行。

5 校園樓宇內WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)結構
    校園WiMAX骨干網(wǎng)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(guī)劃也是WiMAX網(wǎng)絡設計的重要內容，經(jīng)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(wǎng)絡系統(tǒng)性能?；贠FDMA的骨干網(wǎng)系統(tǒng)，采用TDMA(時分多址)子信道來區(qū)分用戶，采用同頻組網(wǎng)可以有效地避免使用相同頻率的小區(qū)之間的嚴重干擾，降低網(wǎng)絡干擾，提高系統(tǒng)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(shù)來減少數(shù)據(jù)覆蓋盲區(qū)。圖2為本設計的“二層交換機+多個IAD接入”WiMAX網(wǎng)絡系統(tǒng)在教學樓中的應用。

    如圖2所示，根據(jù)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(xiàn)6～36等多種規(guī)格的POTS接口以及多路可保證業(yè)務由縣級的移動上網(wǎng)業(yè)務。該接入方式可以同時滿足用戶的VoIP語音和數(shù)據(jù)上網(wǎng)的需求，在樓宇內的WiMAX網(wǎng)絡結構布局中，還可以考慮將WiMAX與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡相結合的方式，比如采用緊耦合的模式與WiFi、3G網(wǎng)絡組網(wǎng)。利用現(xiàn)有網(wǎng)絡對移動性管理的支持，無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流需經(jīng)過現(xiàn)有網(wǎng)絡的核心網(wǎng)和RNC，同時共享AAA服務器，減少切換時延，保證無線網(wǎng)絡的無縫連接。

6 室外分布式無線傳感網(wǎng)絡組建
    校園室外網(wǎng)絡具有如下特點：節(jié)點頻繁快速移動，傳輸信息量大，實時性要求高，系統(tǒng)并不注重網(wǎng)絡初始化時間，而是更多關注于系統(tǒng)運行期間數(shù)據(jù)的可靠性和實時性。這樣的環(huán)境恰恰是WiMAX應用的短處，由于WiMAX對于節(jié)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(wǎng)絡可采甩自組織的無線傳感網(wǎng)絡模式。AP數(shù)據(jù)收發(fā)器采用CC1110無線傳感模塊，通過無線傳感網(wǎng)絡與ARM服務器基站進行數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，接收基站對無線傳感節(jié)點的命令，控制或者調節(jié)傳感節(jié)點的無線收發(fā)行為，保證校園傳感環(huán)境下的網(wǎng)絡暢通運行，體現(xiàn)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(wǎng)絡構建方案中，以圖1中WiMAX核心網(wǎng)中虛線框內的CPE所提供的E1／T1接口以及TD信號端實現(xiàn)與CC1110無線傳感模塊基站的硬件對接，以MCU的時鐘信號調節(jié)流控信號收發(fā)，以SIP(階段信令控制協(xié)議)作為通信控制協(xié)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(tǒng)，以Web服務器和客戶端瀏覽器為架構主體建立分布式現(xiàn)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)、屯源模塊、顯示模塊、復位模塊、串口TCP／IP以太網(wǎng)模塊、存儲模塊、CC1110無線射頻模塊和為了解決射頻發(fā)送距離近而設計的PA功放模塊。

    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(xiàn)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(shù)據(jù)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(tǒng)外設，S3C2440A芯片在實現(xiàn)高速率低功耗的同時減少總體系統(tǒng)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(xù)配置接口，負責數(shù)據(jù)輸出；CSn作為連續(xù)配制接口字，負責芯片的選擇；GD00是作為一般用途的數(shù)字輸出腳，它的功能為測試信號、FIFO狀態(tài)信號、時鐘輸出以及連續(xù)輸入TX數(shù)據(jù)；它與GD02承擔數(shù)字輸出功能，與GD00作用相類似；SI是數(shù)字輸入信號，作為連續(xù)配置接口承擔接收數(shù)據(jù)輸入的功能。CC1110裝備了內置的狀態(tài)機，可以用來在不同的操作狀態(tài)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(tài)激活，從而不需要S3C2440A的作用即能偵測到發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包。在WOR啟用的狀態(tài)下，在SWOR命令濾波被送到SPI接口后，當CSn被釋放后CC1110會進入體眠狀態(tài)，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(tài)。經(jīng)過一段RX中的可控時間，芯片返回休眠狀態(tài)，直至被WOR拉低喚醒。當TX開啟時，芯片將保持TX狀態(tài)直到當前數(shù)據(jù)包已被成功地發(fā)送。通過使用命令濾波，由MCSM1．TXOFF_MODE設置能自動地將CC1110從RX狀態(tài)轉變到TX狀態(tài)，若通信控制裝置當前處在發(fā)送狀態(tài)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(shù)傳數(shù)據(jù)字節(jié)分配
    室外無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)的前導被傳送完畢時，調制器開始發(fā)送設置于SYNC1與SYNC0寄存器中的同步詞匯，該字節(jié)提供傳入數(shù)據(jù)包的字節(jié)同步。接著發(fā)送由PKTCTRL0．LENGTH_CONFIG寄存器來設置，數(shù)據(jù)包長度應該定義為有效荷載數(shù)據(jù)，不包括長度字節(jié)和可選CRC校驗，PKTLEN寄存器用來設置RX中允許的最大數(shù)據(jù)包長度，任何長度字節(jié)值大于PKTLEN的接收數(shù)據(jù)包將被丟棄。然后，MCU開始處理裝置檢查目的地址，當?shù)芈毱ヅ鋾r才繼續(xù)進行接收。若自動CRC校驗檢查開啟，則數(shù)據(jù)包處理裝置計算CRC，并將它同附加CRC檢驗和相匹配。

    鑒于以上對數(shù)字化校園室外網(wǎng)絡的研究，無線傳感器網(wǎng)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(qū)域的無縫無線覆蓋。首先，選擇網(wǎng)狀網(wǎng)結構作為校園無線網(wǎng)絡的拓撲結構，每個節(jié)點都工作在電磁波激活模式，使用多跳方式來續(xù)傳其它節(jié)點的信息交流業(yè)務；其次，將整個校園室外無線網(wǎng)絡劃分成各個小區(qū)網(wǎng)絡，每個小區(qū)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(jù)校園所在的環(huán)境特點，以室外的無線控制集中器為中心，使無線傳感器網(wǎng)絡向四周不同層次的交流空間擴散，促進信息的高速傳播。無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)絡搜索路徑采用基于最小跳數(shù)的信息轉發(fā)協(xié)議，網(wǎng)絡內任何節(jié)點向集中器發(fā)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(qū)域分別組網(wǎng)的方式來對比WLAN與本方案的網(wǎng)絡性能指標，采用通用的Adhoc BSS組網(wǎng)模式，站點隨機分布在200 m×200m的教學樓與校園花園內，通過對動態(tài)的RF環(huán)境進行檢測，勘測整個RF環(huán)境是否存在影響無線傳輸性能的干擾，并且通過無線網(wǎng)絡的信道吞吐量檢測，考察無線AP的數(shù)據(jù)處理能力。監(jiān)測無線網(wǎng)絡流量情況并進行協(xié)議分析，分析WLAN與本方案內運行的協(xié)議種類，以及各種協(xié)議所占比例，查看是否有異常的協(xié)議和流量在運行。從而有效地量化用戶的無線網(wǎng)絡性能，為用戶提供調整浣善整個無線網(wǎng)絡的依據(jù)及方案。表1為本方案與WLAN通過校園組網(wǎng)實地測定后得出的參數(shù)對照表。從該表中可以清楚地分析出，對比WLAN組網(wǎng)，經(jīng)過本方案Wimax與CC1110傳感網(wǎng)絡的校園組網(wǎng)數(shù)據(jù)延時更短，吞吐量更高，數(shù)據(jù)丟包率更小，性能指標更趨于優(yōu)異。

    WiMAX技術與無線傳感網(wǎng)絡技術是在寬帶網(wǎng)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(wǎng)絡與WiFi相配合解決無線網(wǎng)絡的信號覆蓋問題到如今的無線傳感網(wǎng)絡與3G網(wǎng)絡混合組網(wǎng)實現(xiàn)寬帶城域網(wǎng)可以看出，WiMAX技術與無線傳感網(wǎng)絡技術憑借其技術優(yōu)勢，必將在未來有廣闊的發(fā)展前景。從組網(wǎng)的角度看，校園整體性無線網(wǎng)絡建設是一個相當復雜的系統(tǒng)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(wǎng)絡。