基于WiMAX技术的校园网络平台设计与实现

摘要 提出了一种适用于校园无线网络的解决方案，该方案根据无线传感器网络技术特点，将CC1110无线传感器模块与WiMAX宽带无线接入技术作为校园无线网接入的策略，针对其技术可行性、方案可实施性，校园全局网络的具体建设等进行了分析和设计，并且通过实地测试证明了该方案的性能更加优越。
关键词 无线校园网；WiMAX；无线传感器技术；CC1110；基站

    目前，我国大学校园无线网络普遍使用无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)，基于802．11X标准，是集成电路技术与无线通信技术相结合的产物。它能满足各类便携设备的入网要求，能实现计算机局域联网、远端接入、图文传真等多种功能，网络各节点的变动不会受线缆的制约。然而，802．11X却存在着大量难以避免的缺陷，除了覆盖范围较小，不支持QoS，安全性较差，建设周期长等缺点，更加突出的问题是无论WLAN处于OFDM或是CCK调制技术功能，都处于“保护机制”模式下，该模式下每发送一个数据帧都必须先做一次RTS／CTS交换，都将对数据传输产生较大的传输延时。正因为如此，尽管目前WLAN在校园内的普及率始终保持旺盛，但是校园网的长远发展迫切需要注入新的技术理念。
    文中提出将德州仪器的CC1110无线传感模块与WiMAX这一宽带无线接入技术作为校园无线网接入的策略，WiMAX基于IEEE802．16标准，是新一代的无线网络技术。CC1110是基于无线传感网络技术的新型自适应模块，是WLAN与Adhoc网络的融合技术，兼具两者的优势。WiMAX与CC1110两种技术在校园网的结合应用有效地弥补两者的短板，实现了两者功能的完美互补。通过将CC1110与WiMAX组网技术分布于复杂校园环境下的不同区域，有效地实现了大范围校园环境下网络的带宽流量与稳定性。

1 WiMAX技术及应用分析
    IEEE于1999年设立802．16工作组，主要开发固定宽带无线接入系统标准，即IEEE802．16标准，又被称为“WiMAX技术”。WiMAX基于无线城域网(WMAN)标准，主要用于高速移动下的宽带数据接入服务。与Wi—Fi、WLAN标准相比，WiMAX频段适应面更广、伸缩性更强、扩展性更强、覆盖范围更宽，同时支持QoS以及高安全性能策略都使其成为校园无线网络的理想接入方式。但是，从WiMAX自身技术上分析，存在一处缺陷，就是不能支持用户在快速移动过程中无缝切换，而无线传感技术正好具有这个优势，可以弥补WiMAX这个缺陷。因此，尽管目前WiMAX在技术上仍有不成熟的地方，但通过与无线传感网络技术的融合，把WiMAX无线网络技术作为校园无线网接入策略在技术上不仅可行，而且优势明显。

2 SmartRF CC1110无线传感模块分析
    无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是—种新型的无中心基站的高容量、高速率的分布式自组织宽带无线拓扑结构。在众多无线传感模块中，德州仪器的CC1110凭借超低成本低功耗的单片UHF收发器特性脱颖而出。CC1110为低功耗无线应用而设计，电路可以设定在315、433、868和915 MHz的ISM(工业、科学、医学)和SlID(短距离设备)频率波段，同时也允许设置为300～350 MHz、400～480 MHz和820～962 MHz的其他频率。
    CC1110的RF射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。该调制解调器支持不同的调制格式，通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，使性能相比CC1100得到大幅提升。网络中的各CC1110节点均能收发和中继数据，同时能够自组网、自管理、自愈合，支持点到多点或多点到多点的数据传送，为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。

3 校园无线网络架构设计
    对于全局校园无线网络，采用分级组网的模式，即采用双层结构，骨干网采用WiMAX技术，而在空旷场地或者校园偏僻韵WiMAX信号盲区采用传感网络技术，既可以保证校园网络的高覆盖性，同时又保证了校园网络信号的高带宽。校园骨干网主要覆盖固定建筑物，骨干网的WiMAX采用星形网络结构模式，以中心基站为核心，中心基站与各建筑屋顶的远端基站采用5．8 GHz频段通信。而在校园内的空旷场地中，则采用以无线传感节点包围无线传感基站模式的无线传感自组织网络，每个无线传感节点都工作在WOR(电磁波激活)模式，使用多跳方式来续传其他节点的信息交换业务。根据这个网络架构思想，可以有效地将整个无线网络划分成若干个基站网络，每个基站都有自己的接入点服务。以校园内的网络中心为源基站，使无线网络向四周不同层次的交流空间扩散，促进信息的高速畅通传播。

4 校园WiMAX核心网的组建
    作为基于IEEE 802．16d的固定终端接入手段，WiMAX可以实现快速布网，并大大降低建网成本。目前，WiMAX的典型接入方式有8种，不伺的方式适用于不同的建网环境。由于校园内各建筑与中心信息基站之间的距离大部分都超过100 m，因此系统中心基站与各建筑群采用多模光纤来连接。根据固定WiMAX终端的硬件设备能力，选用WiMAX客户端+AG、WiMAX客户端+WiFi+AP+WiFi终端(+LAD)作为校园骨干网络的构建方案。该接入方式主要适用于满足业务量相对集中的区域，同时该方式使用上行并发业务量介于3 Mbit·s-1与5 Mbit·s-1之间的服务区域与高校的日常业务量相契合。图1所示为WiMAX校园骨干网络的结构分布图。

    图中CPE(Customer Premise Equipment)即用户终端设备，是专门用来接收WiMAX信号的无线终端接入设备；POE(Power Over Ethemet)指在现有的以太网布线基础结构不作改动的条件下，既可为客户提供基于IP终端传输数据信号，同时还可为便携式设备提供直流供电技术。虚线框中采用高优先级QoS(网络服务质量)保证的CPE+AG业务，客观上也扩展了移动网络的覆盖范围；CPE的另一个优势在于同时也充当校园内各楼宇与中心基站的中继放大器，在放大电磁波功率的同时不增加噪声功率。校园无线WiMAX接入以太网的核心内容是采用PHY作为空中接口规范，利用网关屏蔽下层网络，从核心网收取数据传输给各个用户站的基于以太阿协议的用户，或者从用户站的以太网用户向远端用户发送信息请求。WiMAX基站系统的网络层主要与两个模块进行数据交换：一个是Ethemet接收模块；另一个是WiMAX系统的符合IEEE802．16e协议的MAC层。从Ethemet口接收的数据基本都是以太网帧，包括IP包和ARP包，这些包必须通过网络层对其进行协议识别和处理。校园内各楼宇内的CPE作为无线分支基站实现对大楼内的AP终端中继控制。同时，在数据传输链路层中加入，ARQ机制，并且根据WiMAX协议提供实现自适应天线阵(AAS)、MIMO和STC增强型天线技术的途径，用以减少网络层的信息差错，消除NLOS(蜂窝网络非视线传输)造成的深衰减，大幅提高系统的数据业务吞吐量。另外，大楼的另一项关键技术是在WiMAX网络布局过程中，为防止无线网络正常运行中所发生的各种意外，总基站的服务器与大楼内的关键设备还必须配置UPS电源，以保证校园WiMAX网络的正常持续地运行。

5 校园楼宇内WiMAX网络系统结构
    校园WiMAX骨干网主要的覆盖范围为校内的固定学习场所，在这些场合中主要解决AP的覆盖范围和AP的容量两大问题。同时，频率规划也是WiMAX网络设计的重要内容，经过对视距传播频段与非视距传播频段，综合考虑设计中的WiMAX采用OFDMA正交频分多址多载波调制技术来提高非视距传播下的网络系统性能。基于OFDMA的骨干网系统，采用TDMA(时分多址)子信道来区分用户，采用同频组网可以有效地避免使用相同频率的小区之间的严重干扰，降低网络干扰，提高系统容量，增强链路的校验强度。在合理地分析各AP的容量与覆盖面后，还需考虑信号衰减因素，适当增加AP个数来减少数据覆盖盲区。图2为本设计的“二层交换机+多个IAD接入”WiMAX网络系统在教学楼中的应用。

    如图2所示，根据IAD(集成接入设备)的具体配置可以针对VLAN进行具体划分，IAD通过FRAD(帧中继接入设备)与IPPBX(专用集成交换机)设备相连，进而实现6～36等多种规格的POTS接口以及多路可保证业务由县级的移动上网业务。该接入方式可以同时满足用户的VoIP语音和数据上网的需求，在楼宇内的WiMAX网络结构布局中，还可以考虑将WiMAX与现有无线网络相结合的方式，比如采用紧耦合的模式与WiFi、3G网络组网。利用现有网络对移动性管理的支持，无线网络数据流需经过现有网络的核心网和RNC，同时共享AAA服务器，减少切换时延，保证无线网络的无缝连接。

6 室外分布式无线传感网络组建
    校园室外网络具有如下特点：节点频繁快速移动，传输信息量大，实时性要求高，系统并不注重网络初始化时间，而是更多关注于系统运行期间数据的可靠性和实时性。这样的环境恰恰是WiMAX应用的短处，由于WiMAX对于节点频繁快速移动的弱支持，必须采用另外的技术来弥补该缺陷。因此，室外无线网络可采甩自组织的无线传感网络模式。AP数据收发器采用CC1110无线传感模块，通过无线传感网络与ARM服务器基站进行数据的收发操作，接收基站对无线传感节点的命令，控制或者调节传感节点的无线收发行为，保证校园传感环境下的网络畅通运行，体现覆盖范围最大化的覆盖原则来保证校园用户需求。

7 无线传感器基站体系结构
    分布式传感网络构建方案中，以图1中WiMAX核心网中虚线框内的CPE所提供的E1／T1接口以及TD信号端实现与CC1110无线传感模块基站的硬件对接，以MCU的时钟信号调节流控信号收发，以SIP(阶段信令控制协议)作为通信控制协议。硬件服务器基站采用嵌入式ARM平台，该ARM平台基于S3C2440A处理器、Fedora操作系统，以Web服务器和客户端浏览器为架构主体建立分布式现场的流控应用平台。无线传感基站的组成结构如图3所示。包括微处理器单元(MCU)、屯源模块、显示模块、复位模块、串口TCP／IP以太网模块、存储模块、CC1110无线射频模块和为了解决射频发送距离近而设计的PA功放模块。

    如图3所示，微处理器采用三星公司的S3C2440A芯片，该微处理器基于ARM920T内核，它的杰出特点是16／32位RISC处理器，实现了MMU、AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16 kB指令CACHE与16 kB数据CACHE，每个都由8 Byte长的行组成，通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A芯片在实现高速率低功耗的同时减少总体系统成本以及无需配置额外的组件。图中S3C2440A芯片以SPI模式对传感器模块CC1110进行控制，共有6条信号，其中，SCLK为时钟信号，负责调整MCU与CC1110的信号同步；GD01为连续配置接口，负责数据输出；CSn作为连续配制接口字，负责芯片的选择；GD00是作为一般用途的数字输出脚，它的功能为测试信号、FIFO状态信号、时钟输出以及连续输入TX数据；它与GD02承担数字输出功能，与GD00作用相类似；SI是数字输入信号，作为连续配置接口承担接收数据输入的功能。CC1110装备了内置的状态机，可以用来在不同的操作状态之间切换。当CHIP_RDYn引脚拉低时，内部功率增加序列完成，在CSn拉低后，可选的电磁波激活功能(WOR)使CC1110周期性地从深度休眠状态激活，从而不需要S3C2440A的作用即能侦测到发送过来的数据包。在WOR启用的状态下，在SWOR命令滤波被送到SPI接口后，当CSn被释放后CC1110会进入体眠状态，在WOR滤波使用前RC振荡器必须启用。在定时器终止后，芯片上的定时器将使CC1110再次进入空闲状态。经过一段RX中的可控时间，芯片返回休眠状态，直至被WOR拉低唤醒。当TX开启时，芯片将保持TX状态直到当前数据包已被成功地发送。通过使用命令滤波，由MCSM1．TXOFF_MODE设置能自动地将CC1110从RX状态转变到TX状态，若通信控制装置当前处在发送状态且SRX滤波正在使用，则当前传输将被终止，且向RX转换。

8 CC1110无线数传数据字节分配
    室外无线传感器网络的数据包格式如图4所示。前导是一个交互式的0、1序列，前导字节长度由MDMCF1．NU_PREAMBLE控制字可编程控制。当启用TX时，调制器开始传动前导，当控制字节的前导被传送完毕时，调制器开始发送设置于SYNC1与SYNC0寄存器中的同步词汇，该字节提供传入数据包的字节同步。接着发送由PKTCTRL0．LENGTH_CONFIG寄存器来设置，数据包长度应该定义为有效荷载数据，不包括长度字节和可选CRC校验，PKTLEN寄存器用来设置RX中允许的最大数据包长度，任何长度字节值大于PKTLEN的接收数据包将被丢弃。然后，MCU开始处理装置检查目的地址，当地职匹配时才继续进行接收。若自动CRC校验检查开启，则数据包处理装置计算CRC，并将它同附加CRC检验和相匹配。

    鉴于以上对数字化校园室外网络的研究，无线传感器网络可以采用多个无线传感基站，采用重叠交叉无线覆盖的方式，完成区域的无缝无线覆盖。首先，选择网状网结构作为校园无线网络的拓扑结构，每个节点都工作在电磁波激活模式，使用多跳方式来续传其它节点的信息交流业务；其次，将整个校园室外无线网络划分成各个小区网络，每个小区都有自己的基站接入点服务；再次，采用无线与有线相结合的方式。将多模光纤连接到移动用户终端集中的场所中；最后，根据校园所在的环境特点，以室外的无线控制集中器为中心，使无线传感器网络向四周不同层次的交流空间扩散，促进信息的高速传播。无线传感网络的网络搜索路径采用基于最小跳数的信息转发协议，网络内任何节点向集中器发送的信息都将沿着最短路径传送。

9 结束语
    实验采用校园内同一区域分别组网的方式来对比WLAN与本方案的网络性能指标，采用通用的Adhoc BSS组网模式，站点随机分布在200 m×200m的教学楼与校园花园内，通过对动态的RF环境进行检测，勘测整个RF环境是否存在影响无线传输性能的干扰，并且通过无线网络的信道吞吐量检测，考察无线AP的数据处理能力。监测无线网络流量情况并进行协议分析，分析WLAN与本方案内运行的协议种类，以及各种协议所占比例，查看是否有异常的协议和流量在运行。从而有效地量化用户的无线网络性能，为用户提供调整浣善整个无线网络的依据及方案。表1为本方案与WLAN通过校园组网实地测定后得出的参数对照表。从该表中可以清楚地分析出，对比WLAN组网，经过本方案Wimax与CC1110传感网络的校园组网数据延时更短，吞吐量更高，数据丢包率更小，性能指标更趋于优异。

    WiMAX技术与无线传感网络技术是在宽带网络IP化、移动化、宽带化的进程中逐渐壮大的。从最初的无线传感器网络与WiFi相配合解决无线网络的信号覆盖问题到如今的无线传感网络与3G网络混合组网实现宽带城域网可以看出，WiMAX技术与无线传感网络技术凭借其技术优势，必将在未来有广阔的发展前景。从组网的角度看，校园整体性无线网络建设是一个相当复杂的系统工程，需要全局考虑、细致分工布局，这样才能建设成一个真正满足需求的、可运营、可管理的无线校园网络。