基于WiMAX技術(shù)的校園網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 提出了一種適用于校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的解決方案，該方案根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)，將CC1110無(wú)線傳感器模塊與WiMAX寬帶無(wú)線接入技術(shù)作為校園無(wú)線網(wǎng)接入的策略，針對(duì)其技術(shù)可行性、方案可實(shí)施性，校園全局網(wǎng)絡(luò)的具體建設(shè)等進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并且通過(guò)實(shí)地測(cè)試證明了該方案的性能更加優(yōu)越。
關(guān)鍵詞 無(wú)線校園網(wǎng)；WiMAX；無(wú)線傳感器技術(shù)；CC1110；基站

目前，我國(guó)大學(xué)校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)普遍使用無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)，基于802．11X標(biāo)準(zhǔn)，是集成電路技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它能滿足各類便攜設(shè)備的入網(wǎng)要求，能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)局域聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)端接入、圖文傳真等多種功能，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的變動(dòng)不會(huì)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(shè)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，更加突出的問(wèn)題是無(wú)論WLAN處于OFDM或是CCK調(diào)制技術(shù)功能，都處于“保護(hù)機(jī)制”模式下，該模式下每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須先做一次RTS／CTS交換，都將對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生較大的傳輸延時(shí)。正因?yàn)槿绱?，盡管目前WLAN在校園內(nèi)的普及率始終保持旺盛，但是校園網(wǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展迫切需要注入新的技術(shù)理念。
文中提出將德州儀器的CC1110無(wú)線傳感模塊與WiMAX這一寬帶無(wú)線接入技術(shù)作為校園無(wú)線網(wǎng)接入的策略，WiMAX基于IEEE802．16標(biāo)準(zhǔn)，是新一代的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。CC1110是基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型自適應(yīng)模塊，是WLAN與Adhoc網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)，兼具兩者的優(yōu)勢(shì)。WiMAX與CC1110兩種技術(shù)在校園網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用有效地彌補(bǔ)兩者的短板，實(shí)現(xiàn)了兩者功能的完美互補(bǔ)。通過(guò)將CC1110與WiMAX組網(wǎng)技術(shù)分布于復(fù)雜校園環(huán)境下的不同區(qū)域，有效地實(shí)現(xiàn)了大范圍校園環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)的帶寬流量與穩(wěn)定性。

1 WiMAX技術(shù)及應(yīng)用分析
IEEE于1999年設(shè)立802．16工作組，主要開(kāi)發(fā)固定寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE802．16標(biāo)準(zhǔn)，又被稱為“WiMAX技術(shù)”。WiMAX基于無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于高速移動(dòng)下的寬帶數(shù)據(jù)接入服務(wù)。與Wi—Fi、WLAN標(biāo)準(zhǔn)相比，WiMAX頻段適應(yīng)面更廣、伸縮性更強(qiáng)、擴(kuò)展性更強(qiáng)、覆蓋范圍更寬，同時(shí)支持QoS以及高安全性能策略都使其成為校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的理想接入方式。但是，從WiMAX自身技術(shù)上分析，存在一處缺陷，就是不能支持用戶在快速移動(dòng)過(guò)程中無(wú)縫切換，而無(wú)線傳感技術(shù)正好具有這個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)WiMAX這個(gè)缺陷。因此，盡管目前WiMAX在技術(shù)上仍有不成熟的地方，但通過(guò)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，把WiMAX無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為校園無(wú)線網(wǎng)接入策略在技術(shù)上不僅可行，而且優(yōu)勢(shì)明顯。

2 SmartRF CC1110無(wú)線傳感模塊分析
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是—種新型的無(wú)中心基站的高容量、高速率的分布式自組織寬帶無(wú)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在眾多無(wú)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(wú)線應(yīng)用而設(shè)計(jì)，電路可以設(shè)定在315、433、868和915 MHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))和SlID(短距離設(shè)備)頻率波段，同時(shí)也允許設(shè)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(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，通過(guò)開(kāi)啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，使性能相比CC1100得到大幅提升。網(wǎng)絡(luò)中的各CC1110節(jié)點(diǎn)均能收發(fā)和中繼數(shù)據(jù)，同時(shí)能夠自組網(wǎng)、自管理、自愈合，支持點(diǎn)到多點(diǎn)或多點(diǎn)到多點(diǎn)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(píng)估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的硬件支持。

3 校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于全局校園無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采用分級(jí)組網(wǎng)的模式，即采用雙層結(jié)構(gòu)，骨干網(wǎng)采用WiMAX技術(shù)，而在空曠場(chǎng)地或者校園偏僻韻WiMAX信號(hào)盲區(qū)采用傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，既可以保證校園網(wǎng)絡(luò)的高覆蓋性，同時(shí)又保證了校園網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(luò)結(jié)構(gòu)模式，以中心基站為核心，中心基站與各建筑屋頂?shù)倪h(yuǎn)端基站采用5．8 GHz頻段通信。而在校園內(nèi)的空曠場(chǎng)地中，則采用以無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)包圍無(wú)線傳感基站模式的無(wú)線傳感自組織網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)都工作在WOR(電磁波激活)模式，使用多跳方式來(lái)續(xù)傳其他節(jié)點(diǎn)的信息交換業(yè)務(wù)。根據(jù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想，可以有效地將整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個(gè)基站網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)基站都有自己的接入點(diǎn)服務(wù)。以校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)中心為源基站，使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向四周不同層次的交流空間擴(kuò)散，促進(jìn)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(shí)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(nèi)各建筑與中心信息基站之間的距離大部分都超過(guò)100 m，因此系統(tǒng)中心基站與各建筑群采用多模光纖來(lái)連接。根據(jù)固定WiMAX終端的硬件設(shè)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(luò)的構(gòu)建方案。該接入方式主要適用于滿足業(yè)務(wù)量相對(duì)集中的區(qū)域，同時(shí)該方式使用上行并發(fā)業(yè)務(wù)量介于3 Mbit·s-1與5 Mbit·s-1之間的服務(wù)區(qū)域與高校的日常業(yè)務(wù)量相契合。圖1所示為WiMAX校園骨干網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分布圖。