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(diào)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(nèi)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(diào)制解調(diào)器。該調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。