无线上海 W ireless S hanghai

1. 无线上海Wireless Shanghai 伍民友 上海交通大学

2. 提纲 • 背景及特点 • 体系结构 • 关键技术 • 应用及服务 • 展望

3. 提纲 • 背景及特点 • 体系结构 • 关键技术 • 应用及服务 • 展望

4. 背景 • 2004年8月，阿姆斯特丹宣称建立欧洲第一个城域Wi-Fi无线网络，人们届时就可以在这个城市的任何角落进行无线上网。 • 2004年9月，费城官员宣布出资1000万美元在费城安装Wi-Fi网络节点，在街灯和其他设备上安装接入单元。并称这项服务将是免费的，或者收费很低。 • 2004年年底，“无线台北”计划推出，要让272平方公里的台北成为“只要有空间，就能上网”的城市。 • 纽约，旧金山，耶路撒冷最近都纷纷计划全城范围的Wi-Fi网络部署，为用户提供无线宽带接入。

5. 背景 • 2004年6月EZ Wireless宣布在美国Oregon乡村地区构建了该区域最大的无线宽度网络,覆盖600平方英里13200人口，使用35个路由器以及75个天线。 • 2004年7月，美国新墨西哥州Rio Rancho使用mesh技术将整个城市变成宽带热区，覆盖130平方英里涉及60000人口，使用了500个路由器。 • 2005年10月，Google 递交了一份关于在旧金山全城范围内提供免费无线高速互联网接入服务的提案,计划提供免费无线服务，可能通过在线广告获得资金支持。

6. Tropos Wifi Mesh

7. Chaska案例 • 250 AP • 其中40个gateways • 17平方英里 • 2000个家庭用户 • >1M带宽 • 2004年度建成 • US$ 535,000预算

8. 无线上海的提出 • 宽带无线， 潮流？ 需求？ • 无线宽带技术不以人的意志为转移的方式高速发展 • 随着越来越多的发达城市投入资金开始组建宽度无线网络，我们不能不承认这已不只是潮流这么简单 • 市场引导了需求，需求的深化决定了技术的走向 • 在这种趋势下，我们应时之需提出无线上海的概念 • 领先一步，领先全程

9. 什么是无线上海 • 使用无线网格技术（也叫wireless mesh）建立无线城域网 • 包括一系列自主创新的方法和技术 • 给上海市政府和市民提供无处不在的宽带无线服务 • 成为上海市的重要基础设施之一，为众多其它设施提供无线接入

10. 第一代无线接入技术 • 无线接入热点 • 覆盖范围小 • 不是任意地点都可接入热点 • 难以提供全城域的覆盖

11. 第二代无线接入技术 • 以天线增大覆盖范围 • 以网格消除死点 • 第一代无线网格技术 • 无线建网技术，不仅是接入技术

12. 荷叶与青蛙的比喻

13. 第一代无线网格技术的问题 • 网格的可扩展性 • 可能的解决方法 • 具远距传输能力的异构网 • 多信道多界面的MAC和路由技术

14. 第二代无线网格技术 • 无线网格的新技术--- 高效、高能 • MIMO技术和有向天线技术 • 微型化的可适应相控阵天线 • 软定义无线电（可程序化无线） • 相应的MAC, 信道分配，界面调度和路由技术

15. 无线上海 • 定位为第二代无线网格技术 • 覆盖范围大，可扩展性高 • 部署快捷，成本低 • 数据传输速率高 • 使用最先进的无线网格技术 • 使用自行开发的天线、MAC和路由技术

16. 技术亮点及先进性 • 多信道多界面的MAC和路由技术 • 有向天线的MAC技术 • 合并优化上述技术 • 远高于当今技术水准的空间复用效率 • 高网络流量—提高一个数量级 • 高可靠性

17. 提纲 • 背景及特点 • 体系结构 • 关键技术 • 应用及服务 • 展望

18. 固定无线结构 (Fixed Wireless) • 无线网格是一种全无线的网络，采用多跳的方式传送数据 • 无线路由器和接入点都是静态的，而用户终端可以是动态的 • 稳定的无线路由器的特性使网络具有较高的性能和可扩展性 • 具有自管理的特性

19. 第一代网格（Mesh） Internet Wireless Mesh Backbone Mesh Router with IP Mesh Router with IP Mesh Router Mesh Router Mesh Router Mesh Router Mesh Router Mesh Router Wireless Clients

20. Mesh网的问题 • 可伸展性 • 可扩展性 • 网络流量问题

21. 解决方法 • 可扩展的异构层次结构 • 新型天线技术和软定义无线电 • 多信道多界面的MAC，信道分配，界面调度和路由技术

22. 异构层次结构 • 以分层的异构模式组织无线节点 • 节点被分为普通节点，超级节点，和远距节点三种类型 • 超级节点(Super Node or SN)是固定的、相对可靠的节点，有足够的功率提供路由，及足够的存储空间提供高级服务 • 远距节点(Hyper Node or HN)可以长距离传输信号 • 若干超级节点和远距节点 与互联网连接，为用户提供互联网的入口

23. 异构层次结构 Internet

24. 异构层次结构的优点 • 这种异构的体系结构突破了以往的多跳自组网（Ad hoc network）的限制，大大地提高了无线网的扩展性 • 仅有少数互联网接入点，具有覆盖范围大、部署快捷以及成本低的优势，使构造城区范围内宽带无线网格的设想成为可能

25. 异构层次结构的实现困难 • 远距节点用WiFi实现 • 使用天线可增加通讯距离（10 – 30 公里） • Unlicensed信道 --- 有限功率，干扰，不可靠的通讯 • 另一种解决方案：使用WiMax

26. WiFi＋WiMax结构 • 802.16的物理和MAC层适用于长距离无线通信，因此802.16可用来连接远距节点，增强网络的覆盖范围、容量及可扩展性 • 需要一个连接802.16的SS（ Subscriber Station ）与802.11的无线路由器的界面 • WiMax的基站(BS)之间可以无线连接 • WiMax的SS之间可以组无线网格

27. WiFi-WiMax结构 Internet

28. 规划 区域 世博无线网实验床 SkyMax BS SkyMax ST Dectector

29. 世博无线网实验床（网络拓朴） 3G网 互联网 Catalyst 3750G SkyMax BS C1000 Catalyst 3750G SkyMax ST 1000M 5类线 100M 5类线 AP2620 AP2610 1000M 光纤 WiMax无线 802.11无线

30. 世博无线网实验床的局限性 • 使用西门子的设备 • WiMax价格昂贵，不能直接连接终端用户WiFi设备 • 无Mesh功能 • 全WiFi价格低廉，易实现

31. 无线上海

32. 提纲 • 背景及特点 • 体系结构 • 关键技术 • 应用及服务 • 展望

33. 关键问题 • 扩大覆盖范围 • 增加网络流量 • 安全与隐私 • 商业模型

34. 扩大覆盖范围 • MIMO （Multiple Input Multiple Output） • 有向天线

35. MIMO（多入多出技术） • MIMO利用多天线抑制信道衰落 • 能够在空间中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流 • 能够有效地提高系统的传输速率，在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率

36. 被干扰 不受干扰 B B A A 全向天线 v.s.有向天线

37. 有向天线 • 平板天线 • 碟形天线 • 抛物柱面反射器天线

38. 相控阵天线 • 相控阵天线系统具有轮廓低、重量轻、效率高、宽角扫描性能好等特点 • 采用相控阵天线技术，获得窄波束发射和接收，提高天线的增益，使被探测目标得到了强的有效激励，增强目标回波信号

39. 相控阵天线

40. 超级节点的天线选择 • 必须覆盖一个区域 • MIMO （200 – 300 米） • 相控阵天线 （Vivato, 1公里），价格昂贵 • 扇形天线（数公里）

41. 扇形天线(Sectorized Antennas)

42. 扇形天线

43. 增加网络流量 • 多信道多界面 • 更有效的MAC • 更有效的路由

44. 信道与界面 • 单信道单界面（SCSI） • 多信道单界面（MCSI） • 多信道多界面（MCMI）

45. 1 channel 3 2 SCSI interface

46. MCSI interface channel 1 channel 2

47. MCMI interface channel 1 channel 2 channel 3

48. 多信道多界面 • 利用多个信道和多个界面同时通信以扩展系统容量 • 关键问题： • 最小信道数: 在给定的流量模式、结点密度以及界面个数时，确定保障通信所需最少信道个数 • 最优界面数: 指定信道个数时，所需的最优界面个数

49. 多信道多界面中的MAC和路由设计 • 减少干扰，控制拥塞 • 目前尚无有效的MAC和路由方法 • 关键问题： • 多界面无冲突MAC：建立和管理干扰图 • 路由设计：分散流量，避免拥塞 • 自配置路由：路由自动配置，加入主干网

50. 信道分配和界面调度 • 单界面下的信道分配 • 多界面下的信道分配 • 多界面的调度 • 静态信道分配 vs. 动态信道分配 • 静态界面调度 vs. 动态界面调度