无线上海 W ireless S hanghai

无线上海Wireless Shanghai

伍民友

上海交通大学

提纲 背景及特点 体系结构 关键技术 应用及服务 展望

提纲 背景及特点 体系结构 关键技术 应用及服务 展望

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。

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。

Tropos Wifi Mesh

Chaska 案例 250 AP 其中 40 个 gateway

s 17 平方英里 2000 个家庭用户 >1M 带宽 2004 年度建成 US$ 535,000 预算

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

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

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

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

荷叶与青蛙的比喻

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

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

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

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

提纲 背景及特点 体系结构 关键技术 应用及服务 展望

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

第一代网格（ Mesh）Internet

Wireless Mesh

Backbone

Mesh Router

Mesh RouterMesh Router

Mesh Router

Mesh Router

Mesh Router with IPMesh Router with IP

Mesh Router

Wireless Clients

Mesh 网的问题 可伸展性 可扩展性 网络流量问题

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

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

SN

SNSNSN

SN

HN HN HN

异构层次结构

Internet

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

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

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

WiFi-WiMax 结构

Internet

SNSN

SSSS SS

WiMaxTowerWi MaxTower

SN

SN SN

世博无线网实验床

SkyMax BS

SkyMax ST

规划区域

Dectector

世博无线网实验床（网络拓朴）

1000M 5类线100M 5类线1000M 光纤

互联网

C1000SkyMax BS

SkyMax ST

AP2610AP2620

Catalyst 3750G

Catalyst 3750G

WiMax 无线

3G 网

802.11 无线

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

无线上海

提纲 背景及特点 体系结构 关键技术 应用及服务 展望

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

扩大覆盖范围 MIMO （ Multiple Inp

ut Multiple Output）

有向天线

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

被干扰

A

B

不受干扰

全向天线 v.s. 有向天线

A

B

有向天线 平板天线 碟形天线 抛物柱面反射器天线

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

相控阵天线

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）

扇形天线 (Sectorized Antennas)

扇形天线

增加网络流量 多信道多界面 更有效的 MAC

更有效的路由

单信道单界面（ SCSI） 多信道单界面（ MCSI） 多信道多界面（ MCMI）

信道与界面

interface

channel

1

23

SCSI

MCSI

interface

channel 1channel 2

MCMI

interface

channel 1channel 2

channel 3

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

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

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

与有向天线的配合设计 有向天线的 MAC 设计 多信道有向天线的 MAC 为发送接收双方均是相控阵天线

设计的 MAC 为扇形天线设计的 MAC

与其它标准的接口 802.16

与WiMax 接口所必需 3G

与移动电话系统接口，支持双模手机在上海无线网格上实现 VoIP

802.15.4与传感器网络和小型设备接口

安全与隐私访问控制：访问控制确保敏感的数据仅由

获得授权的用户访问保密性：确保传送的数据只被目标接收人

接收和理解

无线对安全造成的影响共享无线介质导致信息很容易被监听缺少体系结构的支持 网络拓扑的动态变化 安全攻击

发布虚假的路由更新信息，修改路由表故意将数据包转发到错误的目的地滥用 802.11MAC 的规避以及 NAV

研究问题分布式的密钥管理嵌入安全机制的路由以及 MAC协议攻击检测机制

业务模型 收费还是免费？ 网络服务与增值业务企业网及高端综合性服务 无线网格上的语音服务（ VoIP)

很少的资本投资就可提供很低成本的语音服务；功能增加与捆绑营销使用户更愿意使用无线宽带

业务模型 中国拥有世界上最大的移动通讯用户群

Wi-Fi 无线宽带和 3G 或 2.5G 技术相集成 提供高速数据接入和语音服务

无线运营商：双模式的手机和设备将有助于加快移动数据市场的发展

固线运营商：为小灵通 (PAS)配套的移动数据业务，形成业务自然延伸

WiFi手机

影响业务模型的因素受业务类型的影响受用户行为的影响受资费的影响

提纲 背景及特点 体系结构 关键技术 应用及服务 展望

典型应用 互联网接入 分布式存储备份 视频点播 社区网 监控 实时信息采集 无线服务提供

应用及服务实时信息采集

提供如交通信息、餐饮服务信息、医疗信息、旅游信息、新闻、票务等实时信息查询服务

政府功能市民可以连通“无线市民信箱”，使市各管理

部门第一时间掌握民意，做出正确决策无线网格网上投票…

应用范例（一） 交通信息发布系统

应用范例（二） 老人照顾

Locator badges

Residential cluster with pervasive sensors

增值服务 无线上海网络还可以提供更多的信息增值

服务，典型应用如：在公交车站或地铁等车的人们拿出手机通过宽

带无线网格搜索资料、和朋友交谈，线上学习或视频点播

路过银行、餐馆，电信营业厅时，使用手机可查询到当前的服务动态；用户可以在线上预约后先进行其他事务的处理，使自己的时间安排更趋于合理化

无线上海的实现 需要计算机、电子、无线电、半导体、自动化、仪器仪表各方面的全力合作

需要工业界的大力支持 国际合作吸引工业界和风险投资资金从小型实验床开始逐步推广到整个上海

无线上海的关键技术 多界面

路由器 + 多个无线接入点（ AP）集成为小型的节点盒

天线现有的 MIMO 和有向天线研制为无线网格使用的专用天线包括相控阵天线

软定义无线电 使用软定义无线电芯片研制基于 LINUX 的软定义无线电研制自己的软定义无线电芯片

展望 宽带无线是一个新兴的领域，它将改变当今网络世界的现状，为亿万人民提供崭新的服务。

它使人们能够随时随地“无限”上网，在所有市民彼此之间以及和管理部门之间通过网络连成一体，促进商务、休闲与网络、通讯等关联产业发展。

“ 无线”发展无限量，宽带无线上海将大大缩短人们与网络资源之间的距离，让人们能够随时随地访问网络中各种各样的资源，加速上海“数字城市”建设的进程。