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。