1.3 多跳网络与节能

蜂窝网络类似于传统的无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）是以单跳网络结构存在的，每个客户端均通过与基站相连的一跳无线链路来访问网络，用户间的相互通信都要首先访问一个固定的基站接入点。而在无线多跳网络（WMN，也称无线Mesh网络或无线网状网络）中，任何无线设备节点都可以同时作为接入点（Access Point，AP）和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。通过呈网状分布的大量无线接入点之间的互相协作，无线多跳网络每个节点都可以发送和接收信号，以多跳的形式，从源节点到目的节点形成多条冗余的通信路径，具有高带宽和高频谱效率优势。网络中每个节点可以与邻近节点进行通信，且都具备路由转发功能，因此无线多跳网络是一种动态自组织、自管理、自维护、自我平衡的智能网络。

在当今信息社会，互联网（Internet）服务已经与个人生活息息相关，传统的有线网络接入方式已不能适应人们随时随地要求能够连接网络的要求。此外，在一些大的自然灾害或突发事件面前，事故现场需要和外界更加频繁地进行信息沟通，选择一种部署快速、价格低廉、有效可靠的应急通信方式，是政府和机构面临的重要问题。无线局域网标准IEEE 802.11是低成本数据服务的首选解决方案。使用2.4 GHz和5 GHz的非授权频段是其成功的关键，因为监管部门对发射功率的限制，减小了WLAN在这些频段的覆盖范围。为了克服无线局域网单跳通信的限制，数据分组需要在多跳无线链路上传输，借此可以扩大无线网络的覆盖范围，因此产生了无线多跳网络。2004年IEEE 802.11S工作组已经制定了802.11标准的修订案，有效地解决了上述对多跳通信的需求问题。

无线多跳网络是一种新型的无线网络架构，作为Internet核心网的无线延伸，它可以看作是一种特殊的WLAN，由于WMN中不同功能的节点和网络配置形式，WMN为异构/融合网络的实现提供了一种新的途径。未来Internet所承载的内容将不再是简单的文字内容，而是对高带宽与实时性要求高的多媒体、视频会议等，因此对服务质量的保证提出了更高要求。底层链路质量的正确估计和MAC层多速率机制可以很好地保证 QoS 无线多跳网络能够支持多射频多信道技术，多信道分配技术是一个关键且具有挑战性的问题，协作、认知等物理层技术在传统无线 Mesh网络中的应用，既为无线Mesh网络注入了新的活力，也带来诸多需要解决的问题。

在协作传输系统中，当源节点发送数据时，由于无线信号具有广播特性，周围邻节点会收到源节点发送的数据，如果该邻节点满足一定条件，就可以作为协同中继帮助源节点转发该数据给目的节点。这样，不仅源节点发送数据信息，协同中继节点也需要发送，通过分布式传输来协作地发送同一数据信息，目的节点即可接收来自不同节点的信号，从而产生分集增益。特别地，若干个单天线系统通过协作形成一个虚拟的多天线系统，可以有效对抗路径衰落和阴影效应，进而提高无线链路的可靠性。另外，利用协作传输，在目的节点处的信号功率通过分集技术可以得到一定提高，干扰信号的功率则相应大大降低，所以WMN中每跳的传输功率会大大降低，有助于组成一个低功率的通信系统，符合绿色通信发展趋势[49,50]。

低功耗和高可靠性是协作传输系统的两个显著特征。低功率可缩小干扰范围，提高频谱的空间再用率；高可靠性可提高中继链路的容量、减低传输时延，增强QoS保障能力。因此，可以利用协作传输系统的这些特性来提升WMN的可扩展性。基于协作传输技术的WMN的研究主要集中在提高网络吞吐量、能量效率和路由性能等方面。例如Park等人[51]和Jaafar等人[52]研究MIMO技术对WMN网络吞吐量的贡献程度，Liu等人[53]在以MIMO为基础的WMN多跳路由中考虑每个节点的功率和带宽分配的最优化，并结合Lagrangian对偶分解和梯度投影等提出一种数学解决流程。Li等人[54]基于定向天线以提高路由中的链路容量等性能为主，Spyropoulos等人[55]基于定向天线主要提高能量效率等。Liu等人[56]对多天线无线Mesh网络中的比例公平调度（Proportional Fair Scheduling，PFS）进行了理论分析。

无线频谱资源的紧缺是制约当今无线通信持续发展的一个瓶颈。以往固定和缺乏灵活性的频谱分配方式越来越显示出其弊端，新的频谱规则和与之相适应的增强型无线电硬件迫切需要发展。作为一种智能的频谱共享技术，认知无线电（Cognitive Radio，CR）通过对授权频谱的“二次利用”，提高了目前短缺频谱资源的利用率，被称为目前最热门的无线技术之一。而无线多跳网络从某种意义上说，也是一种提高频谱利用率的技术，即通过多跳的形式缩短每跳的传输距离，从而降低发射功率减小干扰范围，有利于频谱资源的空间复用效率。为了适应更高吞吐量应用的需要，将 CR 技术与无线多跳网络相结合，可以进一步提高网络频谱的利用率，实现一种更灵活、更高速率、更广覆盖范围的网络。认知无线Mesh网络可以实现环境认知、异构融合功能，已经成为未来网络的候选方案之一。

认知无线多跳网络是指应用认知无线电技术，具备认知能力、可重配置和自组织等能力的一种无线多跳网络。认知多跳节点包括认知多跳路由器、认知多跳客户端等，通过本地或协作智能感知和处理周围频谱、功率等无线资源，获得周围频谱状态信息，通过重配置信道、调制方式、发射功率等参数，在保障通信质量的同时，以Overlay或Underlay的方式共享其他授权网络的频谱，并避免对授权网络产生干扰[57]。目前有关认知无线多跳网络的研究主要关注路由层和 MAC层等。黄联芬[58]设计了多种环境感知的无线多跳网络 MAC 层协议，并对协议性能进行了细致分析。Chowdhury等人[59]提出一种能利用周围无线环境流量信息估算给定信道和位置功率的方法，建立虚拟的空间和频谱域地图，从而在不修改现有无线多跳网络协议的前提下最优化分配信道。Haidar 等人[60]和 Song 等人[61]分别从结合功率分配和从公平角度对带宽分配问题进行了研究。Cheng 等人[62]提出一种频谱感知的按需路由协议（SORP），通过在路由发现和路由应答过程中传播自身的SOP（Spectrum Opportunity，频谱机会）信息和频段分配信息，最终建立空间距离较短、频谱切换可行的多跳路由路径。

下一代无线系统中的能效设计将更侧重于低能耗频谱感知、能量感知的媒体接入控制和绿色路由、异构网络中的能效资源管理、跨层设计与优化以及一些更广阔的相关开放话题，如同构网络中多蜂窝网络的能频均衡、高能效的资源管理博弈论模型、部分频谱复用技术、负载自适应技术等。