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

无线上海的提出 宽带无线， 潮流？ 需求？ 领先一步，领先全程 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 with IP 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，无线路由节点，和超级节点三种类型 无线路由节点(Router Node or RN)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 超级节点(Super Node or SN)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

异构层次结构 Internet

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

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

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

世博无线网实验床（网络拓朴） 互联网 C1000 3G网 Catalyst 3750G SkyMax BS Catalyst 3750G SkyMax ST 1000M 5类线 100M 5类线 AP2620 AP2610 1000M 光纤 WiMax无线 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 Input 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 网络数据通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线信号在传送的过程中，为了避免发生干扰，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间不一致。为了避免数据不同步而无法重新组合，因此接收端有多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的数据重新组合，然后传送出正确且快速的数据流。由于传送的数据经过分割传送，不仅单一数据流量降低，可延长传送距离，而且还拓展了天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以加快既有无线网络频谱的数据传输速度，而且又不用额外占用频谱，更重要的是，还能延长信号接收距离。

全向天线 v.s.有向天线 被干扰 不受干扰 A B 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，就是由许多辐射单元排成阵列形式构成的走向天线，各单元之间的辐射能量和相位关是可以控制的。典型的相控阵是利用电子计算机控制移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，即电子扫描，简称电扫。相位控制可采用相位法、实时法、频率法和电子馈电开关法。在一维上排列若干辐射单元即为线阵，在两维上排列若干辐射单元称为平面阵。辐射单元也可以排列在曲线上或曲面上．这种天线称为共形阵天线。共形阵天线可以克服线阵和平面阵扫描角小的缺点，能以一部天线实现全空域电扫。通常的共形阵天线有环形阵、圆面阵、圆锥面阵、圆柱面阵、半球面阵等。

相控阵天线

相控阵天线 Rooftop Wireless Base Station （from Vivato） 相控阵天线产品 雷达的相控阵天线安装在狭窄的 机头空间内（俄 “大黄蜂”） Rooftop Wireless Base Station （from Vivato） 相控阵天线产品

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

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）

SCSI 1 3 2 interface channel

MCSI interface channel 1 channel 2

MCMI interface channel 1 channel 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

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 3G 802.15.4 与WiMax接口所必需 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 餐饮行业，我们首先通过构建一个方便的手机界面，并采取一系列激励措施鼓励用户自发提供当前的餐馆信息，后台对这些采集到的实时信息进一步加工处理，然后由一个统一的信息平台发布。其他用户就可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个饭店的当前顾客情况，如当前顾客数、还可以容纳的顾客数、等待时间、当前的特色饮食等，另外如果与交通网格联系起来，可以得出从当前位置到达该饭店的路线以及时间，此时用户就可以根据实际情况做出何处就餐的决定并能获得去某处就餐所需的总时间。 而医疗行业，采用类似的信息采集系统，用户可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个医院的当前情况，病房系统，包括各类床位使用情况、医疗设备使用情况、值班医务人员；对医院门诊系统，包括当前门诊人数、门诊医生情况等。该服务可以方便病人就近及时得到治疗，避免等待时间，在紧急情况下具有重大实用意义。

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 有线等价保密(WEP)协议是对在两台设备间无线传输的数据进行加密的方式，用以防止非法用户窃听或侵人无线网络。它设计初衷是使用无线协议为网络业务流提供安全保证，使得无线网络的安全达到与有线网络有同样的安全等级。WEP采用的是一种对称的方式，即对于数据的加密和解密都使用同样密钥和算法。 密钥管理 802.11标准提出两种使用WEP密钥的方法。第一种方法提供了一个4个密钥的窗口，终端或AP能够使用任何一种密钥来解密数据包。然而，在传输数据时，只能手动输人1个密钥— 默认密钥。第二种方法叫做密钥映射表。这个方法规定每个唯一的MAC地址都有1个单独的密钥。根据802.11的规范，密钥映射表的大小至少包含10个条目，最大的容量则取决于芯片的设置。每个用户使用各自单独的密钥可以减少密码攻击的可能性，但是实施一个合理的密钥周期仍然是一个问题，因为密钥只能手动改变。

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 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 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 政府功能 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 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 … 餐饮行业，我们首先通过构建一个方便的手机界面，并采取一系列激励措施鼓励用户自发提供当前的餐馆信息，后台对这些采集到的实时信息进一步加工处理，然后由一个统一的信息平台发布。其他用户就可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个饭店的当前顾客情况，如当前顾客数、还可以容纳的顾客数、等待时间、当前的特色饮食等，另外如果与交通网格联系起来，可以得出从当前位置到达该饭店的路线以及时间，此时用户就可以根据实际情况做出何处就餐的决定并能获得去某处就餐所需的总时间。 而医疗行业，采用类似的信息采集系统，用户可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个医院的当前情况，病房系统，包括各类床位使用情况、医疗设备使用情况、值班医务人员；对医院门诊系统，包括当前门诊人数、门诊医生情况等。该服务可以方便病人就近及时得到治疗，避免等待时间，在紧急情况下具有重大实用意义。

应用范例（一） 交通信息发布系统 餐饮行业，我们首先通过构建一个方便的手机界面，并采取一系列激励措施鼓励用户自发提供当前的餐馆信息，后台对这些采集到的实时信息进一步加工处理，然后由一个统一的信息平台发布。其他用户就可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个饭店的当前顾客情况，如当前顾客数、还可以容纳的顾客数、等待时间、当前的特色饮食等，另外如果与交通网格联系起来，可以得出从当前位置到达该饭店的路线以及时间，此时用户就可以根据实际情况做出何处就餐的决定并能获得去某处就餐所需的总时间。 而医疗行业，采用类似的信息采集系统，用户可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个医院的当前情况，病房系统，包括各类床位使用情况、医疗设备使用情况、值班医务人员；对医院门诊系统，包括当前门诊人数、门诊医生情况等。该服务可以方便病人就近及时得到治疗，避免等待时间，在紧急情况下具有重大实用意义。

应用范例（二） 老人照顾 Residential cluster with pervasive sensors Locator badges 餐饮行业，我们首先通过构建一个方便的手机界面，并采取一系列激励措施鼓励用户自发提供当前的餐馆信息，后台对这些采集到的实时信息进一步加工处理，然后由一个统一的信息平台发布。其他用户就可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个饭店的当前顾客情况，如当前顾客数、还可以容纳的顾客数、等待时间、当前的特色饮食等，另外如果与交通网格联系起来，可以得出从当前位置到达该饭店的路线以及时间，此时用户就可以根据实际情况做出何处就餐的决定并能获得去某处就餐所需的总时间。 而医疗行业，采用类似的信息采集系统，用户可以使用互联网、手机或是PDA实时查询当前某处某个医院的当前情况，病房系统，包括各类床位使用情况、医疗设备使用情况、值班医务人员；对医院门诊系统，包括当前门诊人数、门诊医生情况等。该服务可以方便病人就近及时得到治疗，避免等待时间，在紧急情况下具有重大实用意义。 Locator badges

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 天线 软定义无线电 路由器+多个无线接入点（AP） 集成为小型的节点盒 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。