1 光與無線融合的發展趨勢
隨著Internet業務、網絡電視(IPTV)和點播等交互式多媒體業務的高速發展，無線通信系統已經由傳統的單一語音業務階段發展為多業務階段[1]。在業務的高速增長的趨勢下，核心網積極引進先進的技術，包括IP over ATM、IP over WDM、400 Gb/s波分系統等，呈現智能化、寬帶化和光纖化的發展趨勢；另一方面，用戶終端性能的發展也十分迅猛，智能手機等終端迅速普及，各種便捷、新穎、廉價的移動應用層出不窮。用戶迫切需要在任何時候、任何地點能夠獲取任何媒體的簡單、可靠而又相對低廉的無線通信服務。同時，用戶駐地網的帶寬和支持能力也大大提高。核心網和移動終端的迅速發展趨勢，對處于兩者中間的接入網提出了較高的要求。能否利用有效的方案搭建高速、便捷、多業務的“最后一公里”接入網，是今后移動通信技術發展的關鍵。光纖接入與無線接入是目前較為有效的接入方案。
光接入網與無線接入網最初是對應于不同的通信目的和市場情景所建立起來的。光接入網的帶寬高、損耗低，對電磁干擾具有較好的抵御能力，是長距離通信有效的方案；無線接入網具有較高的靈活性與移動性，能夠實現無處不在的信息接入，為用戶提供更便捷的服務。在骨干光網絡趨于飽和的情況下，接入網的巨大市場必然會成為各大運營商的必爭之地。因此，為了提供充足的接入帶寬、靈活的組網方式以及良好的服務質量，光與無線融合，使接入網同時具備高帶寬和支持移動性的兩大優勢，是電信業的必然趨勢。光無線混合寬帶接入網(HOWBAN)應運而生。
HOWBAN將寬帶無線通信的移動性、點對點等優點與光纖通信帶寬巨大、可靠性高的優點有機地結合起來，為解決長距離、低成本、大容量的無線信號的傳輸以及超寬帶無線接入提供了理想的方案。
2 光無線混合寬帶接入網
HOWBAN主要由前端的無線接入網與后端的光接入網組成[2]。其中，無線接入技術包括：蜂窩網絡、Wi-Fi、WiMAX等。Wi-Fi是基于IEEE 802.11 a/b/g/n標準的一種較為通用的無線技術，一般使用2.4 GHz或5 GHz頻段，廣泛應用于無線局域網。WiMAX基于IEEE 802.16標準，具有相對Wi-Fi技術更高的傳輸速率和更廣的覆蓋范圍，具有服務質量(QoS)保障、傳輸速率高、業務豐富多樣等優點，與3G技術的融合趨勢越來越強，在城域網的搭建中具有價值。而當前的光接入技術主要為無源光網絡(PON)。PON不包含任何有源電子器件，全部由光合路器、光分路器、光耦合器等無源器件構成，是一種節能、健壯、易于維護的點對多點(P2MP)的網絡。PON又可分為以太網無源光網絡(EPON)、千兆比無源光網絡(GPON)、寬帶無源光網絡(BPON)等[3]。
2.1 典型網絡結構
HOWBAN的一種典型的網絡結構[4]如圖1所示。光網絡采用標準的PON結構，可采用TDM-PON、WDM-PON或WDM/TDM-PON技術。在PON中，中心端局(CO)中設置有多個光路終端(OLT)。各個OLT 通過光纖和光分路器與多個光網絡單元(ONU)相連。在無線網絡部分，每個ONU與多個無線路由器連接，其中與ONU直接相連的無線路由器成為網關。因此，HOWBAN前端無線網絡部分實質上為由多個無線路由器和少數網關組成的無線網狀網(WMN)。該WMN采用標準化的技術。此外，由于ONU與中心局距離較遠，能夠在較小范圍內進行頻譜再利用，支持大量用戶高帶寬的需求[5]。
CO：中心端局
HOWBAN：光無線混合寬帶接入網
OLT：光路終端
ONU：光網絡單元
圖1 HOWBAN典型的網絡結構
2.2 上行/下行傳輸
用戶使用無線設備，發送數據到某個無線路由器。該路由器將數據注入WMN中，然后通過多跳傳輸到達網關節點，再通過光纖到達OLT/CO，最終進入互聯網。該結構的上行/下行傳輸方式如圖2所示。在HOWBAN前端無線網絡的上行方向，即從用戶端到ONU/網關方向，用戶能夠提供它的數據到任意一個網關，屬于任播(Anycast)的方式；其下行方向，即從ONU/網關到用戶方向，采用單播(Unicast)方式。而在HOWBAN后端的光網路部分的上行方向，即從ONU到OLT使用多點控制協議，共享上行資源，避免沖突；下行方向，即從OLT到ONU的方向，采用廣播的方式，發送一特定的分組會到達全部的ONU，但僅僅是目的ONU接受此數據，其余的ONU將丟棄此數據。
HOWBAN：光無線混合寬帶接入網
OLT：光路終端
ONU：光網絡單元
PON：無源光網絡
WMN：無線網狀網
圖2 HOWBAN上行/下行傳輸方式
2.3 GROW-Net網絡結構
除了上述典型的結構，一種稱為GROW-Net[6]的網絡結構越來越受到學術界的關注，如圖3所示。該網絡結構的無線網絡部分依然采用多個無線路由器和網關構成的無線網狀網結構；后端光網絡則由一個光纖環路和多個樹形結構組成。樹形網絡的根節點OLT組成一個環狀網絡，葉節點ONU/網關與無線路由組成前端無線網絡。上行方向，用戶數據經過多跳傳輸到達ONU/網關節點，再經過樹形光網絡到達OLT，接著通過環形光纖到達CO，再進入互聯網。下行方向，數據經過環路到達相應OLT，再傳輸至ONU/網關節點，然后經過無線路由器到達用戶端。值得注意的是，該網絡的傳輸路徑將隨網絡鏈路狀態的更新而更新，具有良好的自愈能力。
CO：中心端局
HOWBAN：光無線混合寬帶接入網
OLT：光路終端
ONU：光網絡單元
圖3 HOWBAN的GROW-Net結構
3 光無線混合寬帶接入網的傳輸協議
HOWBAN建立以后，為了保證高效的數據傳輸，減少數據的傳輸時延，需要制訂有效的傳輸協議。由于HOWBAN前端和后端網絡差異較大，需要分別針對前端和后端網絡的特性制訂有效的協議。
3.1 無源光網絡的多點控制協議
作為HOWBAN后端的無源光網路，數據從ONU到OLT的上行方向采用多點控制協議(MPCP)。MPCP是IEEE 802.3的第一英里以太網(EFM)組開發的媒體訪問控制(MAC)層控制協議，適用于點對多點(P2MP)網絡的通信。在PON中，拓撲結構中的根結點被認為是主單元，即OLT；位于邊緣部分的多個節點被認為是從單元，即ONU。采用MPCP，可以在PON中實現可控制的網絡配置，如ONU的自動發現、終端站點的帶寬分配以及查詢、監控等等。
在系統運行過程中，上行方向在一個時刻只允許一個ONU發送，位于OLT的高層負責處理發送的定時、不同ONU的擁塞報告、以便優化PON系統內部的帶寬分配等。EPON系統通過多點控制協議數據單元(MPCPDU)來實現OLT與ONU之間的帶寬請求、帶寬授權、測距等。MPCP涉及的內容包括ONU發送時隙的分配，ONU的自動發現和加入，向高層報告擁塞情況以便動態分配帶寬。MPCP多點控制協議屬于MAC控制子層。MAC控制向MAC子層的操作提供實時的控制和處理。如圖4所示，為MPCP的實現架構[7]。
OLT：光路終端
ONU：光網絡單元
圖4 MPCP的實現架構
在此架構下，OLT的操作為：
*產生時戳信息，作為系統的同步時鐘信號。
*控制ONU注冊。
*為新的ONU測距產生發現窗口。
*執行測距操作。
*為已發現的ONU分配授權時隙。
ONU的操作如下：
*根據下行的MAC控制幀中的時戳信息定時，與OLT同步。
*等待發現窗口。
*利用發現窗口的信息執行測距等操作，OLT應給其分配邏輯鏈路標識(LLID)以及管理ONU的帶寬。
*ONU向OLT發送狀態信息，等待授權。
*收到授權后，在相應時隙內發送數據幀。
3.2 前端無線網狀網的路由機制
HOWBAN的無線前端為由少數的網關和大量無線路由器組成的無線網狀網(WMN)。前端WMN由于時延和吞吐量的限制，成為了HOWBAN技術的“瓶頸”，研究前端WMN的路由機制具有重大意義。值得注意的是，該WMN與傳統的WMN有所不同。傳統的WMN移動性較強，網絡拓撲結構動態變化較大；HOWBAN中的前端無線網路的用戶的移動性比傳統的WMN小，用戶主要為住宅用戶和商業建筑內的用戶，因此，網絡拓撲結構能夠預確立。此外，WMN中的數據包可以通過任一網關進入PON，然后達到OLT，最終進入互聯網。設計路由機制時，應考慮這種任播的路由特性。本文研究了8種適用于HOWBAN前端無線網絡的路由算法：
(1)最小跳路由算法和最短路徑路由算法
最小跳路由算法(MHRA)和最短路徑路由算法(SPRA)的基本原理都是尋找最短路徑，即給定源節點和目的節點后，尋找一條使目的函數最小的路徑。該目的函數的自變量可以為跳數、物理距離、帶寬、流量、傳輸時延等因素中的一個或者多個。MHRA可以看作是SPRA中的鏈路權值為1時的特例。這兩種路由算法的優點是原理簡單，因此廣泛用于HOWBAN的無線部分。然而，使用MHRA或SPRA能可能忽略鏈路其他的因素，會產生時延增加、負載平衡性差、高擁塞率等不良后果。
(2)預測吞吐量路由算法
預測吞吐量路由算法(PTRA)[8]是基于鏈路狀態的路由算法，選擇滿足總的吞吐量要求的路徑。PTRA周期性地對無線鏈路的速率進行采樣，動態估計每條可用路徑的吞吐量。當給定源節點與對應網關節點后，PTRA估計可用的路徑，然后從可用路徑中選擇一條預計吞吐量最大的路徑。由于PTRA不考慮分組延時，分組可能取較長的路由以滿足吞吐量的要求，所以分組在WMN內傳輸的最終時間可能超過預期。因此，PTRA不適合時延敏感的業務。
(3)感知時延路由算法(DARA)
在HOWBAN無線前端的WMN中，無論是上行方向或是下行方向，分組都可能經過WMN中多個路由器，導致較高的時延，因此分組時延是HOWBAN無線部分路由機制中一個極其重要的指標。感知時延路由算法(DARA)是一個預激活的路由方法[9]，重點考慮了HOWBAN無線部分的分組時延。
在DARA模型中，無線路由器近似為標準的M/M/I隊列，周期性地廣播鏈路狀態(LSA)，并且進行預測鏈路狀態(LSP)。根據LSP，DARA給無線鏈路分配權重，具有較高的預測時延的鏈路分配較高的權重。接著，計算從源路由到目的網關(或者相反方向)的路徑權值，把這些滿足數據包時延要求的路徑稱為可行路徑集合，記為F。然后從集合F中選路。只有時延要求大于F中的最小時延的數據包才會被允許進入網絡；否則，DARA將不允許數據包進入網絡。
時延最優是DARA的重要原則。但是，如果每個數據包都選擇最小時延路徑，網絡中部分鏈路將由于過載而擁塞，可能會導致大量的數據包被丟棄。因此，DARA是計算K條最小權值路徑，并不是只選擇一條最小權值路徑。這種K-DARA的選路方式可以較好地到達負載平衡，并能緩解網絡阻塞情況。
(4)風險和時延感知的路由算法
HOWBAN具有多域混合的網絡結構，相應地，也具有多種類別的故障情形，包括網關損壞、ONU損壞、OLT損壞以及光纖損壞。故障情形，或者說是風險，是HOWBAN路由考慮的重要因素之一。及時檢測出鏈路故障，并選擇正常的鏈路進行傳輸，是HOWBAN風險感知路由的原則。
風險和時延感知的路由算法(RADAR)[10]實質上是DARA算法的拓展，它考慮了HOWBAN網絡的故障情形。RADAR仍然采用周期性廣播LSA，據此來分配鏈路權值。與DARA不同的是，RADAR中每個路由器有一個風險表(RL)。表中包含6項，分別是路徑號碼(PN)、主網關組(PGG)、次網關組(SGG)、第三網關組(TGG)、路徑狀態(PS)以及路徑延遲(PD)。正常情況下，所有路徑被標記為“有效(live)”；一旦發生故障，把相應的故障路徑標記為“失效(stale)”。僅使用標記為“live”的路徑傳輸數據。研究結果表明，RADAR能減少HOWBAN的前端無線網絡中分組的平均時延，并且能減少出現故障情況下的丟包率。
(5)容量和時延感知的路由算法
容量和時延感知的路由算法(CaDAR)[11]是一種性能較為優異的路由算法，根據鏈路容量的分配和鏈路權值進行時延的最小化。類似于DARA，節點根據周期的LSA信息獲知鏈路信息，并根據LSA進行鏈路容量分配和時延估計。CaDAR的鏈路容量分配是基于TDMA機制的，通過分配不同的時隙給各個鏈路以實現不同鏈路的容量分配。當數據包到達HOWBAN的無線前端部分時，CaDAR計算該數據包的路徑時延，如果能滿足該數據包的時延要求，允許該數據包進入網絡；否則，丟棄該數據包。因此，CaDAR能較好地節省無線鏈路的帶寬。CaDAR融合了無線部分和光網絡部分的時延感知，尋找最小時延的路徑。
(6)能量感知的路由算法
隨著無線通信業務的增加，綠色、環保、節能的通信技術越來越受到人們的重視。在HOWBAN中，節能也是一個重要的環節。針對低負載時，設備使用不充分的情況，能量感知的路由算法能量感知的路由算法(EARA)[12]被提出。EARA是一種基于鏈路狀態的路由算法，能使未充分利用的ONU進入休眠狀態，以減少網絡耗能。在低負載的情況下，當有數據需要傳輸時，EARA優先選擇使用過的路徑，這樣使很多無負載或者負載低于某一閾值的ONU處于休眠狀態。當網絡負載高于某一閾值后，休眠的ONU將被喚醒。
具體地，在選擇路徑的機制上，EARA以剩余容量為鏈路的權值。當數據通過某一鏈路后，該鏈路的權值為初始權值減去上一次消耗的容量。EARA優先選擇剩余容量最小的路徑傳輸。此外，為了兼顧時延因素，EARA引入了跳數補償的機制，即實際的剩余容量會加上與鏈路跳數成正比的補償項。值得注意的是，ONU從休眠狀態轉換為工作狀態時需要額外的能量，因此頻繁的狀態轉換可能使網絡耗能增加。因此，保證足夠的休眠時間和較低的狀態轉換率是EARA發揮節能作用的關鍵。
(7)流量限制路由算法
CaDAR同時考慮了鏈路容量和時延，具有較好的減少時延的性能。但是，可能出現某個鏈路被過分使用，其他鏈路閑置的情況。為了克服這個問題，文獻[13]提出了適用于HOWBAN的流量限制的路由算法。該算法也具有鏈路狀態廣播LSA和以鏈路容量分配鏈路權值(LWA)的步驟，然后計算鏈路的流量限制。接著根據分配給路徑的權值，計算較優的3條路徑，選擇最優的路徑作為路由首要選擇；如果最優路徑流量超過了流量限制，則選擇備選路徑。
由于流量限制的約束，流量限制路由算法(FLRA)能較好地平衡鏈路的負載，比CaDAR更充分地利用了帶寬。但是文獻[13]僅對單一頻道節點的無線網絡進行了研究，把FLRA拓展到擁有多頻道節點的無線網絡是極具價值的研究方向。
(8)時延區分路由算法
前文所述的路由算法都是以相同的方式處理各類業務的數據包，文獻[14]提出了一種區分不同數據包的時延區分路由算法。主要思想是以對傳輸時延要求的高低把數據包分為時延敏感(DTS-sensitive)和時延不敏感(DTS-insensitive)兩大類，同時在網關路由處設置外部緩存器。對于時延敏感的數據包，如IPTV、VoIP等業務的數據，時延區分路由算法(DDRA)直接計算從源節點到網關的路徑；對于時延不敏感的數據包，如郵件、文件上傳等業務，DDRA先把數據包傳輸至緩存器，然后根據鏈路狀態選擇合適的時刻把數據傳輸至網關，進而通過PON到達互聯網。
顯然，這種增加外部緩存器的機制能夠較好地減少時延敏感數據的時延，提高系統的QoS；但是增加了設備成本。此外，放置多少緩存器、在何處放置緩存器是值得探討的問題。
4 結束語
光無線混合寬帶接入網(HOWBAN)是極具潛力的接入網方案，融合了光網絡帶寬寬、損耗低、抗電磁干擾與無線網絡靈活、移動性強、便捷的優勢，是下一代接入網的最佳結構之一。HOWBAN的后端PON部分，能夠以較高的性價比提供長距離、寬帶寬、健壯的傳輸服務；前端的WMN部分，使用戶接入十分便捷，能節約光纖到戶(FTTP)的成本。
隨著信息技術和智能終端的高速發展，HOWBAN將面向多業務、多用戶，具有較大的網絡規模。因此，研究適于HOWBAN的高效、節能、可靠的網絡傳輸協議十分重要。目前，HOWBAN后端無源光網絡部分普遍采用多點控制協議，能較好地控制PON中點對多點的傳輸。對于HOWBAN前端的無線網狀網部分，基于WMN路由機制的研究，針對HOWBAN前端網絡的特性，有大量的路由算法被提出。但是，針對HOWBAN網絡傳輸協議、路由機制的研究還處于初始階段，還有許多問題值得深入研究，下面簡單提出幾點研究方向：
(1)提高QoS
隨著接入網規模的增大，寬帶業務數據量的增多，要采取有效的路由機制以保證網絡的QoS。除了區分時延敏感與否的數據包外，更多與QoS有關的指標需要被提出，根據指標的不同采用不同的傳輸方式，或許是提高大規模HOWBAN網絡QoS的正確方向。
(2)健壯性
與傳統的接入網不同，HOWBAN是具有光域和頻域的網絡。需要研究具有良好健壯性和自愈能力的傳輸機制，使某一鏈路發生故障后，能否迅速地做出反應，選擇正常的鏈路進行傳輸。此外，隨著網絡規模的增大，無線路由之間的距離也會增大，一旦唯一的與ONU連接的鏈路被破壞，很有可能該路由就無法連接至OLT。保證網絡傳輸的健壯性十分必要。
(3)節約能源
當網絡負載較少，MAC層可以采用休眠機制，使某些節點進入休眠狀態，以減少無線網絡的能耗。此外，制訂合適的路由機制，在滿足時延要求和吞吐量的情況下，盡量避開休眠節點，使用激活狀態的節點，能夠減少節點狀態的轉換次數，達到節能的目的。
(4)公平性
有效的傳輸機制需要協調好各個用戶的服務質量，盡量避免因為地理位置不同而導致不同的QoS，例如距離ONU/網關節點更近的用戶享受比遠離ONU/網關節點的用戶更好的服務。良好的服務公平性是HOWBAN能得到廣大用戶接受和支持的基礎。
(5)安全性
因為在無線網絡中信息以無線電波的形式開放性地傳輸，所以安全性一直是無線網絡領域的熱點問題。在HOWBAN中，除了前端的WMN需要考慮安全性問題外，后端的PON由于下行方向采用廣播的形式，也需要注意安全性的問題。如何防止信息被竊取等信息安全問題，極具研究前景。
(6)多頻道網絡
此前的HOWBAN路由研究多集中在單一無線頻道的網絡。對于多頻道的情況，現有的路由機制能否適應、如何適應，值得深入研究。此外，認知無線電(CR)是當今無線通信領域的研究熱點，在CR中，節點能夠動態獲取合適的頻譜進行傳輸，這樣網絡的頻道也不再是唯一的了。我們期待在不久的將來CR能夠和HOWBAN有機結合，推出更高效、靈活的接入網方案。
5 參考文獻
[1] KAMINOW I P, LI T Y. Optical fiber telecommunications [M]. New York,NY USA: Academic Press, 2002:17-56.
[2] SARKAR S. Design and analysis of wireless-optical broadband access networks (WOBAN) [D]. Davis, CA,USA: University of California Davis, 2008.
[3] Kramer g. 基于以太網的無源光網絡[M]. 陳雪，孫曙, 劉冬, 等譯. 北京: 北京郵電大學出版社, 2007.
[4] 馬珊珊, 何榮希. 光無線混合寬帶接入網的現狀和發展[J]. 光通信技術, 2010(11):36-39.
[5] 吳承治. 混合光無線寬帶接入網技術探討[J]. 現代傳輸, 2010(1):55-66.
[6]Shaw W T, Wong S W, Cheng n, et al. Hybrid architecture and intergrated routing in a scalable optical-wireless access network [J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2007, 25(11):3443-3451.
[7] 沈羽倫, 何巖, 楊柳. EPON中的多點控制協議的研究[J]. 光通信研究, 2003(6): 5-8.
[8] SARKAR S, DIXIT S, MUKHERJEE B. Hybrid wireless-optical broadband-access network (WOBAN): A review of relevant challenges [J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2007, 25(11):3329-3340.
[9] SARKAR S, YEN Hong Hsu, DIXIT S, et al. DARA: Delay-aware routing algorithm in a hybrid wireless-optical broadband access network(WOBAN) [C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Communications (ICC’07), Jun 24-28, 2007, Glasgow, UK. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2007: 2480-2484.
[10] SARKAR S, YEN Hong Hsu, DIXIT S, et al. RADAR: Risk-and-delay aware routing algorithm in a hybrid wireless-optical broadband access network (WOBAN) [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’07),Mar 25-29, 2007,Anaheim, CA,USA.Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2007:3p.
[11] REAZ A, RAMAMURTHI V, SARKAR S, et al. CaDAR: An efficient routing algorithm for wireless-optical broadband access network [C]//Proceedings ofthe IEEE International Conference on Communications (ICC’08), May 19-23, 2008, Beijing, China.Piscataway, NJ,USA: IEEE,2008: 5191-5195.
[12]Chowdhury P, Tornatore M, SARKAR S, et al.Buildinga green wireless-optical broadband access network [J]. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(16)：2219-2229.
[13] Zaheer S A, Tanwir S, Ramzan M, et al. Increasing the bandwidth utilization of a wireless optical broadband access network through efficient routing [C]//Proceedings ofthe International Symposium onHigh-Capacity Optical Networks and Enabling Technologies (HONET’10), Dec 19-21, 2010,Cairo, Egypt.Piscataway, NJ, USA: IEEE,2010:269-273.
[14] CHEN Xiuzhong, Reaz A, Shi l, et al. Delay-differentiated routing algorithm to enhance delay performance of WOBAN [C]//Proceedings of the9th International Conference on Optical Internet(COIN’10), Jul 11-14, 2010,Jeju,Republic of Korea.Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2010:3p.