1 光与无线融合的发展趋势
随着Internet业务、网络电视(IPTV)和点播等交互式多媒体业务的高速发展，无线通信系统已经由传统的单一语音业务阶段发展为多业务阶段[1]。在业务的高速增长的趋势下，核心网积极引进先进的技术，包括IP over ATM、IP over WDM、400 Gb/s波分系统等，呈现智能化、宽带化和光纤化的发展趋势；另一方面，用户终端性能的发展也十分迅猛，智能手机等终端迅速普及，各种便捷、新颖、廉价的移动应用层出不穷。用户迫切需要在任何时候、任何地点能够获取任何媒体的简单、可靠而又相对低廉的无线通信服务。同时，用户驻地网的带宽和支持能力也大大提高。核心网和移动终端的迅速发展趋势，对处于两者中间的接入网提出了较高的要求。能否利用有效的方案搭建高速、便捷、多业务的“最后一公里”接入网，是今后移动通信技术发展的关键。光纤接入与无线接入是目前较为有效的接入方案。
光接入网与无线接入网最初是对应于不同的通信目的和市场情景所建立起来的。光接入网的带宽高、损耗低，对电磁干扰具有较好的抵御能力，是长距离通信有效的方案；无线接入网具有较高的灵活性与移动性，能够实现无处不在的信息接入，为用户提供更便捷的服务。在骨干光网络趋于饱和的情况下，接入网的巨大市场必然会成为各大运营商的必争之地。因此，为了提供充足的接入带宽、灵活的组网方式以及良好的服务质量，光与无线融合，使接入网同时具备高带宽和支持移动性的两大优势，是电信业的必然趋势。光无线混合宽带接入网(HOWBAN)应运而生。
HOWBAN将宽带无线通信的移动性、点对点等优点与光纤通信带宽巨大、可靠性高的优点有机地结合起来，为解决长距离、低成本、大容量的无线信号的传输以及超宽带无线接入提供了理想的方案。
2 光无线混合宽带接入网
HOWBAN主要由前端的无线接入网与后端的光接入网组成[2]。其中，无线接入技术包括：蜂窝网络、Wi-Fi、WiMAX等。Wi-Fi是基于IEEE 802.11 a/b/g/n标准的一种较为通用的无线技术，一般使用2.4 GHz或5 GHz频段，广泛应用于无线局域网。WiMAX基于IEEE 802.16标准，具有相对Wi-Fi技术更高的传输速率和更广的覆盖范围，具有服务质量(QoS)保障、传输速率高、业务丰富多样等优点，与3G技术的融合趋势越来越强，在城域网的搭建中具有价值。而当前的光接入技术主要为无源光网络(PON)。PON不包含任何有源电子器件，全部由光合路器、光分路器、光耦合器等无源器件构成，是一种节能、健壮、易于维护的点对多点(P2MP)的网络。PON又可分为以太网无源光网络(EPON)、千兆比无源光网络(GPON)、宽带无源光网络(BPON)等[3]。
2.1 典型网络结构
HOWBAN的一种典型的网络结构[4]如图1所示。光网络采用标准的PON结构，可采用TDM-PON、WDM-PON或WDM/TDM-PON技术。在PON中，中心端局(CO)中设置有多个光路终端(OLT)。各个OLT 通过光纤和光分路器与多个光网络单元(ONU)相连。在无线网络部分，每个ONU与多个无线路由器连接，其中与ONU直接相连的无线路由器成为网关。因此，HOWBAN前端无线网络部分实质上为由多个无线路由器和少数网关组成的无线网状网(WMN)。该WMN采用标准化的技术。此外，由于ONU与中心局距离较远，能够在较小范围内进行频谱再利用，支持大量用户高带宽的需求[5]。
CO：中心端局
HOWBAN：光无线混合宽带接入网
OLT：光路终端
ONU：光网络单元
图1 HOWBAN典型的网络结构
2.2 上行/下行传输
用户使用无线设备，发送数据到某个无线路由器。该路由器将数据注入WMN中，然后通过多跳传输到达网关节点，再通过光纤到达OLT/CO，最终进入互联网。该结构的上行/下行传输方式如图2所示。在HOWBAN前端无线网络的上行方向，即从用户端到ONU/网关方向，用户能够提供它的数据到任意一个网关，属于任播(Anycast)的方式；其下行方向，即从ONU/网关到用户方向，采用单播(Unicast)方式。而在HOWBAN后端的光网路部分的上行方向，即从ONU到OLT使用多点控制协议，共享上行资源，避免冲突；下行方向，即从OLT到ONU的方向，采用广播的方式，发送一特定的分组会到达全部的ONU，但仅仅是目的ONU接受此数据，其余的ONU将丢弃此数据。
HOWBAN：光无线混合宽带接入网
OLT：光路终端
ONU：光网络单元
PON：无源光网络
WMN：无线网状网
图2 HOWBAN上行/下行传输方式
2.3 GROW-Net网络结构
除了上述典型的结构，一种称为GROW-Net[6]的网络结构越来越受到学术界的关注，如图3所示。该网络结构的无线网络部分依然采用多个无线路由器和网关构成的无线网状网结构；后端光网络则由一个光纤环路和多个树形结构组成。树形网络的根节点OLT组成一个环状网络，叶节点ONU/网关与无线路由组成前端无线网络。上行方向，用户数据经过多跳传输到达ONU/网关节点，再经过树形光网络到达OLT，接着通过环形光纤到达CO，再进入互联网。下行方向，数据经过环路到达相应OLT，再传输至ONU/网关节点，然后经过无线路由器到达用户端。值得注意的是，该网络的传输路径将随网络链路状态的更新而更新，具有良好的自愈能力。
CO：中心端局
HOWBAN：光无线混合宽带接入网
OLT：光路终端
ONU：光网络单元
图3 HOWBAN的GROW-Net结构
3 光无线混合宽带接入网的传输协议
HOWBAN建立以后，为了保证高效的数据传输，减少数据的传输时延，需要制订有效的传输协议。由于HOWBAN前端和后端网络差异较大，需要分别针对前端和后端网络的特性制订有效的协议。
3.1 无源光网络的多点控制协议
作为HOWBAN后端的无源光网路，数据从ONU到OLT的上行方向采用多点控制协议(MPCP)。MPCP是IEEE 802.3的第一英里以太网(EFM)组开发的媒体访问控制(MAC)层控制协议，适用于点对多点(P2MP)网络的通信。在PON中，拓扑结构中的根结点被认为是主单元，即OLT；位于边缘部分的多个节点被认为是从单元，即ONU。采用MPCP，可以在PON中实现可控制的网络配置，如ONU的自动发现、终端站点的带宽分配以及查询、监控等等。
在系统运行过程中，上行方向在一个时刻只允许一个ONU发送，位于OLT的高层负责处理发送的定时、不同ONU的拥塞报告、以便优化PON系统内部的带宽分配等。EPON系统通过多点控制协议数据单元(MPCPDU)来实现OLT与ONU之间的带宽请求、带宽授权、测距等。MPCP涉及的内容包括ONU发送时隙的分配，ONU的自动发现和加入，向高层报告拥塞情况以便动态分配带宽。MPCP多点控制协议属于MAC控制子层。MAC控制向MAC子层的操作提供实时的控制和处理。如图4所示，为MPCP的实现架构[7]。
OLT：光路终端
ONU：光网络单元
图4 MPCP的实现架构
在此架构下，OLT的操作为：
*产生时戳信息，作为系统的同步时钟信号。
*控制ONU注册。
*为新的ONU测距产生发现窗口。
*执行测距操作。
*为已发现的ONU分配授权时隙。
ONU的操作如下：
*根据下行的MAC控制帧中的时戳信息定时，与OLT同步。
*等待发现窗口。
*利用发现窗口的信息执行测距等操作，OLT应给其分配逻辑链路标识(LLID)以及管理ONU的带宽。
*ONU向OLT发送状态信息，等待授权。
*收到授权后，在相应时隙内发送数据帧。
3.2 前端无线网状网的路由机制
HOWBAN的无线前端为由少数的网关和大量无线路由器组成的无线网状网(WMN)。前端WMN由于时延和吞吐量的限制，成为了HOWBAN技术的“瓶颈”，研究前端WMN的路由机制具有重大意义。值得注意的是，该WMN与传统的WMN有所不同。传统的WMN移动性较强，网络拓扑结构动态变化较大；HOWBAN中的前端无线网路的用户的移动性比传统的WMN小，用户主要为住宅用户和商业建筑内的用户，因此，网络拓扑结构能够预确立。此外，WMN中的数据包可以通过任一网关进入PON，然后达到OLT，最终进入互联网。设计路由机制时，应考虑这种任播的路由特性。本文研究了8种适用于HOWBAN前端无线网络的路由算法：
(1)最小跳路由算法和最短路径路由算法
最小跳路由算法(MHRA)和最短路径路由算法(SPRA)的基本原理都是寻找最短路径，即给定源节点和目的节点后，寻找一条使目的函数最小的路径。该目的函数的自变量可以为跳数、物理距离、带宽、流量、传输时延等因素中的一个或者多个。MHRA可以看作是SPRA中的链路权值为1时的特例。这两种路由算法的优点是原理简单，因此广泛用于HOWBAN的无线部分。然而，使用MHRA或SPRA能可能忽略链路其他的因素，会产生时延增加、负载平衡性差、高拥塞率等不良后果。
(2)预测吞吐量路由算法
预测吞吐量路由算法(PTRA)[8]是基于链路状态的路由算法，选择满足总的吞吐量要求的路径。PTRA周期性地对无线链路的速率进行采样，动态估计每条可用路径的吞吐量。当给定源节点与对应网关节点后，PTRA估计可用的路径，然后从可用路径中选择一条预计吞吐量最大的路径。由于PTRA不考虑分组延时，分组可能取较长的路由以满足吞吐量的要求，所以分组在WMN内传输的最终时间可能超过预期。因此，PTRA不适合时延敏感的业务。
(3)感知时延路由算法(DARA)
在HOWBAN无线前端的WMN中，无论是上行方向或是下行方向，分组都可能经过WMN中多个路由器，导致较高的时延，因此分组时延是HOWBAN无线部分路由机制中一个极其重要的指标。感知时延路由算法(DARA)是一个预激活的路由方法[9]，重点考虑了HOWBAN无线部分的分组时延。
在DARA模型中，无线路由器近似为标准的M/M/I队列，周期性地广播链路状态(LSA)，并且进行预测链路状态(LSP)。根据LSP，DARA给无线链路分配权重，具有较高的预测时延的链路分配较高的权重。接着，计算从源路由到目的网关(或者相反方向)的路径权值，把这些满足数据包时延要求的路径称为可行路径集合，记为F。然后从集合F中选路。只有时延要求大于F中的最小时延的数据包才会被允许进入网络；否则，DARA将不允许数据包进入网络。
时延最优是DARA的重要原则。但是，如果每个数据包都选择最小时延路径，网络中部分链路将由于过载而拥塞，可能会导致大量的数据包被丢弃。因此，DARA是计算K条最小权值路径，并不是只选择一条最小权值路径。这种K-DARA的选路方式可以较好地到达负载平衡，并能缓解网络阻塞情况。
(4)风险和时延感知的路由算法
HOWBAN具有多域混合的网络结构，相应地，也具有多种类别的故障情形，包括网关损坏、ONU损坏、OLT损坏以及光纤损坏。故障情形，或者说是风险，是HOWBAN路由考虑的重要因素之一。及时检测出链路故障，并选择正常的链路进行传输，是HOWBAN风险感知路由的原则。
风险和时延感知的路由算法(RADAR)[10]实质上是DARA算法的拓展，它考虑了HOWBAN网络的故障情形。RADAR仍然采用周期性广播LSA，据此来分配链路权值。与DARA不同的是，RADAR中每个路由器有一个风险表(RL)。表中包含6项，分别是路径号码(PN)、主网关组(PGG)、次网关组(SGG)、第三网关组(TGG)、路径状态(PS)以及路径延迟(PD)。正常情况下，所有路径被标记为“有效(live)”；一旦发生故障，把相应的故障路径标记为“失效(stale)”。仅使用标记为“live”的路径传输数据。研究结果表明，RADAR能减少HOWBAN的前端无线网络中分组的平均时延，并且能减少出现故障情况下的丢包率。
(5)容量和时延感知的路由算法
容量和时延感知的路由算法(CaDAR)[11]是一种性能较为优异的路由算法，根据链路容量的分配和链路权值进行时延的最小化。类似于DARA，节点根据周期的LSA信息获知链路信息，并根据LSA进行链路容量分配和时延估计。CaDAR的链路容量分配是基于TDMA机制的，通过分配不同的时隙给各个链路以实现不同链路的容量分配。当数据包到达HOWBAN的无线前端部分时，CaDAR计算该数据包的路径时延，如果能满足该数据包的时延要求，允许该数据包进入网络；否则，丢弃该数据包。因此，CaDAR能较好地节省无线链路的带宽。CaDAR融合了无线部分和光网络部分的时延感知，寻找最小时延的路径。
(6)能量感知的路由算法
随着无线通信业务的增加，绿色、环保、节能的通信技术越来越受到人们的重视。在HOWBAN中，节能也是一个重要的环节。针对低负载时，设备使用不充分的情况，能量感知的路由算法能量感知的路由算法(EARA)[12]被提出。EARA是一种基于链路状态的路由算法，能使未充分利用的ONU进入休眠状态，以减少网络耗能。在低负载的情况下，当有数据需要传输时，EARA优先选择使用过的路径，这样使很多无负载或者负载低于某一阈值的ONU处于休眠状态。当网络负载高于某一阈值后，休眠的ONU将被唤醒。
具体地，在选择路径的机制上，EARA以剩余容量为链路的权值。当数据通过某一链路后，该链路的权值为初始权值减去上一次消耗的容量。EARA优先选择剩余容量最小的路径传输。此外，为了兼顾时延因素，EARA引入了跳数补偿的机制，即实际的剩余容量会加上与链路跳数成正比的补偿项。值得注意的是，ONU从休眠状态转换为工作状态时需要额外的能量，因此频繁的状态转换可能使网络耗能增加。因此，保证足够的休眠时间和较低的状态转换率是EARA发挥节能作用的关键。
(7)流量限制路由算法
CaDAR同时考虑了链路容量和时延，具有较好的减少时延的性能。但是，可能出现某个链路被过分使用，其他链路闲置的情况。为了克服这个问题，文献[13]提出了适用于HOWBAN的流量限制的路由算法。该算法也具有链路状态广播LSA和以链路容量分配链路权值(LWA)的步骤，然后计算链路的流量限制。接着根据分配给路径的权值，计算较优的3条路径，选择最优的路径作为路由首要选择；如果最优路径流量超过了流量限制，则选择备选路径。
由于流量限制的约束，流量限制路由算法(FLRA)能较好地平衡链路的负载，比CaDAR更充分地利用了带宽。但是文献[13]仅对单一频道节点的无线网络进行了研究，把FLRA拓展到拥有多频道节点的无线网络是极具价值的研究方向。
(8)时延区分路由算法
前文所述的路由算法都是以相同的方式处理各类业务的数据包，文献[14]提出了一种区分不同数据包的时延区分路由算法。主要思想是以对传输时延要求的高低把数据包分为时延敏感(DTS-sensitive)和时延不敏感(DTS-insensitive)两大类，同时在网关路由处设置外部缓存器。对于时延敏感的数据包，如IPTV、VoIP等业务的数据，时延区分路由算法(DDRA)直接计算从源节点到网关的路径；对于时延不敏感的数据包，如邮件、文件上传等业务，DDRA先把数据包传输至缓存器，然后根据链路状态选择合适的时刻把数据传输至网关，进而通过PON到达互联网。
显然，这种增加外部缓存器的机制能够较好地减少时延敏感数据的时延，提高系统的QoS；但是增加了设备成本。此外，放置多少缓存器、在何处放置缓存器是值得探讨的问题。
4 结束语
光无线混合宽带接入网(HOWBAN)是极具潜力的接入网方案，融合了光网络带宽宽、损耗低、抗电磁干扰与无线网络灵活、移动性强、便捷的优势，是下一代接入网的最佳结构之一。HOWBAN的后端PON部分，能够以较高的性价比提供长距离、宽带宽、健壮的传输服务；前端的WMN部分，使用户接入十分便捷，能节约光纤到户(FTTP)的成本。
随着信息技术和智能终端的高速发展，HOWBAN将面向多业务、多用户，具有较大的网络规模。因此，研究适于HOWBAN的高效、节能、可靠的网络传输协议十分重要。目前，HOWBAN后端无源光网络部分普遍采用多点控制协议，能较好地控制PON中点对多点的传输。对于HOWBAN前端的无线网状网部分，基于WMN路由机制的研究，针对HOWBAN前端网络的特性，有大量的路由算法被提出。但是，针对HOWBAN网络传输协议、路由机制的研究还处于初始阶段，还有许多问题值得深入研究，下面简单提出几点研究方向：
(1)提高QoS
随着接入网规模的增大，宽带业务数据量的增多，要采取有效的路由机制以保证网络的QoS。除了区分时延敏感与否的数据包外，更多与QoS有关的指标需要被提出，根据指标的不同采用不同的传输方式，或许是提高大规模HOWBAN网络QoS的正确方向。
(2)健壮性
与传统的接入网不同，HOWBAN是具有光域和频域的网络。需要研究具有良好健壮性和自愈能力的传输机制，使某一链路发生故障后，能否迅速地做出反应，选择正常的链路进行传输。此外，随着网络规模的增大，无线路由之间的距离也会增大，一旦唯一的与ONU连接的链路被破坏，很有可能该路由就无法连接至OLT。保证网络传输的健壮性十分必要。
(3)节约能源
当网络负载较少，MAC层可以采用休眠机制，使某些节点进入休眠状态，以减少无线网络的能耗。此外，制订合适的路由机制，在满足时延要求和吞吐量的情况下，尽量避开休眠节点，使用激活状态的节点，能够减少节点状态的转换次数，达到节能的目的。
(4)公平性
有效的传输机制需要协调好各个用户的服务质量，尽量避免因为地理位置不同而导致不同的QoS，例如距离ONU/网关节点更近的用户享受比远离ONU/网关节点的用户更好的服务。良好的服务公平性是HOWBAN能得到广大用户接受和支持的基础。
(5)安全性
因为在无线网络中信息以无线电波的形式开放性地传输，所以安全性一直是无线网络领域的热点问题。在HOWBAN中，除了前端的WMN需要考虑安全性问题外，后端的PON由于下行方向采用广播的形式，也需要注意安全性的问题。如何防止信息被窃取等信息安全问题，极具研究前景。
(6)多频道网络
此前的HOWBAN路由研究多集中在单一无线频道的网络。对于多频道的情况，现有的路由机制能否适应、如何适应，值得深入研究。此外，认知无线电(CR)是当今无线通信领域的研究热点，在CR中，节点能够动态获取合适的频谱进行传输，这样网络的频道也不再是唯一的了。我们期待在不久的将来CR能够和HOWBAN有机结合，推出更高效、灵活的接入网方案。
5 参考文献
[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. 基于以太网的无源光网络[M]. 陈雪，孙曙, 刘冬, 等译. 北京: 北京邮电大学出版社, 2007.
[4] 马珊珊, 何荣希. 光无线混合宽带接入网的现状和发展[J]. 光通信技术, 2010(11):36-39.
[5] 吴承治. 混合光无线宽带接入网技术探讨[J]. 现代传输, 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] 沈羽伦, 何岩, 杨柳. EPON中的多点控制协议的研究[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.