Adhoc技术在未来无线通信中的应用.pdf

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1、Adhoc 技术在未来无线通信中的应用 作 者：李国强 靳浩 文章对 Adhoc 技术在未来无线通信中应用可能会采取的组网方式进行了研究，分析了各类方式的优缺点。一、Adhoc 独立组网 独立组网意味着同一网络中的各节点彼此通信，而不与任何有基础设施的网络相连。独立的 Adhoc 网分为两种类型：大型 Adhoc 独立网络与小型 Adhoc 独立网络。1.大规模独立 Adhoc 网络 （1）安全问题 在安全路由领域，未来研究中最重要的是跟踪与消除行为失效节点。跟踪与消除这些现有路由的一部分失效节点能够预防网络隔离问题。这些问题在无线 Adhoc 这种没有中心操纵职能的网络中非常重要。由于在无线

2、 Adhoc 网中个体节点作为路由器，在它们的无线覆盖范围内转发信息包。假如一个节点受损或者失效，通过这个节点的路由就会受到威胁，这样就需要一种机制来挽救节点失效或者崩溃时的路由。无线 Adhoc 网络中的节点是移动的，假如一个节点是一些失效路由的构成部分，就会导致网络隔离：网络的一部分不能与另一部分通信。在大规模的 Ad hoc 网中很难找到一种完善的安全机制满足上述条件。（2）过高的路由成本 （3）传输性能的变化 除了安全与路由问题之外，Adhoc 网络在时延与吞吐量等传输性能方面的指标也会随着跳数的增加而急剧下降。2.小规模的 Adhoc 独立组网 二、整合的 Adhoc 网络 1.Ad

3、hoc 网络与 Internet 整合 （1）Adhoc 与 Internet 整合的网络拓扑 图 1 是使用三种网关把 Adhoc 网络与 Internet 相整合的场景。无线 Adhoc 网关（WA-GW：WirelessAd hoc Gateway）与移动 Ad hoc 网关（MA-GW：Mobile Ad hoc Gateway）、移动热点网关（MH-GW：Mobile Hotspot Gateway）被用来整合小规模的 Ad hoc 网络与基于IP 的宽带接入网。从图中能够看出，Ad hoc 移动终端通过网关与 AP 相连，再通过 AP 接入Internet。除了能够向 Adhoc

4、网络提供扩展的多媒体服务之外，WA-GW 与 MH-GW 还能够提供本地内容服务。运营商能够通过向用户提供 Internet 服务、本地内容与 AAA 认证等服务来向用户收取有关的费用。图 1 Adhoc 与 Internet 整合网络拓扑 （2）Adhoc 与 Internet 整合后的运行模式 图 1 中网络的运行过程能够描述如下：Adhoc 终端在接入 Internet 之前首先找到Adhoc 网关，Adhoc 网关周期性地向周围发送广播包来广播自己的存在。假如 Ad hoc 终端距离网关只有一跳的距离，那么终端就通过接收广播信息来找到 Ad hoc 网关；假如距离超过一跳，终端会向周围

5、节点发送“网关寻找”的操纵包，其中包含有本终端的归属 IP 地址与MAC 地址，然后 Ad hoc 移动终端会收到来自一个或者者几个 Ad hoc 网关的应答。Ad hoc移动终端会选取跳数最少的作为其网关接入 Internet。终端产生的 IP 数据包被封装成 Ad hoc 数据包发送到 Ad hoc 网关，网关去除 Ad hoc 的包头，然后将包路由到接入网中。2.Adhoc 与蜂窝系统相整合 为解决蜂窝通信系统与无线局域网整合应用范围不广的问题，在蜂窝通信系统中引入无线自组网成为目前研究的一个热点。图 2 中，Adhoc 网络通过 MA-GW 与 MH-GW 与蜂窝系统混合组网。图 2

6、Adhoc 网络与蜂窝系统混合组网 （1）蜂窝系统与 Adhoc 网络整合的必要性 首先，能够对蜂窝系统中的盲区起到覆盖作用。在一些基站覆盖不到或者者信号很弱的地区，通过其他处于基站与移动台终端中间的中继节点转发，将有效提高信号的覆盖。其次，能够对网络的负载起到均衡作用。蜂窝系统中，各蜂窝小区话务量不平衡且动态变化，引入自组网的动态中继，将一个小区的流量分流到周边小区，有效地缓解了由于容量饱与而造成的呼叫堵塞与切断链。再次，关于距离比较近的移动节点，能够通过自组网直接通信，不占用蜂窝网的资源，减少蜂窝系统的负担，提高系统的总容量。（2）Adhoc 与蜂窝系统整合的研究现状 A-GSM 在尽可能

7、减少对现有 GSM 系统的改动的基础上，使移动台具有中继功能，由此来增强 GSM 网络的覆盖。即在保持原有 GSM 基站子系统（基站与基站操纵器）、MSC 与网络数据库（HLR、VLR、EIR、AC）基本不变的情况下，引入集成双模终端（IntegratedDualModeTerminals），该终端具有两种空中接口：GSM 空中接口与无线多跳（或者者 Ad hoc）空中接口。得到的结论是：引入 A-GSM 后，系统吞吐量性能得到了很大程度的改善，移动终端个数越多，A-GSM 系统吞吐性能越好，改善越多。Sphinx 在蜂窝网模型中引入对等（P2P：peer-to-peer）网络模型（自组织网）

8、，支持节点通过多跳转发来进行通信。得出的结论是：混合网络模型在吞吐量与功耗方面优于传统的蜂窝网络模型，在资源公平分配方面与对移动性与业务位置变化的习惯性方面优于P2P 网络模型。iCAR 在网络中设置一定数量的 Adhoc 中继站（ARS）。当某小区出现业务拥塞时，利用这些 ARS，能够向业务没有拥塞的邻近小区转移业务。这样能够操纵或者避免呼叫拥塞、掉话等。其结论是：在蜂窝系统中引入 Adhoc 中继站能够有效地降低呼叫堵塞概率，提高系统的吞吐。通过对现有研究的分析，引入 Adhoc 技术的多跳蜂窝网络的本质特征要紧表达在：用户终端不仅要支持与基站的通信方式，还务必支持 P2P 直接通信的方式

9、并进行组网。实现这一要求的方法能够归纳为两种：增强用户终端的功能（SMT：SuperMobileTerminal）与设置专用中继节点（DRN：Dedicated Relay Node）。SMT 方式的用户终端功能增强是相对终端的现有功能而言。其方法要紧有：在网络中增加新的无线资源，使用户终端支持多种空中接口，从而具备中继转发能力；在现有的无线资源环境下，通过改造终端使其具有中继转发能力。DRN 方式是指由移动网络运营商设置一些移动或者固定的专用中继节点，负责为邻近的用户进行数据的转发，以支持终端间的自组织通信方式。（3）Adhoc 与蜂窝系统整合研究面临的问题 网络容量分析 尽管多跳蜂窝网络是

10、移动通信领域中的热点问题，有许多学者正在对其进行研究，但是关于引入自组织方式后是否能带来容量上的好处还尚有争议，没有达成共识。定性地来看，引入自组织方式后多跳蜂窝网络具有三点性能优势：首先，通过多跳转发机制降低了发射功率，使得信道空间复用性提高；其次，使用自组织方式建立局部业务，减轻了基站的瓶颈效应；第三，通过转移热点小区的流量，实现资源的动态调节，提高了资源利用率。以上这些优势都有益于系统容量的提高。但是另一方面，多跳转发增加了总体的发送次数，不利于系统容量的提高。因此，综合正反两方面因素不容易直观地断定引入自组织方式后容量是否会提高，务必开展定量分析。目前，对这一问题进行研究的有 Sphi

11、nx 项目与 SOPRANO 项目等。Sphinx 项目在 ns-2平台上对他们提出的混合网络模型进行了仿真，结果说明该混合网络模型在吞吐量与功耗方面优于传统的蜂窝网络模型。SOPRANO 项目分析了同步的 CDMA 混合网络的容量，其结论是：在 CDMA 蜂窝系统中增加无线路由器，仅使用功率操纵技术与经典技术，不一定能够使网络吞吐量上升；但是，路由器的增加大大降低了发送功率总与，利用 MIMO、智能天线、多用户检测等容量增强技术能够将功率上的降低转化为容量上的提高。但是，该结论是在一些约束条件下获得的，且没有考虑局部业务使用局域子网通信这种情况。弥补覆盖缺陷问题的定量分析 如前所述，引入自组

12、织方式有助于解决蜂窝网络的覆盖缺陷问题。目前，国内外对这一问题研究的较少，并没有定量的刻画与评估。尽管引入自组织方式会有效地弥补覆盖缺陷是显而易见的，但是毕竟能带来多大的好处，需要做定量的分析，这对未来的网络规划、成本核算与整体网络性能的评估是很有益处的。通信模式的选择问题 在引入自组织方式的蜂窝系统中，有 3 种通信方式：自组织方式（相当于构建一个自组织局域子网，简称局域子网）、蜂窝方式（与经典的蜂窝方式相同）与混合方式（通过多跳中继最终接入基站）。因此，当这几种通信方式都能实现用户的通信需求时，就不可回避地要解决通信方式的选择问题。混合路由问题 与单纯自组织网络不一致，多跳蜂窝网络中可能还

13、包含计算能力与存储能力都更为强大的节点。这些节点具备获得更多更准确网络状态信息的能力，能够完全或者部分具备“中心”功能。因此，多跳蜂窝网络要紧使用“中心”辅助路由与混合路由两种路由模式。“中心”辅助路由属于一种“集中式”的先应式路由。各移动用户节点向“中心”报告有关信息，“中心”根据收集到的信息与网络中的负载情况，为用户决策路由。该路由完全由“中心”计算。这种路由模式需要进一步研究的问题是：用户节点应该向中心报告什么信息，才能使路由智能地、自习惯地避免及缓解网络中的死区与热点，继而有效地均衡负载?关于源或者目的节点位于“死区”，特别是在蜂窝覆盖之外的情况，这种“中心”路由模式该如何予以解决?混

14、合式路由模式在网络中既使用完全分布式的自组织路由，也使用“中心”辅助路由。节点在向“中心”汇报信息的同时，也在保护局部信息。自组织路由能较好地解决源或者目的节点位于死区及源与目的节点非常邻近（跳数很少）的情况。“中心”辅助路由适用于源与目的节点之间跳数比较多或者其他通过自组织方式需要花费较大开销才能获得路由的情况。如何将自组织路由与中心辅助路由有效结合起来以提高路由性能、降低开销又能充分利用网络资源，是该种路由模式需要解决的新问题。三、结语 通过对未来无线通信中Adhoc组网可能使用的几种方式的分析发现，大规模的Adhoc单独组网由于网络容量有限，很难承担日益增长的多媒体业务，因此仅有一定的研究价值而没有太大的商业价值。小规模的 Adhoc 网络会在家庭与会议场所得到普遍的应用，同时能够通过多种路由器接入 Internet。与大规模的 Ad hoc 网络相比，将 Ad hoc 网作为接入网络与蜂窝系统相整合能够压缩基站的发射功率，扩大基站的覆盖区域，提高接入系统的速率。但是，在目前对 Ad hoc 与蜂窝混合组网的已有的研究成果中，仍然存在一些问题有待于进一步研究。