Adhoc技術在未來無線通信中的應用分析研究 通信工程專業(yè)

Adhoc技術在未來無線通信中的應用

摘要討論了Adhoc技術在未來無線通信中的組網(wǎng)。在未來的移動接入網(wǎng)中，Adhoc可以獨立組網(wǎng)也可以與其他網(wǎng)絡整合組網(wǎng)。大規(guī)模的獨立Adhoc網(wǎng)由于其面臨安全、成本、傳輸性能等問題，不具有商業(yè)價值；小規(guī)模的Adhoc網(wǎng)可以作為接入網(wǎng)與其他網(wǎng)絡整合組網(wǎng)。提出了兩種較為可行的整合方案，將小規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡通過網(wǎng)關與Internet和蜂窩網(wǎng)絡整合，充分利用了Adhoc網(wǎng)簡單靈活等優(yōu)勢。同時也對整合網(wǎng)絡的研究現(xiàn)狀和所面臨的問題進行了總結。

Adhoc技術研究開始于20世紀70年代。美國DARPA出于軍事需要開始研究分組無線網(wǎng)（PRNET：PacketRadioNetwork）在戰(zhàn)場環(huán)境下數(shù)據(jù)通信中的應用。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡不同的是，Adhoc網(wǎng)絡既不需要固定的網(wǎng)絡結構，也沒有專用的固定的基站或路由器作為網(wǎng)絡的管理中心。網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都具有路由器功能，能夠發(fā)現(xiàn)和維護到其他節(jié)點的路由，并向鄰居節(jié)點發(fā)射和轉發(fā)數(shù)據(jù)分組。由于其組網(wǎng)簡單靈活、成本低以及生存能力強等特點，應用范圍不斷擴大，由最先的軍用擴大到地震、火災等緊急通信場合。目前，作為B3G系統(tǒng)的重要特點之一，Adhoc技術正在逐漸成為研究的熱點。

文章對Adhoc技術在未來無線通信中應用可能會采取的組網(wǎng)方式進行了研究，分析了各種方式的優(yōu)缺點。

一、Adhoc獨立組網(wǎng)

獨立組網(wǎng)意味著同一網(wǎng)絡中的各節(jié)點彼此通信，而不與任何有基礎設施的網(wǎng)絡相連。獨立的Adhoc網(wǎng)分為兩種類型：大型Adhoc獨立網(wǎng)絡和小型Adhoc獨立網(wǎng)絡。

1.大規(guī)模獨立Adhoc網(wǎng)絡

大規(guī)模的獨立Adhoc網(wǎng)絡包括成百上千個節(jié)點。有研究者曾建議應用大規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡形成無線城域網(wǎng)，甚至廣域網(wǎng)，替代現(xiàn)有的有線通信網(wǎng)絡。目前看來，這種想法不太切合實際的情況，缺乏潛在的商業(yè)價值，僅可以作為一種方案用來進行科學研究。因為Adhoc適用于在某些特定的場合用非常少的數(shù)據(jù)傳輸非常重要的信息，例如在戰(zhàn)場傳達命令和在高速公路上通知其他車輛關于交通堵塞的情況等。大規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡不適合傳輸大量的信息，因為大規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡會產生高風險、高成本、低效率等問題。

（1）安全問題

無線信道暴露在外部環(huán)境中，很容易被竊聽和干擾，受到主動入侵、偽造身份以及拒絕服務等攻擊。另外，無中心無組織的網(wǎng)絡結構也很容易受到攻擊。由于沒有任何集中控制的基礎設施，要想采用密鑰分發(fā)中心或信任證書權威機構提供密鑰和數(shù)字證書幫助結點相互認證是非常困難的。

在安全路由領域，未來研究中最重要的是跟蹤和消除行為失效節(jié)點。跟蹤和消除這些現(xiàn)有路由的一部分失效節(jié)點可以預防網(wǎng)絡隔離問題。這些問題在無線Adhoc這種沒有中心控制職能的網(wǎng)絡中非常重要。因為在無線Adhoc網(wǎng)中個體節(jié)點作為路由器，在它們的無線覆蓋范圍內轉發(fā)信息包。如果一個節(jié)點受損或失效，經過這個節(jié)點的路由就會受到威脅，這樣就需要一種機制來挽救節(jié)點失效或崩潰時的路由。無線Adhoc網(wǎng)絡中的節(jié)點是移動的，如果一個節(jié)點是一些失效路由的組成部分，就會導致網(wǎng)絡隔離：網(wǎng)絡的一部分不能與另一部分通信。在大規(guī)模的Adhoc網(wǎng)中很難找到一種完善的安全機制滿足上述條件。

（2）過高的路由成本

隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，信令的成本會急劇增加。在IETF的路由協(xié)議草案，如AODV、DSR等被動路由協(xié)議中，源節(jié)點需要洪泛路由請求來尋找到目的節(jié)點的路由，在大規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡中，這種洪泛路由請求過程會消耗大量的網(wǎng)絡資源。

（3）傳輸性能的變化

除了安全和路由問題之外，Adhoc網(wǎng)絡在時延和吞吐量等傳輸性能方面的指標也會隨著跳數(shù)的增加而急劇下降。

2.小規(guī)模的Adhoc獨立組網(wǎng)

與大規(guī)模的Adhoc單獨組網(wǎng)相比，小規(guī)模的Adhoc單獨組網(wǎng)具有較大的商業(yè)價值，其應用環(huán)境包括家庭、商務會議區(qū)以及醫(yī)院等。例如家庭環(huán)境中，Adhoc可為用戶建立無線家庭網(wǎng)絡，可以把所有的家電用網(wǎng)絡連接起來，比如把電腦、音響、廚房用具、保安系統(tǒng)等連在一起，從而更方便交流，還可實現(xiàn)資源共享。不斷涌現(xiàn)的無線局域網(wǎng)技術像802.11、藍牙等也給Adhoc的發(fā)展提供動力。

在實際應用中，Adhoc網(wǎng)絡除了可以單獨組網(wǎng)實現(xiàn)局部的通信外，它也可以作為末端子網(wǎng)通過接入點接入其他的固定或移動通信網(wǎng)絡，與Adhoc網(wǎng)絡以外的主機進行通信。因此，Adhoc網(wǎng)絡也可以作為各種通信網(wǎng)絡的無線接入手段，這就是下面要談的整合的Adhoc網(wǎng)絡。

二、整合的Adhoc網(wǎng)絡

1.Adhoc網(wǎng)絡與Internet整合

（1）Adhoc與Internet整合的網(wǎng)絡拓撲

圖1是使用三種網(wǎng)關把Adhoc網(wǎng)絡與Internet相整合的場景。無線Adhoc網(wǎng)關（WA-GW：WirelessAdhocGateway）以及移動Adhoc網(wǎng)關（MA-GW：MobileAdhocGateway）、移動熱點網(wǎng)關（MH-GW：MobileHotspotGateway）被用來整合小規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡與基于IP的寬帶接入網(wǎng)。從圖中可以看出，Adhoc移動終端通過網(wǎng)關與AP相連，再通過AP接入Internet。

為什么Adhoc移動終端不能夠直接連接AP呢?首先，在Adhoc網(wǎng)絡中使用的空中接口與接入網(wǎng)的空中接口不同；其次，一個Adhoc網(wǎng)絡中的移動終端有可能在AP的覆蓋范圍之外；再者，Adhoc網(wǎng)絡中的移動終端沒有有效的IP地址來接入全球的Internet。因此，Adhoc網(wǎng)關對于Adhoc終端接入Internet是必要的。由于Adhoc網(wǎng)絡中的終端在通信過程中會移動，能夠使數(shù)據(jù)包從終端傳送到網(wǎng)關的動態(tài)路由協(xié)議就很有必要。IETF中的幾個協(xié)議草案像DSR、AODV等路由協(xié)議就會被應用。但是這些協(xié)議都是針對純Adhoc網(wǎng)絡的，所以有必要把這些協(xié)議同有基礎設施的移動IP路由協(xié)議相結合。Adhoc網(wǎng)關能夠將數(shù)據(jù)包在不同的域之間進行路由。接入網(wǎng)由網(wǎng)關、交換機及接入點組成。網(wǎng)關連接到Internet，根據(jù)覆蓋范圍的不同，有一個或者多個交換機連到網(wǎng)關。每個交換機都連了一定數(shù)量的AP，網(wǎng)絡是可升級的，能夠獲得任何規(guī)模的無線覆蓋。隨著覆蓋規(guī)模的增大，比如要覆蓋整個城市，可以通過增加網(wǎng)關的數(shù)目來實現(xiàn)。網(wǎng)關可以通過分級的方法來實現(xiàn)宏移動支持。在接入網(wǎng)的第二層，包交換同第三層的IP路由相融合，實現(xiàn)對快速高效的移動性的支持。移動終端在同一個接入網(wǎng)內由交換機和網(wǎng)關的二層路由表進行處理。這種情況下，IP層沒有意識到移動終端的移動。如果移動終端從一個接入網(wǎng)切換到另外一個接入網(wǎng)，終端的移動就由IP層的路由協(xié)議來處理。通過對二層路由表的分級更新，帶有高效微移動支持的接入網(wǎng)實現(xiàn)IP服務的無縫覆蓋。根據(jù)應用的場合不同，Adhoc網(wǎng)關分為三種：WA-GW網(wǎng)關由網(wǎng)絡運營商提供，為公眾提供服務，可以固定在公共場所；MA-GW是一種是可移動的網(wǎng)關，可以集成在終端上，用戶可以通過它隨時連接到AP，其靈活性大大增加，但是由于其移動性，所以不像WA-GW那么穩(wěn)定；MH-GW是由網(wǎng)絡運營商來提供的一種較為靈活的網(wǎng)關，其移動性介于前兩者之間，它對接入網(wǎng)來講是移動的，對Adhoc網(wǎng)來說是固定的，有點類似于移動通信中為解決熱點地區(qū)覆蓋使用的車載基站。

除了能夠向Adhoc網(wǎng)絡提供擴展的多媒體服務之外，WA-GW和MH-GW還能夠提供本地內容服務。運營商可以通過向用戶提供Internet服務、本地內容和AAA認證等服務來向用戶收取相關的費用。

圖1

Adhoc與Internet整合網(wǎng)絡拓撲

（2）Adhoc與Internet整合后的運行模式

圖1中網(wǎng)絡的運行過程可以描述如下：Adhoc終端在接入Internet之前首先找到Adhoc網(wǎng)關，Adhoc網(wǎng)關周期性地向周圍發(fā)送廣播包來廣播自己的存在。如果Adhoc終端距離網(wǎng)關只有一跳的距離，那么終端就通過接收廣播信息來找到Adhoc網(wǎng)關；如果距離超過一跳，終端會向周圍節(jié)點發(fā)送“網(wǎng)關尋找”的控制包，其中包含有本終端的歸屬IP地址和MAC地址，然后Adhoc移動終端會收到來自一個或者幾個Adhoc網(wǎng)關的應答。Adhoc移動終端會選取跳數(shù)最少的作為其網(wǎng)關接入Internet。終端產生的IP數(shù)據(jù)包被封裝成Adhoc數(shù)據(jù)包發(fā)送到Adhoc網(wǎng)關，網(wǎng)關去除Adhoc的包頭，然后將包路由到接入網(wǎng)中。

2.Adhoc與蜂窩系統(tǒng)相整合

為解決蜂窩通信系統(tǒng)與無線局域網(wǎng)整合應用范圍不廣的問題，在蜂窩通信系統(tǒng)中引入無線自組網(wǎng)成為目前研究的一個熱點。圖2中，Adhoc網(wǎng)絡通過MA-GW和MH-GW與蜂窩系統(tǒng)混合組網(wǎng)。

圖2

Adhoc網(wǎng)絡與蜂窩系統(tǒng)混合組網(wǎng)

（1）蜂窩系統(tǒng)與Adhoc網(wǎng)絡整合的必要性

首先，能夠對蜂窩系統(tǒng)中的盲區(qū)起到覆蓋作用。在一些基站覆蓋不到或者信號很弱的地區(qū)，通過其他處于基站與移動臺終端中間的中繼節(jié)點轉發(fā)，將有效提高信號的覆蓋。

其次，可以對網(wǎng)絡的負載起到均衡作用。蜂窩系統(tǒng)中，各蜂窩小區(qū)話務量不平衡且動態(tài)變化，引入自組網(wǎng)的動態(tài)中繼，將一個小區(qū)的流量分流到周邊小區(qū)，有效地緩解了由于容量飽和而造成的呼叫阻塞和切斷鏈。

再次，對于距離比較近的移動節(jié)點，可以通過自組網(wǎng)直接通信，不占用蜂窩網(wǎng)的資源，減少蜂窩系統(tǒng)的負擔，提高系統(tǒng)的總容量。

最后，提高移動節(jié)點接入蜂窩系統(tǒng)的速率。在多跳多速率的網(wǎng)絡中，采用多跳高速率的路由代替一跳低速率的路由，只要能夠有效地減少信道的占用時間，就能提高系統(tǒng)總的吞吐量。GPRS每時隙可提供的傳輸速率為CS21（9.05kbit/s）、CS22（13.4kbit/s）、CS23（15.6kbit/s）及CS24（21.4kbit/s），其中CS23、CS24只有在距離基站較近且信號較好的地區(qū)才能夠使用，目前普遍采用的是CS21和CS22信道編碼方案。CDMA1X網(wǎng)絡的情況與GPRS類似，提供38.4～2457.6kbit/s的各種數(shù)據(jù)速率，但達不到較高的接入速率。因此，蜂窩系統(tǒng)中引入自組網(wǎng)方式使移動節(jié)點都能采用較高的接入速率，將提高整個系統(tǒng)的吞吐量。

（2）Adhoc與蜂窩系統(tǒng)整合的研究現(xiàn)狀

無線Adhoc與蜂窩移動通信系統(tǒng)整合方面，目前國外的一些研究機構已經開展了一定研究工作，其中主要包括：ODMA（OpportunityDrivenMultipleAccess）、A-GSM、SOPRANO（Self-OrganizingPacketRadioAdhocNetworkswithOverlay）、iCAR（IntegratedCellularandAdhocRelayingSystems）等以下分別給予說明：

●ODMA可以被看作是當前的UMTSTDD模式的擴展。ODMA系統(tǒng)有兩種通信模式：多跳轉發(fā)模式和直通模式，兩種通信模式使用相同的無線資源。各個小區(qū)的覆蓋區(qū)域都劃分為高速率覆蓋區(qū)、低速率覆蓋區(qū)和無覆蓋區(qū)。系統(tǒng)中的用戶同時具備與基站進行基本通信的能力和為其他用戶進行數(shù)據(jù)轉發(fā)的能力。通過其他用戶的多跳轉發(fā)，低速率區(qū)域的用戶可以獲得蜂窩網(wǎng)絡提供的高比特率業(yè)務，從而通過多跳轉發(fā)實現(xiàn)高速率業(yè)務的覆蓋擴展。

●A-GSM在盡可能減少對現(xiàn)有GSM系統(tǒng)的改動的基礎上，使移動臺具有中繼功能，由此來增強GSM網(wǎng)絡的覆蓋。即在保持原有GSM基站子系統(tǒng)（基站和基站控制器）、MSC和網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫（HLR、VLR、EIR、AC）基本不變的情況下，引入集成雙模終端（IntegratedDualModeTerminals），該終端具有兩種空中接口：GSM空中接口和無線多跳（或者Adhoc）空中接口。得到的結論是：引入A-GSM后，系統(tǒng)吞吐量性能得到了很大程度的改善，移動終端個數(shù)越多，A-GSM系統(tǒng)吞吐性能越好，改善越多。

●SOPRANO在CDMA蜂窩系統(tǒng)中增加無線路由器。在僅使用功率控制技術和經典技術的情況下，會導致網(wǎng)絡吞吐量的下降；但是，路由器的增加大大降低了功率總和，利用容量增強新技術（例如：MIMO、空時編碼、多用戶檢測、智能天線）可以將這種功率降低轉化為容量上升，因而改善了系統(tǒng)的總體性能。

●Sphinx在蜂窩網(wǎng)模型中引入對等（P2P：peer-to-peer）網(wǎng)絡模型（自組織網(wǎng)），支持節(jié)點通過多跳轉發(fā)來進行通信。得出的結論是：混合網(wǎng)絡模型在吞吐量和功耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡模型，在資源公平分配方面以及對移動性與業(yè)務位置變化的適應性方面優(yōu)于P2P網(wǎng)絡模型。

iCAR在網(wǎng)絡中設置一定數(shù)量的Adhoc中繼站（ARS）。當某小區(qū)出現(xiàn)業(yè)務擁塞時，利用這些ARS，可以向業(yè)務沒有擁塞的鄰近小區(qū)轉移業(yè)務。這樣可以控制或避免呼叫擁塞、掉話等。其結論是：在蜂窩系統(tǒng)中引入Adhoc中繼站可以有效地降低呼叫阻塞概率，提高系統(tǒng)的吞吐。

通過對現(xiàn)有研究的分析，引入Adhoc技術的多跳蜂窩網(wǎng)絡的本質特征主要體現(xiàn)在：用戶終端不僅要支持與基站的通信方式，還必須支持P2P直接通信的方式并進行組網(wǎng)。實現(xiàn)這一要求的方法可以歸納為兩種：增強用戶終端的功能（SMT：SuperMobileTerminal）和設置專用中繼節(jié)點（DRN：DedicatedRelayNode）。SMT方式的用戶終端功能增強是相對終端的現(xiàn)有功能而言。其方法主要有：①在網(wǎng)絡中增加新的無線資源，使用戶終端支持多種空中接口，從而具備中繼轉發(fā)能力；②在現(xiàn)有的無線資源環(huán)境下，通過改造終端使其具有中繼轉發(fā)能力。DRN方式是指由移動網(wǎng)絡運營商設置一些移動或固定的專用中繼節(jié)點，負責為附近的用戶進行數(shù)據(jù)的轉發(fā)，以支持終端間的自組織通信方式。

（3）Adhoc與蜂窩系統(tǒng)整合研究面臨的問題●網(wǎng)絡容量分析

雖然多跳蜂窩網(wǎng)絡是移動通信領域中的熱點問題，有許多學者正在對其進行研究，但是對于引入自組織方式后是否能帶來容量上的好處還尚有爭議，沒有達成共識。定性地來看，引入自組織方式后多跳蜂窩網(wǎng)絡具有三點性能優(yōu)勢：首先，通過多跳轉發(fā)機制降低了發(fā)射功率，使得信道空間復用性提高；其次，采用自組織方式建立局部業(yè)務，減輕了基站的瓶頸效應；第三，通過轉移熱點小區(qū)的流量，實現(xiàn)資源的動態(tài)調節(jié)，提高了資源利用率。以上這些優(yōu)勢都有益于系統(tǒng)容量的提高。但是另一方面，多跳轉發(fā)增加了總體的發(fā)送次數(shù)，不利于系統(tǒng)容量的提高。因此，綜合正反兩方面因素不容易直觀地斷定引入自組織方式后容量是否會提高，必須開展定量分析。

目前，對這一問題進行研究的有Sphinx項目和SOPRANO項目等。Sphinx項目在ns-2平臺上對他們提出的混合網(wǎng)絡模型進行了仿真，結果表明該混合網(wǎng)絡模型在吞吐量和功耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡模型。SOPRANO項目分析了同步的CDMA混合網(wǎng)絡的容量，其結論是：在CDMA蜂窩系統(tǒng)中增加無線路由器，僅使用功率控制技術和經典技術，不一定能夠使網(wǎng)絡吞吐量上升；但是，路由器的增加大大降低了發(fā)送功率總和，利用MIMO、智能天線、多用戶檢測等容量增強技術可以將功率上的降低轉化為容量上的提高。但是，該結論是在一些約束條件下獲得的，且沒有考慮局部業(yè)務使用局域子網(wǎng)通信這種情況。

●彌補覆蓋缺陷問題的定量分析

如前所述，引入自組織方式有助于解決蜂窩網(wǎng)絡的覆蓋缺陷問題。目前，國內外對這一問題研究的較少，并沒有定量的刻畫和評估。雖然引入自組織方式會有效地彌補覆蓋缺陷是顯而易見的，但是究竟能帶來多大的好處，需要做定量的分析，這對未來的網(wǎng)絡規(guī)劃、成本核算以及整體網(wǎng)絡性能的評估是很有益處的。

●通信模式的選擇問題

在引入自組織方式的蜂窩系統(tǒng)中，有3種通信方式：自組織方式（相當于構建一個自組織局域子網(wǎng)，簡稱局域子網(wǎng)）、蜂窩方式（與經典的蜂窩方式相同）以及混合方式（經過多跳中繼最終接入基站）。因此，當這幾種通信方式都能實現(xiàn)用戶的通信需求時，就不可回避地要解決通信方式的選擇問題。

通信方式的靈活選擇是一個重要的問題，也是網(wǎng)絡智能性和自適應性的重要體現(xiàn)。其研究的主要問題包括業(yè)務初始時的方式選擇和業(yè)務過程中的方式轉換兩部分。選擇算法的實質就是要在綜合考慮多種相關因素的基礎上確定出一個準則，依據(jù)各種業(yè)務需求和網(wǎng)絡狀態(tài)信息選擇合理的通信方式。然而，由于網(wǎng)絡狀態(tài)復雜多變，支持的業(yè)務種類繁多，通信初始階段和切換階段通信方式的選擇不僅要考慮通信范圍，而且還要綜合考慮當前網(wǎng)絡資源的利用率、網(wǎng)絡的負載均衡程度、業(yè)務的QoS要求以及用戶的移動特性等各種因素。同時，如何衡量一種通信方式選擇機制的優(yōu)劣，確定出有效的優(yōu)化函數(shù)關系也是一個研究的難點問題。所以，選定一種既能充分優(yōu)化網(wǎng)絡性能又能滿足業(yè)務QoS要求的準則和決策算法是非常重要但卻比較困難的問題。

●混合路由問題

與單純自組織網(wǎng)絡不同，多跳蜂窩網(wǎng)絡中可能還包括計算能力