混合网中通信模式分析与解决方案

1、混合网中通信模式分析与解决方案杨卫东1, 2，张光昭2(1. 南方医科大学网络中心 广州 ；2. 中山大学电子与通信工程系 广州 ）摘要 自组织网和蜂窝网是移动通信系统的重要组成部分，两种通信系统的融合将是未来移动通信系统的重要发展方向之一。本文介绍了混合网的研究现状，并对混合网中通信模式进行了探讨，提出了新的解决方案。关键词自组织网；蜂窝移动通信；混合网；路由；通信模式1 引言 Ad Hoc是一种无基础设施的网络1，它是由多个移动节点组成的多跳无线网络，这些移动节点一般处在一个局域区域内，每个节点都具有路由器的功能，也就是说这些节点既是终端又是路由器，并通过存储转发技术帮助其他节点构成信息链

2、路。它与有基础设施网络的最大的区别是不需要预设的基础设施（如基站或接入点），网络的组织是临时的、按需的和自动的。正是这种特性使得它特别适合临时、快速组网的情况，所以经常用于军事领域、救灾、会议、车载等场合。目前，在自组织网的诸多应用中，自组织网与蜂窝移动通信系统的结合引起了学术界和产业界越来越多的关注，被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一。这是因为在传统蜂窝系统覆盖中总会存在一些地方，使得当前的通信平台不能成功地提供服务，通常这些地方被称为“盲区”，盲区可能存在于地铁站台、室内环境和地下室等。当正在通话的用户进入盲区或者当前处在盲区范围内的用户发出一个新的会话请求时，由于不能接收到来自基

3、站的通信信号导致会话丢弃或阻塞。在传统蜂窝系统中引入Ad Hoc网络2, 3可以弥补这些覆盖缺陷，还可以通过降低传输功率和关联的小区间干扰来增加系统容量及有效解决热点地区的负载均衡等问题，同时Ad Hoc网络中的移动节点亦可以通过与传统蜂窝网络的互联接入Internet。 目前，在集成移动蜂窝和Ad Hoc网络系统方面的研究工作已经取得了一些成果并在继续进行当中，本文介绍了混合网的研究现状，并在分析混合网通信模式的基础上，提出了新的解决方案，该方案能充分利用混合网中的网络资源，以达到提高系统吞吐率，优化网络负载和减少网络拥塞的目的，从而实现网络的更优化运行。2 混合网研究现状 要实现自组织网和

4、传统蜂窝网络的融合，就必须研究Ad Hoc网络的路由和编址。在Internet中，IP地址是分级的，一个IP地址分为网络地址和主机地址两部分。位于同一网络的主机具有相同的网络地址，这样做可以简化路由的处理过程。路由信息可以聚集，每个路由表项可以处理具有相同网络地址的所有主机。故在Internet中，可以使用一条路由到一个目的网络而不是该网络中的每个主机。但是Ad Hoc网络不具有这些特征，因为Ad Hoc网络一般是作为相对独立的临时性网络存在，网络中的节点可以随时加入和离开网络，并且节点可以使用任何地址，所以在Ad Hoc网络中路由只能通过目的主机来确定，而不能通过网络地址来判断节点是否属于同

5、一个网络（或是否属于Ad Hoc网络），也就是说在Ad Hoc网络中地址不再具有分级结构。为了实现自组织网和传统蜂窝网络等的互联，Ad Hoc网络中的移动节点需要一个可被寻址的IP地址，即在Ad Hoc网络中至少有一个节点具有可被路由的IP地址，作为Ad Hoc网络和Internet的网关节点。该网关节点拥有无线收发设备，同时支持Ad Hoc网络路由协议和Internet常规路由协议，所以网关发现是实现Ad Hoc网络与其他网络互联的一个关键技术，采用合适的网关发现方法可以同时解决地址分配及路由的问题。 目前，国内外学者对网关发现的解决方案进行了研究并取得了一些成果415，这些解决方案大致可以

6、分为主动（proactive）、被动（reactive）及混合（hybrid）三类，它们用在特定的网络环境下能够得到较好的吞吐率、延迟和低开销。 主动式网关发现是由网关周期性地广播网关通告（gateway advertisement，GWADV）到自组织网中的所有节点，收到来自网关的通告后，节点就利用得到的前缀信息配置一个可路由IP地址，并将到网关的路由作为默认路由插入路由表。无论何时，节点收到网关通告信息，就必须更新相关的网关信息。如果网关信息过期，节点必须删除它。 被动式网关发现方案是网关不主动广播网关通告信息，当自组织网中的节点有连接Internet要求而自己的路由表中没有到网关的默认路

7、由，或者自己保存的网关信息需要更新的时候，就主动发起网关发现请求到MANET的所有网关多播地址，中间节点收到此信息后重新广播该信息，直到网关收到该请求信息后单播一个包含网关IP地址等信息的应答信息给发起请求的节点，收到此应答信息后节点就可以生成一个到网关的路由。 混合网关发现方案是主动方式和被动方式的综合。网关在一定（半径）范围内发送网关通告信息，在此范围之外的节点如果有Internet接入要求，则自己发送网关请求报文来获取网关信息。已有的解决方法是通过实验的手段来找到一个较好的转发半径和转发频率，这在很大程度上取决于特定的网络场景和网络条件，并不是一种通用的方法。参考文献14提出了一种改进的

8、方案，当网关探测到网络拓扑发生变化时就主动广播网关通告，而且在整个Ad Hoc网络中只有将自己标志为AF的节点才转发网关通告信息，这在一定程度上减少了网关通告在全网范围内的转发。参考文献15提出了一种自适应的改变网关通告方式的方法，通过对主动式和被动式网关发现方案中网络负载的分析，得出了一个计算公式，网关可以通过该公式自适应地调节下一次网关通告转发的范围，这在一定程度上有效地控制了网关通告的洪泛，减轻了网络的负载。 对于自组织网与蜂窝移动通信系统的组网技术，国内外的研究机构和研究人员已经开展了一些研究工作，并提出了许多组网模型。 机会驱动的多址接入16,17（opportunity drive

9、n multiple access， ODMA）模型是在第三代移动通信系统中引入自组织网络的一种尝试。由于信道的路径损耗，在蜂窝小区边界处只能支持相对较低的传输速率，ODMA协议通过无线传输的多跳中继能够将蜂窝系统的高速率覆盖扩展到小区边界，从而减少传输功率和共信道干扰，增加系统容量并提高小区边界无线传输的有效性。但是ODMA模型只考虑在小区覆盖区内的ODMA终端中继问题，在这种情况下，ODMA终端都具备与基站进行基本通信的能力。 A-GSM18, 19系统是为了解决GSM网络盲区中移动终端无法进行正常通信问题而提出的。它在传统GSM蜂窝系统结构的基础上加入了中继功能，通过使用中继代理发现和切

10、换算法，进入盲区的移动节点可以与其他节点形成Ad Hoc网络，从而与蜂窝系统中的基站建立一条多跳通信路径。仿真结果显示这种方式可以有效解决盲区效应问题，并且提高系统的吞吐量。 参考文献20提出了在WCDMA蜂窝网络中加入一种称为位置辅助中继的机制，这种机制用于减小系统在市区环境下不必要的切换次数。定位技术被基站用于发现移动节点的位置，并且使用这个位置信息进行中继节点的选择和切换时刻的确定。仿真结果表明这种机制可以获得比ODMA和软切换更好的性能。 iCAR（integrated cellular and Ad Hoc relaying systems）21, 22是为了解决热点小区业务负荷过重

11、问题提出的一种新型的无线网络系统，它的基本思想是通过设置一定数量的自组织网中继站（ARS），当某小区出现业务拥塞时，利用这些ARS，实现从一个业务拥塞的小区向一个业务非拥塞的邻近小区的业务转移，以最大限度地避免或控制呼叫拥塞、掉话等。参考文献23主要讨论了混合无线系统iCAR的切换性能，仿真结果显示iCAR系统能大大降低呼叫丢弃率。 参考文献24中提出了UCAN（unified cellular and Ad Hoc network architecture），UCAN可以在维护公平性的同时提高小区的整体吞吐量，在UCAN中每个用户终端都具备两种空中接口，使其既支持3G蜂窝链路，又支持基于80

12、2.11的点到点链路。在UCAN中，用户终端发送给基站的数据分组，可以通过用户终端与基站间的高速无线链路直接送给基站，也可以利用点到点的链路先送给代理用户，再由代理用户通过高速无线链路送达基站。UCAN通过对第三代移动通信系统协议进行改造来支持新的节点类型代理节点。它的目标就是在维护公平性的同时提高系统的整体吞吐量。3 混合网中通信方式的选择及其解决方案3.1 通信方式的选择 在蜂窝移动通信系统中引入自组织网后，系统的通信模式将改变，混合网络的通信方式可分为传统蜂窝方式、自组织方式和混合方式，相应的路由模式分为传统蜂窝路由模式、自组织网路由模式和混合路由模式，也就是说系统的通信方式决定了路由模

13、式。当这几种通信方式都能实现用户的通信需求时，通信方式的选择就成为不可回避的问题。传统蜂窝通信方式虽然成熟但不能很好地解决系统盲区问题；而混合通信因需考虑通信发起时通信方式的选择和通信过程中通信方式间转换等问题，会使相应的路由协议变得非常复杂且开销较大，为此本文采用自组织网通信方式并提出了新的路由模式来解决这个问题。3.2 解决方案 由于系统的通信方式决定了系统的路由模式，因此在混合网络中采用自组织网通信方式则要采用自组织网路由模式，基于此本文提出了下列解决方案。 自组织网的结构可以分为平面和分级两种，如图1所示。 在平面结构的网络中，网络中的每一个节点（终端）都需要知道到达其他所有节点的路由

14、信息，而维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息，因此造成网络的路由开销较大且扩展性较差。而在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息，有利于减少路由开销和改善网络延迟，同时具有很好的可扩充性。此，本文采用分级结构，并在此基础上提出了新的分级路由模式。 分级结构是实现分级路由的前提，簇的形成和维护是分级结构的基础，而簇的形成和维护又取决于所采用的分簇策略或算法。3.2.1分簇策略 （1）簇成员身份的确定 网络中的移动节点（移动终端）可分为簇头、普通网关节点、接入网关节点和普通成员节点4种身份。簇头主要负责维护路由及管理和协调簇内的节点；簇之间的通信则经过普通网关来转

15、发；接入网关节点是指具有直接去往BTS（基站收发信台）的链路，而且信号很好，可直接同BTS进行通信的节点。接入网关节点可根据与BTS的链路状态来决定，一旦确定为接入网关节点则不再参与簇头的选举。 （2）簇的形成过程 （a）每个移动节点n确定各自的直接邻居节点数，即它的连接度，记为dn 。 （b）每个节点n用周期性hello消息确定其直接邻居节点的连接度，并根据自己的连接度和其直接邻居节点的连接度计算出自己的平均连接度Pn。Pn的计算公式为： 式中dni 表示节点n的第i个直接邻居节点的连接度数。 （c）每个节点根据自己的平均连接度Pn和连接度dn计算出自己的相对差值Wn， Wn的计算公式为：

16、Wn=|Pn-dn| （d）若节点为接入网关节点，不再参与簇头的选举。 （e）每个节点将自己的相对差值Wn与其直接邻居节点的相对差值相比较，如果发现自己的相对差值最小，则自动成为簇头节点，其邻居节点成为簇成员节点（已经属于某个簇的普通节点不能再属于其他簇）；如果存在相对差值相等的情况，则选择ID号（全局惟一的）较小的节点作为簇头；已经属于某簇的节点不能再参与簇头的选举。 （f）若节点在两个簇头的通信范围内且非接入网关节点，则为普通网关节点。 重复步骤（c）（f），直到所有的节点或者成为簇头，或者属于某个簇。 （3）簇的维护策略 任何节点的移动都可能影响簇的稳定性，因此设计簇结构的维护策略使簇结

17、构尽可能维持稳定是非常重要的。本文采用如下的簇维护策略。 当下列情况发生时，就会进行簇维护或更新： 当两个相邻节点之间的链路失效； 当接入网关节点身份发生变化时或者当节点转变为接入网关节点时； 当两个簇头节点相遇时，即两个簇头节点变为可以直接通信的一跳邻居节点。 两个相邻节点之间的链路失效可以分为如下3种情况。 当两个普通节点或者普通节点和网关节点之间的链路失效时，两个节点只需更新各自一跳邻居的信息表，并将各自的新的一跳邻居信息表广播给各自的邻节点即可。 当链路失效发生在普通节点和簇头节点之间或者普通节点移出所在簇到达另一簇时，普通节点和簇头节点将各自更新自己的一跳邻居信息表，并将各自新的一跳

18、邻居信息表广播给各自的邻节点，同时普通节点简单地改变一下自己的隶属关系即可。 当链路失效发生在网关节点和簇头节点之间或者网关节点移出所在簇时，网关节点和簇头节点将各自更新并广播自己的新的一跳邻居信息表。如果网关节点是普通网关节点且接收范围内仍有两个簇头节点，则它仍为网关节点，否则它将从网关节点变为普通节点。 当节点转变为接入网关节点时，只需发送消息通知邻节点即可。当接入网关节点变为非接入网关节点且接收范围内有两个簇头节点，则自动变为普通网关节点，否则自动成为普通节点，然后发送消息通知邻节点即可。当两个簇头都在对方的传输范围内时，这时就要启动簇的形成过程。3.2.2路由模式的设计 在上述分簇策略

19、的基础上，本文进行了基于“簇”的层次化路由模式设计，该路由模式是属于将先应式（预先路由）与反应式（按需路由）相结合的综合型路由模式，即在簇内采用预先路由，在簇间采用按需路由。 本文提出的路由协议包含簇的形成和维护、邻接簇查找以及路由3部分，其中簇的形成和维护利用上述的簇维护策略，下面重点介绍邻接簇查找以及路由。 （1）邻接簇查找 邻接簇查找是通过交互hello报文来实现，每个节点会在hello报文中说明自己所属的簇头，由此相邻节点可以找到所有邻接簇头。如图2所示，A、B、C均为簇头，其他节点为簇成员，簇A和B、A和C是邻接簇，f在簇A和B的传输范围内，A通过f的hello消息可以知道B和它相邻

20、，并设置f为相应的网关，B也同样。aA而bC，通过ab和aA之间的hello消息交互，A可以知道C是邻接簇头，则A设置a为通向C的网关，C则设置b为通向A的网关，由此簇头找到所有邻接簇。 （2）路由 路由包括路由查找和数据报文路由2个部分。路由查找和DSR等协议类似，但因为路由协议是基于簇的，因此只有簇头才处理“路由请求（RREQ）”报文，RREQ报文中记录了从源开始途经的簇头序列CH1，CH2，CH3，。 RREQ到达D（目的节点）后，D将RREQ中记录的路由写入“路由回答”中，并沿该路由反向将回答发给S（源节点）。 在数据通信中使用源路由机制和缩短路由优化，S将路由CH1，CH2，CHi，

21、CHi+1，D写入数据报文的头部并发送，当某个簇头CHi收到数据报文，若有到目的D更短的路由，则用该路由替换原报文头部记录的长路由并转发，同时将这个短路由通知S。否则，CHi将数据发给CHi+1。 路由协议通过周期性的hello报文监测链路的状态，当某个主机在转发报文时发现要使用的链路断开，主机将发送“路由错误”（RRER）给S，并同时进行局部修复：主机查找是否可以通过其他直接到达断开链路的下游簇头或下下游簇头，若有，主机通过新的路径将数据送达D。D收到这样的报文，发送RREP将新的路由通知S，随后S使用新的路由发送数据，若主机局部修复失败，S在超时收不到新路由时将重新查找路由。 上述路由查找

22、和数据报文路由是针对同一小区的，这样既可以解决通信发起时通信方式的选择和通信过程中通信方式间转换等问题，又可以利用自组织方式本身的特点解决系统本身的覆盖缺陷。对于不同小区之间的路由查找，则需要利用接入网关节点通过BTS查找，再通过查找到的路由进行报文转发，此时需要进行通信方式的转换。4 结束语 自组织网与蜂窝移动通信系统的融合被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一。本文首先介绍了混合网的研究现状，然后在分析混合网通信模式的基础上，提出了解决混合网通信的路由模式，即采用在基于节点平均连接度的成簇策略和动态的簇维护机制基础上，将预先路由与按需路由相结合的综合型路由模式，该路由模式能充分利用混合

23、网中的网络资源，减少系统开销，达到提高系统吞吐率，优化网络负载和减少网络拥塞的目的，实现网络的更优化运行。参考文献1Yang Weidong, Zhang Guangzhao. A weight-based clustering algorithm for mobile Ad Hoc network. In: Proceedings of the Third International Conference on Wireless and Mobile Communications, Guadeloupe, March 20072Cavalcanti D, Agrawal D, Cordeiro C, et al. Issues in integrating cellular networks, wlans, and manets: a