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1、多跳蜂窝网络技术 http:/ 2006 年 9 月 14 日 10:52 慧聪网通信行业频道 摘要：无线自组织网与未来公共移动通信系统的结合吸引了学术界和产业界的越来越多研究与关注，本文将就国内外发展趋势，主要研究的问题与结论，未来的研究方向等做一综述介绍。引言随着第三代移动通信系统（IMT-2000）逐渐进入商用，国内外有关第四代移动通信的研究已初见端倪。1999 年，BeyondIMT-2000 的概念与需求首次被 ITU 列入议事日程，并在2001 年 10 月的 RWP8F 会议上得到了初步的明确：BeyondIMT-2000 是广泛用于各种电信环境的无线通信系统的总和，包括蜂窝、固
2、定无线接入、游牧（Nordic）接入系统等1。因此，第四代移动通信系统是一个多种通信系统的综合体，它将会由多种接入网构成、能够支持多种业务无缝通信。其网络结构如下图所示： 图 1 未来移动通信系统结构在这样一个通信系统框架下，多跳蜂窝网络以其独特的灵活性和可扩展性将成为该网络框架的重要组成形式。所谓多跳蜂窝网络就是将蜂窝网和自组织网相融合，在蜂窝系统中引入自组织通信方式，允许终端之间通过多跳转发直接进行通信甚至组成局域子网。1.自组织通信方式无线移动自组织网这个概念，起源于上个世纪 70 年代美军的军事通信系统 PRnet2，它是由若干可移动的节点组成，这些节点兼备路由器和主机两种功能：作为主
3、机，每个节点需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，每个节点需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。自组织网具有网络组织临时性，自动性；网络拓扑动态变化；可以不依赖于基础设施快速展开；网络控制无中心，分布化等特点。因此在军事和民用系统获得了广泛的应用。主要应用领域包括：安防监控、应急通信、抢险等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。【移动自组织网】2.引入自组织方式的必要性移动通信系统的发展过程中，其网络拓扑均离不开“蜂窝式”结构，即星形结构。这种拓扑结构容易受单点故障的困扰，网络抗毁性差。由于没有负载平衡能力，网络中常常出现局部业务过载的现象，
4、称为“热点”小区问题。同时，随着网络流量和数据率的增加，网络中的用户设备必须相应地提高其输出功率，或者缩小蜂窝小区的尺寸。然而这两种措施并不能解决根本问题，相反会加大用户间的干扰并且增加网络的投资成本。多跳蜂窝网络则通过引入自组织方式解决了这些问题，因而就有较高的性能优势，主要体现在以下几个方面：l形成局域子网采用自组织方式，用户可以动态地组成区域性网络实现局部业务传输，称为自组织局域子网，简称局域子网。这样，局部业务不再通过基站扩散到整个网络中，而是通过多跳直通完成，从而缓解基站的瓶颈效应；同时在没有基础设施支持或基础设施毁坏（例如灾后救援）时仍可以在一定程度上实现通信。l虚拟小区扩展虚拟小
5、区扩展是在移动通信系统中引入自组织方式的一个重要原因。引入自组织方式后，终端与基站设备间距离较长的数据链路可以通过多跳转换成多个短距离的数据链路，这样可以弥补覆盖缺陷，扩大覆盖区域，转移流量。在现有移动通信系统和其它无线网络的覆盖区域内总存在一些死区：一种是任何种类的信号都不可达；另一种是高速率业务不可达，但同步信号，信令信号，低速率语音业务信号可达的死区。引入自组织通信方式，可以有效地弥补以上两种覆盖缺陷。此外，对于既有蜂窝网中存在的由于小区业务量过载造成的呼叫阻塞和切换断链问题，终端可以通过自组织方式多跳接入邻近小区来解决8。上述两种情况都可以看作是将某些小区的覆盖范围虚拟地进行了扩大。对
6、于前者，可以使死区中原来不能通信的节点或是不能实现高速数据通信的节点具有相应的通信功能。而后者可以等效为把小区的覆盖范围延伸到了邻近小区中。l虚拟小区分裂 终端间的多跳通信还可以使总发射功率降低、空间复用程度增加，且可能带来系统容量的大幅增加。这样在不需要增加基站的情况下，依靠移动终端就可以形成地域上更小的虚拟小区，我们称之为虚拟小区分裂。总之，多跳蜂窝网络由于引入自组织方式，使网络具备了很高的自适应性和智能性。用户不仅可以动态的组成区域性网络，还可以使用更小的功率完成多跳通信过程，实现虚拟小区扩展和虚拟小区分裂。这些优势的结合使得这种新型混合移动通信系统具有很大的技术潜力。3.研究现状WWR
7、F 中，WG4 的 AdHocNetworking 子组在其 2003 年的白皮书3中提出，无线自组织网在未来移动通信系统中的主要应用场合包括了以下 6 个方面：Adhoc 网单独组网方式：Ad-hoc 网与 fixed/overlay 网相结合：在公共移动通信系统中结合 Adhoc 网：多跳增强的基础设施网个域网 传感器网其中在无线自组织网与公共移动通信系统的结合这一方面，目前国外的一些研究机构已经开展了一定研究工作，其中主要包括：ODMA，A-GSM，SOPRANO，iCAR 等。ODMA2(OpportunityDrivenMultiple Access)是由 3GPP TR25.924
8、 提出的在 UTRA TDD 模式中支持移动终端中继的一种尝试，这种网络模型可以被看作是当前的 UMTS TDD 模式的扩展。ODMA 系统有两种通信模式：多跳转发模式和直通模式。两种通信模式使用相同的无线资源。各个小区的覆盖区域都划分为高速率覆盖区、低速率覆盖区和无覆盖区。系统中的用户同时具备与基站进行基本通信的能力和为其它用户进行数据转发的能力。通过其它用户的多跳转发，低速率区域的用户可以获得蜂窝网络提供的高比特率业务，从而通过多跳转发实现高速率业务的覆盖扩展。 MCN3(Multi-hopCellularNetworks)是由台湾立交通大学信息计算科学系的 Ying-DarLin 和 Y
9、u-Ching 提出的一种在蜂窝网络内通过多跳方式建立连接的网络模型。MCN 的带宽资源被分成覆盖范围不同的控制信道和数据信道两类，其中控制信道的覆盖半径是小区半径 R，而数据信道的覆盖仅是 R/K（K为复用因子）。网络中的每个节点都周期地向 BS 发送从邻接节点接收到的信标功率（Beacon Power）信息，由 BS 根据这些信息估计节点间的距离，计算网络的连通状态。各个 MCN 的节点都是通过接入 BS 来进行通信的。接入的方式分为直接接入方式和多跳转发接入方式。在多跳转发接入方式中，节点首先向 BS发送路由请求。BS 则依据当前的网络连通状态计算该节点到基站的路由信息，在回复信息中发送
10、给节点，其中包括路径中每一跳节点的地址和节点使用的数据信道类型。该节点就按照 BS指配的路径接入 BS 进行通信。UCAN4(UnifiedCellularandAdHoc Network Architecture)是贝尔实验室和加利福尼亚大学的 Haiyun Luo、Ramachandran Ramjeey、 Prasun Sinhaz、 Li (Erran) Liy、Songwu Lu 等人提出的一种具有多种通信模式的混合网络模型。该模型下的每个节点都同时具备两种空中接口，使其既支持 3G 蜂窝链路（HDR）也支持基于 802.11b 的点到点广播链路。用户终端与基站间交互的数据分组，既可
11、以通过用户终端与基站间的无线链路直接进行通信；也可以先利用点到点的802.11b 广播信道多跳转发给代理用户，再由代理用户与基站间利用 3G 无线链路进行通信。仿真结果表明：在用户密集的区域，与蜂窝网络相比，UCAN 可以有效地提高单个用户的吞吐，并且可以提高整个蜂窝小区的吞吐。在采用按需的代理搜索算法的情况下，与普通的 3G 系统相比，UCAN 系统的单用户吞吐可以提高 310%，而小区的整体吞吐量可以提高 60%。 A-GSM5是受英国 Lucent 技术公司资助，对下一代 GSM 蜂窝网中继能力进行研究的课题。该课题研究人员试图在尽可能减少对现有 GSM 系统的改动的基础上，使移动台具有
12、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（基站和基站控制器）、MSC、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），这种双模终端具有两种空中接口：GSM 空中接口和无线多跳（或者 ad hoc）空中接口。得到的结论是：引入 A-GSM 后系统吞吐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。 PARCELs6是由耶鲁大学计算机科学系的 Jie(Jay)Zhou和 YangRichard 提出的一种新型网络系统。系统中的用户同时具有两种空中
13、接口：R 接口和 C 接口。作者认为：自组织网在业务吞吐量、延时与功率方面的性能要优于小区结构的蜂窝网络，但自组织网的通信范围十分有限，远不能达到蜂窝网所能达到的范围。因此，综合考虑自组织网和现有蜂窝网各自的优点，作者提出了一种在蜂窝网中引入遍布的自组织网转发方式的网络结构，以解决目前在蜂窝网中出现的“Hot-spot”问题。MADF7(MobileAssistedDataForwarding)是由斯坦福大学的 X.Wu 和 S.H.G.Chan 等提出的网络模型，其设计目的是动态地将热点小区的业务向邻接的小区转移。MADF 在小区内设置了一些具有转发能力的专用节点，并将小区的信道资源预留一定
14、数量的转发专用信道。在网络中，能够为其它用户转发数据的中间节点称为转发代理，这些节点通过测量平均分组时延和小区内每秒传输的分组数量来判断小区的传输负载。当负载超过一定门限时，代理节点通过转发信道，广播一个信令信息以表示可以为其它用户进行数据转发，以此来接入邻接小区。根据自己的业务需求和代理节点要接入的邻接小区的业务量，其它用户可选取代理节点为其转发数据，从而完成了业务量从热点小区向邻接小区的转移。 HWN8(HybridWirelessNetworkArchitecture)是由 IBM的 H.Y.Hsieh 和 R.Sivakumar 提出的一种支持多跳的蜂窝网络模型。在 HWN 中，网络具
15、有两种工作模式：Ad hoc 模式和Cellular 模式。Cellular 模式适合于节点密度较小的环境，在该模式下各个节点都直接通过 BS 转发数据，不需要中间节点进行中继。Adhoc 模式则适合于节点密度较高的环境，该模式下的各个节点都采用动态源路由（DSR）机制，业务数据直接由中间节点中继转发，而不必经过 BS。无论工作在哪种模式，网络中的节点都要周期地向 BS 发送自身的位置信息，由 BS 将这些信息转化成网络的拓扑信息，并计算各个节点的最小发射功率、小区的实际吞吐和小区的仿真吞吐。其中，节点的最小发射功率是用来保证当小区工作在 Adhoc 模式时，整个小区不会出现网络分割。小区的仿
16、真吞吐是 BS 依据当前的拓扑结构，用仿真算法得到的一种仿真吞吐值。无论小区处于那种工作模式，BS都要计算在当前拓扑结构下，另一种工作模式可获得吞吐的仿真值。小区的实际吞吐如果低于这个仿真值超过一定的门限，BS 就以广播的形式通知小区的所有的节点切换工作方式，使整个小区获得最大的吞吐量。 MuPAC9(Multi-powerArchitectureforCellular Networks)是由印度科技学院计算机科学工程系的 K.J.Kumar 和 B.S.Manoj 等提出的一种具有多种功率特性的网络系统结构。在该系统中，带宽被划分成多种信道。一个 n 信道 MuPAC 系统包括有一个控制信道和 n 个数据信道。其中，数据信道又根据覆盖半径的不同，分为一类数据信道和二类数据信道。控制信道的覆盖半径为小区半径 R，一类数据信道的覆盖半径为 R/3，
