移动接入网中
点对点(Ad hoc)可以独立组网也可以和其它网络整合组网
大规模独立Ad hoc网由于其在安全性、建设成本、传输性能等方面面临问题不具有商业价值；小规模Ad hoc网可以作为接入网和其他网络整合组网文章提出了两种较为可行整合方案通过网关将小规模Ad hoc网络和Internet和蜂窝网络整合充分利用了Ad hoc网简单、灵活等优势文章同时也对整合网络研究现状和所面临问题进行了整理总结点对点(Ad hoc)技术研究开始于20世纪70年代
和传统无线网络区别是:Ad hoc网络既不需要固定网络结构也没有专用固定基站或路由器作为网络管理中心网络中每个节点具有路由器功能能够发现和维护到其它节点路由向邻居节点发射和转发数据分组由于其组网简单灵活、成本低、生存能力强等特点Ad hoc网络应用范围不断扩大由最先军用扩大到地震、火灾等紧急通信场合目前作为后3G(B3G)系统重要特点的
Ad hoc技术正在逐渐成为研究热点1、Ad hoc独立组网
独立组网意味着同
网络中各节点彼此通信而不和任何有基础设施网络相连独立Ad hoc网分为两种类型:大型Ad hoc独立网络和小型Ad hoc独立网络1.1 大规模独立Ad hoc网络
大规模独立Ad hoc网络包括成百上千个节点
有研究者曾建议应用大规模Ad hoc网络形成无线城域网(甚至广域网)替代现有有线通信网络目前看来这种想法可以作为种方案用来进行科学研究但缺乏潜在商业价值
Ad hoc只适用于在某些特定场合用非常少数据传输非常重要信息如在战场传达命令或在高速公路上通知其它车辆有关交通堵塞情况等大规模Ad hoc网络不适合传输大量信息大规模Ad hoc网络会产生高风险、高成本、低效率等问题1.1.1 安全问题
无线信道暴露在外部环境中
很容易被窃听和干扰受到主动入侵、伪造身份、拒绝服务等攻击另外无中心、无组织网络结构也很容易受到攻击由于没有任何集中控制基础设施要想采用密钥分发中心或信任证书权威机构提供密钥和数字证书来帮助节点相互认证是非常困难在安全路由领域
未来研究中最重要是跟踪和消除行为失效节点跟踪和消除这些作为现有路由部分失效节点可以预防网络隔离问题这些问题在无线Ad hoc这种没有中心控制职能网络中非常重要在无线Ad hoc网中个体节点作为路由器在它们无线覆盖范围内转发信息包如果个节点受损或失效经过这个节点路由就会受到威胁这样就需要种机制来挽救节点失效或崩溃时路由无线Ad hoc网络中节点是移动如果个节点是些失效路由组成部分就会导致网络隔离(网络部分不能和另部分通信)在大规模Ad hoc网中很难找到种完善安全机制满足上述条件1.1.2 过高
路由成本随着网络规模
扩大信令成本会急剧增加在IETF中路由协议草案如AODV、DSR等被动路由协议源节点需要洪泛路由请求来寻找到目节点路由在大规模Ad hoc网络中这种洪泛路由请求过程会消耗大量网络资源1.1.3 传输性能
变化除了安全和路由问题的外
Ad hoc网络在时延和吞吐量等传输性能方面指标也会随着跳数增加而急剧下降1.2 小规模
Ad hoc独立组网和大规模
Ad hoc单独组网相比小规模Ad hoc单独组网具有较大商业价值其应用环境包括家庭、商务会议区、医院等例如家庭环境中Ad hoc可为用户建立无线家庭网络可以把所有家电用网络连接起来比如把电脑、音响、厨房用具、保安系统等连在起从而更方便交流还可实现资源共享不断涌现无线局域网技术象802.11、蓝牙等不断给Ad hoc发展提供动力在实际应用中
Ad hoc网络除了可以单独组网实现局部通信外也可以作为末端子网通过接入点接入其他固定或移动通信网络和Ad hoc网络以外主机进行通信因此Ad hoc网络也可以作为各种通信网络无线接入手段这就是下面我们要谈整合Ad hoc网络2、整合
Ad hoc网络2.1 Ad hoc网络和Internet整合
2.1.1 Ad hoc和Internet整合
网络拓扑在Ad hoc网络和Internet相整合
场景中WA-GW(wireless Ad hoc Gateway)、MA-GW(mobile Ad hoc Gateway)、MH-GW(mobile hotspot Gateway)这 3种网关被用来整合小规模Ad hoc网络和基于IP宽带接入网Ad hoc MT即Ad hoc移动终端通过网关和AP相连再通过访问接入点(AP)接入Internet为什么Ad hoc MT不能够直接连接AP呢?首先
在Ad hoc网络中使用空中接口和接入网空中接口不相同其次个Ad hoc网络中移动终端有可能在AP覆盖范围的外再者Ad hoc网络中移动终端没有有效IP地址来接入全球Internet因此Ad hoc网关对于Ad hoc终端接入Internet是必要由于Ad hoc网络中终端在通信过程中会移动能够使数据包从终端到网关动态路由协议就很有必要IETF中几个协议草案如DSR、AODV等路由协议就会被应用但是这些协议都是针对纯Ad hoc网络所以有必要把这些协议同有基础设施移动IP路由协议相结合Ad hoc网关能够将数据包在区别域的间进行路由接入网由网关、交换机、接入点组成网关连接到Internet根据覆盖范围区别有个或者多个交换机连到网关每个交换机都连了定数量AP网络是可升级能够获得任何规模无线覆盖随着覆盖规模增大比如要覆盖整个城市可以通过增加网关数目来实现网关可以通过分级思路方法来实现宏移动支持在接入网第 2层包交换同第 3层IP路由相融合实现对快速高效移动性支持移动终端在同个接入网内由交换机和网关 2层路由表进行处理这种情况下IP层没有意识到移动终端移动如果移动终端从个接入网切换到另外个接入网终端移动就会由IP层路由协议来处理通过对 2层路由表分级更新带有高效微移动支持接入网来实现IP服务无缝覆盖根据应用
场合区别Ad hoc网关分为 3种WA-GW网关由网络运营商提供为公众提供服务可以固定在公共场所MA-GW是种是可移动网关可以集成在终端上用户可以通过它随时连接到AP其灵活性大大增加但是由于其移动性所以不象WA-GW那么稳定MH-GW移动性介于前两者的间是由网络运营商来提供种较为灵活网关它对接入网来讲是移动对Ad hoc网来说是固定有点类似于移动通信中为解决热点地区覆盖使用车载基站除了能够向Ad hoc网络提供扩展
多媒体服务的外WA-GW和MH-GW还能够提供本地内容服务运营商可通过向用户提供Internet服务、本地内容、AAA认证等服务来向用户收取相关费用2.1.2 Ad hoc和Internet整合后
运行模式Ad hoc和Internet整合
网络运行过程可以描述为:Ad hoc终端在接入Internet的前首先找到Ad hoc网关Ad hoc网关周期性地向周围发送广播包来广播自己存在如Ad hoc终端距离网关只有跳距离那么终端就通过接收广播信息来找到Ad hoc网关如距离超过跳终端会向周围节点发送“网关寻找”控制包其中包含有本终端家IP地址和MAC地址然后A-MT会收到来自个或者几个A-GW应答A-MT会选取跳数最少来作为其网关接入Internet终端产生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包头然后将包路由到接入网中2.2 Ad hoc网络和蜂窝系统整合
2.2.1 Ad hoc网络和蜂窝系统整合
必要性a)能够对蜂窝系统中
盲区起到覆盖作用在些基站覆盖不到或者信号很弱地区通过其他处于基站和移动台终端中间中继节点进行转发有效提高信号覆盖b)可以对网络
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动态中继可以将个小区流量分流到周边小区有效缓解了由于容量饱和而造成呼叫阻塞和切断链c)对于距离比较近
移动节点可以通过自组网直接通信不占用蜂窝网资源减少了蜂窝系统负担提高系统总容量d)提高移动节点接入蜂窝系统
速率在多跳多速率网络中采用多跳高速率路由代替跳低速率路由只要能够有效地减少信道占用时间将提高系统总吞吐量GPRS每时隙可提供传输速率为GS21(9.05K)、CS22(13.4K)、CS23(15.6K)及CS24(21.4K)其中CS23、CS24只有在距离基站较近且信号较好地区才能使用目前普遍采用是CS21和CS22信道编码方案CDMA 1X网络情况和GPRS类似提供38.4kbps～2457.6kbps各种数据速率但达不到较高接入速率因此蜂窝系统中引入自组网方式使移动节点都能采用较高接入速率可大大提高整个系统吞吐量2.2.2 Ad hoc网络和蜂窝系统整合
研究现状对于无线自组织网和蜂窝移动通信系统
结合目前国外些研究机构已经开展了定研究工作其中主要包括:ODMA、A-GSM、SOPRA-NO、iCAR等ODMA(Opportunity Driven Multiple Access)可以被看作是当前
UMTS TDD模式扩展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无线资源各个小区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用户同时具备和基站进行基本通信能力和为其它用户进行数据转发能力通过其它用户多跳转发低速率区域用户可以获得蜂窝网络提供高比特率业务从而通过多跳转发实现高速率业务覆盖扩展A-GSM在尽可能减少对现有GSM系统
改动基础上使移动台具有中继功能由此来增强GSM网络覆盖即在保持原有GSM基站子系统(基站和基站控制器)、MSC、网络数据库(HLR、VLR、EIR、AC)基本不变情况下引入集成双模终端(Integrated Dual Mode Terminals)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Ad hoc)空中接口得到结论是:引入A-GSM后系统吞吐得到了很大程度改善移动终端个数越多A-GSM系统吞吐性能越好改善越多SOPRANO(Self-Organizing Packet Radio Ad hoc Networks with Overlay)在CDMA蜂窝系统中增加无线路由器
在仅使用功率控制技术和经典技术情况下会导致网络吞吐下降；但是路由器增加大大降低了功率总和利用容量增强新技术(例如:MIMO、空时编码、多用户检测、智能天线)可以将这种功率降低转化为容量上升因而改善了系统总体性能Sphinx在蜂窝网模型中引入对等(P2P)网络模型(自组织网)
支持节点通过多跳转发来进行通信得出结论是:混合网络模型在吞吐量和功耗方面优于传统蜂窝网模型在资源公平分配方面、对移动性和业务位置变化适应性方面优于P2P网络模型iCAR(Integrated Cellular and Ad hoc Relaying
s)在网络中设置定数量Ad hoc中继站(ARS)当某小区出现业务拥塞时利用这些ARS可以向业务没有拥塞邻近小区转移业务这样可以控制或避免呼叫拥塞、掉话等其结论是:在蜂窝系统中引入Ad hoc中继站可以有效地降低呼叫阻塞概率提高系统吞吐通过对现有研究
分析引入Ad hoc技术多跳蜂窝网络本质特征主要体现在:用户终端不仅要支持和基站通信方式还必须支持P2P直接通信方式并进行组网实现这要求思路方法可以归纳为两种:增强用户终端功能(SMT)和设置专用中继节点(DRN)SMT方式用户终端功能增强是相对终端现有功能而言其思路方法主要有:a)在网络中增加新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b)在现有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些移动或固定专用中继节点负责为附近用户进行数据转发以支持终端间自组织通信方式2.2.3 Ad hoc网络和蜂窝系统整合研究面临
问题1)网络容量分析
虽然多跳蜂窝网络是移动通信领域中
热点问题有许多学者正在对其进行研究但是对于引入自组织方式后是否能带来容量上好处还没有达成共识定性来看引入自组织方式后多跳蜂窝网络具有 3点性能优势:a)通过多跳转发机制降低了发射功率提高了信道空间复用性b)采用自组织方式建立局部业务减轻了基站瓶颈效应c)通过转移热点小区流量实现资源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提高但是另方面多跳转发增加了总体发送次数却又不利于系统容量提高因此综合正反两方面原因不容易直观地断定引入自组织方式后容量是否会提高必须开展定量分析目前
对这问题进行研究有Sphinx项目和SOPRANO项目等Sphinx项目在NS-2平台上对他们提出混合网络模型进行了仿真结果表明该混合网络模型在吞吐量和功耗方面优于传统蜂窝网模型SOPRANO项目分析了同步CDMA混合网络容量其结论是:在CDMA蜂窝系统中增加无线路由器仅使用功率控制技术和经典技术不定能使网络吞吐上升；但是路由器增加大大降低了发送功率总和利用MIMO、智能天线、多用户检测等容量增强技术可以将功率上降低转化为容量上提高但是该结论是在些约束条件下获得且没有考虑局部业务使用局域子网通信这种情况2)弥补覆盖缺陷问题
定量分析如前所述
引入自组织方式可以有效地解决蜂窝网络覆盖缺陷问题目前国内外对这问题研究较少并没有定量刻画和评估弥补覆盖缺陷问题引入自组织方式会有效地弥补覆盖缺陷是显而易见但是究竟能带来多大好处需要做定量分析这对未来网络规划、成本核算以及整体网络性能评估是很有益处3)通信模式
选择问题在引入自组织方式
蜂窝系统中有3种通信方式自组织方式(相当于构建个自组织局域子网简称局域子网)、蜂窝方式(和经典蜂窝方式相同)、混合方式(经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通信需求时就不可回避地要解决通信方式选择问题通信方式
灵活选择是个重要问题也是网络智能性和自适应性重要体现其研究主要问题包括业务
时方式选择和业务过程中方式转换两部分选择算法实质就是要在综合考虑多种相关原因基础上确定出个准则依据各种业务需求和网络状态信息选择合理通信方式然而由于网络状态复杂多变支持业务种类繁多通信阶段和切换阶段通信方式选择不仅要考虑通信范围而且还要综合考虑当前网络资源利用率、网络负载均衡程度、业务QoS要求以及用户移动特性等各种原因同时如何衡量种通信方式选择机制优劣确定出有效优化
关系也是个研究难点问题所以选定种既能充分优化网络性能又能满足业务服务质量要求准则和决策算法是比较困难4)混合路由问题
和单纯自组织区别
多跳蜂窝网络中可能还包括计算能力和存储能力都更为强大节点这些节点具备获得更多更准确网络状态信息能力能够完全或部分具备“中心”功能因此多跳蜂窝网络主要使用“中心”辅助路由和混合路由两种路由模式“中心”辅助路由属于
种“集中式”先应式路由各移动用户节点向“中心”报告相关信息“中心”根据收集到信息以及网络中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步研究问题是:用户节点应该向中心报告哪些信息才能使路由智能、自适应地避免及缓解网络中死区和热点进而有效地均衡负载；对于源节点或目节点位于“死区”尤其是在蜂窝覆盖的外情况这种“中心”路由模式该如何予以解决在网络中
混合式路由模式既采用完全分布式自组织路由也采用“中心”辅助路由节点在向“中心”汇报信息同时也在维护局部信息自组织路由能较好地解决源节点或目节点位于死区及源节点、目节点非常邻近(跳数很少)情况“中心”辅助路由适用于源节点和目节点的间跳数比较多或其他通过自组织方式需要花费较大开销才能获得路由情况如何将自组织路由和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新问题3、结束语
通过以上分析可见:大规模
Ad hoc单独组网由于网络容量有限很难承担日益增长多媒体业务因此仅有定研究价值而没有太大商业价值；小规模Ad hoc网络会在家庭和会议场所得到普遍应用并且能够通过多种路由器接入Internet和大规模Ad hoc网络相比将Ad hoc网作为接入网络和蜂窝系统相整合能够压缩基站发射功率扩大基站覆盖区域提高接入系统速率但是在目前对Ad hoc和蜂窝混合组网已有研究成果中仍存在些问题有待进步研究
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