多跳蜂窝网络技术

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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PRnet[2]，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，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
    WWRF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。
    ODMA[2](OpportunityDrivenMultiple Access)是由3GPP TR25.924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。
    MCN[3](Multi-hopCellularNetworks)是由台湾国立交通大学信息计算科学系的Ying-DarLin和 Yu-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。
    UCAN[4](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-GSM[5]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。
    PARCELs[6]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。
    MADF[7](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。
    HWN[8](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。
    MuPAC[9](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/3，二类数据信道的覆盖半径为R/2。在业务发起时，由BS根据网络的拓扑依据一定的加权算法选择路径，并指配给源节点，而负责中继转发的中间节点就必须根据当前各类信道的负荷自主地决定所要使用的数据信道来完成通信。
    TWiLL[10](ThroughputenhancedWirlessin Local Loop)是由印度科技学院计算机科学和工程系的B.S.Manoj和D.C.Frank等提出的针对有限移动环境的一种多跳网络模型。该模型下的节点类型主要有两种：一种是固定的用户节点，另一种是具有微移动性的用户节点。TWiLL将带宽资源分成一个控制信道和多个数据信道，每个信道都可以被当做多跳信道或者单跳信道使用。TWiLL中节点的呼叫建立过程与MCN近似，所有节点都是通过其它的节点进行多跳转发来接入基站完成通信。为了提高吞吐，还可以对该模型进行改进，即允许一个小区内用户间的通信不需经过基站，而直接通过多跳转发进行通信。
    SOPRANO[11](Self-OrganizingPacketRadioAd hoc Networks with Overlay)是由美国自然科学基金资助的项目，其目的在于研究将蜂窝网和分组无线网（自组织网）相结合的新型无线网络结构——分组多跳无线网。该网络将提供无线的Internet和多媒体服务。其结论是：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的情况下，会导致网络吞吐的下降；但是，路由器的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，因而改善了系统的总体性能。
    Sphinx[12]是美国乔治亚技术学院开展的一个研究项目，主要研究面向下一代无线通信系统的新型网络模型——混合网络模型。这种混合网络模型是在蜂窝网模型中引入对等（peer-to-peer）网络模型（自组织网），支持节点通过多跳转发来进行通信。得出的结论是：混合网络模型在吞吐量和功耗方面优于传统的蜂窝网模型，在资源公平分配方面、对移动性与业务位置变化的适应性方面优于peer-to-peer网络模型。
    iCAR[13](IntegratedCellularand Ad Hoc Relaying Systems)是由纽约州立大学Hongyi Wu等人提出的一种新型无线网络系统，其基本思想是在网络中设置一定数量的Ad Hoc中继站(ARSs)。当某小区出现业务拥塞时，利用这些ARSs，可以向业务没有拥塞的邻近小区转移业务。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，提高系统的吞吐。
    4.　网络框架分析
    通过对现有研究的分析，多跳蜂窝网络的本质特征主要体现在：用户终端不仅要支持与基站的通信方式，还必须支持P2P直接通信的方式并进行组网。实现这一要求的方法可以归纳为两种：增强用户终端的功能（SMT：SuperMobileTerminal）和设置专用中继节点（DRN：DedicatedRelay 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。其方法主要有：1、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；2、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固定的专用中继节点，负责为附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。
    基于以上的分析，多跳蜂窝网络系统的多种网络框架结构可以统一成如下图所示的网络框架:

    图2  网络框架结构图

    1.　节点类型：
    1.　A类节点：蜂窝基站设备
    该类节点是多跳蜂窝网络的基站设备，它为用户提供对核心网络的接入服务。并具有网络资源的管理功能。
    2.　B类节点：固定(或移动)接入节点
    该类节点与核心网络存在有线连接，但又不像基站那么复杂，它没有资源管理的功能，仅仅是为用户提供直接接入核心网的能力，网络中的用户可以通过这些节点直接接入核心网络，而不必像传统移动通信网络系统中那样必须经过基站的转发。设立这种节点可使其周边的用户仅一跳就能接入核心网络，大大降低了对小区内其他用户的干扰，使系统容量得到提高。
    3.　C类节点：中继节点
    中继节点的设立是引入自组织方式的一个重要方法。这些节点专门用于为附近的用户进行数据的中继转发，例如iCAR中的ARSs【】。由于这些节点不是终端用户，因此一般是由网络运营商来设置。
    4.　D类节点：用户终端
    这种用户终端和现有用户终端一样具有一种空中接口，但是它不仅可以与蜂窝网的基站通信，还可以在使用同种无线资源的情况下，采用自组织的方式直接进行通信并且可以组成局域网络。
    5.　E类节点：双模用户终端
    这种用户终端具有两种空中接口，分别用于蜂窝通信模式和自组织的通信模式。这种终端设备可同时支持两种通信模式，但需使用不同的无线资源。如UCAN中的MS。
    2.　通信方式：
    1.　自组织方式
    这种通信方式是指终端之间通过中继节点的转发或采用直接P2P的方式进行通信并且组成局域子网的通信方式。如图小区A内的终端4、终端5、终端6和中继节点，以及覆盖区外的终端10、终端11和终端12。
    2.　蜂窝方式
    这种通信方式是指通信双方的用户终端通过直接接入基站利用蜂窝网络进行通信，这种方式下的用户通信不需要其他用户转发。如图小区B内的用户14。
    3.　混合方式
    这种通信方式是指用户终端要通过自组织方式和蜂窝方式共同来完成通信过程，即用户通过其他用户的多跳中继转发最终接入蜂窝网络进行通信。例如当某些用户所处的小区拥塞（如图中的终端7）或用户不在覆盖区域内时（如图中的终端3），可以借助其他终端或中继节点的转发功能经过多跳接入基站，这就是系统中的两种通信模式联合进行工作的情况。
    上述网络模型是在对现有研究进行归纳总结中提出的，因而它是对现有模型的一种抽象和概括。例如，当模型中只存在A类、C类、E类节点时就构成A-GSM模型，当模型中只存在A类、B类和E类节点时就构成iCAR模型。
    5.　关键技术分析
    目前，国内外许多研究机构在多跳蜂窝网络系统的研究中都取得了一定的成果。但这些成果大多不够深入，对许多关键问题还缺乏必要地认识。尤其对引入自组织方式的必要性的定量分析，比如对系统容量和弥补覆盖缺陷等问题的研究还存在许多缺陷,需要更为深入、具体地探讨。下面，就其中的一些主要问题逐一进行阐述。
    1.　网络容量分析
    虽然多跳蜂窝网络是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，但是对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。定性的来看，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，采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，却又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，必须开展定量地分析。
    目前，一些学者正在对这一问题进行研究，比较重要的有Sphinx项目和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，结果表明该混合网络模型在吞吐量和功耗方面优于传统的蜂窝网模型。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，仅使用功率控制技术和经典技术，不一定能够使网络吞吐上升；但是，路由器的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。
    2.　弥补覆盖缺陷问题的定量分析
    如前所述，引入自组织方式可以有效地解决蜂窝网络的覆盖缺陷问题。目前，国内外对这一问题研究的较少，比较重要的文章有两篇：文献[8]和文献[12]。文献[8]认为略微增加移动台的复杂性引入中继方式，就可以增强GSM网络覆盖，文中在单小区情况下，仿真分析了移动节点的个数、死区的个数和死区的平均大小等因素对系统吞吐性能的影响；文献[12]认为在3G系统中引入多跳直通模式可以有效地减少“死区”，而且高效的信道空间重用率可以抵消多跳带来的额外信令开销。但是这些工作，并没有定量的刻画和评估弥补覆盖缺陷问题。虽然引入自组织方式会有效的弥补覆盖缺陷是显而易见的，但是究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、成本核算以及整体网络性能的评估是很有益处的。
    3.　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）、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的通信需求时，就不可回避的要解决通信方式的选择问题。
    通信方式的灵活选择是一个重要的问题，也是网络智能性和自适应性的重要体现。其研究的主要问题包括业务初始时的方式选择和业务过程中的方式转换两部分。选择算法的实质就是要在综合考虑多种相关因素的基础上确定出一个准则，依据各种业务需求和网络状态信息选择合理的通信方式。然而，由于网络状态复杂多变，支持的业务种类繁多，通信初始阶段和切换阶段的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的利用率、网络的负载均衡程度、业务的QoS要求、以及用户的移动特性等各种因素。同时，如何衡量一种通信方式选择机制的优劣，确定出有效的优化函数关系也是一个研究的难点问题。所以，选定一种既能充分优化网络性能又能满足业务服务质量要求的准则和决策算法是比较困难的。
    4.　混合路由问题
    与单纯自组织网不同，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的节点，如A类节点。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”辅助路由属于一种“集中式”的先应式路由。各移动用户节点向“中心”报告相关信息，“中心”根据收集到的信息以及网络中的负载情况，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哪些信息，才能使路由智能地、自适应地避免及缓解网络中的死区和热点，进而有效地均衡负载？对于源或目的节点位于“死区”，尤其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？
    混合式路由模式是在网络中既采用完全分布式的自组织路由，也采用“中心”辅助路由。节点在向“中心”汇报信息的同时，也在维护局部信息。自组织路由能较好地解决源或目的节点位于死区及源、目的节点非常邻近（跳数很少）的情况。“中心”辅助路由适用于源和目的节点之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。
    4结论
    多跳蜂窝网络已经成为移动通信领域的热点问题之一。本文总结了目前蜂窝系统与自组网相结合的研究现状，提出了统一的网络构架,对既有网络中不存在的一些关键技术问题进行了分析。一种新的网络构架的产生必然会带来更多的未认识到的问题，所以对多跳蜂窝网络的各个方面的各种问题还需要投入大量的研究工作以获得深入的研究成果。希望本文能够起到抛砖引玉的作用，以推动国内同仁对该问题的研究。