3G背景下的融合网络双模移动终端

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　　随着各种通信网络的发展，网络融合技术一直是业界研究的重点问题。尤其在3G时代，将Ad Hoc网络与第三代移动3G蜂窝网络结合起来，互相取长补短，已成为改善网络性能，节约网络资源的有效方法。由此，应用于融合网络的移动终端也逐渐成为当前开发的热点。
引言
　　在移动通信的早期发展阶段，通信系统简单，容量小，不适合大范围的商业推广。随着蜂窝系统概念的提出，现代意义上的移动通信系统才以前所未有的速度快速发展。蜂窝系统前后经历了第一代频分多址的模拟调制蜂窝系统、第二代数字调制蜂窝系统以及第三代数字调制蜂窝系统。第三代移动通信的发展为无线网络飞速发展带来了可能。随时随地的接入实现了方便快捷的通信，但是单小区的通信量瓶颈以及有限的数据速率也限制了其进一步的发展。如何实现第三代移动通信的再次飞跃成了我们研究的重点。
　　Ad Hoc网络又名无线自组织网络，它是吸取了PRNET、SURAN以及GloMo等项目的组网思想，从而产生的一种新型的网络构架技术。Ad Hoc网络有别于中心接入和单跳的网络架构，它强调多跳和无中心接入。网络中各个移动终端之间相互对等，它们作为网络节点不仅具有主机的功能，还具有路由器的功能，使其可在一个广阔的区域内实现多跳的无线通信。基于这种多跳的无线信道特点，移动终端面临着诸如媒质接入、寻址、路由、网络初始化和控制等难题。但是系统自组（self-organizing）特性使得Ad Hoc网络系统组建灵活、网络抗毁性强，它可以在没有或不能利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用。
　　尽管单纯的Ad Hoc网络具有高度灵活，组网简单等优点，但这种灵活性对其路由、安全等协议提出了较高的要求。同时，Ad Hoc网络有限的覆盖范围也限制了其大规模的商业应用，将Ad Hoc网络与3G蜂窝网络进行融合，相互取长补短，既可以充分利用Ad Hoc网络的优点，又为3G蜂窝网络提供新的活力。Ad Hoc与3G蜂窝网络的融合从总体上可以分为两种，第一种是3G蜂窝网络辅助Ad Hoc网络，以Ad Hoc网络为主，典型代表是CAMA，第二种是将Ad Hoc网络作为3G蜂窝网络的末端子网，以3G蜂窝网络为主，典型代表是iCAR（Integrated Cellular and Ad-hoc Relay System）与UCAN（A Unified Cellular and Ad hoc Network Architecture）。
融合网络中的移动终端
　　CAMA体系结构是借用了3G蜂窝网的“带外信号”，用3G蜂窝网的中央管理机制来提高Ad hoc的网络管理和控制，从而提高Ad hoc的性能。典型的CAMA体系结构如图1所示，它将移动Ad hoc网络与3G蜂窝网相结合。CAMA的管理服务器称为CAMA代理，它是在3G蜂窝网的基础上发展而来。每个CAMA代理管理几个小区并且知道哪个移动Ad hoc用户是CAMA的注册用户。移动终端通过3G蜂窝网的无线信道与CAMA代理交换信息。集中式的CAMA比较容易解决纯Ad hoc网络中的认证，鉴权和收费（AAA）难题。CAMA不同于无线局域网。在无线局域网中，所有的数据和控制数据包必须通过固定接入点。在CAMA中，只有控制数据通过基站，而其他数据则通过Ad hoc数据包进行传送。CAMA通过高效的带外信号和集中控制可以大大提高Ad hoc路由及安全性能。

图1　CAMA体系结构

　　由图1中我们可以很清楚地发现，每个移动Ad hoc网络用户都可以分别通过两个不同的无线信道：Ad hoc子网用户和CAMA代理通信。其中与Ad hoc子网用户通信的是Ad hoc信道，与CAMA代理通信的是用于Ad hoc子网管理的蜂窝信道。也就是说，所有的移动节点都同时具备两个网络接口以满足在融合网络中的双模通信。这样一来的好处就是既满足了Ad hoc子网原有的灵活性和独立性，又引入了3G蜂窝网络的集中式管理。具有双重模式的移动终端可以很容易的实现无线资源定位，CAMA的中央代理能够引导移动终端在多个Ad hoc信道中选择正确的Ad hoc信道，并且可以节省能量——当知道任意移动终端的距离时就可以估计其传输功率。另外，在发现新路由时，中间节点不需要接收或转发路由信息包。
　　iCAR是最早提出将传统3G蜂窝网和Ad hoc转发技术相结合的融合网络结构，重点针对解决蜂窝系统中信息流量不均衡时的拥塞问题。iCAR系统通过在小区间使用Ad hoc转发台（ARS）将数据流从一个小区动态转移到其他小区，从而有效的平衡小区间的流量负载。这不仅增加了系统的容量还可以减少移动节点的发送功率并扩展了系统的覆盖面积。如图2所示，每个ARS有两个空中接口，C（cellular）接口是与基站之间通信的接口，R（relay）接口是与移动节点或其他ARS通信的接口。为了能够转发，移动节点需要有R接口与ARS通信，在正常的情况下移动节点还要通过C接口与基站通信，因此移动节点与ARS一样有两个接口。iCAR系统最大的好处是可以通过拥塞转发机制大大减少拥塞小区的呼损率以及越区切换时的电话挂断率。

图2　iCAR体系结构

　　正是由于ARS概念的提出，以及处于该网络结构中移动节点的双模式通信能力，icar可将拥塞度高的小区内的通信转移到临近负载低的小区以此来减轻小区的拥塞度。以及实现预负载平衡。
　　UCAN引入了HDR（high data rate）和IEEE802.11b，通过将Ad hoc无线局域网融入无线广域网络来提高网络的吞吐量。UCAN体系中移动设备具有两个空中接口（IEEE802.11b接口和3G接口），路由协议通过选择好的接口转发数据包以提高设备的性能。它的体系结构如图3所示，移动设备都接入高数据速率的基站。代理用户的HDR下行链路接收从基站发来的高速率数据包，再通过IEEE802.11b接口发送给转发用户，转发用户再发送给目标用户。从而提高了整个网络的吞吐量。

图3　VCAN体系结构

　　UCAN结构体系中，双模终端的引入有效的利用了Ad hoc网络大吞吐量的优势，通过使用优质代理提高系统的吞吐量。当节点拥有优质HDR下行链路时可以直接通过3G接口与基站通信，当节点HDR下行链路较差时，可以通过代理（拥有优质HDR下行链路节点）与基站通信。
　　综上所述，无论是Ad Hoc网络为主还是以3G蜂窝网为主的融合网络结构体系，网络中的节点都需要具备两个空中接口以实现两种模式下的通信需要。拥有双模接口的移动终端根据不同的网络结构特性，实现不同的功能。
嵌入式双模终端的实现以及现实效果
　　本方案的目的是通过Ad Hoc网与3G蜂窝网互联，实现二者的融合。这就要求该互联终端不仅具有Ad Hoe网内数据转发的能力，还能够将数据通过3G蜂窝网路由到Internet中去。互联终端要实现以上所述，需要同时工作在两种模式下，实现数据的接收与转发。
　　技术问题主要在于设备组成与融合网络的结构。互联终端需要具备两个网络接口以具备同时与Ad Hoc网和3G蜂窝网通信的能力。Ad Hoc网内的节点可以通过多跳的方式与该互联终端相连。Ad Hoe网络连接Internet的方式有2种：一为网关AP方式，另一种为移动IP方式。本发明采用网关AP的方式将Ad Hoc网络通过3G蜂窝网连接Internet，并预先设置好节点IP或者网关节点通过DHCP协议自动分配IP。通过编写特定的包过滤规则，实现Ad Hoc网络与3G蜂窝网的互联，继而共享Internet的资源。
　　本方案使用主频203MHz、ARM920T内核的嵌入式处理器S3C2410（如图4）。采用0.18μm制造工艺的32位微控制器，并拥有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。利用PCMCIA接口控制芯片PD6722在开发平台上扩展两个PCMCIA接口，以支持带有PCMCIA接口的无线网卡和带有PCMCIA接口的CDMA网络适配器。

图4　嵌入式终端硬件实现

　　实验配置三个节点，一台PC机，一台笔记本，分别装有802.11无线网卡，另一网关由嵌入式互联终端担任，以网关AP的方式将Ad Hoc网络通过3G蜂窝网接入Internet。笔记本首先向Internet中FTP服务器发送连接请求，连接请求通过PC机中转两跳到达嵌入式互联终端。互联终端收到请求后，通过3G蜂窝网基站路由到Internet中，FTP服务器收到连接请求并应答，分别建立端口为21的控制连接和端口为20数据连接。连接建立之后便可以传送数据。通过运行FTP文件传送程序，速率可以达到10k左右。（嵌入式终端路由表如图5）

图5　嵌入式终端路由表

结束语
　　展望未来，网络融合方面的研究将长期是业界的热点，并且具有广阔的应用前景。Ad Hoc网络与3G蜂窝网络各有优缺点，可以互相取长补短，为用户提供更加灵活的服务。随着3G时代的到来，Ad Hoc网络与3G蜂窝网络在其带动下，具有更好的发展前景及能力。因此，继续对这两种网络的融合进行研究具有很强的实际意义。