Ad Hoc技术在未来无线通信中的角色

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　　在未来的移动接入网中，Ad Hoc可以独立组网也以与其他网络整合组网，大规模的独立Ad Hoc网由于其面临安全、成本、传输性能等问题，不具有商业价值。小规模的Ad Hoc网可以作为接入网并通过网关与因特网和蜂窝网络整合，能够充分利用Ad Hoc网简单灵活等优势。
　　Ad Hoc技术研究开始于20世纪70年代。美国DARPA出于军事需要，开始研究分组无线网PRNET（Packet Radio Network）在战场环境下数据通信中的应用。与传统无线网络不同的是，Ad Hoc网络既不需要固定的网络结构，也没有专用的固定的基站或路由器作为网络的管理中心。网络中的每个节点具有路由器功能，能够发现和维护到其他节点的路由，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，应用范围不断扩大，由军用扩大到地震、火灾等紧急通信场合。目前，作为B3G系统的重要特点之一，Ad Hoc技术正在逐渐成为研究的热点。
一、Ad Hoc独立组网
　　独立组网意味着同一网络中的各节点彼此通信，而不与任何有基础设施的网络相连。独立的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.大规模Ad Hoc独立网络
　　大规模的独立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的Ad Hoc网络形成无线城域网，甚至广域网，替代现有的有线通信网络。目前看来，这种想法不太切合实际的情况，只可以作为一种方案用来进行科学研究，但是缺乏潜在的商业价值。因为Ad Hoc适用于在某些特定的场合用非常少的数据传输非常重要的信息。大规模的Ad Hoc网络不适合传输大量的信息，因为它会产生高风险、高成本、低效率等问题。
　　（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，无中心无组织的网络结构也很容易受到攻击。由于没有任何集中控制的基础设施，要想采用密钥分发中心或权威机构提供密钥和数字证书以帮助结点相互认证是非常困难的。
　　在安全路由领域，未来研究中最重要的是跟踪和消除行为失效结点。这样就需要一种机制来挽救结点失效或崩溃时的路由。无线Ad Hoc网络中的结点是移动的，如果一个结点是一些失效路由的组成部分，就会导致网络隔离：网络的一部分不能与另一部分通信。在大规模的Ad Hoc网中很难找到一种完善的安全机制满足上述条件。
　　（2）过高的路由成本。随着网络规模的扩大，信令的成本会急剧增加。在IETF中的路由协议草案，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的节点的路由，在大规模的Ad Hoc网络中，这种洪泛的路由请求过程会消耗大量的网络资源。
　　（3）传输性能的变化。Ad Hoc网络在时延和吞吐量等传输性能方面的指标也会随着跳数的增加而急剧下降。
　　2.小规模的Ad Hoc独立组网
　　小规模的Ad Hoc单独组网具有较大的商业价值，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，可以把所有的家电用网络连接起来。新涌现的无线局域网技术像IEEE802.11、蓝牙等不断给Ad Hoc的发展提供动力。
　　在实际应用中，Ad Hoc网络除了可以单独组网实现局部的通信外，也可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与Ad Hoc网络以外的主机进行通信。因此，Ad Hoc网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段，这就是下面我们要谈的整合的Ad Hoc网络。
二、Ad Hoc与因特网整合
　　1.整合的网络拓扑
　　图1是使用三种网关把Ad Hoc网络与因特网相整合的场景。WA-GW（wireless Ad Hoc Gateway）、MA-GW（mobile Ad Hoc Gateway）、MH-GW（mobile hotspot Gateway）这三种网关被用来整合小规模的Ad Hoc网络与基于IP的宽带接入网。从图中可以看出，Ad Hoc MT即Ad Hoc移动终端通过网关与AP相连，再通过AP接入因特网。

图1　Ad Hoc与因特网整合

　　为什么Ad Hoc MT不能够直接连接AP呢？首先，在Ad Hoc网络中使用的空中接口与接入网的空中接口不相同。其次，一个Ad Hoc网络中的移动终端有可能在AP的覆盖范围之外。再者，Ad Hoc网络中的移动终端没有有效的IP地址来接入全球的因特网。因此，Ad Hoc网关对于Ad Hoc终端接入因特网是必要的。由于Ad Hoc网络中的终端在通信过程中会移动，能够使数据包从终端到网关的动态路由协议就很有必要。IETF中的几个协议草案如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网络的，所以有必要把这些协议同有基础设施的移动IP路由协议相结合。Ad Hoc网关能够将数据包在不同的域之间进行路由。接入网由网关、交换机、接入点组成。网关连接到因特网，根据覆盖范围的不同，有一个或者多个交换机连到网关。每个交换机都连了一定数量的AP，网络是可升级的，能够获得任何规模的无线覆盖。随着覆盖规模的增大，比如要覆盖整个城市，可以增加网关的数目来实现。网关可以通过分级的方法来实现宏移动支持。在接入网的第二层，包交换同第三层的IP路由相融合，实现对快速高效的移动性的支持。移动终端在同一个接入网内由交换机和网关的二层路由表进行处理。这种情况下，IP层没有意识到移动终端的移动。如果移动终端从一个接入网切换到另外一个接入网，终端的移动就会由IP层的路由协议来处理。通过对二层路由表的分级更新，带有高效微移动支持的接入网实现IP服务的无缝覆盖。
　　根据应用的场合不同，Ad Hoc网关分为三种。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是一种是可移动的网关，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，所以不如WA-GW稳定。MH-GW的移动性介于前两者之间，是由网络运营商来提供的一种较为灵活的网关。它对接入网来讲是移动的，对Ad Hoc网来说是固定的，有点类似于移动通信中为解决热点地区覆盖使用的车载基站。
　　除了能够向Ad Hoc网络提供扩展的多媒体服务之外，WA-GW和MH-GW还能够提供本地内容服务。运营商可以通过向用户提供因特网服务、本地内容和AAA认证等服务来向用户收取相关的费用。
　　2.整合后的运行模式
　　图1中网络的运行过程可以描述如下：Ad Hoc终端在接入因特网之前首先找到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的存在。如果Ad Hoc终端距离网关只有一跳的距离，那么终端就是通过接收广播信息来找到Ad Hoc网关，如果距离超过一跳，终端会向周围节点发送“网关寻找”的控制包，其中包含有本终端的家IP地址和MAC地址，然后A-MT会收到来自一个或者几个A-GW的应答。A-MT会选取跳数最少的来作为其网关接入因特网。终端产生的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的包头，然后将包路由到接入网中。
三、Ad Hoc与蜂窝系统整合
　　为解决蜂窝通信系统与无线局域网整合应用范围不广的问题，在蜂窝通信系统中引入无线自组网成为目前研究的一个热点。图2中，Ad Hoc网络通过MA-GW和MH-GW和蜂窝系统混合组网。

图2　Ad Hoc与蜂窝系统整合

　　1.整和的必要性
　　首先，能够对蜂窝系统中的盲区起到覆盖作用。在一些基站覆盖不到或者信号很弱的地区，通过其他处于基站与移动台终端中间的中继节点转发，将有效提高信号的覆盖。
　　其次，可以对网络的负载起到均衡作用。蜂窝系统中，各蜂窝小区话务量不平衡且动态变化，引入自组网的动态中继，将一个小区的流量分流到周边小区，有效地缓解了由于容量饱和而造成的呼叫阻塞和切断链。
　　再次，对于距离比较近的移动节点，可以通过自组网直接通信，不占用蜂窝网的资源，减少蜂窝系统的负担，提高系统的总容量。
　　最后，提高移动节点接入蜂窝系统的速率。在多跳的多速率的网络中，采用多跳高速率的路由代替一跳低速率的路由，只要能够有效地减少信道的占用时间，将提高系统总的吞吐量。GPRS每时隙可提供的传输速率为GS21（9.05kb/s）、CS22（13.4 kb/s）、CS23（15.6 kb/s）及CS24（21.4 kb/s），其中CS23、CS24只有在距离基站较近且信号较好的地区才能够使用，目前普遍采用的是CS21和CS22信道编码方案。CDMA 1X网络的情况与GPRS类似，提供38.4kb/s到2457.6kb/s各种数据速率，但达不到较高的接入速率。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的接入速率，将提高整个系统的吞吐量。
　　2.整和的研究现状
　　无线自组织网与蜂窝移动通信系统的整合，目前国外已经开展了一定研究工作，其中主要包括：ODMA，A-GSM，SOPRANO，iCAR等。
　　ODMA（Opportunity Driven Multiple Access）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他用户进行数据转发的能力。通过其他用户的多跳转发，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。
　　A-GSM在尽可能减少对现有GSM系统改动的基础上，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（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。
　　SOPRANO（Self-Organizing Packet Radio Ad Hoc Net-works 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（Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems）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。
　　通过对现有研究的分析，引入Ad Hoc技术的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：Super Mobile Terminal）和设置专用中继节点（DRN：Dedicated Relay 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：一是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；二是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。
　　3.整和研究面临的问题
　　（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，对这一问题进行研究的有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量上升：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，并没有定量的刻画和评估弥补覆盖缺陷问题。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，有三种通信方式，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，就必须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。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。
四、结束语
　　通过对未来无线通信中Ad Hoc组网可能采用的几种方式的分析，大规模的Ad Hoc单独组网由于网络容量有限，很难承担日益增长的多媒体业务，因此仅有一定的研究价值而没有太大的商业价值。小规模的Ad Hoc网络会在家庭和会议场所得到普遍的应用，并且能够通过多种路由器接入因特网。与大规模的Ad Hoc网络相比，将Ad Hoc网作为接入网络与蜂窝系统相整合能够压缩基站的发射功率，扩大基站的覆盖区域，提高接入系统的速率。但是，在目前对Ad Hoc与蜂窝混合组网已有的研究成果中，仍然存在一些问题有待进一步研究。