混合网络研究

基金项目：国家自然科学基金项目(60472064)；国家“863”计划项目(2002AA123021，2003AA123340)

    随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，国内外有关未来移动通信系统的研究已初见端倪，其中的热点问题之一就是将自组织网络和蜂窝网络相融合组成一种新的网络模型，称为混合网络。混合网络兼具蜂窝网和自组织网的特点，其网络用户利用单一终端既可以动态地组成一定范围内的局域子网，享受周边的服务资源，也可以通过多跳转发接入基站获得广域网络的服务。良好的灵活性和扩展性使得混合网络成为未来移动通信系统的一种重要组成形式。目前国内外的研究机构和研究人员已经针对混合网络开展了一定的研究工作，提出许多网络模型设想以及关键技术问题的解决思路。

1 混合网络研究现状
    目前，国外许多研究机构都对自组织网和蜂窝网相融合的成网技术展开了研究，力图在概念和技术上为未来移动通信系统寻求创新和突破。这些组网技术充分利用了自组织网和蜂窝网的优势，获得了较好的网络性能。按照中继转发节点的设置、节点支持的通信模式以及节点的移动性，可将现有的网络模型划分为如图1所示的结构[1]。
机会驱动的多种接入模型(ODMA)[2]是由3GPP TR25.924提出的在UTRA时分双工(TDD)模式中支持移动终端中继的一种尝试，这种网络模型(见图2)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，由此可实现高速率业务的覆盖扩展。

    多跳蜂窝网络(MCN)[3]是由台湾国立交通大学信息计算科学系的Ying-Dar Lin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基站(BS)发送从邻接节点接收到的信标功率信息，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。

    融合蜂窝网和自组网的无线网络框架(UCAN)[4]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(见图3)。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%。

    支持自组织方式的GSM网络(A-GSM)[5]是受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(见图4)。该课题研究人员试图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网络的覆盖能力。即在保持原有GSM基站子系统(基站和基站控制器)、移动交换中心(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，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系统的吞吐性能就越好，改善越多。

    支持自组织中继的蜂窝系统(PARCEL)[6]是由耶鲁大学计算机科学系的Jie (Jay) Zhou和Yang Richard提出的一种新型网络系统(见图5)。系统中的用户同时具有两种空中接口：R接口和C接口。文献[6]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，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死角问题。

    基于移动节点辅助的数据转发(MADF)[7]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，并预留部分信道资源用于数据的中继转发。在网络中，能够为其他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他用户进行数据转发，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，其他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。

    混合无线网络模型(HWN)[8]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模式和蜂窝模式。蜂窝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。Ad hoc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Ad hoc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。

    多功率分组数据蜂窝网络(MuPAC)[9]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。

    吞吐增强型无线本地环(TwiLL)[10]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他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。

    分组多跳无线网(SOPRANO)[11]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(见图6)。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(例如多输入多输出、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。

    新型混合无线网络模型(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对等网络模型。

    支持中继的蜂窝和自组织集成系统(iCAR)[13]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(见图7)，其基本思想是在网络中设置一定数量的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。

2 混合网络关键技术问题
    自组织网和蜂窝网络的融合，在带来性能上改善的同时，还会引出许多新的技术问题。目前，针对这些问题的研究正广泛展开，以探讨各种新型混合网络模型的可行性，并寻求性能和可行性之间良好的结合点。这些问题主要包括框架结构、通信模式选择、信道分配、路由、计费、负载均衡等等。

2.1 框架结构
    框架结构是研究一种新型网络首先要解决的关键技术问题。如前所述，国外的一些研究人员已经提出了一些新型的网络模型。但这些模型都是针对网络的某一具体问题而提出的，它们所带来的性能优势也是局部的。例如：iCAR模型仅仅是为蜂窝网流量均衡问题而设计，A-GSM模型是专为解决蜂窝网覆盖死区问题而设计等。同时，在现有网络框架中还有很多问题未能统一。例如：网络中是否设置专用的中继节点，多种通信方式是否使用同样的无线资源等。因此，必须综合考虑各项网络性能，才能构造出具有较高网络优势的框架结构。

2.2 通信模式选择
    在混合网络中，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)、传统蜂窝方式和混合方式(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，就不可回避地要解决通信方式的选择问题，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。通信方式的不同将直接影响网络系统的整体性能，因此在选择通信模式时必须综合地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，以达到最佳的网络性能。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难点问题。

2.3  信道分配
    信道分配机制是无线网络中的主要技术问题之一。在多种通信方式共存的情况下，实际的网络环境中往往会同时存在各种通信场景。如何协调使用有限的信道资源，做到既不影响各小区的通信性能又能最大程度地改善网络容量是现有机制不曾涉及的问题。目前，国内外对同一网络中不同通信模式间的信道分配机制的研究尚处于起步阶段，均未涉及详细、可行的分配策略及具体问题的定量分析。

2.4 路由
    混合网络的路由需求不同于传统的蜂窝网和自组织网，其通信方式的多元化以及节点类型的多样性使得蜂窝网和自组织网现有的路由协议都不能满足混合网络的需要。一方面，混合网络的通信方式可分为传统蜂窝方式、自组织方式和混合方式。其中，混合方式是一种混合网络所特有的通信方式，给路由机制带来了新的要求。而且通信方式间的动态切换也是设计混合网络路由机制必须考虑的因素之一；另一方面，混合网络中不仅有预设的基础网络设施，而且还可能有一些专门设置的计算能力和存储能力都更为强大的中继节点，如iCAR中的ARS。这些具备完全或部分“中心”功能的节点可以获得一定覆盖区域内的节点位置信息和网络拓扑信息，从而为路由的计算和路径的选择起到一定的辅助作用。所以，设计混合网络路由机制时必须合理的利用这些节点，将分布式路由和“中心节点”的辅助相结合来提高全网的性能，例如BMBP[14]、BAAR[15]和SMRP[16]。

2.5 计费
    混合网络自身的特性对计费机制产生了新的要求。首先，许多通信业务只是由节点间的中继转发来完成，而不需要经过基站。因此，基站对于覆盖范围内的业务并不拥有完备的信息。其次，电信运营商已不再是服务的唯一提供者，负责中继转发的中间节点也为通信用户提供了相应的服务。这些中间节点在进行数据存储和转发的过程中耗费了自己的能量，甚至会影响自身的通信业务，所以必须给予一定的补偿来激励其为其他的用户进行数据的转发。第三，用户的移动性会造成通信链路的重新配置，从而增大了统计计费信息的难度。这些特性就要求必须针对混合网络设计新的计费机制，以保证准确记录为用户提供服务的其他用户的身份、服务时间和传输流量等信息。

2.6 负载均衡
    有研究发现，混合网络中的节点所承担中继转发业务的多少和该节点在网络中的位置以及周围区域节点密度有关[17]。靠近网络中心的节点，要比网络边沿的节点承担更多的中继转发业务。这就使得处于网络中心区域的节点最早消耗完自身的能量，从而造成网络中心区域节点的密度降低，并增大了这一区域其他节点的负担，形成恶性的循环。这种区域性的节点密度降低一方面会导致网络出现分割，另一方面也会对正在进行的业务产生影响，造成网络吞吐降低。所以，负载均衡算法是混合网络中需重点研究的问题之一。目前实现负载均衡的方法主要是对最短路径的路由发现机制进行改进，搜索多条备份路径。业务发起时，由节点自主地选取一条链路节点负载最小的路径进行数据传输，如PHRS[18]、MSPR[18]和MPD[18]；或者由基站根据全网当前的负载分配和吞吐从搜索出的路径中选取一条路径指配给用户，例如BSR[18]。

2.7 其他关键技术
    除上述关键技术外，混合网络的网络容量、用户身份的鉴权认证、安全保障、QoS保障以及移动性管理等也是混合网络中要研究的关键技术问题，限于篇幅的原因，本文不作深入讨论。

3 结束语
    自组织网络和蜂窝网络的融合为构造下一代移动通信系统奠定了基础。这种混合网络通过其灵活的网络组建能力，不仅提高了对传统业务的支持，同时也为引入新服务创造了条件。对于混合网络中存在的新问题如路由机制、计费机制和负载均衡问题等，已经吸引了国内外大量研究人员的关注，希望本文能够起到抛砖引玉的作用，以推动国内同仁对这些问题的研究。

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收稿日期：2005-05-16

[摘要] 自组织网和蜂窝网是移动通信系统的重要组成部分，融合两者的混合网络将可能成为未来移动通信系统的重要组成形式之一。文章介绍了混合网络的研究现状，分析了各网络模型的特性，并对混合网络中的关键技术问题，如框架结构、通信模式选择、信道分配、路由、计费、负载均衡，进行了探讨。文章认为混合网络通过其灵活的网络组建能力，不仅提高了对传统业务的支持，同时也为引入新服务创造了条件。自组织网络和蜂窝网络的融合将为构造下一代移动通信系统奠定基础。

[关键词] 混合网络；自组织网；蜂窝网；网络模型

[Abstract] The Ad hoc network and cellular network are two main components of the wireless communication system. A hybrid wireless network formed by them may be an important pattern of the next-generation mobile communication system. The paper introduces the status quo of the study of hybrid networks, and analyzes characteristics of various hybrid network models. Moreover, it discusses some key technical issues for hybrid networks, including architecture, communication mode selection, channel distribution, routing, billing and load balancing. The paper concludes that the hybrid networks, with their flexible architecture, not only enhance the support for traditional services, but also create conditions for introducing new services. It thinks that convergence of Ad hoc network and cellular network is the basis of the next-generation mobile communication system.

[Keywords] hybrid network; Ad hoc network; cellular network; network architecture