MANET與現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)研究-基礎(chǔ)電子

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0引言

移動(dòng)adhoc技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代。美國(guó)DARPA出于軍事需要，開(kāi)始研究分組無(wú)線網(wǎng)PRNET(PacketRadioNetwork)在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同的是，adhoc網(wǎng)絡(luò)既不需要固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有專用的固定基站或路由器作為網(wǎng)絡(luò)的管理中心。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有路由器功能，能夠發(fā)現(xiàn)和維護(hù)到其他節(jié)點(diǎn)的路由，向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)射和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。由于具備組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、成本低、生存能力強(qiáng)等特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，由原來(lái)的軍用領(lǐng)域擴(kuò)大到地震、火災(zāi)等應(yīng)急通信領(lǐng)域。目前已有的adhoc組網(wǎng)方式多為獨(dú)立組網(wǎng)，獨(dú)立組網(wǎng)意味著同一網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)彼此通信，但不與其他任何有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)相連。獨(dú)立的adhoc網(wǎng)絡(luò)從規(guī)模上可以分為大型adhoc獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)和小型adhoc獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)。

大規(guī)模的獨(dú)立adhoc網(wǎng)絡(luò)包括成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)。有研究者曾建議應(yīng)用大規(guī)模的adhoc網(wǎng)絡(luò)形成無(wú)線城域網(wǎng)，甚至廣域網(wǎng)，以替代現(xiàn)有的有線通信網(wǎng)絡(luò)。目前看來(lái)，這種想法不切合實(shí)際情況，只可以作為一種方案用來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究，缺乏潛在的商業(yè)價(jià)值。這是因?yàn)榇笠?guī)模MANET不適合傳輸大量的信息，而且會(huì)產(chǎn)生高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、低效率等問(wèn)題。

與大規(guī)模adhoc單獨(dú)組網(wǎng)相比，小規(guī)模的獨(dú)立adhoc網(wǎng)絡(luò)具有較大的商業(yè)價(jià)值，其應(yīng)用環(huán)境包括家庭、商務(wù)會(huì)議區(qū)、醫(yī)院等。例如，家庭環(huán)境中，可以采用MANET為用戶建立無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)，把電腦、音響、廚房用具、保安系統(tǒng)等用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，從而更方便交流，還可以實(shí)現(xiàn)資源共享。

1MANET在未來(lái)無(wú)線通信中扮演的角色

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)正在經(jīng)歷由窄帶到寬帶，由承載話音業(yè)務(wù)到承載多媒體業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡(luò)信息共享與組網(wǎng)的方式也逐漸引入了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模式，與現(xiàn)有的客戶機(jī)－服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。在組網(wǎng)方面，通信網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)互聯(lián)各種接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)足夠可靠的IP網(wǎng)絡(luò)，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)配置，實(shí)現(xiàn)各種接入方法的無(wú)縫連接。MANET作為一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，由于其組網(wǎng)靈活、不需要基礎(chǔ)設(shè)施，越來(lái)越顯示出其作為一種新的接入手段的優(yōu)越性。

首先，adhoc網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ΜF(xiàn)有無(wú)線通信系統(tǒng)中的盲區(qū)起到覆蓋作用。在一些網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（基站或AP）覆蓋不到或者信號(hào)很弱的地區(qū)，通過(guò)其他處于接入點(diǎn)與移動(dòng)終端之間的adhoc網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，可有效提高這些地區(qū)信號(hào)的覆蓋。

其次，adhoc網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載起到均衡作用。在現(xiàn)有的無(wú)線系統(tǒng)中，各無(wú)線覆蓋區(qū)的業(yè)務(wù)量不平衡而且動(dòng)態(tài)變化，利用adhoc網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)中繼功能，將某一業(yè)務(wù)區(qū)的流量分流到周邊業(yè)務(wù)區(qū)，可以有效地緩解由于容量飽和而造成的業(yè)務(wù)阻塞。

第三，對(duì)于距離比較近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可以通過(guò)adhoc網(wǎng)絡(luò)直接通信，減少移動(dòng)通信系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

，adhoc網(wǎng)絡(luò)可以提高移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入無(wú)線系統(tǒng)的速率。在多跳多速率的網(wǎng)絡(luò)中，采用多跳高速率的路由代替單跳低速率的路由，只要能夠有效地減少信道的占用時(shí)間，就能提高系統(tǒng)總的吞吐量[2]。

2MANET與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式

圖1MANET與WLAN的互聯(lián)

根據(jù)移動(dòng)性和帶寬需求的不同，MANET與傳統(tǒng)公共網(wǎng)絡(luò)可以有不同的互聯(lián)方式。圖1中，MANET通過(guò)adhoc網(wǎng)關(guān)和接入點(diǎn)(AccessPoint)與無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，能夠獲得較高的傳輸速率，但移動(dòng)性較差，因?yàn)閃LAN技術(shù)不適用于高速移動(dòng)的情況。圖2是MANET通過(guò)兩種移動(dòng)adhoc網(wǎng)關(guān)接入到UMTS網(wǎng)絡(luò)中的場(chǎng)景，這種情況與前者相比，傳輸速率會(huì)受限，但移動(dòng)性大大增強(qiáng)。用戶在熱點(diǎn)地區(qū)可以通過(guò)種方式接入公共網(wǎng)絡(luò)，在行進(jìn)中的汽車(chē)上則可以通過(guò)第二種方式接入公共網(wǎng)絡(luò)。兩種接入方式相互補(bǔ)充，可滿足用戶在不同場(chǎng)合下的需求。

2.1互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1和圖2中的兩種接入方式都是通過(guò)adhoc網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，無(wú)線自組織網(wǎng)關(guān)（WA-GW：wirelessadhocGateway）、移動(dòng)自組織網(wǎng)關(guān)（MA-GW：mobileadhocGateway)和移動(dòng)熱點(diǎn)網(wǎng)關(guān)（MH-GW：mobilehotspotGateway）是三種adhoc網(wǎng)關(guān)。無(wú)線自組織網(wǎng)關(guān)是一種固定網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供。移動(dòng)自組織網(wǎng)關(guān)是一種可移動(dòng)的網(wǎng)關(guān)，可以集成在終端上，用戶通過(guò)它可以隨時(shí)連接到WLAN的接入點(diǎn)上，其靈活性大大增加。但是由于其具有一定的移動(dòng)性，所以不像WA-GW那么穩(wěn)定。移動(dòng)熱點(diǎn)網(wǎng)關(guān)的移動(dòng)性介于前兩者之間，是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的一種較為靈活的網(wǎng)關(guān)。它對(duì)接入網(wǎng)來(lái)說(shuō)是移動(dòng)的，對(duì)adhoc網(wǎng)來(lái)說(shuō)是固定的，類(lèi)似于移動(dòng)通信中為解決熱點(diǎn)地區(qū)覆蓋使用的車(chē)載基站。

使用adhoc網(wǎng)關(guān)作為中介而不是終端直接與AP進(jìn)行連接，其原因主要有以下幾個(gè)：首先，在MANET中使用的空中接口與其他接入網(wǎng)的空中接口不相同，因此adhoc網(wǎng)關(guān)起了空中接口協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用；其次，一個(gè)adhoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端有可能在AP的覆蓋范圍之外，因此需要相應(yīng)的adhoc網(wǎng)關(guān)作接入；再者，MANET中的移動(dòng)終端可能沒(méi)有有效的IP地址來(lái)接入Internet，因此，adhoc終端通過(guò)adhoc網(wǎng)關(guān)接入Internet是必要的。

圖2MANET與UMTS的互聯(lián)

在圖1的組網(wǎng)方式中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、路由器、Internet主機(jī)的協(xié)議棧如圖3所示。在圖2的組網(wǎng)方式中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧如圖4所示。由于MANET中的終端在通信過(guò)程中會(huì)發(fā)生移動(dòng)，數(shù)據(jù)包從終端到網(wǎng)關(guān)的傳送需要采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，可以選擇IETF的幾個(gè)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議草案，例如DSR、AODV等。但是這些動(dòng)態(tài)路由協(xié)議都是針對(duì)純MANET的，所以有必要把這些協(xié)議與有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的移動(dòng)IP路由協(xié)議結(jié)合起來(lái)。

圖3協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

圖4協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

adhoc網(wǎng)關(guān)除了完成將數(shù)據(jù)包在不同的域之間進(jìn)行路由的功能外，還對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容、升級(jí)起著重要的作用。在圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校尤刖W(wǎng)由網(wǎng)關(guān)、接入點(diǎn)和交換機(jī)組成。交換機(jī)通過(guò)路由器連接到公共通信網(wǎng)，每個(gè)交換機(jī)又連有一定數(shù)量的接入點(diǎn)。根據(jù)容量和覆蓋的要求，每個(gè)接入點(diǎn)上連有一個(gè)或者多個(gè)adhoc網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)是分層次的，可以通過(guò)增加網(wǎng)關(guān)和接入點(diǎn)的數(shù)目來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線容量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)。

adhoc網(wǎng)關(guān)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)快速、高效的移動(dòng)性的支持。同一adhoc網(wǎng)關(guān)下的終端屬于同一個(gè)IP子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)的兩個(gè)移動(dòng)終端進(jìn)行通信時(shí)，由交換機(jī)和網(wǎng)關(guān)的二層路由表進(jìn)行處理。在這種情況下，因?yàn)闆](méi)有通過(guò)IP來(lái)完成路由，IP層不會(huì)意識(shí)到移動(dòng)終端的移動(dòng)。如果其中一個(gè)移動(dòng)終端切換到另外一個(gè)adhoc網(wǎng)關(guān)下的接入網(wǎng)，由于兩個(gè)接入網(wǎng)不在一個(gè)IP子網(wǎng)內(nèi)，終端間的通信就會(huì)通過(guò)IP層的路由協(xié)議來(lái)處理。通過(guò)對(duì)路由的分級(jí)處理，帶有高效微移動(dòng)支持的接入網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)IP服務(wù)的無(wú)縫覆蓋[3]。

2.2MANET與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)后的運(yùn)行過(guò)程

在圖1和圖2中，所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以及adhoc網(wǎng)關(guān)，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的獨(dú)立MANET。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要與MANET中的其他節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，它們會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)的adhoc路由協(xié)議進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)與Internet主機(jī)或蜂窩移動(dòng)終端進(jìn)行通信時(shí)，就需要通過(guò)adhoc網(wǎng)關(guān)接入公共網(wǎng)絡(luò)[5]。MANET與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)后的運(yùn)行過(guò)程主要包括以下幾個(gè)方面：

首先是adhoc網(wǎng)關(guān)的發(fā)現(xiàn)，adhoc網(wǎng)關(guān)周期性地向周?chē)l(fā)送廣播包來(lái)廣播自己的存在。如果adhoc終端距離網(wǎng)關(guān)只有一跳的距離，那么終端就通過(guò)接收廣播信息來(lái)找到adhoc網(wǎng)關(guān)。如果距離超過(guò)一跳，終端會(huì)向周?chē)?jié)點(diǎn)發(fā)送“網(wǎng)關(guān)尋找”的控制包，其中包含有本終端的本地IP地址和MAC地址，然后adhoc移動(dòng)終端會(huì)收到來(lái)自一個(gè)或者幾個(gè)adhoc網(wǎng)關(guān)的應(yīng)答。adhoc終端會(huì)選取跳數(shù)少的adhoc網(wǎng)關(guān)作為其網(wǎng)關(guān)接入公共網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)關(guān)確定之后，adhoc終端接入公共網(wǎng)絡(luò)的路由就確定了。當(dāng)adhoc移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向Internet主機(jī)或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的手機(jī)終端發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，將目的IP地址指定為adhoc網(wǎng)關(guān)的地址，而將真正要到達(dá)的Internet主機(jī)地址或手機(jī)終端地址放在分組的路由首部，在adhoc網(wǎng)內(nèi)部，數(shù)據(jù)分組按照標(biāo)準(zhǔn)的adhoc路由協(xié)議進(jìn)行傳輸。數(shù)據(jù)分組到達(dá)adhoc網(wǎng)關(guān)之后，檢查數(shù)據(jù)分組的目的地址，如果數(shù)據(jù)分組的目的地址是adhoc網(wǎng)關(guān)，會(huì)將數(shù)據(jù)分組的目的地址修改為路由首部指定的地址，并將數(shù)據(jù)分組發(fā)送給路由器，數(shù)據(jù)分組會(huì)按照普通Internet協(xié)議或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進(jìn)行發(fā)送；如果數(shù)據(jù)分組的目的地址不是adhoc網(wǎng)關(guān)，而是MANET中的其他節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)會(huì)依照標(biāo)準(zhǔn)的adhoc路由協(xié)議進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)操作。當(dāng)公共網(wǎng)絡(luò)終端需要向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的路由機(jī)制，將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到路由器，進(jìn)而到達(dá)目的終端所歸屬的adhoc網(wǎng)關(guān)，adhoc網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)分組后，按照adhoc路由協(xié)議從無(wú)線接口將數(shù)據(jù)分組發(fā)向目的終端。

3MANET互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)研究面臨的問(wèn)題及相關(guān)研究成果

（1）網(wǎng)絡(luò)容量分析

雖然adhoc網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是無(wú)線通信領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問(wèn)題，有許多學(xué)者正在對(duì)其進(jìn)行研究，但對(duì)于引入自組織方式后能否帶來(lái)通信系統(tǒng)容量的提升尚有爭(zhēng)議。定性地來(lái)看，引入自組織方式后多跳接入網(wǎng)絡(luò)具有三點(diǎn)性能優(yōu)勢(shì)：首先，通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制降低了發(fā)射功率，提高了信道空間復(fù)用性；其次，采用自組織方式建立局部業(yè)務(wù)，減輕了接入點(diǎn)的瓶頸效應(yīng)；第三，通過(guò)轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)小區(qū)的流量，實(shí)現(xiàn)了資源的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，提高了資源利用率。以上這些優(yōu)勢(shì)都有益于系統(tǒng)容量的提高。但是另一方面，多跳轉(zhuǎn)發(fā)增加了總體的發(fā)送次數(shù)，卻又不利于系統(tǒng)容量的提高。因此，綜合正反兩方面因素，很難直觀地?cái)喽ㄒ胱越M織方式后通信系統(tǒng)容量是否會(huì)提高，必須開(kāi)展定量的分析。

目前，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究的有Sphinx項(xiàng)目和SOPRANO項(xiàng)目等。Sphinx項(xiàng)目在ns-2平臺(tái)上對(duì)他們提出的混合網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，該混合網(wǎng)絡(luò)模型在吞吐量和功耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)模型[6]。SOPRANO項(xiàng)目分析了同步的CDMA混合網(wǎng)絡(luò)的容量，其結(jié)論是：在CDMA蜂窩系統(tǒng)中增加adhoc路由器，僅使用功率控制技術(shù)和經(jīng)典技術(shù)，不一定能夠使網(wǎng)絡(luò)吞吐上升；但是，路由器的增加大大降低了發(fā)送功率總和，利用MIMO、多用戶檢測(cè)等容量增強(qiáng)技術(shù)可以將功率上的降低轉(zhuǎn)化為容量上的提高。但是，該結(jié)論是在一些約束條件下獲得的，且沒(méi)有考慮局部業(yè)務(wù)使用局域子網(wǎng)通信這種情況[7]。

（2）彌補(bǔ)覆蓋缺陷問(wèn)題的定量分析

如前所述，引入自組織方式可以有效地解決蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋缺陷問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)這一問(wèn)題研究得較少，并沒(méi)有定量地評(píng)估彌補(bǔ)覆蓋缺陷問(wèn)題。雖然引入自組織方式會(huì)有效地彌補(bǔ)覆蓋缺陷是顯而易見(jiàn)的，但是究竟能帶來(lái)多大的好處，還需要作定量的分析，這對(duì)未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、成本核算以及整體網(wǎng)絡(luò)性能的評(píng)估是很有益處的。

（3）通信模式的選擇問(wèn)題

在引入自組織方式的蜂窩系統(tǒng)中，有3種通信方式，自組織方式（相當(dāng)于構(gòu)建一個(gè)自組織局域子網(wǎng)，簡(jiǎn)稱局域子網(wǎng)）、蜂窩方式（與經(jīng)典的蜂窩方式相同）、混合方式（經(jīng)過(guò)多跳中繼終接入基站）。因此，當(dāng)這幾種通信方式都能實(shí)現(xiàn)用戶的通信需求時(shí)，就不可回避地要解決通信方式的選擇問(wèn)題。

通信方式的選擇是一個(gè)重要問(wèn)題，也是網(wǎng)絡(luò)智能性和自適應(yīng)性的重要體現(xiàn)。其研究的主要問(wèn)題包括業(yè)務(wù)初始時(shí)的方式選擇和業(yè)務(wù)過(guò)程中的方式轉(zhuǎn)換兩部分。選擇算法的實(shí)質(zhì)就是要在綜合考慮多種相關(guān)因素的基礎(chǔ)上確定一個(gè)策略，依據(jù)各種業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息選擇合理的通信方式。然而，由于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)復(fù)雜多變，支持的業(yè)務(wù)種類(lèi)繁多，通信初始階段和切換階段的通信方式選擇不僅要考慮通信范圍，還要綜合考慮當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡程度、業(yè)務(wù)的QoS要求、以及用戶的移動(dòng)特性等各種因素。同時(shí)，如何衡量一種通信方式選擇機(jī)制的優(yōu)劣，確定出有效的優(yōu)化函數(shù)關(guān)系也是一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。所以，選定一種既能充分優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，又能滿足業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求的策略和算法是比較困難的。

（4）混合路由問(wèn)題

與單純自組織網(wǎng)不同，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)中可能還包括計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力都更為強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)具備獲得更多更準(zhǔn)確網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的能力，能夠完全或部分具備“中心”功能。因此，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要使用“中心”輔助路由和混合路由兩種路由模式。

“中心”輔助路由屬于一種“集中式”的先應(yīng)式路由。各移動(dòng)用戶節(jié)點(diǎn)向“中心”相關(guān)信息，“中心”根據(jù)收集到的信息以及網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載情況，為用戶決策路由。該路由完全由“中心”計(jì)算。這種路由模式需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題是：用戶節(jié)點(diǎn)應(yīng)該向中心哪些信息，才能使路由智能地、自適應(yīng)地避免及緩解網(wǎng)絡(luò)中的死區(qū)和熱點(diǎn)，進(jìn)而有效地均衡負(fù)載。對(duì)于