ADHOC在未来通信上的应用

1、关于联通的一个文章“adhoc在未來通信上的应用”摘要 讨论了 ad hoc技术在未來无线通信中的组网。在未來的移动接入网中，ad hoc可以独立纽网也可以与共他网络整合组 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，不具冇商业价值；小规模的ad hoc网可以作为接入网 与英他网络整合纽网。提出了两种较为可行的整合方案，将小规模的ad hoc网络通过网关与internet和蜂篦网络整合，充分利 用了 ad hoc网简单灵活等优势。同时也对整合网络的研究现状和所面临的问题进行了总结。ad hoc技术研处开始于20世纪70年代。美国darpa出于军爭需要开始研究分组无线网(

2、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网络既不需耍固定的网络结构，也没有专用的固定的基站 或路山器作为网络的管理中心。网络中的每个节点都具有路山器功能，能够发现和维护到其他节点的路山，并向邻居节点发射 和转发数据分组。由丁其组网简单灵活、成木低以及生存能力强等特点，应用范围不断扩大，由最先的军用扩大到地蕊、火灾 等紧急通信场合。h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。文章对ad hoc技术在未来无线通信中应用可能会采取的纽网方式进行了研究，分析了各种方式的优缺点。一、ad

3、hoc独立组网独立组网盘味着同一网络中的各节点彼此通信，而不与任何有基础设诞的网络相连。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 大规模独立ad hoc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，復至广域网， 擀代现有的有线通信网络。口前看來，这种想法不太切合实际的惜况,缺乏潜在的商业价值，仅可以作为一种方案用來进行科 学研究。因为ad hoc适用丁在某些待定的场合用非常少的数据传输非常重要的信息，例如在战场传达命令和在高速公路上通知 其他车俩关于交通堵塞的情况等。大规模的ad

4、hoc网络不适合传输大量的信息，因为大规模的ad hoc网络会产生高风险、高 成本、低效率等问题。* |>|< 论”卄"犬规模adhoc网络的主耍问题在那里？主耍是对大信息的传送有障碍？为什么！解决它(1) 安全问题无线信道暴霧在外部环境中，很容易被窃听和干扰，受到主动入侵、伪造身份以及拒绝服务等攻击。另外,无中心无组织 的网络结构也很容易受到攻击。山于没有任何集中控制的基础设施，要想采用密钥分发小心或信任证书权威机构提供密钥和数 字证书帮助结点相互认证是非常困难的。在安全路山领域,未來研究中垠重要的是跟踪和消除行为失效节点。跟踪和消除这些现有路宙的一部分失效节点可以预防

5、 网络隔离问题。这些问题在无线ad hoc这种没右中心控制职能的网络中非常重要。因为在无线ad hoc网中个体节点作为路由 器，在它们的无线覆盖范用内转发信息包。如果一个节点受损或失效，经过这个节点的路由就会受到威胁，这样就需要-种机 制來挽救节点失效或朋溃时的路曲。无线ad hoc网络中的节点是移动的，如果一个节点足一些失效路山的组成部分，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 种完善的安全机制满足i:述条件* |»|;|»*可以用仿真来解决上述的问题足借谋的。见自己的文章，这i优是错谋的.或基木是错谋的(2) 过高的路由成

6、本随着网络规模的扩大，信令的成本会急剧增加。在ietf的路由协议草案，如aodv、dsr等被动路由协议中，源节点需耍洪泛路山请求來寻找到的节点的路由，在大规模的ad hoc网络屮，这种洪泛路山请求过程会消耗大杲的网络资源。* |*为什么不考世按需路由？(3) 传输性能的变化除了安全和路由问题之外，ad hoc网络在时延和吞吐虽等传输性能方|ri的指标也会随若跳数的增加而急剧下降。卄"卄评论"应该可以控制在一定的范用内，性能f降不是绝对的爭悄，只要有一个可以接收的下限就是可以接收的2小规模的ad hoc独立组网与大规模的ad hoc单独组网相比，小规模的ad hoc贰独组网具

7、有较大的商业价值，其应用环境包括家庭、商务会议区以及医 院等。例如家庭环境中，ad hoc可为用户建立无线家庭网络，可以把所何的家电用网络连接起來，比如把电脑、音响、厨房用 具、保安系统等连在一起，从而更方便交流，还可实现资源共享。不断涌现的无线局域网技术像802.1 k蓝牙等也给ad hoc 的发展提供动力。在实应用小，ad hoc网络除广可以单独组网实现局部的通信外，它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，这就是下面要谈的 榕合的ad hoc网络。二、整合的ad hoc网

8、络1.ad hoc网络与internet整合(1) ad hoc与internet整合的网络拓扑图1是使用三种网关把ad hoc网络与internet相整合的场绘。无线ad hoc网关(wa-gw： wireless ad hoc gateway)以及 移动 ad hoc 网关(ma-gw： mobile ad hoc gateway)、移动热点网关(mh-gw： mobile hotspot gateway)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移动终端通过网关与ap柑连，再通过ap接入internet。首先，在ad hoc网络中使用的空中接

9、口与接入网的空中接口不同；其次，一个ad hoc网络中的移动终端有可能在ap的覆盖范用z外；再者，ad hoc网络中的移动终端没冇冇效的ip地址来按入全球的interneto因此，ad hoc网关对于ad hoc终端接入internet是必要的。曲于ad hoc网络中的终端在通信过程中会移动，能够使数据 包从终端传送到网关的动态路由协议就很有必要。ietf中的儿个协议草案像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冇基础役施的移动ip路由协议相结合。ad hoc网关能够将数据包在不 同的域z间进行路由。接入网由网关、交换机及接入点组

10、成。网关连接到internet,根据覆盖范围的不同，有一个或者影个交换 机连到网关。每个交换机祁连了一定数虽的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，可以通过增加网关的数h來实现。网关可以通过分级的方法來实现宏移动支持。在接入网的第二层，包交换 同第三层的ip路由相融介,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农进行处 理。这种惜况下，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l1j ip层 的路山协议來处理。通过对二层路由农的分级更新，带右高效微移动支持的

11、接入网实现ip服务的无缝拔盖。* t半 *应该说是对adhoc网络的不理解，为什么不能在设备上就完成ip地址的生成，或是进行淇它的转换，这点在在实现上是可以 的，而不是一定需要对这-个设定一个所谓的网关才行，这在adhoc的上述的三个网关划企匕深刻体现了该文作者对有线 网络的理解与生搬倾套！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-种是可移动的网关，可以集成在终竭上，用户可以通过它随时连接到ap,其灵活性大大增加，但是由于瓦移动性，所以不 像wa-gw那么稳定：mh-gw是曲网络运营商來提供的一种较为灵活的

12、网关，其移动性介于前两者之间，它对接入网來讲是 移动的，对ad hoc网来说是周定的，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还能够提供木地内容服务。运营商可以通过向用户提 供internet服务、木地内容利aaa认证等服务來向用户收取相关的费用。图1 ad hoc与internet楼合网络拓扑<2) ad hoc与internet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internet之询首先找到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

13、存在。如果ad hoc终端距离网关只冇-跳的距离，那么终端就通过接收广播信息來找到ad hoc网关； 如來距离超过一跳，终端会向周帼节点发送“网关寻找”的控制包，其小包含有本终端的归属ip地址和mac地址，然后ad hoc 移动终端会收到来自一个或者几个ad hoc网关的应答。ad hoc移动终端会选取跳数最少的作为其网关接入internet.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。2,ad hoc与蜂禹系统相整介为解决蜂駕通信系统与无线局域网整合应用范帼不广的问题，在蜂窝通信系统中引入无线自组网成为目前研究的

14、一个热点。图2 屮，ad hoc网络通过ma-gw和mh-gw与蜂窝系统混合组网。图2 ad hoc网络与蜂窝系统混合纽网(1)蜂窝系统与ad hoc网络整合的必要性首先,能够对蜂禽系统屮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屮 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，各蜂禹小区话务盘不平衡且动态变化，引入口组网的动态中继，将一个 小区的流鼠分流到周边小区，行效地缓解了由于容量饱和而造成的呼叫阳塞和切断链。再次，对于距离比较近的移动节点，可以通过口组网直接通信，不占用蜂窝网的资源，减少蜂窝系统的负担

15、，提高系统的总容 量。最后，提高移动节点接入蜂禽系统的速率。在多跳多速率的网络屮，采用*跳高速率的路山代粋一跳低速率的路山，只要能够 冇效地减少信道的占用时间，就能提高系统总的吞吐龟。gprs毎时隙可提供的传输速率为cs21(9.05 kbit/s) . cs22 (13.4 kbit/s)、cs23 (15.6 kbivs)及cs24 (21.4 kbivs)，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, h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38.42457.6 kbivs的各种数据 速率，但达不到较烏的接入速率

16、。因此，蜂駕系统中引入i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) ad hoc与蜂駕系统幣合的研究现状无线ad hoc与蜂窝移动通信系统整合方面，目浒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(opportunity driven multiple access)、a-gsm、soprano (self-organizing packet radio ad hoc networks with overlay)、 icar (integrated cellular and ad hoc relaying systems)等以下分别给 p说明

17、：odma nf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岛速率覆盖区、低速率覆盖区和无覆盖区。系统中的用户同时具备与基站 进行坯本通信的能力和为其他用户进行数据转发的能力。通过其他用户的幺跳转发，低速率区域的用户可以获得蜂禽网络提供 的高比特率业务，从而通过冬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系统的改动的基础上，使移动台具有屮继功能，由此來増强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和网络数据库(hlr、vlr、

18、eir、ac)基本不变的悄况下，引入集成双模 终端(integrated dual mode terminals),该终端具有两种空中接u： gsm空屮接口和无线名跳(或者ad hoc)空中接口。 得到的结论是：弓iaa-gsm后，系统吞吐量性能得到了很大程度的改善，移动终端个数越名，a-gsm系统吞吐性能越好，改 善越我soprano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f，会导致网络吞吐量的卜降； 但是，路i1j器的増加大大降低了功率总和，利用容虽增强新技术(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

19、的总体性能。o.sphinx在蜂窝网模型中引入对等(p2p： peer-to-peer)网络模型(自组织网)，支持节点通过多跳转发來进行通信。 得出的结论是：混合网络模型在吞吐最和功耗方面优于传统的蜂窝网络模型，在资源公平分配方面以及对移动性与业务位置变 化的适应性方面优于p2p网络模型。icar在网络中设置一定数童的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，提岛系统的吞吐。通过对现有研究的分析，引入ad hoc技术的

20、筋跳蜂駕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：增强用户终堆的功能（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対终端的现有功能而言。 其方法主要有：在网络中増加新的无线资源，使用户终端支持多种空中接口，从而具备中继转发能力；在现有的无线资源 坏境下，通过改造终端使其具有中继转发能力o drn方式是指由移动网络运营商设誉一些移动或固定的专用中继节点，负责为 附近的用户

21、进行数据的转发，以支持终瑞间的白组织通信方式。（3）ad hoc与蜂駕系统整合研究而临的问题网络容量分析虽然多跳蜂鶴网络是移动通信领域屮的热点问题,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來容就 上的好处还尚有争议,没有达成共识。定性地來看，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,捉高了资源利用率。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，不利于系统容鼠的提高

22、。因此，综合正反两方面因索不容易直观地断定引入白组织方式后容虽 是否会提高，必须开展定虽分析。日前，对这一问题进行研究的何sphinx项日和sopran0项目等。sphinx项日在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最和功耗方而优于传统的蜂窝网络模型。soprano项h分析了同步的cdma混合网 络的容量,其结论是：在cdma蜂闵系统中増加无线路由器，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，路山器的増加大大降低了发送功率总和，利用mimo创能天线、多用户检测等容虽增强技术可以将功率上的降低转化 为容量上的提岛。但是，该结论是

23、在一些约束条件下获得的，且没冇考便局部业务使用局域子网通信这种情况。弥补覆孟缺陷问题的定量分析如前所述，引入白组织方式有助于解决蜂窝网络的覆滥缺陷问题。h前，国内外对这一问题研究的较少，并没有定杲的刻曲和 评估。虽然引入自组织方式会有效地弥补覆盖缺陷是显而易见的，但是究竟能带來紡大的好处，需要做定量的分析，这对未來 的网络规划、成本核算以及整体网络性能的评估是很冇益处的。通信模式的选择问题在引入自组织方式的蜂窝系统中，冇3种通信方武：自组织方或（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）以及混合方式（经过多跳小继最终接入基站）。因此，当这几种通信方式都能实

24、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。通信方式的灵活选择是一个垂要的问题，也是网络智能性和自适应性的匝要体现。其研究的上要问题包括业务初始时的方式选 择和业务过程屮的方式转换两部分。选择算法的实质就是要在综合考虑多种相关因索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f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通 信方式的选择不仅要考虑通信范憎，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索。同时，如何衡量-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乂能满足业务qos要求的准则和决策算法是非常甬耍但却比较闲难的问题。混合路由问题 与单纯白组织网络不同，命跳蜂駕网络中可能还包括计算能