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隨著各種通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)一直是業(yè)界研究的重點(diǎn)問題。尤其在3G時(shí)代，將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與第三代移動(dòng)3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，互相取長補(bǔ)短，已成為改善網(wǎng)絡(luò)性能，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源的有效方法。由此，應(yīng)用于融合網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端也逐漸成為當(dāng)前開發(fā)的熱點(diǎn)。
引言
在移動(dòng)通信的早期發(fā)展階段，通信系統(tǒng)簡單，容量小，不適合大范圍的商業(yè)推廣。隨著蜂窩系統(tǒng)概念的提出，現(xiàn)代意義上的移動(dòng)通信系統(tǒng)才以前所未有的速度快速發(fā)展。蜂窩系統(tǒng)前后經(jīng)歷了第一代頻分多址的模擬調(diào)制蜂窩系統(tǒng)、第二代數(shù)字調(diào)制蜂窩系統(tǒng)以及第三代數(shù)字調(diào)制蜂窩系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信的發(fā)展為無線網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展帶來了可能。隨時(shí)隨地的接入實(shí)現(xiàn)了方便快捷的通信，但是單小區(qū)的通信量瓶頸以及有限的數(shù)據(jù)速率也限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信的再次飛躍成了我們研究的重點(diǎn)。
Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)又名無線自組織網(wǎng)絡(luò)，它是吸取了PRNET、SURAN以及GloMo等項(xiàng)目的組網(wǎng)思想，從而產(chǎn)生的一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有別于中心接入和單跳的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它強(qiáng)調(diào)多跳和無中心接入。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)移動(dòng)終端之間相互對(duì)等，它們作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅具有主機(jī)的功能，還具有路由器的功能，使其可在一個(gè)廣闊的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)多跳的無線通信�；谶@種多跳的無線信道特點(diǎn)，移動(dòng)終端面臨著諸如媒質(zhì)接入、尋址、路由、網(wǎng)絡(luò)初始化和控制等難題。但是系統(tǒng)自組（self-organizing）特性使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組建靈活、網(wǎng)絡(luò)抗毀性強(qiáng)，它可以在沒有或不能利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境，從而拓寬了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
盡管單純的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有高度靈活，組網(wǎng)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但這種靈活性對(duì)其路由、安全等協(xié)議提出了較高的要求。同時(shí)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有限的覆蓋范圍也限制了其大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合，相互取長補(bǔ)短，既可以充分利用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，又為3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供新的活力。Ad Hoc與3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合從總體上可以分為兩種，第一種是3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)輔助Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)為主，典型代表是CAMA，第二種是將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的末端子網(wǎng)，以3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)為主，典型代表是iCAR（Integrated Cellular and Ad-hoc Relay System）與UCAN（A Unified Cellular and Ad hoc Network Architecture）。
融合網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)終端
CAMA體系結(jié)構(gòu)是借用了3G蜂窩網(wǎng)的“帶外信號(hào)”，用3G蜂窩網(wǎng)的中央管理機(jī)制來提高Ad hoc的網(wǎng)絡(luò)管理和控制，從而提高Ad hoc的性能。典型的CAMA體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，它將移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與3G蜂窩網(wǎng)相結(jié)合。CAMA的管理服務(wù)器稱為CAMA代理，它是在3G蜂窩網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。每個(gè)CAMA代理管理幾個(gè)小區(qū)并且知道哪個(gè)移動(dòng)Ad hoc用戶是CAMA的注冊(cè)用戶。移動(dòng)終端通過3G蜂窩網(wǎng)的無線信道與CAMA代理交換信息。集中式的CAMA比較容易解決純Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的認(rèn)證，鑒權(quán)和收費(fèi)（AAA）難題。CAMA不同于無線局域網(wǎng)。在無線局域網(wǎng)中，所有的數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)包必須通過固定接入點(diǎn)。在CAMA中，只有控制數(shù)據(jù)通過基站，而其他數(shù)據(jù)則通過Ad hoc數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送。CAMA通過高效的帶外信號(hào)和集中控制可以大大提高Ad hoc路由及安全性能。
圖1 CAMA體系結(jié)構(gòu)
由圖1中我們可以很清楚地發(fā)現(xiàn)，每個(gè)移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)用戶都可以分別通過兩個(gè)不同的無線信道：Ad hoc子網(wǎng)用戶和CAMA代理通信。其中與Ad hoc子網(wǎng)用戶通信的是Ad hoc信道，與CAMA代理通信的是用于Ad hoc子網(wǎng)管理的蜂窩信道。也就是說，所有的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都同時(shí)具備兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口以滿足在融合網(wǎng)絡(luò)中的雙模通信。這樣一來的好處就是既滿足了Ad hoc子網(wǎng)原有的靈活性和獨(dú)立性，又引入了3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的集中式管理。具有雙重模式的移動(dòng)終端可以很容易的實(shí)現(xiàn)無線資源定位，CAMA的中央代理能夠引導(dǎo)移動(dòng)終端在多個(gè)Ad hoc信道中選擇正確的Ad hoc信道，并且可以節(jié)省能量——當(dāng)知道任意移動(dòng)終端的距離時(shí)就可以估計(jì)其傳輸功率。另外，在發(fā)現(xiàn)新路由時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)不需要接收或轉(zhuǎn)發(fā)路由信息包。
iCAR是最早提出將傳統(tǒng)3G蜂窩網(wǎng)和Ad hoc轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)相結(jié)合的融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)針對(duì)解決蜂窩系統(tǒng)中信息流量不均衡時(shí)的擁塞問題。iCAR系統(tǒng)通過在小區(qū)間使用Ad hoc轉(zhuǎn)發(fā)臺(tái)（ARS）將數(shù)據(jù)流從一個(gè)小區(qū)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移到其他小區(qū)，從而有效的平衡小區(qū)間的流量負(fù)載。這不僅增加了系統(tǒng)的容量還可以減少移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率并擴(kuò)展了系統(tǒng)的覆蓋面積。如圖2所示，每個(gè)ARS有兩個(gè)空中接口，C（cellular）接口是與基站之間通信的接口，R（relay）接口是與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或其他ARS通信的接口。為了能夠轉(zhuǎn)發(fā)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要有R接口與ARS通信，在正常的情況下移動(dòng)節(jié)點(diǎn)還要通過C接口與基站通信，因此移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與ARS一樣有兩個(gè)接口。iCAR系統(tǒng)最大的好處是可以通過擁塞轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制大大減少擁塞小區(qū)的呼損率以及越區(qū)切換時(shí)的電話掛斷率。
圖2 iCAR體系結(jié)構(gòu)
正是由于ARS概念的提出，以及處于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的雙模式通信能力，icar可將擁塞度高的小區(qū)內(nèi)的通信轉(zhuǎn)移到臨近負(fù)載低的小區(qū)以此來減輕小區(qū)的擁塞度。以及實(shí)現(xiàn)預(yù)負(fù)載平衡。
UCAN引入了HDR（high data rate）和IEEE802.11b，通過將Ad hoc無線局域網(wǎng)融入無線廣域網(wǎng)絡(luò)來提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。UCAN體系中移動(dòng)設(shè)備具有兩個(gè)空中接口（IEEE802.11b接口和3G接口），路由協(xié)議通過選擇好的接口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以提高設(shè)備的性能。它的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，移動(dòng)設(shè)備都接入高數(shù)據(jù)速率的基站。代理用戶的HDR下行鏈路接收從基站發(fā)來的高速率數(shù)據(jù)包，再通過IEEE802.11b接口發(fā)送給轉(zhuǎn)發(fā)用戶，轉(zhuǎn)發(fā)用戶再發(fā)送給目標(biāo)用戶。從而提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
圖3 VCAN體系結(jié)構(gòu)
UCAN結(jié)構(gòu)體系中，雙模終端的引入有效的利用了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)大吞吐量的優(yōu)勢(shì)，通過使用優(yōu)質(zhì)代理提高系統(tǒng)的吞吐量。當(dāng)節(jié)點(diǎn)擁有優(yōu)質(zhì)HDR下行鏈路時(shí)可以直接通過3G接口與基站通信，當(dāng)節(jié)點(diǎn)HDR下行鏈路較差時(shí)，可以通過代理（擁有優(yōu)質(zhì)HDR下行鏈路節(jié)點(diǎn)）與基站通信。
綜上所述，無論是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)為主還是以3G蜂窩網(wǎng)為主的融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都需要具備兩個(gè)空中接口以實(shí)現(xiàn)兩種模式下的通信需要。擁有雙模接口的移動(dòng)終端根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)不同的功能。
嵌入式雙模終端的實(shí)現(xiàn)以及現(xiàn)實(shí)效果
本方案的目的是通過Ad Hoc網(wǎng)與3G蜂窩網(wǎng)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)二者的融合。這就要求該互聯(lián)終端不僅具有Ad Hoe網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力，還能夠?qū)?shù)據(jù)通過3G蜂窩網(wǎng)路由到Internet中去�；ヂ�(lián)終端要實(shí)現(xiàn)以上所述，需要同時(shí)工作在兩種模式下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。
技術(shù)問題主要在于設(shè)備組成與融合網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。互聯(lián)終端需要具備兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口以具備同時(shí)與Ad Hoc網(wǎng)和3G蜂窩網(wǎng)通信的能力。Ad Hoc網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以通過多跳的方式與該互聯(lián)終端相連。Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)連接Internet的方式有2種：一為網(wǎng)關(guān)AP方式，另一種為移動(dòng)IP方式。本發(fā)明采用網(wǎng)關(guān)AP的方式將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通過3G蜂窩網(wǎng)連接Internet，并預(yù)先設(shè)置好節(jié)點(diǎn)IP或者網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過DHCP協(xié)議自動(dòng)分配IP。通過編寫特定的包過濾規(guī)則，實(shí)現(xiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與3G蜂窩網(wǎng)的互聯(lián)，繼而共享Internet的資源。
本方案使用主頻203MHz、ARM920T內(nèi)核的嵌入式處理器S3C2410（如圖4）。采用0.18μm制造工藝的32位微控制器，并擁有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。利用PCMCIA接口控制芯片PD6722在開發(fā)平臺(tái)上擴(kuò)展兩個(gè)PCMCIA接口，以支持帶有PCMCIA接口的無線網(wǎng)卡和帶有PCMCIA接口的CDMA網(wǎng)絡(luò)適配器。
圖4 嵌入式終端硬件實(shí)現(xiàn)
實(shí)驗(yàn)配置三個(gè)節(jié)點(diǎn)，一臺(tái)PC機(jī)，一臺(tái)筆記本，分別裝有802.11無線網(wǎng)卡，另一網(wǎng)關(guān)由嵌入式互聯(lián)終端擔(dān)任，以網(wǎng)關(guān)AP的方式將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通過3G蜂窩網(wǎng)接入Internet。筆記本首先向Internet中FTP服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，連接請(qǐng)求通過PC機(jī)中轉(zhuǎn)兩跳到達(dá)嵌入式互聯(lián)終端�；ヂ�(lián)終端收到請(qǐng)求后，通過3G蜂窩網(wǎng)基站路由到Internet中，F(xiàn)TP服務(wù)器收到連接請(qǐng)求并應(yīng)答，分別建立端口為21的控制連接和端口為20數(shù)據(jù)連接。連接建立之后便可以傳送數(shù)據(jù)。通過運(yùn)行FTP文件傳送程序，速率可以達(dá)到10k左右。（嵌入式終端路由表如圖5）
圖5 嵌入式終端路由表
結(jié)束語
展望未來，網(wǎng)絡(luò)融合方面的研究將長期是業(yè)界的熱點(diǎn)，并且具有廣闊的應(yīng)用前景。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)各有優(yōu)缺點(diǎn)，可以互相取長補(bǔ)短，為用戶提供更加靈活的服務(wù)。隨著3G時(shí)代的到來，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在其帶動(dòng)下，具有更好的發(fā)展前景及能力。因此，繼續(xù)對(duì)這兩種網(wǎng)絡(luò)的融合進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。
