MANET與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)研究

摘　 要

討論了MANET（mobile ad hoc network）與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)模式。提出了一種較為可行的組網(wǎng)方案，即將小規(guī)模MANET通過網(wǎng)關(guān)與Internet和蜂窩網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。同時，對網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的研究現(xiàn)狀和所面臨的問題進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：ad hoc技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián) 多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)

0 引言

移動ad hoc技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代。美國DARPA出于軍事需要，開始研究分組無線網(wǎng)PRNET( Packet Radio Network)在戰(zhàn)場環(huán)境下數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)不同的是，ad hoc網(wǎng)絡(luò)既不需要固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也沒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)中的每個節(jié)點均具有路由器功能，能夠發(fā)現(xiàn)和維護到其他節(jié)點的路由，向鄰居節(jié)點發(fā)射和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。由于具備組網(wǎng)簡單靈活、成本低、生存能力強等特點，其應(yīng)用范圍不斷擴大，由原來的軍用領(lǐng)域擴大到地震、火災(zāi)等應(yīng)急通信領(lǐng)域。目前已有的ad hoc組網(wǎng)方式多為獨立組網(wǎng)，獨立組網(wǎng)意味著同一網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點彼此通信，但不與其他任何有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)相連。獨立的ad hoc網(wǎng)絡(luò)從規(guī)模上可以分為大型ad hoc獨立網(wǎng)絡(luò)和小型ad hoc獨立網(wǎng)絡(luò)。

大規(guī)模的獨立ad hoc網(wǎng)絡(luò)包括成百上千個節(jié)點。有研究者曾建議應(yīng)用大規(guī)模的ad hoc網(wǎng)絡(luò)形成無線城域網(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，這種想法不切合實際情況，只可以作為一種方案用來進行科學(xué)研究，缺乏潛在的商業(yè)價值。這是因為大規(guī)模MANET不適合傳輸大量的信息，而且會產(chǎn)生高風(fēng)險、高成本、低效率等問題。

與大規(guī)模ad hoc單獨組網(wǎng)相比，小規(guī)模的獨立ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有較大的商業(yè)價值，其應(yīng)用環(huán)境包括家庭、商務(wù)會議區(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，從而更方便交流，還可以實現(xiàn)資源共享[1]。

1 MANET在未來無線通信中扮演的角色

無線通信網(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等網(wǎng)絡(luò)模式，與現(xiàn)有的客戶機－服務(wù)器模式的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)。在組網(wǎng)方面，通信網(wǎng)未來的發(fā)展趨勢是通過互聯(lián)各種接入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個足夠可靠的IP網(wǎng)絡(luò)，提供靈活的網(wǎng)絡(luò)配置，實現(xiàn)各種接入方法的無縫連接。MANET作為一種對等網(wǎng)絡(luò)，由于其組網(wǎng)靈活、不需要基礎(chǔ)設(shè)施，越來越顯示出其作為一種新的接入手段的優(yōu)越性。

首先，ad hoc網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)ΜF(xiàn)有無線通信系統(tǒng)中的盲區(qū)起到覆蓋作用。在一些網(wǎng)絡(luò)接入點（基站或AP）覆蓋不到或者信號很弱的地區(qū)，通過其他處于接入點與移動終端之間的ad hoc網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點進行信號轉(zhuǎn)發(fā)，可有效提高這些地區(qū)信號的覆蓋。

其次，ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以對網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載起到均衡作用。在現(xiàn)有的無線系統(tǒng)中，各無線覆蓋區(qū)的業(yè)務(wù)量不平衡而且動態(tài)變化，利用ad hoc網(wǎng)絡(luò)的動態(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，對于距離比較近的移動節(jié)點，可以通過ad hoc網(wǎng)絡(luò)直接通信，減少移動通信系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

最后，ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以提高移動節(jié)點接入無線系統(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間，就能提高系統(tǒng)總的吞吐量[2]。

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

圖1 MANET與WLAN的互聯(lián)

根據(jù)移動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ad hoc網(wǎng)關(guān)和接入點(Access Point)與無線局域網(wǎng)（WLAN）實現(xiàn)互聯(lián)，能夠獲得較高的傳輸速率，但移動性較差，因為WLAN技術(shù)不適用于高速移動的情況。圖2是MANET通過兩種移動ad hoc網(wǎng)關(guān)接入到UMTS網(wǎng)絡(luò)中的場景，這種情況與前者相比，傳輸速率會受限，但移動性大大增強。用戶在熱點地區(qū)可以通過第一種方式接入公共網(wǎng)絡(luò)，在行進中的汽車上則可以通過第二種方式接入公共網(wǎng)絡(luò)。兩種接入方式相互補充，可滿足用戶在不同場合下的需求。

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ad hoc網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)的。 其中，無線自組織網(wǎng)關(guān)（WA-GW：wireless ad hoc Gateway）、移動自組織網(wǎng)關(guān)（MA-GW：mobile ad hoc Gateway)和移動熱點網(wǎng)關(guān)（MH-GW：mobile hotspot Gateway）是三種ad hoc網(wǎng)關(guān)。無線自組織網(wǎng)關(guān)是一種固定網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)絡(luò)運營商提供。移動自組織網(wǎng)關(guān)是一種可移動的網(wǎng)關(guān)，可以集成在終端上，用戶通過它可以隨時連接到WLAN的接入點上，其靈活性大大增加。但是由于其具有一定的移動性，所以不像WA-GW那么穩(wěn)定。移動熱點網(wǎng)關(guān)的移動性介于前兩者之間，是由網(wǎng)絡(luò)運營商提供的一種較為靈活的網(wǎng)關(guān)。它對接入網(wǎng)來說是移動的，對ad hoc網(wǎng)來說是固定的，類似于移動通信中為解決熱點地區(qū)覆蓋使用的車載基站。

使用ad hoc網(wǎng)關(guān)作為中介而不是終端直接與AP進行連接，其原因主要有以下幾個：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ad hoc網(wǎng)關(guān)起了空中接口協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用；其次，一個ad hoc 網(wǎng)絡(luò)中的移動終端有可能在AP的覆蓋范圍之外，因此需要相應(yīng)的ad hoc網(wǎng)關(guān)作接入；再者，MANET中的移動終端可能沒有有效的IP地址來接入Internet，因此，ad hoc終端通過ad hoc網(wǎng)關(guān)接入Internet 是必要的。

圖2 MANET與UMTS的互聯(lián)

在圖1的組網(wǎng)方式中，移動節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、路由器、Internet主機的協(xié)議棧如圖3所示。在圖2的組網(wǎng)方式中，移動節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的協(xié)議棧如圖4所示。由于MANET中的終端在通信過程中會發(fā)生移動，數(shù)據(jù)包從終端到網(wǎng)關(guān)的傳送需要采用動態(tài)路由協(xié)議，可以選擇IETF的幾個動態(tài)路由協(xié)議草案，例如 DSR、AODV等。但是這些動態(tài)路由協(xié)議都是針對純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IP路由協(xié)議結(jié)合起來。

圖3 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

圖4 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

ad hoc網(wǎng)關(guān)除了完成將數(shù)據(jù)包在不同的域之間進行路由的功能外，還對網(wǎng)絡(luò)的擴容、升級起著重要的作用。在圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲�，接入網(wǎng)由網(wǎng)關(guān)、接入點和交換機組成。交換機通過路由器連接到公共通信網(wǎng)，每個交換機又連有一定數(shù)量的接入點。根據(jù)容量和覆蓋的要求，每個接入點上連有一個或者多個ad hoc網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)絡(luò)是分層次的，可以通過增加網(wǎng)關(guān)和接入點的數(shù)目來增加網(wǎng)絡(luò)的無線容量，對網(wǎng)絡(luò)進行升級。

ad hoc網(wǎng)關(guān)還可以實現(xiàn)對快速、高效的移動性的支持。同一ad hoc網(wǎng)關(guān)下的終端屬于同一個IP子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)的兩個移動終端進行通信時，由交換機和網(wǎng)關(guān)的二層路由表進行處理。在這種情況下，因為沒有通過IP來完成路由，IP層不會意識到移動終端的移動。如果其中一個移動終端切換到另外一個ad hoc網(wǎng)關(guān)下的接入網(wǎng)，由于兩個接入網(wǎng)不在一個IP子網(wǎng)內(nèi)，終端間的通信就會通過IP層的路由協(xié)議來處理。通過對路由的分級處理，帶有高效微移動支持的接入網(wǎng)可以實現(xiàn)IP服務(wù)的無縫覆蓋[3] 。

2.2 MANET與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)后的運行過程

在圖1和圖2中，所有的移動節(jié)點，以及ad hoc網(wǎng)關(guān)，組成一個標(biāo)準(zhǔn)的獨立MANET。當(dāng)移動節(jié)點需要與MANET中的其他節(jié)點通信時，它們會按照標(biāo)準(zhǔn)的ad hoc路由協(xié)議進行路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)移動節(jié)點需要通過公共網(wǎng)絡(luò)與Internet主機或蜂窩移動終端進行通信時，就需要通過ad hoc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)后的運行過程主要包括以下幾個方面：

首先是ad hoc網(wǎng)關(guān)的發(fā)現(xiàn)，ad hoc網(wǎng)關(guān)周期性地向周圍發(fā)送廣播包來廣播自己的存在。如果ad hoc終端距離網(wǎng)關(guān)只有一跳的距離，那么終端就通過接收廣播信息來找到ad hoc網(wǎng)關(guān)。如果距離超過一跳，終端會向周圍節(jié)點發(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ad hoc移動終端會收到來自一個或者幾個ad hoc網(wǎng)關(guān)的應(yīng)答。ad hoc終端會選取跳數(shù)最少的ad hoc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，ad hoc終端接入公共網(wǎng)絡(luò)的路由就確定了。當(dāng)ad hoc移動節(jié)點向Internet主機或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的手機終端發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，將目的IP地址指定為ad hoc網(wǎng)關(guān)的地址，而將真正要到達的Internet主機地址或手機終端地址放在分組的路由首部，在ad hoc網(wǎng)內(nèi)部，數(shù)據(jù)分組按照標(biāo)準(zhǔn)的ad hoc路由協(xié)議進行傳輸。數(shù)據(jù)分組到達ad hoc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ad hoc網(wǎng)關(guān)，會將數(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)分組會按照普通Internet協(xié)議或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進行發(fā)送；如果數(shù)據(jù)分組的目的地址不是ad hoc網(wǎng)關(guān)，而是MANET中的其他節(jié)點，網(wǎng)關(guān)會依照標(biāo)準(zhǔn)的ad hoc路由協(xié)議進行分組轉(zhuǎn)發(fā)操作。當(dāng)公共網(wǎng)絡(luò)終端需要向移動節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，根據(jù)現(xiàn)有的路由機制，將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到路由器，進而到達目的終端所歸屬的ad hoc網(wǎng)關(guān)，ad hoc網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)分組后，按照ad hoc路由協(xié)議從無線接口將數(shù)據(jù)分組發(fā)向目的終端。

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

（1）網(wǎng)絡(luò)容量分析

雖然ad hoc網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是無線通信領(lǐng)域中的熱點問題，有許多學(xué)者正在對其進行研究，但對于引入自組織方式后能否帶來通信系統(tǒng)容量的提升尚有爭議。定性地來看，引入自組織方式后多跳接入網(wǎng)絡(luò)具有三點性能優(yōu)勢：首先，通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)機制降低了發(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)，減輕了接入點的瓶頸效應(yīng)；第三，通過轉(zhuǎn)移熱點小區(qū)的流量，實現(xiàn)了資源的動態(tài)調(diào)節(jié)，提高了資源利用率。以上這些優(yōu)勢都有益于系統(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，很難直觀地斷定引入自組織方式后通信系統(tǒng)容量是否會提高，必須開展定量的分析。

目前，對這一問題進行研究的有Sphinx項目和SOPRANO項目等。Sphinx項目在ns-2平臺上對他們提出的混合網(wǎng)絡(luò)模型進行了仿真，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ad hoc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、多用戶檢測等容量增強技術(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）彌補覆蓋缺陷問題的定量分析

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

（3）通信模式的選擇問題

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)建一個自組織局域子網(wǎng)，簡稱局域子網(wǎng)）、蜂窩方式（與經(jīng)典的蜂窩方式相同）、混合方式（經(jīng)過多跳中繼最終接入基站）。因此，當(dāng)這幾種通信方式都能實現(xiàn)用戶的通信需求時，就不可回避地要解決通信方式的選擇問題。

通信方式的選擇是一個重要問題，也是網(wǎng)絡(luò)智能性和自適應(yīng)性的重要體現(xiàn)。其研究的主要問題包括業(yè)務(wù)初始時的方式選擇和業(yè)務(wù)過程中的方式轉(zhuǎn)換兩部分。選擇算法的實質(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、以及用戶的移動特性等各種因素。同時，如何衡量一種通信方式選擇機制的優(yōu)劣，確定出有效的優(yōu)化函數(shù)關(guān)系也是一個難點問題。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)中可能還包括計算能力和存儲能力都更為強大的節(jié)點。這些節(jié)點具備獲得更多更準(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。各移動用戶節(jié)點向“中心”報告相關(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”計算。這種路由模式需要進一步研究的問題是：用戶節(jié)點應(yīng)該向中心報告哪些信息，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，進而有效地均衡負(fù)載。對于源或目的節(jié)點位于“死區(qū)”，尤其是在蜂窩覆蓋之外的情況，這種“中心”路由模式就顯得無能為力了[8]。

混合式路由模式是在網(wǎng)絡(luò)中既采用完全分布式的自組織路由，也采用“中心”輔助路由。節(jié)點在向“中心”匯報信息的同時，也在維護局部信息。自組織路由能較好地解決源或目的節(jié)點位于死區(qū)及源、目的節(jié)點非常鄰近（跳數(shù)很少）的情況。“中心”輔助路由適用于源和目的節(jié)點之間跳數(shù)比較多，或其他通過自組織方式需要花費較大開銷才能獲得路由的情況。如何將自組織路由與中心輔助路由有效結(jié)合起來以提高路由性能、降低開銷又能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，是這種路由模式需要解決的新問題。

參考文獻

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作者：
北京郵電大學(xué) 李國強、靳浩、武穆清
江西省高等院校招生委員會辦公室 唐南