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相關(guān)專題：
引言
隨著第三代移動通信系統(tǒng)（IMT-2000）逐漸進入商用，國內(nèi)外有關(guān)第四代移動通信的研究已初見端倪。1999年，Beyond IMT-2000的概念與需求首次被ITU列入議事日程，并在2001年10月的RWP8F會議上得到了初步的明確：Beyond IMT-2000是廣泛用于各種電信環(huán)境的無線通信系統(tǒng)的總和，包括蜂窩、固定無線接入、游牧（Nordic）接入系統(tǒng)等[1] 。因此，第四代移動通信系統(tǒng)是一個多種通信系統(tǒng)的綜合體，它將會由多種接入網(wǎng)構(gòu)成、能夠支持多種業(yè)務(wù)無縫通信。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
在這樣一個通信系統(tǒng)框架下，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)以其獨特的靈活性和可擴展性將成為該網(wǎng)絡(luò)框架的重要組成形式。所謂多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)就是將蜂窩網(wǎng)和自組織網(wǎng)相融合，在蜂窩系統(tǒng)中引入自組織通信方式，允許終端之間通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)直接進行通信甚至組成局域子網(wǎng)。
1. 自組織通信方式
無線移動自組織網(wǎng)這個概念，起源于上個世紀70年代美軍的軍事通信系統(tǒng)PRnet[2]，它是由若干可移動的節(jié)點組成，這些節(jié)點兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C兩種功能：作為主機，每個節(jié)點需要運行面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，每個節(jié)點需要運行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表參與分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護工作。自組織網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)組織臨時性，自動性；網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化；可以不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施快速展開；網(wǎng)絡(luò)控制無中心，分布化等特點。因此在軍事和民用系統(tǒng)獲得了廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：安防監(jiān)控、應(yīng)急通信、搶險等領(lǐng)域，新興應(yīng)用將涉及家用、企業(yè)管理、保健、交通等領(lǐng)域�！疽苿幼越M織網(wǎng)】
2. 引入自組織方式的必要性
移動通信系統(tǒng)的發(fā)展過程中，其網(wǎng)絡(luò)拓撲均離不開“蜂窩式”結(jié)構(gòu)，即星形結(jié)構(gòu)。這種拓撲結(jié)構(gòu)容易受單點故障的困擾，網(wǎng)絡(luò)抗毀性差。由于沒有負載平衡能力，網(wǎng)絡(luò)中常常出現(xiàn)局部業(yè)務(wù)過載的現(xiàn)象，稱為“熱點”小區(qū)問題。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)流量和數(shù)據(jù)率的增加，網(wǎng)絡(luò)中的用戶設(shè)備必須相應(yīng)地提高其輸出功率，或者縮小蜂窩小區(qū)的尺寸。然而這兩種措施并不能解決根本問題，相反會加大用戶間的干擾并且增加網(wǎng)絡(luò)的投資成本。多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)則通過引入自組織方式解決了這些問題，因而就有較高的性能優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
l 形成局域子網(wǎng)
采用自組織方式，用戶可以動態(tài)地組成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)局部業(yè)務(wù)傳輸，稱為自組織局域子網(wǎng)，簡稱局域子網(wǎng)。這樣，局部業(yè)務(wù)不再通過基站擴散到整個網(wǎng)絡(luò)中，而是通過多跳直通完成，從而緩解基站的瓶頸效應(yīng)；同時在沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持或基礎(chǔ)設(shè)施毀壞（例如災后救援）時仍可以在一定程度上實現(xiàn)通信。
l 虛擬小區(qū)擴展
虛擬小區(qū)擴展是在移動通信系統(tǒng)中引入自組織方式的一個重要原因。引入自組織方式后，終端與基站設(shè)備間距離較長的數(shù)據(jù)鏈路可以通過多跳轉(zhuǎn)換成多個短距離的數(shù)據(jù)鏈路，這樣可以彌補覆蓋缺陷，擴大覆蓋區(qū)域，轉(zhuǎn)移流量。
在現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)和其它無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域內(nèi)總存在一些‘死區(qū)’：一種是任何種類的信號都不可達；另一種是高速率業(yè)務(wù)不可達，但同步信號，信令信號，低速率語音業(yè)務(wù)信號可達的‘死區(qū)’。引入自組織通信方式，可以有效地彌補以上兩種覆蓋缺陷。此外，對于既有蜂窩網(wǎng)中存在的由于小區(qū)業(yè)務(wù)量過載造成的呼叫阻塞和切換斷鏈問題，終端可以通過自組織方式多跳接入鄰近小區(qū)來解決[8]。
上述兩種情況都可以看作是將某些小區(qū)的覆蓋范圍虛擬地進行了擴大。對于前者，可以使‘死區(qū)’中原來不能通信的節(jié)點或是不能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信的節(jié)點具有相應(yīng)的通信功能。而后者可以等效為把小區(qū)的覆蓋范圍延伸到了鄰近小區(qū)中。
l 虛擬小區(qū)分裂
終端間的多跳通信還可以使總發(fā)射功率降低、空間復用程度增加，且可能帶來系統(tǒng)容量的大幅增加。這樣在不需要增加基站的情況下，依靠移動終端就可以形成地域上更小的‘虛擬小區(qū)’，我們稱之為虛擬小區(qū)分裂。
總之，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)由于引入自組織方式，使網(wǎng)絡(luò)具備了很高的自適應(yīng)性和智能性。用戶不僅可以動態(tài)的組成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)，還可以使用更小的功率完成多跳通信過程，實現(xiàn)虛擬小區(qū)擴展和虛擬小區(qū)分裂。這些優(yōu)勢的結(jié)合使得這種新型混合移動通信系統(tǒng)具有很大的技術(shù)潛力。
3. 研究現(xiàn)狀
WWRF中，WG4的Ad Hoc Networking子組在其2003年的白皮書[3]中提出，無線自組織網(wǎng)在未來移動通信系統(tǒng)中的主要應(yīng)用場合包括了以下6個方面：
Ad hoc網(wǎng)單獨組網(wǎng)方式：
Ad-hoc網(wǎng)與fixed/overlay網(wǎng)相結(jié)合：
在公共移動通信系統(tǒng)中結(jié)合Ad hoc網(wǎng)：
多跳增強的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)
個域網(wǎng)
傳感器網(wǎng)
其中在無線自組織網(wǎng)與公共移動通信系統(tǒng)的結(jié)合這一方面，目前國外的一些研究機構(gòu)已經(jīng)開展了一定研究工作，其中主要包括：ODMA，A-GSM，SOPRANO，iCAR等。
ODMA[2] (Opportunity Driven Multiple Access)是由3GPP TR25.924提出的在UTRA TDD模式中支持移動終端中繼的一種嘗試，這種網(wǎng)絡(luò)模型可以被看作是當前的UMTS TDD模式的擴展。ODMA系統(tǒng)有兩種通信模式：多跳轉(zhuǎn)發(fā)模式和直通模式。兩種通信模式使用相同的無線資源。各個小區(qū)的覆蓋區(qū)域都劃分為高速率覆蓋區(qū)、低速率覆蓋區(qū)和無覆蓋區(qū)。系統(tǒng)中的用戶同時具備與基站進行基本通信的能力和為其它用戶進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力。通過其它用戶的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，低速率區(qū)域的用戶可以獲得蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供的高比特率業(yè)務(wù)，從而通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)高速率業(yè)務(wù)的覆蓋擴展。
MCN[3](Multi-hop Cellular Networks)是由臺灣國立交通大學信息計算科學系的Ying-Dar Lin和 Yu-Ching提出的一種在蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通過多跳方式建立連接的網(wǎng)絡(luò)模型。MCN的帶寬資源被分成覆蓋范圍不同的控制信道和數(shù)據(jù)信道兩類，其中控制信道的覆蓋半徑是小區(qū)半徑R，而數(shù)據(jù)信道的覆蓋僅是R/K（K為復用因子）。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都周期地向BS發(fā)送從鄰接節(jié)點接收到的信標功率（Beacon Power）信息，由BS根據(jù)這些信息估計節(jié)點間的距離，計算網(wǎng)絡(luò)的連通狀態(tài)。各個MCN的節(jié)點都是通過接入BS來進行通信的。接入的方式分為直接接入方式和多跳轉(zhuǎn)發(fā)接入方式。在多跳轉(zhuǎn)發(fā)接入方式中，節(jié)點首先向BS發(fā)送路由請求。BS則依據(jù)當前的網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)計算該節(jié)點到基站的路由信息，在回復信息中發(fā)送給節(jié)點，其中包括路徑中每一跳節(jié)點的地址和節(jié)點使用的數(shù)據(jù)信道類型。該節(jié)點就按照BS指配的路徑接入BS進行通信。
UCAN[4](Unified Cellular and AdHoc Network Architecture)是貝爾實驗室和加利福尼亞大學的Haiyun Luo、Ramachandran Ramjeey、 Prasun Sinhaz、 Li (Erran) Liy、Songwu Lu等人提出的一種具有多種通信模式的混合網(wǎng)絡(luò)模型。該模型下的每個節(jié)點都同時具備兩種空中接口，使其既支持3G蜂窩鏈路（HDR）也支持基于802.11b的點到點廣播鏈路。用戶終端與基站間交互的數(shù)據(jù)分組，既可以通過用戶終端與基站間的無線鏈路直接進行通信；也可以先利用點到點的802.11b廣播信道多跳轉(zhuǎn)發(fā)給代理用戶，再由代理用戶與基站間利用3G無線鏈路進行通信。仿真結(jié)果表明：在用戶密集的區(qū)域，與蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，UCAN可以有效地提高單個用戶的吞吐，并且可以提高整個蜂窩小區(qū)的吞吐。在采用按需的代理搜索算法的情況下，與普通的3G系統(tǒng)相比，UCAN系統(tǒng)的單用戶吞吐可以提高310%，而小區(qū)的整體吞吐量可以提高60%。
A-GSM[5]是受英國Lucent技術(shù)公司資助，對下一代GSM蜂窩網(wǎng)中繼能力進行研究的課題。該課題研究人員試圖在盡可能減少對現(xiàn)有GSM系統(tǒng)的改動的基礎(chǔ)上，使移動臺具有中繼功能，由此來增強GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。即在保持原有GSM基站子系統(tǒng)（基站和基站控制器）、MSC、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（HLR、VLR、EIR、AC）基本不變的情況下，引入集成雙模終端（Integrated Dual Mode Terminals），這種雙模終端具有兩種空中接口：GSM空中接口和無線多跳（或者ad hoc）空中接口。得到的結(jié)論是：引入A-GSM后系統(tǒng)吞吐得到了很大程度的改善，移動終端個數(shù)越多，A-GSM系統(tǒng)吞吐性能越好，改善越多。
PARCELs[6]是由耶魯大學計算機科學系的Jie (Jay) Zhou和Yang Richard提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的用戶同時具有兩種空中接口：R接口和C接口。作者認為：自組織網(wǎng)在業(yè)務(wù)吞吐量、延時與功率方面的性能要優(yōu)于小區(qū)結(jié)構(gòu)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但自組織網(wǎng)的通信范圍十分有限，遠不能達到蜂窩網(wǎng)所能達到的范圍。因此，綜合考慮自組織網(wǎng)和現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)各自的優(yōu)點，作者提出了一種在蜂窩網(wǎng)中引入遍布的自組織網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)方式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以解決目前在蜂窩網(wǎng)中出現(xiàn)的“Hot-spot”問題。
MADF[7](Mobile Assisted Data Forwarding)是由斯坦福大學的X.Wu和S.H.G.Chan等提出的網(wǎng)絡(luò)模型，其設(shè)計目的是動態(tài)地將熱點小區(qū)的業(yè)務(wù)向鄰接的小區(qū)轉(zhuǎn)移。MADF在小區(qū)內(nèi)設(shè)置了一些具有轉(zhuǎn)發(fā)能力的專用節(jié)點，并將小區(qū)的信道資源預留一定數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)專用信道。在網(wǎng)絡(luò)中，能夠為其它用戶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中間節(jié)點稱為轉(zhuǎn)發(fā)代理，這些節(jié)點通過測量平均分組時延和小區(qū)內(nèi)每秒傳輸?shù)姆纸M數(shù)量來判斷小區(qū)的傳輸負載。當負載超過一定門限時，代理節(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)信道，廣播一個信令信息以表示可以為其它用戶進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以此來接入鄰接小區(qū)。根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求和代理節(jié)點要接入的鄰接小區(qū)的業(yè)務(wù)量，其它用戶可選取代理節(jié)點為其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而完成了業(yè)務(wù)量從熱點小區(qū)向鄰接小區(qū)的轉(zhuǎn)移。
HWN[8](Hybrid Wireless Network Architecture)是由IBM的H.Y.Hsieh和R.Sivakumar提出的一種支持多跳的蜂窩網(wǎng)絡(luò)模型。在HWN中，網(wǎng)絡(luò)具有兩種工作模式：Ad hoc模式和Cellular模式。Cellular模式適合于節(jié)點密度較小的環(huán)境，在該模式下各個節(jié)點都直接通過BS轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，不需要中間節(jié)點進行中繼。Adhoc模式則適合于節(jié)點密度較高的環(huán)境，該模式下的各個節(jié)點都采用動態(tài)源路由（DSR）機制，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接由中間節(jié)點中繼轉(zhuǎn)發(fā)，而不必經(jīng)過BS。無論工作在哪種模式，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都要周期地向BS發(fā)送自身的位置信息，由BS將這些信息轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)的拓撲信息，并計算各個節(jié)點的最小發(fā)射功率、小區(qū)的實際吞吐和小區(qū)的仿真吞吐。其中，節(jié)點的最小發(fā)射功率是用來保證當小區(qū)工作在Adhoc模式時，整個小區(qū)不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割。小區(qū)的仿真吞吐是BS依據(jù)當前的拓撲結(jié)構(gòu)，用仿真算法得到的一種仿真吞吐值。無論小區(qū)處于那種工作模式，BS都要計算在當前拓撲結(jié)構(gòu)下，另一種工作模式可獲得吞吐的仿真值。小區(qū)的實際吞吐如果低于這個仿真值超過一定的門限，BS就以廣播的形式通知小區(qū)的所有的節(jié)點切換工作方式，使整個小區(qū)獲得最大的吞吐量。
MuPAC[9](Multi-power Architecture for Cellular Networks)是由印度科技學院計算機科學工程系的K.J.Kumar 和 B.S.Manoj等提出的一種具有多種功率特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在該系統(tǒng)中，帶寬被劃分成多種信道。一個n信道MuPAC系統(tǒng)包括有一個控制信道和n個數(shù)據(jù)信道。其中，數(shù)據(jù)信道又根據(jù)覆蓋半徑的不同，分為一類數(shù)據(jù)信道和二類數(shù)據(jù)信道。控制信道的覆蓋半徑為小區(qū)半徑R，一類數(shù)據(jù)信道的覆蓋半徑為R/3，二類數(shù)據(jù)信道的覆蓋半徑為R/2。在業(yè)務(wù)發(fā)起時，由BS根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓撲依據(jù)一定的加權(quán)算法選擇路徑，并指配給源節(jié)點，而負責中繼轉(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點就必須根據(jù)當前各類信道的負荷自主地決定所要使用的數(shù)據(jù)信道來完成通信。
TWiLL[10](Throughput enhanced Wirless in Local Loop)是由印度科技學院計算機科學和工程系的B.S.Manoj和D.C.Frank等提出的針對有限移動環(huán)境的一種多跳網(wǎng)絡(luò)模型。該模型下的節(jié)點類型主要有兩種：一種是固定的用戶節(jié)點，另一種是具有微移動性的用戶節(jié)點。TWiLL將帶寬資源分成一個控制信道和多個數(shù)據(jù)信道，每個信道都可以被當做多跳信道或者單跳信道使用。TWiLL中節(jié)點的呼叫建立過程與MCN近似，所有節(jié)點都是通過其它的節(jié)點進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)來接入基站完成通信。為了提高吞吐，還可以對該模型進行改進，即允許一個小區(qū)內(nèi)用戶間的通信不需經(jīng)過基站，而直接通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)進行通信。
SOPRANO[11](Self-Organizing Packet Radio Ad hoc Networks with Overlay)是由美國自然科學基金資助的項目，其目的在于研究將蜂窩網(wǎng)和分組無線網(wǎng)（自組織網(wǎng)）相結(jié)合的新型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——分組多跳無線網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)將提供無線的Internet和多媒體服務(wù)。其結(jié)論是：在CDMA蜂窩系統(tǒng)中增加無線路由器，在僅使用功率控制技術(shù)和經(jīng)典技術(shù)的情況下，會導致網(wǎng)絡(luò)吞吐的下降；但是，路由器的增加大大降低了功率總和，利用容量增強新技術(shù)（例如：MIMO、空時編碼、多用戶檢測、智能天線）可以將這種功率降低轉(zhuǎn)化為容量上升，因而改善了系統(tǒng)的總體性能。
Sphinx[12]是美國喬治亞技術(shù)學院開展的一個研究項目，主要研究面向下一代無線通信系統(tǒng)的新型網(wǎng)絡(luò)模型——混合網(wǎng)絡(luò)模型。這種混合網(wǎng)絡(luò)模型是在蜂窩網(wǎng)模型中引入對等（peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)模型（自組織網(wǎng)），支持節(jié)點通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)來進行通信。得出的結(jié)論是：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，在資源公平分配方面、對移動性與業(yè)務(wù)位置變化的適應(yīng)性方面優(yōu)于peer-to-peer網(wǎng)絡(luò)模型。
iCAR[13] (Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems)是由紐約州立大學Hongyi Wu等人提出的一種新型無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其基本思想是在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一定數(shù)量的Ad Hoc中繼站(ARSs)。當某小區(qū)出現(xiàn)業(yè)務(wù)擁塞時，利用這些ARSs，可以向業(yè)務(wù)沒有擁塞的鄰近小區(qū)轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)。這樣可以控制或避免呼叫擁塞、掉話等。其結(jié)論是：在蜂窩系統(tǒng)中引入ad hoc中繼站可以有效地降低呼叫阻塞概率，提高系統(tǒng)的吞吐。
4. 網(wǎng)絡(luò)框架分析
通過對現(xiàn)有研究的分析，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特征主要體現(xiàn)在：用戶終端不僅要支持與基站的通信方式，還必須支持P2P直接通信的方式并進行組網(wǎng)。實現(xiàn)這一要求的方法可以歸納為兩種：增強用戶終端的功能（SMT：Super Mobile Terminal）和設(shè)置專用中繼節(jié)點（DRN：Dedicated Relay Node）。SMT方式的用戶終端功能增強是相對終端的現(xiàn)有功能而言。其方法主要有：1、在網(wǎng)絡(luò)中增加新的無線資源，使用戶終端支持多種空中接口，從而具備中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力；2、在現(xiàn)有的無線資源環(huán)境下，通過改造終端使其具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力。DRN方式是指由移動網(wǎng)絡(luò)運營商設(shè)置一些移動或固定的專用中繼節(jié)點，負責為附近的用戶進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，以支持終端間的自組織通信方式。
基于以上的分析，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多種網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)可以統(tǒng)一成如下圖所示的網(wǎng)絡(luò)框架:
1. 節(jié)點類型：
1. A類節(jié)點：蜂窩基站設(shè)備
該類節(jié)點是多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站設(shè)備，它為用戶提供對核心網(wǎng)絡(luò)的接入服務(wù)。并具有網(wǎng)絡(luò)資源的管理功能。
2. B類節(jié)點：固定(或移動)接入節(jié)點
該類節(jié)點與核心網(wǎng)絡(luò)存在有線連接，但又不像基站那么復雜，它沒有資源管理的功能，僅僅是為用戶提供直接接入核心網(wǎng)的能力，網(wǎng)絡(luò)中的用戶可以通過這些節(jié)點直接接入核心網(wǎng)絡(luò)，而不必像傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中那樣必須經(jīng)過基站的轉(zhuǎn)發(fā)。設(shè)立這種節(jié)點可使其周邊的用戶僅一跳就能接入核心網(wǎng)絡(luò)，大大降低了對小區(qū)內(nèi)其他用戶的干擾，使系統(tǒng)容量得到提高。
3. C類節(jié)點：中繼節(jié)點
中繼節(jié)點的設(shè)立是引入自組織方式的一個重要方法。這些節(jié)點專門用于為附近的用戶進行數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，例如iCAR中的ARSs【】。由于這些節(jié)點不是終端用戶，因此一般是由網(wǎng)絡(luò)運營商來設(shè)置。
4. D類節(jié)點：用戶終端
這種用戶終端和現(xiàn)有用戶終端一樣具有一種空中接口，但是它不僅可以與蜂窩網(wǎng)的基站通信，還可以在使用同種無線資源的情況下，采用自組織的方式直接進行通信并且可以組成局域網(wǎng)絡(luò)。
5. E類節(jié)點：雙模用戶終端
這種用戶終端具有兩種空中接口，分別用于蜂窩通信模式和自組織的通信模式。這種終端設(shè)備可同時支持兩種通信模式，但需使用不同的無線資源。如UCAN中的MS。
2. 通信方式：
1. 自組織方式
這種通信方式是指終端之間通過中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)或采用直接P2P的方式進行通信并且組成局域子網(wǎng)的通信方式。如圖小區(qū)A內(nèi)的終端4、終端5、終端6和中繼節(jié)點，以及覆蓋區(qū)外的終端10、終端11和終端12。
2. 蜂窩方式
這種通信方式是指通信雙方的用戶終端通過直接接入基站利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行通信，這種方式下的用戶通信不需要其他用戶轉(zhuǎn)發(fā)。如圖小區(qū)B內(nèi)的用戶14。
3. 混合方式
這種通信方式是指用戶終端要通過自組織方式和蜂窩方式共同來完成通信過程，即用戶通過其他用戶的多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)最終接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行通信。例如當某些用戶所處的小區(qū)擁塞（如圖中的終端7）或用戶不在覆蓋區(qū)域內(nèi)時（如圖中的終端3），可以借助其他終端或中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)功能經(jīng)過多跳接入基站，這就是系統(tǒng)中的兩種通信模式聯(lián)合進行工作的情況。
上述網(wǎng)絡(luò)模型是在對現(xiàn)有研究進行歸納總結(jié)中提出的，因而它是對現(xiàn)有模型的一種抽象和概括。例如，當模型中只存在A類、C類、E類節(jié)點時就構(gòu)成A-GSM模型，當模型中只存在A類、B類和E類節(jié)點時就構(gòu)成iCAR模型。
5. 關(guān)鍵技術(shù)分析
目前，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)在多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究中都取得了一定的成果。但這些成果大多不夠深入，對許多關(guān)鍵問題還缺乏必要地認識。尤其對引入自組織方式的必要性的定量分析，比如對系統(tǒng)容量和彌補覆蓋缺陷等問題的研究還存在許多缺陷,需要更為深入、具體地探討。下面，就其中的一些主要問題逐一進行闡述。
1. 網(wǎng)絡(luò)容量分析
雖然多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)是移動通信領(lǐng)域中的熱點問題，有許多學者正在對其進行研究，但是對于引入自組織方式后是否能帶來容量上的好處還尚有爭議，沒有達成共識。定性的來看，引入自組織方式后多跳蜂窩網(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，使得信道空間復用性提高；其次，采用自組織方式建立局部業(yè)務(wù)，減輕了基站的瓶頸效應(yīng)；第三，通過轉(zhuǎn)移熱點小區(qū)的流量，實現(xiàn)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不容易直觀地斷定引入自組織方式后容量是否會提高，必須開展定量地分析。
目前，一些學者正在對這一問題進行研究，比較重要的有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。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)中增加無線路由器，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，智能天線，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。
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)外對這一問題研究的較少，比較重要的文章有兩篇：文獻[8]和文獻[12]。文獻[8]認為略微增加移動臺的復雜性引入中繼方式，就可以增強GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋，文中在單小區(qū)情況下，仿真分析了移動節(jié)點的個數(shù)、死區(qū)的個數(shù)和死區(qū)的平均大小等因素對系統(tǒng)吞吐性能的影響；文獻[12]認為在3G系統(tǒng)中引入多跳直通模式可以有效地減少“死區(qū)”，而且高效的信道空間重用率可以抵消多跳帶來的額外信令開銷。但是這些工作，并沒有定量的刻畫和評估彌補覆蓋缺陷問題。雖然引入自組織方式會有效的彌補覆蓋缺陷是顯而易見的，但是究竟能帶來多大的好處，需要做定量的分析，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，就不可回避的要解決通信方式的選擇問題。
通信方式的靈活選擇是一個重要的問題，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)上確定出一個準則，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，而且還要綜合考慮當前網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、網(wǎng)絡(luò)的負載均衡程度、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)系也是一個研究的難點問題。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)量要求的準則和決策算法是比較困難的。
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，如A類節(jié)點。這些節(jié)點具備獲得更多更準確網(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”路由模式該如何予以解決？
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�！爸行摹陛o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，是該種路由模式需要解決的新問題。
4 結(jié)論
多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為移動通信領(lǐng)域的熱點問題之一。本文總結(jié)了目前蜂窩系統(tǒng)與自組網(wǎng)相結(jié)合的研究現(xiàn)狀，提出了統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,對既有網(wǎng)絡(luò)中不存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問題進行了分析。一種新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的產(chǎn)生必然會帶來更多的未認識到的問題，所以對多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各個方面的各種問題還需要投入大量的研究工作以獲得深入的研究成果。希望本文能夠起到拋磚引玉的作用，以推動國內(nèi)同仁對該問題的研究。
