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引言
隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT-2000）逐漸進(jìn)入商用，國(guó)內(nèi)外有關(guān)第四代移動(dòng)通信的研究已初見(jiàn)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(huì)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(wú)線通信系統(tǒng)的總和，包括蜂窩、固定無(wú)線接入、游牧（Nordic）接入系統(tǒng)等[1] 。因此，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)多種通信系統(tǒng)的綜合體，它將會(huì)由多種接入網(wǎng)構(gòu)成、能夠支持多種業(yè)務(wù)無(wú)縫通信。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
在這樣一個(gè)通信系統(tǒng)框架下，多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)以其獨(dú)特的靈活性和可擴(kuò)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(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)直接進(jìn)行通信甚至組成局域子網(wǎng)。
1. 自組織通信方式
無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)這個(gè)概念，起源于上個(gè)世紀(jì)70年代美軍的軍事通信系統(tǒng)PRnet[2]，它是由若干可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C(jī)兩種功能：作為主機(jī)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要運(yùn)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(hù)工作。自組織網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)組織臨時(shí)性，自動(dòng)性；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化；可以不依賴于基礎(chǔ)設(shè)施快速展開(kāi)；網(wǎng)絡(luò)控制無(wú)中心，分布化等特點(diǎn)。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(xiǎn)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。【移動(dòng)自組織網(wǎng)】
2. 引入自組織方式的必要性
移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚x不開(kāi)“蜂窩式”結(jié)構(gòu)，即星形結(jié)構(gòu)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容易受單點(diǎn)故障的困擾，網(wǎng)絡(luò)抗毀性差。由于沒(méi)有負(fù)載平衡能力，網(wǎng)絡(luò)中常常出現(xiàn)局部業(yè)務(wù)過(guò)載的現(xiàn)象，稱為“熱點(diǎn)”小區(qū)問(wèn)題。同時(shí)，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(wèn)題，相反會(huì)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(guò)引入自組織方式解決了這些問(wèn)題，因而就有較高的性能優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
l 形成局域子網(wǎng)
采用自組織方式，用戶可以動(dòng)態(tài)地組成區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)局部業(yè)務(wù)傳輸，稱為自組織局域子網(wǎng)，簡(jiǎn)稱局域子網(wǎng)。這樣，局部業(yè)務(wù)不再通過(guò)基站擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，而是通過(guò)多跳直通完成，從而緩解基站的瓶頸效應(yīng)；同時(shí)在沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施支持或基礎(chǔ)設(shè)施毀壞（例如災(zāi)后救援）時(shí)仍可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)通信。
l 虛擬小區(qū)擴(kuò)展
虛擬小區(qū)擴(kuò)展是在移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入自組織方式的一個(gè)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)鏈路可以通過(guò)多跳轉(zhuǎn)換成多個(gè)短距離的數(shù)據(jù)鏈路，這樣可以彌補(bǔ)覆蓋缺陷，擴(kuò)大覆蓋區(qū)域，轉(zhuǎn)移流量。
在現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)和其它無(wú)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(hào)都不可達(dá)；另一種是高速率業(yè)務(wù)不可達(dá)，但同步信號(hào)，信令信號(hào)，低速率語(yǔ)音業(yè)務(wù)信號(hào)可達(dá)的‘死區(qū)’。引入自組織通信方式，可以有效地彌補(bǔ)以上兩種覆蓋缺陷。此外，對(duì)于既有蜂窩網(wǎng)中存在的由于小區(qū)業(yè)務(wù)量過(guò)載造成的呼叫阻塞和切換斷鏈問(wèn)題，終端可以通過(guò)自組織方式多跳接入鄰近小區(qū)來(lái)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(jìn)行了擴(kuò)大。對(duì)于前者，可以使‘死區(qū)’中原來(lái)不能通信的節(jié)點(diǎn)或是不能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信的節(jié)點(diǎn)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(fù)用程度增加，且可能帶來(lái)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(dòng)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(dòng)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(guò)程，實(shí)現(xiàn)虛擬小區(qū)擴(kuò)展和虛擬小區(qū)分裂。這些優(yōu)勢(shì)的結(jié)合使得這種新型混合移動(dòng)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(shū)[3]中提出，無(wú)線自組織網(wǎng)在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)合包括了以下6個(gè)方面：
Ad hoc網(wǎng)單獨(dú)組網(wǎng)方式：
Ad-hoc網(wǎng)與fixed/overlay網(wǎng)相結(jié)合：
在公共移動(dòng)通信系統(tǒng)中結(jié)合Ad hoc網(wǎng)：
多跳增強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)
個(gè)域網(wǎng)
傳感器網(wǎng)
其中在無(wú)線自組織網(wǎng)與公共移動(dòng)通信系統(tǒng)的結(jié)合這一方面，目前國(guó)外的一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)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(dòng)終端中繼的一種嘗試，這種網(wǎng)絡(luò)模型可以被看作是當(dāng)前的UMTS TDD模式的擴(kuò)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(wú)線資源。各個(gè)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(wú)覆蓋區(qū)。系統(tǒng)中的用戶同時(shí)具備與基站進(jìn)行基本通信的能力和為其它用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力。通過(guò)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(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)高速率業(yè)務(wù)的覆蓋擴(kuò)展。
MCN[3](Multi-hop Cellular Networks)是由臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)信息計(jì)算科學(xué)系的Ying-Dar Lin和 Yu-Ching提出的一種在蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通過(guò)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(fù)用因子）。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都周期地向BS發(fā)送從鄰接節(jié)點(diǎn)接收到的信標(biāo)功率（Beacon Power）信息，由BS根據(jù)這些信息估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的距離，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的連通狀態(tài)。各個(gè)MCN的節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)接入BS來(lái)進(jìn)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(diǎn)首先向BS發(fā)送路由請(qǐng)求。BS則依據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)計(jì)算該節(jié)點(diǎn)到基站的路由信息，在回復(fù)信息中發(fā)送給節(jié)點(diǎn)，其中包括路徑中每一跳節(jié)點(diǎn)的地址和節(jié)點(diǎn)使用的數(shù)據(jù)信道類型。該節(jié)點(diǎn)就按照BS指配的路徑接入BS進(jìn)行通信。
UCAN[4](Unified Cellular and AdHoc Network Architecture)是貝爾實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)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(gè)節(jié)點(diǎn)都同時(shí)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(diǎn)到點(diǎn)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(guò)用戶終端與基站間的無(wú)線鏈路直接進(jìn)行通信；也可以先利用點(diǎn)到點(diǎn)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(wú)線鏈路進(jìn)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(gè)用戶的吞吐，并且可以提高整個(gè)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(guó)Lucent技術(shù)公司資助，對(duì)下一代GSM蜂窩網(wǎng)中繼能力進(jìn)行研究的課題。該課題研究人員試圖在盡可能減少對(duì)現(xiàn)有GSM系統(tǒng)的改動(dòng)的基礎(chǔ)上，使移動(dòng)臺(tái)具有中繼功能，由此來(lái)增強(qiáng)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(kù)（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(wú)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(dòng)終端個(gè)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(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)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(shí)具有兩種空中接口：R接口和C接口。作者認(rèn)為：自組織網(wǎng)在業(yè)務(wù)吞吐量、延時(shí)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(yuǎn)不能達(dá)到蜂窩網(wǎng)所能達(dá)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(diǎn)，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(wèn)題。
MADF[7](Mobile Assisted Data Forwarding)是由斯坦福大學(xué)的X.Wu和S.H.G.Chan等提出的網(wǎng)絡(luò)模型，其設(shè)計(jì)目的是動(dòng)態(tài)地將熱點(diǎn)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(diǎn)，并將小區(qū)的信道資源預(yù)留一定數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)專用信道。在網(wǎng)絡(luò)中，能夠?yàn)槠渌脩艮D(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的中間節(jié)點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)發(fā)代理，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量平均分組時(shí)延和小區(qū)內(nèi)每秒傳輸?shù)姆纸M數(shù)量來(lái)判斷小區(qū)的傳輸負(fù)載。當(dāng)負(fù)載超過(guò)一定門(mén)限時(shí)，代理節(jié)點(diǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)信道，廣播一個(gè)信令信息以表示可以為其它用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，以此來(lái)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(diǎn)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(diǎn)為其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，從而完成了業(yè)務(wù)量從熱點(diǎn)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(diǎn)密度較小的環(huán)境，在該模式下各個(gè)節(jié)點(diǎn)都直接通過(guò)BS轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，不需要中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼。Adhoc模式則適合于節(jié)點(diǎn)密度較高的環(huán)境，該模式下的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都采用動(dòng)態(tài)源路由（DSR）機(jī)制，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接由中間節(jié)點(diǎn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)，而不必經(jīng)過(guò)BS。無(wú)論工作在哪種模式，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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?fù)湫畔�，并�?jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率、小區(qū)的實(shí)際吞吐和小區(qū)的仿真吞吐。其中，節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率是用來(lái)保證當(dāng)小區(qū)工作在Adhoc模式時(shí)，整個(gè)小區(qū)不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分割。小區(qū)的仿真吞吐是BS依據(jù)當(dāng)前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用仿真算法得到的一種仿真吞吐值。無(wú)論小區(qū)處于那種工作模式，BS都要計(jì)算在當(dāng)前拓?fù)浣Y(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(shí)際吞吐如果低于這個(gè)仿真值超過(guò)一定的門(mén)限，BS就以廣播的形式通知小區(qū)的所有的節(jié)點(diǎn)切換工作方式，使整個(gè)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(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)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(gè)n信道MuPAC系統(tǒng)包括有一個(gè)控制信道和n個(gè)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�？刂菩诺赖母采w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(shí)，由BS根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟罁?jù)一定的加權(quán)算法選擇路徑，并指配給源節(jié)點(diǎn)，而負(fù)責(zé)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的中間節(jié)點(diǎn)就必須根據(jù)當(dāng)前各類信道的負(fù)荷自主地決定所要使用的數(shù)據(jù)信道來(lái)完成通信。
TWiLL[10](Throughput enhanced Wirless in Local Loop)是由印度科技學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程系的B.S.Manoj和D.C.Frank等提出的針對(duì)有限移動(dòng)環(huán)境的一種多跳網(wǎng)絡(luò)模型。該模型下的節(jié)點(diǎn)類型主要有兩種：一種是固定的用戶節(jié)點(diǎn)，另一種是具有微移動(dòng)性的用戶節(jié)點(diǎn)。TWiLL將帶寬資源分成一個(gè)控制信道和多個(gè)數(shù)據(jù)信道，每個(gè)信道都可以被當(dāng)做多跳信道或者單跳信道使用。TWiLL中節(jié)點(diǎn)的呼叫建立過(guò)程與MCN近似，所有節(jié)點(diǎn)都是通過(guò)其它的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)接入基站完成通信。為了提高吞吐，還可以對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，即允許一個(gè)小區(qū)內(nèi)用戶間的通信不需經(jīng)過(guò)基站，而直接通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行通信。
SOPRANO[11](Self-Organizing Packet Radio Ad hoc Networks with Overlay)是由美國(guó)自然科學(xué)基金資助的項(xiàng)目，其目的在于研究將蜂窩網(wǎng)和分組無(wú)線網(wǎng)（自組織網(wǎng)）相結(jié)合的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——分組多跳無(wú)線網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)將提供無(wú)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(wú)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(huì)導(dǎo)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(qiáng)新技術(shù)（例如：MIMO、空時(shí)編碼、多用戶檢測(cè)、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(guó)喬治亞技術(shù)學(xué)院開(kāi)展的一個(gè)研究項(xiàng)目，主要研究面向下一代無(wú)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(duì)等（peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)模型（自組織網(wǎng)），支持節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)進(jìn)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(duì)移動(dòng)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(xué)Hongyi Wu等人提出的一種新型無(wú)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(dāng)某小區(qū)出現(xiàn)業(yè)務(wù)擁塞時(shí)，利用這些ARSs，可以向業(yè)務(wù)沒(méi)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(guò)對(duì)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(jìn)行組網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)這一要求的方法可以歸納為兩種：增強(qiáng)用戶終端的功能（SMT：Super Mobile Terminal）和設(shè)置專用中繼節(jié)點(diǎn)（DRN：Dedicated Relay Node）。SMT方式的用戶終端功能增強(qiáng)是相對(duì)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(wú)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(wú)線資源環(huán)境下，通過(guò)改造終端使其具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力。DRN方式是指由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商設(shè)置一些移動(dòng)或固定的專用中繼節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)為附近的用戶進(jìn)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(diǎn)類型：
1. A類節(jié)點(diǎn)：蜂窩基站設(shè)備
該類節(jié)點(diǎn)是多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站設(shè)備，它為用戶提供對(duì)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(diǎn)：固定(或移動(dòng))接入節(jié)點(diǎn)
該類節(jié)點(diǎn)與核心網(wǎng)絡(luò)存在有線連接，但又不像基站那么復(fù)雜，它沒(méi)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(guò)這些節(jié)點(diǎn)直接接入核心網(wǎng)絡(luò)，而不必像傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中那樣必須經(jīng)過(guò)基站的轉(zhuǎn)發(fā)。設(shè)立這種節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)：中繼節(jié)點(diǎn)
中繼節(jié)點(diǎn)的設(shè)立是引入自組織方式的一個(gè)重要方法。這些節(jié)點(diǎn)專門(mén)用于為附近的用戶進(jìn)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(diǎn)不是終端用戶，因此一般是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)設(shè)置。
4. D類節(jié)點(diǎn)：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(wú)線資源的情況下，采用自組織的方式直接進(jìn)行通信并且可以組成局域網(wǎng)絡(luò)。
5. E類節(jié)點(diǎn)：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(shí)支持兩種通信模式，但需使用不同的無(wú)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(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)或采用直接P2P的方式進(jìn)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(diǎn)，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(guò)直接接入基站利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(guò)自組織方式和蜂窩方式共同來(lái)完成通信過(guò)程，即用戶通過(guò)其他用戶的多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)最終接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。例如當(dāng)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(shí)（如圖中的終端3），可以借助其他終端或中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)功能經(jīng)過(guò)多跳接入基站，這就是系統(tǒng)中的兩種通信模式聯(lián)合進(jìn)行工作的情況。
上述網(wǎng)絡(luò)模型是在對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行歸納總結(jié)中提出的，因而它是對(duì)現(xiàn)有模型的一種抽象和概括。例如，當(dāng)模型中只存在A類、C類、E類節(jié)點(diǎn)時(shí)就構(gòu)成A-GSM模型，當(dāng)模型中只存在A類、B類和E類節(jié)點(diǎn)時(shí)就構(gòu)成iCAR模型。
5. 關(guān)鍵技術(shù)分析
目前，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)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(duì)許多關(guān)鍵問(wèn)題還缺乏必要地認(rèn)識(shí)。尤其對(duì)引入自組織方式的必要性的定量分析，比如對(duì)系統(tǒng)容量和彌補(bǔ)覆蓋缺陷等問(wèn)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(wèn)題逐一進(jìn)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(dòng)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，但是對(duì)于引入自組織方式后是否能帶來(lái)容量上的好處還尚有爭(zhēng)議，沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。定性的來(lái)看，引入自組織方式后多跳蜂窩網(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，使得信道空間復(fù)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(guò)轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)小區(qū)的流量，實(shí)現(xiàn)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不容易直觀地?cái)喽ㄒ胱越M織方式后容量是否會(huì)提高，必須開(kāi)展定量地分析。
目前，一些學(xué)者正在對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行研究，比較重要的有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。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)中增加無(wú)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(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。
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)題研究的較少，比較重要的文章有兩篇：文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[12]。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為略微增加移動(dòng)臺(tái)的復(fù)雜性引入中繼方式，就可以增強(qiáng)GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋，文中在單小區(qū)情況下，仿真分析了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)、死區(qū)的個(gè)數(shù)和死區(qū)的平均大小等因素對(duì)系統(tǒng)吞吐性能的影響；文獻(xiàn)[12]認(rèn)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(lái)的額外信令開(kāi)銷。但是這些工作，并沒(méi)有定量的刻畫(huà)和評(píng)估彌補(bǔ)覆蓋缺陷問(wèn)題。雖然引入自組織方式會(huì)有效的彌補(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，需要做定量的分析，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)多跳中繼最終接入基站）。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)，就不可回避的要解決通信方式的選擇問(wèn)題。
通信方式的靈活選擇是一個(gè)重要的問(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)上確定出一個(gè)準(zhǔn)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(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，而且還要綜合考慮當(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)研究的難點(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)量要求的準(zhǔn)則和決策算法是比較困難的。
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)，如A類節(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”報(bào)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(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)該向中心報(bào)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(diǎn)，進(jìn)而有效地均衡負(fù)載？對(duì)于源或目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在向“中心”匯報(bào)信息的同時(shí)，也在維護(hù)局部信息。自組織路由能較好地解決源或目的節(jié)點(diǎn)位于死區(qū)及源、目的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間跳數(shù)比較多或其他通過(guò)自組織方式需要花費(fèi)較大開(kāi)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(lái)以提高路由性能、降低開(kāi)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(wèn)題。
4 結(jié)論
多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)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(duì)既有網(wǎng)絡(luò)中不存在的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了分析。一種新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的產(chǎn)生必然會(huì)帶來(lái)更多的未認(rèn)識(shí)到的問(wèn)題，所以對(duì)多跳蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)方面的各種問(wèn)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(dòng)國(guó)內(nèi)同仁對(duì)該問(wèn)題的研究。
