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MANET与现有无线网络的互联研究

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0 引言

　　移动ad hoc技术研究始于20世纪70年代。美国DARPA出于军事需要，开始研究分组无线网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网络既不需要固定的网络结构，也没有专用的固定基站或路由器作为网络的管理中心。网络中的每个节点均具有路由器功能，能够发现和维护到其他节点的路由，向邻居节点发射和转发数据分组。由于具备组网简单灵活、成本低、生存能力强等特点，其应用范围不断扩大，由原来的军用领域扩大到地震、火灾等应急通信领域。目前已有的ad hoc组网方式多为独立组网，独立组网意味着同一网络中的各节点彼此通信，但不与其他任何有基础设施的网络相连。独立的ad hoc网络从规模上可以分为大型ad hoc独立网络和小型ad hoc独立网络。

　　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，甚至广域网，以替代现有的有线通信网络。目前看来，这种想法不切合实际情况，只可以作为一种方案用来进行科学研究，缺乏潜在的商业价值。这是因为大规模MANET不适合传输大量的信息，而且会产生高风险、高成本、低效率等问题。

　　与大规模ad hoc单独组网相比，小规模的独立ad hoc网络具有较大的商业价值，其应用环境包括家庭、商务会议区、医院等。例如，家庭环境中，可以采用MANET为用户建立无线家庭网络，把电脑、音响、厨房用具、保安系统等用网络连接起来，从而更方便交流，还可以实现资源共享。

1 MANET在未来无线通信中扮演的角色

　　无线通信网络正在经历由窄带到宽带，由承载话音业务到承载多媒体业务的转变。网络信息共享与组网的方式也逐渐引入了对等网络模式，与现有的客户机－服务器模式的网络实现互联。在组网方面，通信网未来的发展趋势是通过互联各种接入网络构成一个足够可靠的IP网络，提供灵活的网络配置，实现各种接入方法的无缝连接。MANET作为一种对等网络，由于其组网灵活、不需要基础设施，越来越显示出其作为一种新的接入手段的优越性。

　　首先，ad hoc网络能够对现有无线通信系统中的盲区起到覆盖作用。在一些网络接入点（基站或AP）覆盖不到或者信号很弱的地区，通过其他处于接入点与移动终端之间的ad hoc网络中继节点进行信号转发，可有效提高这些地区信号的覆盖。

　　其次，ad hoc网络可以对网络的负载起到均衡作用。在现有的无线系统中，各无线覆盖区的业务量不平衡而且动态变化，利用ad hoc网络的动态中继功能，将某一业务区的流量分流到周边业务区，可以有效地缓解由于容量饱和而造成的业务阻塞。

　　第三，对于距离比较近的移动节点，可以通过ad hoc网络直接通信，减少移动通信系统的负担，提高系统总容量。

　　最后，ad hoc网络可以提高移动节点接入无线系统的速率。在多跳多速率的网络中，采用多跳高速率的路由代替单跳低速率的路由，只要能够有效地减少信道的占用时间，就能提高系统总的吞吐量[2]。

2 MANET与传统无线网络的互联方式

图1 MANET与WLAN的互联

　　根据移动性和带宽需求的不同，MANET与传统公共网络可以有不同的互联方式。图1中，MANET通过ad hoc网关和接入点(Access Point)与无线局域网（WLAN）实现互联，能够获得较高的传输速率，但移动性较差，因为WLAN技术不适用于高速移动的情况。图2是MANET通过两种移动ad hoc网关接入到UMTS网络中的场景，这种情况与前者相比，传输速率会受限，但移动性大大增强。用户在热点地区可以通过第一种方式接入公共网络，在行进中的汽车上则可以通过第二种方式接入公共网络。两种接入方式相互补充，可满足用户在不同场合下的需求。

　　2.1 互联网络的拓扑结构

　　图1和图2中的两种接入方式都是通过ad hoc网关来实现的。其中，无线自组织网关（WA-GW：wireless ad hoc Gateway）、移动自组织网关（MA-GW：mobile ad hoc Gateway)和移动热点网关（MH-GW：mobile hotspot Gateway）是三种ad hoc网关。无线自组织网关是一种固定网关，由网络运营商提供。移动自组织网关是一种可移动的网关，可以集成在终端上，用户通过它可以随时连接到WLAN的接入点上，其灵活性大大增加。但是由于其具有一定的移动性，所以不像WA-GW那么稳定。移动热点网关的移动性介于前两者之间，是由网络运营商提供的一种较为灵活的网关。它对接入网来说是移动的，对ad hoc网来说是固定的，类似于移动通信中为解决热点地区覆盖使用的车载基站。

　　使用ad hoc网关作为中介而不是终端直接与AP进行连接，其原因主要有以下几个：首先，在MANET中使用的空中接口与其他接入网的空中接口不相同，因此ad hoc网关起了空中接口协议转换的作用；其次，一个ad hoc 网络中的移动终端有可能在AP的覆盖范围之外，因此需要相应的ad hoc网关作接入；再者，MANET中的移动终端可能没有有效的IP地址来接入Internet，因此，ad hoc终端通过ad hoc网关接入Internet 是必要的。

图2 MANET与UMTS的互联

　　在图1的组网方式中，移动节点、网关、路由器、Internet主机的协议栈如图3所示。在图2的组网方式中，移动节点、网关、蜂窝网络节点的协议栈如图4所示。由于MANET中的终端在通信过程中会发生移动，数据包从终端到网关的传送需要采用动态路由协议，可以选择IETF的几个动态路由协议草案，例如 DSR、AODV等。但是这些动态路由协议都是针对纯MANET的，所以有必要把这些协议与有基础网络设施的移动IP路由协议结合起来。

图3 协议栈结构图

图4 协议栈结构图

　　ad hoc网关除了完成将数据包在不同的域之间进行路由的功能外，还对网络的扩容、升级起着重要的作用。在图1的网络拓扑中，接入网由网关、接入点和交换机组成。交换机通过路由器连接到公共通信网，每个交换机又连有一定数量的接入点。根据容量和覆盖的要求，每个接入点上连有一个或者多个ad hoc网关。网络是分层次的，可以通过增加网关和接入点的数目来增加网络的无线容量，对网络进行升级。

　　ad hoc网关还可以实现对快速、高效的移动性的支持。同一ad hoc网关下的终端属于同一个IP子网，子网内的两个移动终端进行通信时，由交换机和网关的二层路由表进行处理。在这种情况下，因为没有通过IP来完成路由，IP层不会意识到移动终端的移动。如果其中一个移动终端切换到另外一个ad hoc网关下的接入网，由于两个接入网不在一个IP子网内，终端间的通信就会通过IP层的路由协议来处理。通过对路由的分级处理，带有高效微移动支持的接入网可以实现IP服务的无缝覆盖[3] 。

　　2.2 MANET与现有网络互联后的运行过程

　　在图1和图2中，所有的移动节点，以及ad hoc网关，组成一个标准的独立MANET。当移动节点需要与MANET中的其他节点通信时，它们会按照标准的ad hoc路由协议进行路由发现和数据转发。当移动节点需要通过公共网络与Internet主机或蜂窝移动终端进行通信时，就需要通过ad hoc网关接入公共网络[5]。 MANET与现有网络互联后的运行过程主要包括以下几个方面：

　　首先是ad hoc网关的发现，ad hoc网关周期性地向周围发送广播包来广播自己的存在。如果ad hoc终端距离网关只有一跳的距离，那么终端就通过接收广播信息来找到ad hoc网关。如果距离超过一跳，终端会向周围节点发送"网关寻找"的控制包，其中包含有本终端的本地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终端会选取跳数最少的ad hoc网关作为其网关接入公共网络。

　　网关确定之后，ad hoc终端接入公共网络的路由就确定了。当ad hoc移动节点向Internet主机或者蜂窝网络中的手机终端发送数据分组时，将目的IP地址指定为ad hoc网关的地址，而将真正要到达的Internet主机地址或手机终端地址放在分组的路由首部，在ad hoc网内部，数据分组按照标准的ad hoc路由协议进行传输。数据分组到达ad hoc网关之后，检查数据分组的目的地址，如果数据分组的目的地址是ad hoc网关，会将数据分组的目的地址修改为路由首部指定的地址，并将数据分组发送给路由器，数据分组会按照普通Internet协议或者蜂窝网络的协议进行发送；如果数据分组的目的地址不是ad hoc网关，而是MANET中的其他节点，网关会依照标准的ad hoc路由协议进行分组转发操作。当公共网络终端需要向移动节点发送数据分组时，根据现有的路由机制，将数据分组发送到路由器，进而到达目的终端所归属的ad hoc网关，ad hoc网关收到数据分组后，按照ad hoc路由协议从无线接口将数据分组发向目的终端。

3 MANET互联网络研究面临的问题及相关研究成果

　　（1）网络容量分析

　　虽然ad hoc网络互联是无线通信领域中的热点问题，有许多学者正在对其进行研究，但对于引入自组织方式后能否带来通信系统容量的提升尚有争议。定性地来看，引入自组织方式后多跳接入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，提高了信道空间复用性；其次，采用自组织方式建立局部业务，减轻了接入点的瓶颈效应；第三，通过转移热点小区的流量，实现了资源的动态调节，提高了资源利用率。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，却又不利于系统容量的提高。因此，综合正反两方面因素，很难直观地断定引入自组织方式后通信系统容量是否会提高，必须开展定量的分析。

　　目前，对这一问题进行研究的有Sphinx项目和SOPRANO项目等。Sphinx项目在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量和功耗方面优于传统的蜂窝网模型[6]。SOPRANO项目分析了同步的CDMA混合网络的容量，其结论是：在CDMA蜂窝系统中增加ad hoc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上升；但是，路由器的增加大大降低了发送功率总和，利用MIMO、多用户检测等容量增强技术可以将功率上的降低转化为容量上的提高。但是，该结论是在一些约束条件下获得的，且没有考虑局部业务使用局域子网通信这种情况[7]。

　　（2）弥补覆盖缺陷问题的定量分析

　　如前所述，引入自组织方式可以有效地解决蜂窝网络的覆盖缺陷问题。目前，国内外对这一问题研究得较少，并没有定量地评估弥补覆盖缺陷问题。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，但是究竟能带来多大的好处，还需要作定量的分析，这对未来的网络规划、成本核算以及整体网络性能的评估是很有益处的。

　　（3）通信模式的选择问题

　　在引入自组织方式的蜂窝系统中，有3种通信方式，自组织方式（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）、混合方式（经过多跳中继最终接入基站）。因此，当这几种通信方式都能实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。

　　通信方式的选择是一个重要问题，也是网络智能性和自适应性的重要体现。其研究的主要问题包括业务初始时的方式选择和业务过程中的方式转换两部分。选择算法的实质就是要在综合考虑多种相关因素的基础上确定一个策略，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，由于网络状态复杂多变，支持的业务种类繁多，通信初始阶段和切换阶段的通信方式选择不仅要考虑通信范围，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素。同时，如何衡量一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难点问题。所以，选定一种既能充分优化网络性能，又能满足业务服务质量要求的策略和算法是比较困难的。

　　（4）混合路由问题

　　与单纯自组织网不同，多跳蜂窝网络中可能还包括计算能力和存储能力都更为强大的节点。这些节点具备获得更多更准确网络状态信息的能力，能够完全或部分具备"中心"功能。因此，多跳蜂窝网络主要使用"中心"辅助路由和混合路由两种路由模式。

　　"中心"辅助路由属于一种"集中式"的先应式路由。各移动用户节点向"中心"报告相关信息，"中心"根据收集到的信息以及网络中的负载情况，为用户决策路由。该路由完全由"中心"计算。这种路由模式需要进一步研究的问题是：用户节点应该向中心报告哪些信息，才能使路由智能地、自适应地避免及缓解网络中的死区和热点，进而有效地均衡负载。对于源或目的节点位于"死区"，尤其是在蜂窝覆盖之外的情况，这种"中心"路由模式就显得无能为力了[8]。

　　混合式路由模式是在网络中既采用完全分布式的自组织路由，也采用"中心"辅助路由。节点在向"中心"汇报信息的同时，也在维护局部信息。自组织路由能较好地解决源或目的节点位于死区及源、目的节点非常邻近（跳数很少）的情况。"中心"辅助路由适用于源和目的节点之间跳数比较多，或其他通过自组织方式需要花费较大开销才能获得路由的情况。如何将自组织路由与中心辅助路由有效结合起来以提高路由性能、降低开销又能充分利用网络资源，是这种路由模式需要解决的新问题。

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