3G背景的多跳蜂窝网融合关键技术研究

蜂窝网与AdHoc网络融合尚处在理论研究阶段，国际上相关研究小组非常多，纷纷提出了自己的融合方案。本文将部分融合系统模型按其功能应用分三个方面进行介绍。

热点小区平衡业务量

热点与非热点小区的平衡、提高信道利用率是网络融合的重要应用。这种功能的网络融合方案以iCAR(integrationofcellularand modern Ad hoc relaying technologies)为代表。

它最早提出将传统蜂窝网和AdHoc转发技术相结合，重点针对解决蜂窝系统中信息流量不均衡时的拥塞问题。iCAR系统通过在小区间使用AdHoc转发台（ARS）将数据流从一个小区动态转移到其他小区从而有效的平衡小区间的流量负载。这不仅增加了系统的容量还可以减少移动节点的发送功率并且扩展了系统的覆盖面积。

基站和ARS的主要不同在于，一旦基站建立，通过有线接口连接MSC后它的位置就固定了，而ARS是一个无线通信设备。ARS的控制器要比基站的简单得多，另外ARS可以小范围地移动，并且能通过无线接口与移动用户、基站、其他的ARS直接通信。

转发例子如图1所示，拥塞小区B中的移动用户X通过两个ARS与小区A中的基站通信。每个ARS有两个空中接口，C（cellular）接口是与基站之间通信的接口，R（relay）接口是与移动节点或其他ARS通信的接口。假定C接口工作在1900MHZ左右，R接口使用频带在2.4GHZ处，（使用别的频带也可以例如在2G系统中使用的是850MHZ，3G系统使用的是2GHZ）。R接口使用的媒体接入控制协议（MAC）协议与无线局域网或AdHoc网络中的使用的协议相似。由于ARS的主要作用是转发，因此每个ARS的R接口传输范围都远小于基站，这意味着ARS的花费要远远小于基站。ARS之间可以相互通信，同时一定的移动性以及工作频段的不同使之能够与基站以较高的速率通信。

图1  iCAR基础转发

直接与移动节点通信的ARS称为代理，直接与基站通信的ARS称为网关（ARS可以同时作为代理和网关）只有ARS作为网关时它才同时使用C接口和R接口，作为转发节点时它只使用R接口，这也意味着ARS只有在作为网关时才使用专用控制信道DCH，在这种情况下DCH由MSC动态的分配。

为了能够转发，移动节点需要有R接口与ARS通信，在正常的情况下移动节点还要通过C接口与基站通信，因此移动节点与ARS一样有两个接口。因此理论上讲移动节点也可以当作ARS，在其他移动节点和基站之间转发信号，但是这样一来安全、认证等问题都难以实现。因此在icar系统中移动节点不用来转发数据包。实际上AdHoc网络面临的最大问题都是因为节点的快速移动同时缺少中央控制机制，ARS的位置以及有限的移动都是通过MSC控制的，因此转发路径有较好的服务质量，并且一旦建立可以保持高稳定性，更适于实时应用。

扩大蜂窝网的覆盖范围

多跳蜂窝网（MCN）是AdHoc网络与蜂窝网结合领域的新研究热点。多跳蜂窝网既有传统蜂窝网固有的服务基站，同时又具有了AdHoc网络多跳转发的灵活性。在同一个小区内可以同时有多条链路通信而且不占用基站的信道。与纯AdHoc相比，有基站的存在安全问题更容易解决。同时还具有基站的发送范围和功率降低，减少基础设施的费用，减少系统中基站的数量，增加网络的覆盖面积及提高系统容量的优点。

小区内的两个移动节点1和4需要建立通信链路，在SCN中路由为移动节点1到基站再到移动节点4，即移动节点1和4分别建立到基站的单跳链路，由基站转发实现通信。而在MCN中，则不需要基站的参与，路由为移动节点1经过移动节点2、3到达移动节点4，由临近节点2和3转发即可。小区A中的移动节点2要与小区B中的移动节点4建立通信链路，在SCN中路由为移动节点2通过基站A，B到达移动节点4，各移动节点分别与所处小区内的基站通信，不同小区的基站间交互数据实现通信。而在MCN中路由为移动节点2通过移动节点3、基站A、基站B、移动节点1到移动节点4，离基站较远的移动节点通过临近移动节点的转发和基站进行通信。

提供高速率的数据业务

在UCAN体系中主要引入了HDR(HIGNDATARATE)和IEEE802.11b，每个移动设备有两个接口。它的体系结构如图2所示，移动设备都接入高数据速率的基站。代理用户的下行链路接收从基站发来的高速率数据包，再通过IEEE802.11b接口发送给转发用户，转发用户再发送给目标用户。用户在此过程中一直在检测高速率下行链路的信道状况。

图2  UCAN的体系结构

UCAN提出了代理发现机制。只有低速率下行链路的移动节点通过IEEE802.11b接口发送路由请求信息。这个路由请求信息在邻近移动节点间广播，根据代理发现协议，寻找到一个具有高速率下行链路的移动用户。这个路由请求转发的过程就在每个节点上建立了路由信息，数据包可以通过相同路径到达目的节点，因此代理发现协议也可以作为路由建立协议。

代理节点发送一个代理应用信息给基站，根据此信息基站更新到达目的节点的代理表。从目的节点下一个时间片开始，基站就通过代理结点将数据帧发送到目的节点。当代理节点收到数据帧，它将检查帧中目的节点的标识段，并通过IEEE802.11b接口到达目的结点，对于IP数据包可以使用IP隧道封装数据帧。高速率下行链路的信道质量在代理发现中是非常重要的参数，此外还要考虑移动节点的移动速度。在UCAN中设计了两个代理发现机制：GreedyProxyDiscovery和On-demandProxy Discovery。

作者：成都信息工程学院 丛芳；南京邮电大学 侯楠 朱峥