adhoc與蜂窩網格的集成與擴展

1adhoc網絡的應用第四，移動通信系統（4g）首次采用了完整的v6無線網絡協議和分布方案。特別是ad-hoc網絡的應用，已成為一個顯著的技術革命，對整個信息網絡的發展產生了重大影響。由于所分配的RF工作頻段的提高、所需達到的帶寬以及系統容量的大幅度增加,4G的小區規模將繼續由微小區向納小區發展,這不僅需要大量基站等網絡基礎設施的投資,而且帶來了較大的切換處理負荷以及可靠性和管理維護等方面的開銷。針對該問題,不論是用于支持2010年后市場上高速率的熱點(大城市、高密度)地區的移動互聯網接入和多媒體等業務,還是用于支持鄉村等地區的電信普遍服務,adhoc網絡都可以充分發揮出其獨特的低成本、大容量、高帶寬等技術優勢。adhoc網絡采用的方式是,網絡中的每個節點都參與路由,用于轉發其它節點發來的分組。在純adhoc網絡中,每個節點都處于對等地位,不需要一個集中控制的特殊節點。由于adhoc網絡具有自組織、全分布式、強動態等特點,它不僅適用于很多新的領域,如會議、道路交通、工地、緊急救援、戰場應用等,而且可以提高蜂窩網絡系統的帶寬和頻譜利用率,更有效地管理無線資源。adhoc網絡雖然不是一種新技術,但在民用無線通信中的應用卻是一個嶄新的發展方向。最近,IEEE802.11系列無線本地網(WLAN)標準引發了筆記本電腦無線上網的巨大市場后,全球業界相繼提出了在3G中支持adhoc網絡的接入,進而在B3G(超3G,beyond3G)和4G中直接采用adhoc網絡為核心技術的思路。目前,正處于adhoc網絡在移動通信領域走向實用化的技術攻堅階段。為了解決當前adhoc網絡如何在移動通信領域走向實用化的關鍵技術,本文根據4G工程要求和adhoc網絡框架,創新性地提出了一種新型的集成adhoc與蜂窩網格IACG。2在4g中的應用首先,讓我們來回顧一下3G中采用的無線接入網的基本結構,以作一比較分析。以3GPP(3rdGenerationPartnershipProject)的UTRAN(通用地面RAN)為例,無線接入網包括了無線網絡控制器(RadioNetworkController,RNC,即傳統的基站)、節點B(NodeB,即傳統的基站收發器)和有關的網絡連接。其中,RNC與節點B之間的組網方式是層次化的,即不論是星型組網、環狀組網還是鏈狀組網,都采用的是一個RNC負責控制多個節點B的方式。這種層次化方式雖有結構簡單和成本較低的優點,但從可靠性角度來分析,它存在明顯的單點失效(SinglePointofFailure)的隱患。這就是說,當一個RNC發生故障而失效后,與它連接的所有節點B的通信都將中斷,造成多個小區無法正常通信。目前,對該問題的補救辦法之一是增加備用RNC或備用的RNC子模塊。此外,2003年有學者提出了一種通過快速經驗算法增加冗余鏈路來建立一種部分格狀(partially-meshed)組網方式,其意用較低的成本來提高無線接入網的可靠性,但這些增加的冗余鏈路是非動態變化的,且需要經過復雜的預先規劃算法才能選出,因此這一解決方法還不是治本之策。單點失效的隱患還在于,一個節點B負責控制本小區內的所有移動臺。目前,對該問題的補救辦法之一是當一個節點B失效后,增加臨近小區節點B的發射功率,以填補其覆蓋范圍,但這顯然造成了較大的干擾,降低了服務質量。這種層次化組網方式在第1、2、3代系統中已經沿用了多年,本文提出了在4G中從根本上解決該問題的先進方案,即RNC對節點B的控制以及節點B對移動臺的控制,都從集中式向分布式轉變,從而使得系統容錯性和生存能力大幅度提高。實現這一轉變的具體方式是,在4G中采用與Internet中的對等網絡(Peer-to-Peer)概念一脈相承的無線adhoc和格狀(mesh)網絡,來擴展蜂窩系統,如圖1所示。由于adhoc網絡體制與蜂窩體制各有優劣,綜合利用兩者的長處,是adhoc網絡走向大規模實用化的關鍵,將成為一種很有前途的技術思路。本文提出一種用于4G的新型集成adhoc與蜂窩網格(IACG)方法,如圖2所示。其中,AP為接入點(AccessPoint),相當于小區的基站,R為專用的轉發器(repeater),相當于微小區的基站轉發放大器,其它為用戶節點。這種方案,一方面利用基站等固定的網絡基礎設施提供大范圍的覆蓋和Internet接入,而另一方面利用adhoc網絡靈活的自組織方式提供寬帶連接,形成了集群式的無線網格(Grid)。在該方案中,蜂窩系統內的基站提供了非精確的地理位置信息,可用于adhoc網絡拓撲結構劃分和路由的參考,從而減小了路由發現的開銷。這種方案可應用于一般不依賴于其它方法來得到精確的地理位置信息的情形。在這種IACG基本框架下,需要研究如何優化4G各層網絡結構及相應協議。在工程實現中值得注意的一個重要問題是,在連接數和系統開銷之間的權衡取舍:隨著連接數的增加,雖然帶寬增大,但系統開銷也隨之加大。IACG一種通常的變化趨勢,如圖3所示,其具體的變化模式隨著用戶分布密度而變化。本方案采取的一種可行思路是,隨著它的動態變化,由基站通過一種快速算法,來作出最優或一定意義下的準最優選擇。因為與各移動節點相比,一般固定基站可獲得較大功率的電源供應,因此是運行這一較復雜的優化算法的理想節點。3iacg的主要技術3.1adhoc網絡信息論的技術思路作為構建IACG的技術支撐,需要研究的首要問題是:Adhoc網絡的無線容量分析和提高。其研究意義在于:建立每用戶帶寬和系統總容量的理論基礎,并保證系統的可擴展性。容量的限制因素主要包括以下幾個方面:·干擾:包括碼間干擾(ISI)、多址干擾(MAI)、鄰道干擾(ACI,或鄰頻干擾)和噪聲等。adhoc網絡這一技術思路的創新則在于利用MAI+ACI來傳輸用戶信息。·可用無線頻譜資源。·設備功耗。·工程實現中算法的復雜度。提高容量的技術思路主要為分集技術,包括物理信道分集和邏輯信道分集,后者如天線分集(MIMO…)、網絡結構上的多用戶分集(adhoc網絡…)等。adhoc網絡所涉及的主要為基于各節點互相協作的多對多信道,在邏輯上一條正常工作的鏈路上,發送的半鏈路(對發出的消息而言,即傳統蜂窩系統中的上行鏈路)為一對多信道,接收的半鏈路(對接收的消息而言,即傳統蜂窩系統中的下行鏈路)為多對一信道。由于傳統網絡信息論總是基于各節點競爭使用有限的無線資源的假設,目前,對這種新型的基于各節點互相協作的網絡信息論,研究還不充分,對其提高容量的方案更是處于探討階段,是近年來學術界和工業界共同關注的研究熱點之一。在一個由n個節點構成的網絡中,TDMA中最佳的每用戶容量為O(1/n)bit/secperuser,而adhoc網絡中最佳的每用戶容量為O(logn/n)bit/secperuser。Gupta和Kumar于2000年分析指出,在一個由n個節點構成的具有隨機拓撲結構的adhoc網絡中,每節點端到端的容量(以源節點可發送信息速率表示)具有下列漸進公式:λ(n)=Θ(1nlogn√)?→n→∞0λ(n)=Θ(1nlogn)→n→∞0Grossglauser和Tse于2001年提出利用移動的多用戶分集來擴容的方案,可達到每節點容量λ(n)=Θ(1)λ(n)=Θ(1)其技術思路是,利用節點的物理移動本身所具有的帶寬:由于中間節點對接收分組的轉發機制,在中間節點緩存的分組沿著節點的移動軌跡,相當于具有一定帶寬的通信鏈路。這一思路充分利用了移動通信的天然特點,能擴大可用帶寬,體現了adhoc網絡不同于蜂窩移動通信的獨特技術優勢。但是,該方案過多依賴于用戶的移動模式,并且在實際中可能需要通過長時間的延遲才能達到該理論性能。沿著該思路,現提出以下方案,區分承載業務類別,使用不同的擴容方法:對于非實時的高帶寬業務(如FTP),根據這類業務對時延不敏感的特點,可充分利用adhoc網絡中的用戶移動模式和動態網絡劃分,加大adhoc網絡的物理鏈路數目(即網絡連通強度)來提高容量;而對實時的高帶寬業務,則以少數高帶寬的物理鏈路為主,適當降低連通強度,以節省端到端時延和系統開銷。采用這種區分服務的方法,可對容量進行動態調控。3.2實時自組織和自發重構最早用于adhoc網絡的移動性模型,是基于每個節點隨機方向和隨機速度假設的隨機游走模型。一種更接近實際的假設是相關移動性模式,即群組移動性。這些群組移動導致了網絡的自組織結構上的劃分,甚至導致一個大范圍的拓撲結構變化,這對可靠性有顯著的影響,因此IACG實時自組織和自愈重構成為一項關鍵技術。獨立的用戶移動只能導致隨機和零星的鏈路中斷,與這種單個無線鏈路失效不同,一組節點的相關移動可帶來adhoc網絡經常的重新劃分。采用不同的移動性模型,或采用同一模型但使用不同參數,adhoc網絡的性能會發生顯著的變化。獲取這些移動模式的信息,對于預測網絡變化事件,以構造更加穩定的端到端連接是十分有用的。在IACG中實現實時的自愈重構,可基于感知上下文的移動信息環境這一思路。傳統的分層體系結構盡可能地屏蔽下層特性對上層的影響,但是,在無線移動網絡環境下,網絡劃分、節點移動等網絡事件不能被OS或中間件透明地處理而不影響到上層應用的有效性能。因此,下層應該向上層及時通知這些事件,上層能夠隨時發現或得知其所處的運行環境的變化,如硬件資源、用戶位置、鄰近人員和設備、用戶活動等,從而更好地適應并利用環境。3.3動態源路由、反應式方案和混合式協議的比較adhoc網絡基于拓撲結構的路由協議主要有三類:先應式協議(所有節點周期性地刷新路由信息,例如按目的地排序的距離向量DestinationSequencedDistanceVector-DSDV,簇頭網關路由ClusterheadGatewaySwitchRouting-CGSR等)、反應式協議(路由信息僅在節點發出請求時傳遞給節點,例如動態源路由DynamicSourceRouting-DSR,Adhoc按需距離向量AdhocOn-DemandDistanceVector-AODV等)和混合式協議(如區域路由協議ZoneRoutingProtocol-ZRP等)。這三類協議在不同的實際應用時各有優劣,在以上基礎上,這里采用近來廣泛應用的移動代理技術思路,以解決當IACG中部分節點移動和相應鏈路快速更新時,如何使路由機制仍然能夠高效可靠工作的關鍵問題。傳統上每個節點只基于網絡傳來的控制信息來進行本地路由計算,但是,利用移動代理和進程遷移的新技術,可以傳播由代理計算出的新的路由信息,如路由發現消息,這就擴充了路由更新機制。3.4adhoc網絡的通信鏈路切換策略為了在提高系統性能的同時不至于產生過大的功耗和電磁輻射,以保證可靠性,在系統各個層次上進行低功耗設計、提高能量利用效率(energyefficiency)成為亟待解決的問題。在媒介訪問控制(MAC)層,應盡量減少甚至消除由隨機訪問造成的沖突。訪問沖突將直接導致隨后的重傳,即造成額外的能量消耗和可能無限長的時延。在邏輯鏈路控制(LLC)層,當一個信道傳輸條件十分惡劣時,可以暫時完全中斷該鏈路傳輸,改從adhoc網絡的其它鏈路轉發,以節省發送功率和重傳開銷。因此,選擇通信鏈路的切換策略可保證低功耗。此外,節點除了發送數據時消耗功率,在接收數據進行各層處理時也消耗功率,故優化節點間通信協議以降低節點