多跳蜂窝网络技术

引言

随着第三代移动通信系统（IMT-2000）逐渐进入商用，国内外有关第四代移动通信的研究已初见端倪。1999年，BeyondIMT-2000的概念与需求首次被ITU|0">ITU列入议事日程，并在2001年10月的RWP8F会议上得到了初步的明确：BeyondIMT-2000是广泛用于各种电信环境的无线通信系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧（Nordic）接入系统等[1]。因此，第四代移动通信系统是一个多种通信系统的综合体，它将会由多种接入网构成、能够支持多种业务无缝通信。其网络结构如下图所示：

图1 未来移动通信系统结构

在这样一个通信系统框架下，多跳蜂窝网络以其独特的灵活性和可扩展性将成为该网络框架的重要组成形式。所谓多跳蜂窝网络就是将蜂窝网和自组织网相融合，在蜂窝系统中引入自组织通信方式，允许终端之间通过多跳转发直接进行通信甚至组成局域子网。

1.　自组织通信方式

无线移动自组织网这个概念，起源于上个世纪70年代美军的军事通信系统PRnet[2]，它是由若干可移动的节点组成，这些节点兼备路由器和主机两种功能：作为主机，每个节点需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，每个节点需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。自组织网具有网络组织临时性，自动性；网络拓扑动态变化；可以不依赖于基础设施快速展开；网络控制无中心，分布化等特点。因此在军事和民用系统获得了广泛的应用。主要应用领域包括：安防监控、应急通信、抢险等领域，新兴应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。【移动自组织网】

2.　引入自组织方式的必要性

移动通信系统的发展过程中，其网络拓扑均离不开"蜂窝式"结构，即星形结构。这种拓扑结构容易受单点故障的困扰，网络抗毁性差。由于没有负载平衡能力，网络中常常出现局部业务过载的现象，称为"热点"小区问题。同时，随着网络流量和数据率的增加，网络中的用户设备必须相应地提高其输出功率，或者缩小蜂窝小区的尺寸。然而这两种措施并不能解决根本问题，相反会加大用户间的干扰并且增加网络的投资成本。多跳蜂窝网络则通过引入自组织方式解决了这些问题，因而就有较高的性能优势，主要体现在以下几个方面：

l　形成局域子网

采用自组织方式，用户可以动态地组成区域性网络实现局部业务传输，称为自组织局域子网，简称局域子网。这样，局部业务不再通过基站扩散到整个网络中，而是通过多跳直通完成，从而缓解基站的瓶颈效应；同时在没有基础设施支持或基础设施毁坏（例如灾后救援）时仍可以在一定程度上实现通信。

l　虚拟小区扩展

虚拟小区扩展是在移动通信系统中引入自组织方式的一个重要原因。引入自组织方式后，终端与基站设备间距离较长的数据链路可以通过多跳转换成多个短距离的数据链路，这样可以弥补覆盖缺陷，扩大覆盖区域，转移流量。

在现有移动通信系统和其它无线网络的覆盖区域内总存在一些‘死区’：一种是任何种类的信号都不可达；另一种是高速率业务不可达，但同步信号，信令信号，低速率语音业务信号可达的‘死区’。引入自组织通信方式，可以有效地弥补以上两种覆盖缺陷。此外，对于既有蜂窝网中存在的由于小区业务量过载造成的呼叫阻塞和切换断链问题，终端可以通过自组织方式多跳接入邻近小区来解决[8]。

上述两种情况都可以看作是将某些小区的覆盖范围虚拟地进行了扩大。对于前者，可以使‘死区’中原来不能通信的节点或是不能实现高速数据通信的节点具有相应的通信功能。而后者可以等效为把小区的覆盖范围延伸到了邻近小区中。

l　虚拟小区分裂

终端间的多跳通信还可以使总发射功率降低、空间复用程度增加，且可能带来系统容量的大幅增加。这样在不需要增加基站的情况下，依靠移动终端就可以形成地域上更小的‘虚拟小区’，我们称之为虚拟小区分裂。

总之，多跳蜂窝网络由于引入自组织方式，使网络具备了很高的自适应性和智能性。用户不仅可以动态的组成区域性网络，还可以使用更小的功率完成多跳通信过程，实现虚拟小区扩展和虚拟小区分裂。这些优势的结合使得这种新型混合移动通信系统具有很大的技术潜力。

3.　研究现状

WWRF中，WG4的AdHocNetworking子组在其2003年的白皮书[3]中提出，无线自组织网在未来移动通信系统中的主要应用场合包括了以下6个方面：

Adhoc网单独组网方式：

Ad-hoc网与fixed/overlay网相结合：

在公共移动通信系统中结合Adhoc网：

多跳增强的基础设施网

个域网

传感器网

其