集成ＡｄＨｏｃ和移動蜂窩網絡系統的切換算法

摘要：傳統切換算法不能適應多準則切換的要求，基于多準則切換算法的實現越來越重要，必須發展新的技術來提高切換算法的有效性，在用戶滿意度和網絡效率間形成平衡。智能和優化切換算法對像集成自組網(Ad hoc)和蜂窩網絡結構的混合網絡具有很好的適應性和魯棒性，能夠根據未來混合網絡中的各種業務類型的服務質量需求、網絡狀態以及移動節點條件等多種因素的變化進行自適應切換，可以運用這些智能優化算法來進行更加有效的切換判決，從而提高系統的性能。更進一步的研究方向是在集成Ad hoc和蜂窩網絡的環境下，使用智能或優化技術設計垂直切換算法來提高系統整體性能。

關鍵詞：切換；算法；自組網；蜂窩網絡；集成

Abstract: Because the traditional handoff algorithms cannot meet the requirement of multi-criteria handoff， realizing the handoff algorithms based on multi-criteria is becoming more and more important. New technologies must be developed to improve the validity of handoff algorithms， and balance the satisfaction of users and the efficiency of networks. The hybrid network of Ad hoc and mobile cellular systems uses intelligent and optimized handoff algorithms that are flexible and robust. These algorithms are able to execute the handoff adaptively. Although the future hybrid networks have such characteristics as different QoS for different services， and varying network status and mobile node conditions， by using these intelligent and optimized algorithms， handoff decision can be carried out more exactly， thus improving system performance. The future research will tackle the environment of integrated Ad hoc and mobile cellular network systems， employing the intelligent and optimized technology to design the vertical handoff algorithm and improve the whole performance of these heterogeneous systems.

Key words: handoff; algorithm; Ad hoc; cellular network; integration

蜂窩網絡能夠提供普遍的覆蓋和高的移動性支持，而自組織(Ad hoc)可以在通信熱點地區提供高的數據傳輸速率。因而蜂窩網絡和Ad hoc被認為是兩種互補的系統。將這兩種網絡相互融合可以提高各自的性能。通過Ad hoc中繼，相當于延伸了蜂窩網的空中接口，從而擴展了蜂窩網的覆蓋范圍；由于可以通過多跳中繼接入蜂窩網絡，從而可以減小移動終端的發射功率；通過中繼可以減小小區間和小區內的干擾，從而可以提高系統的容量，解決熱點地區的負載均衡問題。圖1顯示了集成Ad hoc和移動蜂窩網絡的一些場景。圖1中的移動節點可以通過兩跳中繼的方法接入基站，場景1的移動節點通過中繼可以減少發射功率，并且可以提高它的數據傳送速率；而在場景2中處在死區覆蓋范圍的節點可以通過中繼節點接入到基站中，從而延伸基站的覆蓋范圍，提高整個系統的穩定性和魯棒性。

為了在Ad hoc和移動蜂窩網絡這種集成環境中為用戶提供一個透明和自配置的服務，需要解決一些特定的問題。

一個基本的問題是選擇何種技術(或通信接口)為一個特定的應用開始一個連接的建立？另一個問題是何時轉換一個運行中的連接從一個接口到另一個上(即垂直切換)。在支持Ad hoc方式的蜂窩移動通信系統中，切換問題是系統實現的關鍵技術之一。由于蜂窩網絡和Ad hoc是兩種不同類型的系統，在這種異類網絡中進行切換比在一般的同類網絡中切換要復雜得多，需要考慮移動節點在何時進行切換以及進行何種類型的切換等問題。移動用戶的檔案(例如價格、數據傳輸率、電池壽命、業務類型和移動模式等)和網絡狀態(例如信號強度、鏈路質量、可獲得的帶寬，擁塞狀態等)可以用于幫助接入網的選擇和切換。所以通過設計有效的切換算法，除了可以滿足用戶需求的目標以外，對于特定技術的選擇或執行一個垂直切換的決定同樣可以增強整個系統的性能或實現負載平衡的功能。

1 Ad Hoc與蜂窩網絡融合的研究現狀

隨著移動通信技術的發展，網絡正一步步向下一代移動因特網發展，即將蜂窩移動網絡、Ad hoc、無線局域網(WLAN)等無線網絡和有線因特網連接起來為用戶提供“永遠在線”、盡可能高速的數據速率以及動態的網絡接入。Ad hoc網絡和蜂窩網絡相結合后的無線網絡具有許多性能優勢，因而也成為目前移動通信領域研究的熱點之一。現階段，對于無線網絡融合的研究主要集中在任意兩種網絡的融合，主要的研究方向是蜂窩網絡和WLAN及蜂窩網和Ad hoc的融合。其中，蜂窩網絡和WLAN作為已經較成熟的網絡是目前網絡融合中比較常用的方式，而蜂窩網絡和Ad hoc的融合由于Ad hoc的自組織和自維護性能受到了廣泛的關注。目前，國內外的研究組織已經就Ad hoc網絡(MANET)與蜂窩移動通信系統的結合問題開展了一些研究[1]。

隨機驅動多址接入(ODMA)[2]是在第三代移動通信系統中引入自組織網絡的一種嘗試。由于信道的路徑損耗，在蜂窩小區邊界處只能支持相對較低的傳輸速率，ODMA通過無線傳輸的多跳中繼能夠將時分雙工(TDD)系統的高速率覆蓋擴展到小區邊界，從而減少了傳輸功率和共信道干擾，增加系統容量和提高小區邊界無線傳輸的有效性。文獻[3]中提出了一種在蜂窩GSM系統中引入Ad hoc網絡的A-GSM體系結構。在A-GSM系統中，通過增加中繼功能來擴大系統的覆蓋范圍，從而有效地解決死區的問題，提高了系統的容量和對錯誤鏈路的魯棒性。其基本思想類似于ODMA系統，所不同的是A-GSM支持移動節點在基站覆蓋范圍之外的通信，而ODMA不支持。Hongyi Wu等人在文獻[4]提出了支持中繼的蜂窩和自組織集成系統(iCAR)的體系結構，它是將蜂窩體系和Ad hoc中繼技術集成來動態平衡負載的有效方式。iCAR系統在地理區域內有一組Ad hoc中繼站(ARS)，移動節點和基站的信號由ARS傳遞。每個ARS具有兩個空中接口，一個與基站通信(稱為蜂窩接口)，一個與移動節點或其他ARS通信(稱為中繼接口)。iCAR系統使用ARS來平衡小區之間的流量負載，ARS能夠將流量從一個過載的小區轉移到一個沒有擁塞的小區。Haiyun Luo等人在文獻[5]中提出了融合蜂窩網和自組網的無線網絡框架(UCAN)的混合網絡結構。UCAN的基本目標是當在基站和移動節點之間的下行鏈路信號質量變差時，通過使用多跳路由來提高系統的吞吐量。系統使用了具有更好下行鏈路質量的代理節點來中繼數據包到目的節點。在UCAN中每個用戶終端都具備兩個空中接口，使其既支持3G蜂窩鏈路也支持基于IEEE 802.11的點到點鏈路。文獻[6]中提出的一種新型的系統：支持自組織中繼的蜂窩系統(PARCEL)。它是一種在現有蜂窩系統中引入自組網轉發方式的新型網絡結構。它在綜合自組網和蜂窩網各自優點的基礎上，提出了一種在蜂窩網中引入自組網轉發方式的網絡結構。PARCEL的主要目的是均衡業務負載，并且避免小區擁塞。以解決目前在蜂窩網中出現的“熱點”(Hot-spot)問題。

2 傳統蜂窩網絡的切換算法

在蜂窩網絡中，當移動終端(MT)移開一個基站時，信號水平將會下降，并且需要切換到另一個基站上。切換是一種機制，將在移動節點和對應終端之間正在進行中的連接從一個連接點轉移到另一個基站上[7]。在蜂窩網絡中，連接點稱為基站(BS)，在WLAN中，稱為接入點(AP)。

切換算法可分為3個過程：切換發起、切換判決和切換執行。切換發起過程主要是指系統通過對信號強度等參數的測量，得出是否需要進行切換的決定；切換判決過程是指系統根據周圍環境或用戶選擇的一些度量，通過一定的算法來判斷選擇哪一個網絡作為切換的目標；切換執行過程主要是指系統在切換過程中的無線鏈路傳輸和對切換呼叫的信道分配。切換度量是所測量到的質量，它們給出一個是否需要切換的指示。在移動語音和移動數據網絡中用于判斷越區切換的各種度量標準[8]，包括：

(1)接收信號強度(RSS)、路徑損耗、載干比(CIR)、信號干擾比(SIR)、誤比特率(BER)、誤塊率(BLER)、誤符號率(SER)、功率預算和小區分級都被用作度量標準，它們單獨或聯合用于特定的移動語音或數據網絡中。

(2)為了避免“乒乓效應”，即由于從所有基站中所接收信號強度的快速波動而引起的在兩個基站之間的來回切換，算法中使用了額外的參數，例如，滯后余量、停留計時器和平均窗口。額外的參數(當可以得到時)可以用來做出更加智能的判斷。這種參數還包括了MT與接入點之間的距離、MS的速度、服務小區中的流量特性等等。

切換算法的性能[9]是由確定的性能測試結果決定的，在移動語音和數據網絡中具有不同的性能指標：

(1)在移動語音網絡有關的性能測試中，移動語音網絡有關的性能包括呼叫阻塞概率、越區切換阻塞率、越區切換請求與執行之間的延時、呼叫中斷概率等。越區切換率(每單位時間越區切換的次數)與“乒乓效應”有關，在算法設計上通常都使不必要的越區切換次數最小化。

(2)在移動數據網絡的性能測試中，越區切換率的最小化是很重要的，但是還存在其他一些問題，包括吞吐量最大化、在越區切換過程和完成之后維持服務質量(QoS)的保證。

基于接收信號強度(RSS)的傳統切換算法如圖2所示，其中縱坐標代表移動節點從基站1(BS1)和基站2(BS2)所接收到的信號強度；橫坐標代表切換的時間或移動節點從BS1到BS2的移動距離。兩條曲線的交叉點代表了從兩個基站所接收到的相同的信號。

(1)基于相對信號強度(RSS)，選擇具有最強接收信號的BS。

(2)基于RSS和閾值。如果一個新的BS的RSS超過了當前BS的RSS，并且當前BS信號低于閾值T 時，才可以進行越區切換。在圖2中相應的閾值和切換點為(T1，A)、(T2，B)和(T3，D)。

(3)基于RSS和滯后余量。如果一個新的BS的RSS大于舊的BS的RSS加上滯后余量之和(h )，就可以進行越區切換。在圖2中相應的切換點為(C)。

(4)基于RSS、滯后余量和閾值。如果一個新的BS的RSS大于舊的BS的RSS加上滯后余量之和，并且當前BS信號強度低于閾值T時，才可以進行越區切換。在圖2中相應的閾值和切換點為(T3，D)。

(5)基于算法和停留計時器。有時停留計時器用于其他一些算法中。當滿足算法的條件時，計時器開始計時。如果在計時器到時期間，條件持續滿足，才可以進行越區切換。

在傳統切換算法中，由于切換是根據RSS大小進行基站選擇的，這樣會引發太多不必要的切換。因為如果當前的基站信號仍然足夠強的時候，基于閾值的RSS切換算法允許用戶在當前信號足夠微弱(低于一個閾值)，并且另一個基站信號更強的時候進行切換，但是由于延遲會降低通信鏈路質量而導致呼叫丟失。此外，還會引起對同信道用戶的干擾。基于滯后余量和閾值的RSS允許用戶在新基站的信號強度足夠大于當前基站時進行切換。這種方法阻止了所謂的“乒乓效應”。但是缺點和基于閾值的RSS切換算法相同，由于切換延遲較長而導致業務服務質量的下降。但是由于傳統切換算法比較簡單，實現起來比較容易，所以目前大部分的無線系統仍采用這些算法。

3 集成Ad Hoc與蜂窩網絡系統的切換算法

目前，第四代移動通信系統(4G)雖然還沒有形成統一的體系結構，但是它的基本設想基于全IP結構，是可以在多種接入方式中靈活切換的多網絡融合系統。接入網可以采用多種協議(如MANET、IEEE 802.11、HIPERLAN2等)，并且終端可以在各個接入網之間實現無縫漫游和切換。在不同網絡間的切換稱為垂直切換。當不同的網絡提供互相補充的服務時，作為一種選擇，垂直切換可能會被觸發(甚至在當前系統的鏈路質量還沒有下降的情況下)。因此，需要更加智能的切換算法來判決應該進行何種類型的切換。

就像前面所提到的，在傳統切換中的切換度量只考慮了信號強度和可獲得的信道等信息。在4G系統中，以下新的度量被建議和信號強度測量結合起來使用[10-11]。

(1)業務類型：不同業務需要可靠性、延遲和數據率的各種組合。

(2)貨幣成本：成本對于用戶來說是一個主要的考慮因素，由于不同網絡采用不同的計費策略，會影響用戶切換的選擇。

(3)網絡條件：網絡相關參數，例如通信量，可獲得的帶寬，網絡延遲和擁塞對于網絡有效使用也許需要被考慮。使用網絡信息進行切換的選擇對于不同網絡間的負載平衡、減輕某個系統的擁塞情況也有幫助。

(4)系統性能：為了保證系統性能，在切換判決中采用了各種參數。例如信道傳播特性、路徑損耗、信道間干擾、信噪比(SNR)和誤比特率(BER)。此外，電池能量對某些用戶而言也許是另一個重要的因素。

(5)移動節點條件：移動節點條件包括動態的因素，例如速度、移動模式、移動的歷史記錄和位置信息。

(6)用戶喜好：對一種類型的系統和另一種相比較而言，用戶喜好可以被用于迎合特殊的需求。

在蜂窩與WLAN集成網絡中，由于WLAN能夠提供較高的數據傳輸速率被用來與蜂窩網進行融合，作為蜂窩網在熱點地區的高速數據傳輸網，為用戶提供高速數據服務。蜂窩網絡和WLAN相融合的主要系統是通用分組無線業務(GPRS)網與WLAN的融合以及通用移動通信系統(UMTS)與WLAN的融合。目前融合方案的重點主要放在路由、切換等方面。這種集成網絡的切換主要發生在蜂窩基站和WLAN接入點覆蓋的重疊范圍內[12]。而在蜂窩與Ad hoc集成網絡中，可以認為每個移動節點構成一個虛擬微微蜂窩，小區的半徑為節點的信號傳播范圍，而每個移動節點相當于小區中的基站。因此，蜂窩與Ad hoc集成網絡可以被認為是一個包含微蜂窩和許多虛擬“移動”微微蜂窩的平臺。在蜂窩與Ad hoc集成網絡中，移動節點具有兩個空中接口，因此移動節點的切換就比單一的網絡要復雜，它存在4種切換：

(1)不同蜂窩基站的切換；

(2)從蜂窩鏈路向Ad hoc中繼鏈路切換；

(3)從Ad hoc中繼鏈路向蜂窩鏈路切換；

(4)不同Ad hoc中繼鏈路間切換。

其中不同蜂窩基站的切換和傳統蜂窩系統的硬切換或軟切換相同，而不同Ad hoc中繼鏈路之間的切換和一般自組網中的路由算法相似。所以在集成蜂窩與Ad hoc中所特殊的兩種切換為蜂窩鏈路與Ad hoc中繼鏈路間的雙向切換。

原理上，根據切換觸發原因，切換可以分類為必要的和優化的切換。切換由于低的鏈路質量是必然然絡般自組織形成統一的體系結構，但是它的基本設想是叫中斷概率等等的，因為為了保持進行的連接，切換決定和執行必須要快速地執行。主要地，從接入點和鄰居接入點測量到的接收信號強度(RSS)被用于切換決定，其他的標準同樣可以使用，例如載干比、信號干擾比、誤比特率等等。而通過切換提供給用戶更好的性能或為了滿足一個特定的偏好，可以被認為是優化切換。這些切換可以容忍更長的切換時延，并且可以細分為成QoS相關切換和認證、授權和計費(AAA)相關切換。例如，一個用戶也許需要更多的帶寬來加速數據傳輸，或一個更便宜的網絡來減少業務成本。所以在集成蜂窩網絡與Ad hoc中，垂直切換可以由下面兩種原因而觸發。

(1)必要切換

當移動節點在數據傳輸過程中由于和當前服務的基站之間的單跳或多跳路徑發生中斷，而被迫發生的切換。這種類型的切換可能是由于當前基站失效或節點的移動觸發的，并且切換是在當前鏈路發生中斷以后，新的鏈路建立之前發生的，所以屬于硬切換類型。

(2)優化切換

當移動節點在數據傳輸過程中發現了另外一條更好的傳輸路徑或系統為了獲得負載平衡時，會發生優化切換。這種類型的切換可以提高每個移動節點鏈路的通信質量或通過負載平衡算法緩解熱點小區的擁塞，并且切換也可以在鏈路中斷之前，新的鏈路建立以后發生，所以既可以屬于硬切換也可以屬于軟切換類型。

下面介紹集成結構中的3種混合切換算法，分別為基于信號強度的切換算法、基于鏈路質量的切換算法、基于負載平衡的切換算法。其中第一種切換算法屬于必要切換，而后面兩種算法屬于優化切換。這3種切換算法分別應用于不同的集成網絡結構中，用于提高特定系統的性能。

3.1 Ad Hoc與蜂窩網間基于信號強度的切換算法

在市區高密度建筑地區，移動節點也許與基站之間存在非視線路徑(NLOS)，當移動終端拐過一個街角時，由于失去了和服務基站的視線路徑(LOS)，移動節點所接收到的信號將嚴重下降(大約下降20～30 dB)。這就是街角效應(Corner effect)[13]。在這種情況下，如果切換不能執行得很快的話，呼叫可能會丟失。在文獻[14]中使用了位置輔助的中繼和切換算法，在這個系統中，移動節點被認為可以估計出它的地理位置并具有建立和附近節點直接連接的能力，從而形成一個臨時的無線Ad hoc網絡。移動節點的位置信息允許我們估計出每個節點的移動圖，這個估計可以用來動態地調整滯后余量值，鼓勵或阻礙切換。如果在節點和基站之間的鏈路質量下降到一定的閾值水平時，位置信息被用于選擇最好的候選移動節點作為中繼，并在最佳時間中繼或切換到另一個基站上。仿真結果表明就呼叫中斷率、激活組更新率和平均激活組數量而言，比為通用電信無線接入(UTRA)設計的軟切換(SHO)算法有很大的性能提高。

在一些地區，任何通信系統都不能提供成功地呼叫通信，這些地區包括地鐵站臺、室內環境和地下室等地區。這被稱為死區效應(Dead spot)。在文獻[3]中，使用了基于信號閾值的切換算法。根據測量到的信號強度和設定閾值的比較，移動節點在蜂窩和Ad hoc網絡之間切換，這樣可以增強蜂窩網絡的覆蓋，減輕死區效應對系統的影響，并且通過降低發射功率可以增加系統容量和減少蜂窩之間的干擾。對不同模式的基于信號閾值切換算法如下：

(1)不同蜂窩基站的切換

服務基站的平均信號強度下降到閾值以下

鄰居基站的平均信號強度超過閾值

(2)從蜂窩鏈路向Ad hoc中繼鏈路切換

如果下列條件同時滿足時，從蜂窩鏈路向Ad hoc中繼鏈路切換將會執行。

服務基站的平均信號強度下降到閾值以下

鄰居基站的平均信號強度沒有超過閾值

鄰居MT的平均信號強度超過閾值

(3)從Ad hoc中繼鏈路向蜂窩鏈路切換

如果當MT周圍基站的平均信號強度超過閾值時，從Ad hoc中繼鏈路向蜂窩鏈路切換將會執行。

(4)不同Ad hoc中繼鏈路之間的切換

如果下列條件同時滿足時，不同Ad hoc中繼鏈路之間的切換將會執行。

任何基站的平均信號強度沒有超過閾值

中繼服務MT的平均信號強度下降到閾值以下

鄰居MT的平均信號強度超過閾值

切換判決算法如圖3所示[3]。其中RSSBS_c和RSSBS_n分別是MT從當前服務基站和鄰居基站所接收到的平均信號強度，RSSMT_c和RSSMT_n分別是MT從當前服務中繼和鄰居移動中繼所接收到的平均信號強度。TCellular和TAdHoc分別是蜂窩網和Ad hoc網絡的切換閾值。

3.2 Ad Hoc與蜂窩網間基于鏈路質量的切換算法

在基站覆蓋范圍內移動節點，可以通過多跳路由的方法提高系統的吞吐量。當基站與節點之間的下行信道質量低于特定的閾值時，節點便切換到Ad hoc模式下。系統通過尋找具有最好下行信道質量的代理主機將數據包中繼到目的節點。UCAN使用高速數據速率(HDR)下行信道作為切換算法的度量標準。系統中每個移動節點都維護一個移動平均的下行信道速率，這個信道狀態可以通過測量HDR下行鏈路的導頻信號進行估計。移動平均可以濾除由于快衰落引起的信道狀況高頻率的變化，并且獲得基于距離的慢衰落環境中的信號強度。如果目的節點的下行信道速率變差時(如低于38.6 kb/s)，節點通過切換到多跳模式上從而使得基站轉送數據幀到一個具有最好信道速率的節點上(代理網關)，這些數據幀將通過高帶寬的802.11b鏈路被進一步中繼到中間節點，最后到達目的節點。

文獻[15]同樣使用了移動節點下行信道質量進行切換，決定算法的判決，從基站所接收的較差下行信道質量的節點可以使用兩跳連接的方式獲得較高的數據傳輸率。和UCAN不同的是，系統中的代理網關通過它的WLAN接口周期性地廣播中繼廣告消息，消息中包含的信道狀態信息(CSI)和帶寬指示數值被用于決定是否建立一條直接蜂窩連接或一條兩跳中繼的連接。文獻[15]提到了直接和兩跳中繼通信的功率消耗、終端的移動模式和應用的時間限制也可以作為切換決定算法的判決因素。

文獻[16]介紹了在蜂窩碼分多址接入(CDMA)系統中，通過引入帶外多跳中繼，可以顯著地提高系統的容量。中繼節點和移動節點之間的通信可以通過Ad hoc空中接口進行，從而不會消耗CDMA系統的容量。文獻[16]介紹了3種動態中繼節點的選擇因素，分別是具有相對低的干擾中繼(ARRI)、具有最好鏈路增益的中繼(ARLG)和具有最短距離中繼(ARSD)。其中ARRI和ARLG動態地跟蹤當前CDMA鏈路質量。當移動節點發現當前直接鏈路的質量較低時，ARLG尋找與服務基站具有最好鏈路增益的中繼節點進行切換，而使用ARRI度量的方法考慮了與服務基站的鏈路質量和對鄰居小區的干擾狀況的因素，ARSD則選擇與服務基站距離最近的中繼節點。仿真結果顯示動態跟蹤CDMA鏈路質量(ARRI和ARLG)的方法和基于距離的中繼選擇(ARSD)方法相比較，可以獲得更高的系統容量。所以通過使用基于鏈路質量的切換算法，將移動節點從直接蜂窩通信切換到多跳中繼通信模式，不僅提高了整個系統的容量和吞吐，而且擴大了基站的覆蓋范圍。

3.3 Ad Hoc與蜂窩網間基于負載平衡的切換算法

傳統蜂窩網中的通信都要通過基站或接入點實現，但由于頻率資源的有限性，就算建立更多的基站，擁塞問題仍然存在。當小區內移動用戶超過負荷時就會發生擁塞，這種擁塞小區可以稱之為“熱點小區”。為了避免熱點小區，一種解決方法是減小小區的范圍，增加小區數量，使每個小區的用戶數目下降，但這將需要建立大量基站來保證覆蓋率，耗資巨大，同時基站的利用率很低。另外一個方法就是將Ad hoc網絡模式引入蜂窩網。Ad hoc網絡在吞吐量、延時和節省功率等方面都有較好的性能，缺點是不適合應用到廣域網。因此將Ad hoc網與蜂窩網結合，利用兩種網絡各自的優點解決熱點擁塞問題。

PARCEL系統使用了負載平衡算法，在當前小區發生嚴重擁塞之前，通過中繼方式將流量從擁塞小區中繼到鄰居小區。系統中的基站周期性發送它的擁塞狀態消息到所在小區中的移動節點，這個擁塞狀態反映了所占用數據信道的比例。當移動節點接收到這個消息時，如果發現所在小區將要發生擁塞時，開始通過廣播路由發現消息來尋找一條中繼路由。當路由發現消息到達一個具有較多空閑信道小區的移動節點時，一個路由返回消息沿著反向路徑傳送回到源節點。在找到一些中繼路由以后，進行查找的源節點通過計算中繼期望數值選擇最好的中繼路由，這個中繼期望數值是中繼路由長度、節點的功率狀和移動節點的移動模式的加權函數。最后源節點將所期望的路由發送到所在基站，基站然后選擇其中的一些源節點通過中繼的方式切換到鄰居小區中，從而使得基站獲得了負載平衡。

iCAR在蜂窩系統中引入了Ad hoc中繼站(ARS)，使得當某個小區發生擁塞時，利用這些ARS，將擁塞小區的業務向沒有擁塞的小區轉移。當移動節點進入一個擁塞小區時，在節點上發起的新的呼叫或運行中的呼叫不會阻塞或丟失，而是將呼叫從蜂窩接口切換到Ad hoc接口，通過路由算法尋找小區中ARS來建立一條從本節點到鄰居小區基站的路徑，節點首先廣播“路由查詢”消息到所有鄰居ARS來尋找一條到達非擁塞小區基站的中繼路由，具有到達這些基站的ARS返回路由表中的信息到移動節點。節點然后選擇一個最好的ARS作為代理，并發送“路由建立”消息到這個ARS。代理ARS根據路由信息中繼“路由建立”消息最后到達網關ARS。網關ARS然后請求基站為它分配一個專用信道(DCH)，并且發送確認消息返回移動節點從而完成中繼路由的建立。一旦移動節點收到確認，便切換到Ad hoc接口，并開始通過中繼路由傳送數據。

集成Ad hoc和蜂窩網絡與一般的集成WLAN和蜂窩網絡的切換方式不同在于當用戶需要接入Internet時，前者可以通過切換到多跳方式而接入到基站，而后者只需要在基站和接入點之間直接進行一跳的切換。所以在集成Ad hoc和蜂窩網絡的切換過程中，需要考慮路由算法對切換造成的影響。在大多數融合結構中使用了網關節點(GN)作為蜂窩基礎結構和MANET結構之間的接口。當發生必要切換或優化切換時，網絡必須為移動節點提供一些方法來發現GN以保持進行中的業務不會中斷。基本的網關發現可以通過先應式和反應式方法執行，并且每個方法具有各自的優缺點。先應式方案一般提供了更加快速的響應時間，以更多地控制流量開銷作為代價。而反應式發現可以減少控制流量的數量，但是不能獲得同樣的響應時間。先應式方法被用于A-GSM等結構中，在那里GN周期性地發送廣告消息。在UCAN系統中，當移動節點需要多跳接入基站時才開始搜索網關，所以屬于反應式方法。有兩個不同的發現協議：一個是移動節點跟蹤它鄰居節點的下行傳輸速率來尋找一個網關；另一個是網關請求被傳送直到一個候選網關被發現。

通過對上述切換算法和網關發現算法的分析，可以將目前所研究的集成網絡切換方法進行分類，分類如表1所示。基于信號強度的切換算法主要用于解決死區和街角效應問題，雖然能擴展蜂窩系統的覆蓋范圍，提高整個系統的吞吐性能，但是它對系統中變化的傳播環境、流量密度和用戶的移動速度等參數缺乏自適應的能力，這樣會引起網絡間負載的不均衡，并可能導致服務質量的下降。由于流量轉移可以緩解熱點地區因容量飽和而造成的呼叫阻塞和切換中斷，所以流量轉移也是在蜂窩系統中引入自組網方式的一個重要原因。自組網的動態中繼轉發功能可以有效地調整熱點地區的流量，實現流量的動態分配，從而提高熱點地區的服務能力和服務質量。基于負載平衡的切換算法雖然可以將在擁塞小區中的節點通過多跳中繼切換到非擁塞小區來達到小區間的負載平衡，但是它只是考慮了系統整體性能，而沒有對單個移動節點的性能進行優化。并沒有考慮別的切換度量對系統性能帶來的影響。基于鏈路質量的切換算法主要用于高速下行數據業務。在數據傳輸速率降低時，移動節點切換到多跳傳送模式，通過在信道質量更好的地方用網關節點接收數據，并通過高速的IEEE 802.11協議向客戶端發送數據來實現高速的數據連接。雖然基于鏈路質量的切換算法可以提高在小區邊緣的數據傳輸速率，但是沒有考慮其他切換度量對系統性能帶來的影響，所以可能導致系統性能的下降。所有3種切換算法都是各自不同的系統結構而設計的，并且只是簡單地考慮了一種切換度量，而為了達到最佳的網絡性能，需要綜合地考慮當前網絡資源的利用率、網絡的負載均衡程度、業務的QoS要求以及用戶的移動特性等各種因素對切換算法造成的影響。

4 結束語

由于集成Ad hoc和蜂窩網絡的獨特結構，必須針對其特點設計專門的切換解決方案。

在集成Ad hoc和蜂窩網絡中，有兩種通信方式：傳統蜂窩方式和混合方式(經過多跳中繼最終接入基站)。因此，當這幾種通信方式都能實現用戶的通信需求時，就需要解決不同通信方式的切換問題。目前在集成Ad hoc和蜂窩網絡中，對切換算法的研究還不多，主要借鑒了和在單一網絡中使用的傳統切換算法。但是這種借用傳統算法的系統性能不是最優的，因為它不能克服傳統算法中參數無法自適應變化的特點。在所提出的混合架構中的一般目標是增強用戶的吞吐量和提高整個系統的性能，沒有考慮在傳輸模式選擇、路由處理或切換過程中應用的QoS需求。隨著新的切換度量的開發，傳統切換算法已經不能適應多準則切換性能的要求。而基于多準則切換算法的實現越來越重要，特別是在混合網絡中，網絡和用戶交互的增加將增加切換時延。因此必須發展新的技術來提高切換算法的有效性，在用戶滿意度和網絡效率間形成平衡。近來新出現了一些技術，例如基于神經網絡、模糊邏輯系統、模式識別的智能技術和基于代價函數、模糊多屬性決策的優化技術。由于智能和優化切換算法對像集成Ad hoc和蜂窩網絡結構的混合網絡具有很好的適應性和魯棒性，并且能夠根據未來混合網絡中的各種業務類型的QoS需求、網絡狀態以及移動節點條件等多種因素的變化進行自適應切換，所以可以考慮運用這些智能和優化算法來進行更加有效的切換判決，從而進一步提高系統的性能。下一步研究方向是在集成Ad hoc和蜂窩網絡的環境下，使用智能或優化技術設計一種垂直切換算法來提高系統的整體性能。

5 參考文獻

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收稿日期：2007-03-26

作者簡介：

魯蔚鋒，南京郵電大學在讀博士研究生，主要研究方向為無線混合網絡的切換、路由算法。

吳蒙，南京郵電大學通信與信息工程學院教授、博士生導師，IEEE會員，主要研究領域為無線通信、寬帶接入網、信息安全及DSP技術在通信中的應用。