[科普中国]-混合网络

简介

"hybrid"是指“混合”，因此一个混合网络就是网络的混合。根据TheFreeDictionary，一个混合网络就是一个包含多个供应商网络硬件和设备，或网络基础设施（可追溯到第一届）的网络。一些基础设施网络因为组件的互操作性，只包含一个供应商的网络设备，因此避免了设备之间的错误通信；在理论上也可以创造一个更快的网络。尽管被昂贵的供应商束缚，但是会导致企业选择混合网络路由，是因为它的花费要少得多，能更恰当地适应业务的需要。

混合网络研究现状目前，国外许多研究机构都对自组织网和蜂窝网相融合的成网技术展开了研究，力图在概念和技术上为未来移动通信系统寻求创新和突破。这些组网技术充分利用了自组织网和蜂窝网的优势，获得了较好的网络性能。按照中继转发节点的设置、节点支持的通信模式以及节点的移动性，可将现有的网络模型划分为所示的结构。1 机会驱动的多种接入模型(ODMA)是由3GPP TR25.924提出的在UTRA时分双工(TDD)模式中支持移动终端中继的一种尝试，这种网络模型可以被看作是当前的UMTS TDD模式的扩展。ODMA系统有两种通信模式：多跳转发模式和直通模式。两种通信模式使用相同的无线资源。各个小区的覆盖区域都划分为高速率覆盖区、低速率覆盖区和无覆盖区。

系统中的用户同时具备与基站进行基本通信的能力和为其他用户进行数据转发的能力。通过其他用户的多跳转发，低速率区域的用户可以获得蜂窝网络提供的高比特率业务，由此可实现高速率业务的覆盖扩展。

多跳蜂窝网络(MCN)是由台湾国立交通大学信息计算科学系的Ying-Dar Lin和Yu-Ching提出的一种在蜂窝网络内通过多跳方式建立连接的网络模型。MCN的带宽资源被分成覆盖范围不同的控制信道和数据信道两类，其中控制信道的覆盖半径是小区半径R，而数据信道的覆盖仅是R /K(K为复用因子)。网络中的每个节点都周期地向基站(BS)发送从邻接节点接收到的信标功率信息，由BS根据这些信息估计节点间的距离，计算网络的连通状态。各个MCN的节点都是通过接入BS来进行通信的。接入的方式分为直接接入方式和多跳转发接入方式。在多跳转发接入方式中，节点首先向BS发送路由请求。BS则依据当前的网络连通状态计算该节点到基站的路由信息，在回复信息中发送给节点，其中包括路径中每一跳节点的地址和节点使用的数据信道类型。该节点就按照BS指配的路径接入BS进行通信。

融合蜂窝网和自组网的无线网络框架(UCAN)是贝尔实验室和加利福尼亚大学的Haiyun Luo、Ramachandran Ramjeey、Prasun Sinhaz、Li(Erran) Liy、Songwu Lu等人提出的一种具有多种通信模式的混合网络模型。该模型下的每个节点都同时具备两种空中接口，使其既支持3G蜂窝链路(HDR)也支持基于802.11b的点到点广播链路。用户终端与基站间交互的数据分组，既可以通过用户终端与基站间的无线链路直接进行通信；也可以先利用点到点的802.11b广播信道多跳转发给代理用户，再由代理用户与基站利用3G无线链路进行通信。仿真结果表明：在用户密集的区域，与蜂窝网络相比，UCAN可以有效地提高单个用户的吞吐，并且可以提高整个蜂窝小区的吞吐。在采用按需的代理搜索算法的情况下，与普通的3G系统相比，UCAN系统的单用户吞吐可以提高310%，而小区的整体吞吐量可以提高60%。

混合网络关键技术问题自组织网和蜂窝网络的融合，在带来性能上改善的同时，还会引出许多新的技术问题。目前，针对这些问题的研究正广泛展开，以探讨各种新型混合网络模型的可行性，并寻求性能和可行性之间良好的结合点。这些问题主要包括框架结构、通信模式选择、信道分配、路由、计费、负载均衡等等。

1**.**框架结构
框架结构是研究一种新型网络首先要解决的关键技术问题。如前所述，国外的一些研究人员已经提出了一些新型的网络模型。但这些模型都是针对网络的某一具体问题而提出的，它们所带来的性能优势也是局部的。例如：iCAR模型仅仅是为蜂窝网流量均衡问题而设计，A-GSM模型是专为解决蜂窝网覆盖死区问题而设计等。同时，在现有网络框架中还有很多问题未能统一。例如：网络中是否设置专用的中继节点，多种通信方式是否使用同样的无线资源等。因此，必须综合考虑各项网络性能，才能构造出具有较高网络优势的框架结构。

2 .通信模式选择
在混合网络中，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)、传统蜂窝方式和混合方式(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，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。通信方式的不同将直接影响网络系统的整体性能，因此在选择通信模式时必须综合地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，以达到最佳的网络性能。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。

3 .信道分配
信道分配机制是无线网络中的主要技术问题之一。在多种通信方式共存的情况下，实际的网络环境中往往会同时存在各种通信场景。如何协调使用有限的信道资源，做到既不影响各小区的通信性能又能最大程度地改善网络容量是现有机制不曾涉及的问题。目前，国内外对同一网络中不同通信模式间的信道分配机制的研究尚处于起步阶段，均未涉及详细、可行的分配策略及具体问题的定量分析。

4 .路由
混合网络的路由需求不同于传统的蜂窝网和自组织网，其通信方式的多元化以及节点类型的多样性使得蜂窝网和自组织网现有的路由协议都不能满足混合网络的需要。一方面，混合网络的通信方式可分为传统蜂窝方式、自组织方式和混合方式。其中，混合方式是一种混合网络所特有的通信方式，给路由机制带来了新的要求。而且通信方式间的动态切换也是设计混合网络路由机制必须考虑的因素之一；另一方面，混合网络中不仅有预设的基础网络设施，而且还可能有一些专门设置的计算能力和存储能力都更为强大的中继节点，如iCAR中的ARS。这些具备完全或部分“中心”功能的节点可以获得一定覆盖区域内的节点位置信息和网络拓扑信息，从而为路由的计算和路径的选择起到一定的辅助作用。所以，设计混合网络路由机制时必须合理的利用这些节点，将分布式路由和“中心节点”的辅助相结合来提高全网的性能。

5 .计费
混合网络自身的特性对计费机制产生了新的要求。首先，许多通信业务只是由节点间的中继转发来完成，而不需要经过基站。因此，基站对于覆盖范围内的业务并不拥有完备的信息。其次，电信运营商已不再是服务的唯一提供者，负责中继转发的中间节点也为通信用户提供了相应的服务。这些中间节点在进行数据存储和转发的过程中耗费了自己的能量，甚至会影响自身的通信业务，所以必须给予一定的补偿来激励其为其他的用户进行数据的转发。第三，用户的移动性会造成通信链路的重新配置，从而增大了统计计费信息的难度。这些特性就要求必须针对混合网络设计新的计费机制，以保证准确记录为用户提供服务的其他用户的身份、服务时间和传输流量等信息。

6. 负载均衡
有研究发现，混合网络中的节点所承担中继转发业务的多少和该节点在网络中的位置以及周围区域节点密度有关。靠近网络中心的节点，要比网络边沿的节点承担更多的中继转发业务。这就使得处于网络中心区域的节点最早消耗完自身的能量，从而造成网络中心区域节点的密度降低，并增大了这一区域其他节点的负担，形成恶性的循环。这种区域性的节点密度降低一方面会导致网络出现分割，另一方面也会对正在进行的业务产生影响，造成网络吞吐降低。所以，负载均衡算法是混合网络中需重点研究的问题之一。目前实现负载均衡的方法主要是对最短路径的路由发现机制进行改进，搜索多条备份路径。业务发起时，由节点自主地选取一条链路节点负载最小的路径进行数据传输；或者由基站根据全网当前的负载分配和吞吐从搜索出的路径中选取一条路径指配给用户。