关于Ad hoc网络在OperatorWLAN中的应用性研究

2019-11-03 19:15:45

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

陈敏曹常义
　（南京邮电学院通信工程系南京 210003)　　摘要目前，有许多通信业界的著名通信厂商提出了Operator WLAN（以下简称OWLAN）的宽带接入概念。本文将就这一概念为基础，讨论Ad hoc网络在OWLAN中的应用中可能出现的一些问题，并给出了我们的解决思路。

　　关键词 OWLAN 接入 Ad hoc网络应用性

　　1 引言

　　OWLAN是一种移动终端通过无线局域网接入到移动运营网络（目前主要针对GPRS）的宽带接入方案。包括诺基亚，爱立信等世界上主要的通信厂商都针对OWLAN的思想提出了它们各自的解决方案并作出了相应的试验性产品，但总的来看，OWLAN网络主要有以下几个特点：

　　* 提供了GPRS网络的终端管理模式。每一个通过无线局域网接入的移动终端都配备了SIM卡来作为系统管理的标识，从而有效的解决了关于OWLAN用户的漫游，鉴权和计费等系统管理功能的实现问题。

　　* 底层协议平台采用IEEE 802.11系列标准，可以提供至少11Mbit/s的最高接入速率，打破了以往数据业务接入的瓶颈，有利于实现基于数据业务的宽带接入。

　　* 接入部分包括移动终端，接入点，接入控制器等设备的第三层均采用ip协议。移动终端在通过了GPRS网络的注册和鉴权之后，将由接入控制器为其分配一个动态IP地址，使得数据业务能够通过IP核心网络进行传输，减少了GPRS网络的负荷。

　　* OWLAN接入的AAA(Authentica-tion,Authorization,Account-ting)规程和安全性方案均采用原GPRS网络的标准，避免了在实现宽带无线局域网接入的业务的过程对原来的GPRS网络进行过多的结构和协议上的改动。　　目前，对Ad hoc网络的关注不断的升温促进了相关技术研究的快速发展，也使其开始逐步走向各种具体的应用领域。在这里，我们将以OWLAN为基础来讨论关于Ad hoc网络在OWLAN中的应用。其中，第一部分简单讨论了Ad hoc网络技术的发展现状，第二部分介绍了Ad hoc网络在OWLAN中应用的过程中应该主要考虑的问题，同时就其中的部分问题提出了我们的基本设想，第三部分对Ad hoc网络的应用进行了相关问题的补充，在本文的最后，我们对Ad hoc网络在OWLAN中的应用问题做了总结并且展望了下一阶段的研究方向。

　　2 Ad hoc网络技术的现状

　　Ad hoc网络又叫自组（self organization）网，自愈网或是对等网，它是一种逻辑意义上的组网方式，即强调在不依赖基础网络设施的前提下由一定范围内的移动终端动态的建立可以互联的网络。同时它还将现有的主要网络中广泛应用的中央控制管理的功能进行分布式处理，由网络各个节点同步完成，从而提高了网络抗干扰，抗故障的能力，也使其成为在许多特殊场合进行网络互联应用的主要方案。

　　关于Ad hoc网络的理论研究正在不断的进行和完善当中，从研究方向的角度来说主要有以下几种：（1）Ad hoc网络的路由算法，（2）Ad hoc网络的QoS研究，（3）Ad hoc网络中的信令算法，（4）包括物理层，媒质接入层，传输层以及应用层等各层针对Ad hoc网络的组网方式所进行的性能分析和技术优化，另外还有关于Ad hoc网络中的节点功耗问题的研究等等。需要说明的是对Ad hoc网络的研究往往要同时涉及到以上几种方向，比如关于QoS路由（QoS routing）的研究理论就与Ad hoc网络中的路由算法，QoS研究，信令算法等方面相关。另外，移动终端处理能力的快速增强使得关于Ad hoc网络的理论逐渐趋向于综合性更强，也更加复杂，以此换取Ad hoc网络的性能的提高，但另一方面也增加了Ad hoc网络技术标准的制定的困难。

　　3 Ad hoc网络在OWLAN中的应用

　　在这里我们将从如何实现网络主要功能的角度来分析Ad hoc网络在OWLAN中的应用的主要问题。

　　3.1 无线局域网内部实行Ad hoc组网的必要性

　　首先，当我们利用无线局域网将移动终端接入到运营网络的时候，我们应该考虑到尽可能的使这些终端能够具备原有无线接入终端的基本功能，这其中应该包括移动性，网络漫游和无缝连接切换等功能。从网络扩展的成本角度出发，我们希望网络侧的设备投入同网络提供的接入容量之比能够尽量的大。但我们知道，无线局域网主要提供的是室内环境的无线接入业务，每个业务接入点的覆盖范围都非常有限，在对数据业务需求越来越大的今天，我们考虑的是如何避免简单的利用增加接入点设备的办法来扩大无线局域网的覆盖范围。事实上，Ad hoc网络完全可以满足我们在这方面的考虑，它充分利用了用户的数据终端越来越强的处理功能，将原来的中央处理设备的功能分布到网络中的每一个终端节点，使它们具备一定的网络控制和管理的功能，一方面能够有效的扩展无线局域网的覆盖范围和容量，另一方面也极大的降低了网络部分的建设成本。

　　其次，Ad hoc网络本身具有不依赖基础网络设施的特点，可以快速而灵活的组网，而且由于其网络应用的是分布式的控制管理，使得这样的网络具备了强大的抗故障，防破坏的能力。同时，因为Ad hoc网络是一种基于网络层的逻辑组织方式，它与其它各层保持很强的独立性，所以能够很好的适应各种目前在无线局域网内部得到应用的底层标准，包括IEEE 802.11x系列标准，欧洲的HIPERLAN/2等标准。所有这些优点使得Ad hoc网络成为在无线局域网宽带接入的应用中一种非常理想的应用方案。

　　3.2 AAA（Authentication,Authori-zation and Accounting）规程

　　3.2.1 注册和鉴权

　　（1）一般情况下，在无线局域网接入点覆盖范围内的用户终端直接通过接入点接入到运营网络。而在接入点覆盖范围之外的Ad hoc网络中的其它节点则需要通过其它节点转发与之相关的鉴权信令。在鉴权信令到达无线局域网接入点之后的流程则与前一种情况类似。

　　（2）对于数据终端暂时无法接入到无线局域网接入点但又迫切需要接受服务的时候，我们主要考虑以下两种情况：

　　* 用户所在的位置可以通过无线局域网接入点接入或者通过多跳的方式接入，但由于无线局域网和Ad hoc网络此时的节点密度过高造成了网络的拥塞而无法立即接入。

　　* 用户所在的位置不在可接入到运营网络的无线局域网的覆盖范围，同时也没有可用的Ad hoc网络可供多跳（multi-hop）接入。

　　针对以上两种情况，我们对此时的网络运行提出以下的基本方案。

　　对于第一种情况，我们将利用原有的运营网络的覆盖能力来首先进行处于这种情况下的移动终端的接入注册（当然我们要求这样的终端配备了双模网卡）。基本的步骤与一般的移动终端的接入情况类似，但考虑到该类迂回注册不同于原来的移动终端通过基站接入的注册行为，所以首先在接入的过程中必须在数据链路层的注册帧中应该给出该类注册业务的标识号，另外在无线局域网接入的部分设备的功能上也需要有所改进。

　　首先是移动终端在同运营网络的基站进行相互的控制信息交换并建立了接入信道之后，数据终端发送的请求接入的信令的帧格式必须带有宽带无线接入业务的标识。

　　迂回注册的帧结构

　　该类帧格式是数据链路层上的U格式（Unnumbered format）的扩展，而U格式帧一般用于提供附加的数据链路层的控制功能以及非响应式的信息传输，由该帧的U2，U1位的1 1来标识。因为U8，U7，U6位的值从0 0 0到0 1 1已经被用于SABM，DM，UI，DISC，UA的帧格式，所以我们采用1 x x（x指示0或1）来定义该类业务的控制帧格式，而且注册帧和响应帧这三位的代码一致。它们通过U4，U3位的不同来区别，其中注册帧的U4，U3位为0 0，而相应的响应帧中的值为1 1。U5位为P/F（poll/final）位，P位只出现在注册帧当中，相应的F位只出现在响应帧中。P位置“1”的时候表示发送该帧的数据链路层的实体要求其对等实体创建（注册）一个响应帧，F位置“1”的时候表示将发送一个响应帧来响应接收到的注册帧。

　　这样的注册过程结束之后，在Ad hoc网络侧，移动终端将成为宽带无线局域网接入业务的准接入用户，并等待在Ad hoc网络内部有一条可用的接入路由，或者是检测到接入点的状态为准许接入的时候立即成为移动运营网络的接入注册用户，接受相关的服务。

　　其次，在网络侧，就是在接入控制设备中应该具备准接入用户的相关网络信息的缓存，其中包括了在这次接入的过程中，接入控制设备应该分配给该用户的动态IP地址或者还包括出于安全性的考虑用于鉴别准接入用户的注册识别码（具体过程这里不作讨论）。那么在该用户正式接入的时候可以立即对其进行简短的身份鉴别和地址的分配，快速的完成鉴权注册的全过程。

　　迂回接入注册的过程为自上而下的顺序。其中绿色箭头表示终端通过移动运营网络接入，基本过程为终端从基站处向GPRS网络提请注册和鉴权，而GPRS网络也通过基站给予认证和授权，虚线的双向浅色箭头表示终端目前处于准接入状态; 深色箭头表示终端在无线局域网网络状态可用的情况下通过无线局域网接入到GPRS网络，最后的双向深色箭头表示在终端和移动运营网络之间已经建立了无线局域网接入的连接，终端可以接受相应的数据业务的服务。

　　对于第二种情况，我们只作简要的分析。比如该类终端需要知道附近何处有宽带无线局域网接入的服务，并利用移动网络提供的分组数据信道来进行查询。运营网络将根据用户在移动网络的接入点的位置来确定附近可提供该类业务的无线局域网的位置。当然，这其中涉及到了许多的问题，包括移动网络的定位，宽带接入无线局域网的注册，管理和定位等等比较复杂的问题，值得我们今后对其进行专门的研究。

　　3.2.2 计费

　　以Ad hoc网络形式组网的宽带接入的移动终端的具体计费过程同OWLAN的规程基本相似。另外，对于在Ad hoc网络中会经常出现的不同的业务节点相互占用资源（相互路由）的情况我们不将其计入计费的考虑，因为这样会将计费的问题复杂化，并不利于Ad hoc网络的应用。至于其影响和我们对其影响的解决办法，将在后面的内容中作比较详细的介绍。

　　3.3 QoS问题

　　QoS问题不是一个新的问题，但就目前来看仍然是一个值得进一步研究的相对复杂的问题。一般来说，QoS主要涉及的是关于业务质量保障的相关问题，并且以时延，时延抖动，丢包率和业务流量等作为其主要的衡量指标。由于目前所进行的是关于宽带接入系统的框架性研究，我们不会对其中的具体实现中的业务质量问题加以研究。另一方面，我们在考虑系统的框架的时候，面临这样的一个问题，即如何来确定不同的用户在网络中的接入排队机制，或者是在网络服务繁忙甚至出现拥塞的情况下，如何确定什么用户应该首先接受宽带接入的服务。所以在本文中，我们把关于这一问题的讨论归入到QoS类的问题，即业务质量的问题。

　　（1）首先我们将讨论在Ad hoc网络进行组网的时候，各个网络节点之间的相互的责任关系。一般情况下，我们要求每个节点都必须在必要的时候承担起对其它的节点的控制信息和数据信息的转发的义务，这也是Ad hoc网络实现其主要功能所要解决的关键问题。现在对这一问题的讨论比较多，其中有一种实现方法非常值得我们的关注。它的主要思路是当每一个用户初始接入到Ad hoc网络中的时候（不包括暂时脱离Ad hoc网络短时间又重新连入的情况），均定量的定义一种叫做nuglet的参考数值，意指各节点所具有的逻辑货币，用来在接受其它节点的服务的时候付给它们一定数量的nuglets，而在为其它节点提供服务的时候从其它节点处获得一定数量的nuglets。很明显的是，拥有更多数量的nuglets意味着该用户提供了更多的服务，但也有利其接受更好的服务。有一点需要说明，如果某节点拥有的nuglets低于或等于零的时候，网络中的其它节点则会拒绝为其提供有效的服务。这一方案很好的解决了以上我们所关心的问题，因而下面的讨论我们将围绕它进行。

　　（2）在宽带无线局域网接入的方案中除了以上的讨论会对用户的QoS产生影响之外，用户等待接入的时间也将作为一个影响用户QoS的重要因素，其中的等待时间是指从用户提出接入请求到网络开始提供服务之间的时间。这样主要是出于对用户接受服务的公平性的考虑。

　　（3）基于以上两种对影响到接入优先级的因素的考虑，我们在确定用户的接入优先级的时候会将把这两点综合起来进行考虑。其中优先级因子可以由以下公式给出：

　　优先级因子＝nuglets数×用户等待时间。

　　判定准则是优先级因子大的用户的优先级别高。其中等式右边的各个数值还需要我们通过具体的实验来确定，但可以肯定的是，它们将会随着移动运营网络，无线局域网，Ad hoc网络的容量，性能以及它们的运行状态而有所不同。另外从合理性的角度考虑，它们应该能够根据不同的情况进行自适应性的调整。

　　3.4 命名和地址分配

　　一般来说，包含在SIM卡中的相关信息，主要是IMSI（国际移动用户标识）号，以及移动终端自带的IMEI（国际移动设备标识）号，是移动运营网络用来辨识用户的主要标志。另外，在终端通过了诸如GPRS等移动运营网络的注册认证之后，会得到一个由接入控制器分配的动态的IP地址，这一地址用来对其进行在IP核心网中的定位。需要说明的是，通过无线局域网接入到移动运营网络的时候，要求是控制信息，也就是信令通过移动运营核心网传输，而数据信息则通过IP核心网进行传输，所以我们需要对终端进行IP地址的分配。另外，由于用户使用的是动态的IP地址，所以当用户在接入控制域（就是一个接入控制器覆盖的范围）之间进行切换的时候（我们假设可能出现这样的情况，比如用户在两座大楼之间移动，同时希望保持与其它无线接入用户的数据联系的时候，会出现这样的情况），我们需要作特殊的处理。比如我们可以使得用户在进入切换区域的时候，同时获得另一个接入控制域的动态IP地址，同时由该用户作为路由使得两个相邻得接入控制域之间交换必要的信息，比如接入控制器的IP地址和与用户有关的信息，当然这也对接入控制器的存储性能提出了更高的要求，即对于每一个切换到相邻区域的用户都需要在一定的时限内保持其相关的信息。这样，当出现象用户刚刚切换结束之后，其需要的数据也才发送至原接入控制域的情况的时候，这些数据就可以根据从接入控制器处所了解到的目的节点的信息的变更来继续转发到目的结点。

　　4 关于应用Ad hoc网络的其它问题

　　作为对以上问题的补充，我们下面将讨论Ad hoc网络路由算法的选择以及在接入点密集的场所针对故障处理应用大规模Ad hoc网络的基本方案等问题。

　　4.1 Ad hoc网络中的路由算法

　　目前关于Ad hoc网络的路由算法非常的多。我们认为有四种类型的路由算法最值得关注：

　　* 首先是针对TCP进行优化的路由算法。因为在以Ad hoc网络为组网方式的宽带无线局域网接入到移动运营网络的方案中，我们需要利用在Internet上得到了广泛应用的TCP/IP协议进行数据的传输，所以路由协议针对TCP性能进行优化就显得非常必要。

　　* 另外，由于宽带接入的数据终端的工作依赖于电池，所以路由算法针对终端的功耗进行优化也很重要。　　* 基于优化信令算法的路由算法。目前的IETF的INSIGNIA方案提出了这样的思想。即在搜寻路由的过程中在IP包的头部设定关于可用带宽，链路状态等QoS方面的指标。可以使得源节点和目的节点通过信令的收发来实现对路由，链路状态，网络状态和业务的动态配置，从而大大降低了网络的丢包率，提高了网络运作的效率，同时也相应的提高了传统路由算法的效率，这其中有DSDV（Destination-Sequenced Distance Vector），TORA(Temporary Ordered Routing Algorithym)，DSR(Dynamic Source Routing)和AODV(Ad hoc on-demand Distance Vector)。

　　* 应用主动网络思想的路由算法。严格意义上说，它实际上是一种关于路由算法的组织方法。它的初衷来自于对网络运行环境多样化的考虑。尤其是在Ad hoc网络中，这种考虑就更加的必要。在应用了该种主动思想的Ad hoc网络具备了根据网络状态和所处的环境动态调整路由算法的能力，在一定程度上改善了Ad hoc网络由于其开放的组网方式所带来的对网络性能的影响。

　　从上面的内容可以看出，在选择Ad hoc网络路由算法的时候，可以考虑的角度非常多，但这也使得选择的过程变得相对复杂和困难。所以我们认为在选择的过程中首先应当坚持简单的原则（当然这是以基本的性能保障为前提），其次是避免路由算法在系统中的简单套用，而是在各层的技术标准中均针对Ad hoc网络的网络特性和组网方式并结合相应的路由算法进行调整和优化。

　　4.2 大规模Ad hoc网络的应用

　　在这里我们考虑的问题是如何将无线局域网的接入点的分布同Ad hoc网络的组网和分布进行统一的配置，以达到在应用Ad hoc网络的时候能够实现Ad hoc网络的自我平衡（self-balance）的重要功能。具体如图3所示。

　　域中有三个接入点设备通过总线连接到同一个接入控制器，分别为接入点1～3。同时，每一个接入点域分别包含了一个Ad hoc网络，且三个Ad hoc网络之间存在两个重叠区域。另外需要说明的是，该接入控制域中的三个重叠的Ad hoc子网络实际上构成了一个大规模Ad hoc网络，我们称其中的接入点域示意的Ad hoc网络为簇（cluster），每一簇之间的重叠区域说明簇之间存在业务的相关。

　　对这一结构，我们主要考虑以下的情况：

　　接入点1域由于大量的服务需求而产生了拥塞，而此时仍有移动终端急于接收服务，我们设为终端A。同时，接入点3域的业务量并没有达到饱和的程度，也就说明它在此时具备了为其它接入点域的节点提供服务的能力。所以我们就需要设计一种可行的方案使得在这种情况下的终端A能够利用Ad hoc网络的特点，通过迂回路由从接入点3接入到移动运营网络和IP核心网。

　　在这里，我们为每个终端分配两类标志。一是终端唯一性标识（EUI，End System Unique Identifier），它与用户终端的IP地址存在映射的关系。另一个地址是定位相关地址(LDA，Location-Dependent Address)。一般来说它只反映用户终端的所在位置的大体信息，这里可以指示所在接入点域的信息。需要说明的是，LDA地址一般由GPS确定，或仅仅是一个相对的位置信息，相比较EUI地址而言不够精确。对于终端A来说，当接入点1不可用的时候，可以首先通过GPS或者其它方法（这里不作讨论）确定接入点3的LDA地址，然后通过其所在簇的边缘节点（一般称为锚点，为图中深色点所示）到达接入点2域，再通过同样的方法接入到接入点3所在的域，然后根据接入点3的EUI地址最后确定从终端A到接入点3之间的路由。在每个域所指向的簇的内部仍然通过诸如基于链路状态，长度矢量和资源路由等传统的路由算法转发各种控制和数据信息。实心线给出了这一过程所确定的路由（所示路由指示了大概的方向，并不指示确定的节点转跳过程）。

　　同样，如果我们需要在图中所示的终端A和终端B间建立一条不经过接入点的路由，则可以按照如上所示的过程首先确定终端B的LDA地址，然后在到达终端B所在簇的时候，按照终端B的EUI地址确定终端A和终端B之间的路由。如图３中虚线所示（注：所示路由仅指示了大概的方向，并不指示确定的节点转跳过程）。

　　由以上的方案可知，通过大规模的Ad hoc网络的应用，使得接入控制域的业务服务能力得到了动态的平衡。利用Ad hoc网络自身的特点，可以直接在每个簇之间形成自由的信息转发，从而避开了对接入点能力的要求，使得整个系统具备更强的自适应（adaptive）能力和健壮性（robustness）。

　　5 总结

　　目前，关于Ad hoc网络相关技术的研究已经进行的相当深入，但从它应用和标准的制定的角度来讲还仍然处于一个相对起步的阶段。在实际应用中的方案的选择往往决定了决定了Ad hoc网络的性能，这是因为它本身具有状态动态变化的特点，导致受环境，节点组织和应用等变化的影响较大。前面我们主要讨论了Ad hoc网络在通过无线局域网接入到移动运营网络的方案（OWLAN）中的应用，其中提出了一些在实际应用中可能遇到的问题以及在实现过程中需要重点解决的环节。针对某些问题我们提出了我们的初步设想，具体的实现还需要进行深入的研究。但不管怎样，Ad hoc网络作为目前主要的运营网络（包括Internet，移动运营网络）进一步融合互通的关键性方案已经成为业界的共识，接下来要做的就是加快标准的制定以及针对具体的应用对原有的路由，组网的技术和算法进行优化。今后，我们将对本文中提出的一些重要的问题包括迂回接入注册算法，大规模Ad hoc网络的基于定位的路由算法等做更深入的研究。

----《电信工程技术与标准化》