融合Ad－h(huán)oc和蜂窩網(wǎng)絡的中繼設備設計

任凱強，謝 波，鄭力明（暨南大學 信息科學技術(shù)學院電子工程系，廣東 廣州510632）

0 引 言

移動蜂窩通信系統(tǒng)推動了人類通信技術(shù)的快速發(fā)展，在全世界獲得了廣泛的商業(yè)部署，改變了人們的生產(chǎn)生活方式。然而隨著人們交流越來越頻繁，對通信質(zhì)量的要求越來越高，現(xiàn)有 GSM （global system for mobile communications）移動蜂窩系統(tǒng)的一些不足不斷呈現(xiàn)，難以滿足日益增長的需求。

Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡具有高度靈活性、自組織性、分布式控制、動態(tài)網(wǎng)絡拓撲等特點，是目前移動通信領(lǐng)域研究的一大熱點。有學者提出，Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡具有許多移動蜂窩網(wǎng)絡不具備的優(yōu)點，將其應用到蜂窩網(wǎng)絡，能較好地彌補蜂窩網(wǎng)絡的缺陷，如彌補覆蓋缺陷、實現(xiàn)流量的動態(tài)合理分配、形成局域子網(wǎng)傳輸局部業(yè)務等，是目前移動通信網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢［1］。

本文致力于前人已有研究，鑒于目前新一代手機技術(shù)和功能的不斷完善，設計一種融合Ad－h(huán)oc和移動蜂窩網(wǎng)絡的中繼設備，可以廣泛用于人口密度大，通信鏈路堵塞嚴重的熱點小區(qū)，以及一些內(nèi)部局域網(wǎng)，輔助現(xiàn)有移動蜂窩網(wǎng)絡，提高通話質(zhì)量，并節(jié)省通話成本。

1 Ad－h(huán)oc和GSM蜂窩網(wǎng)絡融合系統(tǒng)模型

iCAR （integrated cellular and Ad－h(huán)oc relaying system）是由紐約州立大學Hongyi Wu等人提出的一種新型無線融合網(wǎng)絡系統(tǒng)［2］，將傳統(tǒng)蜂窩移動通信網(wǎng)和Ad－h(huán)oc轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)相結(jié)合，解決蜂窩移動通信系統(tǒng)中由于負載不均衡導致的擁塞問題的系統(tǒng)。iCAR系統(tǒng)通過使用Ad－h(huán)oc中繼節(jié)點（Ad hoe relay station，ARS）將負載從一個小區(qū)動態(tài)轉(zhuǎn)移到其它小區(qū)，有效地平衡小區(qū)間的負載，不僅增加了系統(tǒng)的容量，還可以減少移動節(jié)點的發(fā)送功率，并且擴大了系統(tǒng)的覆蓋范圍。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 iCAR系統(tǒng)原理

如圖1所示，處于熱點小區(qū) （BTS1）中的移動主機MHX在小區(qū)信道擁塞 （沒有可用的空閑信道）的情況下想要和位于遠方的X’通信，可以通過兩個ARS與相鄰的小區(qū)BTS建立通信鏈路，從而使用相鄰小區(qū)的空閑信道。如果X和X’在同一小區(qū)，則可直接通過小區(qū)內(nèi)ARS建立鏈路進行通信。每個ARS都有2個空中接口：同BTS進行通信的C（蜂窩）接口和同其它ARS或者MH進行通信的R（中繼）接口；同樣每個MH也必須有2個空中接口：同BTS進行通信的C接口和同ARS進行通信的R接口。這2個接口工作在不同的頻段，R接口的 MAC（media access control）層同一般Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡的 MAC層相同。一條鏈路中進行中繼的ARS可能有多個，與BTS直接通信的可以看作網(wǎng)關(guān)，同時使用C接口和R接口并且要占用基站的數(shù)據(jù)信道，而與MH或者其它ARS通信的可以看作中繼器，只使用R接口。在此系統(tǒng)中，移動主機也可以為別的節(jié)點進行中繼，但是此方法在計費、保密等方面有諸多不便，而利用專門節(jié)點進行中繼的好處在于能較好地解決安全，認證和計費等問題。

2 移動主機實現(xiàn)

由以上分析可知，在iCAR系統(tǒng)中要求移動終端是雙模的，既要有接入GSM網(wǎng)絡的C接口也要有接入Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡的R接口。而目前移動手機技術(shù)已經(jīng)非常成熟，功能相當強大，眾多手機都支持 WiFi（wireless fidelity），支持WAPI （wireless LAN authentication and privacy infrastructure），支持802.11b/g協(xié)議，即同時擁有C接口和R接口，為iCAR系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了良好的條件。

在本文的研究中，Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡采用基于802.11b/g協(xié)議的無線 Wi－Fi技術(shù)［3］，傳輸速率理論上可以達到54MB/s，室外通信半徑達400m，基本能夠滿足研究和一般通信距離的需要。

3 中繼節(jié)點（ARS）實現(xiàn)

3.1 中繼節(jié)點硬件實現(xiàn)

中繼節(jié)點ARS同樣需要擁有同時接入GSM網(wǎng)絡的C接口和接入Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡的R接口，而且必須有同時作為Ad－h(huán)oc中繼器和網(wǎng)橋的雙重功能，還需要實現(xiàn)對接口的選擇進行切換控制、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由等功能。同時它還要能對允許接入的終端屬性進行設置，只有鑒權(quán)成功的終端才可以通過ARS訪問相應的網(wǎng)絡。

ARS的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ARS硬件結(jié)構(gòu)

在硬件選擇上，綜合考慮處理速度、總線寬度、集成度以及性價比，我們最終選用基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440控 制 芯 片 作 為 主 控 制 器［4］，Motorola ColdFire 5272（MCF5272）為主控CPU。MCF5272是 Motorola推出的一款高集成度的32位ColdFire微處理器，有很強的通信處理能力和較高的性能價格比，且集成了豐富的外圍設備和接口，很適合應用于中小型網(wǎng)絡的控制設備［5］。

GSM接口 （C接口）的硬件實現(xiàn)采用GPRS通訊模塊［6］，它是GPRS無線終端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，用于把從CPU接收到的PPP幀格式的數(shù)據(jù)和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進行相應的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS通訊模塊采用西門子公司推出的MC35，它支持語音通訊，具有GPRS，CSD （circuit switched data）等數(shù)據(jù)傳輸方式以及SMS （short messaging service）和FAX功能。MC35可以工作在EGSM900和GSM 1800兩個頻段，具有40腳的ZIF接口、標準 RS232雙向串口、SIM （subscriber identity module）卡3V接口和模擬語音接口等。

Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡實現(xiàn)采用基于802.11b/g協(xié)議的 Wi－Fi技術(shù)，WLAN （wireless local area network）通信模塊使用 DLink公司的嵌入式無線網(wǎng)卡模塊DWL－G122，采用USB接口，可以支持IEEE 802.11b/g協(xié)議，傳輸速率理論上可以達到54MB/s，室內(nèi)傳輸距離達到100m左右，室外有效傳輸距離接近400m，在Linux系統(tǒng)下通過無線網(wǎng)卡驅(qū)動可以工作在AP （access point）和Ad－h(huán)oc模式，能夠滿足我們實驗的需要。

3.2 中繼節(jié)點軟件設計

ARS軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3［7］所示。

圖3 ARS軟件總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為節(jié)點的操作系統(tǒng)，采用層次化的軟件結(jié)構(gòu)。主要的軟件設計工作包括Uboot和Linux內(nèi)核移植［8］、所涉及的硬件驅(qū)動及配置和支持程序設計等。

Uboot和Linux內(nèi)核移植在開發(fā)板光盤里有詳細敘述，此處不做詳述。硬件驅(qū)動主要包括網(wǎng)卡驅(qū)動和串口驅(qū)動，配置無線網(wǎng)絡工作主要通過iwconfig命令完成，可以設置無線網(wǎng)卡的網(wǎng)絡地址、通信信道，同時把無線網(wǎng)卡的工作模式設置成Ad－h(huán)oc模式［9］。由于篇幅原因，驅(qū)動編寫不做詳述，下面將對接口的實現(xiàn)、核心控制模塊等做詳細說明。

3.2.1 蜂窩網(wǎng)接口設計的實現(xiàn)

蜂窩網(wǎng)接口模塊的軟件部分主要負責通過GPRS Modem建立與ISP （internet service provider）之間的通信鏈路，是軟件設計的核心部分，它們的連接基于點對點協(xié)議（point to point protocol，PPP）［10］；在鏈路建立后，將接收到的PPP數(shù)據(jù)幀解析，根據(jù)協(xié)議字段將數(shù)據(jù)信息交由不同的上層模塊進行處理；根據(jù)系統(tǒng)的需要，將上層模塊傳來的信息打包成不同的PPP數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。PPP協(xié)議作為GPRS在物理層之上的唯一指定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，通過CRC （cyclic redundancy check）校驗、確認等手段將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路，主要用在串行鏈路上提供一個簡單高效的數(shù)據(jù)鏈路，并能承載高層的網(wǎng)絡協(xié)議［11］。

在Linux開發(fā)包中包含對PPP協(xié)議的支持，在編譯內(nèi)核時需將PPP support開啟。首先進入內(nèi)核編譯主菜單，然后進入 “Device Drivers－－－＞”，在進入 “Network device support－－－＞”，將 “PPP （point to point protocol）”極其下級菜單全部以built－in的方式選中，如圖4所示。

圖4 PPP協(xié)議配置

配置好內(nèi)核后進行pppd撥號的配置，并編寫撥號腳本：在文件系統(tǒng)中添加配置文件/etc/resolv.conf，在其中寫入所用到的域名服務器的域名或IP地址；

添加配置文件/etc/nsswitch.conf， 并寫入 hosts：files dns；

在/lib目錄下添加文件庫libnss＿dns.so和libresolv－2.1.2.so，并添加必要的鏈接；

編輯配置文件/etc/ppp/options，在其中添加lock、crtscts、defaultroute、noauth這4個選項；

最后編寫兩個撥號命令文件pppdial和撥號選項文件chatoption，再運行pppdial和ifconfig命令，彈出一個新端口，蜂窩網(wǎng)接口便得以實現(xiàn)。

3.2.2 核心控制模塊

核心控制模塊主要處理下層硬件驅(qū)動和上層通信協(xié)議、配置和支持程序之間的交互。核心控制模塊的基本流程如圖5所示。

系統(tǒng)在啟動后首先初始化各個模塊，設置工作模式、啟動相應協(xié)議棧以及設置其它一些基本參數(shù)。程序采用I/O多路轉(zhuǎn)接技術(shù)對多個描述符的讀寫進行管理，事先構(gòu)造一張所有描述符的表，然后調(diào)用select（）函數(shù)，直到最少有一個描述符準備好才返回，并告知內(nèi)核哪一個描述符已經(jīng)準備好交換數(shù)據(jù)［12］。此后，程序偵聽等待各模塊的數(shù)據(jù)，處理PPP撥號連接請求等，并對數(shù)據(jù)經(jīng)由協(xié)議解析后送至相應終端。

為實現(xiàn)核心控制模塊在系統(tǒng)啟動時的自動加載，使其以應用程序control＿module的形式存在，在系統(tǒng)啟動腳本/etc/rc文件中加入對control＿module的調(diào)用。

3.2.3 改進后的基于信號強度的切換算法

由于在Ad－h(huán)oc與蜂窩網(wǎng)絡融合系統(tǒng)中引入了全新的通信鏈路，為使移動終端在各個接入網(wǎng)之間實現(xiàn)無縫漫游和切換，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。針對以往的基于信號強度算法和切換算法的研究［13］，本文在這基礎上提出一種更加高效、迅速的切換判決算法，基本流程如圖6所示。

圖5 核心控制模塊流程

圖6 基于信號強度切換算法流程

當移動終端 （mobile terminal，MT）接入 Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡時，與其相連的代理ARS通過Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡路由算法來尋找一條到達非擁塞小區(qū)基站的路徑，節(jié)點首先向外廣播“查詢路由”消息到所有可達的鄰居ARS，具有到達非擁塞小區(qū)基站的ARS（此處稱中繼ARS）返回路由表中的信息，然后代理ARS選擇一個花費最少的最優(yōu)路徑，并發(fā)送“建立路由”消息到這條鏈路上的中繼ARS。中繼ARS根據(jù)所收到的路由信息中繼 “建立路由”消息直到到達網(wǎng)關(guān)ARS（最終與目標基站連通的ARS）。最后網(wǎng)關(guān)ARS向基站請求分配一個專用信道，并且發(fā)送確認消息返回到移動終端，至此中繼路由的建立完成［14］。移動節(jié)點收到確認消息，立刻通過R接口切換到Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)。此路由過程跟一般Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡路由基本相同，根據(jù)實際需求不同有不同的選擇［15］。通過使用該算法，不管信號處于何種狀態(tài)下都能夠很好地切換網(wǎng)絡，并繼承了傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡先切后換的軟切換方式，保證通信的連續(xù)性。

4 系統(tǒng)性能測試

為了測試該中繼節(jié)點ARS的性能，在實驗室環(huán)境下，使用一臺裝有無線網(wǎng)卡的筆記本、一臺帶WiFi的手機終端和一臺普通手機以及上面設計的中繼設備組成一個系統(tǒng)，通過將無線網(wǎng)卡的工作模式設置為Ad－h(huán)oc模式模擬一個Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡。筆記本操作系統(tǒng)為Windows XP。

在該條件下，利用筆記本的無線網(wǎng)卡與該中繼設備建立連接，通過GPRS模塊接入中國移動接入點cmnet訪問Internet并測試相關(guān)數(shù)據(jù)。設置好參數(shù)并啟動無線連接后，在筆記本DOC模式下運行tracert m.baidu.com命令，顯示IP路徑如圖7所示。

圖7 IP路徑顯示

由圖7可以看出從Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡上的節(jié)點 （筆記本電腦）至internet上的站點，先經(jīng)過了中繼節(jié)點 （Ad－h(huán)oc接口的IP地址為192.168.0.1）的轉(zhuǎn)發(fā)，由此可見，此設計的中繼節(jié)點能夠連通兩個網(wǎng)絡，可以為內(nèi)部Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到橋接內(nèi)網(wǎng)與GSM網(wǎng)的作用。

再對該設備進行丟包率測試，運行ping－n 100－w 100 m.baidu.com，連續(xù)發(fā)送100個ICMP測試包，等待回復時間測試為1s，結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出丟包率為10%。該數(shù)據(jù)與設備硬件性能和Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡信號的好壞有關(guān)。

再用一臺支持WiFi的手機通過上述設計的設備接入G網(wǎng)與另一臺普通手機通話，測試其通話質(zhì)量，結(jié)果如圖9所示。

通過以上實驗的測試，可以看出該中繼設備能夠較好地鏈接內(nèi)部Ad－h(huán)oc局域網(wǎng)和移動蜂窩網(wǎng)，同時也能較好地完成對兩個網(wǎng)絡的橋接，基本滿足設計目標。

5 結(jié)束語

本文對Ad－h(huán)oc和移動蜂窩網(wǎng)絡的融合進行了深入研究，設計了一種基于Ad－h(huán)oc和移動蜂窩網(wǎng)絡融合技術(shù)的中繼設備。在ARM920T嵌入式開發(fā)平臺的基礎上通過擴展無線網(wǎng)絡模塊和GPRS模塊實現(xiàn)了Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡和移動蜂窩網(wǎng)絡互聯(lián)，詳細說明了蜂窩網(wǎng)絡接口的實現(xiàn)方法，介紹了系統(tǒng)的設置和PPP撥號腳本的實現(xiàn)，并提出了改進的基于信號強度的切換算法。該設備在實驗室環(huán)境下進行了測試，實現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡的相互連通、達到了預期的效果。本文設計的設備能廣泛應用于室內(nèi)外通信熱點地區(qū)，能有效改善通信質(zhì)量、節(jié)省開銷，具有一定的實用價值。

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