異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由策略研究綜述

邵國強 韓冬梅 程曉旭 賈美娟 張百順

摘要： 異構(gòu)無線網(wǎng)絡能夠利用各種網(wǎng)絡的鏈路迅速建立連接、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，在軍事、水災、火災、地震等重大災害上具有重要的應用價值。因此，設計一種能夠提高數(shù)據(jù)發(fā)送效率和網(wǎng)絡抗毀性的異構(gòu)無線網(wǎng)絡自適應路由策略具有重要意義。首先介紹了無線局域網(wǎng)、無線蜂窩網(wǎng)絡、自組網(wǎng)、延遲容忍網(wǎng)絡等各種無線網(wǎng)絡的特點；然后對各種異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由進行分類并闡述；最后總結(jié)現(xiàn)有異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由的不足，并對未來研究工作進行了展望。

關鍵詞： 異構(gòu)無線網(wǎng)絡； 路由； 間歇性連接； 延遲容忍網(wǎng)絡

中圖分類號：TP311

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）04-0034-03

0引言

隨著無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network， WLAN）、無線蜂窩網(wǎng)絡、自組網(wǎng)（Ad Hoc Network）、延遲容忍網(wǎng)絡（Delay Tolerant Networks， DTN）[1]等無線網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，未來的無線網(wǎng)絡是多種技術、多種網(wǎng)絡互相融合所形成的具有多種接入方式、提供多種服務質(zhì)量要求的異構(gòu)無線網(wǎng)絡的聯(lián)合體。設計一種整合各種無線網(wǎng)絡且能夠滿足不同應用程序服務質(zhì)量（Quality of Service， QoS）需求的自適應路由策略成為未來無線網(wǎng)絡的研究熱點。每種網(wǎng)絡都有自己的特點，WLAN高帶寬、低成本，訪問點（Access Point， AP）節(jié)點性能高，無線蜂窩網(wǎng)通訊范圍大，基站（Base Station， BS）節(jié)點性能高，但這2種網(wǎng)絡都存在組網(wǎng)不靈活的缺點；Ad Hoc網(wǎng)節(jié)點移動性強、組網(wǎng)靈活，但是在鏈路中斷時無法傳送數(shù)據(jù)；DTN網(wǎng)能在長時延、頻繁中斷的鏈路上傳送數(shù)據(jù)。異構(gòu)無線網(wǎng)絡能夠融合WLAN、無線蜂窩網(wǎng)、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)等多種網(wǎng)絡技術，使人們能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理，極大地改變?nèi)藗兊纳罘绞胶凸ぷ鞣绞?，并且在網(wǎng)絡遭受破壞、單一網(wǎng)絡無法提供數(shù)據(jù)傳遞時，能夠綜合利用各種網(wǎng)絡的鏈路迅速建立連接、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，增強網(wǎng)絡的抗毀性，在軍事、水災、火災、地震等重大災害上具有重要的應用價值。因此，設計一種能夠提高數(shù)據(jù)發(fā)送成功率和網(wǎng)絡抗毀性的異構(gòu)無線網(wǎng)絡自適應路由策略具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者已經(jīng)針對WLAN、無線蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)組成的異構(gòu)無線網(wǎng)絡的路由策略展開了大量的研究。按照網(wǎng)絡是否連通，路由策略可以分為連通的異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由和間歇性連接的異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由。其中，連通異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由在網(wǎng)絡中斷時無法傳遞數(shù)據(jù)，而間歇性連接的異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由則可以在網(wǎng)絡中斷情況下有效傳遞數(shù)據(jù)。本文將各自對其給出如下研究闡釋。

1連通的異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由

文獻[2]提出了WLAN、Ad Hoc網(wǎng)的融合方案，當移動節(jié)點和AP節(jié)點連接失敗時，采用Ad Hoc網(wǎng)絡的多跳路由策略進行連接。文獻[3]在蜂窩網(wǎng)中引入Ad Hoc模式，允許雙模節(jié)點以Ad Hoc模式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，提高了蜂窩網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送效率。文獻[4-5]論述了一種綜合考慮WLAN、3G蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)的路由策略，但AP/BS節(jié)點范圍外的移動節(jié)點之間無法實現(xiàn)路由。文獻[6]針對WLAN、3G蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)組成的異構(gòu)無線網(wǎng)絡提出了一種綜合利用AP/BS節(jié)點、Ad Hoc多跳路由策略等所有鏈接可能來構(gòu)建端到端移動節(jié)點之間連接的路由策略，但在網(wǎng)絡鏈路存在間歇性連接時無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

目前，國內(nèi)學者一般只是針對各種無線網(wǎng)絡與Internet互聯(lián)以及兩兩無線網(wǎng)絡互聯(lián)的異構(gòu)無線網(wǎng)絡的路由策略進行研究，而并未對WLAN、無線蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)組成的間歇性連接異構(gòu)無線網(wǎng)絡的路由策略有效涉及深度探討。此后，文獻[7-8]又分析研發(fā)了Ad Hoc網(wǎng)接入Internet的動態(tài)網(wǎng)關布局及選擇策略，實現(xiàn)了Ad Hoc網(wǎng)與Internet的互聯(lián)。文獻[9]研究了一種集成無線蜂窩網(wǎng)絡和Ad Hoc網(wǎng)絡的路由策略，將Ad Hoc網(wǎng)絡的中繼功能加入到傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的性能。另外，文獻[10]則針對集成無線蜂窩網(wǎng)絡和Ad Hoc網(wǎng)絡的互聯(lián)方案，提出了一種基于模糊多目標決策方法的路由選擇策略，該策略在路由選擇時考慮了時延、丟包率、能量、成本等因素。進一步地，文獻[11]即圍繞衛(wèi)星網(wǎng)絡和Ad Hoc網(wǎng)絡的互聯(lián)問題，設計了相應的互聯(lián)路由協(xié)議，提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡的性能。

2間歇性連接的異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由

文獻[12]針對MANET和DTN混合網(wǎng)，全面研發(fā)構(gòu)建了一種簡單的混合路由策略DT-DYMO，該策略首先基于AODV的RREQ消息查找連通區(qū)域內(nèi)的目的節(jié)點，若找到直接使用AODV發(fā)送消息，否則將消息發(fā)送給RREQ查找過程中發(fā)現(xiàn)的DTN節(jié)點，由該節(jié)點“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”消息。文獻[13]提出了一種基于分組的混合路由協(xié)議HYMAD，該路由將移動節(jié)點分成多個組，在組內(nèi)使用MANET中的距離矢量路由發(fā)送消息，在組間則采用DTN的Spray-and-Wait路由。文獻[14]針對Ad Hoc網(wǎng)和DTN網(wǎng)設計了一種路由協(xié)議，當存在到達目的節(jié)點的端到端路徑時，使用常規(guī)路由協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)報文；當不存在端到端路徑時，節(jié)點通過綜合主機位置、主機移動模式、能量等上下文信息選擇下一跳節(jié)點來“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”數(shù)據(jù)，但同樣沒有考慮WLAN和無線蜂窩網(wǎng)絡。文獻[15]則基于WLAN、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)組成的具有不同連接特性的異構(gòu)無線網(wǎng)絡而定制設計了一種根據(jù)鏈路時延情況而對數(shù)據(jù)進行復制的自適應路由協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡中斷時的數(shù)據(jù)發(fā)送，但沒有充分利用高性能、高可靠的AP節(jié)點來參與路由，性能也未臻至優(yōu)良。文獻[16-17]針對WLAN和Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)組成的存在間歇性連接的異構(gòu)無線網(wǎng)絡提出了一個MeDeHa架構(gòu)。MeDeHa架構(gòu)在移動節(jié)點之間鏈路性能好、無中斷時，采用常規(guī)的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略發(fā)送數(shù)據(jù)；在鏈路存在長時延、間歇性連接時，采用“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”策略來優(yōu)勢支持數(shù)據(jù)發(fā)送，并且利用了高性能的AP節(jié)點進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲，提高了數(shù)據(jù)發(fā)送成功率。文獻[18-19]重點論述了WLAN、3G蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)互聯(lián)起來的異構(gòu)無線網(wǎng)絡的路由問題，為能在間歇性連接的網(wǎng)絡成功發(fā)送數(shù)據(jù)提出了基于超級節(jié)點的架構(gòu)，由超級節(jié)點來臨時存儲源節(jié)點的數(shù)據(jù)，當目的節(jié)點和超級節(jié)點能夠連接時，由超級節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點，從而提高數(shù)據(jù)的發(fā)送成功率。文獻[20]則從WLAN、蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)互聯(lián)起來的間歇性連接異構(gòu)無線網(wǎng)絡的研究出發(fā)，通過部署邊界服務器來實現(xiàn)“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”功能，從而提高數(shù)據(jù)的發(fā)送成功率，但沒有充分利用高性能、高可靠的AP節(jié)點來參與路由。文獻[21]針對普通Ad Hoc網(wǎng)和具有間歇性連接特點的DTN網(wǎng)設計了一種基于聲譽策略的可信路由協(xié)議，可以解決黑洞攻擊問題，但沒有考慮WLAN和無線蜂窩網(wǎng)絡。endprint

目前，國內(nèi)學者也陸續(xù)轉(zhuǎn)向了間歇性連接的異構(gòu)無線網(wǎng)絡路由的分析研究并提出了一些策略。如文獻[22-23]針對普通Ad Hoc網(wǎng)和DTN 網(wǎng)絡組成的具有間歇性連接特點的異構(gòu)無線網(wǎng)絡，利用分而治之的思想，提出了一種將Ad Hoc網(wǎng)的AODV 路由協(xié)議和DTN網(wǎng)中的Spray and Wait路由協(xié)議相融合的路由方案，使得網(wǎng)絡規(guī)模擴大時性能保持相對穩(wěn)定，提高了網(wǎng)絡的抗毀性。文獻[24]即專就Ad Hoc網(wǎng)和DTN網(wǎng)組成的異構(gòu)無線網(wǎng)絡提出了一種基于穩(wěn)定閉域的混合路由策略，在穩(wěn)定閉域內(nèi)使用AODV路由協(xié)議提高路由轉(zhuǎn)發(fā)的效率，當數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到閉域邊界后，將轉(zhuǎn)換為改進的Prophet路由繼續(xù)在非連通區(qū)域內(nèi)尋路。針對間歇性連接的移動網(wǎng)絡環(huán)境，文獻[25]提出了一種新的DTN路由協(xié)議IEDR。IEDR在網(wǎng)絡中斷時利用節(jié)點間相遇的機會交換數(shù)據(jù)，并將無線接入點AP作為輔助數(shù)據(jù)傳播的有效途徑，擴大網(wǎng)絡連通范圍。文獻[26]則基于當下的車載自組網(wǎng)（Vehicular Ad Hoc Network， VANET）同樣設計了一種結(jié)合AODV協(xié)議和DTN的“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”策略的按需路由協(xié)議DT-AODV來提高數(shù)據(jù)傳遞率。

3結(jié)束語

目前，國內(nèi)外對WLAN、無線蜂窩網(wǎng)絡、Ad Hoc網(wǎng)、DTN網(wǎng)組成的具有間歇性連接特點的異構(gòu)無線網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)布了一定的研究成果，但其中設計的路由策略不能充分利用各種網(wǎng)絡特點來求得有效的路由發(fā)現(xiàn)，當網(wǎng)絡中存在大量自私節(jié)點和惡意節(jié)點時，無法根據(jù)應用程序QoS需求有效地選擇路由。因此針對間歇性連接的異構(gòu)無線網(wǎng)絡，研究結(jié)合WLAN的AP節(jié)點和無線蜂窩網(wǎng)絡BS節(jié)點的高性能、Ad Hoc網(wǎng)絡組網(wǎng)靈活以及DTN網(wǎng)能夠在間歇性連接鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)的特點來實現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn)，當存在自私節(jié)點和惡意節(jié)點時對節(jié)點可信度進行評估，并根據(jù)應用程序QoS需求提供路由選擇的自適應路由策略，具有重要的理論和實際意義。

參考文獻：

[1] 李向群，劉立祥，胡曉惠，等. 延遲/中斷可容忍網(wǎng)絡研究進展[J]. 計算機研究與發(fā)展， 2009，46（8）：1270-1277.

[2] CHANG R S， CHEN W Y， WEN Y F. Hybrid wireless network protocols[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2003，52（4）：1099-1109.

[3] LO A， ZHOU J L， NIEMEGEERS I. Beyond 3G Cellular Multitop Networks[C]// First International Conference on Communications & Networking in China. Beijing： IEEE， 2006：1-4.

[4] LUO H， RAMJEE R， SICHA P， et al. UCAN： A unified cellular and AdHoc network architecture[C]//Proceedings of the 9th annual international conference on Mobile computing and networking. San Diego， CA， USA： ACM， 2003：353-367.

[5] WEI H Y， GITLIN R D. Twohoprelay architecture for nextgeneration WWAN/WLAN integration[J]. IEEE Wireless Communications，2004，11（2）：24-30.

[6] [JP3]CAVALCANTI D， CORDEIRO C M， KUMAR A， et al. Selfadaptive[JP] routing protocols for integrating cellular networks， WLANS and MANETs[J]. Journal of Wireless Communications and Mobile Computing，2007，7（3）：375-397.

[7] 趙金華， 劉宏偉， 宋遠駿，等. 移動自組網(wǎng)與 Internet互連的動態(tài)網(wǎng)關策略[J]. 電子學報，2006，34（1）：5-10，18.

[8] 李昕，李喆. 基于MANET接入Internet的動態(tài)網(wǎng)關布局與選取規(guī)劃模型[J]. 電子學報， 2009，37（4）： 726-732.

[9] 魯蔚鋒， 吳蒙. 盲區(qū)環(huán)境下集成移動蜂窩和 Ad Hoc 網(wǎng)絡的系統(tǒng)性能分析[J]. 通信學報， 2007， 28（7）：70-79.

[10]魯蔚鋒， 吳蒙. 基于模糊多目標決策的兩跳中繼蜂窩網(wǎng)絡切換算法[J]. 計算機工程與應用， 2007， 43（34）：144-149，203.

[11]汪小燕， 王浩， 董燕，等. 引入Ad Hoc 方式的LEO 衛(wèi)星終端雙模組網(wǎng)模型及性能分析[J]. 通信學報， 2006，27（8）： 139-143.

[12]KRETSCHMER C， RHRUP S， SCHINDELHAUER C. DT0DYMO： Delaytolerant dynamic MANET ondemand routing [C]//the 29th IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops. Montreal， Quebec， Canada： IEEE， 2009：493-498.endprint

[13]WHITBECKJ， CONAN V. HYMAD：Hybrid DTNMANET routing for dense and highly dynamic wireless networks[J]. Computer Communications，2010，33（13）： 1483-1492.

[14]MUSOLESI M， MASCOLO C. CAR： Contextaware adaptive routing for delay-tolerant mobile networks[J]. IEEE Transactions on Mobile Computing，2009， 8（2）：246-260.

[15]TIE Xiaozheng， VENKATARAMANI A， BALASUBRAMANIAN A. R3： Robust replication routing in wireless networks with diverse connectivity characteristics[C]//MobiCom '11 Proceedings of the 17th annual international conference on Mobile computing and networking. Las Vegas， Nevada， USA： ACM， 2011：181-192.

[16]RAIS R N B， TURLETTI T， OBRACZKA K. Coping with episodic connectivity in heterogeneous networks[C]//Proc. of the 11th International Symposium on Modeling， Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems （MSWiM）.Vancouver， British Columbia， Canada： ACM，2008 ： 211-219.

[17]RAIS R N， TURLETTI T， OBRACZKA K. Message delivery in heterogeneous networks prone to episodic connectivity[J]. Wireless Networks，2011，17（8）： 1775-1794.

[18]SAMUEL H， ZHUANG W， PREISS B. Routing over interconnected heterogeneous wireless networks with intermittent connections[C]// IEEE International Conference on Communications（ICC '08）. Beijing， China： IEEE， 2008： 2282-2286.

[19]SAMUEL H， ZHUANG W， PREISS B. DTN based dominating set routing for MANET in heterogeneous wireless networking[J]. Mobile Networks and Applications， 2009，14（2）：154-164.

[20]HUANG C J， CHEN H M， LIN C F， et al. A scalable routing for delaytolerant heterogeneous networks[J]. International Journal of Innovative Computing Information & Control Ijicic，2012， 8（1）： 49-59.

[21]DINI G， DUCA A L.Towards a reputationbased routing protocol to contrast blackholes in a delay tolerant network[J]. Ad Hoc Networks， 2012，10（7）：1167-1178.

[22]馬馳， 張宏， 劉鳳玉. 一種針對大規(guī)模MANET網(wǎng)絡的融合路由策略[J]. 計算機科學， 2011，38（6）： 96-100.

[23]馬馳， 孟錦， 張宏. 抗毀的混合移動自組織網(wǎng)路由策略[J]. 計算機應用， 2011，31（11）： 2883-2890.

[24]李陟，姜怡，李千目，等. 基于穩(wěn)定閉域的異構(gòu)無線網(wǎng)絡混合路由策略[J]. 通信學報， 2012，33 （9）：95-104.

[25]ZHEN Yu，XU Jingdong， ZHANG Jianzhong， et al.IEDR： An infrastructure enhanced DTN routing protocol[J]. Journal on Communications，2013，34（8）：44-52.

[26]ZHU Dongjie， CUI Gang， FU Zhongchuan. DTAODV： An ondemand routing protocol based DTN in VANET[J]. Applied Mathematics & Information Sciences， 2014，8（6）：2955-2963.endprint