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摘要：传统切换算法不能适应多准则切换的要求，基于多准则切换算法的实现越来越重要，必须发展新的技术来提高切换算法的有效性，在用户满意度和网络效率间形成平衡。智能和优化切换算法对像集成自组网(Ad hoc)和蜂窝网络结构的混合网络具有很好的适应性和鲁棒性，能够根据未来混合网络中的各种业务类型的服务质量需求、网络状态以及移动节点条件等多种因素的变化进行自适应切换，可以运用这些智能优化算法来进行更加有效的切换判决，从而提高系统的性能。更进一步的研究方向是在集成Ad hoc和蜂窝网络的环境下，使用智能或优化技术设计垂直切换算法来提高系统整体性能。
关键词：切换；算法；自组网；蜂窝网络；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
蜂窝网络能够提供普遍的覆盖和高的移动性支持，而自组织(Ad hoc)可以在通信热点地区提供高的数据传输速率。因而蜂窝网络和Ad hoc被认为是两种互补的系统。将这两种网络相互融合可以提高各自的性能。通过Ad hoc中继，相当于延伸了蜂窝网的空中接口，从而扩展了蜂窝网的覆盖范围；由于可以通过多跳中继接入蜂窝网络，从而可以减小移动终端的发射功率；通过中继可以减小小区间和小区内的干扰，从而可以提高系统的容量，解决热点地区的负载均衡问题。图1显示了集成Ad hoc和移动蜂窝网络的一些场景。图1中的移动节点可以通过两跳中继的方法接入基站，场景1的移动节点通过中继可以减少发射功率，并且可以提高它的数据传送速率；而在场景2中处在死区覆盖范围的节点可以通过中继节点接入到基站中，从而延伸基站的覆盖范围，提高整个系统的稳定性和鲁棒性。
为了在Ad hoc和移动蜂窝网络这种集成环境中为用户提供一个透明和自配置的服务，需要解决一些特定的问题。
一个基本的问题是选择何种技术(或通信接口)为一个特定的应用开始一个连接的建立？另一个问题是何时转换一个运行中的连接从一个接口到另一个上(即垂直切换)。在支持Ad hoc方式的蜂窝移动通信系统中，切换问题是系统实现的关键技术之一。由于蜂窝网络和Ad hoc是两种不同类型的系统，在这种异类网络中进行切换比在一般的同类网络中切换要复杂得多，需要考虑移动节点在何时进行切换以及进行何种类型的切换等问题。移动用户的档案(例如价格、数据传输率、电池寿命、业务类型和移动模式等)和网络状态(例如信号强度、链路质量、可获得的带宽，拥塞状态等)可以用于帮助接入网的选择和切换。所以通过设计有效的切换算法，除了可以满足用户需求的目标以外，对于特定技术的选择或执行一个垂直切换的决定同样可以增强整个系统的性能或实现负载平衡的功能。
1 Ad Hoc与蜂窝网络融合的研究现状
随着移动通信技术的发展，网络正一步步向下一代移动因特网发展，即将蜂窝移动网络、Ad hoc、无线局域网(WLAN)等无线网络和有线因特网连接起来为用户提供“永远在线”、尽可能高速的数据速率以及动态的网络接入。Ad hoc网络和蜂窝网络相结合后的无线网络具有许多性能优势，因而也成为目前移动通信领域研究的热点之一。现阶段，对于无线网络融合的研究主要集中在任意两种网络的融合，主要的研究方向是蜂窝网络和WLAN及蜂窝网和Ad hoc的融合。其中，蜂窝网络和WLAN作为已经较成熟的网络是目前网络融合中比较常用的方式，而蜂窝网络和Ad hoc的融合由于Ad hoc的自组织和自维护性能受到了广泛的关注。目前，国内外的研究组织已经就Ad hoc网络(MANET)与蜂窝移动通信系统的结合问题开展了一些研究[1]。
随机驱动多址接入(ODMA)[2]是在第三代移动通信系统中引入自组织网络的一种尝试。由于信道的路径损耗，在蜂窝小区边界处只能支持相对较低的传输速率，ODMA通过无线传输的多跳中继能够将时分双工(TDD)系统的高速率覆盖扩展到小区边界，从而减少了传输功率和共信道干扰，增加系统容量和提高小区边界无线传输的有效性。文献[3]中提出了一种在蜂窝GSM系统中引入Ad hoc网络的A-GSM体系结构。在A-GSM系统中，通过增加中继功能来扩大系统的覆盖范围，从而有效地解决死区的问题，提高了系统的容量和对错误链路的鲁棒性。其基本思想类似于ODMA系统，所不同的是A-GSM支持移动节点在基站覆盖范围之外的通信，而ODMA不支持。Hongyi Wu等人在文献[4]提出了支持中继的蜂窝和自组织集成系统(iCAR)的体系结构，它是将蜂窝体系和Ad hoc中继技术集成来动态平衡负载的有效方式。iCAR系统在地理区域内有一组Ad hoc中继站(ARS)，移动节点和基站的信号由ARS传递。每个ARS具有两个空中接口，一个与基站通信(称为蜂窝接口)，一个与移动节点或其他ARS通信(称为中继接口)。iCAR系统使用ARS来平衡小区之间的流量负载，ARS能够将流量从一个过载的小区转移到一个没有拥塞的小区。Haiyun Luo等人在文献[5]中提出了融合蜂窝网和自组网的无线网络框架(UCAN)的混合网络结构。UCAN的基本目标是当在基站和移动节点之间的下行链路信号质量变差时，通过使用多跳路由来提高系统的吞吐量。系统使用了具有更好下行链路质量的代理节点来中继数据包到目的节点。在UCAN中每个用户终端都具备两个空中接口，使其既支持3G蜂窝链路也支持基于IEEE 802.11的点到点链路。文献[6]中提出的一种新型的系统：支持自组织中继的蜂窝系统(PARCEL)。它是一种在现有蜂窝系统中引入自组网转发方式的新型网络结构。它在综合自组网和蜂窝网各自优点的基础上，提出了一种在蜂窝网中引入自组网转发方式的网络结构。PARCEL的主要目的是均衡业务负载，并且避免小区拥塞。以解决目前在蜂窝网中出现的“热点”(Hot-spot)问题。
2 传统蜂窝网络的切换算法
在蜂窝网络中，当移动终端(MT)移开一个基站时，信号水平将会下降，并且需要切换到另一个基站上。切换是一种机制，将在移动节点和对应终端之间正在进行中的连接从一个连接点转移到另一个基站上[7]。在蜂窝网络中，连接点称为基站(BS)，在WLAN中，称为接入点(AP)。
切换算法可分为3个过程：切换发起、切换判决和切换执行。切换发起过程主要是指系统通过对信号强度等参数的测量，得出是否需要进行切换的决定；切换判决过程是指系统根据周围环境或用户选择的一些度量，通过一定的算法来判断选择哪一个网络作为切换的目标；切换执行过程主要是指系统在切换过程中的无线链路传输和对切换呼叫的信道分配。切换度量是所测量到的质量，它们给出一个是否需要切换的指示。在移动语音和移动数据网络中用于判断越区切换的各种度量标准[8]，包括：
(1)接收信号强度(RSS)、路径损耗、载干比(CIR)、信号干扰比(SIR)、误比特率(BER)、误块率(BLER)、误符号率(SER)、功率预算和小区分级都被用作度量标准，它们单独或联合用于特定的移动语音或数据网络中。
(2)为了避免“乒乓效应”，即由于从所有基站中所接收信号强度的快速波动而引起的在两个基站之间的来回切换，算法中使用了额外的参数，例如，滞后余量、停留计时器和平均窗口。额外的参数(当可以得到时)可以用来做出更加智能的判断。这种参数还包括了MT与接入点之间的距离、MS的速度、服务小区中的流量特性等等。
切换算法的性能[9]是由确定的性能测试结果决定的，在移动语音和数据网络中具有不同的性能指标：
(1)在移动语音网络有关的性能测试中，移动语音网络有关的性能包括呼叫阻塞概率、越区切换阻塞率、越区切换请求与执行之间的延时、呼叫中断概率等。越区切换率(每单位时间越区切换的次数)与“乒乓效应”有关，在算法设计上通常都使不必要的越区切换次数最小化。
(2)在移动数据网络的性能测试中，越区切换率的最小化是很重要的，但是还存在其他一些问题，包括吞吐量最大化、在越区切换过程和完成之后维持服务质量(QoS)的保证。
基于接收信号强度(RSS)的传统切换算法如图2所示，其中纵坐标代表移动节点从基站1(BS1)和基站2(BS2)所接收到的信号强度；横坐标代表切换的时间或移动节点从BS1到BS2的移动距离。两条曲线的交叉点代表了从两个基站所接收到的相同的信号。
(1)基于相对信号强度(RSS)，选择具有最强接收信号的BS。
(2)基于RSS和阈值。如果一个新的BS的RSS超过了当前BS的RSS，并且当前BS信号低于阈值T 时，才可以进行越区切换。在图2中相应的阈值和切换点为(T1，A)、(T2，B)和(T3，D)。
(3)基于RSS和滞后余量。如果一个新的BS的RSS大于旧的BS的RSS加上滞后余量之和(h )，就可以进行越区切换。在图2中相应的切换点为(C)。
(4)基于RSS、滞后余量和阈值。如果一个新的BS的RSS大于旧的BS的RSS加上滞后余量之和，并且当前BS信号强度低于阈值T时，才可以进行越区切换。在图2中相应的阈值和切换点为(T3，D)。
(5)基于算法和停留计时器。有时停留计时器用于其他一些算法中。当满足算法的条件时，计时器开始计时。如果在计时器到时期间，条件持续满足，才可以进行越区切换。
在传统切换算法中，由于切换是根据RSS大小进行基站选择的，这样会引发太多不必要的切换。因为如果当前的基站信号仍然足够强的时候，基于阈值的RSS切换算法允许用户在当前信号足够微弱(低于一个阈值)，并且另一个基站信号更强的时候进行切换，但是由于延迟会降低通信链路质量而导致呼叫丢失。此外，还会引起对同信道用户的干扰。基于滞后余量和阈值的RSS允许用户在新基站的信号强度足够大于当前基站时进行切换。这种方法阻止了所谓的“乒乓效应”。但是缺点和基于阈值的RSS切换算法相同，由于切换延迟较长而导致业务服务质量的下降。但是由于传统切换算法比较简单，实现起来比较容易，所以目前大部分的无线系统仍采用这些算法。
3 集成Ad Hoc与蜂窝网络系统的切换算法
目前，第四代移动通信系统(4G)虽然还没有形成统一的体系结构，但是它的基本设想基于全IP结构，是可以在多种接入方式中灵活切换的多网络融合系统。接入网可以采用多种协议(如MANET、IEEE 802.11、HIPERLAN2等)，并且终端可以在各个接入网之间实现无缝漫游和切换。在不同网络间的切换称为垂直切换。当不同的网络提供互相补充的服务时，作为一种选择，垂直切换可能会被触发(甚至在当前系统的链路质量还没有下降的情况下)。因此，需要更加智能的切换算法来判决应该进行何种类型的切换。
就像前面所提到的，在传统切换中的切换度量只考虑了信号强度和可获得的信道等信息。在4G系统中，以下新的度量被建议和信号强度测量结合起来使用[10-11]。
(1)业务类型：不同业务需要可靠性、延迟和数据率的各种组合。
(2)货币成本：成本对于用户来说是一个主要的考虑因素，由于不同网络采用不同的计费策略，会影响用户切换的选择。
(3)网络条件：网络相关参数，例如通信量，可获得的带宽，网络延迟和拥塞对于网络有效使用也许需要被考虑。使用网络信息进行切换的选择对于不同网络间的负载平衡、减轻某个系统的拥塞情况也有帮助。
(4)系统性能：为了保证系统性能，在切换判决中采用了各种参数。例如信道传播特性、路径损耗、信道间干扰、信噪比(SNR)和误比特率(BER)。此外，电池能量对某些用户而言也许是另一个重要的因素。
(5)移动节点条件：移动节点条件包括动态的因素，例如速度、移动模式、移动的历史记录和位置信息。
(6)用户喜好：对一种类型的系统和另一种相比较而言，用户喜好可以被用于迎合特殊的需求。
在蜂窝与WLAN集成网络中，由于WLAN能够提供较高的数据传输速率被用来与蜂窝网进行融合，作为蜂窝网在热点地区的高速数据传输网，为用户提供高速数据服务。蜂窝网络和WLAN相融合的主要系统是通用分组无线业务(GPRS)网与WLAN的融合以及通用移动通信系统(UMTS)与WLAN的融合。目前融合方案的重点主要放在路由、切换等方面。这种集成网络的切换主要发生在蜂窝基站和WLAN接入点覆盖的重叠范围内[12]。而在蜂窝与Ad hoc集成网络中，可以认为每个移动节点构成一个虚拟微微蜂窝，小区的半径为节点的信号传播范围，而每个移动节点相当于小区中的基站。因此，蜂窝与Ad hoc集成网络可以被认为是一个包含微蜂窝和许多虚拟“移动”微微蜂窝的平台。在蜂窝与Ad hoc集成网络中，移动节点具有两个空中接口，因此移动节点的切换就比单一的网络要复杂，它存在4种切换：
(1)不同蜂窝基站的切换；
(2)从蜂窝链路向Ad hoc中继链路切换；
(3)从Ad hoc中继链路向蜂窝链路切换；
(4)不同Ad hoc中继链路间切换。
其中不同蜂窝基站的切换和传统蜂窝系统的硬切换或软切换相同，而不同Ad hoc中继链路之间的切换和一般自组网中的路由算法相似。所以在集成蜂窝与Ad hoc中所特殊的两种切换为蜂窝链路与Ad hoc中继链路间的双向切换。
原理上，根据切换触发原因，切换可以分类为必要的和优化的切换。切换由于低的链路质量是必然然络般自组织形成统一的体系结构，但是它的基本设想是叫中断概率等等的，因为为了保持进行的连接，切换决定和执行必须要快速地执行。主要地，从接入点和邻居接入点测量到的接收信号强度(RSS)被用于切换决定，其他的标准同样可以使用，例如载干比、信号干扰比、误比特率等等。而通过切换提供给用户更好的性能或为了满足一个特定的偏好，可以被认为是优化切换。这些切换可以容忍更长的切换时延，并且可以细分为成QoS相关切换和认证、授权和计费(AAA)相关切换。例如，一个用户也许需要更多的带宽来加速数据传输，或一个更便宜的网络来减少业务成本。所以在集成蜂窝网络与Ad hoc中，垂直切换可以由下面两种原因而触发。
(1)必要切换
当移动节点在数据传输过程中由于和当前服务的基站之间的单跳或多跳路径发生中断，而被迫发生的切换。这种类型的切换可能是由于当前基站失效或节点的移动触发的，并且切换是在当前链路发生中断以后，新的链路建立之前发生的，所以属于硬切换类型。
(2)优化切换
当移动节点在数据传输过程中发现了另外一条更好的传输路径或系统为了获得负载平衡时，会发生优化切换。这种类型的切换可以提高每个移动节点链路的通信质量或通过负载平衡算法缓解热点小区的拥塞，并且切换也可以在链路中断之前，新的链路建立以后发生，所以既可以属于硬切换也可以属于软切换类型。
下面介绍集成结构中的3种混合切换算法，分别为基于信号强度的切换算法、基于链路质量的切换算法、基于负载平衡的切换算法。其中第一种切换算法属于必要切换，而后面两种算法属于优化切换。这3种切换算法分别应用于不同的集成网络结构中，用于提高特定系统的性能。
3.1 Ad Hoc与蜂窝网间基于信号强度的切换算法
在市区高密度建筑地区，移动节点也许与基站之间存在非视线路径(NLOS)，当移动终端拐过一个街角时，由于失去了和服务基站的视线路径(LOS)，移动节点所接收到的信号将严重下降(大约下降20～30 dB)。这就是街角效应(Corner effect)[13]。在这种情况下，如果切换不能执行得很快的话，呼叫可能会丢失。在文献[14]中使用了位置辅助的中继和切换算法，在这个系统中，移动节点被认为可以估计出它的地理位置并具有建立和附近节点直接连接的能力，从而形成一个临时的无线Ad hoc网络。移动节点的位置信息允许我们估计出每个节点的移动图，这个估计可以用来动态地调整滞后余量值，鼓励或阻碍切换。如果在节点和基站之间的链路质量下降到一定的阈值水平时，位置信息被用于选择最好的候选移动节点作为中继，并在最佳时间中继或切换到另一个基站上。仿真结果表明就呼叫中断率、激活组更新率和平均激活组数量而言，比为通用电信无线接入(UTRA)设计的软切换(SHO)算法有很大的性能提高。
在一些地区，任何通信系统都不能提供成功地呼叫通信，这些地区包括地铁站台、室内环境和地下室等地区。这被称为死区效应(Dead spot)。在文献[3]中，使用了基于信号阈值的切换算法。根据测量到的信号强度和设定阈值的比较，移动节点在蜂窝和Ad hoc网络之间切换，这样可以增强蜂窝网络的覆盖，减轻死区效应对系统的影响，并且通过降低发射功率可以增加系统容量和减少蜂窝之间的干扰。对不同模式的基于信号阈值切换算法如下：
(1)不同蜂窝基站的切换
服务基站的平均信号强度下降到阈值以下
邻居基站的平均信号强度超过阈值
(2)从蜂窝链路向Ad hoc中继链路切换
如果下列条件同时满足时，从蜂窝链路向Ad hoc中继链路切换将会执行。
服务基站的平均信号强度下降到阈值以下
邻居基站的平均信号强度没有超过阈值
邻居MT的平均信号强度超过阈值
(3)从Ad hoc中继链路向蜂窝链路切换
如果当MT周围基站的平均信号强度超过阈值时，从Ad hoc中继链路向蜂窝链路切换将会执行。
(4)不同Ad hoc中继链路之间的切换
如果下列条件同时满足时，不同Ad hoc中继链路之间的切换将会执行。
任何基站的平均信号强度没有超过阈值
中继服务MT的平均信号强度下降到阈值以下
邻居MT的平均信号强度超过阈值
切换判决算法如图3所示[3]。其中RSSBS_c和RSSBS_n分别是MT从当前服务基站和邻居基站所接收到的平均信号强度，RSSMT_c和RSSMT_n分别是MT从当前服务中继和邻居移动中继所接收到的平均信号强度。TCellular和TAdHoc分别是蜂窝网和Ad hoc网络的切换阈值。
3.2 Ad Hoc与蜂窝网间基于链路质量的切换算法
在基站覆盖范围内移动节点，可以通过多跳路由的方法提高系统的吞吐量。当基站与节点之间的下行信道质量低于特定的阈值时，节点便切换到Ad hoc模式下。系统通过寻找具有最好下行信道质量的代理主机将数据包中继到目的节点。UCAN使用高速数据速率(HDR)下行信道作为切换算法的度量标准。系统中每个移动节点都维护一个移动平均的下行信道速率，这个信道状态可以通过测量HDR下行链路的导频信号进行估计。移动平均可以滤除由于快衰落引起的信道状况高频率的变化，并且获得基于距离的慢衰落环境中的信号强度。如果目的节点的下行信道速率变差时(如低于38.6 kb/s)，节点通过切换到多跳模式上从而使得基站转送数据帧到一个具有最好信道速率的节点上(代理网关)，这些数据帧将通过高带宽的802.11b链路被进一步中继到中间节点，最后到达目的节点。
文献[15]同样使用了移动节点下行信道质量进行切换，决定算法的判决，从基站所接收的较差下行信道质量的节点可以使用两跳连接的方式获得较高的数据传输率。和UCAN不同的是，系统中的代理网关通过它的WLAN接口周期性地广播中继广告消息，消息中包含的信道状态信息(CSI)和带宽指示数值被用于决定是否建立一条直接蜂窝连接或一条两跳中继的连接。文献[15]提到了直接和两跳中继通信的功率消耗、终端的移动模式和应用的时间限制也可以作为切换决定算法的判决因素。
文献[16]介绍了在蜂窝码分多址接入(CDMA)系统中，通过引入带外多跳中继，可以显著地提高系统的容量。中继节点和移动节点之间的通信可以通过Ad hoc空中接口进行，从而不会消耗CDMA系统的容量。文献[16]介绍了3种动态中继节点的选择因素，分别是具有相对低的干扰中继(ARRI)、具有最好链路增益的中继(ARLG)和具有最短距离中继(ARSD)。其中ARRI和ARLG动态地跟踪当前CDMA链路质量。当移动节点发现当前直接链路的质量较低时，ARLG寻找与服务基站具有最好链路增益的中继节点进行切换，而使用ARRI度量的方法考虑了与服务基站的链路质量和对邻居小区的干扰状况的因素，ARSD则选择与服务基站距离最近的中继节点。仿真结果显示动态跟踪CDMA链路质量(ARRI和ARLG)的方法和基于距离的中继选择(ARSD)方法相比较，可以获得更高的系统容量。所以通过使用基于链路质量的切换算法，将移动节点从直接蜂窝通信切换到多跳中继通信模式，不仅提高了整个系统的容量和吞吐，而且扩大了基站的覆盖范围。
3.3 Ad Hoc与蜂窝网间基于负载平衡的切换算法
传统蜂窝网中的通信都要通过基站或接入点实现，但由于频率资源的有限性，就算建立更多的基站，拥塞问题仍然存在。当小区内移动用户超过负荷时就会发生拥塞，这种拥塞小区可以称之为“热点小区”。为了避免热点小区，一种解决方法是减小小区的范围，增加小区数量，使每个小区的用户数目下降，但这将需要建立大量基站来保证覆盖率，耗资巨大，同时基站的利用率很低。另外一个方法就是将Ad hoc网络模式引入蜂窝网。Ad hoc网络在吞吐量、延时和节省功率等方面都有较好的性能，缺点是不适合应用到广域网。因此将Ad hoc网与蜂窝网结合，利用两种网络各自的优点解决热点拥塞问题。
PARCEL系统使用了负载平衡算法，在当前小区发生严重拥塞之前，通过中继方式将流量从拥塞小区中继到邻居小区。系统中的基站周期性发送它的拥塞状态消息到所在小区中的移动节点，这个拥塞状态反映了所占用数据信道的比例。当移动节点接收到这个消息时，如果发现所在小区将要发生拥塞时，开始通过广播路由发现消息来寻找一条中继路由。当路由发现消息到达一个具有较多空闲信道小区的移动节点时，一个路由返回消息沿着反向路径传送回到源节点。在找到一些中继路由以后，进行查找的源节点通过计算中继期望数值选择最好的中继路由，这个中继期望数值是中继路由长度、节点的功率状和移动节点的移动模式的加权函数。最后源节点将所期望的路由发送到所在基站，基站然后选择其中的一些源节点通过中继的方式切换到邻居小区中，从而使得基站获得了负载平衡。
iCAR在蜂窝系统中引入了Ad hoc中继站(ARS)，使得当某个小区发生拥塞时，利用这些ARS，将拥塞小区的业务向没有拥塞的小区转移。当移动节点进入一个拥塞小区时，在节点上发起的新的呼叫或运行中的呼叫不会阻塞或丢失，而是将呼叫从蜂窝接口切换到Ad hoc接口，通过路由算法寻找小区中ARS来建立一条从本节点到邻居小区基站的路径，节点首先广播“路由查询”消息到所有邻居ARS来寻找一条到达非拥塞小区基站的中继路由，具有到达这些基站的ARS返回路由表中的信息到移动节点。节点然后选择一个最好的ARS作为代理，并发送“路由建立”消息到这个ARS。代理ARS根据路由信息中继“路由建立”消息最后到达网关ARS。网关ARS然后请求基站为它分配一个专用信道(DCH)，并且发送确认消息返回移动节点从而完成中继路由的建立。一旦移动节点收到确认，便切换到Ad hoc接口，并开始通过中继路由传送数据。
集成Ad hoc和蜂窝网络与一般的集成WLAN和蜂窝网络的切换方式不同在于当用户需要接入Internet时，前者可以通过切换到多跳方式而接入到基站，而后者只需要在基站和接入点之间直接进行一跳的切换。所以在集成Ad hoc和蜂窝网络的切换过程中，需要考虑路由算法对切换造成的影响。在大多数融合结构中使用了网关节点(GN)作为蜂窝基础结构和MANET结构之间的接口。当发生必要切换或优化切换时，网络必须为移动节点提供一些方法来发现GN以保持进行中的业务不会中断。基本的网关发现可以通过先应式和反应式方法执行，并且每个方法具有各自的优缺点。先应式方案一般提供了更加快速的响应时间，以更多地控制流量开销作为代价。而反应式发现可以减少控制流量的数量，但是不能获得同样的响应时间。先应式方法被用于A-GSM等结构中，在那里GN周期性地发送广告消息。在UCAN系统中，当移动节点需要多跳接入基站时才开始搜索网关，所以属于反应式方法。有两个不同的发现协议：一个是移动节点跟踪它邻居节点的下行传输速率来寻找一个网关；另一个是网关请求被传送直到一个候选网关被发现。
通过对上述切换算法和网关发现算法的分析，可以将目前所研究的集成网络切换方法进行分类，分类如表1所示。基于信号强度的切换算法主要用于解决死区和街角效应问题，虽然能扩展蜂窝系统的覆盖范围，提高整个系统的吞吐性能，但是它对系统中变化的传播环境、流量密度和用户的移动速度等参数缺乏自适应的能力，这样会引起网络间负载的不均衡，并可能导致服务质量的下降。由于流量转移可以缓解热点地区因容量饱和而造成的呼叫阻塞和切换中断，所以流量转移也是在蜂窝系统中引入自组网方式的一个重要原因。自组网的动态中继转发功能可以有效地调整热点地区的流量，实现流量的动态分配，从而提高热点地区的服务能力和服务质量。基于负载平衡的切换算法虽然可以将在拥塞小区中的节点通过多跳中继切换到非拥塞小区来达到小区间的负载平衡，但是它只是考虑了系统整体性能，而没有对单个移动节点的性能进行优化。并没有考虑别的切换度量对系统性能带来的影响。基于链路质量的切换算法主要用于高速下行数据业务。在数据传输速率降低时，移动节点切换到多跳传送模式，通过在信道质量更好的地方用网关节点接收数据，并通过高速的IEEE 802.11协议向客户端发送数据来实现高速的数据连接。虽然基于链路质量的切换算法可以提高在小区边缘的数据传输速率，但是没有考虑其他切换度量对系统性能带来的影响，所以可能导致系统性能的下降。所有3种切换算法都是各自不同的系统结构而设计的，并且只是简单地考虑了一种切换度量，而为了达到最佳的网络性能，需要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对切换算法造成的影响。
4 结束语
由于集成Ad hoc和蜂窝网络的独特结构，必须针对其特点设计专门的切换解决方案。
在集成Ad hoc和蜂窝网络中，有两种通信方式：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，就需要解决不同通信方式的切换问题。目前在集成Ad hoc和蜂窝网络中，对切换算法的研究还不多，主要借鉴了和在单一网络中使用的传统切换算法。但是这种借用传统算法的系统性能不是最优的，因为它不能克服传统算法中参数无法自适应变化的特点。在所提出的混合架构中的一般目标是增强用户的吞吐量和提高整个系统的性能，没有考虑在传输模式选择、路由处理或切换过程中应用的QoS需求。随着新的切换度量的开发，传统切换算法已经不能适应多准则切换性能的要求。而基于多准则切换算法的实现越来越重要，特别是在混合网络中，网络和用户交互的增加将增加切换时延。因此必须发展新的技术来提高切换算法的有效性，在用户满意度和网络效率间形成平衡。近来新出现了一些技术，例如基于神经网络、模糊逻辑系统、模式识别的智能技术和基于代价函数、模糊多属性决策的优化技术。由于智能和优化切换算法对像集成Ad hoc和蜂窝网络结构的混合网络具有很好的适应性和鲁棒性，并且能够根据未来混合网络中的各种业务类型的QoS需求、网络状态以及移动节点条件等多种因素的变化进行自适应切换，所以可以考虑运用这些智能和优化算法来进行更加有效的切换判决，从而进一步提高系统的性能。下一步研究方向是在集成Ad hoc和蜂窝网络的环境下，使用智能或优化技术设计一种垂直切换算法来提高系统的整体性能。
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收稿日期：2007-03-26
作者简介：
鲁蔚锋，南京邮电大学在读博士研究生，主要研究方向为无线混合网络的切换、路由算法。
吴蒙，南京邮电大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，IEEE会员，主要研究领域为无线通信、宽带接入网、信息安全及DSP技术在通信中的应用。
关键词：切换；算法；自组网；蜂窝网络；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
蜂窝网络能够提供普遍的覆盖和高的移动性支持，而自组织(Ad hoc)可以在通信热点地区提供高的数据传输速率。因而蜂窝网络和Ad hoc被认为是两种互补的系统。将这两种网络相互融合可以提高各自的性能。通过Ad hoc中继，相当于延伸了蜂窝网的空中接口，从而扩展了蜂窝网的覆盖范围；由于可以通过多跳中继接入蜂窝网络，从而可以减小移动终端的发射功率；通过中继可以减小小区间和小区内的干扰，从而可以提高系统的容量，解决热点地区的负载均衡问题。图1显示了集成Ad hoc和移动蜂窝网络的一些场景。图1中的移动节点可以通过两跳中继的方法接入基站，场景1的移动节点通过中继可以减少发射功率，并且可以提高它的数据传送速率；而在场景2中处在死区覆盖范围的节点可以通过中继节点接入到基站中，从而延伸基站的覆盖范围，提高整个系统的稳定性和鲁棒性。
为了在Ad hoc和移动蜂窝网络这种集成环境中为用户提供一个透明和自配置的服务，需要解决一些特定的问题。
一个基本的问题是选择何种技术(或通信接口)为一个特定的应用开始一个连接的建立？另一个问题是何时转换一个运行中的连接从一个接口到另一个上(即垂直切换)。在支持Ad hoc方式的蜂窝移动通信系统中，切换问题是系统实现的关键技术之一。由于蜂窝网络和Ad hoc是两种不同类型的系统，在这种异类网络中进行切换比在一般的同类网络中切换要复杂得多，需要考虑移动节点在何时进行切换以及进行何种类型的切换等问题。移动用户的档案(例如价格、数据传输率、电池寿命、业务类型和移动模式等)和网络状态(例如信号强度、链路质量、可获得的带宽，拥塞状态等)可以用于帮助接入网的选择和切换。所以通过设计有效的切换算法，除了可以满足用户需求的目标以外，对于特定技术的选择或执行一个垂直切换的决定同样可以增强整个系统的性能或实现负载平衡的功能。
1 Ad Hoc与蜂窝网络融合的研究现状
随着移动通信技术的发展，网络正一步步向下一代移动因特网发展，即将蜂窝移动网络、Ad hoc、无线局域网(WLAN)等无线网络和有线因特网连接起来为用户提供“永远在线”、尽可能高速的数据速率以及动态的网络接入。Ad hoc网络和蜂窝网络相结合后的无线网络具有许多性能优势，因而也成为目前移动通信领域研究的热点之一。现阶段，对于无线网络融合的研究主要集中在任意两种网络的融合，主要的研究方向是蜂窝网络和WLAN及蜂窝网和Ad hoc的融合。其中，蜂窝网络和WLAN作为已经较成熟的网络是目前网络融合中比较常用的方式，而蜂窝网络和Ad hoc的融合由于Ad hoc的自组织和自维护性能受到了广泛的关注。目前，国内外的研究组织已经就Ad hoc网络(MANET)与蜂窝移动通信系统的结合问题开展了一些研究[1]。
随机驱动多址接入(ODMA)[2]是在第三代移动通信系统中引入自组织网络的一种尝试。由于信道的路径损耗，在蜂窝小区边界处只能支持相对较低的传输速率，ODMA通过无线传输的多跳中继能够将时分双工(TDD)系统的高速率覆盖扩展到小区边界，从而减少了传输功率和共信道干扰，增加系统容量和提高小区边界无线传输的有效性。文献[3]中提出了一种在蜂窝GSM系统中引入Ad hoc网络的A-GSM体系结构。在A-GSM系统中，通过增加中继功能来扩大系统的覆盖范围，从而有效地解决死区的问题，提高了系统的容量和对错误链路的鲁棒性。其基本思想类似于ODMA系统，所不同的是A-GSM支持移动节点在基站覆盖范围之外的通信，而ODMA不支持。Hongyi Wu等人在文献[4]提出了支持中继的蜂窝和自组织集成系统(iCAR)的体系结构，它是将蜂窝体系和Ad hoc中继技术集成来动态平衡负载的有效方式。iCAR系统在地理区域内有一组Ad hoc中继站(ARS)，移动节点和基站的信号由ARS传递。每个ARS具有两个空中接口，一个与基站通信(称为蜂窝接口)，一个与移动节点或其他ARS通信(称为中继接口)。iCAR系统使用ARS来平衡小区之间的流量负载，ARS能够将流量从一个过载的小区转移到一个没有拥塞的小区。Haiyun Luo等人在文献[5]中提出了融合蜂窝网和自组网的无线网络框架(UCAN)的混合网络结构。UCAN的基本目标是当在基站和移动节点之间的下行链路信号质量变差时，通过使用多跳路由来提高系统的吞吐量。系统使用了具有更好下行链路质量的代理节点来中继数据包到目的节点。在UCAN中每个用户终端都具备两个空中接口，使其既支持3G蜂窝链路也支持基于IEEE 802.11的点到点链路。文献[6]中提出的一种新型的系统：支持自组织中继的蜂窝系统(PARCEL)。它是一种在现有蜂窝系统中引入自组网转发方式的新型网络结构。它在综合自组网和蜂窝网各自优点的基础上，提出了一种在蜂窝网中引入自组网转发方式的网络结构。PARCEL的主要目的是均衡业务负载，并且避免小区拥塞。以解决目前在蜂窝网中出现的“热点”(Hot-spot)问题。
2 传统蜂窝网络的切换算法
在蜂窝网络中，当移动终端(MT)移开一个基站时，信号水平将会下降，并且需要切换到另一个基站上。切换是一种机制，将在移动节点和对应终端之间正在进行中的连接从一个连接点转移到另一个基站上[7]。在蜂窝网络中，连接点称为基站(BS)，在WLAN中，称为接入点(AP)。
切换算法可分为3个过程：切换发起、切换判决和切换执行。切换发起过程主要是指系统通过对信号强度等参数的测量，得出是否需要进行切换的决定；切换判决过程是指系统根据周围环境或用户选择的一些度量，通过一定的算法来判断选择哪一个网络作为切换的目标；切换执行过程主要是指系统在切换过程中的无线链路传输和对切换呼叫的信道分配。切换度量是所测量到的质量，它们给出一个是否需要切换的指示。在移动语音和移动数据网络中用于判断越区切换的各种度量标准[8]，包括：
(1)接收信号强度(RSS)、路径损耗、载干比(CIR)、信号干扰比(SIR)、误比特率(BER)、误块率(BLER)、误符号率(SER)、功率预算和小区分级都被用作度量标准，它们单独或联合用于特定的移动语音或数据网络中。
(2)为了避免“乒乓效应”，即由于从所有基站中所接收信号强度的快速波动而引起的在两个基站之间的来回切换，算法中使用了额外的参数，例如，滞后余量、停留计时器和平均窗口。额外的参数(当可以得到时)可以用来做出更加智能的判断。这种参数还包括了MT与接入点之间的距离、MS的速度、服务小区中的流量特性等等。
切换算法的性能[9]是由确定的性能测试结果决定的，在移动语音和数据网络中具有不同的性能指标：
(1)在移动语音网络有关的性能测试中，移动语音网络有关的性能包括呼叫阻塞概率、越区切换阻塞率、越区切换请求与执行之间的延时、呼叫中断概率等。越区切换率(每单位时间越区切换的次数)与“乒乓效应”有关，在算法设计上通常都使不必要的越区切换次数最小化。
(2)在移动数据网络的性能测试中，越区切换率的最小化是很重要的，但是还存在其他一些问题，包括吞吐量最大化、在越区切换过程和完成之后维持服务质量(QoS)的保证。
基于接收信号强度(RSS)的传统切换算法如图2所示，其中纵坐标代表移动节点从基站1(BS1)和基站2(BS2)所接收到的信号强度；横坐标代表切换的时间或移动节点从BS1到BS2的移动距离。两条曲线的交叉点代表了从两个基站所接收到的相同的信号。
(1)基于相对信号强度(RSS)，选择具有最强接收信号的BS。
(2)基于RSS和阈值。如果一个新的BS的RSS超过了当前BS的RSS，并且当前BS信号低于阈值T 时，才可以进行越区切换。在图2中相应的阈值和切换点为(T1，A)、(T2，B)和(T3，D)。
(3)基于RSS和滞后余量。如果一个新的BS的RSS大于旧的BS的RSS加上滞后余量之和(h )，就可以进行越区切换。在图2中相应的切换点为(C)。
(4)基于RSS、滞后余量和阈值。如果一个新的BS的RSS大于旧的BS的RSS加上滞后余量之和，并且当前BS信号强度低于阈值T时，才可以进行越区切换。在图2中相应的阈值和切换点为(T3，D)。
(5)基于算法和停留计时器。有时停留计时器用于其他一些算法中。当满足算法的条件时，计时器开始计时。如果在计时器到时期间，条件持续满足，才可以进行越区切换。
在传统切换算法中，由于切换是根据RSS大小进行基站选择的，这样会引发太多不必要的切换。因为如果当前的基站信号仍然足够强的时候，基于阈值的RSS切换算法允许用户在当前信号足够微弱(低于一个阈值)，并且另一个基站信号更强的时候进行切换，但是由于延迟会降低通信链路质量而导致呼叫丢失。此外，还会引起对同信道用户的干扰。基于滞后余量和阈值的RSS允许用户在新基站的信号强度足够大于当前基站时进行切换。这种方法阻止了所谓的“乒乓效应”。但是缺点和基于阈值的RSS切换算法相同，由于切换延迟较长而导致业务服务质量的下降。但是由于传统切换算法比较简单，实现起来比较容易，所以目前大部分的无线系统仍采用这些算法。
3 集成Ad Hoc与蜂窝网络系统的切换算法
目前，第四代移动通信系统(4G)虽然还没有形成统一的体系结构，但是它的基本设想基于全IP结构，是可以在多种接入方式中灵活切换的多网络融合系统。接入网可以采用多种协议(如MANET、IEEE 802.11、HIPERLAN2等)，并且终端可以在各个接入网之间实现无缝漫游和切换。在不同网络间的切换称为垂直切换。当不同的网络提供互相补充的服务时，作为一种选择，垂直切换可能会被触发(甚至在当前系统的链路质量还没有下降的情况下)。因此，需要更加智能的切换算法来判决应该进行何种类型的切换。
就像前面所提到的，在传统切换中的切换度量只考虑了信号强度和可获得的信道等信息。在4G系统中，以下新的度量被建议和信号强度测量结合起来使用[10-11]。
(1)业务类型：不同业务需要可靠性、延迟和数据率的各种组合。
(2)货币成本：成本对于用户来说是一个主要的考虑因素，由于不同网络采用不同的计费策略，会影响用户切换的选择。
(3)网络条件：网络相关参数，例如通信量，可获得的带宽，网络延迟和拥塞对于网络有效使用也许需要被考虑。使用网络信息进行切换的选择对于不同网络间的负载平衡、减轻某个系统的拥塞情况也有帮助。
(4)系统性能：为了保证系统性能，在切换判决中采用了各种参数。例如信道传播特性、路径损耗、信道间干扰、信噪比(SNR)和误比特率(BER)。此外，电池能量对某些用户而言也许是另一个重要的因素。
(5)移动节点条件：移动节点条件包括动态的因素，例如速度、移动模式、移动的历史记录和位置信息。
(6)用户喜好：对一种类型的系统和另一种相比较而言，用户喜好可以被用于迎合特殊的需求。
在蜂窝与WLAN集成网络中，由于WLAN能够提供较高的数据传输速率被用来与蜂窝网进行融合，作为蜂窝网在热点地区的高速数据传输网，为用户提供高速数据服务。蜂窝网络和WLAN相融合的主要系统是通用分组无线业务(GPRS)网与WLAN的融合以及通用移动通信系统(UMTS)与WLAN的融合。目前融合方案的重点主要放在路由、切换等方面。这种集成网络的切换主要发生在蜂窝基站和WLAN接入点覆盖的重叠范围内[12]。而在蜂窝与Ad hoc集成网络中，可以认为每个移动节点构成一个虚拟微微蜂窝，小区的半径为节点的信号传播范围，而每个移动节点相当于小区中的基站。因此，蜂窝与Ad hoc集成网络可以被认为是一个包含微蜂窝和许多虚拟“移动”微微蜂窝的平台。在蜂窝与Ad hoc集成网络中，移动节点具有两个空中接口，因此移动节点的切换就比单一的网络要复杂，它存在4种切换：
(1)不同蜂窝基站的切换；
(2)从蜂窝链路向Ad hoc中继链路切换；
(3)从Ad hoc中继链路向蜂窝链路切换；
(4)不同Ad hoc中继链路间切换。
其中不同蜂窝基站的切换和传统蜂窝系统的硬切换或软切换相同，而不同Ad hoc中继链路之间的切换和一般自组网中的路由算法相似。所以在集成蜂窝与Ad hoc中所特殊的两种切换为蜂窝链路与Ad hoc中继链路间的双向切换。
原理上，根据切换触发原因，切换可以分类为必要的和优化的切换。切换由于低的链路质量是必然然络般自组织形成统一的体系结构，但是它的基本设想是叫中断概率等等的，因为为了保持进行的连接，切换决定和执行必须要快速地执行。主要地，从接入点和邻居接入点测量到的接收信号强度(RSS)被用于切换决定，其他的标准同样可以使用，例如载干比、信号干扰比、误比特率等等。而通过切换提供给用户更好的性能或为了满足一个特定的偏好，可以被认为是优化切换。这些切换可以容忍更长的切换时延，并且可以细分为成QoS相关切换和认证、授权和计费(AAA)相关切换。例如，一个用户也许需要更多的带宽来加速数据传输，或一个更便宜的网络来减少业务成本。所以在集成蜂窝网络与Ad hoc中，垂直切换可以由下面两种原因而触发。
(1)必要切换
当移动节点在数据传输过程中由于和当前服务的基站之间的单跳或多跳路径发生中断，而被迫发生的切换。这种类型的切换可能是由于当前基站失效或节点的移动触发的，并且切换是在当前链路发生中断以后，新的链路建立之前发生的，所以属于硬切换类型。
(2)优化切换
当移动节点在数据传输过程中发现了另外一条更好的传输路径或系统为了获得负载平衡时，会发生优化切换。这种类型的切换可以提高每个移动节点链路的通信质量或通过负载平衡算法缓解热点小区的拥塞，并且切换也可以在链路中断之前，新的链路建立以后发生，所以既可以属于硬切换也可以属于软切换类型。
下面介绍集成结构中的3种混合切换算法，分别为基于信号强度的切换算法、基于链路质量的切换算法、基于负载平衡的切换算法。其中第一种切换算法属于必要切换，而后面两种算法属于优化切换。这3种切换算法分别应用于不同的集成网络结构中，用于提高特定系统的性能。
3.1 Ad Hoc与蜂窝网间基于信号强度的切换算法
在市区高密度建筑地区，移动节点也许与基站之间存在非视线路径(NLOS)，当移动终端拐过一个街角时，由于失去了和服务基站的视线路径(LOS)，移动节点所接收到的信号将严重下降(大约下降20～30 dB)。这就是街角效应(Corner effect)[13]。在这种情况下，如果切换不能执行得很快的话，呼叫可能会丢失。在文献[14]中使用了位置辅助的中继和切换算法，在这个系统中，移动节点被认为可以估计出它的地理位置并具有建立和附近节点直接连接的能力，从而形成一个临时的无线Ad hoc网络。移动节点的位置信息允许我们估计出每个节点的移动图，这个估计可以用来动态地调整滞后余量值，鼓励或阻碍切换。如果在节点和基站之间的链路质量下降到一定的阈值水平时，位置信息被用于选择最好的候选移动节点作为中继，并在最佳时间中继或切换到另一个基站上。仿真结果表明就呼叫中断率、激活组更新率和平均激活组数量而言，比为通用电信无线接入(UTRA)设计的软切换(SHO)算法有很大的性能提高。
在一些地区，任何通信系统都不能提供成功地呼叫通信，这些地区包括地铁站台、室内环境和地下室等地区。这被称为死区效应(Dead spot)。在文献[3]中，使用了基于信号阈值的切换算法。根据测量到的信号强度和设定阈值的比较，移动节点在蜂窝和Ad hoc网络之间切换，这样可以增强蜂窝网络的覆盖，减轻死区效应对系统的影响，并且通过降低发射功率可以增加系统容量和减少蜂窝之间的干扰。对不同模式的基于信号阈值切换算法如下：
(1)不同蜂窝基站的切换
服务基站的平均信号强度下降到阈值以下
邻居基站的平均信号强度超过阈值
(2)从蜂窝链路向Ad hoc中继链路切换
如果下列条件同时满足时，从蜂窝链路向Ad hoc中继链路切换将会执行。
服务基站的平均信号强度下降到阈值以下
邻居基站的平均信号强度没有超过阈值
邻居MT的平均信号强度超过阈值
(3)从Ad hoc中继链路向蜂窝链路切换
如果当MT周围基站的平均信号强度超过阈值时，从Ad hoc中继链路向蜂窝链路切换将会执行。
(4)不同Ad hoc中继链路之间的切换
如果下列条件同时满足时，不同Ad hoc中继链路之间的切换将会执行。
任何基站的平均信号强度没有超过阈值
中继服务MT的平均信号强度下降到阈值以下
邻居MT的平均信号强度超过阈值
切换判决算法如图3所示[3]。其中RSSBS_c和RSSBS_n分别是MT从当前服务基站和邻居基站所接收到的平均信号强度，RSSMT_c和RSSMT_n分别是MT从当前服务中继和邻居移动中继所接收到的平均信号强度。TCellular和TAdHoc分别是蜂窝网和Ad hoc网络的切换阈值。
3.2 Ad Hoc与蜂窝网间基于链路质量的切换算法
在基站覆盖范围内移动节点，可以通过多跳路由的方法提高系统的吞吐量。当基站与节点之间的下行信道质量低于特定的阈值时，节点便切换到Ad hoc模式下。系统通过寻找具有最好下行信道质量的代理主机将数据包中继到目的节点。UCAN使用高速数据速率(HDR)下行信道作为切换算法的度量标准。系统中每个移动节点都维护一个移动平均的下行信道速率，这个信道状态可以通过测量HDR下行链路的导频信号进行估计。移动平均可以滤除由于快衰落引起的信道状况高频率的变化，并且获得基于距离的慢衰落环境中的信号强度。如果目的节点的下行信道速率变差时(如低于38.6 kb/s)，节点通过切换到多跳模式上从而使得基站转送数据帧到一个具有最好信道速率的节点上(代理网关)，这些数据帧将通过高带宽的802.11b链路被进一步中继到中间节点，最后到达目的节点。
文献[15]同样使用了移动节点下行信道质量进行切换，决定算法的判决，从基站所接收的较差下行信道质量的节点可以使用两跳连接的方式获得较高的数据传输率。和UCAN不同的是，系统中的代理网关通过它的WLAN接口周期性地广播中继广告消息，消息中包含的信道状态信息(CSI)和带宽指示数值被用于决定是否建立一条直接蜂窝连接或一条两跳中继的连接。文献[15]提到了直接和两跳中继通信的功率消耗、终端的移动模式和应用的时间限制也可以作为切换决定算法的判决因素。
文献[16]介绍了在蜂窝码分多址接入(CDMA)系统中，通过引入带外多跳中继，可以显著地提高系统的容量。中继节点和移动节点之间的通信可以通过Ad hoc空中接口进行，从而不会消耗CDMA系统的容量。文献[16]介绍了3种动态中继节点的选择因素，分别是具有相对低的干扰中继(ARRI)、具有最好链路增益的中继(ARLG)和具有最短距离中继(ARSD)。其中ARRI和ARLG动态地跟踪当前CDMA链路质量。当移动节点发现当前直接链路的质量较低时，ARLG寻找与服务基站具有最好链路增益的中继节点进行切换，而使用ARRI度量的方法考虑了与服务基站的链路质量和对邻居小区的干扰状况的因素，ARSD则选择与服务基站距离最近的中继节点。仿真结果显示动态跟踪CDMA链路质量(ARRI和ARLG)的方法和基于距离的中继选择(ARSD)方法相比较，可以获得更高的系统容量。所以通过使用基于链路质量的切换算法，将移动节点从直接蜂窝通信切换到多跳中继通信模式，不仅提高了整个系统的容量和吞吐，而且扩大了基站的覆盖范围。
3.3 Ad Hoc与蜂窝网间基于负载平衡的切换算法
传统蜂窝网中的通信都要通过基站或接入点实现，但由于频率资源的有限性，就算建立更多的基站，拥塞问题仍然存在。当小区内移动用户超过负荷时就会发生拥塞，这种拥塞小区可以称之为“热点小区”。为了避免热点小区，一种解决方法是减小小区的范围，增加小区数量，使每个小区的用户数目下降，但这将需要建立大量基站来保证覆盖率，耗资巨大，同时基站的利用率很低。另外一个方法就是将Ad hoc网络模式引入蜂窝网。Ad hoc网络在吞吐量、延时和节省功率等方面都有较好的性能，缺点是不适合应用到广域网。因此将Ad hoc网与蜂窝网结合，利用两种网络各自的优点解决热点拥塞问题。
PARCEL系统使用了负载平衡算法，在当前小区发生严重拥塞之前，通过中继方式将流量从拥塞小区中继到邻居小区。系统中的基站周期性发送它的拥塞状态消息到所在小区中的移动节点，这个拥塞状态反映了所占用数据信道的比例。当移动节点接收到这个消息时，如果发现所在小区将要发生拥塞时，开始通过广播路由发现消息来寻找一条中继路由。当路由发现消息到达一个具有较多空闲信道小区的移动节点时，一个路由返回消息沿着反向路径传送回到源节点。在找到一些中继路由以后，进行查找的源节点通过计算中继期望数值选择最好的中继路由，这个中继期望数值是中继路由长度、节点的功率状和移动节点的移动模式的加权函数。最后源节点将所期望的路由发送到所在基站，基站然后选择其中的一些源节点通过中继的方式切换到邻居小区中，从而使得基站获得了负载平衡。
iCAR在蜂窝系统中引入了Ad hoc中继站(ARS)，使得当某个小区发生拥塞时，利用这些ARS，将拥塞小区的业务向没有拥塞的小区转移。当移动节点进入一个拥塞小区时，在节点上发起的新的呼叫或运行中的呼叫不会阻塞或丢失，而是将呼叫从蜂窝接口切换到Ad hoc接口，通过路由算法寻找小区中ARS来建立一条从本节点到邻居小区基站的路径，节点首先广播“路由查询”消息到所有邻居ARS来寻找一条到达非拥塞小区基站的中继路由，具有到达这些基站的ARS返回路由表中的信息到移动节点。节点然后选择一个最好的ARS作为代理，并发送“路由建立”消息到这个ARS。代理ARS根据路由信息中继“路由建立”消息最后到达网关ARS。网关ARS然后请求基站为它分配一个专用信道(DCH)，并且发送确认消息返回移动节点从而完成中继路由的建立。一旦移动节点收到确认，便切换到Ad hoc接口，并开始通过中继路由传送数据。
集成Ad hoc和蜂窝网络与一般的集成WLAN和蜂窝网络的切换方式不同在于当用户需要接入Internet时，前者可以通过切换到多跳方式而接入到基站，而后者只需要在基站和接入点之间直接进行一跳的切换。所以在集成Ad hoc和蜂窝网络的切换过程中，需要考虑路由算法对切换造成的影响。在大多数融合结构中使用了网关节点(GN)作为蜂窝基础结构和MANET结构之间的接口。当发生必要切换或优化切换时，网络必须为移动节点提供一些方法来发现GN以保持进行中的业务不会中断。基本的网关发现可以通过先应式和反应式方法执行，并且每个方法具有各自的优缺点。先应式方案一般提供了更加快速的响应时间，以更多地控制流量开销作为代价。而反应式发现可以减少控制流量的数量，但是不能获得同样的响应时间。先应式方法被用于A-GSM等结构中，在那里GN周期性地发送广告消息。在UCAN系统中，当移动节点需要多跳接入基站时才开始搜索网关，所以属于反应式方法。有两个不同的发现协议：一个是移动节点跟踪它邻居节点的下行传输速率来寻找一个网关；另一个是网关请求被传送直到一个候选网关被发现。
通过对上述切换算法和网关发现算法的分析，可以将目前所研究的集成网络切换方法进行分类，分类如表1所示。基于信号强度的切换算法主要用于解决死区和街角效应问题，虽然能扩展蜂窝系统的覆盖范围，提高整个系统的吞吐性能，但是它对系统中变化的传播环境、流量密度和用户的移动速度等参数缺乏自适应的能力，这样会引起网络间负载的不均衡，并可能导致服务质量的下降。由于流量转移可以缓解热点地区因容量饱和而造成的呼叫阻塞和切换中断，所以流量转移也是在蜂窝系统中引入自组网方式的一个重要原因。自组网的动态中继转发功能可以有效地调整热点地区的流量，实现流量的动态分配，从而提高热点地区的服务能力和服务质量。基于负载平衡的切换算法虽然可以将在拥塞小区中的节点通过多跳中继切换到非拥塞小区来达到小区间的负载平衡，但是它只是考虑了系统整体性能，而没有对单个移动节点的性能进行优化。并没有考虑别的切换度量对系统性能带来的影响。基于链路质量的切换算法主要用于高速下行数据业务。在数据传输速率降低时，移动节点切换到多跳传送模式，通过在信道质量更好的地方用网关节点接收数据，并通过高速的IEEE 802.11协议向客户端发送数据来实现高速的数据连接。虽然基于链路质量的切换算法可以提高在小区边缘的数据传输速率，但是没有考虑其他切换度量对系统性能带来的影响，所以可能导致系统性能的下降。所有3种切换算法都是各自不同的系统结构而设计的，并且只是简单地考虑了一种切换度量，而为了达到最佳的网络性能，需要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对切换算法造成的影响。
4 结束语
由于集成Ad hoc和蜂窝网络的独特结构，必须针对其特点设计专门的切换解决方案。
在集成Ad hoc和蜂窝网络中，有两种通信方式：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，就需要解决不同通信方式的切换问题。目前在集成Ad hoc和蜂窝网络中，对切换算法的研究还不多，主要借鉴了和在单一网络中使用的传统切换算法。但是这种借用传统算法的系统性能不是最优的，因为它不能克服传统算法中参数无法自适应变化的特点。在所提出的混合架构中的一般目标是增强用户的吞吐量和提高整个系统的性能，没有考虑在传输模式选择、路由处理或切换过程中应用的QoS需求。随着新的切换度量的开发，传统切换算法已经不能适应多准则切换性能的要求。而基于多准则切换算法的实现越来越重要，特别是在混合网络中，网络和用户交互的增加将增加切换时延。因此必须发展新的技术来提高切换算法的有效性，在用户满意度和网络效率间形成平衡。近来新出现了一些技术，例如基于神经网络、模糊逻辑系统、模式识别的智能技术和基于代价函数、模糊多属性决策的优化技术。由于智能和优化切换算法对像集成Ad hoc和蜂窝网络结构的混合网络具有很好的适应性和鲁棒性，并且能够根据未来混合网络中的各种业务类型的QoS需求、网络状态以及移动节点条件等多种因素的变化进行自适应切换，所以可以考虑运用这些智能和优化算法来进行更加有效的切换判决，从而进一步提高系统的性能。下一步研究方向是在集成Ad hoc和蜂窝网络的环境下，使用智能或优化技术设计一种垂直切换算法来提高系统的整体性能。
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收稿日期：2007-03-26
作者简介：
鲁蔚锋，南京邮电大学在读博士研究生，主要研究方向为无线混合网络的切换、路由算法。
吴蒙，南京邮电大学通信与信息工程学院教授、博士生导师，IEEE会员，主要研究领域为无线通信、宽带接入网、信息安全及DSP技术在通信中的应用。