融合Ad－hoc和蜂窩網絡的中繼設備設計

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

0 引 言

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

Ad－hoc網絡具有高度靈活性、自組織性、分布式控制、動態網絡拓撲等特點，是目前移動通信領域研究的一大熱點。有學者提出，Ad－hoc網絡具有許多移動蜂窩網絡不具備的優點，將其應用到蜂窩網絡，能較好地彌補蜂窩網絡的缺陷，如彌補覆蓋缺陷、實現流量的動態合理分配、形成局域子網傳輸局部業務等，是目前移動通信網絡發展的趨勢［1］。

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

1 Ad－hoc和GSM蜂窩網絡融合系統模型

iCAR （integrated cellular and Ad－hoc 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絡系統［2］，將傳統蜂窩移動通信網和Ad－hoc轉發技術相結合，解決蜂窩移動通信系統中由于負載不均衡導致的擁塞問題的系統。iCAR系統通過使用Ad－hoc中繼節點（Ad hoe relay station，ARS）將負載從一個小區動態轉移到其它小區，有效地平衡小區間的負載，不僅增加了系統的容量，還可以減少移動節點的發送功率，并且擴大了系統的覆蓋范圍。系統原理如圖1所示。

圖1 iCAR系統原理

如圖1所示，處于熱點小區 （BTS1）中的移動主機MHX在小區信道擁塞 （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BTS建立通信鏈路，從而使用相鄰小區的空閑信道。如果X和X’在同一小區，則可直接通過小區內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－hoc網絡的 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關，同時使用C接口和R接口并且要占用基站的數據信道，而與MH或者其它ARS通信的可以看作中繼器，只使用R接口。在此系統中，移動主機也可以為別的節點進行中繼，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

由以上分析可知，在iCAR系統中要求移動終端是雙模的，既要有接入GSM網絡的C接口也要有接入Ad－hoc網絡的R接口。而目前移動手機技術已經非常成熟，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協議，即同時擁有C接口和R接口，為iCAR系統的實現提供了良好的條件。

在本文的研究中，Ad－hoc網絡采用基于802.11b/g協議的無線 Wi－Fi技術［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 中繼節點（ARS）實現

3.1 中繼節點硬件實現

中繼節點ARS同樣需要擁有同時接入GSM網絡的C接口和接入Ad－hoc網絡的R接口，而且必須有同時作為Ad－hoc中繼器和網橋的雙重功能，還需要實現對接口的選擇進行切換控制、數據協議轉換、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，只有鑒權成功的終端才可以通過ARS訪問相應的網絡。

ARS的硬件結構如圖2所示。

圖2 ARS硬件結構

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絡的控制設備［5］。

GSM接口 （C接口）的硬件實現采用GPRS通訊模塊［6］，它是GPRS無線終端的無線數據收發模塊，用于把從CPU接收到的PPP幀格式的數據和從基站接收的GPRS分組數據進行相應的協議處理后再轉發。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）等數據傳輸方式以及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－hoc網絡實現采用基于802.11b/g協議的 Wi－Fi技術，WLAN （wireless local area network）通信模塊使用 DLink公司的嵌入式無線網卡模塊DWL－G122，采用USB接口，可以支持IEEE 802.11b/g協議，傳輸速率理論上可以達到54MB/s，室內傳輸距離達到100m左右，室外有效傳輸距離接近400m，在Linux系統下通過無線網卡驅動可以工作在AP （access point）和Ad－hoc模式，能夠滿足我們實驗的需要。

3.2 中繼節點軟件設計

ARS軟件總體結構如圖3［7］所示。

圖3 ARS軟件總體結構

系統采用嵌入式Linux作為節點的操作系統，采用層次化的軟件結構。主要的軟件設計工作包括Uboot和Linux內核移植［8］、所涉及的硬件驅動及配置和支持程序設計等。

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

3.2.1 蜂窩網接口設計的實現

蜂窩網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議（point to point protocol，PPP）［10］；在鏈路建立后，將接收到的PPP數據幀解析，根據協議字段將數據信息交由不同的上層模塊進行處理；根據系統的需要，將上層模塊傳來的信息打包成不同的PPP數據幀發送出去。PPP協議作為GPRS在物理層之上的唯一指定的數據鏈路層協議，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據鏈路，主要用在串行鏈路上提供一個簡單高效的數據鏈路，并能承載高層的網絡協議［11］。

在Linux開發包中包含對PPP協議的支持，在編譯內核時需將PPP support開啟。首先進入內核編譯主菜單，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協議配置

配置好內核后進行pppd撥號的配置，并編寫撥號腳本：在文件系統中添加配置文件/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，蜂窩網接口便得以實現。

3.2.2 核心控制模塊

核心控制模塊主要處理下層硬件驅動和上層通信協議、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。

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

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

3.2.3 改進后的基于信號強度的切換算法

由于在Ad－hoc與蜂窩網絡融合系統中引入了全新的通信鏈路，為使移動終端在各個接入網之間實現無縫漫游和切換，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－hoc網絡時，與其相連的代理ARS通過Ad－hoc網絡路由算法來尋找一條到達非擁塞小區基站的路徑，節點首先向外廣播“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路徑，并發送“建立路由”消息到這條鏈路上的中繼ARS。中繼ARS根據所收到的路由信息中繼 “建立路由”消息直到到達網關ARS（最終與目標基站連通的ARS）。最后網關ARS向基站請求分配一個專用信道，并且發送確認消息返回到移動終端，至此中繼路由的建立完成［14］。移動節點收到確認消息，立刻通過R接口切換到Ad－hoc網絡傳送數據。此路由過程跟一般Ad－hoc網絡路由基本相同，根據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下都能夠很好地切換網絡，并繼承了傳統蜂窩網絡先切后換的軟切換方式，保證通信的連續性。

4 系統性能測試

為了測試該中繼節點ARS的性能，在實驗室環境下，使用一臺裝有無線網卡的筆記本、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，通過將無線網卡的工作模式設置為Ad－hoc模式模擬一個Ad－hoc網絡。筆記本操作系統為Windows XP。

在該條件下，利用筆記本的無線網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并測試相關數據。設置好參數并啟動無線連接后，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－hoc網絡上的節點 （筆記本電腦）至internet上的站點，先經過了中繼節點 （Ad－hoc接口的IP地址為192.168.0.1）的轉發，由此可見，此設計的中繼節點能夠連通兩個網絡，可以為內部Ad－hoc網絡的節點轉發數據，起到橋接內網與GSM網的作用。

再對該設備進行丟包率測試，運行ping－n 100－w 100 m.baidu.com，連續發送100個ICMP測試包，等待回復時間測試為1s，結果如圖8所示。

由圖8可以看出丟包率為10%。該數據與設備硬件性能和Ad－hoc網絡信號的好壞有關。

再用一臺支持WiFi的手機通過上述設計的設備接入G網與另一臺普通手機通話，測試其通話質量，結果如圖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部Ad－hoc局域網和移動蜂窩網，同時也能較好地完成對兩個網絡的橋接，基本滿足設計目標。

5 結束語

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

［1］Gaurav Kumar Tak，Navin Badge，Pranay Manwatkar，et al.Integration of MANET in cellular networks to enhance the performance ［C］.Second International Conference on Computer Engineering and Applications，2010：590－594.

［2］XU Zhaoji，HU Nan，HE Zhiqiang.Call dropping and blocking probability of the integrated cellular Ad hoc relaying system［J］.IEEE Globecom，2008，30 （4）：1－6.

［3］Erna Sri Sugesti，Purnomo Sidi Priambodo，Kalamullah Ramli，et al.Delay bound analysis for hybrid networks：Interoperable IEEE 802.11b/g WLAN over fiber ［C］.International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops，2010：1017－1020.

［4］HE Hongjiang，ZHANG Yamin.Research on automobile driving state real－time monitoring system based on ARM ［C］.International Conference on Computer Engineering and Technology，2009：361－365.

［5］Ignacio Salcedo，Francisco Javier Rodriguez.Calling all cars：Motorola’s early police radios ［C］.Second IEEE Region 8Conference on the History of Telecommunications Conference，2010：1－5.

［6］Rajappa Velur，Jabeer Ahmed，Shoeb Ahmed，et al.New authentication architecture for GPRS networks ［C］.International Conference on Complex Intelligent and Software Intensive Systems，2010：649－655.

［7］ZHU Zhijian.Research of broadband access equipment and its key technology which based on the heterogeneous network integration ［D］.Nanjing：Southeast University，2007 （in Chinese）.［朱志堅.基于異構網絡融合的寬帶接入設備研制及關鍵技術研究 ［D］.南京：東南大學，2007.］

［8］WEI Dongshan.Well guide of embedded Linux application de

velopment ［M］.Beijing：People Posts＆Telecom Press，2008：293－333 （in Chinese）.［韋東山.嵌入式 Linux應用開發完全手冊 ［M］.北京：人民郵電出版社，2008：293－333.］

［9］SONG Baohua.Explain of Linux device driver development［M］.Beijing：Eople Posts ＆ Telecom Press，2008：88－395（in Chinese）.［宋寶華.Linux設備驅動開發詳解 ［M］.北京：人民郵電出版社，2008：88－395.］

［10］LI Lihua，WEI Shuquan，LU Ling.PPP security mechanism analysis and improvement ［C］.Information Technology and Computer Science，2010：409－412.

［11］ZHOU Juan，JIANG Dengfeng，ZENG Qiyong.The realization of accessing Internet through GPRS based on PPP ［J］.Micro Computer Information，2009，25 （1－3）：132－134 （in Chinese）. ［周娟，蔣登峰，曾其勇.基于PPP協議實現GPRS模塊無線接入Internet方式 ［J］.微計算機信息，2009，25 （1－3）：132－134.］

［12］Richard Stevens W，Bill Fenner，Andrew M，et al.Internet programming of UNIX ［M］.Beijing：People Posts＆Telecom Press，2010：122－132 （in Chinese）. ［Richard Stevens W，Bill Fenner，Andrew M，等.UNIX網絡編程 ［M］.北京：人民郵電出版社，2010：122－132.］

［13］LU Jiajia.Ad－hoc and cellular network integration and handoff algorithm ［D］.Nanjing：Nanjing University of Posts and Telecommunications，2007 （in Chinese）.［陸佳佳.Ad－hoc與移動蜂窩網絡融合及其切換算法 ［D］.南京：南京郵電大學，2007.］

［14］LU Weifeng，WU Meng.Handoff algorithms for the integrated Ad－hoc and mobile cellular network systems ［J］.ZTE Communications，2007，13 （5）：37－43 （in Chinese）.［魯蔚鋒，吳蒙.集成Ad－hoc和移動蜂窩網絡系統的切換算法［J］.中興通訊技術，2007，13 （5）：37－43.］

［15］HUANG Songhua，WU Xiaobing，HUANG Hao，et al.Fasthandover algorithms formultihomed and nested network mobility ［J］.Journal of Chinese Computer Systems，2010，31 （1）：22－25 （in Chinese）. ［黃松華，吳小兵，黃皓，等.多穴嵌套網絡移動的快速切換算法 ［J］.小型微型計算機系統，2010，31 （1）：22－25.］