融合Ad－hoc和蜂窝网络的中继设备设计

任凯强，谢 波，郑力明（暨南大学 信息科学技术学院电子工程系，广东 广州510632）

0 引 言

移动蜂窝通信系统推动了人类通信技术的快速发展，在全世界获得了广泛的商业部署，改变了人们的生产生活方式。然而随着人们交流越来越频繁，对通信质量的要求越来越高，现有 GSM （global system for mobile communications）移动蜂窝系统的一些不足不断呈现，难以满足日益增长的需求。

Ad－hoc网络具有高度灵活性、自组织性、分布式控制、动态网络拓扑等特点，是目前移动通信领域研究的一大热点。有学者提出，Ad－hoc网络具有许多移动蜂窝网络不具备的优点，将其应用到蜂窝网络，能较好地弥补蜂窝网络的缺陷，如弥补覆盖缺陷、实现流量的动态合理分配、形成局域子网传输局部业务等，是目前移动通信网络发展的趋势［1］。

本文致力于前人已有研究，鉴于目前新一代手机技术和功能的不断完善，设计一种融合Ad－hoc和移动蜂窝网络的中继设备，可以广泛用于人口密度大，通信链路堵塞严重的热点小区，以及一些内部局域网，辅助现有移动蜂窝网络，提高通话质量，并节省通话成本。

1 Ad－hoc和GSM蜂窝网络融合系统模型

iCAR （integrated cellular and Ad－hoc relaying system）是由纽约州立大学Hongyi Wu等人提出的一种新型无线融合网络系统［2］，将传统蜂窝移动通信网和Ad－hoc转发技术相结合，解决蜂窝移动通信系统中由于负载不均衡导致的拥塞问题的系统。iCAR系统通过使用Ad－hoc中继节点（Ad hoe relay station，ARS）将负载从一个小区动态转移到其它小区，有效地平衡小区间的负载，不仅增加了系统的容量，还可以减少移动节点的发送功率，并且扩大了系统的覆盖范围。系统原理如图1所示。

图1 iCAR系统原理

如图1所示，处于热点小区 （BTS1）中的移动主机MHX在小区信道拥塞 （没有可用的空闲信道）的情况下想要和位于远方的X’通信，可以通过两个ARS与相邻的小区BTS建立通信链路，从而使用相邻小区的空闲信道。如果X和X’在同一小区，则可直接通过小区内ARS建立链路进行通信。每个ARS都有2个空中接口：同BTS进行通信的C（蜂窝）接口和同其它ARS或者MH进行通信的R（中继）接口；同样每个MH也必须有2个空中接口：同BTS进行通信的C接口和同ARS进行通信的R接口。这2个接口工作在不同的频段，R接口的 MAC（media access control）层同一般Ad－hoc网络的 MAC层相同。一条链路中进行中继的ARS可能有多个，与BTS直接通信的可以看作网关，同时使用C接口和R接口并且要占用基站的数据信道，而与MH或者其它ARS通信的可以看作中继器，只使用R接口。在此系统中，移动主机也可以为别的节点进行中继，但是此方法在计费、保密等方面有诸多不便，而利用专门节点进行中继的好处在于能较好地解决安全，认证和计费等问题。

2 移动主机实现

由以上分析可知，在iCAR系统中要求移动终端是双模的，既要有接入GSM网络的C接口也要有接入Ad－hoc网络的R接口。而目前移动手机技术已经非常成熟，功能相当强大，众多手机都支持 WiFi（wireless fidelity），支持WAPI （wireless LAN authentication and privacy infrastructure），支持802.11b/g协议，即同时拥有C接口和R接口，为iCAR系统的实现提供了良好的条件。

在本文的研究中，Ad－hoc网络采用基于802.11b/g协议的无线 Wi－Fi技术［3］，传输速率理论上可以达到54MB/s，室外通信半径达400m，基本能够满足研究和一般通信距离的需要。

3 中继节点（ARS）实现

3.1 中继节点硬件实现

中继节点ARS同样需要拥有同时接入GSM网络的C接口和接入Ad－hoc网络的R接口，而且必须有同时作为Ad－hoc中继器和网桥的双重功能，还需要实现对接口的选择进行切换控制、数据协议转换、路由等功能。同时它还要能对允许接入的终端属性进行设置，只有鉴权成功的终端才可以通过ARS访问相应的网络。

ARS的硬件结构如图2所示。

图2 ARS硬件结构

在硬件选择上，综合考虑处理速度、总线宽度、集成度以及性价比，我们最终选用基于ARM920T内核的S3C2440控 制 芯 片 作 为 主 控 制 器［4］，Motorola ColdFire 5272（MCF5272）为主控CPU。MCF5272是 Motorola推出的一款高集成度的32位ColdFire微处理器，有很强的通信处理能力和较高的性能价格比，且集成了丰富的外围设备和接口，很适合应用于中小型网络的控制设备［5］。

GSM接口 （C接口）的硬件实现采用GPRS通讯模块［6］，它是GPRS无线终端的无线数据收发模块，用于把从CPU接收到的PPP帧格式的数据和从基站接收的GPRS分组数据进行相应的协议处理后再转发。GPRS通讯模块采用西门子公司推出的MC35，它支持语音通讯，具有GPRS，CSD （circuit switched data）等数据传输方式以及SMS （short messaging service）和FAX功能。MC35可以工作在EGSM900和GSM 1800两个频段，具有40脚的ZIF接口、标准 RS232双向串口、SIM （subscriber identity module）卡3V接口和模拟语音接口等。

Ad－hoc网络实现采用基于802.11b/g协议的 Wi－Fi技术，WLAN （wireless local area network）通信模块使用 DLink公司的嵌入式无线网卡模块DWL－G122，采用USB接口，可以支持IEEE 802.11b/g协议，传输速率理论上可以达到54MB/s，室内传输距离达到100m左右，室外有效传输距离接近400m，在Linux系统下通过无线网卡驱动可以工作在AP （access point）和Ad－hoc模式，能够满足我们实验的需要。

3.2 中继节点软件设计

ARS软件总体结构如图3［7］所示。

图3 ARS软件总体结构

系统采用嵌入式Linux作为节点的操作系统，采用层次化的软件结构。主要的软件设计工作包括Uboot和Linux内核移植［8］、所涉及的硬件驱动及配置和支持程序设计等。

Uboot和Linux内核移植在开发板光盘里有详细叙述，此处不做详述。硬件驱动主要包括网卡驱动和串口驱动，配置无线网络工作主要通过iwconfig命令完成，可以设置无线网卡的网络地址、通信信道，同时把无线网卡的工作模式设置成Ad－hoc模式［9］。由于篇幅原因，驱动编写不做详述，下面将对接口的实现、核心控制模块等做详细说明。

3.2.1 蜂窝网接口设计的实现

蜂窝网接口模块的软件部分主要负责通过GPRS Modem建立与ISP （internet service provider）之间的通信链路，是软件设计的核心部分，它们的连接基于点对点协议（point to point protocol，PPP）［10］；在链路建立后，将接收到的PPP数据帧解析，根据协议字段将数据信息交由不同的上层模块进行处理；根据系统的需要，将上层模块传来的信息打包成不同的PPP数据帧发送出去。PPP协议作为GPRS在物理层之上的唯一指定的数据链路层协议，通过CRC （cyclic redundancy check）校验、确认等手段将原始的GPRS物理层连接改造成无差错的数据链路，主要用在串行链路上提供一个简单高效的数据链路，并能承载高层的网络协议［11］。

在Linux开发包中包含对PPP协议的支持，在编译内核时需将PPP support开启。首先进入内核编译主菜单，然后进入 “Device Drivers－－－＞”，在进入 “Network device support－－－＞”，将 “PPP （point to point protocol）”极其下级菜单全部以built－in的方式选中，如图4所示。

图4 PPP协议配置

配置好内核后进行pppd拨号的配置，并编写拨号脚本：在文件系统中添加配置文件/etc/resolv.conf，在其中写入所用到的域名服务器的域名或IP地址；

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

在/lib目录下添加文件库libnss＿dns.so和libresolv－2.1.2.so，并添加必要的链接；

编辑配置文件/etc/ppp/options，在其中添加lock、crtscts、defaultroute、noauth这4个选项；

最后编写两个拨号命令文件pppdial和拨号选项文件chatoption，再运行pppdial和ifconfig命令，弹出一个新端口，蜂窝网接口便得以实现。

3.2.2 核心控制模块

核心控制模块主要处理下层硬件驱动和上层通信协议、配置和支持程序之间的交互。核心控制模块的基本流程如图5所示。

系统在启动后首先初始化各个模块，设置工作模式、启动相应协议栈以及设置其它一些基本参数。程序采用I/O多路转接技术对多个描述符的读写进行管理，事先构造一张所有描述符的表，然后调用select（）函数，直到最少有一个描述符准备好才返回，并告知内核哪一个描述符已经准备好交换数据［12］。此后，程序侦听等待各模块的数据，处理PPP拨号连接请求等，并对数据经由协议解析后送至相应终端。

为实现核心控制模块在系统启动时的自动加载，使其以应用程序control＿module的形式存在，在系统启动脚本/etc/rc文件中加入对control＿module的调用。

3.2.3 改进后的基于信号强度的切换算法

由于在Ad－hoc与蜂窝网络融合系统中引入了全新的通信链路，为使移动终端在各个接入网之间实现无缝漫游和切换，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。针对以往的基于信号强度算法和切换算法的研究［13］，本文在这基础上提出一种更加高效、迅速的切换判决算法，基本流程如图6所示。

图5 核心控制模块流程

图6 基于信号强度切换算法流程

当移动终端 （mobile terminal，MT）接入 Ad－hoc网络时，与其相连的代理ARS通过Ad－hoc网络路由算法来寻找一条到达非拥塞小区基站的路径，节点首先向外广播“查询路由”消息到所有可达的邻居ARS，具有到达非拥塞小区基站的ARS（此处称中继ARS）返回路由表中的信息，然后代理ARS选择一个花费最少的最优路径，并发送“建立路由”消息到这条链路上的中继ARS。中继ARS根据所收到的路由信息中继 “建立路由”消息直到到达网关ARS（最终与目标基站连通的ARS）。最后网关ARS向基站请求分配一个专用信道，并且发送确认消息返回到移动终端，至此中继路由的建立完成［14］。移动节点收到确认消息，立刻通过R接口切换到Ad－hoc网络传送数据。此路由过程跟一般Ad－hoc网络路由基本相同，根据实际需求不同有不同的选择［15］。通过使用该算法，不管信号处于何种状态下都能够很好地切换网络，并继承了传统蜂窝网络先切后换的软切换方式，保证通信的连续性。

4 系统性能测试

为了测试该中继节点ARS的性能，在实验室环境下，使用一台装有无线网卡的笔记本、一台带WiFi的手机终端和一台普通手机以及上面设计的中继设备组成一个系统，通过将无线网卡的工作模式设置为Ad－hoc模式模拟一个Ad－hoc网络。笔记本操作系统为Windows XP。

在该条件下，利用笔记本的无线网卡与该中继设备建立连接，通过GPRS模块接入中国移动接入点cmnet访问Internet并测试相关数据。设置好参数并启动无线连接后，在笔记本DOC模式下运行tracert m.baidu.com命令，显示IP路径如图7所示。

图7 IP路径显示

由图7可以看出从Ad－hoc网络上的节点 （笔记本电脑）至internet上的站点，先经过了中继节点 （Ad－hoc接口的IP地址为192.168.0.1）的转发，由此可见，此设计的中继节点能够连通两个网络，可以为内部Ad－hoc网络的节点转发数据，起到桥接内网与GSM网的作用。

再对该设备进行丢包率测试，运行ping－n 100－w 100 m.baidu.com，连续发送100个ICMP测试包，等待回复时间测试为1s，结果如图8所示。

由图8可以看出丢包率为10%。该数据与设备硬件性能和Ad－hoc网络信号的好坏有关。

再用一台支持WiFi的手机通过上述设计的设备接入G网与另一台普通手机通话，测试其通话质量，结果如图9所示。

通过以上实验的测试，可以看出该中继设备能够较好地链接内部Ad－hoc局域网和移动蜂窝网，同时也能较好地完成对两个网络的桥接，基本满足设计目标。

5 结束语

本文对Ad－hoc和移动蜂窝网络的融合进行了深入研究，设计了一种基于Ad－hoc和移动蜂窝网络融合技术的中继设备。在ARM920T嵌入式开发平台的基础上通过扩展无线网络模块和GPRS模块实现了Ad－hoc网络和移动蜂窝网络互联，详细说明了蜂窝网络接口的实现方法，介绍了系统的设置和PPP拨号脚本的实现，并提出了改进的基于信号强度的切换算法。该设备在实验室环境下进行了测试，实现了两种网络的相互连通、达到了预期的效果。本文设计的设备能广泛应用于室内外通信热点地区，能有效改善通信质量、节省开销，具有一定的实用价值。

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