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摘要 iCAR系统（Integrated Cellular and Ad hoc Relay system）是蜂窝网络和Ad hoc网络融合方案的一个典型，它主要以蜂窝网络技术为主，Ad hoc网络技术为辅，在蜂窝网络中加入业务分流站（TDS）来平衡负载。本文概述了iCAR系统的发展，并重点讨论了其系统结构和路由过程。iCAR系统自诞生以来就一直在不停地发展和完善。因此对iCAR系统进行归纳研究能为融合网络的研究提供新的思路。
融合蜂窝网络和Ad hoc网络已经成为现代移动通信系统的研究热点之一。其中iCAR系统（Integrated Cellular and Ad hoc Relay system）是以蜂窝网络技术为主、Ad hoc网络技术为辅的典型代表。iCAR结构自2000年提出以来，每年的新增内容越来越丰富了它的系统框架，为越来越多的研究者提供了创新的思路和平台。本文首先概述iCAR系统的发展，然后重点讨论其系统结构及路由过程。
1、iCAR系统的发展
文献[1]提出了在下一代无线网络中引入中转的概念进行负载平衡。它正是iCAR系统的雏形，而其中的移动中转站（MRS：Mobile Relay Station）就是iCAR系统中Ad hoc中转站（ARS：Ad hoc Relay Station）的前身。同年iCAR结构[2]就孕育而生。它吸取了文献[1]中“MRS由小区边界上的MRS种子生长出来”的思想，提出了在蜂窝系统中放置ARS的“播种”策略。同时它在文献[1]的基础上更详细地讨论了ARS的3种中继转发策略：初级转发、次级转发、和级联转发，并进行了理论分析和仿真。
之后的研究重点就转向对iCAR性能的分析，主要是以掉话率为指标，在动态负载均衡、负载共享、和队列延时等方面的探讨[4～13]。有的研究者提出动态地负载均衡机制的分析框架，也以iCAR系统作为分析平台[12,13]。这些研究中或多或少地提到提高ARS的覆盖率就可以获得较好得系统性能。然而，到了2004年，文献[14]认为虽然提高ARS的覆盖率是个不错的选择，但系统的成本就会上升；而增加ARS的移动性，并对其有效地管理，则是更好的方案。于是，iCAR系统中就首次引入了“移动性管理”的概念。在此基础上，文献[15,16]又将iCAR扩展为iCAR-FA（Integrated Cellular and Ad hoc Relaying Network with Flexible Access）系统，其中将原有的ARS改名为业务分流站TDS（Traffic Diversity Station），并提出了iCAR-FA的自适应路由协议ARFA（Adaptive Routing Protocol for an integrated Cellular and Ad hoc network with Flexible Access）。而这一研究又必将带入更多的创新思想，使iCAR系统日趋完善。
iCAR系统在其研究发展过程中，始终贯穿着它的基本思想，即：通过设置一定数量的中转站（ARS或TDS），实现从一个业务拥塞的小区向业务非拥塞的临近小区的业务转移，以最大限度地控制或避免呼叫拥塞、掉话等，达到蜂窝小区负载平衡的目的。本文下面就重点讨论最新的iCAR-FA系统的结构和路由问题。
2、iCAR-FA系统结构
iCAR-FA系统的重要组成元素是TDS。本节在描述iCAR-FA系统的物理模型后，就讨论TDS的初级和次级转发机制、TDS的初始放置及其移动性管理问题。
2.1 iCAR-FA系统的物理模型
iCAR-FA系统的物理模型如图1所示。由图可见有4个主要组成元素。
图1 iCAR-FA的物理模型
（1）基站分系统，图中用BS表示。它与和现有蜂窝系统中的基站分系统差别不大。基站就采用现有的蜂窝接口（简称C接口）。基站控制器（BSC）内嵌入了TDS移动控制器（TMC），用于管理TDS的移动。
（2）中央控制系统（CC：Centre Control System）。它以有线的方式管理基站间的通信。
（3）移动节点，包括移动主机MH和业务分流站TDS，均配有GPS全球定位系统。
对于MH共分为3种：
第一种是只有C接口没有A接口的MH（如MH1），这与现有的移动手机一样采用带内频率，提供话音和有限的数据业务；
第二种是只有A接口没有C接口的MH（如MH3），只通过带外频率与TDS通信，如现有PDA和笔记本电脑等；
第三种是A接口和C接口都有的下一代移动主机（如MH2），同时作为业务提供者和业务接受者。
对于业务分流站TDS，它有如下特点：
（1）它是属于蜂窝系统运营商所有不同于基站和移动主机的专用设备；
（2）它的功能比基站少，复杂度（成本）也比基站低；
（3）它具备移动性，包括微移动和宏移动；宏移动可以在几个小区内移动，而微移动的移动速度或距离受限。
（4）它同时具有C接口和A接口；C接口用于和基站通信，此时TDS就有网关的功用；A接口用于和带有A接口的MH及其他TDS通信，此时TDS就称为代理。当然TDS可以同时作为网关和代理（如TDS2）。
由上述组成成分可见，iCAR-FA是一个分级结构。第一级是有线网络组成的基站集合；第二级是TDS组成的业务分流集合；第三级则是系统中MH形成的用户集合。
2.2 初级转发机制和次级转发机制
在iCAR系统中有3种中继转发方式：初级转发、次级转发、级联转发。图2给出了iCAR这3种业务转移的过程。
初级转发过程分为两种情况。第一种是业务转移到基站的情况。当移动终端MH X发起呼叫而小区B阻塞时，MH X就可以通过R接口向TDS2请求呼叫转移到其它小区，TDS2将此请求通过R接口发往小区A内的TDS3，TDS3再将此呼叫通过C接口发往小区A内的基站BS A。如果BS A信道空闲，将接受并回复这个转移的呼叫请求，MH X就可以经路线MH X→TDS2→TDS3→BS A接入蜂窝系统实现通信。这就是第一种业务经基站转移的情况。如果MH X呼叫的用户恰好是MH X’，则可以不经过基站，直接由TDS1中继建立线路MH X→TDS1→MH X’通信。这就是第二种业务不经基站转移的情况。
次级转发也分为业务转移经基站和不经基站两种情况。图2中，小区B阻塞，小区B中的MH Y正使用蜂窝系统的信道资源进行通信。此时，MH Z发起呼叫，而MH Z邻近又没有TDSs。这时，BS B请求附近有TDSs的MH Y将正在通信的呼叫转移到其它小区（如小区A），并释放正在占用的BS B的信道给MH Z，形成经基站的业务转移线路：MH Y→TDS3→BS A。另一种情况就是MH Y本身的呼叫通过TDS不经基站而直接转接到被呼叫的MH Y’，即形成不经过基站的线路MH Y→TDS4（或TDS 5）→MH Y’。一般情况下，小区内的信道在全部被占用时才发生呼叫转移，因此，次级转发要比初级转发更可能出现。
图2 三种中继转发方式：初级转发（MH X）、次级转发（MH Y、MH Z）、和级联转发（MH W、MH Y、MH Z）
级联转发就是当单纯的初级转发和次级转发都不能解决呼叫阻塞问题时，引入的一种多次呼叫转移方法。假设在图2中，当小区A和小区B都处于阻塞状态，小区B中的MH Y和小区A中的MH W都处于通信过程中。当MH Z发起呼叫时，第一步系统要求MH W转移呼叫到小区C（或者直接经TDS转移到MH Z’），释放MH W在小区A中占用的蜂窝信道；第二步系统要求将MH Y的呼叫转移到小区A（使用MH W释放的信道，形成经基站的业务转移线路MH Y→TDS3→BS A），释放MH Y在小区B中占用的信道并分配给MH Z使用，从而避免了MH Z的呼叫阻塞。
总的说来，初级转发就是在拥塞的小区中，发起呼叫的MH X附近有可用的TDS，MH X就通过这些TDS维持连接；次级转发就是在拥塞的小区中，发起呼叫的MH X附近没有可用的TDS，要小区内其他MH通过TDS接入Ad hoc信道，来为MH X释放蜂窝信道。而级联转发就是在拥塞小区中，当初级转发和次级转发都不起作用时，级联多次初级或次级转发来达到流量转移的目的。
2.3 TDS的拓扑
TDS分为TDS种子和其他TDS两种。TDS种子由蜂窝系统运营商采用“播种”策略初始地放置在蜂窝小区中。其他TDS则从已有的TDS种子中生长出来。这两种TDS共同构成了TDS拓扑。
TDS种子是放置在两个小区的公共边上的，如图3（a）。图3（b）中，实线三角形和圆表示TDS种子，虚线的三角形和圆表示从TDS种子生长出去的其他TDS。这样一个TDS种子就可以顾及两个小区。其他TDS从TDS种子的覆盖边缘上扩展出去，确保每个TDS都连接着一个TDS种子。这样TDS就相当于以TDS种子为簇头形成了一个簇，从小区的边缘向基站覆盖。系统会以递增的序号来标记这些TDS。对于有n个小区的蜂窝系统，文献[2]证明了TDS种子的最大数目为。另外文献[2]还说明了初级转发和次级转发下的MH被TDS覆盖的概率可以接近于1。
图3 TDS种子的放置和TDS生长
TDS拓扑形成了一个特殊控制的分簇Ad hoc网络，叠放在原有的蜂窝系统中。虽然似乎TDS越多，中转覆盖范围就越大，负载均衡就越有效，然而这会增加系统成本。所以对于给定数量的TDS（或者说是给定TDS覆盖率），允许TDS移动来动态地改变中转请求的位置，可以是TDS的覆盖更有效。于是TDS的移动性管理就提出来了。
2.4 TDS的移动性管理
TDS移动性管理应用于MH基本静止、或移动速度有限、或移动距离有限的场景。首先规定TDS的移动不能切断已经存在的连接，且TDS种子在移动后仍然是种子，即它只在小区边界上移动。因此，每个TDS移动后仍要在自己的簇中，并仍具有中转能力。其次，假设所有移动节点（包括MH和TDS）都能从GPS中获得位置信息。TDS会周期性地向TMC（TDS移动控制器）报告其位置信息，同时维持着当前以它作为代理的MH的信息。
当初级和次级转发策略失败后，移动策略就启动了。移动策略也分为初级移动策略和次级移动策略。前者的目的是让TDS能足够地靠近MH；后者则使得TDS更有利于初级移动。初级移动策略简要介绍如下。
MH X向TMC发送移动请求消息。该消息中包含了MH X的位置信息。TMC根据MH X的位置信息和MH X周围的TDS拓扑寻找离MH X最近的TDS（如TDSi）。TMC画出一个以MH X为圆心，R为半径的圆。称这个圆为目的地圆（D-circle：Destination circle）。而TDSi就是要移动到这个圆内（如图4）。
图4 TDS微移动示例图：（a）选择TDS种子（TDSi）移动；（b）选择非TDS种子（TDSi）移动；（c）下游TDS（TDSi+1）跟随TDSi移动
若TDSi是TDS种子（图4(a)），则D-circle与小区边界的交点H就是TDSi移动的目的地。若TDSi不是TDS种子（图4(b)），则TMC画出以TDSi-1为圆心，R为半径的圆。这个圆成为种子圆(S-circle：Seed circle)，它意味着TDSi移动后仍然与其上游TDSi-1相连。而D-circle和S-circle的交点H就是TDSi是要移往的目的地。若交点H找不到，TMC就返回NAK给MH X。
找到TDSi移动的目的地H后，就计算TDSi移动的距离di(di=|OH|，O点为TDSi的当前位置），和移动时间互Tim。若Tim大于最大时延预算t，则TMC返回NAK给MH X。否则计算TDSi+1移动的新位置H’，它是直线O’H（O’为TDSi的当前位置）和以H为圆心的圆（R为半径）的交点。以此类推，要求簇中的每个TDS都仍在簇内。
接着TMC计算每个TDSi的位移，并组播一探测消息（Probe）给簇内的每个TDS。TDS收到后检查移动后是否会断开现有的与其他MH的连接。若会这个移动会导致现有链路的切断，就返回NAK给TMC；否则返回ACK给TMC。
若TMC收到的全是ACK，则发送移动命令消息给TDS；否则返回移动取消命令给TDS。TDSi在收到移动命令消息后才开始移动，当它到达目的地后就发送ACK给MH X，通知MH X可以进行初级转播了。
TDS的移动性管理降低了TDS的数量，并增加了容错能力。它为其他融合网络系统的移动性管理提供了解决的思路。
除了iCAR系统的这一移动性管理之外，文献[17]也首次提出了独立于路由协议甚至无线网络体系的多跳异构网移动性管理协议M3HN（Mobility Management in Multihop Heterogeneous Networks）。它描述了多跳蜂窝网络中开销最小情况下跟踪移动终端的技术，使得将单跳网络合并为多跳的无缝连接的系统。其目标之一是在蜂窝网和Ad hoc的融合网络中为多跳节点提供微移动性支持。仿真结果显示，在节点的移动速度增加时，分组到达率基本能维持在80%以上，分组传播延时和信令开销也比普通的广播模型要好得多。
3、iCAR-FA系统的自适应路由协议ARFA
ARFA是一个更有效的负载平衡的路由算法，它规定：TDS的C接口只与信宿所在的基站或者信源通信；中间结点，包括TDS和带有A接口的移动终端只可以利用A接口相互通信。这样就更好地利用了带外频率资源。ARFA的操作过程如下。
当一个MH发起话音呼叫或数据转发请求，而它所在的小区又没有足够的带宽来满足这一请求时，ARFA就开始了。记这个发起请求的信源MH为MHs。该MHs所在的小区为家乡小区。
如果在MHs的覆盖范围内能够找到有空闲资源的TDS，那么MHs就直接把这个TDS作为其下一跳。否则就启动伪源选择过程SSP（Source Selection Procedure），即在家乡小区内寻找一个MHs方面上离基站最远的伪源（记为MHj）（如图3中的MH2）。MHj能在一跳范围内能找到有空闲资源的TDS，并且将其本身的业务转移到另一个信道上，为信源MHs释放已占用的信道。
在ARFA中，无论是MHs还是MHj都不在乎路由中的目的结点是谁，它们只希望能找到一个可以为它们转发数据的小区而不在乎该小区的位置。于是就进入了目的地选择过程DSP（Destination Selection Procedure）来选择满足带宽要求的基站。DSP有被动式和主动式2种方法。被动式则是由基站周期性的向其小区内的所有TDS广播带宽状态分组。主动式由控制基站的中央控制系统决定并告诉移动终端哪些小区是不拥塞的，如图5所示。
图5 主动式目的地选择过程
一旦选好了一个或多个目的地，路由发现过程RDP（Route Discovery Procedure）就来寻找满足目的地小区带宽的路由。如果找到了多条路由，路由选择过程RSP（Route Selection Procedure）就用来选择最合适的路由以转发MHs的数据。整个过程就如图6所示。
图6 ARFA过程
4、总结
本文概括了iCAR系统从诞生到现在的一些发展状况，重点讨论了iCAR-FA系统的结构模型、3种中继转发策略、TDS拓扑、TDS移动性管理、和ARFA路由协议。iCAR系统充分体现了虚拟小区的扩展。TDS的引入使得终端与基站设备间距离较长的数据链路可以通过多跳转换成多个短距离的数据链路，弥补了覆盖缺陷，扩大了覆盖区域，转移了流量，有效地解决了“热点”和“死区”的问题。iCAR系统以其自身的活力，受到越来越多的研究者的青睐，它将为融合网络的研究提供创新的源泉。
参考文献
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