無線自組織網絡關鍵技術與進展

摘要：無線自組織網絡在軍事和民用方面正在獲得迅速的進展，但由于其本身固有的特點，仍然有很多問題和關鍵技術亟需解決。這些問題和關鍵技術包括MAC協議中的隱暴終端、單向鏈路問題，具有良好適應性和魯棒性的路由協議研究，設計完善的跨層協同技術，具有可擴展性的無線自組織網絡體系結構等。

關鍵詞：無線自組織網絡；MAC協議；路由；跨層設計；可擴展性

Abstract: The self-organized wireless network in the military and civilian aspects is making rapid progress， but because of its inherent characteristics， there are still many problems and key technologies left to be solved. These include the problems of hidden terminal and exposed terminal in Medium Access Control (MAC) protocol， well adapted and robust routing protocol research， well designed cross-layer protocol， and scalable self-organized wireless network architecture， etc.

Key words: wireless self-organized wireless network; MAC protocol; routing; cross-layer design; scalability

無線自組織網絡由不需要任何基礎設施的一組具有動態組網能力的節點組成，這種網絡適應了軍事和商用中對網絡和設備移動性的要求，而引起了人們的關注，并在20世紀90年代以后獲得了廣泛的研究和發展。

與其他通信網絡相比，無線自組織網絡具有帶寬有限、鏈路容易改變、節點的移動性以及由此帶來的網絡拓撲的動態性、物理安全有限、受設備限制等特點。正是由于這些區別，無線自組織網絡協議棧也產生了比傳統網絡協議棧更高的要求：適應移動分布節點隨機收發行為的媒體接入控制(MAC)協議，基于動態拓撲結果的高效、穩健的路由算法，便利的異構網絡互聯技術，有效的功率控制，合理的跨層信息交互、多層協同設計，可靠的安全機制等等。

1 MAC協議

MAC協議是無線自組織網絡協議的重要組成部分，是分組在無線信道上發送和接收的主要控制者。目前，在無線自組織網絡中MAC協議面臨著隱藏終端、暴露終端，信道分配，單向鏈路，廣播擴散等問題。

1.1 隱藏終端、暴露終端問題

如圖1所示，節點A、B、C都工作在同一個信道上，當節點A向節點B發送分組時，載波偵聽機制無法阻止節點C發送數據，造成信號在節點B處沖突。節點C是隱藏在節點A的覆蓋范圍之外的、卻又能對節點A的發送形成沖突的節點，這種在發送節點覆蓋范圍以外的、存在著潛在沖突的節點問題就是信道訪問中的隱藏終端問題。隱藏終端問題會大大降低信道的通信能力。

另外還有一種情況也會降低信道的通信能力，即所謂的暴露終端問題。如圖2所示，當節點B向節點A發送分組時，節點C偵聽到節點B在發送分組，所以推遲發送分組。這種推遲是毫無必要的，因為節點C向節點D發送分組和節點B向節點A發送分組并不沖突，此時節點C是節點B的暴露終端。這種因發送節點在其覆蓋范圍內，感知到有其他節點在傳輸，而進行不必要的發送延遲就是暴露終端問題。

IEEE 802.11中提出的請求發送/準備接受/確認(RTS/CTS/ACK)握手機制，以及目前在很多研究中提出的控制信道-數據信道協作的方式，可以在一定程度上解決隱藏終端問題，但對于暴露終端問題，目前還沒有充分有效的解決方式。

RTS/CTS/ACK機制的基本思想是在傳輸數據幀之前，A、B之間先用很短的握手幀RTS進行溝通，而其他所有無關節點收到RTS或CTS后，抑制自己的發送動作，避免沖突，從而為A、B間的數據幀傳輸提供一個短暫的“凈空”。正確收到的幀需要使用ACK來進行確認。

這種改進只能解決單信道無線自組織網絡的部分問題。假設一個網絡具有n個任意分布的節點，每個節點的傳輸容量是W，那么每個節點可以達到的吞吐量將會是，即使對這些節點的位置進行優化，也僅能使得每個節點的吞吐量達到的水平[1]。由此可以看出，無線自組織網絡節點數量的增大，將會使節點的吞吐量快速降低，尤其是在節點任意分布的情況下。

1.2 信道分配問題

最初的無線自組織網絡，由于技術和設備的限制，各節點都工作在一個信道上。隨著設備和相關協議的發展，多信道、甚至是多接口-多信道無線自組織網絡已經在步入實用。

對于單信道無線自組織網絡，其MAC協議需要考慮的是如何充分利用信道，避免沖突。載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CA)機制是目前應用非常廣泛的協議，節點通過物理信道偵聽(CCA)與虛擬網絡偵聽(NAV)結合的方式進行載波偵聽，采用基于長幀間隙、中幀間隙和短幀間隙等不同時隙的退避機制和沖突避免策略，競爭信道進行發送。時分多址(TDMA)機制可以將信道按照時間片劃分為多個時隙，節點按照靜態或者動態分配方式占用其中的一個或者幾個時隙。但是對于無線自組織網絡來說，靜態分配方式不能適應節點的移動和拓撲的變化；而在一個分布式多跳系統內，進行動態分配也還有很多問題需要解決，目前的研究多是針對基于某些假設或者某種應用背景的無線自組織網絡，還沒有普遍適用的方法提出。將CSMA/CA和TDMA結合，提高信道分配效率，減少沖突也是一種值得研究的內容。

多信道無線自組織網絡，則需要關注如何在節點間分配信道，以提高網絡吞吐量，避免沖突，實現信道上的負載均衡。目前較多的做法是，將信道分為控制信道和數據信道，節點在控制信道中協商數據交換采用的數據信道，然后在相應的數據信道上進行數據通信。控制信道和數據信道的劃分可能是時間上的，也可能是空間上的。比如，一個信道在某個時刻可能用作控制信道，協商好數據信道后，切換到相應的數據信道進行通信。也可能一個節點擁有幾個接口，其中的一個接口固定工作在某個控制信道上，其他接口固定或者動態實用某個數據信道。不管是哪種方式，都需要占用一定的資源用于信道協商。這種占用是值得的，目前在多信道的理論分析結果說明，在合理設計的多信道條件下，不僅可以提高整體網絡容量，還可以提高每個信道的實際吞吐量。但是這些研究多是基于靜態的。開發一種基于拓撲結構的算法，對信道資源進行動態分配，也是一個值得研究的問題。

1.3 單向鏈路問題

單向鏈路問題是無線通信中一個普遍存在的問題。如圖3所示，A的信號覆蓋范圍包括B，而B由于功率、地形等因素，信號不能覆蓋到A，則B可以收到A的信息，而A不能收到B的信息，這就構成了單向鏈路。

在單向鏈路情況下，RTS/CTS/ACK、控制信道協商等機制都不再有效。在目前的標準與應用中，很多都沒有使用、或者是沒有涉及單向鏈路。這對信道資源而言是一個很大的浪費。如果能夠通過鏈路層和物理層的協同控制，借助網絡層的某些信息，控制A可以直接發送給B，而B可以通過適當的節點轉發給A，則可以提高信道的利用率。

1.4 廣播

無線自組織網絡中的廣播，對于信道利用率有很大的影響。最基本的思路是：一個節點的廣播被其所有鄰居節點收到，所有的鄰居節點再次轉發這個廣播。但這種做法顯然是行不通的，一個節點可能反復收到同一條廣播，并多次轉發。即使采用某種機制辨別出是自己已經轉發過的，而不再次轉發，也已經對信道構成了浪費[2]。比較行之有效的一種方法是，借鑒區域路由協議(ZRP)中的多點中繼(MPR)思路，某節點A根據拓撲信息將鄰居節點中的某些節點設為MPR節點，只有被設為MPR節點的，才轉發A所發出的廣播。其他節點依次類推。這種方式大大減少了廣播轉發的次數，減少了信道的無謂占用，提高了信道利用效率。

2 路由技術

2.1 無線自組織網絡路由協議

無線自組織網絡環境下，節點間的無線鏈路及由此而形成的網絡拓撲結構隨節點的位置分布和移動、信道的變化等因素呈現出動態變化的特性。無線網絡的路由技術面臨的困難遠比有線網絡的大的多，有線網絡的路由技術完全無法直接移植到無線網絡中來。按照路由協議建立和維護方式的不同，可以將無線自組織網絡路由協議分為3類：先應式路由協議、反應式路由協議、混合式路由協議，如圖4所示。

先應式路由協議仿照有線網絡的做法，在每個節點建立和維護包含到達其他節點的路由信息的路由表，源節點一旦要發送報文，可以立即獲得到達目的節點的路由。因此這種路由協議的時延較小，但路由協議在及時把握網絡拓撲結構的變化、路由更新和維護等方面，占用無線信道通信資源的開銷較大，在移動性高而負載輕的網絡中性能較差。

反應式路由協議在需要發送數據時才查找路由，與先驗式路由協議相比，反應式路由協議的開銷較小，能夠快速的適應網絡拓撲變化，但是由于存在發現過程使數據報傳送的時延較大，在網絡負載很重的情況下，其性能較差。

混合式路由協議中在局部范圍內使用先驗式路由協議，維護準確的路由信息，并可縮小路由控制消息傳播的范圍，當目標節點較遠時，通過查找發現路由，這樣既減少路由協議的開銷，也改善了時延特性。

2.2 無線自組織網絡組播路由協議

根據參與組播路由的節點構成的網絡拓撲結構，無線自組織網絡組播路由協議可分為以下幾類[3-4]：基于樹的組播路由協議、基于網格的組播路由協議、混合的組播路由協議。

在有線網絡中，通過采用組播分發樹能有效地實現組播。受此啟發，早期的自組織網絡最組播路由也是使用樹結構。基于樹的組播路由協議一般包括兩個過程：組播樹形成和組播樹維護。

在組播樹形成過程中，節點啟動加入組播樹過程：節點廣播發送查詢分組查找組播樹，組播樹上的節點在收到查詢分組后回復響應分組，當加入節點收到響應分組后就能通過回復節點加入組播樹。當加入節點收到多個回復報文時，根據一定策略選擇一條最優路徑。

組播樹的維護是通過Hello機制來監控樹型拓撲結構，即樹根節點周期性發送Hello報文給子節點，若子節點在一定時間內未收到Hello報文，則認為樹枝已經斷開。這時由子孫節點啟動樹鏈路修復過程。典型協議有：利用遞增序號的組播路由協議(AMRIS)、按需距離適量的組播路由協議(MAODV)、輕量的自適應組播路由協議(LAM)等。

基于網格的組播路由協議與組播樹協議不同，數據分組以廣播的方式在網絡中傳輸。網絡中網格節點負責廣播中繼分組。基于網格的組播路由協議一般包括兩個過程：加入組播網格和維護組播網格。典型的協議有：按需組播路由協議(ODMRP)、核心輔助的網格協議(CAMP)、前向轉發組組播路由協議(FGMP)等。

混合組播路由協議設計出發點是：充分利用樹結構和網格結構各自優點。混合組播是在網格結構基礎上構建組播樹。混合的組播路由協議一般包括建立網格和建立組播樹兩個過程。

在網格基礎之上建立組播樹的一般過程是：核心節點或源節點向鄰居網格節點發送創建樹鏈路控制報文；當網格節點收到非重復的創建樹報文時，將該報文轉發給其他鄰居網格節點，同時，該節點加入組播樹；當網格節點收到重復的創建樹報文時；向發送該報文的節點回復剪枝報文以剪去該組播樹鏈路。典型的混合組播路由協議有Ad hoc 組播路由協議(AMRoute)和核心提取的分布式組播Ad hoc路由協議(MCEADR)。

2.3 QoS路由

自組網QoS路由的目標是滿足QoS連接請求的一條或多條路由，同時提供足夠的路由資源信息，為管理控制機制提供支持，完成全網資源的有效利用。目前自組網的QoS路由問題還處在起步階段。無線自組織網絡的QoS研究主要集中在QoS模型、具有資源預約功能的信令、QoS路由協議和QoS媒體接入協議以及接納控制和調度等方面。

由于無線自組織網絡具有無中心結構，拓撲動態變化，節點資源受限，無線節點間相互干擾等特性，使得自組織網絡中的QoS路由設計面臨新的挑戰。這主要體現在：

●拓撲結構的動態變化使節點間鏈路狀態信息的獲取和管理維護困難。

●由于相鄰節點間存在“隱蔽終端”、“暴露終端”、“侵入終端”等相互干擾，使得無線鏈路狀態難以確定，例如帶寬、時延、時延抖動等鏈路參數都很難及時獲取和更新維護。

●隨時存在的單向信道的存在使得QoS路由協議設計困難，主要體現在:認知的單向性、路由的單向性和匯點不可達。

●每個節點資源有限，使得QoS路由選擇不能太復雜。

●基于約束的QoS路由選擇十分加困難。特別是當路由選擇的約束條件包含兩個或兩個以上QoS參數時，路由選擇將是一個NP完全問題[5]。

常見的無線自組織網絡QoS路由協議有核心提取的分布式Ad hoc路由協議(CEDAR)[6]、基于標簽探測的路由協議(TBP)[7]、保證服務質量的優化的鏈路狀態路由協議(QoS-OLSR)[8]、分布式服務質量路由算法(DQoSR)等。

實際上，無線自組織網絡上可提供QoS的能力非常有限，目前網絡的QoS研究主要針對的是網絡的QoS能力的提升，在提供滿足應用需求的QoS方面還有很長的路要走。

3 跨層設計

無線自組織網絡中鏈路的帶寬較緊缺，而節點的處理能力和存儲空間相對充足，因此需要通過增加協議棧各層之間的垂直交互來減少協議層對等實體之間的水平通信。跨層協同設計正是這種原則的一種具體的體現形式，網絡各層共享與其他層相關的信息，從而對無線自組織網絡進行整體設計。按照這種方式設計的協議棧中的各層協議在邏輯上是相互耦合的，各層協議之間垂直通信的增加允許上下層協議更好地結合，從而能夠減少不必要的水平通信造成的帶寬等資源浪費，有效地提高網絡的整體性能。

無線自組織網絡中，通過拓撲發現技術節點可以學習到局部拓撲信息。如何充分挖掘這些信息以實現優化自組織網絡的通信性能，是一個值得研究的課題。目前的研究主要集中在如何利用局部拓撲信息在自組織網中實現高效廣播傳輸、減小路由發現開銷、改進路由維護等。當前的研究成果都體現出一個基本觀點：無線自組織網絡中的數據轉發不能僅依靠網絡層路由功能，必須結合鏈路層以及物理層實施跨層聯合設計。因此在今后的無線自組織網絡中，節點需要的不僅僅是局部的拓撲信息，還會需要更多的局部網路、鏈路參數。

綜合考慮各協議層之間的信息進行路由協議設計，是無線自組織網絡跨層協同設計的重點和技術難點之一。其設計需要考慮網絡節點的移動性、有限帶寬和不穩定的信道質量等特征，網絡層可以基于當前的鏈路參數、網絡和業務量狀況選擇合適的路由，實現對網絡資源的有效分配。文獻[9]中提出了一種跨層協同機制，利用多目標優化算法來計算跨層機制中使用的路由參數，支持自適應多QoS限制的多路徑路由選擇。文獻[10]中基于AODV路由協議和IEEE 802.11e的MAC協議增強分布式協調訪問(EDCA)標準提出的一種跨層路由協議，根據延時、帶寬和路由穩定性等指標，尋找滿足應用需要的最佳路徑。文獻[11]中把有線網絡和光網絡中的標簽的概念移植到無線自組織網絡中，提出標簽路由協議(LRP)跨層路由協議框架，較之于DSDV、AODV、DSR和ZRP路由協議的效率有所提高。但目前為止，尚無針對數據鏈路層和網絡層的跨層協同設計技術進行的系統性的研究，鏈路層哪些信息有助于路由了協議優化，以及網絡層的哪些任務可以由鏈路層完成，這些問題都有待于深入研究和論證。

4 具有可擴展結構的無線自組織網絡

無線自組織網絡具有兩種不同的層次結構：平面結構和分層結構。在平面結構中，每個節點都需要知道到達其他所有節點的路由。由于節點的移動性，維護這個動態路由需要大量的控制信息。網絡規模越大，路由維護的開銷就越大。所以平面結構的網絡可擴展性較差。如何構建具有可擴展性的大規模自組織網絡體系結構一直是國內外研究的重點。目前，對于可擴展自組織網絡的研究都集中在分層自組織網絡體系結構上。

4.1 邏輯分層結構

分層自組織網絡體系結構源于分簇結構思想，如圖5所示，將網絡劃分成若干個簇，每個簇由一個簇頭和多個普通節點組成。簇頭之間的通信需要借助于網關節點完成，簇頭和網關形成高一級網絡，稱為虛擬骨干網。分級結構的網絡規模在很大程度上將不受限制，路由和控制開銷較小，并且容易實現移動性管理和網絡的局部同步。因此，當無線自組織網絡規模較大并需要提供一定的服務質量保障時宜采用分層分布式網絡結構。

但是分級結構也有它的缺點。首先，分級結構需要相應的分簇算法和簇維護機制；其次，節點之間的路由不一定是最優路由。但是，我們可以通過設計合理的分簇算法來減少維護簇結構所需的開銷，并且可以通過分布式網關來優化路由。通過將網絡劃分成簇，可以在無線自組織網絡中方便地實施資源管理。在每個簇內，簇頭可以控制節點的接入請求并且合理地分配帶寬。

此外在分簇結構中，可以采用結合先驗式和反應式優點的分級路由協議來提高路由算法的性能。因此基于分簇算法的分級網絡結構可以在很大程度上提高無線自組織網絡的性能和實用性。

4.2 物理分層機構

相對于分簇方式的邏輯分層結構，另外一類分層結構是建立在異構節點模型基礎之上的物理分層結構，即網絡中存在不同類型的節點，這些異構節點具有不同的系統參數，從而使得網絡物理上形成不同的層次。

典型的物理分層結構就是具有移動骨干網絡(MBN)的無線自組織網。這類自組網有兩類節點組成：骨干節點(BN)和普通節點(RN)，如圖6所示。BN一般具有多個無線收發設備，一種典型的配置是：其中一個無線設備的系統設置與網絡中普通節點相同，可與普通節點直接通信，而另一個無線設備往往具有更長的傳輸距離，更快的數據傳輸率，和較小的供電限制，節點通過該無線設備與其他BN互連，形成MBN。每一個BN類似簇首，負責管理、維護一個子網，子網的規模為k跳(k≥1)；每一個RN歸屬某一個由BN管理的子網，RN與所屬BN間的跳數最大為k跳。所以，這種網絡是一種兩層結構的網絡。

這種分層結構與分簇結構類似，也是將平面網絡劃分成若干子網，而與分簇結構不同的是：子網間互連是通過簇首形成的MBN實現；而在MBN中，BN之間通過無線信道直接互連，不再需要網關節點參與。而為了確保MBN的連通性，需要在MBN中部署足夠多的冗余BN，即具有組成骨干網絡能力的節點 (BCN)，當某一個BN移動引起MBN不連通時，在該區域的BCN自動轉換成為BN，保持MBN的連通性。

MBN結構特點是：根據組網信道的不同，網絡自然分成兩層結構，BN通過高速率的信道形成上層網絡MBN，RN則通過低速信道接入到某一個BN。每層網絡本身仍然是一個同質網絡，所以對于MBN可以進一步采用分簇技術，再形成多個邏輯分層結構。

4.3 異構自組織互聯網

以往的可擴展性自組織網絡體系結構的研究都偏重于如何將一個平面網絡分解成為多個相對對立、且相互連通的小規模子網，各個子網執行統一的自組織協議，通過構造高層網絡實現子網間的互連。與此對應，還存在另一類網絡系統，該系統本身就是由多個異構自組織子網組成，這些子網在通信體制、組網方式、自組織協議方面都存在差異，而由于實際應用的需求，要求在子網間實現通信，實現異構自組織網絡間的互連互通，應該是可擴展自組網體系結構研究的另一個方面，目前較多的方式仍是由高層網絡負責不同建制子網間的互連，如圖7所示。

在實際應用中，這類網絡系統是比較常見的。例如在軍事應用中，部隊按建制配備通信電臺，并形成各自獨立的通信子網。根據不同建制的通信需求，各單位所配備的電臺通信體制不盡相同，即使體制相同，工作的信道也可能互不相同，這樣就形成了由多個異構網絡組成的通信系統。又如，目前民用市場上出現了各式各樣的無線通信終端，其通信方式可能是超寬帶(UWB)、無線局域網(WLAN)、微波存取全球互通(WiMAX)等；這些不同通信體制的設備通過各自的自組織協議形成若干相互獨立的網絡，要實現它們之間的互聯互通實質上也是異構自組織網互聯的問題。

實現無線異構自組織網絡的互聯首先需尋找一種方法可屏蔽異構網絡通信方式的差異性，在開放系統互聯(OSI)七層模型中，網絡層的IP技術在設計時最大限度降低了應用對網絡的依賴性，所以在網絡層實現IP數據包的跨異構網傳輸是目前的首選方案。

在子網互聯結構中，拓撲的動態性更為復雜。從網絡結構來看，網絡的移動性模型可分為兩個層次：域內移動性和域間移動性，它們又分別被稱為微移動性和宏移動性。域內移動性是指節點在子網內的移動；域間移動性是指節點在相鄰子網間的漫游。此外，子網作為一個整體進行移動、多個具有相同通信體制的子網合并成一個新的子網、一個子網分裂成多個子網等情況也會產生一系列新的動態拓撲問題。所以網間自組織的設計應該充分考慮上述復雜性。

5 其他相關技術進展

5.1 無線自組織網絡的安全

無線自組織網絡的安全問題的最終目標是給用戶提供安全服務。為了實現這個目標，安全解決方法應該提供跨越整個協議棧的全面保護。現在對于無線自組織網絡安全的研究，鏈路層可以采用安全的無線MAC協議，采用檢測和響應策略進行反應式保護，對現有協議進行修改，確定安全漏洞，如IEEE 802.11i對IEEE 802.11wep安全問題的修補；在網絡層一般采取了相鄰節點驗證、安全增強型路由協議、相鄰節點監視、入侵響應等方法；傳輸層采用數據加密認證和保護端到端通信。

5.2 無線自組織網絡中的TCP

傳輸控制協議(TCP)是一個根據有效網絡帶寬控制器承載載荷的自適應傳輸協議，在沒有擁塞的時候將用色窗口增大，監測到擁塞的時候又減小擁塞窗口。這種機制在有線網絡中工作的很好，但是在無線自組織網絡中，TCP協議遇到了很多挑戰，如端到端時延的變化加大、報文丟失的原因增多、可用資源減少等問題。目前對于無線自組織網絡中TCP的研究，集中在擁塞窗口大小的控制、TCP的公平性、端到端時延的保證等方面。

5.3 無線自組織網絡中的節能

可達性和便攜性在無線自組織網絡中是一對矛盾的綜合體。一方面，為了提高通信的可達性，可以提高收發器的功率，這將帶來能耗的提高；另一方面，便攜性又對設備的體積、重量電源等提出了種種限制。為了保證無線自組織網絡的工作時間，可以提高電池供電能力，降低移動節點的能量消耗。前者的提高受到種種限制，不可以一蹴而就，目前的研究大都集中到了如何降低移動節點能量消耗上，如減少分組重傳，提高收發器的使用效率，設計基于功耗的路由算法等。

6 結束語

無線自組織網絡由于其可移動性、自組織性和便利性，成為通信領域發展的熱點之一；也正是這些特性對無線自組織網絡各方面的技術都提出了新的要求。目前不斷有基于原有基礎修改或者全新設計的思路、協議、方案提出，但是很多關鍵問題還沒有得到真正解決。這些問題的研究和解決，將使得無線自組織網絡迎來進一步的發展。

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收稿日期： 2007-06-01

作者簡介

韋云凱，電子科技大學通信與信息工程學院在讀博士研究生。先后參加國家“863”項目多項，主要研究領域為無線自組織網絡、多信道組網技術。

毛玉明，電子科技大學通信與信息工程學院教授，博士生導師。先后主持多項“863”項目，擁有多項專利。目前主要研究方向為寬帶無線通信網絡、寬帶通信網技術和高速信息處理技術等。

吳凡，電子科技大學通信與信息工程學院在讀博士研究生。先后參加國家“863”項目多項，主要研究領域為無線自組織網絡、無線路由技術。