無線自組織網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)研究＊

但學(xué)峰 胡 劍

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種由若干無線通信設(shè)備組合形成的一種分布式無線分組網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)既是終端，又是路由器，不在彼此覆蓋范圍內(nèi)的無線節(jié)點(diǎn)之間的通信可經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來完成。

無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活、分布實(shí)施、抗毀能力強(qiáng)、可快速組網(wǎng)等特點(diǎn)，可作為野戰(zhàn)通信、公安、緊急搜救、會議會場、信息家電等的通信網(wǎng)絡(luò)，也可作為已有無線、有線網(wǎng)絡(luò)的多跳擴(kuò)展，拓寬它們的覆蓋范圍。無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

軍事應(yīng)用是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。對Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究已成為各軍事強(qiáng)國軍事通信技術(shù)研究中的一大熱點(diǎn)。根據(jù)我軍現(xiàn)狀，大力開展海軍新型裝備的研制及配套科研工作顯得尤其緊迫。海上艦艇編隊(duì)是我海軍的重要作戰(zhàn)單元，具有高度機(jī)動性的特點(diǎn)。海上編隊(duì)作戰(zhàn)群內(nèi)部、作戰(zhàn)群與作戰(zhàn)群之間的通信暢通保障十分重要。保障我海軍艦艇編隊(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境下履行新時(shí)期作戰(zhàn)使命、保障信息化條件下編隊(duì)作戰(zhàn)、應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境挑戰(zhàn)、實(shí)施海軍通信發(fā)展規(guī)劃，均對海軍作戰(zhàn)通信網(wǎng)絡(luò)和信息基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高要求。艦艇編隊(duì)要實(shí)現(xiàn)從以平臺為中心的作戰(zhàn)向以網(wǎng)絡(luò)為中心的作戰(zhàn)轉(zhuǎn)型，構(gòu)建高效、頑存、網(wǎng)絡(luò)化海上戰(zhàn)術(shù)無線通信系統(tǒng)，為編隊(duì)內(nèi)各作戰(zhàn)單元間戰(zhàn)術(shù)信息的傳輸與交換提供公共平臺。結(jié)合海上編隊(duì)通信的自身特點(diǎn)以及未來信息戰(zhàn)對通信系統(tǒng)越來越高的要求，為了實(shí)現(xiàn)海軍作戰(zhàn)能力的跨越式發(fā)展，我們必須建設(shè)符合我海軍作戰(zhàn)需求的海上編隊(duì)無線移動自組網(wǎng)。

2 網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)［1～3］指的是網(wǎng)絡(luò)的各層及其節(jié)點(diǎn)的集合，是網(wǎng)絡(luò)及其各部件所完成功能的具體定義。由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特性，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)已無法適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需要，需要為其設(shè)計(jì)新的體系結(jié)構(gòu)以滿足其網(wǎng)絡(luò)的特性和特殊的應(yīng)用環(huán)境。

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般可分為平面式結(jié)構(gòu)和分級式結(jié)構(gòu)［4～5］兩種。

平面結(jié)構(gòu)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。所有的節(jié)點(diǎn)功能相同，在網(wǎng)絡(luò)控制、路由選擇和流量管理上是平等的，所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)原則上不存在瓶頸，網(wǎng)絡(luò)比較健壯。源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間一般有多條路徑，可以較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡和選擇最優(yōu)化的路由。此外，平面結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍較小，相對比較安全。對于中小型網(wǎng)絡(luò)，平面式結(jié)構(gòu)易于管理和維護(hù)，比較容易實(shí)現(xiàn)。但是，在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)很多，特別是在節(jié)點(diǎn)大量移動情況下，平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有控制開銷大、路由經(jīng)常中斷等缺點(diǎn)。其可擴(kuò)張性較差，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其它所有節(jié)點(diǎn)的路由，維護(hù)這些動態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息。在節(jié)點(diǎn)數(shù)目很多，特別是在節(jié)點(diǎn)大量移動的情況下，平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)施有效的網(wǎng)絡(luò)管理和控制。當(dāng)平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大到某個(gè)程度時(shí)，所有的帶寬都可能會被路由協(xié)議消耗掉。因此，平面結(jié)構(gòu)只適用于中小規(guī)模的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

圖1 平面式結(jié)構(gòu)

在分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分成一到多個(gè)簇（Cluster）。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)簇成員組成，這些簇頭形成高一級的網(wǎng)絡(luò)。在分級結(jié)構(gòu)中，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)形成高一級的網(wǎng)絡(luò)，成為虛擬骨干網(wǎng)絡(luò)。在分簇結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)是指位于兩個(gè)簇頭通信范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。簇成員的功能比較簡單，不需要護(hù)復(fù)雜的路由信息，可減少網(wǎng)絡(luò)中控制信息的數(shù)量。由于簇的數(shù)量不受限制，因此網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性。另外，簇中的簇頭可以隨時(shí)選舉產(chǎn)生，因此這種結(jié)構(gòu)也具有強(qiáng)的抗毀性。但是，分簇式結(jié)構(gòu)存在著如下的缺點(diǎn)：需要專門的簇頭選擇算法和簇護(hù)機(jī)制；簇頭節(jié)點(diǎn)的任務(wù)相對比較重，可能會成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸；在簇間不一定能是最佳路由。

根據(jù)不同的硬件配置，分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又可以被分為單頻率分級和多頻率分級兩種。信道的區(qū)分可采用各種多址技術(shù)，如FDMA、TDMA、CDMA等。

圖2 單頻分級結(jié)構(gòu)

單頻分級網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，其中所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信。為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（同時(shí)屬于兩個(gè)簇的節(jié)點(diǎn)）的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了高一級的網(wǎng)絡(luò)，成為虛擬骨干網(wǎng)。

圖3 多頻分級結(jié)構(gòu)

多頻分級網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，不同級采用不同的通信頻率。低級節(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級節(jié)點(diǎn)要覆蓋較大的范圍。高級節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級的通信。在圖3所示的兩級網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信，而頻率2用于簇頭之間的通信。分級網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以成為簇頭，所以需要適當(dāng)?shù)拇仡^選舉算法，算法要能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓匦路执亍?/p>

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的多跳移動網(wǎng)絡(luò)，有著廣泛的應(yīng)用。在一般應(yīng)用中，Ad Hoc可以采用平面結(jié)構(gòu)或分級結(jié)構(gòu)，但在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的QoS支持時(shí)，通常需要采用分級結(jié)構(gòu)。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，分級結(jié)構(gòu)需要通過分簇的方法來構(gòu)造，即通過將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)劃分成若干簇以構(gòu)成分簇結(jié)構(gòu)。

分簇結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

1）有效地利用多信道，可以減少共享相同信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，從而降碰撞概率，大幅度提高了系統(tǒng)容量，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)帶寬的應(yīng)用，提高了共享信道的利用率［6，9］。

2）對于多媒體服務(wù)提供有效的 QoS服務(wù)［8～9，11］。

3）支持大規(guī)模的無線網(wǎng)絡(luò)，具有很好的可擴(kuò)充性，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不受限制，可以簡單地通過增加簇的個(gè)數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)來增加網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模［10，12］。

4）分級結(jié)構(gòu)使路由信息局部化，減少了路由協(xié)議的開銷和控制開銷［7，11］，提高了系統(tǒng)的吞吐量，并且容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的局部同步［7，9］。

5）分級結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的定位要比平面結(jié)構(gòu)簡單。在平面結(jié)構(gòu)中，想知道一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，需要在全網(wǎng)中執(zhí)行查詢操作。而在分級結(jié)構(gòu)中，簇頭知道所屬簇成員位置，只需查詢相應(yīng)的簇頭就可以獲得節(jié)點(diǎn)的位置信息。

6）分級結(jié)構(gòu)結(jié)合了無中心和有中心模式，可以采用兩種模式的技術(shù)優(yōu)勢。每個(gè)簇都有控制中心，基于有中心的TDMA、CDMA和輪詢等接入技術(shù)都可以在分級的網(wǎng)絡(luò)中使用，并且基于有中心控制的路由、功率控制、移動性管理和網(wǎng)絡(luò)管理等機(jī)制也可以移植到AdHoc網(wǎng)絡(luò)中。

但也有缺點(diǎn)：首先，維護(hù)可靠的能夠適應(yīng)拓?fù)渥兓姆旨壗Y(jié)構(gòu)需要某種分簇算法；其次，節(jié)點(diǎn)之間的路由不一定是最優(yōu)路由。此外，簇首的任務(wù)相對較重，不僅要維護(hù)到達(dá)其他簇首的路由，還要負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，有可能成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。

總之，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時(shí)，可以采用簡單的平面式結(jié)構(gòu)；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時(shí)，應(yīng)采用分級結(jié)構(gòu)。

3 仿真分析

根據(jù)以上分析，對平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比仿真。比較在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)控制開銷的影響。所謂網(wǎng)絡(luò)控制開銷，是指在仿真過程中，在發(fā)送的包的比特?cái)?shù)中，控制包的比特?cái)?shù)所占的比例，即控制包的比特?cái)?shù)／總的包的比特?cái)?shù)。仿真軟件采用Qualnet4.5。

仿真實(shí)驗(yàn)場景的設(shè)置：

場景大小：200km×200km；節(jié)點(diǎn)數(shù)目：10～100個(gè)；信道模型：理想無衰落信道；物理層模型：abstract；傳輸速率：256kbps；MAC協(xié)議：MACA；路由協(xié)議：AODV。

3.1 網(wǎng)絡(luò)控制開銷比較

分別針對這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每增加5個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行10次仿真，將這10次的仿真結(jié)果作平均。具體結(jié)果如下。

圖4 開銷比較仿真結(jié)果

從上圖可以看出：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小的情況下，平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制開銷要略小于分級結(jié)構(gòu)，但是差別不大；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，平面結(jié)構(gòu)的控制開銷增長速度要明顯高于分級結(jié)構(gòu)的增長速度，平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制開銷大于分級結(jié)構(gòu)的控制開銷；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到85個(gè)以上時(shí)，平面結(jié)構(gòu)的控制開銷迅速增加，開銷大于80%以上，表明80%以上的帶寬被用于傳輸控制信息了，最后網(wǎng)絡(luò)開銷甚至于增加到100%，表明這時(shí)的所有帶寬都被用來傳輸控制信息了，而有用的數(shù)據(jù)沒有被傳送，目的節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包為0；而此時(shí)的分級結(jié)構(gòu)的控制開銷仍然維持在60%左右，幾乎有一半的帶寬在傳輸數(shù)據(jù)，表明分級結(jié)構(gòu)的效率在此時(shí)明顯要高于平面結(jié)構(gòu)的效率。

綜上所述，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，適宜采用平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，適宜采用分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

3.2 時(shí)延比較

利用以上的場景，分別針對這兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每增加5個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行10次仿真，將這10次的仿真結(jié)果作平均。具體結(jié)果如下。

圖5 時(shí)延比較仿真結(jié)果

從上圖可以看出：當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較少，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小的情況下，平面結(jié)構(gòu)的時(shí)延與分級結(jié)構(gòu)相當(dāng)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，平面結(jié)構(gòu)的時(shí)延增長速度要明顯高于分級結(jié)構(gòu)的增長速度，平面結(jié)構(gòu)的時(shí)延大于分級結(jié)構(gòu)的時(shí)延；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到40個(gè)以上時(shí)，平面結(jié)構(gòu)的時(shí)延迅速增加到1s，此處的1s代表有數(shù)據(jù)包丟失，時(shí)延足夠大，而此時(shí)分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延僅為0.2s。

綜上所述，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少時(shí)，平面結(jié)構(gòu)的時(shí)延與分級結(jié)構(gòu)相當(dāng)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，適宜采用分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語

未來的信息化戰(zhàn)爭，戰(zhàn)場空間將是多維一體，陸、海、空、天、電、網(wǎng)等各個(gè)戰(zhàn)場空間的聯(lián)系十分緊密。一體化的信息系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)一體化聯(lián)合作戰(zhàn)的基礎(chǔ)。因此，構(gòu)建一體化的通信系統(tǒng)對于我軍的信息化建設(shè)至關(guān)重要。結(jié)合未來信息戰(zhàn)對通信系統(tǒng)越來越高的要求，實(shí)現(xiàn)海軍作戰(zhàn)能力的跨越式發(fā)展，必須建設(shè)符合我海軍作戰(zhàn)需求的海上編隊(duì)無線移動自組網(wǎng)。

隨著科技的發(fā)展，未來的戰(zhàn)爭將轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)，目前的網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)系統(tǒng)將越來越難以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭的需要。隨著未來作戰(zhàn)單元的迅速增加，平面化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系根本滿足不了戰(zhàn)爭的要求，未來將趨向于分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)。

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