無線自組織網絡路由與低功耗節點關鍵技術探討

呂弘

摘 要：作為無線自組織網絡（Ad Hoc網絡）的基礎，快速可靠的路由（fast andreliable protocol，簡稱：FAP）在應用中具有鮮明的特點即高度抗毀性、高度可靠性以及高度移動性，是目前Ad Hoc網絡研究應用過程中的關鍵技術點。AD HOC網絡在應用中以較窄的寬帶為無線信道，并且因低功耗節點的變相移動致使出現拓撲變化較為頻繁的現象，如若在Ad Hoc網絡中應用傳統的路由協議，周期性質的控制信息需占有大量的無線網絡資源，大大降低整個網絡系統的效率。與此同時，因Ad Hoc網絡的節點在應用中一般以電池進行供電，并且因技術層次的制約，電池容電量問題短時間內難以得到很好地解決。由此表明，Ad Hoc網絡路由與低功耗節點關鍵技術的研究具有顯著的劃時代意義。

關鍵詞：無線自組織網絡路由;低功耗節點;關鍵技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.129

作為目前普適計算（ubicomp）的新型實現技術之一，Ad Hoc網絡又被稱之為多跳性網絡。它是由一套無線信息接收設施蜂窩移動型終端節點組合而成的一種多跳臨時的無中心網絡架構，于任何的時間、地點、空間皆能快速可靠的建立移動性質的信息網絡平臺，且無需任何的信息網絡設備的維持，網絡結構中的任何一個終端節點皆能自行移動運轉，作用地位相同。

1 無限自組織網絡的定義敘述

Ad Hoc網絡的路由協議的三大核心功為：路徑的產生、抉擇、維護。在其中，路徑產生的定義為依據集中化或者分散化的蜂窩移動網絡通信技術以及用戶需求形成的網絡路徑，此項進程的首要內容為蜂窩網絡下的信息技術以及用戶的信息需求;在形成的網絡結構中，路徑的產生、抉擇往往可合在一起形成新的網絡路由協議即路徑發現;對網絡結構中的所有路徑進行維護便是路徑維護的主要功能[1]。因此為保證滿足Ad Hoc網絡需求，需重新設計于Ad Hoc網絡相切合的路由協議。

2 關于Ad Hoc 網絡特點介紹

依據相關文獻中，無線自組織網絡工作小組提出的RFC2501號文件中總結出以下幾點影響Ad Hoc網絡的因素：

第一、拓撲結構的動態變化：無線自組織網絡的終端節點能以任何的形態速率進行萬向自由的，因此，Ad Hoc網絡需能適用于拓撲結構的動態變化，尤其出現多跳臨時的網絡拓撲結構動態變化。

第二、寬帶的限制：Ad Hoc網絡在運行中會受到帶寬的限制，例如在工作環境以及公共網絡環境中，用戶的多路徑訪問、衰落的信道以及有限的頻譜聚能引發信道問題，從而影響Ad Hoc網絡的運行。

第三、受限于終端節點能量：在應用Ad Hoc網絡的環境受限于終端節點的能量限制性問題。因而在開始，設計Ad Hoc網絡路由協議時需首先考慮如何設計低能耗的節點，否則會致使路由協議變得尤為復雜多變。

第四、運行中風險的安全性問題：運行Ad Hoc網絡中，本身就存有一定風險性，極易遭受外部攻擊，因此經數據鏈接層、網絡層引入部分安全機制，以此減小風險性。另外Ad Hoc網絡的架構從實際意義上講也在一定程度上提升了網絡的健壯性。

3 設計低功耗節點喚醒Ad Hoc網絡協調器的運行

第一、Ad Hoc網絡協調器的總體構成。運行無線傳感器網絡中，大多數的路由協議的節點并無需全部以電池進行供電，比如IEEE 802.15.4/Zigbee路由協議。從功能的角度分類，路由協議將網絡設施劃分為兩大類即全功能設施（FFD）以及簡化功能設施（RFD）。低功耗節點喚醒Ad Hoc網絡協調器的總體架構，從能耗角度進行分類，節點可分為兩大類即受電量限制的設備（PLD）以及不受電量限制的設備（PUD），PLD指的是受電池電量限制，對于功耗有嚴格的要求的設備;PUD指的是可持續性供電的，并無電量限制以及嚴格的功耗要求的設備。

舉例說明：一款有6種睡眠功效的低能耗芯片的設計即Atmega128L，它的設計模塊包含傳感器，微處理器，喚醒機制，射頻通信以及電源等。相比常規的無線傳感器設計添加了喚醒機制。喚醒機制的構成主要有內電路板以及天線。天線主要的作用為從電磁場中接收能量信號以此提供給內電路板[2]。

第二、低耗能節點的設計。從上述的例子中，Atmega128L在設計之初增加了喚醒機制，并選擇低能耗的芯片用于無線傳感器網絡的終端節點，在睡眠模式下喚醒機制的工作時長為6個時鐘周期，并于8MHz工作頻率之下，喚醒時長約有0.73μs。CC1000射頻接收芯片，以433MHz的頻率接收時平均電量功耗約有7.5毫安，發射時的平均電量功耗約有15.1毫安，喚醒的工作時長為5ms。通過對比可表明低能耗喚醒機制在Ad Hoc網絡協調器運行中具有較高的時效性以及較低的能耗，大大滿足Ad Hoc網絡的需求[3]。

綜上所述，在無線自組織網絡的運行中，依據低功耗節點喚醒Ad Hoc網絡協調器技術，產生的信號喚醒控制微單元（MCU），從而喚醒通信模塊接收信息數據，保證信息的時效性以及低能耗，因此低功耗節點應用于Ad Hoc網絡中的關鍵便是技術的創新及變革。

參考文獻：

[1]劉半藤，周瑩，陳友榮等.基于移動—能量代價函數的無線自組織網絡路由策略研究[J].傳感技術學報，2017，30（02）：302-305.

[2]姚俊杰，張新晨.基于超長距低功耗數據傳輸技術與無線通信技術的智能水表系統[J].計算機測量與控制，2018，v.26;No.236（05）：288-291.

[3]李鵬飛，雷迎科.動態Ad hoc網絡關鍵節點識別[J].計算機應用研究，2017，34（05）：1473-1475.