无线自组织网络关键技术与进展

无线自组织网络关键技术与进展
2007年8月6日 10:57 通信世界网评论(0) 阅读：次作者：韦云凯毛玉明吴凡
无线自组织网络由不需要任何基础设施的一组具有动态组网能力的节点组成，这种网络适应了军事和商用中对网络和设备移动性的要求，而引起了人们的关注，并在20世纪90年代以后获得了广泛的研究和发展。

与其他通信网络相比，无线自组织网络具有带宽有限、链路容易改变、节点的移动性以及由此带来的网络拓扑的动态性、物理安全有限、受设备限制等特点。

正是由于这些区别，无线自组织网络协议栈也产生了比传统网络协议栈更高的要求：适应移动分布节点随机收发行为的媒体接入控制(MAC)协议，基于动态拓扑结果的高效、稳健的路由算法，便利的异构网络互联技术，有效的功率控制，合理的跨层信息交互、多层协同设计，可靠的安全机制等等。

1 MAC协议
MAC协议是无线自组织网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。

目前，在无线自组织网络中MAC协议面临着隐藏终端、暴露终端，信道分配，单向链路，广播扩散等问题。

1.1隐藏终端、暴露终端问题
如图1所示，节点A、B、C都工作在同一个信道上，当节点A向节点B发送分组时，载波侦听机制无法阻止节点C发送数据，造成信号在节点B处冲突。

节点C是隐藏在节点A的覆盖范围之外的、却又能对节点A的发送形成冲突的节点，这种在发送节点覆盖范围以外的、存在着潜在冲突的节点问题就是信道访问中的隐藏终端问题。

隐藏终端问题会大大降低信道的通信能力。

另外还有一种情况也会降低信道的通信能力，即所谓的暴露终端问题。

如图2所示，当节点B向节点A 发送分组时，节点C侦听到节点B在发送分组，所以推迟发送分组。

这种推迟是毫无必要的，因为节点C 向节点D发送分组和节点B向节点A发送分组并不冲突，此时节点C是节点B的暴露终端。

这种因发送节点在其覆盖范围内，感知到有其他节点在传输，而进行不必要的发送延迟就是暴露终端问题。

IEEE 802.11中提出的请求发送/准备接受/确认(RTS/CTS/ACK)握手机制，以及目前在很多研究中提出的控制信道-数据信道协作的方式，可以在一定程度上解决隐藏终端问题，但对于暴露终端问题，目前还没有充分有效的解决方式。

RTS/CTS/ACK机制的基本思想是在传输数据帧之前，A、B之间先用很短的握手帧RTS进行沟通，而其他所有无关节点收到RTS或CTS后，抑制自己的发送动作，避免冲突，从而为A、B间的数据帧传输提供一个短暂的“净空”。

正确收到的帧需要使用ACK来进行确认。

这种改进只能解决单信道无线自组织网络的部分问题。

假设一个网络具有n个任意分布的节点，每个节点的传输容量是W，那么每个节点可以达到的吞吐量将会是，即使对这些节点的位置进行优化，也仅能使得每个节点的吞吐量达到的水平[1]。

由此可以看出，无线自组织网络节点数量的增大，将会使节点的吞吐量快速降低，尤其是在节点任意分布的情况下。

1.2信道分配问题
最初的无线自组织网络，由于技术和设备的限制，各节点都工作在一个信道上。

随着设备和相关协议的发展，多信道、甚至是多接口-多信道无线自组织网络已经在步入实用。

对于单信道无线自组织网络，其MAC协议需要考虑的是如何充分利用信道，避免冲突。

载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)机制是目前应用非常广泛的协议，节点通过物理信道侦听(CCA)与虚拟网络侦听(NAV)结合的方式进行载波侦听，采用基于长帧间隙、中帧间隙和短帧间隙等不同时隙的退避机制和冲突避免策略，竞争信道进行发送。

时分多址(TDMA)机制可以将信道按照时间片划分为多个时隙，节点按照静态或者动态分配方式占用其中的一个或者几个时隙。

但是对于无线自组织网络来说，静态分配方式不能适应节点的移动和拓扑的变化；而在一个分布式多跳系统内，进行动态分配也还有很多问题需要解决，目前的研究多是针对基于某些假设或者某种应用背景的无线自组织网络，还没有普遍适用的方法提出。

将CSMA/CA 和TDMA结合，提高信道分配效率，减少冲突也是一种值得研究的内容。

多信道无线自组织网络，则需要关注如何在节点间分配信道，以提高网络吞吐量，避免冲突，实现信道上的负载均衡。

目前较多的做法是，将信道分为控制信道和数据信道，节点在控制信道中协商数据交换采用的数据信道，然后在相应的数据信道上进行数据通信。

控制信道和数据信道的划分可能是时间上的，也可能是空间上的。

比如，一个信道在某个时刻可能用作控制信道，协商好数据信道后，切换到相应的数据信道进行通信。

也可能一个节点拥有几个接口，其中的一个接口固定工作在某个控制信道上，其他接口固定或者动态实用某个数据信道。

不管是哪种方式，都需要占用一定的资源用于信道协商。

这种占用是值得的，目前在多信道的理论分析结果说明，在合理设计的多信道条件下，不仅可以提高整体网络容量，还可
以提高每个信道的实际吞吐量。

但是这些研究多是基于静态的。

开发一种基于拓扑结构的算法，对信道资源进行动态分配，也是一个值得研究的问题。

1.3单向链路问题
单向链路问题是无线通信中一个普遍存在的问题。

如图3所示，A的信号覆盖范围包括B，而B由于功率、地形等因素，信号不能覆盖到A，则B可以收到A的信息，而A不能收到B的信息，这就构成了单向链路。

在单向链路情况下，RTS/CTS/ACK、控制信道协商等机制都不再有效。

在目前的标准与应用中，很多都没有使用、或者是没有涉及单向链路。

这对信道资源而言是一个很大的浪费。

如果能够通过链路层和物理层的协同控制，借助网络层的某些信息，控制A可以直接发送给B，而B可以通过适当的节点转发给A，则可以提高信道的利用率。

1.4广播
无线自组织网络中的广播，对于信道利用率有很大的影响。

最基本的思路是：一个节点的广播被其所有邻居节点收到，所有的邻居节点再次转发这个广播。

但这种做法显然是行不通的，一个节点可能反复收到同一条广播，并多次转发。

即使采用某种机制辨别出是自己已经转发过的，而不再次转发，也已经对信道构成了浪费[2]。

比较行之有效的一种方法是，借鉴区域路由协议(ZRP)中的多点中继(MPR)思路，某节点A根据拓扑信息将邻居节点中的某些节点设为MPR节点，只有被设为MPR节点的，才转发A所发出的广播。

其他节点依次类推。

这种方式大大减少了广播转发的次数，减少了信道的无谓占用，提高了信道利用效率。

2 路由技术
2.1无线自组织网络路由协议
无线自组织网络环境下，节点间的无线链路及由此而形成的网络拓扑结构随节点的位置分布和移动、信道的变化等因素呈现出动态变化的特性。

无线网络的路由技术面临的困难远比有线网络的大的多，有线网络的路由技术完全无法直接移植到无线网络中来。

按照路由协议建立和维护方式的不同，可以将无线自组织网络路由协议分为3类：先应式路由协议、反应式路由协议、混合式路由协议，如图4所示。

先应式路由协议仿照有线网络的做法，在每个节点建立和维护包含到达其他节点的路由信息的路由表，源节点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的节点的路由。

因此这种路由协议的时延较小，但路由协议在及时把握网络拓扑结构的变化、路由更新和维护等方面，占用无线信道通信资源的开销较大，在移动性高而负载轻的网络中性能较差。

反应式路由协议在需要发送数据时才查找路由，与先验式路由协议相比，反应式路由协议的开销较小，能够快速的适应网络拓扑变化，但是由于存在发现过程使数据报传送的时延较大，在网络负载很重的情况下，其性能较差。

混合式路由协议中在局部范围内使用先验式路由协议，维护准确的路由信息，并可缩小路由控制消息传播的范围，当目标节点较远时，通过查找发现路由，这样既减少路由协议的开销，也改善了时延特性。

2.2无线自组织网络组播路由协议
根据参与组播路由的节点构成的网络拓扑结构，无线自组织网络组播路由协议可分为以下几类[3-4]：基于树的组播路由协议、基于网格的组播路由协议、混合的组播路由协议。

在有线网络中，通过采用组播分发树能有效地实现组播。

受此启发，早期的自组织网络最组播路由也是使用树结构。

基于树的组播路由协议一般包括两个过程：组播树形成和组播树维护。

在组播树形成过程中，节点启动加入组播树过程：节点广播发送查询分组查找组播树，组播树上的节点在收到查询分组后回复响应分组，当加入节点收到响应分组后就能通过回复节点加入组播树。

当加入节点收到多个回复报文时，根据一定策略选择一条最优路径。

组播树的维护是通过Hello机制来监控树型拓扑结构，即树根节点周期性发送Hello报文给子节点，若子节点在一定时间内未收到Hello报文，则认为树枝已经断开。

这时由子孙节点启动树链路修复过程。

典型协议有：利用递增序号的组播路由协议(AMRIS)、按需距离适量的组播路由协议(MAODV)、轻量的自适应组播路由协议(LAM)等。

基于网格的组播路由协议与组播树协议不同，数据分组以广播的方式在网络中传输。

网络中网格节点负责广播中继分组。

基于网格的组播路由协议一般包括两个过程：加入组播网格和维护组播网格。

典型的协议有：按需组播路由协议(ODMRP)、核心辅助的网格协议(CAMP)、前向转发组组播路由协议(FGMP)等。

混合组播路由协议设计出发点是：充分利用树结构和网格结构各自优点。

混合组播是在网格结构基础上构建组播树。

混合的组播路由协议一般包括建立网格和建立组播树两个过程。

在网格基础之上建立组播树的一般过程是：核心节点或源节点向邻居网格节点发送创建树链路控制报文；当网格节点收到非重复的创建树报文时，将该报文转发给其他邻居网格节点，同时，该节点加入组播树；当网格节点收到重复的创建树报文时；向发送该报文的节点回复剪枝报文以剪去该组播树链路。

典型的混合组播路由协议有Ad hoc 组播路由协议(AMRoute)和核心提取的分布式组播Ad hoc路由协议(MCEADR)。

2.3QoS路由
自组网QoS路由的目标是满足QoS连接请求的一条或多条路由，同时提供足够的路由资源信息，为管理控制机制提供支持，完成全网资源的有效利用。

目前自组网的QoS路由问题还处在起步阶段。

无线自组织网络的QoS研究主要集中在QoS模型、具有资源预约功能的信令、QoS路由协议和QoS媒体接入协议以及接纳控制和调度等方面。

由于无线自组织网络具有无中心结构，拓扑动态变化，节点资源受限，无线节点间相互干扰等特性，使得自组织网络中的QoS路由设计面临新的挑战。

这主要体现在：
拓扑结构的动态变化使节点间链路状态信息的获取和管理维护困难。

由于相邻节点间存在“隐蔽终端”、“暴露终端”、“侵入终端”等相互干扰，使得无线链路状态难以确定，例如带宽、时延、时延抖动等链路参数都很难及时获取和更新维护。

随时存在的单向信道的存在使得QoS路由协议设计困难，主要体现在:认知的单向性、路由的单向性和汇点不可达。

每个节点资源有限，使得QoS路由选择不能太复杂。

基于约束的QoS路由选择十分加困难。

特别是当路由选择的约束条件包含两个或两个以上QoS参数时，路由选择将是一个NP完全问题[5]。

常见的无线自组织网络QoS路由协议有核心提取的分布式Ad hoc路由协议(CEDAR)[6]、基于标签探测的路由协议(TBP)[7]、保证服务质量的优化的链路状态路由协议(QoS-OLSR)[8]、分布式服务质量路由算法(DQoSR)等。

实际上，无线自组织网络上可提供QoS的能力非常有限，目前网络的QoS研究主要针对的是网络的QoS能力的提升，在提供满足应用需求的QoS方面还有很长的路要走。

3 跨层设计
无线自组织网络中链路的带宽较紧缺，而节点的处理能力和存储空间相对充足，因此需要通过增加协议栈各层之间的垂直交互来减少协议层对等实体之间的水平通信。

跨层协同设计正是这种原则的一种具体的体现形式，网络各层共享与其他层相关的信息，从而对无线自组织网络进行整体设计。

按照这种方式设计的协议栈中的各层协议在逻辑上是相互耦合的，各层协议之间垂直通信的增加允许上下层协议更好地结合，从而能够减少不必要的水平通信造成的带宽等资源浪费，有效地提高网络的整体性能。

无线自组织网络中，通过拓扑发现技术节点可以学习到局部拓扑信息。

如何充分挖掘这些信息以实现优化自组织网络的通信性能，是一个值得研究的课题。

目前的研究主要集中在如何利用局部拓扑信息在自组织网中实现高效广播传输、减小路由发现开销、改进路由维护等。

当前的研究成果都体现出一个基本观点：无线自组织网络中的数据转发不能仅依靠网络层路由功能，必须结合链路层以及物理层实施跨层联合设计。

因此在今后的无线自组织网络中，节点需要的不仅仅是局部的拓扑信息，还会需要更多的局部网路、链路参数。

综合考虑各协议层之间的信息进行路由协议设计，是无线自组织网络跨层协同设计的重点和技术难点之一。

其设计需要考虑网络节点的移动性、有限带宽和不稳定的信道质量等特征，网络层可以基于当前的链路参数、网络和业务量状况选择合适的路由，实现对网络资源的有效分配。

文献[9]中提出了一种跨层协同机制，利用多目标优化算法来计算跨层机制中使用的路由参数，支持自适应多QoS限制的多路径路由选择。

文献[10]中基于AODV路由协议和IEEE 802.11e的MAC协议增强分布式协调访问(EDCA)标准提出的一种跨层路由协议，根据延时、带宽和路由稳定性等指标，寻找满足应用需要的最佳路径。

文献[11]中把有线网络和光网络中的标签的概念移植到无线自组织网络中，提出标签路由协议(LRP)跨层路由协议框架，较之于DSDV、AODV、DSR和ZRP路由协议的效率有所提高。

但目前为止，尚无针对数据链路层和网络层的跨层协同设计技术进行的系统性的研究，链路层哪些信息有助于路由了协议优化，以及网络层的哪些任务可以由链路层完成，这些问题都有待于深入研究和论证。

4 具有可扩展结构的无线自组织网络
无线自组织网络具有两种不同的层次结构：平面结构和分层结构。

在平面结构中，每个节点都需要知道到达其他所有节点的路由。

由于节点的移动性，维护这个动态路由需要大量的控制信息。

网络规模越大，路由维护的开销就越大。

所以平面结构的网络可扩展性较差。

如何构建具有可扩展性的大规模自组织网络体系结构一直是国内外研究的重点。

目前，对于可扩展自组织网络的研究都集中在分层自组织网络体系结构上。

4.1逻辑分层结构
分层自组织网络体系结构源于分簇结构思想，如图5所示，将网络划分成若干个簇，每个簇由一个簇头和多个普通节点组成。

簇头之间的通信需要借助于网关节点完成，簇头和网关形成高一级网络，称为虚拟骨干网。

分级结构的网络规模在很大程度上将不受限制，路由和控制开销较小，并且容易实现移动性管理和网络的局部同步。

因此，当无线自组织网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分层分布式网络结构。

但是分级结构也有它的缺点。

首先，分级结构需要相应的分簇算法和簇维护机制；其次，节点之间的路由不一定是最优路由。

但是，我们可以通过设计合理的分簇算法来减少维护簇结构所需的开销，并且可以通过分布式网关来优化路由。

通过将网络划分成簇，可以在无线自组织网络中方便地实施资源管理。

在每个簇内，簇头可以控制节点的接入请求并且合理地分配带宽。

此外在分簇结构中，可以采用结合先验式和反应式优点的分级路由协议来提高路由算法的性能。

因此基于分簇算法的分级网络结构可以在很大程度上提高无线自组织网络的性能和实用性。

4.2物理分层机构
相对于分簇方式的逻辑分层结构，另外一类分层结构是建立在异构节点模型基础之上的物理分层结构，即网络中存在不同类型的节点，这些异构节点具有不同的系统参数，从而使得网络物理上形成不同的层次。

典型的物理分层结构就是具有移动骨干网络(MBN)的无线自组织网。

这类自组网有两类节点组成：骨干节点(BN)和普通节点(RN)，如图6所示。

BN一般具有多个无线收发设备，一种典型的配置是：其中一个无线设备的系统设置与网络中普通节点相同，可与普通节点直接通信，而另一个无线设备往往具有更长的传输距离，更快的数据传输率，和较小的供电限制，节点通过该无线设备与其他BN互连，形成MBN。

每一个BN类似簇首，负责管理、维护一个子网，子网的规模为k跳(k≥1)；每一个RN归属某一个由BN管理的子网，RN与所属BN间的跳数最大为k跳。

所以，这种网络是一种两层结构的网络。

这种分层结构与分簇结构类似，也是将平面网络划分成若干子网，而与分簇结构不同的是：子网间互连是通过簇首形成的MBN实现；而在MBN中，BN之间通过无线信道直接互连，不再需要网关节点参与。

而为了确保MBN的连通性，需要在MBN中部署足够多的冗余BN，即具有组成骨干网络能力的节点 (BCN)，当某一个BN移动引起MBN不连通时，在该区域的BCN自动转换成为BN，保持MBN的连通性。

MBN结构特点是：根据组网信道的不同，网络自然分成两层结构，BN通过高速率的信道形成上层网络MBN，RN则通过低速信道接入到某一个BN。

每层网络本身仍然是一个同质网络，所以对于MBN可以进一步采用分簇技术，再形成多个逻辑分层结构。

4.3异构自组织互联网
以往的可扩展性自组织网络体系结构的研究都偏重于如何将一个平面网络分解成为多个相对对立、且相互连通的小规模子网，各个子网执行统一的自组织协议，通过构造高层网络实现子网间的互连。

与此对应，还存在另一类网络系统，该系统本身就是由多个异构自组织子网组成，这些子网在通信体制、组网方式、自组织协议方面都存在差异，而由于实际应用的需求，要求在子网间实现通信，实现异构自组织网络间的互连互通，应该是可扩展自组网体系结构研究的另一个方面，目前较多的方式仍是由高层网络负责不同建制子网间的互连，如图7所示。

在实际应用中，这类网络系统是比较常见的。

例如在军事应用中，部队按建制配备通信电台，并形成各自独立的通信子网。

根据不同建制的通信需求，各单位所配备的电台通信体制不尽相同，即使体制相同，工作的信道也可能互不相同，这样就形成了由多个异构网络组成的通信系统。

又如，目前民用市场上出现了各式各样的无线通信终端，其通信方式可能是超宽带(UWB)、无线局域网(WLAN)、微波存取全球互通(WiMAX)等；这些不同通信体制的设备通过各自的自组织协议形成若干相互独立的网络，要实现它们之间的互联互通实质上也是异构自组织网互联的问题。

实现无线异构自组织网络的互联首先需寻找一种方法可屏蔽异构网络通信方式的差异性，在开放系统互联(OSI)七层模型中，网络层的IP技术在设计时最大限度降低了应用对网络的依赖性，所以在网络层实现IP数据包的跨异构网传输是目前的首选方案。

在子网互联结构中，拓扑的动态性更为复杂。

从网络结构来看，网络的移动性模型可分为两个层次：域内移动性和域间移动性，它们又分别被称为微移动性和宏移动性。

域内移动性是指节点在子网内的移动；域间移动性是指节点在相邻子网间的漫游。

此外，子网作为一个整体进行移动、多个具有相同通信体制的子网合并成一个新的子网、一个子网分裂成多个子网等情况也会产生一系列新的动态拓扑问题。

所以网间自组织的设计应该充分考虑上述复杂性。

5 其他相关技术进展
5.1无线自组织网络的安全
无线自组织网络的安全问题的最终目标是给用户提供安全服务。

为了实现这个目标，安全解决方法应该提供跨越整个协议栈的全面保护。

现在对于无线自组织网络安全的研究，链路层可以采用安全的无线MAC 协议，采用检测和响应策略进行反应式保护，对现有协议进行修改，确定安全漏洞，如IEEE 802.11i对IEEE 802.11wep安全问题的修补；在网络层一般采取了相邻节点验证、安全增强型路由协议、相邻节点监视、入侵响应等方法；传输层采用数据加密认证和保护端到端通信。

5.2无线自组织网络中的TCP
传输控制协议(TCP)是一个根据有效网络带宽控制器承载载荷的自适应传输协议，在没有拥塞的时候将用色窗口增大，监测到拥塞的时候又减小拥塞窗口。

这种机制在有线网络中工作的很好，但是在无线自组织网络中，TCP协议遇到了很多挑战，如端到端时延的变化加大、报文丢失的原因增多、可用资源减少等问题。

目前对于无线自组织网络中TCP的研究，集中在拥塞窗口大小的控制、TCP的公平性、端到端时延的保证等方面。

5.3无线自组织网络中的节能
可达性和便携性在无线自组织网络中是一对矛盾的综合体。

一方面，为了提高通信的可达性，可以提高收发器的功率，这将带来能耗的提高；另一方面，便携性又对设备的体积、重量电源等提出了种种限制。

为了保证无线自组织网络的工作时间，可以提高电池供电能力，降低移动节点的能量消耗。

前者的提高受到种种限制，不可以一蹴而就，目前的研究大都集中到了如何降低移动节点能量消耗上，如减少分组重传，提高收发器的使用效率，设计基于功耗的路由算法等。