无限自组网技术综述与设计说明
无线自组网技术综述和设计
摘要
无线自组织网络即MANET（Mobile Ad Hoc Network)是一种不同于传统无线通信网络的新型网络，具有自组织、多跳路由和动态拓扑等特点，在军事上和商业应用中有着很大的前景。无线自组织网络可以不必依托于基础设备，组网拥有了动态性。从现状看，自组织网络可被用作商业及军事，注重了网络本体的移动属性。在各个领域，无线架构的自组织网络获取了明显进步。然而，受到自身约束，这类网络仍存有若干疑难有待于化解，例如隐暴终端、路由是否拥有最优的适应特性、系统配备的单向链路。
关键词：无线自组织网络；关键技术；应用现状
Abstract
Wireless ad hoc networks, which are different from traditional wireless communication networks, have many characteristics, such as self-organization, multi hop routing and dynamic topology, which have great prospects in military and commercial applications. Wireless ad hoc networks do not have to rely on the infrastructure, the network has a dynamic. From the current situation, the self-organizing network can be used as the commercial and military, and it has a focus on the mobile property of the network ontology. In all areas, the wireless architecture of the self-organizing network has made significant progress. However, subject to its own constraints, there are still some problems to be resolved in this kind of network, such as the hidden storm terminal, routing has the best adaptive characteristics, the system is equipped with a one-way link.
Keyword: MANET; key technology; Application status
前言
随着社会的发展和科技的进步，人们对信息的需求日益高涨，而随时随地获取所需信息的渴望更使无线网络得到飞速的发展，在过去的十年里，无线自组网已经成为移动通信技术研究的热点之一，正得到越来越广泛的应用，并将在未来的通信技术中占据重要地位。媒体接入控制技术和节能机制是当前无线自组网的研究热点，与整个无线网络的性能息息相关。相比其他情形下的网络，无线自组织网络容易变更本身的带宽，网络设有移动情形的节点且变更了自带的链路，但是，受到设备限制，网络也潜在多样的安全隐患。因此设定了更高水准的协议栈：它能吻合随机调配的控制协议，符合移动架构的分布
节点[1]；解析网络固有的构架，获取更优成效的动态拓扑；路由依循的算法增添了稳健性，便于互联路径的异构网络；跨层设有互通信息必备的新颖设计，配备了安全管控的机制。随着信息技术的不断发展，近年来移动通信技术得到了飞速发展和普及。蜂窝移动通信系统、无线局域网(IEEES02．1和HiperLAN)、蓝牙技术(Bluetooth)和家庭无线网(HomeRF)等移动通信新技术纷纷涌现并不断完善．这些无线接入技术的发展使得移动用户可以在任何时候、任何地点以任何方式来访问网络所提供的任何服务．然而目前的移动通信大多需要有线基础
设糟(如基站)的支持才能实现，为了能够在没有任何固定基站的地方进行通信，Ad hoc网络技术应运而生．Adhoc网络的起源可以追溯到1968年美国夏威夷大学建立的ALOHA网络。尽管ALOHA网络的节点是固定不动的，并且其运行的协议也仅仅是一种单跳的协议，不支持路由功能，但是该协议为以后开发分布式信道接入技术奠定了基础，而这种信道接入方案恰恰就是当前Adhoc网络所采用的技术。
1 MANET的定义及网络组成
1.1 MANET定义
无线自组织网络即MANET(Mobile Ad Hoc Network)，是一种不同于传统无线通信网络的技术。传统的无线蜂窝通信网络，需要固定的网络设备如基地站的支持，进行数据的转发和用户服务控制。而无线自组织网络不需要固定设备支持，各节点即用户终端自行组网，通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适合于一些紧急场合的通信需要，如战场的单兵通信系统。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高的弊端。目前，国外有大量研究人员进行此项目研究。
无线自组织网络(mobile ad-hoc network)是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的能量供给。
1.2 MANET网络组成
相比于簇状层次，无线自组织设有新式架构的物理分层，这种架构根植于异构节点。网络存有若干类的节点，异构节点拥有自带的参数，这就创设了网络架设起来的多层次。分层组成筛选了如下典型：骨干的可移动网络。在其中，网节点整合了常规节点及对应着的骨干节点，骨干节点衔接了收点，二者直接互通。无线设备延展了传输经由的路径，传输依托于更长的路径，加快了常态的速率。无线网络缩减了额外增设的供电约束，节点串联至架设的无线设备，这种构架很近似一簇网络，可调配并维护细分出来的各个子网。平面网络可分成含的各个子网，依托于信道来串联节点，这就省掉了网关节点。组网信道有着多样的特性，网络可划分双重的本身架构。信道拥有最佳的速率，网络是同质的，借助于分簇方式，还可细分逻辑类的更多层次。自组织特有的无线网络构建于分簇的思维，网络含多个簇，每簇都配有常见节点及对应的簇头。节点彼此的互通不可脱离网关节点，它搭设了更高层次之中的网络。骨干网拥有虚拟的特性，摆脱了规模的约束，这样在最大畴减低了耗费的路由开支，同步调配了现有的移动网络，针对可供应的网服务，可选取分布特性的分层网络。分簇的网络融入了多样优势，设有反应式在的架构，分级路由从根本上提升了算法优势。用分簇算法，网络分级增添了原有的实用优势，设定更适宜的网络算法，适当减小了耗费的总体开销。网关拥有分布式框架，路由因此可被优化。针对无线网络，便于调配在的若干资源，簇头协调了各时段设定的节点请求，适当调配带宽且提升了实效。
图1 无线自组织网络的架构
2 MANET关键技术分类综述
2.1 MAC
介质访问控制协议(Media Access Control，MAC)是无线自组网协议栈的重要组成部分，决定了节点如何通过共享的无线空间信道发送和接收报文。MAC协议能否高效的利用有限的无线信道资源对无线自组网的性能有决定性的影响。基于随机竞争的MAC协议开销低，适合在无线自组网环境下单个节点上实现且实现开销不高，因而成为无线自组网MAC协议研究中最主流的技术。作为基于随机竞争的无线自组网MAC协议最典型和最成功的代表，IEEE 802.11协议在研究和实际应用中使用最为广泛。
在无线自组网中，在给定区域同时进行的传输越多，则整个系统的吞吐量就越高。因而，在确保彼此不破坏对方传输的前提下，在一定的空间围调度尽可能多的传输是提高无线自组网MAC协议吞吐量的有效途径之一。无线自组织网中由于通信的多跳性，造成结点间的干扰加剧，网络的吞吐量较低，提高网络的吞吐量成为无线自组织网络MAC层协议研究的重点之一。传统的网络中往往具有基础设施，就可以通过接入点或者基站进行集中式的分配，而无线自组织网采用的是多跳共享的无线广播信道，每个结点不仅要发送和接收自己的数据，还要负责转发其他结点的数据，这样在结点密度大、流量高的情况下，对共享信道的竞争越发严重。因此传统无线网络中有效的冲突避免算法并不适用于无线自组织网络，或者表现出的性能较差。无线自组织网MAC协议的发展经历了从简单的单信道协议到多信道协议，又发展了基于有向天线的协议，这些发展都在逐步提高了网络的吞吐量。为了进一步增加 WMNs 中的网络性能及网络容量，一种有效的方法就是使网络节点工作于多个信道上，而不仅仅只工作在某个固定的信道。依靠硬件平台，各种不同的多信道 MAC 协议需要被开发出来。
2.2 路由协议
根据网络中各节点的作用是否相同，可以将路由协议分成平面协议(uniform protocol)和分层协议(non-uniform protocol)。在平面协议中各节点以相同的方式发送和响应路由控制信息(如DSR与AODV)，节点只需要维护周围邻居的信息，不用考虑邻居之外的网络拓扑结构，这使其操作简单灵活，但可扩展性不高。在分层协议中，每个节点或者从邻居节点中
选出一部分节点进行路由计算/转发分组(如OLSR），或者被分成簇的结构(如CBRP)，选择一些节点成为簇首(cluster-head)或网关(gateway)，它们负责簇间的分组转发。分层协议通过减少参与路由计算的节点数来限制路由计算的复杂性，增加了扩展性，但是簇首的选择需要谨慎考虑，而且这类协议在网络拓扑高度动态的时候维护的开销比较大。
无线自组织网络中，结点间的无线链路以及由此而形成的网络拓扑结构随着结点位置的分布而移动，信道的变化的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，因此有线网络的路由技术是无法完全适用于无线网络的。按照路由协议建立和维护的方式不同，可以分为：混合式路由协议，反应式路由协议，先应式路由协议[2]。
混合式路由协议：在局部地区使用先应式路由协议，维护准确的路由信息，并可缩小路由控制消息传播的围，当目标结点较远时，通过查找发现路由，这样既可以减少路由协议的开销，也可以改善时延特性。
反应式路由协议：在需要发送数据时才开始查找路由，和先应式路2由相比，反应式路由协议开销较小，能够快速的适应网络拓扑的变化，但是由于存在发现过程使得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。
先应式路由协议：在每个结点建立和维护包含到达其他结点的路由信息的路由表，源结点一旦要发送报文，可以立即获得到达目的结点的路由。因此这种路由协议的时延开销较大，在移动性高而负载小的网络中性能较差。
2.3 拓扑控制
无线自组网的拓扑就是一些路由可达的申路集合 , 其主要取决于无线收发器的地理位置、发射器的发射功率、无线干扰、天线的方向等因素。拓扑控制的目标是通过控制节点间的通信申路和结点的传输围使生成的网络拓扑满足一定的性质 , 以延长网络生命周期 , 降低网络干扰提高吞吐率。一般把拓扑控制问题表示为一个三元组 (M , G P, O ), 其中Me{有向图 ,无向图 }表示无线自组网的图模型 , GP表示预期的图属性，如强连接，2 度连接等，O属于{最大功率 , 总功率 }表示要优化目标。例如 : 拓扑控制问题 (有向图，强连接最大功率)就表示有向图必须是强连通的 , 而且使收发器的最大消耗功率必须最小。拓扑控制问题 (无向图 , 2度连通, 总功率 )要求无向图节点的连接至少为2 ,而且所有收发器消耗的功率总和必须最小。拓扑控制问题 (无向图 , 2度连通，总功率)要求无向图节点的连接度至少为2，而且所有收发器消耗的功率总和必须最小。
拓扑控制策略在无线自组网中至关重要，如果不采用拓扑控制策略，所有网络节点都将以最大传输功率工作，这将严重影响自组网的整体性能 : ①因为自组网的主机都是依靠电池提供能源，如果以最大传输功率工作，节点能量将迅速耗尽，从而缩短自组网的生命周期 ; ②节点的传输功率越大它所覆盖的围也越大 , 导致网络拓扑将包含大量的边 , 从而增加了路由计算的复杂度 , 这对于承担路由器任务的网络主机来说是个巨大的挑战。③节点的，无线信号将覆盖大量其它节点 ,这将频繁引起无线干扰，影响节点的通信质量，降低整个网络的效率。因此，迫切需要研究拓扑控制问题，在降低能量消耗和无线干扰的前提下，通过控制网络节点间的通信串路和结点的传输围来延长网络生命周期，提高网络效率。
图2 两个无线自组网的图模型
1972年美国DARPA(Defense Advanced Research Project Agency)启动了分组无线网项目，目的是研究其在战场环境下数据通信中的应用问题。为了解决无线自组网本身的一些局限性，如功率消耗和网络处理能力最优化问题，研究人员已经提出了许多拓扑控制策略[3]。根据网络节点的传输围r是否相同，我们把这些控制策略分为两类 : 同构拓扑控制和非同构拓扑控制。所谓同构拓扑就是指所有网络节点的传输围 ; 都相同 ,这种拓扑控制问题就简化为在满足一定网络特性的前提下需要确定传输围 r 的最小值，也就是临界传物围(C T R ) , 这是理想状态下所采取的措施 ,是比较简单的。又根据网络节点的密集程度 , 进一步细分为稀疏网的拓扑控制和密集网的拓扑控制。但在实际环境中 , 由于受到因( 主机能源的差异 ) 和外因 (建筑物、地形和其他障碍物 ) 的影响 , 所有网络节点的传输围 r 不可能完全相同 ,所以一般无线自组网都是非同构的根据生成拓扑时所的信息类型不同 , 这类拓扑控制策略可以进一步细分为基于方向的拓扑控制策略、基于邻居节点的拓扑控制策略、基于位置的拓扑控制策略。如图3所示。
图3 拓扑控制策略的分类
2.4 资源调度分配
调度算法是当前有线和无线网络中常用的一种网络资源管理方法，对于有效保证上层应用的服务质量非常重要。调度算法（Scheduling Algorithm）是当前有线和无线网络中常用的一种网络资源管理算法，对于有效保证上层各种应用的服务质量非常重要。有线网络中的调度一般指分组的调度，即系统为满足特定要求在确定输出链路上分组输出次序时所采用的策略。评价调度算法常用的指标包括公平性、时间复杂性和端到端时延。公平性用来衡量一个流是否能得到它所预约的服务，时间复杂性指分组调度算法确定下一个要服务的分组的时间耗费。端到端时延指在特定的分组调度算法及相关机制作用下，流所属分组在网络中经历的最大时延值。分组调度与信道接入协议相关但又有明显区别，后者主要解决节点如何高效、公平地占用和访问信道，而前者主要解决如何及何时发送分组的策略，它也考虑公平性和最大化信道利用率，但是并不解决信道竞争以及隐终端和暴露终端等问题。但是，在同步的网络中，分组调度和信道接入在很多方面近似，因为信道（时隙）是确定的。但是，信道接入协议要考虑如何预约时隙的问题，而分组调度只需考虑如何利用可用的时隙发送分组，即把一帧中的时隙按照一定规则分配给各节点，不需考虑节点如何能够预约这些时隙。实际上，有些文献并不严格区分分组调度和信道接入，即将它们都视为节点如何获得信道并高效利用信道来发送分组的问题。在无线自组网中，一般认为调度的目标包括最大化信道利用率（考虑频率和空间重用）、最小化帧长以及保证公平性。
在无线自组网中，信道接入通常不由中心节点控制，而是采用分布式方式实现。只要一个流的发送者或接收者处于另外一个流的发送者或接收者的传播围之，两个流就构成竞争关系。相反，非竞争流可以同时传送数据，从而达到信道在空间上的重用。位置相关的竞争以及空间重用给无线自组网中的分组调度带来了新问题。在有线或无线蜂窝网络中，分组在每个输出链路种独立被调度。因此，一个链路的调度器只需考虑竞争该链路的那些数据流，而不需要对邻居的节点实施协调。所以，有基础设施网络可以通过公平排队算法来保证多个竞争链路的数据流在时间上公平地共享带宽。但是，在共享媒介的多跳无线自组网中，位置相关的竞争在多个流之间产生了耦合效应，使得流调度不能只依赖于本地流。此时，公平队列调度变成了一个三维的问题，即需要在时间和空间上执行调度，并且要在邻居节点之间进行协调。在无线自组网中，每个节点的负载和拥塞程度不仅依赖于调度机制而且依赖于路由算法，低效的路由协议会导致网络拥塞的增加和吞吐量的减少。另外，带宽的分配应基于每个节点的业务量需求和链路的质量，并且调度算法应考虑补偿那些经历较差信道质量的节点和流。然而，如果无线自组网采用分簇结构，则可考虑由簇头充当协调节点，这种情况下可以在一定程度上采用无线网络中的调度算法。借助于分簇网络结构，可以采用由簇头发起的集中式的调度算法，也可以在规模较小的簇采用简单的分布式调度算法。
3 当前研究现状综述[4]
Adhoc网络具有无中心、自组织、多跳路由、独立组网和节点移动等特点。这使得它在很多特殊场合的通信应用中有独特的优势，但这些独有的特点也使得Adhoc网络在组网方式上和传统的无线通信网络有极大的差异。Adhoc网络的多跳共享无线信道广播，多跳路由等都是普通有中心的无线网络不可能遇到的．为了适应这种独特的组网和工作方式，必须为Adhoc单独设计相应的协议，无论是信道接入协议、路由协议、传输协议等都要根据Ad hoe
网络的需要和特点进行改进和调整。除此之外。Adhoc网络的特殊性也引发了很多其他问题：分簇、节点功率控制、QoS等．这些问题形成了Adhoc网络技术研究的热点和难点[5]。
信道接入协议位于Ad Hoc网络协议栈的底层，由它控制节点如何接入无线信道，即无线节点如何接入无线信道发送数据帧的问题。信道接入协议能否有效地使用无线信道的有限带宽，将对网络性能产生重要的影响．如果协议设计不当，会带来较多的冲突，重传以及空闲等。因此，MAC协议设计将面临很多新的问题：
（1）不同的信道共享方式。通信网络中的信道共享方式一般有种：点对点，点对多点和多点共享t虽然Ad hoc网络的无线信道也是一个共享的广播信道，但它不是单跳共享，而是多跳共享广播信道．多跳共享广播信道带来的直接影响就是报文冲突与节
点所处的位置有关。在Ad hoc网络中，报文冲突只是局部事件。并非所有节点都能感知，也就是说发送节点和接收节点。感知到的信道状况不尽相同。因此将会带来
隐藏终端和暴露终端等一系列的特殊问题
（2）隐藏终端与暴露终端。单信道和多信道的Ad hoc网络都会产生隐藏终端与暴露终端问题．隐藏终端是指在接收节点的覆盏区而在发送方覆盖围外的节点。隐藏终端因
侦听不到发送节点的发送而向同一接收节点发送分组，造成分组在接收节点处冲
突．冲突后发送节点需要重传冲突的分组，从而降低了信道的利用率．暴露终端是
指在发送节点覆盖围而在接收节点覆盖围之外的节点．暴露终端因能够侦听发送节
点的发送而发生延迟发送．但因它在接收节点的通信围之外，它的发送实际上不会
给接收节点造成冲突，这就引入了不必要的延迟．如图1．5中单信道的情况，当节点B要和节点c建立通信时，它往节点c发送RTS报文，但此时节点D没有能力侦
听到这种状况，而它恰好也要和节点c进行通信，于是发送RTS报文，B和D的报
文在C处就会发生冲突，此时的节点D相对通信双方B和C而言就是通信节点B的
隐藏终端，隐藏终端引起的最大问题就是分组碰撞；而节点A由于侦听到B的RTS
报文，则它必须在B和c的通信时间保持沉默，即使它的发送可能不会影响节点C
的接收，此时A成了B的暴露终端，暴终端引起的最大问题就是网络的空间复用率
问题。多信道下隐藏终端和暴露终端问题除了单信道问题外，也有可能是因为信道
切换引起的冲突问题。这些都是当前MAC协议研究的主要热点问题。
图4 单信道和多信道的隐藏终端与暴漏终端
4 当前应用现状综述[6]
（1）军事应用：
军事应用是adhoc网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施，可快速展开，康惠兴强等特点，它是数字化战场通信的首要技术，并已经成为战术互联网的核心技术。为了满足信息战和数字化战场的需要，美军研制了大量的无线自组网络设备，用于单车，车载，指挥等不同的场合，并大量装备军队。
（2）紧急和突发场合：
在发生了地震，水灾，火灾或遭受其他灾难后，固定的通信网络设施都可能无常工作。
此时adhoc网络能够在这些恶劣的环境下提供通信支持，对抢险救灾工作具有重要意义。此外，当刑警或消防队员紧急执行任务时，可以通过adhoc网络来保障通信指挥的顺利进行。
（3）偏远野外地区
当处于边远或野外地区时，无法以来固定或预设的网络设施进行通信。adhoc网络技术具有单纯组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。
无线自组网有许多潜在的应用，移动自组织网可以应用于救灾通信、WLAN扩展、传统移动通信的后备网络、信息家电互联。机器人之间的通信。个人无线网络等临时。快速建立通信的场合，目前主要有：军事应用、传感器网络、紧急和临时场合、个人通信等。
5 无人机之间的自组织网络
无人机(UAV)是目前迅速发展的高技术之一，尤其在特殊领域里的应用更是今非昔比。因为无人机相对有人机来说具有结构简单、造价低廉、不需要传统意义上的飞行员等许多优点，特别是在对有人机来说是高危险性的区域(生物、化学、甚至是核环境下的应等)，更是让有人机望尘莫及。无人机从投入使用到现在基本上是单飞单控的，这一方面是由于技术的原因，另一方面也是因为没有这样的需求而造成的。随着无人机在各种领域的应用发展，在一些复杂场合单机应用不再适合，需要有机群编组和协同去完成较为复杂的任务，这就要求无人机系统要从目前的单飞单控变为多飞单控或者多飞多控，组成无人机自组网。在现有的无人机中，每架无人机都装配有主机和电台，所以只需增加路由器和相关算法，即可将无线自组网技术应用在无人机系统中。无人机自组网的基本思想就是将组成无人机网络的每一架无人机所获得的信息通过无线网络达到实时的共享，从而极提高无人机系统对信息的处理速度，提高对特殊情况的响应能力，这样无人机就可以更加有效更大限度地利用获得的信息资源，大提高无人机在实际应用中的工作效率和生存能力。
无人机自组网是基于航空无线信道且高动态变化的无线网络，无人机节点的高速移动会带来网络拓扑的剧烈变化，从而造成传统组网协议无法直接应用。所面临的主要问题包括如下几个方面[7]：
?物理层需要考虑节点密度、节点间距离和通信链路变化，以解决多普勒频移和衰落问题；
?MAC协议要实现公平接入机制，在共享的航空信道中实现数据接人的低碰撞概率、高速低时延传输；
?路由协议需要适应带宽受限和链路状态快速变化的条件。以进行路由信息分发和维护，并能与其他网络兼容互联；
?传输协议则要针对环境高动态变化加强网络的流量控制和拥塞控制，避免造成网络拥塞、降低网络性能：
?应用层要针对通信需求和网络条件的变化，协调协议栈各层协作：
?需要特别注意。无人机一旦遭受窃听、攻击、欺骗等将会引起严重后果。必须对网络的安全体系结构和专用安全技术展开研究；
?网络管理涉及多个方面，包括地址管理、服务管理和移动性管理等。需要不同机制的协同应用来解决相应的网络管理问题。
无人机自组网网络协议和算法的设计应综合考虑多方面问题，在带来最小性能下降的条件下确保网络正常运行。
参考文献
[1] 政，德英．无线自组织网络中能量有，效的广播与组播[J]．软件学报，2012(08):2023-2036
[2] 娟，晓林，占巍等．无人机移动自，组网路由协议研究．遥测遥控，2013，34(3)：43-47
[3] 韦云凯,毛玉明，吴凡.无线自组网关键技术与进展[C].2007
[4] 王海涛,许甘颖.无线自组网中的调度算法研究[J].技术交流.2016(1)
[5] 云，为粮，隆克乎，吴诗其，无线Ad hoc网络支持QoS的研究进展与展望．软件学报．VOL．15 No，12．Dec．2004．ppl885．1893
[6] 利，胡鹏，津生，洪佩琳，“动态网络环境卜．建立VPN的交全动态隧道机制”，《电子与信息学报》，2005年8月
[7] 石祥滨．王锋．无人机自组网络多媒体数据传输路由算法研究．航空航天大学学报，2012，29(2)：32-36