移动自组织通信网络技术概况及未来前景

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1、移动自组织通信网络技术概况及未来前景石晶林摘要 本文对移动自组织网络技术的概念、 特征和应用进行了介绍， 重点分析了目前无线移动自组织网络的 关键技术研究热点，与现有通信网的融合及其技术的实现等，同时对自组织网络的前景进行了简单预测。关键词：自组织网络，路由方法，安全，前景1 引言 移动自组织网络 （Mobile Ad Hoc Network: MANET） 出现之初指的是一种小型无线局域 网。这种小型局域网的节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点 的通信。而且当两个通信节点之间由于功率或其它原因导致无法实现链路直接连接时， 网内 其它节点可以帮助中继信号， 以实现网络内

2、各节点的相互通信。 由于无线节点是在随时移动 着的，因此这种网络的拓扑结构也是动态变化的。 它们之间的通信模式也就无法直接照搬目 前有基础设施的通信网的通信模式， 至少在寻址模式上是如此。 具体说来，无基础设施需求 的 MANET 有着下面一些主要特征： 分布式自组管理与控制； 物理通信链路是带宽受约束的无线链路； 物理拓扑动态变化； 功耗是重要的约束条件（由于无线移动） ； 物理安全性有限（无线信道的开放性造成 ）。2001年以前，Ad Hoc还只是一个在很少一部分实验室里讨论的概念。但3年后的现在，自组织网络 Ad Hoc 已成了从事无线通信技术研究开发的人不得不去了解的技术 因为 MAN

3、ET已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一，甚至于有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起， 从而实现世界通信网络的大统一。 为什么 就在短短的两三年内 Ad Hoc 会流行起来呢，下面两点是主要原因： 技术进步使其具有了可实现性 :0 各种各样的终端实现交互连接与通信是一种无法逆转的潮流；0 无线通信技术的发展及其与微电子技术的结合使得无线通信设备性价比大大 提高，并使其成了一种日用消费品；0 人们想实现的无处不在、无时不在的通信梦想驱动着对它的研究；市场需求是其发展的巨大动力 :0 民用市场中的移动计算需求、网格、可穿戴计算、灾难救助等需要自组织网络 技术；0

4、 军事战争的需要，自组织网络技术一经提出就在军事领域得到重大应用。作为移动通信的一种基本组网模式， 移动Ad Hoc网络与传统的蜂窝技术的根本区别在 于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施 （例如基站或路由器 ）支持的条件下进行的。系 统支持动态配置和动态流控， 所有网络协议也都是分布式的。 由于这类网络的组织和控制并 不依赖于某些重要的节点， 所以它们允许节点发生故障、 离开网络或加入网络。 也就是说每 一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动， 而无须考虑如何维护与其他实体 的通信连接。因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求。也正是由于这些原因，自组织

5、网络的设计实现十分困难。 现在用于固网的很多通信机制都无法 用于Ad Hoc网络中。本文就目前自组织网络技术方方面面的研究挑战进行介绍，对自组织网络的未来前景与应用进行了简单分析。2 移动自组织网络的研究挑战 移动自组织网络的研究主要集中在组网理论、路由算法、接入控制、安全管理等方面。 下面我们简单的进行说明。2.1 自组织网络理论 自组织网络的运行不能依赖于任何预设的固定网络设施。 结点可以随意移动，可以在没 有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。 自组织网络可以分成两 种结构：平面结构和分级结构。平面结构中，所有结点的地位平等， 所以又称为对等式结构。 而分级结构中，

6、网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个成员节点组成。 簇头结点负责簇 间业务的转发。根据不同的硬件配置， 分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。 单频 率分级网络只有一个通信频率，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信， 需要有网关结点（同时属于两个或多个簇的结点） 的支持。簇头和网关形成了高一级的网络， 称为虚拟骨干。而在多频率分级网络中， 不同级采用不同的通信频率。 低级结点的通信范围 较小，而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同 的频率实现不同级的通信。 两级网络中，簇头结点有两个频率。 频率 1 用于簇头与簇成员的 通信。而频率 2

7、用于簇头之间的通信。在平面结构中，每一个结点都需要知道到达其它所 有结点的路由。由于结点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。 网 络规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大， 网络的可扩充性较差。 分级结构克服了平 面结构可扩充性差的缺点，网络规模不受限制。分级结构中，簇头的功能相对较强，而普通 节点的功能比较简单，基本上不需要维护路由。这大大减少了网络中路由控制信息的数量。 此外，分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。 因此，当网络规模 较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。那么对于新的移动 Ad Hoc 通信网络，我们需要做些什么呢？

8、1. 从移动通信网络的角度 做好顶层设计，使移动通信网络与固定/机动通信网络能够无缝地互联互通。加强体系结构的设计， 使陆海空成为一体，因而用户可以在更大的范围、 容量和 移动速度上实现互联互通。2. 从具体的技术角度，需要研究的技术（这些技术也代表了未来一段时期的发展方 向）包括：网络路由算法和协议： 基于分布式无线网络体系结构， 在无线带宽受限、多跳路 由频率变化及网络拓扑动态变化条件下，OSPFQpen Shortest Path First）和BGP-4（Border Gateway Protocol ）路由协议在带宽效率和环境适应性方面的性能都是 好的。虽然 IETF MANET （

9、Internet Engineering Task Force Mobile Ad Hoc Network ）工作组针对Ad Hoc 网络的路由问题做了大量研究，如DSDV（Destination-Sequeneed Distanee Vector 目的序列距离矢量）、TORA（ TemporaryOrdered Routi ng Algorithm临时按序路由算法）、AODV（Ad Hoc On Dema ndDistanee Veetor 按需距离矢量 ）、 DSR （Dynamie Souree Routing 动态源路由）和 ZRP（Zone Routing Protocol 区域路由

10、协议）路由算法和协议，但针对上述战术 应用环境，必须研究新的高效的多跳自适应路由算法。网络自组织和自愈重构：为适应网络拓扑的动态变化， 提高战术互联网的抗毁性， 必须基于自适应网络路由算法，研究网络资源的动态配置策略问题。无线 ATM （Asynchronous Transmission Mode 异步传输模式）与移动 IP 的融合技 术：研究基于无线 ATM 骨干节点的移动 IP 网络的用户移动性需求与管理问题； 无线分组数据传输的 QoS （服务质量）问题；多媒体业务传输问题等。无线高速传输技术：研究适应于多媒体业务传输的宽带数传电台（JTRS JointTactical Radio Sy

11、stem 联合战术无线电系统）以及其无线组网与抗干扰问题。此外，还需要对 移动自组通信网络系统中的业务需求及其数学模型进行研究。2.2 自组织网络无线资源管理与空中接口理论 任何一种通信系统都以通信传输的 3种指标：有效性、可靠性和安全性来衡量， 并进行 不断优化。所谓有效性是指占用尽可能少的信道资源传送尽可能多的信源信息；可靠性是指抵抗通信中的各类自然干扰，尤其是多址干扰的能力；安全性是指传输中的安全保密性能。 移动通信的任务是在信道、 用户和业务 3 个动态特性的条件下， 满足与实现上述 3 项基本要 求，并逐步达到系统优化。 自组织网络和一般移动通信一样具有信道、 用户和业务三个动态 特

12、性，即：1. 信道的动态性：主要表现为信道受自然和大气环境的影响极大，信道参数随时间 快变化。2. 用户的动态性：具体表现为信道随用户的移动而产生较快的变化，带宽不稳定。3. 业务的动态性：具体表现为用户可随机自由选择不同媒体的通信方式，各类用户 不同媒体业务要求互不干扰，用户需要实现同时多接入。除这些公共的特性，自组网因其无基础设施的多跳特性， 使其具有比一般无线通信更为 复杂的信道特性，主要是其信道是多跳共享的多点信道。Ad Hoc 网络节点存在隐藏终端、暴露终端和入侵终端等问题。 这些问题的存在使得传统的无线资源管理与空中接口不再适用 于自组织网络中。人们也正在根据 MANET 的新特性

13、研究其通信系统的调度算法、 信道分配 技术和接入控制机制。 同时也想法将其与现有通信技术融合， 充分采用已有的通信理论和方 法为其服务。例如我们可以将 MIMO （ Multiple Input Multiple Output ）信道估计与均衡技术、 空时编码理论应用到 Ad Hoc 网络中去。为了提高自组网传输效率与带宽， 自组网一样可以 采用智能天线技术、 OFDM （orthogonal frequency division multiplexing 正交频分多路复用） 、 CDMA （ Code-Division Multiple Access 码分多址）技术。但这种采用是吸收其思想，

14、而无法 完全照搬，因为它们在自组网环境下还存在下面一些问题： 自组织网的各个节点都是在运动的，在高速移动环境下 （一般指速度大于 150 km/h） 多卜勒频移产生的时间选择性衰落，目前除了交织码外尚无有效的解 决办法。CDMA 方式中多址码设计不理想， 特别是对于互相关性不为 “ 0所”产生的多址干 扰，除研制中的多用户检测技术外， 目前尚无有效的解决办法。 在自组织网络中， 这种多址干扰的问题将更为突出。在信道的快速、实时监测与估值方面，目前缺乏有效、快速、准确、可靠的方案 和相应算法，特别是在无中心管理节点的自组织网络中，需要进行专门的研究。 自组织网需要提供多媒体通信的功能。话音与不同

15、速率 （不同扩频比 ）数据同时 （在同一频段）通信带来了一系列问题， 包括：由于发射功率不一样， 进一步增 强了多址干扰的影响， 同时也给功率控制带来了新难题； 不同使用环境、不同类 型业务的 QoS 要求给小区划分与规划带来新问题。业务动态性大大增加了技术上实现的难度与复杂度。 由用户、信道两个动态向用 户、信道与业务 3 个动态发展本身就是一次飞跃。 如何实现 3 个动态间的匹配值 得深思与探讨。2.3 自组织网络中的路由实现自组织网络中分组传输的路由算法是当前受到最为广泛研究的问题。 我们知道现在的无 线通信网都是有固定基础设施的， 因此在移动过程中其分组路由的实现相对比较容易。 而在

16、自组织网络中，当节点移动时不再存在本地代理或外部代理帮助其实现路由分组。网络中不再存在缺省的路由，网络中的每个节点都要求具有独立查寻路由并转发分组的能力。 因此传 统路由算法无法直接应用到自组织网络中，需要为其专门设计研究新的路由算法。我们先来看看传统的路由算法。 传统的路由算法有两类， 一是距离矢量路由算法， 另一 类是链路状态算法：距离矢量路由算法的特点是：-周期性地与所有物理相邻的节点交换可达性消息；-当有多条可达路径时选择一个最短的。链路状态算法的特点是：-周期性地向网中所有的路由器通知当前所有物理链路的状态；-每个路由器都得到一张完整的网络拓扑图。传统路由算法在有基础设施的网络中运行得很好，但是在自组网中却存在如下的问题：网络拓扑变化太快，传统算法将会给网络造成很大控制负荷； 限制了移动自组织网络的性能：-周期性的路由刷新加大了移