無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)亟需解決的問題

無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)亟需解決的問題

無源網(wǎng)絡(luò)由需要基礎(chǔ)設(shè)施的一組動態(tài)網(wǎng)絡(luò)不需要組成。該網(wǎng)絡(luò)滿足了軍事和商業(yè)中網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備移動的要求，引起了人們的注意，并在20世紀(jì)90年代后得到了廣泛的研究和開發(fā)。與其他通信網(wǎng)絡(luò)相比,無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有帶寬有限、鏈路容易改變、節(jié)點(diǎn)的移動性以及由此帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)性、物理安全有限、受設(shè)備限制等特點(diǎn)。正是由于這些區(qū)別,無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧也產(chǎn)生了比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧更高的要求:適應(yīng)移動分布節(jié)點(diǎn)隨機(jī)收發(fā)行為的媒體接入控制(MAC)協(xié)議,基于動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)果的高效、穩(wěn)健的路由算法,便利的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù),有效的功率控制,合理的跨層信息交互、多層協(xié)同設(shè)計(jì),可靠的安全機(jī)制等等。1無線信道規(guī)制MAC協(xié)議是無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要組成部分,是分組在無線信道上發(fā)送和接收的主要控制者。目前,在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議面臨著隱藏終端、暴露終端,信道分配,單向鏈路,廣播擴(kuò)散等問題。1.1節(jié)點(diǎn)b為節(jié)點(diǎn)a發(fā)送分組時(shí)的暴露終端如圖1所示,節(jié)點(diǎn)A、B、C都工作在同一個(gè)信道上,當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送分組時(shí),載波偵聽機(jī)制無法阻止節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù),造成信號在節(jié)點(diǎn)B處沖突。節(jié)點(diǎn)C是隱藏在節(jié)點(diǎn)A的覆蓋范圍之外的、卻又能對節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送形成沖突的節(jié)點(diǎn),這種在發(fā)送節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍以外的、存在著潛在沖突的節(jié)點(diǎn)問題就是信道訪問中的隱藏終端問題。隱藏終端問題會大大降低信道的通信能力。另外還有一種情況也會降低信道的通信能力,即所謂的暴露終端問題。如圖2所示,當(dāng)節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送分組時(shí),節(jié)點(diǎn)C偵聽到節(jié)點(diǎn)B在發(fā)送分組,所以推遲發(fā)送分組。這種推遲是毫無必要的,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送分組和節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送分組并不沖突,此時(shí)節(jié)點(diǎn)C是節(jié)點(diǎn)B的暴露終端。這種因發(fā)送節(jié)點(diǎn)在其覆蓋范圍內(nèi),感知到有其他節(jié)點(diǎn)在傳輸,而進(jìn)行不必要的發(fā)送延遲就是暴露終端問題。IEEE802.11中提出的請求發(fā)送/準(zhǔn)備接受/確認(rèn)(RTS/CTS/ACK)握手機(jī)制,以及目前在很多研究中提出的控制信道-數(shù)據(jù)信道協(xié)作的方式,可以在一定程度上解決隱藏終端問題,但對于暴露終端問題,目前還沒有充分有效的解決方式。RTS/CTS/ACK機(jī)制的基本思想是在傳輸數(shù)據(jù)幀之前,A、B之間先用很短的握手幀RTS進(jìn)行溝通,而其他所有無關(guān)節(jié)點(diǎn)收到RTS或CTS后,抑制自己的發(fā)送動作,避免沖突,從而為A、B間的數(shù)據(jù)幀傳輸提供一個(gè)短暫的“凈空”。正確收到的幀需要使用ACK來進(jìn)行確認(rèn)。這種改進(jìn)只能解決單信道無線自組織網(wǎng)絡(luò)的部分問題。假設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有n個(gè)任意分布的節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸容量是W,那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到的吞吐量將會是W/nlogn,即使對這些節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化,也僅能使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量達(dá)到W/n的水平。由此可以看出,無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大,將會使節(jié)點(diǎn)的吞吐量快速降低,尤其是在節(jié)點(diǎn)任意分布的情況下。1.2多信道無線自組織網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性最初的無線自組織網(wǎng)絡(luò),由于技術(shù)和設(shè)備的限制,各節(jié)點(diǎn)都工作在一個(gè)信道上。隨著設(shè)備和相關(guān)協(xié)議的發(fā)展,多信道、甚至是多接口-多信道無線自組織網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在步入實(shí)用。對于單信道無線自組織網(wǎng)絡(luò),其MAC協(xié)議需要考慮的是如何充分利用信道,避免沖突。載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CA)機(jī)制是目前應(yīng)用非常廣泛的協(xié)議,節(jié)點(diǎn)通過物理信道偵聽(CCA)與虛擬網(wǎng)絡(luò)偵聽(NAV)結(jié)合的方式進(jìn)行載波偵聽,采用基于長幀間隙、中幀間隙和短幀間隙等不同時(shí)隙的退避機(jī)制和沖突避免策略,競爭信道進(jìn)行發(fā)送。時(shí)分多址(TDMA)機(jī)制可以將信道按照時(shí)間片劃分為多個(gè)時(shí)隙,節(jié)點(diǎn)按照靜態(tài)或者動態(tài)分配方式占用其中的一個(gè)或者幾個(gè)時(shí)隙。但是對于無線自組織網(wǎng)絡(luò)來說,靜態(tài)分配方式不能適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動和拓?fù)涞淖兓?而在一個(gè)分布式多跳系統(tǒng)內(nèi),進(jìn)行動態(tài)分配也還有很多問題需要解決,目前的研究多是針對基于某些假設(shè)或者某種應(yīng)用背景的無線自組織網(wǎng)絡(luò),還沒有普遍適用的方法提出。將CSMA/CA和TDMA結(jié)合,提高信道分配效率,減少沖突也是一種值得研究的內(nèi)容。多信道無線自組織網(wǎng)絡(luò),則需要關(guān)注如何在節(jié)點(diǎn)間分配信道,以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,避免沖突,實(shí)現(xiàn)信道上的負(fù)載均衡。目前較多的做法是,將信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道,節(jié)點(diǎn)在控制信道中協(xié)商數(shù)據(jù)交換采用的數(shù)據(jù)信道,然后在相應(yīng)的數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂菩诺篮蛿?shù)據(jù)信道的劃分可能是時(shí)間上的,也可能是空間上的。比如,一個(gè)信道在某個(gè)時(shí)刻可能用作控制信道,協(xié)商好數(shù)據(jù)信道后,切換到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信道進(jìn)行通信。也可能一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有幾個(gè)接口,其中的一個(gè)接口固定工作在某個(gè)控制信道上,其他接口固定或者動態(tài)實(shí)用某個(gè)數(shù)據(jù)信道。不管是哪種方式,都需要占用一定的資源用于信道協(xié)商。這種占用是值得的,目前在多信道的理論分析結(jié)果說明,在合理設(shè)計(jì)的多信道條件下,不僅可以提高整體網(wǎng)絡(luò)容量,還可以提高每個(gè)信道的實(shí)際吞吐量。但是這些研究多是基于靜態(tài)的。開發(fā)一種基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的算法,對信道資源進(jìn)行動態(tài)分配,也是一個(gè)值得研究的問題。1.3a不得接收b信息,而b不能發(fā)送b信息的情況,其單向鏈路問題是無線通信中一個(gè)普遍存在的問題。如圖3所示,A的信號覆蓋范圍包括B,而B由于功率、地形等因素,信號不能覆蓋到A,則B可以收到A的信息,而A不能收到B的信息,這就構(gòu)成了單向鏈路。在單向鏈路情況下,RTS/CTS/ACK、控制信道協(xié)商等機(jī)制都不再有效。在目前的標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用中,很多都沒有使用、或者是沒有涉及單向鏈路。這對信道資源而言是一個(gè)很大的浪費(fèi)。如果能夠通過鏈路層和物理層的協(xié)同控制,借助網(wǎng)絡(luò)層的某些信息,控制A可以直接發(fā)送給B,而B可以通過適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給A,則可以提高信道的利用率。1.4可靠的傳播機(jī)制無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的廣播,對于信道利用率有很大的影響。最基本的思路是:一個(gè)節(jié)點(diǎn)的廣播被其所有鄰居節(jié)點(diǎn)收到,所有的鄰居節(jié)點(diǎn)再次轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)廣播。但這種做法顯然是行不通的,一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能反復(fù)收到同一條廣播,并多次轉(zhuǎn)發(fā)。即使采用某種機(jī)制辨別出是自己已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過的,而不再次轉(zhuǎn)發(fā),也已經(jīng)對信道構(gòu)成了浪費(fèi)。比較行之有效的一種方法是,借鑒區(qū)域路由協(xié)議(ZRP)中的多點(diǎn)中繼(MPR)思路,某節(jié)點(diǎn)A根據(jù)拓?fù)湫畔⑧従庸?jié)點(diǎn)中的某些節(jié)點(diǎn)設(shè)為MPR節(jié)點(diǎn),只有被設(shè)為MPR節(jié)點(diǎn)的,才轉(zhuǎn)發(fā)A所發(fā)出的廣播。其他節(jié)點(diǎn)依次類推。這種方式大大減少了廣播轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù),減少了信道的無謂占用,提高了信道利用效率。2道路設(shè)計(jì)2.1無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議無線自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路及由此而形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨節(jié)點(diǎn)的位置分布和移動、信道的變化等因素呈現(xiàn)出動態(tài)變化的特性。無線網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)面臨的困難遠(yuǎn)比有線網(wǎng)絡(luò)的大的多,有線網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)完全無法直接移植到無線網(wǎng)絡(luò)中來。按照路由協(xié)議建立和維護(hù)方式的不同,可以將無線自組織網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為3類:先應(yīng)式路由協(xié)議、反應(yīng)式路由協(xié)議、混合式路由協(xié)議,如圖4所示。先應(yīng)式路由協(xié)議仿照有線網(wǎng)絡(luò)的做法,在每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立和維護(hù)包含到達(dá)其他節(jié)點(diǎn)的路由信息的路由表,源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送報(bào)文,可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。因此這種路由協(xié)議的時(shí)延較小,但路由協(xié)議在及時(shí)把握網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化、路由更新和維護(hù)等方面,占用無線信道通信資源的開銷較大,在移動性高而負(fù)載輕的網(wǎng)絡(luò)中性能較差。反應(yīng)式路由協(xié)議在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才查找路由,與先驗(yàn)式路由協(xié)議相比,反應(yīng)式路由協(xié)議的開銷較小,能夠快速的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?但是由于存在發(fā)現(xiàn)過程使數(shù)據(jù)報(bào)傳送的時(shí)延較大,在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下,其性能較差?；旌鲜铰酚蓞f(xié)議中在局部范圍內(nèi)使用先驗(yàn)式路由協(xié)議,維護(hù)準(zhǔn)確的路由信息,并可縮小路由控制消息傳播的范圍,當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),通過查找發(fā)現(xiàn)路由,這樣既減少路由協(xié)議的開銷,也改善了時(shí)延特性。2.2組播路由協(xié)議根據(jù)參與組播路由的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),無線自組織網(wǎng)絡(luò)組播路由協(xié)議可分為以下幾類:基于樹的組播路由協(xié)議、基于網(wǎng)格的組播路由協(xié)議、混合的組播路由協(xié)議。在有線網(wǎng)絡(luò)中,通過采用組播分發(fā)樹能有效地實(shí)現(xiàn)組播。受此啟發(fā),早期的自組織網(wǎng)絡(luò)最組播路由也是使用樹結(jié)構(gòu)。基于樹的組播路由協(xié)議一般包括兩個(gè)過程:組播樹形成和組播樹維護(hù)。在組播樹形成過程中,節(jié)點(diǎn)啟動加入組播樹過程:節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送查詢分組查找組播樹,組播樹上的節(jié)點(diǎn)在收到查詢分組后回復(fù)響應(yīng)分組,當(dāng)加入節(jié)點(diǎn)收到響應(yīng)分組后就能通過回復(fù)節(jié)點(diǎn)加入組播樹。當(dāng)加入節(jié)點(diǎn)收到多個(gè)回復(fù)報(bào)文時(shí),根據(jù)一定策略選擇一條最優(yōu)路徑。組播樹的維護(hù)是通過Hello機(jī)制來監(jiān)控樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即樹根節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送Hello報(bào)文給子節(jié)點(diǎn),若子節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)未收到Hello報(bào)文,則認(rèn)為樹枝已經(jīng)斷開。這時(shí)由子孫節(jié)點(diǎn)啟動樹鏈路修復(fù)過程。典型協(xié)議有:利用遞增序號的組播路由協(xié)議(AM-RIS)、按需距離適量的組播路由協(xié)議(MAODV)、輕量的自適應(yīng)組播路由協(xié)議(LAM)等?；诰W(wǎng)格的組播路由協(xié)議與組播樹協(xié)議不同,數(shù)據(jù)分組以廣播的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)廣播中繼分組?；诰W(wǎng)格的組播路由協(xié)議一般包括兩個(gè)過程:加入組播網(wǎng)格和維護(hù)組播網(wǎng)格。典型的協(xié)議有:按需組播路由協(xié)議(ODMRP)、核心輔助的網(wǎng)格協(xié)議(CAMP)、前向轉(zhuǎn)發(fā)組組播路由協(xié)議(FGMP)等?；旌辖M播路由協(xié)議設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是:充分利用樹結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)各自優(yōu)點(diǎn)?；旌辖M播是在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)建組播樹?；旌系慕M播路由協(xié)議一般包括建立網(wǎng)格和建立組播樹兩個(gè)過程。在網(wǎng)格基礎(chǔ)之上建立組播樹的一般過程是:核心節(jié)點(diǎn)或源節(jié)點(diǎn)向鄰居網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)發(fā)送創(chuàng)建樹鏈路控制報(bào)文;當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)收到非重復(fù)的創(chuàng)建樹報(bào)文時(shí),將該報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給其他鄰居網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),同時(shí),該節(jié)點(diǎn)加入組播樹;當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)收到重復(fù)的創(chuàng)建樹報(bào)文時(shí);向發(fā)送該報(bào)文的節(jié)點(diǎn)回復(fù)剪枝報(bào)文以剪去該組播樹鏈路。典型的混合組播路由協(xié)議有Adhoc組播路由協(xié)議(AMRoute)和核心提取的分布式組播Adhoc路由協(xié)議(MCEADR)。2.3無線自組織網(wǎng)絡(luò)qos路由協(xié)議自組網(wǎng)QoS路由的目標(biāo)是滿足QoS連接請求的一條或多條路由,同時(shí)提供足夠的路由資源信息,為管理控制機(jī)制提供支持,完成全網(wǎng)資源的有效利用。目前自組網(wǎng)的QoS路由問題還處在起步階段。無線自組織網(wǎng)絡(luò)的QoS研究主要集中在QoS模型、具有資源預(yù)約功能的信令、QoS路由協(xié)議和QoS媒體接入?yún)f(xié)議以及接納控制和調(diào)度等方面。由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有無中心結(jié)構(gòu),拓?fù)鋭討B(tài)變化,節(jié)點(diǎn)資源受限,無線節(jié)點(diǎn)間相互干擾等特性,使得自組織網(wǎng)絡(luò)中的QoS路由設(shè)計(jì)面臨新的挑戰(zhàn)。這主要體現(xiàn)在:·拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化使節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)信息的獲取和管理維護(hù)困難?！び捎谙噜徆?jié)點(diǎn)間存在“隱蔽終端”、“暴露終端”、“侵入終端”等相互干擾,使得無線鏈路狀態(tài)難以確定,例如帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動等鏈路參數(shù)都很難及時(shí)獲取和更新維護(hù)?！るS時(shí)存在的單向信道的存在使得QoS路由協(xié)議設(shè)計(jì)困難,主要體現(xiàn)在:認(rèn)知的單向性、路由的單向性和匯點(diǎn)不可達(dá)?！っ總€(gè)節(jié)點(diǎn)資源有限,使得QoS路由選擇不能太復(fù)雜?！せ诩s束的QoS路由選擇十分加困難。特別是當(dāng)路由選擇的約束條件包含兩個(gè)或兩個(gè)以上QoS參數(shù)時(shí),路由選擇將是一個(gè)NP完全問題。常見的無線自組織網(wǎng)絡(luò)QoS路由協(xié)議有核心提取的分布式Adhoc路由協(xié)議(CEDAR)、基于標(biāo)簽探測的路由協(xié)議(TBP)、保證服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)化的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(QoS-OLSR)、分布式服務(wù)質(zhì)量路由算法(DQoSR)等。實(shí)際上,無線自組織網(wǎng)絡(luò)上可提供QoS的能力非常有限,目前網(wǎng)絡(luò)的QoS研究主要針對的是網(wǎng)絡(luò)的QoS能力的提升,在提供滿足應(yīng)用需求的QoS方面還有很長的路要走。3局部拓?fù)渑c路由協(xié)議設(shè)計(jì)無線自組織網(wǎng)絡(luò)中鏈路的帶寬較緊缺,而節(jié)點(diǎn)的處理能力和存儲空間相對充足,因此需要通過增加協(xié)議棧各層之間的垂直交互來減少協(xié)議層對等實(shí)體之間的水平通信?？鐚訁f(xié)同設(shè)計(jì)正是這種原則的一種具體的體現(xiàn)形式,網(wǎng)絡(luò)各層共享與其他層相關(guān)的信息,從而對無線自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。按照這種方式設(shè)計(jì)的協(xié)議棧中的各層協(xié)議在邏輯上是相互耦合的,各層協(xié)議之間垂直通信的增加允許上下層協(xié)議更好地結(jié)合,從而能夠減少不必要的水平通信造成的帶寬等資源浪費(fèi),有效地提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。無線自組織網(wǎng)絡(luò)中,通過拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)可以學(xué)習(xí)到局部拓?fù)湫畔?。如何充分挖掘這些信息以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化自組織網(wǎng)絡(luò)的通信性能,是一個(gè)值得研究的課題。目前的研究主要集中在如何利用局部拓?fù)湫畔⒃谧越M織網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)高效廣播傳輸、減小路由發(fā)現(xiàn)開銷、改進(jìn)路由維護(hù)等。當(dāng)前的研究成果都體現(xiàn)出一個(gè)基本觀點(diǎn):無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不能僅依靠網(wǎng)絡(luò)層路由功能,必須結(jié)合鏈路層以及物理層實(shí)施跨層聯(lián)合設(shè)計(jì)。因此在今后的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)需要的不僅僅是局部的拓?fù)湫畔?還會需要更多的局部網(wǎng)路、鏈路參數(shù)。綜合考慮各協(xié)議層之間的信息進(jìn)行路由協(xié)議設(shè)計(jì),是無線自組織網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)同設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)之一。其設(shè)計(jì)需要考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動性、有限帶寬和不穩(wěn)定的信道質(zhì)量等特征,網(wǎng)絡(luò)層可以基于當(dāng)前的鏈路參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)量狀況選擇合適的路由,實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配。文獻(xiàn)中提出了一種跨層協(xié)同機(jī)制,利用多目標(biāo)優(yōu)化算法來計(jì)算跨層機(jī)制中使用的路由參數(shù),支持自適應(yīng)多QoS限制的多路徑路由選擇。文獻(xiàn)中基于AODV路由協(xié)議和IEEE802.11e的MAC協(xié)議增強(qiáng)分布式協(xié)調(diào)訪問(EDCA)標(biāo)準(zhǔn)提出的一種跨層路由協(xié)議,根據(jù)延時(shí)、帶寬和路由穩(wěn)定性等指標(biāo),尋找滿足應(yīng)用需要的最佳路徑。文獻(xiàn)中把有線網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽的概念移植到無線自組織網(wǎng)絡(luò)中,提出標(biāo)簽路由協(xié)議(LRP)跨層路由協(xié)議框架,較之于DSDV、AODV、DSR和ZRP路由協(xié)議的效率有所提高。但目前為止,尚無針對數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的跨層協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行的系統(tǒng)性的研究,鏈路層哪些信息有助于路由了協(xié)議優(yōu)化,以及網(wǎng)絡(luò)層的哪些任務(wù)可以由鏈路層完成,這些問題都有待于深入研究和論證。4網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有兩種不同的層次結(jié)構(gòu):平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)。在平面結(jié)構(gòu)中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的路由。由于節(jié)點(diǎn)的移動性,維護(hù)這個(gè)動態(tài)路由需要大量的控制信息。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大,路由維護(hù)的開銷就越大。所以平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性較差。如何構(gòu)建具有可擴(kuò)展性的大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。目前,對于可擴(kuò)展自組織網(wǎng)絡(luò)的研究都集中在分層自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上。4.1無線自組織網(wǎng)絡(luò)的分級結(jié)構(gòu)分層自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)源于分簇結(jié)構(gòu)思想,如圖5所示,將網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個(gè)簇,每個(gè)簇由一個(gè)簇頭和多個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成。簇頭之間的通信需要借助于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成,簇頭和網(wǎng)關(guān)形成高一級網(wǎng)絡(luò),稱為虛擬骨干網(wǎng)。分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在很大程度上將不受限制,路由和控制開銷較小,并且容易實(shí)現(xiàn)移動性管理和網(wǎng)絡(luò)的局部同步。因此,當(dāng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時(shí)宜采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但是分級結(jié)構(gòu)也有它的缺點(diǎn)。首先,分級結(jié)構(gòu)需要相應(yīng)的分簇算法和簇維護(hù)機(jī)制;其次,節(jié)點(diǎn)之間的路由不一定是最優(yōu)路由。但是,我們可以通過設(shè)計(jì)合理的分簇算法來減少維護(hù)簇結(jié)構(gòu)所需的開銷,并且可以通過分布式網(wǎng)關(guān)來優(yōu)化路由。通過將網(wǎng)絡(luò)劃分成簇,可以在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中方便地實(shí)施資源管理。在每個(gè)簇內(nèi),簇頭可以控制節(jié)點(diǎn)的接入請求并且合理地分配帶寬。此外在分簇結(jié)構(gòu)中,可以采用結(jié)合先驗(yàn)式和反應(yīng)式優(yōu)點(diǎn)的分級路由協(xié)議來提高路由算法的性能。因此基于分簇算法的分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在很大程度上提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)的性能和實(shí)用性。4.2子網(wǎng)層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)相對于分簇方式的邏輯分層結(jié)構(gòu),另外一類分層結(jié)構(gòu)是建立在異構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型基礎(chǔ)之上的物理分層結(jié)構(gòu),即網(wǎng)絡(luò)中存在不同類型的節(jié)點(diǎn),這些異構(gòu)節(jié)點(diǎn)具有不同的系統(tǒng)參數(shù),從而使得網(wǎng)絡(luò)物理上形成不同的層次。典型的物理分層結(jié)構(gòu)就是具有移動骨干網(wǎng)絡(luò)(MBN)的無線自組織網(wǎng)。這類自組網(wǎng)有兩類節(jié)點(diǎn)組成:骨干節(jié)點(diǎn)(BN)和普通節(jié)點(diǎn)(RN),如圖6所示。BN一般具有多個(gè)無線收發(fā)設(shè)備,一種典型的配置是:其中一個(gè)無線設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)相同,可與普通節(jié)點(diǎn)直接通信,而另一個(gè)無線設(shè)備往往具有更長的傳輸距離,更快的數(shù)據(jù)傳輸率,和較小的供電限制,節(jié)點(diǎn)通過該無線設(shè)備與其他BN互連,形成MBN。每一個(gè)BN類似簇首,負(fù)責(zé)管理、維護(hù)一個(gè)子網(wǎng),子網(wǎng)的規(guī)模為k跳(k≥1);每一個(gè)RN歸屬某一個(gè)由BN管理的子網(wǎng),RN與所屬BN間的跳數(shù)最大為k跳。所以,這種網(wǎng)絡(luò)是一種兩層結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。這種分層結(jié)構(gòu)與分簇結(jié)構(gòu)類似,也是將平面網(wǎng)絡(luò)劃分成若干子網(wǎng),而與分簇結(jié)構(gòu)不同的是:子網(wǎng)間互連是通過簇首形成的MBN實(shí)現(xiàn);而在MBN中,BN之間通過無線信道直接互連,不再需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)參與。而為了確保MBN的連通性,需要在MBN中部署足夠多的冗余BN,即具有組成骨干網(wǎng)絡(luò)能力的節(jié)點(diǎn)(BCN),當(dāng)某一個(gè)BN移動引起MBN不連通時(shí),在該區(qū)域的BCN自動轉(zhuǎn)換成為BN,保持MBN的連通性。MBN結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:根據(jù)組網(wǎng)信道的不同,網(wǎng)絡(luò)自然分成兩層結(jié)構(gòu),BN通過高速率的信道形成上層網(wǎng)絡(luò)MBN,RN則通過低速信道接入到某一個(gè)BN。每層網(wǎng)絡(luò)本身仍然是一個(gè)同質(zhì)網(wǎng)絡(luò),所以對于MBN可以進(jìn)一步采用分簇技術(shù),再形成多個(gè)邏輯分層結(jié)構(gòu)。4.3異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)以往的可擴(kuò)展性自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究都偏重于如何將一個(gè)平面網(wǎng)絡(luò)分解成為多個(gè)相對對立、且相互連通的小規(guī)模子網(wǎng),各個(gè)子網(wǎng)執(zhí)行統(tǒng)一的自組織協(xié)議,通過構(gòu)造高層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)間的互連。與此對應(yīng),還存在另一類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),該系統(tǒng)本身就是由多個(gè)異構(gòu)自組織子網(wǎng)組成,這些子網(wǎng)在通信體制、組網(wǎng)方式、自組織協(xié)議方面都存在差異,而由于實(shí)際應(yīng)用的需求,要求在子網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)通信,實(shí)現(xiàn)異構(gòu)自組織網(wǎng)絡(luò)間的互連互通,應(yīng)該是可擴(kuò)展自組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究的另一個(gè)方面,目前較多的方式仍是由高層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)不同建制子網(wǎng)間的互連,如圖7所示。在實(shí)際應(yīng)用中,這類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是比較常見的。例如在軍事應(yīng)用中,部隊(duì)按建制配備通信電臺,并形成各自獨(dú)立的通信子網(wǎng)。根據(jù)不同建制的通信需求,各單位所配備的電臺通信體制不盡相同,即使體制相同,工作的信道也可能互不相同,這樣就形成了由多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成的通信系統(tǒng)。又如,目前民用市場上出現(xiàn)了各式各樣的無線通信終端,其通信方式可能是超寬帶(UWB)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、微波存取全球互通(WiMAX)等;這些不同通信體制的設(shè)備通過各自的自組織協(xié)議形成若干相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò),要實(shí)現(xiàn)它們之間的互聯(lián)互通實(shí)質(zhì)上也是異構(gòu)自組織網(wǎng)互聯(lián)的問題。實(shí)現(xiàn)無線異構(gòu)自組織網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)首先需尋找一種方法可屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信方式的差異性,在開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)七層模型中,網(wǎng)絡(luò)層的IP技術(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)最大限度降低了應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的依賴性,所以在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包的跨異構(gòu)網(wǎng)傳輸是目前的首選方案。在子網(wǎng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)中,拓?fù)涞膭討B(tài)性更為復(fù)雜。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看,網(wǎng)絡(luò)的移動性模型可分為兩個(gè)層次:域內(nèi)移動性和域間移動性,它們又分別被稱為微移動性和宏移動性。域內(nèi)移動性是指節(jié)點(diǎn)在子網(wǎng)內(nèi)的移動;域間移動性是指節(jié)點(diǎn)在相鄰子網(wǎng)間的漫游。此外,子網(wǎng)作為一個(gè)整體進(jìn)行移動、多個(gè)具有相同通信體制的子網(wǎng)合并成一個(gè)新的子網(wǎng)、一個(gè)子網(wǎng)分裂成多個(gè)子網(wǎng)等情況也會產(chǎn)生一系列新的動態(tài)拓?fù)鋯?/p>