移動自組織通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概況及應(yīng)用程相榮20151101542282507242@摘要：本文對移動自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的概念,特征和應(yīng)用進行了介紹,分析了目前無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),與現(xiàn)有通信網(wǎng)的融合及其技術(shù)的實現(xiàn)等,同時對自組織網(wǎng)絡(luò)的前景進行了簡單的調(diào)研.關(guān)鍵詞:自組織網(wǎng)絡(luò),路由方法,安全,應(yīng)用1引言移動自組織網(wǎng)絡(luò)(MobileAdHocNetwork:MANET)出現(xiàn)之初指的是一種小型無線局域網(wǎng).這種小型局域網(wǎng)的節(jié)點之間不需要經(jīng)過基站或其它管理控制設(shè)備就可以直接實現(xiàn)點對點的通信.而且當兩個通信節(jié)點之間由于功率或其它原因?qū)е聼o法實現(xiàn)鏈路直接連接時,網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點可以幫助中繼信號,以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點的相互通信.由于無線節(jié)點是在隨時移動著的,因此這種網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也是動態(tài)變化的.它們之間的通信模式也就無法直接照搬目前有基礎(chǔ)設(shè)施的通信網(wǎng)的通信模式,至少在尋址模式上是如此.具體說來,無基礎(chǔ)設(shè)施需求的MANET有著下面一些主要特征:分布式自組管理與控制;物理通信鏈路是帶寬受約束的無線鏈路;物理拓撲動態(tài)變化;功耗是重要的約束條件(由于無線移動);物理安全性有限(無線信道的開放性造成).2001年以前,AdHoc還只是一個在很少一部分實驗室里討論的概念.但3年后的現(xiàn)在,自組織網(wǎng)絡(luò)AdHoc已成了從事無線通信技術(shù)研究開發(fā)的人不得不去了解的技術(shù)，—因為MANET已被認為是未來移動通信技術(shù)的核心組成部分之一,甚至于有不少人認為自組織網(wǎng)絡(luò)的思想將會把所有我們能想到的網(wǎng)絡(luò)組合在一起,從而實現(xiàn)世界通信網(wǎng)絡(luò)的大統(tǒng)一.為什么就在短短的兩三年內(nèi)AdHoc會流行起來呢,下面兩點是主要原因:技術(shù)進步使其具有了可實現(xiàn)性:（1）各種各樣的終端實現(xiàn)交互連接與通信是一種無法逆轉(zhuǎn)的潮流;（2）無線通信技術(shù)的發(fā)展及其與微電子技術(shù)的結(jié)合使得無線通信設(shè)備性價比大大提高，并使其成了一種日用消費品;（3）軍事戰(zhàn)爭的需要,自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一經(jīng)提出就在軍事領(lǐng)域得到重大應(yīng)用.作為移動通信的一種基本組網(wǎng)模式,移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的蜂窩技術(shù)的根本區(qū)別在于移動節(jié)點之間的通信是在沒有固定基礎(chǔ)設(shè)施(例如基站或路由器)支持的條件下進行的.系統(tǒng)支持動態(tài)配置和動態(tài)流控，所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也都是分布式的.由于這類網(wǎng)絡(luò)的組織和控制并不依賴于某些重要的節(jié)點,所以它們允許節(jié)點發(fā)生故障,離開網(wǎng)絡(luò)或加入網(wǎng)絡(luò).也就是說每一個移動節(jié)點可以根據(jù)自己的需要在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨意移動,而無須考慮如何維護與其他實體的通信連接.因此具備動態(tài)搜索,定位和恢復(fù)連接能力是這類網(wǎng)絡(luò)得以實現(xiàn)的基本要求.也正是由于這些原因,自組織網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計實現(xiàn)十分困難.現(xiàn)在用于固網(wǎng)的很多通信機制都無法用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)中.本文就目前自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方方面面的研究挑戰(zhàn)進行介紹，對自組織網(wǎng)絡(luò)的未來應(yīng)用進行了簡單分析。2

移動自組織網(wǎng)絡(luò)的研究挑戰(zhàn)

移動自組織網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在組網(wǎng)理論，路由算法,接入控制,安全管理等方面.

下面我們簡單的進行說明.2.1自組織網(wǎng)絡(luò)理論自組織網(wǎng)絡(luò)的運行不能依賴于任何預(yù)設(shè)的固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施.結(jié)點可以隨意移動,可以在沒有或不便利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境.自組織網(wǎng)絡(luò)可以分成兩種結(jié)構(gòu):平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)中,所有結(jié)點的地位平等,所以又稱為對等式結(jié)構(gòu).而分級結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇。每個簇由一個簇頭和多個成員節(jié)點組成。簇頭結(jié)點負責(zé)簇間業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā).根據(jù)不同的硬件配置,分級結(jié)構(gòu)又可以分為單頻分級和多頻分級兩種.單頻率分級網(wǎng)絡(luò)只有一個通信頻率,所有結(jié)點使用同一個頻率通信。為了實現(xiàn)簇頭之間的通信，需要有網(wǎng)關(guān)結(jié)點(同時屬于兩個或多個簇的結(jié)點)的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了高一級的網(wǎng)絡(luò),稱為虛擬骨干.而在多頻率分級網(wǎng)絡(luò)中，不同級采用不同的通信頻率.低級結(jié)點的通信范圍較小,而高級結(jié)點要覆蓋較大的范圍.高級的結(jié)點同時處于多個級中,有多個頻率,用不同的頻率實現(xiàn)不同級的通信.兩級網(wǎng)絡(luò)中,簇頭結(jié)點有兩個頻率.頻率1用于簇頭與簇成員的通信.而頻率2用于簇頭之間的通信.在平面結(jié)構(gòu)中,每一個結(jié)點都需要知道到達其它所有結(jié)點的路由.由于結(jié)點的移動性,維護這些動態(tài)變化的路由信息需要大量的控制消息.網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大,路由維護和網(wǎng)絡(luò)管理的開銷就越大,網(wǎng)絡(luò)的可擴充性較差.分級結(jié)構(gòu)克服了平面結(jié)構(gòu)可擴充性差的缺點,網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不受限制.分級結(jié)構(gòu)中,簇頭的功能相對較強,而普通節(jié)點的功能比較簡單,基本上不需要維護路由.這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量.此外,分級結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)節(jié)點的移動性管理和保障通信業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大并需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障時宜采用分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).2.2自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)中分組傳輸?shù)穆酚伤惴ㄊ钱斍笆艿阶顬閺V泛研究的問題.我們知道現(xiàn)在的無線通信網(wǎng)都是有固定基礎(chǔ)設(shè)施的,因此在移動過程中其分組路由的實現(xiàn)相對比較容易.而在自組織網(wǎng)絡(luò)中,當節(jié)點移動時不再存在本地代理或外部代理幫助其實現(xiàn)路由分組.網(wǎng)絡(luò)中不再存在缺省的路由,網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都要求具有獨立查尋路由并轉(zhuǎn)發(fā)分組的能力.因此傳統(tǒng)路由算法無法直接應(yīng)用到自組織網(wǎng)絡(luò)中,需要為其專門設(shè)計研究新的路由算法.我們先來看看傳統(tǒng)的路由算法.傳統(tǒng)的路由算法有兩類,一是距離矢量路由算法,另一類是鏈路狀態(tài)算法。距離矢量路由算法的特點是:周期性地與所有物理相鄰的節(jié)點交換可達性消息;當有多條可達路徑時選擇一個最短的.鏈路狀態(tài)算法的特點是:周期性地向網(wǎng)中所有的路由器通知當前所有物理鏈路的狀態(tài);每個路由器都得到一張完整的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖.傳統(tǒng)路由算法在有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)中運行得很好,但是在自組網(wǎng)中卻存在如下的問題:網(wǎng)絡(luò)拓撲變化太快,傳統(tǒng)算法將會給網(wǎng)絡(luò)造成很大控制負荷;限制了移動自組織網(wǎng)絡(luò)的性能:周期性的路由刷新加大了移動節(jié)點的能量消耗,固定網(wǎng)的睡眠模式無法應(yīng)用于自組織網(wǎng)絡(luò)中;路由消息的交換大大減少有效系統(tǒng)帶寬;針對固定網(wǎng)路由算法的缺點,人們提出了多種能應(yīng)用于自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由算法,主要可分表驅(qū)動路由算法如DSDV,WRP(WirelessRoutingProtocol無線路由協(xié)議)等,按需驅(qū)動路由算法如AODV(AdhocOn-DemandVector),TORA,DSR,ABR(AssociativityBasedRouting基于關(guān)聯(lián)性的路由算法),SSR(SignalStabilityRouting信號穩(wěn)定度的路由算法)等,區(qū)域路由算法如ZRP.但是這些算法所能支持的節(jié)點數(shù)目有限.當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)增多時,網(wǎng)絡(luò)性能將嚴重下降.同時這些算法沒有考慮到節(jié)點的功耗,以及對服務(wù)質(zhì)量的支持.2.3自組織網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與安全AdHoc網(wǎng)絡(luò)一方面作為自治系統(tǒng),有自身特殊的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理機制;另一方面作為互聯(lián)網(wǎng)在無線和移動范疇的擴展和延伸,它又必須能夠提供到互聯(lián)網(wǎng)的無縫的接入機制.當前互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)可以在一定程度上保證綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量.近年來隨著多媒體應(yīng)用的普及和AdHoc網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)應(yīng)用的進展,人們很自然地會產(chǎn)生在AdHoc網(wǎng)絡(luò)上傳送綜合業(yè)務(wù)的需求,并且希望能像固定的有線網(wǎng)絡(luò)一樣為不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量提供保障.因此AdHoc網(wǎng)絡(luò)QoS保障的支持顯得越來越迫切和重要.但是與固定的有線網(wǎng)絡(luò)不同,AdHoc網(wǎng)絡(luò)中提QoS支持將面臨許多不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的新問題和挑戰(zhàn).與其它通信網(wǎng)絡(luò)一樣,AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量保證也是個系統(tǒng)性問題,不同層都要提供相應(yīng)的機制.其實現(xiàn)至今仍是一個待解決的問題.除了服務(wù)質(zhì)量,安全也是自組織網(wǎng)絡(luò)中的一個大問題.AdHoc網(wǎng)絡(luò)的特點之一就是安全性較差,易受竊聽和攻擊.因此,需要研究適用于AdHoc網(wǎng)絡(luò)的安全體系結(jié)構(gòu)和安全技術(shù).目前在安全方面主要集中WEP(WiredEquivalentPrivacy等效于有線加密),WEP1密碼協(xié)議安全性分析與攻擊方法的研究,消息認證和完整性技術(shù)研究等幾個方面.3移動自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要包括以下幾個方面:（1）移動會議:在室外臨時環(huán)境中,工作團體的所有成員可以通過AdHoc方式組成一個臨時網(wǎng)絡(luò)來協(xié)同完成一項大的任務(wù),或協(xié)同完成某個計算任務(wù).在室內(nèi)辦公環(huán)境中,辦公人員攜帶的包含AdHoc收發(fā)器的PDA可以通過無線方式自動從臺式機上下載電子郵件,更新工作日程表等.（2）家庭網(wǎng):通過移動聯(lián)網(wǎng)的方式把辦公室的辦公環(huán)境延伸到家庭,必要時在家庭辦公.或者利用我們隨身攜帶的個人無線AdHoc設(shè)備與裝備了AdHoc收發(fā)器的家庭電器通信,自動完成開鎖,開燈,打開娛樂設(shè)備,調(diào)節(jié)空調(diào)等操作.（3）緊急服務(wù):由于停電或其他災(zāi)害出現(xiàn),網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞時,組建一個AdHoc網(wǎng)絡(luò)幫助緊急救援人員完成必要的通信工作.傳感器網(wǎng)絡(luò):最近,人們開始關(guān)注大量分布的傳感器協(xié)調(diào)工作問題.傳感器可以工作在危險的環(huán)境(如化學(xué)有害物質(zhì)泄漏現(xiàn)場),通過在傳感器上裝備位置指示器,AdHoc收發(fā)器等,將傳感器所在現(xiàn)場的信息傳送到危險現(xiàn)場以外,收集和辨別事故信息,避免救援人員進入現(xiàn)場.（4）個人域網(wǎng)絡(luò):通過AdHoc網(wǎng)絡(luò)把個人通信,娛樂,辦公等設(shè)備聯(lián)網(wǎng),這些設(shè)備可以與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)相連,也可以不與互聯(lián)網(wǎng)相連,但在執(zhí)行用戶的某項活動時肯定需要彼此通信.在這種情況下,移動性不是主要問題.其他商業(yè)應(yīng)用:如未來裝備AdHoc收發(fā)設(shè)備的機場預(yù)約和登機系統(tǒng)可以自動地與乘客攜帶的個人無線AdHoc設(shè)備通信,完成目前的換登機牌等手續(xù).如商場內(nèi)商品RF標簽,廉價的RF標簽可以通過無線接口由AdHoc設(shè)備動態(tài)刷新.顧客若攜帶手持無線設(shè)備可以很容易地找到某種商品和價格.這種設(shè)備已由NCR公司生產(chǎn).將移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)作為中繼,以擴大第2代及第3代移