關(guān)于移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)淺析

摘 要：在2001年以前，無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施需求的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)即MANET（Mobil Ad-Hoc Network），還只是一個(gè)只是在實(shí)驗(yàn)室里討論的概念，但是短短幾年后，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（下稱(chēng)MANET）就已被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的核心組成部分之一，甚至很多人認(rèn)為MANET能把所有我們能想到的所有網(wǎng)絡(luò)都組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的全球通信網(wǎng)絡(luò)。本文將首先介紹MANET的技術(shù)，分析其特點(diǎn)并指出現(xiàn)在的應(yīng)用，最后將簡(jiǎn)介MANET節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)；通信技術(shù)；統(tǒng)一

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5

傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)中存在大量的基礎(chǔ)設(shè)施，如路由器、交換機(jī)等，通過(guò)這些基礎(chǔ)設(shè)施完成網(wǎng)絡(luò)功能。而無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)還存在另一種形式，即MANET。如圖1便是一個(gè)典型的MANET。

圖1

MANET是由許多節(jié)點(diǎn)以自發(fā)的方式即時(shí)形成網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點(diǎn)既可能是源節(jié)點(diǎn)或者轉(zhuǎn)接節(jié)點(diǎn)。MANET不需要中央控制設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一套協(xié)議自動(dòng)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的各種基本功能。

MANET的無(wú)中心、多跳路由、自組織、抗毀性強(qiáng)、無(wú)線(xiàn)信道帶寬有限、鏈路隨機(jī)改變、節(jié)點(diǎn)能力受限等特點(diǎn)使得它面臨傳統(tǒng)因特網(wǎng)及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的巨大挑戰(zhàn)[1]。

1 MANET技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 MAC協(xié)議

為了MANET適應(yīng)這種獨(dú)特的組網(wǎng)方式，必須為移動(dòng)自組網(wǎng)設(shè)計(jì)適應(yīng)分布節(jié)點(diǎn)隨機(jī)移動(dòng)的協(xié)議。如圖2所示，為常見(jiàn)的MANET協(xié)議分層模型。

圖2

數(shù)據(jù)鏈路層即（MAC層）做為MANET協(xié)議棧最具特色的一層，是為上層的各個(gè)協(xié)議保證各種QoS的關(guān)鍵，并且直接影響到網(wǎng)絡(luò)容量、功率控制與終端復(fù)雜程度等問(wèn)題。目前，被廣泛應(yīng)用的主流MAC協(xié)議是IEEE 802.11。在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)存在著暴露終端、廣播擴(kuò)散、吞吐量下降和傳輸層不穩(wěn)定等問(wèn)題影響通信效果。

當(dāng)然，使用什么樣的MAC協(xié)議，還要考慮到各層統(tǒng)一的性能優(yōu)化；并且具體分析實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使選用的MAC協(xié)議適應(yīng)實(shí)際中對(duì)各方面的要求。

1.2 路由技術(shù)

在MANET中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都可以作為路由器，擔(dān)負(fù)路由器尋路轉(zhuǎn)發(fā)的工作。信息從發(fā)送端，要經(jīng)歷若干個(gè)設(shè)備才能到達(dá)接收端，而每個(gè)設(shè)備又都是移動(dòng)的，這就加大了路由技術(shù)的難度。普遍認(rèn)可的路由協(xié)議有DSDV、AODV、DSR等，大多基于鏈路狀態(tài)與距離矢量而實(shí)現(xiàn)的。而由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，不同的路由協(xié)議會(huì)有不同的效果，如何在一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中選擇最佳的路由協(xié)議就成了人們最關(guān)心的問(wèn)題。

1.3 動(dòng)態(tài)變化的可拓展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

MANET的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，整體上分為分層與平面結(jié)構(gòu)。而MANET中設(shè)備的移動(dòng)性、隨時(shí)開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)、設(shè)備發(fā)送功率變化、地形等因素的影響帶來(lái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化更是加大了對(duì)MANET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究。

1.4 降低功耗技術(shù)

因?yàn)樵谕ㄐ胚^(guò)程中，既要考慮信號(hào)功率夠得滿(mǎn)足可達(dá)性，又要盡量減小電池重量設(shè)備的滿(mǎn)足便攜性，所以自組織網(wǎng)絡(luò)通信必須做到低功耗。引起能源損耗有以下幾個(gè)方面：空閑偵聽(tīng)、競(jìng)爭(zhēng)沖突、協(xié)議控制損耗等方面。目前很多集中在如何降設(shè)備消耗能量消耗上研究取得進(jìn)展，如減少分組重傳，提高收發(fā)器的使用效率，設(shè)計(jì)基于功耗的路由算法等。另外可以參考ZigBee技術(shù)，將省電機(jī)制寫(xiě)到協(xié)議之中，以及使用低功耗的MCUs，采用休眠模式，并縮短工作周期，降低收發(fā)功耗。

1.5 MANET與IPv6的契合點(diǎn)

由于MANET自身特殊的組織形式，使得固網(wǎng)與中心無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的傳統(tǒng)協(xié)議不能滿(mǎn)足它的需要，而IPv6是物聯(lián)網(wǎng)的主流趨勢(shì)，很好地解決了區(qū)分設(shè)備與設(shè)備間互聯(lián)問(wèn)題，因此研究者們考慮到在IPv6協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)?；贛ANET多跳的特性，IPv6協(xié)議多跳切換算法就成了二者的最佳契合點(diǎn)。

文獻(xiàn)[6]就給出了一種能夠在MANET中實(shí)現(xiàn)IPv6快速算法的方法。

1.6 MANET的安全技術(shù)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用于軍事，因此，要防止竊聽(tīng)、破壞和侵入。所以網(wǎng)管需要結(jié)合加密和認(rèn)證過(guò)程。由上可見(jiàn)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的，要解決的問(wèn)題包括如何有效地收集網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅲ绾翁幚韯?dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)配置和安全保密問(wèn)題。

2 MANET的應(yīng)用

綜上所述，MANET絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

（1）無(wú)需基站建設(shè)，降低成本。

（2）允許節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，增加了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。

（3）打破蜂窩網(wǎng)的局限性，有利于高效部署。

（4）利用實(shí)現(xiàn)中央控制。

正是鑒于這些特性，MANET有望成為今后無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主流趨勢(shì)，MANET的設(shè)備將會(huì)越來(lái)越多，越來(lái)越便宜。MANET會(huì)在軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮、醫(yī)療、辦公、智能家居等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

軍事領(lǐng)域：軍事領(lǐng)域一直是MANET發(fā)展強(qiáng)有力的推動(dòng)力。在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上，在士兵之間、軍事車(chē)輛之間以及士兵與軍事車(chē)輛之間，組成了典型的一種MANET，加強(qiáng)了聯(lián)系，有利于以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮和協(xié)同作戰(zhàn)。這是一種典型的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)。在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍每一名士兵，每一車(chē)輛，都配備了MANET設(shè)備，為戰(zhàn)事的推進(jìn)起到了十分顯著地效果。

在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域：環(huán)境監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)量大、突發(fā)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，MANET成為了其必不可少的組成部分。夏威夷大學(xué)曾在美國(guó)火山國(guó)家公園內(nèi)部署了MANET，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特定物種在特定環(huán)境中的生存狀況，并且還可以研究公園內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，如大氣溫濕度監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)警等方面，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到了重要的作用[2]。

在應(yīng)急指揮領(lǐng)域：重大災(zāi)害如洪水泥石流、強(qiáng)烈地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的發(fā)生具有不確定、突發(fā)、緊急等特點(diǎn)，造成大面積通信終端，阻礙了救災(zāi)工作的執(zhí)行。通過(guò)無(wú)人機(jī)、應(yīng)急指揮車(chē)等構(gòu)成的MANET能夠在短時(shí)間內(nèi)起到通信支撐網(wǎng)作用。

醫(yī)療領(lǐng)域：MANET可以發(fā)揮其實(shí)時(shí)通信的特點(diǎn)，幫助收集人體生理數(shù)據(jù)，跟蹤病人治療效果，甚至起到治療的作用。在文獻(xiàn)[5]中就介紹了利用MANET傳感器組成的人造視網(wǎng)膜，能夠幫助弱視甚至失明的患者恢復(fù)視力。

辦公領(lǐng)域：MANET是實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，是辦公環(huán)境更加人性化，并節(jié)約大量的不必要的浪費(fèi)。

家居領(lǐng)域：“智能家居”的概念是MANET網(wǎng)絡(luò)走進(jìn)各家各戶(hù)提出來(lái)的，聲控、溫控、光控器件與家電的聯(lián)合使家家戶(hù)戶(hù)成為了一個(gè)個(gè)人性化的MANET。

3 MANET節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是MANET的最小單位，是完成信息接收與轉(zhuǎn)發(fā)的主體。如圖3所示，就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的模塊示意圖。

圖3

它綜合了嵌入式計(jì)算、微電子、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)通信等先進(jìn)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并完成對(duì)該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息采集，并將采集和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、存儲(chǔ)和管理，最后將處理后的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送[2]。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)然，MANET目前還存在許多待完善的地方，主要是數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)效率較低，不能良好支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)等。但是MANET的出現(xiàn)，突破了受到的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的局限性，能夠快速、便捷、高效地部署，因此有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著對(duì)MACNET關(guān)注程度逐漸增加以及研究人員不斷加入，相信MANET將會(huì)得到迅猛發(fā)展，并在不同領(lǐng)域展現(xiàn)出自身的魅力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]荊琦，唐禮勇，陳洲峰.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008.

[3]周炯槃，龐沁華.通信原理（第三版）[M].

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