無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)管理

摘要:文章著重分析入網(wǎng)控制流程，對普通的和廣域的格狀網(wǎng)(Mesh)模式分析了自組織網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)沖突問題；進(jìn)一步文章提出了一種分布式入網(wǎng)管理方法，闡述了該方法中的退避機(jī)制和算法，描述了算法的流程，并且分析了算法性能；文章還指出了入網(wǎng)管理的一些關(guān)鍵問題和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵字:入網(wǎng)管理；退避算法；自組織網(wǎng)絡(luò)；認(rèn)證過程

英文摘要:This paper examines network control processes and conflict in an Ad hoc network in ordinary mode and Mesh mode in Wide Area Network(WAN). Distributed network management is proposed with a back-off mechanism and algorithm. The process and performance of this algorithm is analyzed, and other key issues and trends in network management are discussed in conclusion.

英文關(guān)鍵字:network management; back-off algorithm; Ad hoc network; certification process

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展(“863”)計(jì)劃(2008AA011004)

目前，公共安全機(jī)構(gòu)和組織在應(yīng)急處理和災(zāi)害響應(yīng)時(shí)，越來越多地采用無線技術(shù)提供高效的命令、控制和通信保障。近年來多次緊急事件和災(zāi)害顯示，出現(xiàn)緊急事件和發(fā)生災(zāi)害的時(shí)間、地點(diǎn)和規(guī)模難以預(yù)測。加之當(dāng)有災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)，既有的通信設(shè)施和手段往往遭到破壞，依賴既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來進(jìn)行應(yīng)急通信的質(zhì)量需求是無法保障的[1]。因此，具有分布式、移動性、擴(kuò)充性、自適應(yīng)性和靈活性的無線自組織網(wǎng)絡(luò)成為進(jìn)行應(yīng)急通信組網(wǎng)的重要手段。

1 自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)概述

自組織(Ad hoc)網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的自治系統(tǒng)。1968年在美國建立的ALOHA網(wǎng)絡(luò)和在1973年提出的PR網(wǎng)絡(luò)就是自組織網(wǎng)絡(luò)的原型。其實(shí)ALOHA是一種單跳網(wǎng)絡(luò)，需要固定的基站，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)之間都可直接連接互相通信。而PR網(wǎng)絡(luò)的提出，才是真正意義上地實(shí)現(xiàn)了多跳網(wǎng)絡(luò)。PR網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)無需直接連接，在兩個距離遠(yuǎn)而無法直接通信的節(jié)點(diǎn)之間，能夠通過中繼的方式傳送信息。PR網(wǎng)絡(luò)之后改名為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，即自組織網(wǎng)絡(luò)。還有一些與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的研究項(xiàng)目獲得資助，包括可生存自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)(SURAN)、低成本報(bào)文無線電(LCR)、可生存通信網(wǎng)絡(luò)(SCN)、戰(zhàn)術(shù)因特網(wǎng)和近期無線電(NTDR)等[2]，這些網(wǎng)絡(luò)的研究成果為自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的研究奠定了重要的基礎(chǔ)。

自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)造滿足應(yīng)急通信需求的網(wǎng)絡(luò)。自組織應(yīng)急通信網(wǎng)指在緊急情況下不需要依靠既有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，利用具備自組織網(wǎng)絡(luò)能力的通信節(jié)點(diǎn)，快速地組建通信網(wǎng)絡(luò)，提供應(yīng)急通信能力的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)由一組帶有無線收發(fā)裝置的可移動節(jié)點(diǎn)組成無中心網(wǎng)絡(luò)；是可以不依賴人為操作的自組織、自愈合的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)信息交換和服務(wù)共享。由于自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)具有6個顯著特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化、自組織無中心、多跳通信、節(jié)點(diǎn)處理能力和能源受限、無線傳輸帶寬受限、通信安全面臨挑戰(zhàn)[3]。

另一方面，自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)也具備了高可靠性、靈活性和低成本的特點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)中多個通信路徑和自動路徑配置成為可能。網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)都兼有主機(jī)和路由器兩種功能：作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行各種用戶程序，作為路由器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)配置的路由協(xié)議。在通信過程中，如果網(wǎng)絡(luò)或環(huán)境發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)則協(xié)同工作，節(jié)點(diǎn)自動地重新配置，為所傳遞的信息尋找最合適的有效路徑。因此，自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)重要的能力就是自動快速組網(wǎng)和通信。

第三代移動通信協(xié)作項(xiàng)目(3GPP)、歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETSI)和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)等標(biāo)準(zhǔn)化組織都在自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)方面展開了研究，并制訂了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。IETF專門設(shè)立了一個移動自組織網(wǎng)絡(luò)研究課題組(MANET)，針對無線自組織多跳網(wǎng)絡(luò)開發(fā)基于IP的路由協(xié)議，使IP協(xié)議擴(kuò)展到自組織組網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)；3GPP和IETF在自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入和自優(yōu)化等方面制訂了標(biāo)準(zhǔn)。它們的區(qū)別在于，3GPP規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的使用環(huán)境為全球無線接入網(wǎng)絡(luò)(UTRAN)和演進(jìn)通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)絡(luò)(E-UTRAN)，而ETSI標(biāo)準(zhǔn)適用環(huán)境為SP-42、SP-46�？梢钥吹剑�關(guān)于自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)還沒有制訂出統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)一致的標(biāo)準(zhǔn)。

本文為解決出現(xiàn)突發(fā)事件后無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的快速組網(wǎng)問題，提出使用“時(shí)間關(guān)鍵”組網(wǎng)技術(shù)。“時(shí)間關(guān)鍵”源于軍用戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)中從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、定位目標(biāo)、直到攻擊目標(biāo)的時(shí)間限制要素。根據(jù)突發(fā)事件的等級，制訂從網(wǎng)絡(luò)建立需求提出，網(wǎng)絡(luò)組建，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和認(rèn)證，網(wǎng)絡(luò)通信啟動，直至移動節(jié)點(diǎn)全部入網(wǎng)的時(shí)間限制。本文針對時(shí)間關(guān)鍵的入網(wǎng)過程中的機(jī)制、入網(wǎng)流程、入網(wǎng)協(xié)議和消息等方面，對這個過程中出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)沖突問題進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的入網(wǎng)管理方法。

2 入網(wǎng)過程

入網(wǎng)過程是無線自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)可能在網(wǎng)絡(luò)的初始化或新節(jié)點(diǎn)的加入兩種情況發(fā)生。入網(wǎng)過程中入網(wǎng)流程和入網(wǎng)協(xié)議是兩個重要的內(nèi)容。為了滿足“時(shí)間關(guān)鍵”組網(wǎng)的要求，首要的任務(wù)是標(biāo)準(zhǔn)化入網(wǎng)流程。下面通過一個新節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)的特性，快速加入到網(wǎng)絡(luò)中的控制過程，認(rèn)識入網(wǎng)算法和管理功能。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)入網(wǎng)流程

無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程是數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層的一個流程。在GSM、CDMA網(wǎng)絡(luò)中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)入網(wǎng)流程。在IEEE 802.16d[6]和MIL-STD-188-220[7]中，分別定義了Ad hoc模式下的入網(wǎng)流程。入網(wǎng)流程主要包括：網(wǎng)絡(luò)同步、能力交換、認(rèn)證注冊等。各個無線自組織網(wǎng)絡(luò)基本流程是相似的，因此參考IEEE 802.16d中的Mesh模式，本文定義并且描述了一個新節(jié)點(diǎn)在無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中的入網(wǎng)流程。

2.2 入網(wǎng)協(xié)議和消息

在入網(wǎng)過程中新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)需要用到的兩個消息：一個是MSH-NCFG，另一個是MSH-NENT。MSH-NCFG消息由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)出，為相鄰節(jié)點(diǎn)提供了基本的通信信息，在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該按照一定方式轉(zhuǎn)發(fā)MSH-NCFG消息。MSH-NENT消息是為新節(jié)點(diǎn)獲取同步、進(jìn)行實(shí)體初始化、加入網(wǎng)絡(luò)提供方法的。

2.3 入網(wǎng)過程

入網(wǎng)流程主要包括網(wǎng)絡(luò)同步、能力交換、認(rèn)證注冊等。每個無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)流程基本一致。

一個新節(jié)點(diǎn)來到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先通過監(jiān)聽到的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的MSH-NCFG消息來獲得大致的網(wǎng)絡(luò)同步及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；該新節(jié)點(diǎn)根據(jù)隨后監(jiān)聽到的鄰居節(jié)點(diǎn)的MSH-NCFG消息建立一個物理鄰居列表，此時(shí)完成了網(wǎng)絡(luò)的大致同步；然后，該新節(jié)點(diǎn)依據(jù)“最易進(jìn)行精確同步”的原則，從建立的物理鄰居列表中選擇一個合適的候選代理節(jié)點(diǎn)作為入網(wǎng)請求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；該新節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得一個發(fā)送機(jī)會，向候選節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含候選節(jié)點(diǎn)ID的入網(wǎng)請求消息(MSH-NENT)。

當(dāng)候選節(jié)點(diǎn)收到請求消息時(shí)，判斷是否接受這個請求。如果不接受，則回復(fù)MSH-NCFG: NetEntryReject消息；如果接受，則回復(fù)MSH-NCFG:NetEntryOpen消息，候選節(jié)點(diǎn)變?yōu)樾鹿?jié)點(diǎn)的代理節(jié)點(diǎn)。新的代理節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的MSH-NCFG:NetEntryOpen中包含時(shí)延信息用以幫助新節(jié)點(diǎn)完成精確同步，并為新節(jié)點(diǎn)開放一個臨時(shí)的通信調(diào)度支持資源。新節(jié)點(diǎn)利用代理提供的調(diào)度資源進(jìn)一步執(zhí)行能力交換、認(rèn)證程序和注冊程序。完成上述程序后，新節(jié)點(diǎn)通知代理；代理則釋放臨時(shí)調(diào)度支持資源，并給新節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)消息。以后新節(jié)點(diǎn)就可在網(wǎng)絡(luò)中正常工作。

上述過程參考了IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)的入網(wǎng)流程，MIL-STD-188-220協(xié)議也規(guī)定了Ad hoc模式下的入網(wǎng)流程。IEEE 802.16WG下的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.16e考慮了移動性管理[8]。TGm任務(wù)組已經(jīng)發(fā)布了相應(yīng)的需求文件SRD，在802.16m PAR中還明確了要滿足IMT-Advanced需求�？梢灶A(yù)期，IEEE 802.16m標(biāo)準(zhǔn)一旦完成，將對自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和研究起到很大的促進(jìn)作用。

2.4 需要解決的問題

從無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程看，存在幾個需要研究解決的問題。

(1)新節(jié)點(diǎn)為了加入到既有的網(wǎng)絡(luò)中，首先要監(jiān)聽可以收到的相鄰節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)配置消息。而結(jié)束這個監(jiān)聽過程的條件是重復(fù)收到從一個相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)來的網(wǎng)絡(luò)配置消息。由此，結(jié)束這個監(jiān)聽過程取決于可能的相鄰節(jié)點(diǎn)重復(fù)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)配置消息的間隔時(shí)間。

(2)新節(jié)點(diǎn)在選擇候選擔(dān)保節(jié)點(diǎn)時(shí)，選擇最容易與新節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確同步的節(jié)點(diǎn)。這僅僅考慮了物理時(shí)間同步關(guān)系，沒有對節(jié)點(diǎn)的通信能力給與足夠的考慮。

(3)IEEE 802.16d的Mesh網(wǎng)絡(luò)，存在著基站設(shè)備。新節(jié)點(diǎn)通信能力、認(rèn)證程序和注冊程序都通過基站完成。MIL-STD-188-220B/C/D標(biāo)準(zhǔn)中定義了入網(wǎng)過程，但是某些無線自組織網(wǎng)絡(luò)種中沒有給出節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程的描述。在沒有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)中，由于新節(jié)點(diǎn)能力很不同，認(rèn)證過程和注冊程序應(yīng)該有所不同。

(4)在新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)檢測的過程中，引入認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對新節(jié)點(diǎn)感知相鄰節(jié)點(diǎn)、選擇擔(dān)保節(jié)點(diǎn)、選擇信息交換時(shí)機(jī)，以及認(rèn)證和注冊過程都可以產(chǎn)生影響。

3 入網(wǎng)管理

依據(jù)上述自組織應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程，一個新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)需要占用3個網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)機(jī)發(fā)送MSH-NENT消息，而候選/代理節(jié)點(diǎn)則需要占用3個網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)機(jī)發(fā)送MSH-NCFG消息來響應(yīng)。

新節(jié)點(diǎn)占用網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)機(jī)是通過競爭的方式實(shí)現(xiàn)的。在IEEE 802.16協(xié)議中沒有明確說明采用什么樣的競爭方法。為保證候選/代理節(jié)點(diǎn)獲得一個網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)機(jī)，在IEEE 802.16協(xié)議中給出了一個沖突避免的接入方法，該方法可以保證在網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送MSH-NCFG消息時(shí)不會產(chǎn)生沖突。該方法的原理就是讓所有成員節(jié)點(diǎn)考慮自己兩跳以內(nèi)節(jié)點(diǎn)的MSH-NCFG更新時(shí)間，選擇出一個網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)機(jī)，使之不會跟兩跳內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)有沖突，再發(fā)送自己的MSH-NCFG消息。

在入網(wǎng)流程中上述兩個時(shí)機(jī)的占用方式，對不同場景下的新節(jié)點(diǎn)接入性能會有很大的影響。下面分兩種場景來說明問題，一種是在普通模式下，即節(jié)點(diǎn)的通信范圍都比較小的時(shí)候；另一種是在廣域模式下，即節(jié)點(diǎn)的通信范圍比較大的時(shí)候。本文通過對兩種模式下的特性進(jìn)行分析，得出入網(wǎng)管理方法。