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相關(guān)專題：
2.3QoS路由
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)點資源受限，無線節(jié)點間相互干擾等特性，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)點間鏈路狀態(tài)信息的獲取和管理維護(hù)困難。
由于相鄰節(jié)點間存在“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、時延、時延抖動等鏈路參數(shù)都很難及時獲取和更新維護(hù)。
隨時存在的單向信道的存在使得QoS路由協(xié)議設(shè)計困難，主要體現(xiàn)在:認(rèn)知的單向性、路由的單向性和匯點不可達(dá)。
每個節(jié)點資源有限，使得QoS路由選擇不能太復(fù)雜。
基于約束的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或兩個以上QoS參數(shù)時，路由選擇將是一個NP完全問題[5]。
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Ad hoc路由協(xié)議(CEDAR)[6]、基于標(biāo)簽探測的路由協(xié)議(TBP)[7]、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)[8]、分布式服務(wù)質(zhì)量路由算法(DQoSR)等。
實際上，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 跨層設(shè)計
無線自組織網(wǎng)絡(luò)中鏈路的帶寬較緊缺，而節(jié)點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)議層對等實體之間的水平通信�？鐚訁f(xié)同設(shè)計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。按照這種方式設(shè)計的協(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現(xiàn)優(yōu)化自組織網(wǎng)絡(luò)的通信性能，是一個值得研究的課題。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)出一個基本觀點：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施跨層聯(lián)合設(shè)計。因此在今后的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點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，是無線自組織網(wǎng)絡(luò)跨層協(xié)同設(shè)計的重點和技術(shù)難點之一。其設(shè)計需要考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性、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，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的有效分配。文獻(xiàn)[9]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)[10]中基于AODV路由協(xié)議和IEEE 802.11e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、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)[11]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 具有可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)
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，每個節(jié)點都需要知道到達(dá)其他所有節(jié)點的路由。由于節(jié)點的移動性，維護(hù)這個動態(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。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邏輯分層結(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)劃分成若干個簇，每個簇由一個簇頭和多個普通節(jié)點組成。簇頭之間的通信需要借助于網(wǎng)關(guān)節(jié)點完成，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。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)中方便地實施資源管理。在每個簇內(nèi)，簇頭可以控制節(jié)點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)合先驗式和反應(yīng)式優(yōu)點的分級路由協(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)的性能和實用性。
4.2物理分層機(jī)構(gòu)
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，這些異構(gòu)節(jié)點具有不同的系統(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)點組成：骨干節(jié)點(BN)和普通節(jié)點(RN)，如圖6所示。BN一般具有多個無線收發(fā)設(shè)備，一種典型的配置是：其中一個無線設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點相同，可與普通節(jié)點直接通信，而另一個無線設(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)點通過該無線設(shè)備與其他BN互連，形成MBN。每一個BN類似簇首，負(fù)責(zé)管理、維護(hù)一個子網(wǎng)，子網(wǎng)的規(guī)模為k跳(k≥1)；每一個RN歸屬某一個由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 (BCN)，當(dāng)某一個BN移動引起MBN不連通時，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BN。每層網(wǎng)絡(luò)本身仍然是一個同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，所以對于MBN可以進(jìn)一步采用分簇技術(shù)，再形成多個邏輯分層結(jié)構(gòu)。
4.3異構(gòu)自組織互聯(lián)網(wǎng)
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平面網(wǎng)絡(luò)分解成為多個相對對立、且相互連通的小規(guī)模子網(wǎng)，各個子網(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，而由于實際應(yīng)用的需求，要求在子網(wǎng)間實現(xiàn)通信，實現(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，部隊按建制配備通信電臺，并形成各自獨立的通信子網(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)議形成若干相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，要實現(xiàn)它們之間的互聯(lián)互通實質(zhì)上也是異構(gòu)自組織網(wǎng)互聯(lián)的問題。
實現(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)計時最大限度降低了應(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)點在子網(wǎng)內(nèi)的移動；域間移動性是指節(jié)點在相鄰子網(wǎng)間的漫游。此外，子網(wǎng)作為一個整體進(jìn)行移動、多個具有相同通信體制的子網(wǎng)合并成一個新的子網(wǎng)、一個子網(wǎng)分裂成多個子網(wǎng)等情況也會產(chǎn)生一系列新的動態(tài)拓?fù)鋯栴}。所以網(wǎng)間自組織的設(shè)計應(yīng)該充分考慮上述復(fù)雜性。
5 其他相關(guān)技術(shù)進(jìn)展
5.1無線自組織網(wǎng)絡(luò)的安全
無線自組織網(wǎng)絡(luò)的安全問題的最終目標(biāo)是給用戶提供安全服務(wù)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，安全解決方法應(yīng)該提供跨越整個協(xié)議棧的全面保護(hù)�，F(xiàn)在對于無線自組織網(wǎng)絡(luò)安全的研究，鏈路層可以采用安全的無線MAC協(xié)議，采用檢測和響應(yīng)策略進(jìn)行反應(yīng)式保護(hù)，對現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行修改，確定安全漏洞，如IEEE 802.11i對IEEE 802.11wep安全問題的修補(bǔ)；在網(wǎng)絡(luò)層一般采取了相鄰節(jié)點驗證、安全增強(qiáng)型路由協(xié)議、相鄰節(jié)點監(jiān)視、入侵響應(yīng)等方法；傳輸層采用數(shù)據(jù)加密認(rèn)證和保護(hù)端到端通信。
5.2無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的TCP
傳輸控制協(xié)議(TCP)是一個根據(jù)有效網(wǎng)絡(luò)帶寬控制器承載載荷的自適應(yīng)傳輸協(xié)議，在沒有擁塞的時候?qū)⒂蒙翱谠龃�，監(jiān)測到擁塞的時候又減小擁塞窗口。這種機(jī)制在有線網(wǎng)絡(luò)中工作的很好，但是在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，TCP協(xié)議遇到了很多挑戰(zhàn)，如端到端時延的變化加大、報文丟失的原因增多、可用資源減少等問題。目前對于無線自組織網(wǎng)絡(luò)中TCP的研究，集中在擁塞窗口大小的控制、TCP的公平性、端到端時延的保證等方面。
5.3無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能
可達(dá)性和便攜性在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中是一對矛盾的綜合體。一方面，為了提高通信的可達(dá)性，可以提高收發(fā)器的功率，這將帶來能耗的提高；另一方面，便攜性又對設(shè)備的體積、重量電源等提出了種種限制。為了保證無線自組織網(wǎng)絡(luò)的工作時間，可以提高電池供電能力，降低移動節(jié)點的能量消耗。前者的提高受到種種限制，不可以一蹴而就，目前的研究大都集中到了如何降低移動節(jié)點能量消耗上，如減少分組重傳，提高收發(fā)器的使用效率，設(shè)計基于功耗的路由算法等。
6 結(jié)束語
無線自組織網(wǎng)絡(luò)由于其可移動性、自組織性和便利性，成為通信領(lǐng)域發(fā)展的熱點之一；也正是這些特性對無線自組織網(wǎng)絡(luò)各方面的技術(shù)都提出了新的要求。目前不斷有基于原有基礎(chǔ)修改或者全新設(shè)計的思路、協(xié)議、方案提出，但是很多關(guān)鍵問題還沒有得到真正解決。這些問題的研究和解決，將使得無線自組織網(wǎng)絡(luò)迎來進(jìn)一步的發(fā)展。
