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1、-无线自组网设计思路-第 7 页无线自组网设计思路1无线自组网的协议栈描述根据Ad hoc网络的特征，参考OSI（Open System Interconnect）的经典七层协议模型及TCP/IP的体系结构，一般将Ad hoc网络的协议栈划分为5层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。各层的功能可描述如下：物理层物理层的功能包括信道的区分和选择、无线信号的检测和调制/解调等。由于多径传播带来的多径衰落、码间干扰，以及无线传输的空间广播特性带来的节点间的相互干扰，使得Ad hoc网络传输链路的带宽容量很低。因此，物理层的设计目标是以相对低的能量消耗，获得较大的链路容量。为了实现这样的目
2、标，需要采用先进的调制/解调、信道编码、多天线、自适应功率控制、干扰抵消以及速率控制等技术。数据链路层MAC子层控制着移动节点对于共享无线信道的访问，它包括两方面功能，一是信道的划分，即如何把频谱划分为不同的信道；二是信道分配，即如何把信道分配给不同的节点。信道划分的方法包括频分、时分、码分或这些方法的组合。在Ad hoc网络中，为了克服无线网络中的隐藏终端和暴露终端的问题，通常采用的信道接入机制包括了随机竞争机制、轮询机制、动态调度机制等。LLC子层负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的MAC方法。具体包括数据流的复用、数据帧的检测、分组的转发/确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。网络
3、层网络层需要完成邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互连的功能。邻居发现主要用于收集网络拓扑信息。路由协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由，将网络层分组从源节点发送到目的节点以实现节点之间的通信。路由协议包括单播路由和多播路由协议，此外还可以采用虚电路方式来支持实时分组的传输。传输层传输层向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子层（下三层的细节）相隔离，并根据网络层的特性来高效的利用网络资源。目前Ad hoc网络的传输层采用的协议主要是对传统有线网络中传输层协议（TCP、UDP）的改进，以适应Ad hoc网络独特的网络特性。应用层应用层协议提供面向用户的各种应用服务，包括不同服务需求的实
4、时应用、自适应应用以及数据包应用等。可选功能可选功能包括功率控制机制、分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、服务发现、地址自动配置和安全策略等。这些可选功能模块在协议栈中的具体位置取决于各功能模块的作用以及与上下层协议的关系。例如功率控制机制可以工作在物理层之上为链路层提供服务；信令协议一般在网络层之上工作为传输层提供服务；而分簇算法可以工作在链路层之上为网络层提供服务。该协议栈是一个通用Ad hoc网络协议栈，对于具体的应用场合，可对其进行简化，去掉不必要的功能模块或添加新的模块，并根据系统和应用要求作进一步的细化。为了针对Ad hoc网络的特性作整体的优化，在Ad hoc网络中还引入了跨
5、曾设计的协议设计方法。2无线自组网的关键技术由于Ad hoc网络的特殊性，传统网络中采用的各种协议和技术无法直接应用到该网络中，需要为其设计专门的协议和技术。如何实现Ad hoc网络可靠、高容量的通信一直是研究者追求的目标。目前对Ad hoc网络的研究主要集中在以下几个方面，并获得了大量的研究成果。物理层自适应技术如何充分的利用有限的带宽、能量资源，基于业务的特点和对QoS的要求，最大化网络的吞吐量、最小化能量的消耗，是链路自适应技术需要解决的问题。目前解决的方法主要是采用自适应编码、自适应调制、帧长自适应、自适应功率控制、自适应资源分配等自适应技术。信道接入技术信道接入技术是Ad hoc网络
6、协议的基础，控制着节点如何接入无线信道，对Ad hoc网络的性能起决定作用。Ad hoc网络的无线信道是一个多跳共享的多点信道。一个节点发送信息时，只有邻居节点可以收到。Ad hoc网络具有独特的隐藏终端盒暴露终端问题，需要设计专门的信道接入协议来解决。目前的接入方法有异步接入、同步接入和动态调度等机制。异步接入采用随机竞争的方法，需要解决公平性和QoS问题。同步接入采用轮询机制，需要解决网络同步的问题。动态调度可以按照业务需求有效地利用链路资源，需要一个高效的调度算法。自组织路由协议自组织路由协议是Ad hoc网络的重要组成部分，要实现多跳路由，必须有路由协议的支持。需要针对Ad hoc网络
7、的特点，如网络拓扑动态变化、信道带宽受限等，设计出高效的路由协议。目前，IETF的MANET工作主要负责Ad hoc网络路由协议的标准化工作。2.4 QoS保证随着应用的拓展，需要在Ad hoc网络中传输话音、图像等多媒体业务。这些业务对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。需要为这些业务提供一定的QoS保证。在Ad hoc网络中，服务质量的保证是一个系统性问题，需要不同层提供相应的机制，针对不同的需求给出不同的策略。跨层设计技术近年来，在Ad hoc网络中应用跨层设计的思想受到了越来越多的关注。利用跨层设计方法，可以使得网络各协议层之间通过交互参数，统一规划调度；或者对某些层次进行融合，
8、来提高网络的整体性能。在Ad hoc网络中应用跨层设计目前还处于完善阶段，存在着网络系统的整体跨层设计和优化复杂的网络的优化难以度量以及建模和仿真复杂等问题。但是，总的来说，在Ad hoc网络中进行跨层设计师不可避免的发展趋势。低功耗设计低功耗设计包括两方面的内容，一是通过功率控制来调整节点的发送功率，在传输范围和干扰之间进行折衷；二是由于节点的能量有限，需要减少节点的电池消耗。对于Ad hoc网络的军事应用和传感器网络而言，后者更为重要。安全问题Ad hoc网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。因此，需要研究适用于Ad hoc网络的安全体系结构和安全技术。目前，在实现保密性、完整性、
9、服务有效性以及鉴权和认证等安全需求方面都面临极大的挑战。异构网络互联技术在很多场合下，Ad hoc网络需要与其它网络互联。这一技术主要研究如何实现Ad hoc网络与其它网络的互连互通问题。目前很多利用Ad hoc网络思想的方向发展迅速，其中包括与商用蜂窝网结合产生的Mesh网络以及网络特性更为明确的传感器网络。3MAC协议设计媒体介入控制子层（Media Access Control：MAC）位于Ad hoc网络协议栈的数据链路层，是协议栈软件的最底层。MAC协议的主要功能是控制网络节点对于无线信道的访问，保证网络的整体性能。由于MAC协议是报文在信道上发送和接收的直接控制者，对信道状态的感知
10、最快，对于Ad hoc网络的性能起着决定性的作用。Ad hoc网络的特殊组网形式以及节点的可移动性，是的Ad hoc网络的MAC协议设计面临了很多新问题：1）无线冲突。Ad hoc网络采用的是无线开放式共享信道，当一个节点从其他节点处接收到两个以上能量足够强的信号时，将无法解调出任何一个信号，从而会发生“冲突”。2）空间复用。在Ad hoc网络环境下，单个节点的通信范围有限，而节点又具有一定的空间分布性。因此，在Ad hoc网络中的通信频率可以被相隔一定距离的节点同时使用，对无线信道进行空间复用。3）存在隐终端和暴露终端问题。在传统的一跳共享广播信道中，所有的节点要么正确接收报文，要么感知冲突
11、，冲突的发生是一个全局事件。而在Ad hoc网络中，冲突的发生是一个局部事件，并非所有的节点都可以感知到。一个节点正确接收到的报文，可能在另一节点处发生了冲突；也有可能是报文在接收节点处发生了冲突，而发送节点却并未感知到。节点对于信道感知的不一致性会带来隐终端、暴露终端等一系列的问题。隐终端是指在接收节点覆盖范围内而在发送节点覆盖范围外的节点。隐终端因为侦听不到发送节点的发送而可能向相同的接收节点发送报文，从而造成报文在接收节点处的冲突。暴露终端指的是在发送节点覆盖范围之内而在接收节点覆盖范围之外的节点。暴露终端因为侦听到了发送节点的发送而推迟了本身的发送，从而造成不必要的发送延时。如图1所示
12、。图1 隐终端和暴露终端示意图4）节点可移动。节点移动性对于Ad hoc网络的MAC协议设计也会带来一定的影响。当一个节点在进行通信时，由于节点的移动，进入接收节点通信范围内的节点有可能也会在发送数据从而接收节点处造成冲突。但是，一般情况下，节点的拓扑变化相比于节点间的通信时间要缓慢很多，因此，节点移动对MAC协议的影响比较小。针对以上问题，需要为Ad hoc网络设计专门的MAC协议。要求一个普遍适用的MAC协议：1）可以实现高度的空间复用；2）避免报文之间的冲突以及提供冲突解决的办法。另外，还需要为其他层提供一些必要的功能。根据对信道访问采取的不同策略，MAC协议主要可分为竞争协议和分配协议
13、两类。1） 竞争协议竞争协议采用直接竞争的方式来决定信道的访问权，通过重传机制来解决碰撞问题。ALOHA协议和载波侦听多址访问协议（CSMA）是竞争协议的典型例子。由于基于竞争的协议简单可靠，对无线动态拓扑环境的适应性比较强，在低传输负荷的条件下可以良好的运行，因此在Ad hoc网络中获得了广泛的应用。其他的竞争类协议还有基于单信道的MACA、MACAW、FAMA，基于双信道的BAPU、DBTMA等。应用于Ad hoc网络的竞争协议都试图通过控制信息包的交互来感知周围的节点，缓解隐终端和暴露终端问题。节点对于信道的接入，只与当时的邻域拓扑情况有关，因此能够比较好的适应移动的环境。但是，当网络的
14、传输负荷增大，这一类协议由于冲突加剧，性能快速下降。另外，由于急于竞争接入的随机性，一般很难保证实时业务的QoS需求。2）分配类协议无线信道资源可以按照频域、时域和码域划分为不同的子信道，分配给不同的网络节点使用。分配协议将这些按照不同维度划分的资源分配网络中的节点使用。一般来说，分配协议没有竞争协议那么灵活，且系统实现的开销也比较大，在低传输负荷下信道利用率低。但是，分配协议可以在中等和繁重负荷条件下运行良好，充分的利用信道资源。另外，采用分配的方式相当于为节点进行了资源预留，因此容易保证实时业务的QoS需求。为了更好的适应Ad hoc网络的特性，更充分的利用资源，一般采用基于预留的动态资源
15、分配方式。这种方式相当于在随机竞争方式和固定分配方式之间进行了一个折衷。即根据邻域内节点的情况来动态的分配资源，在实现一定的接入保证的同时获得一定的灵活性，从而更好的适应Ad hoc网络的需要。TDMA作为一种有效的通信方式已得到了广泛的应用。TDMA多址接入技术特有的突发通信模式具有良好的抗截获和抗干扰能力，使用的是时间维的信道，组网灵活性强，可满足野战环境的需要，因此在军用战术网中大量的使用了TDMA技术。在采用TDMA接入时，有两个非常重要的问题需要解决：1）为了确保各个节点的发射时隙不产生冲突，全网需要统一的时间基准，网络中的节点需要实现时隙同步；2）需要采用高效的动态时隙分配方法，以
16、降低网络控制和管理的开销。TDMA接入技术一般应用在含有中心节点的单挑通信场合，如蜂窝系统中的小区，小区内的节点经过1跳就可以接入基站，基站间通过有线连接，因此易于实现全网的同步。Ad hoc网络中不存在可以直接与所有节点通信的中心节点，网络节点一般要经过多跳才能与其他节点进行通信。在这样的网络中，采用TDMA接入，时隙同步的问题变得复杂。如何实现时隙的同步成为了Ad hoc网络采用TDMA接入的一个关键问题。另一方面，TDMA接入在传统网络中应用时，由中心控制器统一的调度资源，有利于实现比较高效的时隙分配。固定分配的方式由于无法利用这种空间复用性，因此信道利用率非常低，尤其是当网络规模比较大
17、时，需要采用动态时隙分配方法。Ad hoc网络拓扑结构的可变性，有效地进行时隙动态分配也面临着巨大的挑战。如何动态的进行时隙分配成为了Ad hoc网络TDMA接入的另一个关键问题。此外，为了优化网络的性能，有必要利用跨层设计的思想，在TDMA接入的设计中考虑其他层的影响因素。4跨层设计传统的分层协议体系结构可以简化协议的实现，然而这种严格的分层设计方法不能很好的适应Ad hoc网络的特点。Ad hoc网络的能量效率、QoS支持、可靠性和扩展性问题都涉及协议栈的各个层次，并且各个层次的独立优化不一定会带来整个系统的性能优化。如何将分散在网络各层的特性参数协调融合，以提升整体的网络性能，对Ad hoc网络设计提出了新的挑战。Ad hoc网络协议栈支持跨层交互和实施性能优化的跨层设计方法，可以使得网络各协议层之间通过交互参数，统一规划调度；或者对某些层次进行融合，来提高网络的整体性能。跨层设计的优势在于通过使用层间交互，不同的层次可以及时的共享本地信息，减少处理与通信开销，优化系统的整体性能。与传统的分层结构相比，跨层协议栈的层间交互更为复杂，各层需要了解其他层的行为并需要更多的专用接口。对于信道带宽资源有限、信道特性时变的Ad hoc网络来说，跨层设计带来的好处远大于层间交互带来的复杂性的缺点。