摘 要：通過雙頻設計分別負責發(fā)送和接收使數(shù)據(jù)，使自組網(wǎng)的傳輸效率得以較大提高，通過自組網(wǎng)和有中心網(wǎng)絡的混合組網(wǎng)，使得網(wǎng)絡的組網(wǎng)規(guī)模和系統(tǒng)抗毀性均有較大提高。

關鍵詞：自組網(wǎng)；無線通信；雙頻

中圖分類號：TN929.5

1 無線自組網(wǎng)與有中心網(wǎng)絡

無線自組網(wǎng)是一種新型的無線通信模式，由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳頻的臨時性自治系統(tǒng)，在這種環(huán)境中，由于終端的無線通信覆蓋范圍的有限性，兩個無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉(zhuǎn)發(fā)進行數(shù)據(jù)通信。這種網(wǎng)絡中不存在固定的基礎設施，如路由器、無線基站等，每個節(jié)點都兼有路由器和終端兩種功能。作為終端，節(jié)點可以運行各種面向用戶的應用程序；作為路由器，節(jié)點需要為其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。自組織網(wǎng)絡不需要任何中心控制，網(wǎng)絡可以自動檢測和無縫集成新節(jié)點；反過來，當任何節(jié)點移出網(wǎng)絡時，剩余節(jié)點也能自動重配置來適應新的場景。這種無設施的網(wǎng)絡能夠在沒有或者是現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施失效的情況下，提供終端之間的相互通信，它可以在沒有或不便利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境，從而拓寬了移動通信網(wǎng)絡的應用環(huán)境。

蜂窩移動通信網(wǎng)絡和無線局域網(wǎng)都屬于現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施范疇，它們需要類似基站或訪問服務點這樣的中心控制設備，每臺終端均需要通過中心節(jié)點來交換信息，一旦中心節(jié)點因故障不能工作，所有終端無法聯(lián)通。

1.1 與其他有中心的通信網(wǎng)絡相比，自組網(wǎng)具有以下優(yōu)點

（1）網(wǎng)絡的自組性——自組網(wǎng)相對常規(guī)通信網(wǎng)絡而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時刻、任何地點不需要現(xiàn)有信息基礎網(wǎng)絡設施的支持，快速構建起一個移動通信網(wǎng)絡；

（2）靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構——自組網(wǎng)中，移動通信用戶終端可以以任意速度和任意方式在網(wǎng)中移動，移動終端之間通過無線信道形成的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構隨時可能發(fā)生變化；

（3）分布式控制網(wǎng)絡——自組網(wǎng)中的用戶終端都兼?zhèn)洫毩⒙酚珊椭鳈C功能，不存在一個網(wǎng)絡中心控制點，用戶終端之間的地位是平等的，網(wǎng)絡路由協(xié)議通常采用分布式控制方式，因而具有很強的魯棒性和抗毀性。

1.2 自組網(wǎng)的缺點也同樣突出

（1）有限的無線傳輸帶寬——受無線頻譜帶寬的限制，加上通信沖突、信號衰減、噪聲和信道間干擾等因素的影響，加上維持自組網(wǎng)的鏈路開銷較大，自組網(wǎng)的有效傳輸帶寬很有限；

（2）網(wǎng)絡規(guī)模局限性—自組網(wǎng)中，網(wǎng)絡規(guī)模不宜過大，一旦用戶終端數(shù)量超過限值，通信效率急劇下降。

為同時兼顧自組網(wǎng)的靈活組網(wǎng)和中心網(wǎng)絡通信效率高的特性，我們設計研制了一種雙頻混合自組網(wǎng)，取得了較好的效果。

2 雙頻混合自組網(wǎng)的設計研發(fā)

雙頻混合自組網(wǎng)頻率工作在433MHz和其他頻率下。

2.1 混合自組網(wǎng)組網(wǎng)模式

（1）單頻自組網(wǎng)。當系統(tǒng)工作在433MHz時，系統(tǒng)采用單頻自組網(wǎng)方案，所有終端的接入和回傳均工作于同一頻段，此時相鄰節(jié)點之間存在干擾，所有節(jié)點不能同時接收或發(fā)送，系統(tǒng)設計了時分工作模式，在多跳范圍內(nèi)用CSMA/CA的MAC機制進行協(xié)商，確保系統(tǒng)在工作間隙進行發(fā)送或接收；

（2）雙頻自組網(wǎng)。當系統(tǒng)同時工作在433MHz和其他工作頻率時，系統(tǒng)組成雙頻自組網(wǎng)，其中每個節(jié)點的回傳和接入均使用兩個不同的頻段，如接入服務用2.4 GHz信道，回傳網(wǎng)絡使用433MH信道，互不存在干擾。這樣每個終端就可以在服務本地接入用戶的同時，執(zhí)行回傳轉(zhuǎn)發(fā)功能。雙頻組網(wǎng)相比單頻組網(wǎng)，解決了回傳和接入的信道干擾問題，大大提高了網(wǎng)絡性能；

（3）混合自組網(wǎng)。系統(tǒng)參照MESH網(wǎng)絡設計了一套混合自組網(wǎng)模式，系統(tǒng)按三層節(jié)點兩層架構設計，實現(xiàn)了多層MESH網(wǎng)絡的應用。系統(tǒng)設計了一款中繼作為主站，各終端為接入節(jié)點，每臺終端之間可以組成自組網(wǎng)進行通信，同時當網(wǎng)絡趨于穩(wěn)定時，系統(tǒng)通過預設或臨時推選的模式設定一臺終端作為中心主站，負責管理和維護整個網(wǎng)絡。系統(tǒng)還提供了更大的冗余機制和通信負載平衡功能，每臺設備都有多個傳輸路徑可用，網(wǎng)絡可以根據(jù)每個節(jié)點的通信負載情況動態(tài)地分配通信路由，從而避免了節(jié)點的通信擁塞，有效地解決單跳網(wǎng)絡不能動態(tài)地處理通信干擾和接入點的超載問題。

系統(tǒng)從開機到進入有序狀態(tài)一般要經(jīng)歷以下幾個過程：1）無中心自組網(wǎng)階段。系統(tǒng)開機后，進入無中心自組網(wǎng)階段，各終端按自組網(wǎng)協(xié)議交換路由信息，組成自組網(wǎng)；2）有中心網(wǎng)絡階段。網(wǎng)絡穩(wěn)定后，由指定的頂級主站或推選一個最高等級的中繼基站擔任控制基站，系統(tǒng)進入有中心階段，由控制主站維護全系統(tǒng)的路由信息，管理網(wǎng)絡系統(tǒng)。但各終端的信息傳遞不一定要經(jīng)過控制基站進行轉(zhuǎn)發(fā)，而是選擇最優(yōu)路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)；3）如果因某種原因控制基站無法工作后，系統(tǒng)又進入無中心自組網(wǎng)階段。經(jīng)過一段時間后系統(tǒng)進入有中心網(wǎng)絡階段。

2.2 混合自組網(wǎng)特點

自組網(wǎng)絡是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中所有節(jié)點的地位平等，無需設置任何的中心控制節(jié)點。網(wǎng)絡中的節(jié)點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有路由和報文轉(zhuǎn)發(fā)能力?；旌辖M網(wǎng)方案同時吸收了自組網(wǎng)與有中心網(wǎng)絡的優(yōu)點，具有很好的抗毀性和自適應特性，并保證了較高的傳輸效率。

（1）抗毀性強。系統(tǒng)在沒有中心主控基站的情況下自動進入自組網(wǎng)絡模式，沒有嚴格的控制中心，所有節(jié)點的地位平等，即是一個對等式網(wǎng)絡，節(jié)點可以隨時加入和離開網(wǎng)絡，任何節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性；

（2）自組織。網(wǎng)絡的布設或展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施，節(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，兩臺以上終端開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡；

（3）多跳路由。當節(jié)點要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信時，需要中間節(jié)點的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，與固定網(wǎng)絡的多跳不同，自組網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡節(jié)點即終端或車載主站完成的，而不是由專用的路由設備（如路由器）完成的，也就是說，各終端在不需要主控基站的情況下，即可完成多跳接力通信；

（4）動態(tài)拓撲。自組網(wǎng)絡是一個動態(tài)的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點可以隨處移動，也可以隨時開機和關機，這些都會使網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構隨時發(fā)生變化，這些特點使得結(jié)點在體系結(jié)構、網(wǎng)絡組織、協(xié)議設計等方面都與普通的蜂窩移動通信網(wǎng)絡和固定通信網(wǎng)絡有著顯著的區(qū)別。混合組網(wǎng)同時吸收了有中心網(wǎng)絡和自組網(wǎng)的優(yōu)點，每臺終端都具備路由功能，維持著一個動態(tài)的路由，確保網(wǎng)絡處于最優(yōu)狀態(tài)。

（5）組網(wǎng)規(guī)模大。自組網(wǎng)絡的缺點是不能組成較大的網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡規(guī)模過大時，系統(tǒng)為了維持網(wǎng)絡生存所耗費的通信資源將使得網(wǎng)絡趨于崩潰?；旌献越M網(wǎng)為了保證組網(wǎng)規(guī)模，在網(wǎng)絡節(jié)點穩(wěn)定的情況下系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為有中心的網(wǎng)絡；

（6）傳輸效率較高。自組網(wǎng)絡在網(wǎng)絡節(jié)點超過一定規(guī)模后，維持網(wǎng)絡生存所耗費的通信資源十分巨大，這使得網(wǎng)絡有效傳輸效率急劇下降。混合自組網(wǎng)在網(wǎng)絡規(guī)模超過一定數(shù)量時自動轉(zhuǎn)換為有中心的網(wǎng)絡，由中心主控基站控制和維護路由信息，來保證足夠的帶寬用于傳遞有效信息。

3 結(jié)束語

我們按照上述設計方法研制了相應的產(chǎn)品，經(jīng)過實際運用，實現(xiàn)了較大規(guī)模組網(wǎng)（超過200臺終端）和較高的傳輸速率（大于256K有效傳輸值），同時系統(tǒng)的抗毀性和靈活性大增加，具有較高的推廣價值。

參考文獻：

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[2]魏靚.基于廣義簽密的移動Adhoc網(wǎng)絡密鑰管理方案[J].計算機工程與應用，2010（46）.

作者簡介：劉海生（1968.01-），男，山東莒縣人，軍事學碩士，技術總監(jiān)，高級工程師，研究方向：智能移動終端的支撐軟件、電子政務。

作者單位：華戎信息產(chǎn)業(yè)有限公司，濟南 250001