劉玉濤，張春暉

(通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

移動(dòng)自組織網(wǎng)，一般稱為MANET(Mobile Ad hoc Network)[1]。由文獻(xiàn)[2-4]的論述可知，MANET是由一組帶有無(wú)線收發(fā)信裝置的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，它不依賴于預(yù)設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施而臨時(shí)組建，網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)利用自身的無(wú)線收發(fā)設(shè)備交換信息，當(dāng)相互之間不在彼此的通信范圍內(nèi)時(shí)，可以借助其他中間節(jié)點(diǎn)中繼來(lái)實(shí)現(xiàn)多跳通信。MANET網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相比，具有以下特點(diǎn)：① 網(wǎng)絡(luò)的自組織與自恢復(fù)特性；② 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化[5]；③ 靈活多跳的通信方式；④ 網(wǎng)絡(luò)的分布式管理與控制；⑤ 短暫的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間[6]。MANET網(wǎng)絡(luò)由于上述特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用在戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)分組通信、反恐處突、搶險(xiǎn)救災(zāi)和大型集會(huì)等臨時(shí)性或突發(fā)性等場(chǎng)合中[7-8]。

在基于簇結(jié)構(gòu)的MANET網(wǎng)絡(luò)中，分簇組網(wǎng)協(xié)議及簇間通信是大規(guī)?？煽拷M網(wǎng)的前提，是一個(gè)重要的研究方向。簡(jiǎn)單高效的分簇算法可以減少M(fèi)ANET網(wǎng)絡(luò)的路由和計(jì)算開(kāi)銷，提高簇間通信效率?，F(xiàn)有分簇組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)一般是基于圖論中連通支配集相關(guān)理論進(jìn)行簇頭和跨簇節(jié)點(diǎn)的選擇，文獻(xiàn)[9-13]介紹了常用的典型算法包括最大連通度算法、最小ID算法等。本文采用了一種有利于提高跨測(cè)通信效率的最大連接度算法，可以有效地保障網(wǎng)絡(luò)跨簇通信的穩(wěn)定。在分簇組網(wǎng)進(jìn)行跨簇處理時(shí)，本文設(shè)計(jì)了一種多信道跨簇處理方式，與單信道跨簇相比，該方式便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分層管理與控制，可以實(shí)現(xiàn)上層節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入多個(gè)下層網(wǎng)絡(luò)。

1 移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

MANET網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)除了需要完成傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)收發(fā)功能外，還具備信息轉(zhuǎn)發(fā)功能[14]。MANET網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間是完全對(duì)等的，網(wǎng)絡(luò)的正常工作并不依賴于任何特殊節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)或加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，如圖1所示[15]。

圖1 MANET網(wǎng)絡(luò)示意

根據(jù)MANET網(wǎng)絡(luò)的組成特點(diǎn)，可以分為平面化與層級(jí)化2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[16]?；谄矫婊Y(jié)構(gòu)的MANET網(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)管理和結(jié)構(gòu)維護(hù)等簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)；但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)，受制于節(jié)點(diǎn)對(duì)等性限制，網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、管理和維護(hù)開(kāi)銷將指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，考慮到節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性引起的控制信息的傳輸需求，會(huì)顯著降低網(wǎng)絡(luò)的有效帶寬[17]。

為解決MANET平面化結(jié)構(gòu)引起的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制問(wèn)題，參考計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中子網(wǎng)劃分的思想，研究人員提出了MANET網(wǎng)絡(luò)的層級(jí)化結(jié)構(gòu)[18]。在這種架構(gòu)下，可以將MANET網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)規(guī)模可控的子網(wǎng)，子網(wǎng)之間是松耦合關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的管理與控制，在降低網(wǎng)絡(luò)管理與維護(hù)開(kāi)銷的同時(shí)有效解決了平面化網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差的問(wèn)題，極大地?cái)U(kuò)展了MANET網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[19-22]的研究表明，在MANET網(wǎng)絡(luò)分層技術(shù)中，分簇作為一種簡(jiǎn)便易行的層級(jí)化組網(wǎng)方法，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

2 分簇組網(wǎng)協(xié)議

在基于簇的MANET網(wǎng)絡(luò)層級(jí)化結(jié)構(gòu)中，地理上相近的多個(gè)節(jié)點(diǎn)按照一定的邏輯規(guī)則構(gòu)成不同的簇，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(亦稱跨簇節(jié)點(diǎn))連接不同的簇，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的連通。一般而言，每一個(gè)簇形成一個(gè)子網(wǎng)，通常由簇頭、普通節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成，其中簇頭亦可以用作網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，具體與分簇算法有關(guān)。

簇頭是每個(gè)簇的管理者，一般用作網(wǎng)絡(luò)的管理與調(diào)度。簇頭可以通過(guò)分布式算法由預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生，也可以根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)自動(dòng)產(chǎn)生，自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)面臨網(wǎng)絡(luò)融合問(wèn)題。簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)處于多個(gè)簇頭的覆蓋范圍內(nèi)，但某一時(shí)刻最多只能屬于一個(gè)簇，與一個(gè)簇頭建立從屬關(guān)系。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻可以隸屬于不同的簇，這樣一來(lái)，即可以實(shí)現(xiàn)相鄰簇之間的通信，進(jìn)而達(dá)到擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的目的。

2.1 簇內(nèi)組網(wǎng)協(xié)議

MANET簇內(nèi)組網(wǎng)協(xié)議主要解決2個(gè)方面的問(wèn)題：① 如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間同步、網(wǎng)絡(luò)建立、節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和退網(wǎng)；② 如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的管理和控制[21]?；诟?jìng)爭(zhēng)的組網(wǎng)協(xié)議隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加碰撞概率會(huì)急劇增高，因此，在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中一般采用基于分配的組網(wǎng)協(xié)議[23]。

分布式TDMA協(xié)議是一種常用的基于分配的組網(wǎng)協(xié)議，將時(shí)間劃分成互不重疊的幀，然后將幀劃分為互不重疊的時(shí)隙，將不同時(shí)隙與不同的節(jié)點(diǎn)ID相對(duì)應(yīng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)幀周期內(nèi)均會(huì)占有一個(gè)TDMA信令時(shí)隙，且每個(gè)信令時(shí)隙均在數(shù)據(jù)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)一個(gè)可用的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙。節(jié)點(diǎn)將通過(guò)時(shí)隙中的信令部分去競(jìng)爭(zhēng)自己的發(fā)送時(shí)隙，通過(guò)信令時(shí)隙申請(qǐng)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)，其會(huì)在本節(jié)點(diǎn)選擇的時(shí)隙發(fā)送信令，并在其他時(shí)隙進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，等待其他節(jié)點(diǎn)對(duì)自己的確認(rèn)ACK信息。

Beacon協(xié)議是一種基于分配的組網(wǎng)協(xié)議，采用信標(biāo)(Beacon)幀的信道訪問(wèn)機(jī)制，主節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)必須遵循主節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙進(jìn)行信道訪問(wèn)。網(wǎng)絡(luò)中包含3種信標(biāo)：主信標(biāo)、代理信標(biāo)和發(fā)現(xiàn)信標(biāo)。主信標(biāo)由主節(jié)點(diǎn)生成，主信標(biāo)中包含當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)時(shí)間和時(shí)隙分配結(jié)果，時(shí)隙分配結(jié)果決定了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道的方式和時(shí)隙；代理信標(biāo)由代理站點(diǎn)發(fā)送，代理信標(biāo)中包含主信標(biāo)的全部時(shí)隙分配結(jié)構(gòu)，且攜帶代理節(jié)點(diǎn)的基本屬性；發(fā)現(xiàn)信標(biāo)用于發(fā)現(xiàn)周圍可能的隱藏節(jié)點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)信標(biāo)中包含用于隱藏節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)隙安排，當(dāng)未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)現(xiàn)信標(biāo)后，可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)信標(biāo)中的時(shí)隙安排發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。

建立危險(xiǎn)、劇毒、有害、放射性、可傳染性物品的全程監(jiān)控體系，不斷列出和修訂上述物品清單，通過(guò)統(tǒng)一或申報(bào)購(gòu)置，財(cái)務(wù)報(bào)銷警示，使用者提供購(gòu)置、使用、銷毀方案等方式對(duì)其實(shí)行自購(gòu)置到銷毀的一條龍?zhí)幹梅桨?，?jīng)校院兩級(jí)審批，嚴(yán)格把好使用和監(jiān)控關(guān)。

2.2 簇間通信與分簇算法

分簇和簇間通信需求使得網(wǎng)絡(luò)中的資源管理或通信過(guò)多地集中到簇頭和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，不利于事項(xiàng)負(fù)載均衡，也不利于平衡節(jié)點(diǎn)間的能耗。因此，分簇組網(wǎng)與分簇算法需要重點(diǎn)解決如何減少分簇及跨簇通信中控制信息的開(kāi)銷、如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r(shí)簇內(nèi)與簇間通信的延續(xù)性以及如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的有效均衡等問(wèn)題。常用的分簇算法有隨機(jī)算法、最大連接度優(yōu)先算法、最小標(biāo)識(shí)符優(yōu)先算法以及鏈路穩(wěn)定性優(yōu)先算法等。

2.2.1 隨機(jī)算法

隨機(jī)算法依據(jù)發(fā)現(xiàn)其他簇中節(jié)點(diǎn)的先后順序選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最先接收到其他簇中節(jié)點(diǎn)的信息且經(jīng)過(guò)簇頭確定后即可以成為該簇的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)失效后，剩余節(jié)點(diǎn)仍舊按照該原則選擇新的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。隨機(jī)算法復(fù)雜度低，但不利于降低簇間通信時(shí)延，傳輸效率不高。

2.2.2 最大連接度優(yōu)先算法

最大連接度優(yōu)先算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一跳連接的其他簇中節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，顧名思義，跨簇一跳鄰居數(shù)最多的節(jié)點(diǎn)將被定義為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的跨簇一跳鄰居數(shù)相同時(shí)，選擇簇內(nèi)鄰居數(shù)較少的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；當(dāng)簇內(nèi)鄰居數(shù)亦相同時(shí)，選擇ID最小的節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。最大連接度優(yōu)先算法簇間通信時(shí)延較短，但由于連接度隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而變化，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的頻繁切換。

2.2.3 最小ID優(yōu)先算法

最小ID優(yōu)先算法根據(jù)能夠連接到其他簇的節(jié)點(diǎn)的ID選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，ID最小的被確定為該簇的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。最小ID優(yōu)先算法收斂較快，但新節(jié)點(diǎn)尤其是ID較小節(jié)點(diǎn)的加入會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)的切換，同時(shí)，亦不利于降低簇間通信時(shí)延和提高簇間傳輸效率。

2.2.4 鏈路穩(wěn)定性優(yōu)先算法

(1)

式中，Pr與Pt分別表示接收功率和發(fā)射功率；Gr與Gt為收、發(fā)兩端的天線增益；d表示收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的距離；L為系統(tǒng)損耗率。發(fā)端的平均信號(hào)強(qiáng)度大的節(jié)點(diǎn)被定義為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。鏈路穩(wěn)定性優(yōu)先算法在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況下仍舊能最大限度地保障簇間通信的時(shí)延，但同樣難以避免節(jié)點(diǎn)移動(dòng)引起的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)頻繁切換。

3 分簇組網(wǎng)中的跨簇處理

分簇組網(wǎng)中簇間通信通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接，可以采用單信道方式或雙信道方式實(shí)現(xiàn)，區(qū)別在于簇間連接方式不同。單信道方式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用單模塊，業(yè)務(wù)跨簇時(shí)類似“半雙工”，跨簇節(jié)點(diǎn)分時(shí)工作在2個(gè)子網(wǎng)的頻率上；雙信道方式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用雙模塊(可稱之為“雙卡雙待”)，業(yè)務(wù)跨簇時(shí)類似“全雙工”，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作在2個(gè)子網(wǎng)的頻率上。

3.1 單信道跨簇

通過(guò)單信道方式連接多個(gè)簇時(shí)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配置單模塊即可，但只能通過(guò)時(shí)分方式分別接入不同的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)之間是“橫連”關(guān)系，不存在分層、分級(jí)概念，如圖2所示。

圖2 單信道方式跨簇通信結(jié)構(gòu)示意

3.2 雙信道跨簇

通過(guò)雙信道方式連接多個(gè)簇時(shí)需要網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)配置雙模塊，可以同時(shí)接入上、下兩層子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分層管理與控制，如圖3所示。

圖3 雙信道方式跨簇通信結(jié)構(gòu)示意

3.3 不同跨簇處理方法的對(duì)比與分析

單信道方式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)采用同樣的配置，尺寸和功耗等便于控制。雙信道方式便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分層，組成與實(shí)際層級(jí)關(guān)系一致的網(wǎng)絡(luò)，按照分層關(guān)系組網(wǎng)使用效率更高，如圖4所示。雙信道方式便于簇間串聯(lián)，易于擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)，且簇間相對(duì)獨(dú)立、互不影響，網(wǎng)絡(luò)整體更穩(wěn)定。

圖4 雙信道方式網(wǎng)絡(luò)分層管理示意

4 分簇組網(wǎng)簇間通信的實(shí)現(xiàn)

下面簡(jiǎn)要介紹雙信道跨簇時(shí)簇間通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)途徑，考慮準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選擇主要依據(jù)最大連接度優(yōu)先算法。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用視圖如圖5所示，3個(gè)不同的簇通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連后形成一個(gè)分簇多級(jí)網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)連接的業(yè)務(wù)終端(筆記本電腦等)需要將節(jié)點(diǎn)IP設(shè)置成默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，業(yè)務(wù)終端的IP地址需要和默認(rèn)網(wǎng)關(guān)保持相同的網(wǎng)段。由圖5可知，節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)4為簇間通信的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)PC1發(fā)送數(shù)據(jù)包到PC2時(shí)，PC1默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為192.168.1.11，PC2默認(rèn)網(wǎng)關(guān)設(shè)置為192.168.2.10，具體流程如下：

① PC1發(fā)現(xiàn)PC2的IP地址不在同一個(gè)簇內(nèi)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送至默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，即節(jié)點(diǎn)1。鏈路A中數(shù)據(jù)包的目的MAC為節(jié)點(diǎn)1的MAC，目的IP為PC2的IP。

② 節(jié)點(diǎn)1網(wǎng)絡(luò)層收到數(shù)據(jù)包，判斷IP地址為簇外，查找轉(zhuǎn)發(fā)表，找到下一跳IP為192.168.1.14，進(jìn)而查找IP-MAC表，替換源MAC和目的MAC，將數(shù)據(jù)發(fā)送至該節(jié)點(diǎn)，鏈路B中數(shù)據(jù)包的目的MAC為節(jié)點(diǎn)4的MAC。

③ 節(jié)點(diǎn)4收到數(shù)據(jù)，判斷其類型為簇間通信數(shù)據(jù)包，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)號(hào)192.168.2.0，將其轉(zhuǎn)發(fā)至192.168.2.14。

④ 節(jié)點(diǎn)4中IP地址為192.168.2.14的模塊判斷IP地址為簇內(nèi)數(shù)據(jù)包，填寫(xiě)目的MAC為PC2的MAC，源MAC為本地MAC，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至MAC層。然后將數(shù)據(jù)按照簇內(nèi)路由發(fā)送至節(jié)點(diǎn)5。

⑤ 節(jié)點(diǎn)5的MAC層直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至以太網(wǎng)口。

圖5 雙信道方式簇間通信實(shí)現(xiàn)流程

5 結(jié)束語(yǔ)

MANET網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分簇和簇間通信可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簇間通信的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的選擇影響跨簇通信時(shí)延、傳輸效率及簇間通信的穩(wěn)定性與可靠性。不同的跨簇方式適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在準(zhǔn)靜態(tài)效率優(yōu)先場(chǎng)景下，采用了最大連接度優(yōu)先算法選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與雙信道跨簇方式。最后，本文以3個(gè)自組織網(wǎng)簇為例對(duì)分簇組網(wǎng)簇間通信流程進(jìn)行了詳細(xì)的分析與介紹。分析可知，本文提出的分簇組網(wǎng)簇間通信采用了最大連接度優(yōu)先算法和雙信道跨簇方法，在充分考慮簇間通信時(shí)延的前提下便于工程實(shí)現(xiàn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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