呂弘

摘 要：作為無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)）的基礎(chǔ)，快速可靠的路由（fast andreliable protocol，簡(jiǎn)稱(chēng)：FAP）在應(yīng)用中具有鮮明的特點(diǎn)即高度抗毀性、高度可靠性以及高度移動(dòng)性，是目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。AD HOC網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用中以較窄的寬帶為無(wú)線(xiàn)信道，并且因低功耗節(jié)點(diǎn)的變相移動(dòng)致使出現(xiàn)拓?fù)渥兓^為頻繁的現(xiàn)象，如若在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用傳統(tǒng)的路由協(xié)議，周期性質(zhì)的控制信息需占有大量的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源，大大降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的效率。與此同時(shí)，因Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用中一般以電池進(jìn)行供電，并且因技術(shù)層次的制約，電池容電量問(wèn)題短時(shí)間內(nèi)難以得到很好地解決。由此表明，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由與低功耗節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的研究具有顯著的劃時(shí)代意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)路由;低功耗節(jié)點(diǎn);關(guān)鍵技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.129

作為目前普適計(jì)算（ubicomp）的新型實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)又被稱(chēng)之為多跳性網(wǎng)絡(luò)。它是由一套無(wú)線(xiàn)信息接收設(shè)施蜂窩移動(dòng)型終端節(jié)點(diǎn)組合而成的一種多跳臨時(shí)的無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，于任何的時(shí)間、地點(diǎn)、空間皆能快速可靠的建立移動(dòng)性質(zhì)的信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，且無(wú)需任何的信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維持，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的任何一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)皆能自行移動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，作用地位相同。

1 無(wú)限自組織網(wǎng)絡(luò)的定義敘述

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議的三大核心功為：路徑的產(chǎn)生、抉擇、維護(hù)。在其中，路徑產(chǎn)生的定義為依據(jù)集中化或者分散化的蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及用戶(hù)需求形成的網(wǎng)絡(luò)路徑，此項(xiàng)進(jìn)程的首要內(nèi)容為蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的信息技術(shù)以及用戶(hù)的信息需求;在形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，路徑的產(chǎn)生、抉擇往往可合在一起形成新的網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議即路徑發(fā)現(xiàn);對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的所有路徑進(jìn)行維護(hù)便是路徑維護(hù)的主要功能[1]。因此為保證滿(mǎn)足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)需求，需重新設(shè)計(jì)于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)相切合的路由協(xié)議。

2 關(guān)于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)介紹

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中，無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)工作小組提出的RFC2501號(hào)文件中總結(jié)出以下幾點(diǎn)影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的因素：

第一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化：無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)能以任何的形態(tài)速率進(jìn)行萬(wàn)向自由的，因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)需能適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，尤其出現(xiàn)多跳臨時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化。

第二、寬帶的限制：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行中會(huì)受到帶寬的限制，例如在工作環(huán)境以及公共網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶(hù)的多路徑訪(fǎng)問(wèn)、衰落的信道以及有限的頻譜聚能引發(fā)信道問(wèn)題，從而影響Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

第三、受限于終端節(jié)點(diǎn)能量：在應(yīng)用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境受限于終端節(jié)點(diǎn)的能量限制性問(wèn)題。因而在開(kāi)始，設(shè)計(jì)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議時(shí)需首先考慮如何設(shè)計(jì)低能耗的節(jié)點(diǎn)，否則會(huì)致使路由協(xié)議變得尤為復(fù)雜多變。

第四、運(yùn)行中風(fēng)險(xiǎn)的安全性問(wèn)題：運(yùn)行Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，本身就存有一定風(fēng)險(xiǎn)性，極易遭受外部攻擊，因此經(jīng)數(shù)據(jù)鏈接層、網(wǎng)絡(luò)層引入部分安全機(jī)制，以此減小風(fēng)險(xiǎn)性。另外Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)從實(shí)際意義上講也在一定程度上提升了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

3 設(shè)計(jì)低功耗節(jié)點(diǎn)喚醒Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的運(yùn)行

第一、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的總體構(gòu)成。運(yùn)行無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)的路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)并無(wú)需全部以電池進(jìn)行供電，比如IEEE 802.15.4/Zigbee路由協(xié)議。從功能的角度分類(lèi)，路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)設(shè)施劃分為兩大類(lèi)即全功能設(shè)施（FFD）以及簡(jiǎn)化功能設(shè)施（RFD）。低功耗節(jié)點(diǎn)喚醒Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的總體架構(gòu)，從能耗角度進(jìn)行分類(lèi)，節(jié)點(diǎn)可分為兩大類(lèi)即受電量限制的設(shè)備（PLD）以及不受電量限制的設(shè)備（PUD），PLD指的是受電池電量限制，對(duì)于功耗有嚴(yán)格的要求的設(shè)備;PUD指的是可持續(xù)性供電的，并無(wú)電量限制以及嚴(yán)格的功耗要求的設(shè)備。

舉例說(shuō)明：一款有6種睡眠功效的低能耗芯片的設(shè)計(jì)即Atmega128L，它的設(shè)計(jì)模塊包含傳感器，微處理器，喚醒機(jī)制，射頻通信以及電源等。相比常規(guī)的無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì)添加了喚醒機(jī)制。喚醒機(jī)制的構(gòu)成主要有內(nèi)電路板以及天線(xiàn)。天線(xiàn)主要的作用為從電磁場(chǎng)中接收能量信號(hào)以此提供給內(nèi)電路板[2]。

第二、低耗能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。從上述的例子中，Atmega128L在設(shè)計(jì)之初增加了喚醒機(jī)制，并選擇低能耗的芯片用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，在睡眠模式下喚醒機(jī)制的工作時(shí)長(zhǎng)為6個(gè)時(shí)鐘周期，并于8MHz工作頻率之下，喚醒時(shí)長(zhǎng)約有0.73μs。CC1000射頻接收芯片，以433MHz的頻率接收時(shí)平均電量功耗約有7.5毫安，發(fā)射時(shí)的平均電量功耗約有15.1毫安，喚醒的工作時(shí)長(zhǎng)為5ms。通過(guò)對(duì)比可表明低能耗喚醒機(jī)制在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器運(yùn)行中具有較高的時(shí)效性以及較低的能耗，大大滿(mǎn)足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的需求[3]。

綜上所述，在無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行中，依據(jù)低功耗節(jié)點(diǎn)喚醒Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器技術(shù)，產(chǎn)生的信號(hào)喚醒控制微單元（MCU），從而喚醒通信模塊接收信息數(shù)據(jù)，保證信息的時(shí)效性以及低能耗，因此低功耗節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵便是技術(shù)的創(chuàng)新及變革。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉半藤，周瑩，陳友榮等.基于移動(dòng)—能量代價(jià)函數(shù)的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)路由策略研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，30（02）：302-305.

[2]姚俊杰，張新晨.基于超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能水表系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，v.26;No.236（05）：288-291.

[3]李鵬飛，雷迎科.動(dòng)態(tài)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2017，34（05）：1473-1475.