淺談無線組網的技術分析

縱觀現實世界中的物件，它們會以某種特定的方式互相關聯著。人們在研究這些物件組成的系統時，常常抽象地用一組點來表示這些物件，用點與點之間的連線來表示各物件之間的聯系，這時圖論是一個很有用的工具。目前，圖論已經廣泛應用于計算機網絡、通信工程、數學、經濟、工程和社會科學等領域，并且使得這些領域取得了巨大突破。因此，圖論的研究非常有意義。圖是網絡結構的最基本的表述模型，一般使用圖論表示法來描述網絡系統。而對于網絡系統，首要考慮的一個問題就是系統的脆弱性，即網絡系統內部節點失效或受到外部攻擊時仍然正常工作的性能。對網絡系統脆弱性的研究可以歸結為對網絡拓撲結構圖的連通性相關研究。

當網絡系統受到某些損毀的情況下，常常希望網絡的拓撲結構不易被損壞，同時還希望網絡被損壞后，剩余網絡仍具有一定的連通能力，且比較容易被重構。因此在研究網絡的脆弱性時，連通度是網絡連通性的最基本的度量， 考慮的是網絡的最小割集，只能反映出網絡被破壞的難易程度，對剩余網絡連通能力的評估存在嚴重的不足。為了克服這點不足，有不少專家學者提出了其它一些牢靠性參數。1973年Chvatal等人利用堅韌度(Toughness)不僅考慮了網絡的最小割集 ，還考慮了剩余網絡的連通分支數。1982 年Jamrozik等人利用離散度(Scattering number)在考慮網絡最小割集的基礎上，也考慮到了剩余網絡的連通分支數，與堅韌度一樣，可以在一定程度上反映網絡重構的難度。1987 年Barefoot 等人提出了整度(Integrity)，此參數考慮了網絡的最小割集及剩余網絡中最大連通分支的節點數，并且可以在一定程度上反映出剩余網絡的繼續通信能力。1995年Cozzens等人提出了韌性度(Tenacity)的概念，韌性度涉及了最小割集、剩余網絡的最大連通分支的節點數和連通分支數，是一個理想的網絡連通性參數，目前得到了許多專家學者的重視，并且已經成功應用于通信網絡、輪機工程和交通運輸網絡等領域中。

隨著通信網絡技術的發展，在無線通信領域一種新的網絡技術正在迅速發展，并且很快從軍事通信滲透到相關的各個民用通信領域，這就是Ad Hoc網絡技術。Ad Hoc網絡是由一組具有無線收發信裝置的移動終端，不依賴于預設的基礎設施，組成的一個多跳臨時性的自治系統。它是由一系列對等的、可任意移動的節點組成，網絡中所有節點任意分布，并且以任何方式動態地保持與其他節點的聯系。不同于傳統移動網絡與固定網絡，Ad Hoc網絡有：無嚴格的控制中心、自組織、多跳路由、網絡的動態拓撲、可快速展開，抗毀性強等特點。因此，Ad hoc網絡在軍用及民用領域中應用越來越廣泛:

Ad hoc網絡可生存性作為可生存性領域的一部分，已經得到了國內外研究人員的重視。目前，在分析研究Ad hoc網絡生存性方面，Dong Seong Kim等人通過無線傳感器網絡基于群的分層模型結構，首先建立半馬爾科夫過程(SMP)設置一些相應的參數將其轉化為離散時間馬爾可夫鏈(DTMC)，然后利用數字分析軟件恢復技術對可生存性的影響進行分析研究。John Koroma等人通過建立網絡生存性的一般模型，將Ad Hoc網絡作為例子，再通過建立網絡系統端到端可用性的連續時間馬爾可夫鏈來分析其系統的可生存性。Chen Dongyan等人利用連續時間的馬爾可夫鏈(CTMC)對Ad Hoc網絡的網絡性能(延遲性、穩定性和故障率等)進行了可生存性分析，并得到了一些結論。Casey Fung等人首先利用系統的相關組件建立系統的結構模型，然后從攻擊者的角度出發描述各種入侵場景，最后利用攻擊樹對以Ad Hoc網絡為頂層網絡的分布系統進行可行性分析。Krishna Paul等人用網絡仿真方法研究了節點的無線傳輸范圍、區域中節點的數量、平均鄰居節點數量等網絡參數對可生存性的影響，為網絡可生存性度量提供了一定的參考。張慧敏等人應用Petri網對Ad Hoc網絡進行建模，再通過節點連通概率和定長數據傳輸成功率來分析其可生存性。劉梅霞等人通過利用廣義隨機Petri網對Ad Hoc網絡進行建模，考慮了數據傳輸過程中的故障影響，從概率的角度來度量網絡中節點的連通效率進行網絡可行性分析

Ad Hoc網絡一般采用分布式控制結構，及分層分布式控制網絡結構和完全分布式網絡結構。而這兩種結構又稱為平面結構和分級結構。平面結構的特點比較簡單，其每個移動終端在網絡控制、路由選擇等的地位是平等的。平面結構中的移動終端的覆蓋范圍比較小，所以相對比較安全。而平面結構也有缺點，特別是在移動終端不停的移動情況下，導致控制開銷大、路由經常中斷、很難實施集中式的控制和可擴充性差等。所以，平面結構比較適合中小規模的Ad Hoc網絡。而在分級結構中，整個Ad Hoc網絡由多簇子網構成，每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。簇頭又可以形成高一級的網絡，高一級網絡的簇頭再組成更高一級的網絡。在分級結構中，根據不同的硬件配置，網絡又可以分為單頻分級和多頻分級。單頻分級網絡中的所有移動終端使用同一個頻率進行通信。在多頻分級網絡中不同級采用不同的頻率進行通信。

（作者：湖北工業大學計算機學院在職研究生）