無線自組織網絡的結構研究＊

但學峰 胡 劍

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

無線Ad Hoc網絡是一種由若干無線通信設備組合形成的一種分布式無線分組網絡。網絡中的節點既是終端，又是路由器，不在彼此覆蓋范圍內的無線節點之間的通信可經中間節點的轉發來完成。

無線Ad Hoc網絡具有組網靈活、分布實施、抗毀能力強、可快速組網等特點，可作為野戰通信、公安、緊急搜救、會議會場、信息家電等的通信網絡，也可作為已有無線、有線網絡的多跳擴展，拓寬它們的覆蓋范圍。無線Ad Hoc網絡具有廣闊的應用前景，已成為國內外的一個研究熱點。

軍事應用是Ad Hoc網絡技術的主要應用領域。對Ad Hoc網絡技術的研究已成為各軍事強國軍事通信技術研究中的一大熱點。根據我軍現狀，大力開展海軍新型裝備的研制及配套科研工作顯得尤其緊迫。海上艦艇編隊是我海軍的重要作戰單元，具有高度機動性的特點。海上編隊作戰群內部、作戰群與作戰群之間的通信暢通保障十分重要。保障我海軍艦艇編隊在復雜電磁環境下履行新時期作戰使命、保障信息化條件下編隊作戰、應對復雜電磁環境挑戰、實施海軍通信發展規劃，均對海軍作戰通信網絡和信息基礎設施提出了更高要求。艦艇編隊要實現從以平臺為中心的作戰向以網絡為中心的作戰轉型，構建高效、頑存、網絡化海上戰術無線通信系統，為編隊內各作戰單元間戰術信息的傳輸與交換提供公共平臺。結合海上編隊通信的自身特點以及未來信息戰對通信系統越來越高的要求，為了實現海軍作戰能力的跨越式發展，我們必須建設符合我海軍作戰需求的海上編隊無線移動自組網。

2 網絡的體系結構

網絡的體系結構［1～3］指的是網絡的各層及其節點的集合，是網絡及其各部件所完成功能的具體定義。由于Ad Hoc網絡的獨特性，傳統網絡的體系結構已無法適應Ad Hoc網絡的需要，需要為其設計新的體系結構以滿足其網絡的特性和特殊的應用環境。

Ad Hoc網絡的拓撲結構一般可分為平面式結構和分級式結構［4～5］兩種。

平面結構的Ad Hoc網絡如圖1所示。所有的節點功能相同，在網絡控制、路由選擇和流量管理上是平等的，所以又可以稱為對等式結構，這種結構原則上不存在瓶頸，網絡比較健壯。源節點和目的節點之間一般有多條路徑，可以較好地實現負載平衡和選擇最優化的路由。此外，平面結構中節點的覆蓋范圍較小，相對比較安全。對于中小型網絡，平面式結構易于管理和維護，比較容易實現。但是，在網節點數很多，特別是在節點大量移動情況下，平面結構網絡具有控制開銷大、路由經常中斷等缺點。其可擴張性較差，每一個節點都需要知道到達其它所有節點的路由，維護這些動態變化的路由信息需要大量的控制消息。在節點數目很多，特別是在節點大量移動的情況下，平面結構網絡很難實施有效的網絡管理和控制。當平面結構網絡的規模增大到某個程度時，所有的帶寬都可能會被路由協議消耗掉。因此，平面結構只適用于中小規模的Ad Hoc網絡。

圖1 平面式結構

在分級結構中，網絡被劃分成一到多個簇（Cluster）。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，這些簇頭形成高一級的網絡。在分級結構中，簇頭節點負責簇間業務的轉發。為了實現簇頭之間的通信，要有網關節點的支持。簇頭和網關節點形成高一級的網絡，成為虛擬骨干網絡。在分簇結構中，網關是指位于兩個簇頭通信范圍內的節點。簇成員的功能比較簡單，不需要護復雜的路由信息，可減少網絡中控制信息的數量。由于簇的數量不受限制，因此網絡具有很好的擴展性。另外，簇中的簇頭可以隨時選舉產生，因此這種結構也具有強的抗毀性。但是，分簇式結構存在著如下的缺點：需要專門的簇頭選擇算法和簇護機制；簇頭節點的任務相對比較重，可能會成為網絡的瓶頸；在簇間不一定能是最佳路由。

根據不同的硬件配置，分級結構的網絡又可以被分為單頻率分級和多頻率分級兩種。信道的區分可采用各種多址技術，如FDMA、TDMA、CDMA等。

圖2 單頻分級結構

單頻分級網絡如圖2所示，其中所有節點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信，要有網關節點（同時屬于兩個簇的節點）的支持。簇頭和網關形成了高一級的網絡，成為虛擬骨干網。

圖3 多頻分級結構

多頻分級網絡如圖3所示，不同級采用不同的通信頻率。低級節點的通信范圍較小，而高級節點要覆蓋較大的范圍。高級節點同時處于多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通信。在圖3所示的兩級網絡中，簇頭節點有兩個頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信，而頻率2用于簇頭之間的通信。分級網絡的每個節點都可以成為簇頭，所以需要適當的簇頭選舉算法，算法要能根據網絡拓撲的變化重新分簇。

Ad Hoc網絡作為一種特殊的多跳移動網絡，有著廣泛的應用。在一般應用中，Ad Hoc可以采用平面結構或分級結構，但在網絡規模較大并需要提供一定的QoS支持時，通常需要采用分級結構。在Ad Hoc網絡中，分級結構需要通過分簇的方法來構造，即通過將網絡節點劃分成若干簇以構成分簇結構。

分簇結構的優勢主要體現在：

1）有效地利用多信道，可以減少共享相同信道的節點數目，從而降碰撞概率，大幅度提高了系統容量，優化了網絡帶寬的應用，提高了共享信道的利用率［6，9］。

2）對于多媒體服務提供有效的 QoS服務［8～9，11］。

3）支持大規模的無線網絡，具有很好的可擴充性，網絡規模不受限制，可以簡單地通過增加簇的個數和網絡的級數來增加網絡的規模［10，12］。

4）分級結構使路由信息局部化，減少了路由協議的開銷和控制開銷［7，11］，提高了系統的吞吐量，并且容易實現網絡的局部同步［7，9］。

5）分級結構中節點的定位要比平面結構簡單。在平面結構中，想知道一個節點的位置，需要在全網中執行查詢操作。而在分級結構中，簇頭知道所屬簇成員位置，只需查詢相應的簇頭就可以獲得節點的位置信息。

6）分級結構結合了無中心和有中心模式，可以采用兩種模式的技術優勢。每個簇都有控制中心，基于有中心的TDMA、CDMA和輪詢等接入技術都可以在分級的網絡中使用，并且基于有中心控制的路由、功率控制、移動性管理和網絡管理等機制也可以移植到AdHoc網絡中。

但也有缺點：首先，維護可靠的能夠適應拓撲變化的分級結構需要某種分簇算法；其次，節點之間的路由不一定是最優路由。此外，簇首的任務相對較重，不僅要維護到達其他簇首的路由，還要負責管理和協調簇內的節點，有可能成為網絡的瓶頸。

總之，當網絡的規模較小時，可以采用簡單的平面式結構；而當網絡的規模增大時，應采用分級結構。

3 仿真分析

根據以上分析，對平面結構和分級結構進行對比仿真。比較在不同網絡規模下，兩種網絡結構對時延，網絡控制開銷的影響。所謂網絡控制開銷，是指在仿真過程中，在發送的包的比特數中，控制包的比特數所占的比例，即控制包的比特數／總的包的比特數。仿真軟件采用Qualnet4.5。

仿真實驗場景的設置：

場景大小：200km×200km；節點數目：10～100個；信道模型：理想無衰落信道；物理層模型：abstract；傳輸速率：256kbps；MAC協議：MACA；路由協議：AODV。

3.1 網絡控制開銷比較

分別針對這兩種網絡結構，每增加5個節點進行10次仿真，將這10次的仿真結果作平均。具體結果如下。

圖4 開銷比較仿真結果

從上圖可以看出：當節點數目比較少，網絡規模小的情況下，平面結構的網絡控制開銷要略小于分級結構，但是差別不大；當節點數目增加，網絡規模擴大時，平面結構的控制開銷增長速度要明顯高于分級結構的增長速度，平面結構的網絡控制開銷大于分級結構的控制開銷；當節點數目達到85個以上時，平面結構的控制開銷迅速增加，開銷大于80%以上，表明80%以上的帶寬被用于傳輸控制信息了，最后網絡開銷甚至于增加到100%，表明這時的所有帶寬都被用來傳輸控制信息了，而有用的數據沒有被傳送，目的節點收到的數據包為0；而此時的分級結構的控制開銷仍然維持在60%左右，幾乎有一半的帶寬在傳輸數據，表明分級結構的效率在此時明顯要高于平面結構的效率。

綜上所述，當節點數較少時，適宜采用平面結構的網絡；當節點數較多時，適宜采用分級結構的網絡。

3.2 時延比較

利用以上的場景，分別針對這兩種網絡結構，每增加5個節點進行10次仿真，將這10次的仿真結果作平均。具體結果如下。

圖5 時延比較仿真結果

從上圖可以看出：當節點數目比較少，網絡規模小的情況下，平面結構的時延與分級結構相當；當節點數目增加，網絡規模擴大時，平面結構的時延增長速度要明顯高于分級結構的增長速度，平面結構的時延大于分級結構的時延；當節點數目達到40個以上時，平面結構的時延迅速增加到1s，此處的1s代表有數據包丟失，時延足夠大，而此時分級結構網絡的時延僅為0.2s。

綜上所述，當節點數較少時，平面結構的時延與分級結構相當；當節點數較多時，適宜采用分級結構的網絡。

4 結語

未來的信息化戰爭，戰場空間將是多維一體，陸、海、空、天、電、網等各個戰場空間的聯系十分緊密。一體化的信息系統是實現一體化聯合作戰的基礎。因此，構建一體化的通信系統對于我軍的信息化建設至關重要。結合未來信息戰對通信系統越來越高的要求，實現海軍作戰能力的跨越式發展，必須建設符合我海軍作戰需求的海上編隊無線移動自組網。

隨著科技的發展，未來的戰爭將轉向網絡中心戰，目前的網絡作戰系統將越來越難以適應未來戰爭的需要。隨著未來作戰單元的迅速增加，平面化的網絡結構體系根本滿足不了戰爭的要求，未來將趨向于分級結構的網絡中心戰。

［1］王海濤.Ad Hoc網絡的體系結構和分簇算法［J］.解放軍理工大學學報：自然科學版，2003，4（4）：8－11.

［2］史美林，英春.自組網體系結構研究［J］.通信學報，1999，20（9）：47－54.

［3］李彥平，李少紅.移動自組織網的體系結構及其在現代通信網中的應用［J］.榆林學院學報，2003，13（3）：18－21.

［4］徐恪，吳建平，徐明偉.高等計算機網絡－體系結構，協議機制，算法設計與路由器技術［M］.北京：機械工業出版社，2003：70－90.

［5］Frodigh M，Johansson P.Wireless Ad Hoc networking－the art of networking without a network.Ericsson Review，2000（4）：248－262.

［6］Ephremides A，Wieselthier JE，Baker DJ.A design concept for reliable mobile radio networks with frequency hopping signaling［J］.Proc.of the IEEE，1987，75（1）：56－73.

［7］Duan SW，Yuan XB.Exploring architecture for wireless networks management［D］.2006IFIP International Conference on Wireless and Optical Communications Networks［C］，2006.

［8］McDonald A B，Znati T.A mobility based framework for adaptive clustering in wireless ad hoc networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17（8）：1466－1487.

［9］Lin CR，Gerla M.Adaptive clustering for mobile wireless networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1997，15（7）：1265－1275.

［10］Feng YX，Wang GX，Liu ZG，Jiang YQ.A clustering algorithm applied to the management of mobile ad hoc network［J］.Journal of Software，2003，14（1）：132－138.

［11］Chen S，Nahrstedt K.Distributed quality－of－service routing in ad hoc networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17（8）：1488－1505.

［12］Iwata A，Chiang CC，Pei G et al.Scalable routing strategies for ad hoc wireless networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1999，17（8）：1369－1379.

［13］陳濤，周學廣.引入權重的Ad Hoc網絡身份認證簇接入模型［J］.計算機與數字工程，2009，37（10）.

［14］王金龍，王呈貴.Ad Hoc移動無線網絡［M］.國防工業出版社，2004：6－6.