车载无线自组织网络概述
2.1 VANET网络体系结构概述
近年来，VANET的研究已成为横跨智能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域的一个交叉学科研究热点。本节调研了网络体系结构设计领域的各种设计思想，介绍了VANET网络体系结构的集模块化、层次化及跨层设计于一体的特点。
2.1.1 体系结构设计思想
网络协议体系结构中广泛采用了层次化设计思想，其中最为著名的就是Internet协议栈[28]及OSI七层参考模型[29]，它们证明了将网络的管理、控制和服务功能分散到各个协议层次中去，各层之间保持一定的耦合度，能够在降低系统复杂度的同时达到极高的效率。因此，VANET也被认为应该采用层次化设计，体系结构应该是自上而下包括应用层、传输层、网络层、逻辑链路层、MAC层和物理层，相邻层次之间保持信息交互和适度耦合。
然而，这种严格的层次化设计思想并非正确到没有任何争议。文献[30]认为现在越来越多的跨层设计和中间件就是对层次化结构缺陷的体现，而且只是些效率低下的补救措施，例如系统防火墙就需要横跨多个协议层次，再例如在路由层就可以监测到网络拥塞情况，但却因为Internet网络的拥塞功能设置在传输层而不得不进行跨层设计。文献[31]质疑了在无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）中采用类似Internet协议栈的网络体系结构的可行性和必要性，并提出了专门针对WSN网络的耦合程度和能量效率更高的协议体系结构。文献[32]则提出了动态协议栈的概念，指出应用程序可以对协议栈进行裁剪重构，以取得最高的效率。可以认为，与其在VANET网络体系结构确定之后再进行跨层设计，不如在确定之前就根据应用和功能对协议设计进行一些修改，因此，对VANET网络体系结构仍然需要进行研究，而不仅仅是完全套用比较完善的层次化设计。
由于VANET网络的网络体系结构仍在发展中，本章后续章节将列举各种不同的提法并进行分析比较，并试图给出一个更为合理的针对VANET网络的体系结构设计。
2.1.2 两种思想：层次化设计与一体化设计
本节描述一个类似于Internet网络结构的标准层次化VANET网络体系结构，众所周知，Internet网络体系结构采用层次化设计，其特点是层次明晰、扩展方便、功能分解、实现简单。首先，需要按照传统网络的划分标准，逐步分解VANET 的网络功能，并将分解出来的小功能添加到各层协议之中，每层协议仅需要处理属于自己这一层的较小的任务，各相邻层之间通过协商好的接口进行交互，原则上不允许进行跨层间通信，如图3所示[27]。如上节所述，这种层次化结构在自组织网络中并没有太大的优势，首先，许多VANET中的特殊应用如网络稳定性（Stability）管理和网络控制管理，很难被归入某一层的功能之中。其次，如图3所示，每个协议都设置了对外部信息的访问接口，这是复杂且不可靠的，相对而言设置一个通用访问接口的方法更加合理，但在VANET分层结构中每个层次都有可能需要访问外部信息，在这种严格层次化结构下，信息必须自上而下或自下而上地依次传递，会导致许多不必要的层间信息传递，降低网络整体的工作效率和增大系统的响应时间。
图3 层次化设计[27]
再如图4所示，是作为一个专门为VANET量身设计的网络结构示意图，其中的各个功能模块能够相互密切配合、任意交流信息，围绕着提供某种高效应用服务的目标，其特点是耦合紧密、交互便捷、灵活高效、实现复杂，这种结构在某些情况下比较适合于VANET网络。举例来说，当VANET主动安全应用需要在不可靠的无线信道基础上搭建高可靠性系统，并用于传输实时数据时，就会导致网络体系结构中的各功能部分耦合程度大大提升，而这种一体化模块结构对于实时性的主动安全应用能够达到十分高的工作效率，所有模块都平等地建构在物理层之上，可直接获得传感器或无线接收器等物理层数据并进行快速响应，每个模块都可以专门针对某一种应用进行定制，从而达到较高的工作效率。显而易见的是，随着应用种类的增多，这种网络结构的设计复杂度也会随之迅速上
升，导致最终难以对系统功能进行扩展或缩减，牵一发而动全身，还可能导致控制循环（Control Loop）的出现，像哲学家用筷子就餐问题一样陷入循环依赖，而在层次化设计中这是很容易避免的问题。
图4 一体化设计[27]
2.1.3 合理的VANET网络体系结构
前述展示的两种设计思想都有其优点，同时也有其缺点。VANET网络体系结构应该结合两种思想，在协议栈设计阶段就充分考虑各种VANET应用程序的不同需求，以避免在协议栈完成之后，需要添加一些新应用导致对协议栈进行过多的跨层设计，降低整个网络的运行效率和设计简洁性。如图5所示，既考虑了采用层次化设计带来的模块化结构，也考虑了在层次化结构基础之上提供一定的功能灵活性。相对于严格层次化的模型，在图5的模型中，应用层程序不仅能够访问相邻的协议层，也能直接访问与之不相邻的协议层，因而可以提供差异化服务。在VANET中，各种实际应用对网络的要求差别较大，例如交通安全应用需要极高的实时性，对网络吞吐率要求不高，且很多情况下都是广播数据，在设计中就可以让这类应用能够直接访问较底层的协议层，最快地获取实时数据并作出响应；而实时导航应用需要很多的数据传输，对实时性要求不高，则可以处于较高的协议层次，自上而下地依次传递数据，并在各个层次上对数据进行一些较为复杂的处理，如路由分析、多跳传输、数据融合、组播分发等。实际上，当前IEEE正在制定的VANET网络体系结构正是采用了这样的设计思想，但由于协议仍然在制定之中而并未定稿，所以此节中仅介绍一个相对合理的VANET 体系结构设计思想。
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图5 合理的VANET网络体系结构[27]
2.2 VANET网络MAC协议研究概述
在车载无线自组织网络（VANET）中，如何让所有节点能够公平、高效、可靠地共享无线信道是极其重要的，因此MAC协议的设计与实现是VANET研究的关键。由于VANET网络具有节点高速运动、移动轨迹规则、能量供应充足、支持GPS/北斗定位、时间精确同步、网络拓扑快速变化、节点密度不均、信道质量波动较大、上层业务种类繁多、主动安全应用实时性要求高、数据型应用数据量大等特点，与传统MANET所定义的网络生存环境相差甚远，因此MANET 中的绝大多数MAC协议都不能够满足VANET的需求。本节总结了多年来的相关研究工作，并分析了适用于VANET网络的MAC协议。
2.2.1 基础的无线信道访问机制
本小节首先简要介绍几种较为典型的无线信道访问机制：
（1）ALOHA[18]：这是最先提出的基于无线技术的包交换网络协议。节点有数据包就发送，同时监听信道是否冲突，若冲突，则等待一段
随机时间后重新发送。Slotted-ALOHA（S-ALOHA）将信道划分为
等长的时隙（Slot），降低了冲突率，但引入了时间同步问题。
（2）Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance（CSMA/CD）[19]：节点在发送数据包之前，先监听一段时间，如果发现信道空闲，则
开始发送数据，同时监听是否有冲突发生，若冲突，则随机退避一
段时间，然后重复前述的发送过程。
（3）Multiple Access with Collision Avoidance（MACA）[20]：相对于CSMA/CD机制，增加了RTS/CTS握手过程，即节点发送数据包之
前首先发送RTS包，当收到目的节点返回的CTS包之后再发送数据
包，避免了隐藏终端问题[21]。随后的MACA Wireless（MACAW）
[20]机制在数据传输过程的开始和结尾增加了DS/ACK确认过程，避
免了暴露终端问题。
（4）Busy Tone Multiple Access (BTMA)[20]：相较于前面三种单信道机制，BTMA将无线信道划分为控制信道和数据信道，节点发送数据
前需要监听控制信道是否忙，若忙，说明有邻居节点正在传输，则
需要等到空闲时才能发送。若空闲，则节点开始发送数据，同时在
控制信道广播忙信息，以告知其他节点。Dual BTMA（DBTMA）进
一步划分出两条控制信道，一条用于广播“正在发送”信息，一条
用于广播“正在接收”信息，同时避免了隐藏终端和暴露终端问题。
（5）TDMA /FDMA /CDMA：在时间上、频段上或正交码上将信道划分为许多个子信道，节点发送数据之前需要预约并获得至少一个子信
道，因此如何管理和分配子信道很重要，特别是在无线自组织网络
中，分布式调度更加复杂。但这种机制的一大优势是只要保证节点
能够及时获得信道（至少在工作时间里拥有信道），就可以向节点
提供实时通信保证，这对车载无线网络的主动安全应用尤其重要。
2.2.2 现有MAC协议介绍
在无线网络中，节点通过发送和接收特定频率的无线电磁信号来互相传输信息，可以将无线频段视为一种节点公用的信道，在每一个特定时刻，处于同一个竞争域之内的节点只能有一个在发送。如果有两个或更多节点同时在发送信号，就会发生信号冲突，结果是两者的传输都不成功，只能等下次再传，造成了时间延迟的增加和信道资源的浪费。为了能够公平、有效地共享这个公用信道，就需要有一种MAC协议来协调各个节点对信道的访问。而VANET网络的节点高速移动、拓扑快速变化的特点，使这种协调管理变得更加困难，同时，VANET 主动安全应用对于传输时延的严格要求，也在很大程度上增加了协议设计的难度。本节接下来的内容对被认为适用于VANET网络的MAC协议进行介绍，并对其进行分析和评价。
（1）IEEE 802.11p协议
IEEE 802.11p协议[26]是IEEE 802协议簇中的新成员，专门用于支持VANET环境下的应用。IEEE 802.11p协议又称为WAVE（Wireless Access in Vehicular Environment），截止目前为止，协议制定工作组仍处于活动状态。从已发布的信息可知，802.11p协议的物理层采用成熟的802.11a传输技术，而MAC 层将采用CSMA/CA机制作为其介质访问控制机制，且有可能会使用一条控制信道来辅助建立链路。如3.1节所述，节点在发送数据包之前，需要先监听到一段
特定长度的空闲时间（DCF InterFrame Space，DIFS），如果发现信道一直空闲，则开始发送数据，同时监听是否有冲突发生，若发生冲突，则在退避窗口范围内随机选择一个长度，等待一段时间，然后重复前述的发送过程。若发生多次冲突，则增加退避窗口的大小，以增加退避时间。这样的机制很大程度上降低了冲突率，并提高了无线网络吞吐量，但牺牲了一定的实时性。在第4章将对802.11p协议进行详细的介绍和讨论。
（2）ADHOC协议
ADHOC协议[23]是在欧洲研究项目CarTALK 2000[7]中提出的车载无线自组网MAC协议，采用了TDMA方式划分无线信道，以及RR-ALOHA信道访问机制，节点需要在帧信息FI（Frame Information）中记录自己所观察到的邻居节点占用时隙的情况，并在自己占用的时隙中周期性广播FI信息，如图6所示。除此之外，RR-ALOHA与预约ALOHA（Reservation ALOHA）没有差异。周期性广播的FI帧信息使得每个节点能够了解两跳之内的时隙占用情况，从而使得相邻节点之间以及拥有共同邻居节点的不相邻节点之间都不会发生冲突。相比较而言，ADHOC协议比较适合于VANET网络环境，并且周期性的广播也可以与主动安全应用相结合，只要广播信息中加上速率、位置、方向等行驶数据即可。关于ADHOC协议的详细介绍请参考第5章的内容。
图6 ADHOC协议示意图[23]
（3）基于位置的MAC协议：SDMA协议
SDMA协议[24, 25]利用VANET节点自身能够通过GPS或伽利略定位系统精确定位的优点，按照确定的经纬度划分标准将交通道路划分成单元格，如图7所示，从1到96顺序给单元格编号，并给每个单元格分配对应编号的时隙。
图7 SDMA协议时隙分配[25]
当汽车节点驶入某个单元格时，它就自动获取了此时隙的使用权，而无须进行任何时隙竞争或分配的过程。不过，SDMA协议存在的缺点是信道利用率低，而且为了保证足够的冲突防止缓冲区，节点的传输距离不能太长，如图7，假设单元格的长度为5米，则最大传输距离只能为40米，大大少于DSRC标准规定的1000米，对主动安全应用的要求来说显然不够。若要增加传输距离，则总时隙数也将快速增加，从而造成信道资源的浪费以及传输时延的增加。
（4）基于定向天线的MAC协议：Directional-MAC协议
由于汽车节点的移动具有相对固定和规则的运动轨迹，前后左右的节点行为和分布都具有一定的可预测性，因此定向天线（能够控制在一定角度内发送或接收无线信号）在VANET中的应用前景比较看好。若能适当地控制信号发射角度和方向，则可以降低传输过程中的冲突概率，同时提高无线信道的复用率。
在文献[43, 44]中，都提出了基于方向的MANET网络MAC协议，文献[35]进一步将其扩展到了VANET网络，如图8所示，协议中应用了定向天线作为物理发送器件，而MAC协议机制仍然采用802.11协议，传输数据之前需要先建立链接，即RTS/CTS握手过程，以避免由隐藏终端引起的传输冲突。图8中，当A需要向B传输数据时，首先向所有方向发出RTS数据包，B和C节点同时收到，B回复CTS数据包，而C则阻塞方向朝后的定向天线以避免冲突，保证A 可以与B顺利地完成传输过程。不过，定向天线在VANET中的实际应用仍然存在过于复杂、难以管理的问题，尚需进一步的研究。
图8 基于定向天线的MAC协议[19]
（5）基于位置和方向的MAC协议：RPB-MACn协议
在文献[45]中，作者提出了基于方向和位置两个信息的VANET网络MAC 协议：RPB-MACn协议。如图9所示，虚线表示的是定向天线的泄露效应，对于汽车节点A而言，它装备了8个定向天线，每个天线覆盖水平面的45度范围，并且无线信道也以TDMA或FDMA等方式分割为8条。如A与C节点之间，A 使用5号信道发送数据给C，使用1号信道接收C发送的数据，从而达到了提高信道利用率和降低冲突率的目的。不过这种协议的缺点也显而易见，实际应用中有许多特殊情况需要处理，因此协议设计的复杂度比较大。
图9 RPB-MACn协议的节点信道分配[45]
自组织网络 求助编辑百科名片 自组织网络 移动自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。 目录 自组织网络概述 自组织网络特点 自组织网络应用领域 展开 编辑本段自组织网络概述 移动自组织(Ad Hoc)网络是一种多跳的临时性自治系统，它的原型是美国早在1968年建立的ALOHA网络和之后于1973提出的PR(Pac ket Radio)网络。ALOHA网络需要固定的基站，网络中的每一个节点都必须和其它所有节点直接连接才能互相通信，是一种单跳网络。直到P R网络，才出现了真正意义上的多跳网络，网络中的各个节点不需要直接连接，而是能够通过中继的方式，在两个距离很远而无法直接通信的节点之间传送信息。PR网络被广泛应用于军事领域。IEEE在开发802. 11标准时，提出将PR网络改名为Ad Hoc网络，也即今天我们常说的移动自组织网络。
移动自组织网络。一方面，网络信息交换采用了计算机网络中的分组交换机制，而不是电话交换网中的电路交换机制;另一方面，用户终端是可以移动的便携式终端，如笔记本、PDA等，用户可以随时处于移动或者静止状态。无线自组网中的每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端可以运行各种面向用户的应用程序;作为路由器，终端需要运行相应的路由协议。这种分布式控制和无中心的网络结构能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力，具有很强的鲁棒性和抗毁性。 作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。[1] 网络中的移动终端具有路由和分组转发功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。移动自组织网络既可以作为单独的网络独立工作，也可以以末端子网的形式接入现有网络，如Internet网络和蜂窝网。 编辑本段自组织网络特点 移动自组织网络能够利用移动终端的路由转发功能，在无基础设施的情况下进行通信，从而弥补了无网络通信基础设施可使用的缺陷。自组网技术为计算机支持的协同工作系统提供了一种解决途径，主要特点有：
Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-hop Network）、无基础设施网（Infrastructureless Network）或自组织网（Self-or-ganizing Network）。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。 节点的单跳通信范围只有几百米到一千米，每一个节点（车辆）不仅是一个收发器，同时还是一个路由器，因此采用多跳的方式把数据转发给更远的车辆。 在电子检查中，短距离通信技术（DSRC）用于区分车辆，存储和转发其他检测数据。DSRC技术用于提供移动车辆和路边设备之间的数据通信，以供电子检查机制处理。DSRC是通过装在车顶部的转发器与安装在路边的读取器和天线互相通信实现的。转发器要包含车辆ID信息。转发器有声音和图像指示，用于给驾驶员提供信号。 可以看到，卫星通信系统分别为车载自组网提供全球定位服务（GPS，global positioning system）和数字多媒体服务（DMB，digital multimedia broad—casting）。车与车通信使车辆之间能够通过多跳的方式进行自动互联，这好比车与车之间能够像人一样互相交谈，起到提高车辆运行的安全和疏导交通流量等作用。 车载自组网除了可以单独组网实现局部的通信外，还可以通过路灯、加油站等作为接入点的网关（gateway），连接到其他的固定或移动通信网络上，提供更为丰富的娱乐、车内办公等服务。 车载自组网在交通运输中出现，将会扩展司机的视野与车载部件的功能，从而提高道路交通的安全与高效。典型的应用包括：行驶安全预警，利用车辆间相互交换状态信息，通过车载自组网提前通告给司机，建议司机根据情况作出及时、适当的驾驶行为，这便有效的提升了司机的注意力，提高驾驶的安全性；协助驾驶，帮助驾驶员快速、安全的通过“盲区”，例如在高速路出／入口或交通十字路口处的车辆协调通行；分布式交通信息发布，改变传统的基于中心式网络结构的交通信息发布形式，车辆从车载自组网中获取实时交通信息，提高路况信息的实时性，例如，综合出与自身相关的车流量状况，更新电子地图以便更高效地决定路径规划；基于通信的纵向车辆控制，通过车载自组网，车辆能根据尾随车辆和更多前边视线范围外的车辆相互协同行驶，这样能够自动形成一个更为和谐的车辆行驶队列，避免更多的交通事故。 路边检查站的工作流程图： 车辆信息交互中心用于存储和交换安全数据和证件数据。在车辆管理系统中，需要实现各省市间快照信息的交换 ①表示通过DSRC辨认转发器信息、车辆信息；②表示在电子检查时检查“快照”信息；③表示通过转发器通知驾驶员。
车载自组织网络的体系结构和通信协议研究 System Architecture and Communication Protocols in Vehicular Ad Hoc Networks 2011-05-18 作者:杨琼,沈连丰 摘要:在对车载自组织网络的特点和研究现状分析的基础上，文章给出了车载自组织网络(VANET)中多维多层的理论模型和网络体系结构，讨论了物理层技术及其相关标准以及MAC 层、网络层协议设计的重点和难点，阐述了广播协议的设计思路。 关键字:车载自组织网络；体系结构；媒体访问控制协议；路由协议 英文摘要:This paper gives a brief introduction to the characteristics and research status of vehicular ad hoc networks and presents a multilayer, multidimensional theoretical model and network architecture. It discusses techniques and standards in the PHY layer as well as challenges in designing protocols for the MAC and network layers. The design of the broadcast protocol in the MAC layer is described in detail. 英文关键字:vehicular ad hoc network; system architecture; MAC protocol; routing protocol 基金项目：国家高技术研究发展(“863”)计划(2008AA01Z205) 随着汽车工业的蓬勃发展，城市交通拥堵、道路交通事故以及恶劣天气下道路交通安全成了亟待解决的问题。作为智能交通系统(ITS)重要组成的车载自组织网络(VANET)就是在此背景下提出的，成为保障行车安全和提高交通效率的关键。VANET是将无线通信技术应用于车辆间通信的自组织网络，对于发展移动通信，提升车辆的信息化自动化程度，减少交通事故，提高道路交通安全，具有十分重要的意义。 1 车载自组织网络 1.1 车载自组织网络的特点 VANET是自组织网络的一种在交通领域支持动态、随机、多跳拓扑结构应用的特殊区域性网络，是一类特殊的移动自组织网络(MANET)[1]。文献[2]认为真正纯粹的通用目的的MANET 在现实世界中并不存在，而诸如VANET、MESH网络、机会式网络和无线传感器网络(WSN)这类具有实际应用背景的特殊移动自组织网络却获得了巨大的成功。VANET与通用目的的自组织网络相比，具有以下特点[3]： ⑴VANET中节点的拓扑结构变化快，车辆的快速移动性决定了车载自组织网络中拓扑结构的频繁改变，使得两个车辆节点之间通信链路的生存时间大大缩短。通常的解决办法是通过提高发射功率来延长链路的生存时间，但发射功率的提高、通信距离增加的同时又降低了网络的吞吐量。 ⑵快速变化的拓扑结构给建立精确的邻居节点列表带来困难，而每个节点要获取维护整个网络的全局拓扑结构变得不现实，因此基于网络拓扑结构的协议不适用于车载自组织网络。
车载自组织网络MAC层协议的研究 人们可以明显感受到信息化给生活带来的变化，从功能手机的少 量使用到智能手机的普及，从低速家庭宽带到千兆光纤的应用等等都充分说明了我们生活的信息化程度在不断的提高。 在中国，随着国家生产力的升级，人们的生活水平也不断的提高，越来越多人选择购买汽车作为交通工具。 据相关数据显示，我国汽车的生产量和销售量在xx年已经超越美国成为全球最大的汽车生产国和销售国；此外，最新数据显示我国汽车还在逐年的增加并已突破2000万辆。 随着中国汽车的迅速增长，中国将面临交通拥堵、道路拥挤以及 车辆停放管理等问题；此外,随着中国高速公路不断扩张，高速公路 上汽车的交通安全管理、车辆车速的监测以及计费系统等的需求不断提高；另一方面，随着汽车的不断普及，人们对行车环境、车内应用服务的要求越来越高；这些问题使得车辆无线交通系统研发更加迫切。 车载自组织网络（Vehicular AdHoc Networks，VANET）概念应运而生，车载自组织网络作为车辆无线通信系统的主要组成部分，主要为车辆提供道路安全信息、电子收费、车内娱乐应用以及一些以智能交通[1]有关的服务。 xx年，美国制定了IEEE802.11p[2]协议标准和IEEE1609协议族 标准，这为车载自组织网络的进一步应用提供了理论基础。 车载自组织网络是以车辆为中心，通过车辆与其他车辆或路边设 施进行通信的一种移动自组织网络。
它具有网络拓扑变化快，车辆移动速度快以及信息交互时间短等特有的属性。 车载自组织网络的运用将使交通管理等问题迎刃而解。 车载自组织网络带来巨大的变革同样使得交通信息的传递更加迅速和方便同时也减少了交通事故的发生，因此，它对社会的发展以及科学理论的研究都具有重大的意义。 1.2国内外研究现状车载自组织网络的提出刚好可以满足车辆带来的大多数问题。 但是由于车辆高速移动特征，使得以车辆为中心的车载自组织网络的网络拓扑变化迅速，而网络拓扑的快速变化又导致车载自组织网络对网络时延有较高的要求。 这些特点决定了传统的移动自组织网络的协议标准并不适用于车载自组织网络。 目前，对车载自组织网络的研究主要分为三大阵营美国、欧盟和日本。 它们在这方面都有较为深入的研究。 在车载自组织网络的研究，日本比较早就参与其中，它先后组织了开发了多个车辆智能系统，并联合多个生产商进行测试。 另外，日本还专门成立道路交通信息通信系统车载自组织网络MAC 层协议的研究2(VICS)[3]中心用于研究和系统的现实测试使用。 日本在这方面的研究一直处于国际领先水平。
移动自组织通信网络技术概况及未来前景 石晶林 摘要 本文对移动自组织网络技术的概念、特征和应用进行了介绍，重点分析了目前无线移动自组织网络的关键技术研究热点，与现有通信网的融合及其技术的实现等，同时对自组织网络的前景进行了简单预测。 关键词：自组织网络，路由方法，安全，前景 1 引言 移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network: MANET)出现之初指的是一种小型无线局域网。这种小型局域网的节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点的通信。而且当两个通信节点之间由于功率或其它原因导致无法实现链路直接连接时，网内其它节点可以帮助中继信号，以实现网络内各节点的相互通信。由于无线节点是在随时移动着的，因此这种网络的拓扑结构也是动态变化的。它们之间的通信模式也就无法直接照搬目前有基础设施的通信网的通信模式，至少在寻址模式上是如此。具体说来，无基础设施需求的MANET有着下面一些主要特征： 分布式自组管理与控制； 物理通信链路是带宽受约束的无线链路； 物理拓扑动态变化； 功耗是重要的约束条件（由于无线移动）； 物理安全性有限（无线信道的开放性造成）。 2001年以前，Ad Hoc还只是一个在很少一部分实验室里讨论的概念。但3年后的现在，自组织网络Ad Hoc已成了从事无线通信技术研究开发的人不得不去了解的技术 — 因为MANET已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一，甚至于有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起，从而实现世界通信网络的大统一。为什么就在短短的两三年内 Ad Hoc会流行起来呢，下面两点是主要原因： 技术进步使其具有了可实现性: 0各种各样的终端实现交互连接与通信是一种无法逆转的潮流； 0无线通信技术的发展及其与微电子技术的结合使得无线通信设备性价比大大提高，并使其成了一种日用消费品； 0人们想实现的无处不在、无时不在的通信梦想驱动着对它的研究； 市场需求是其发展的巨大动力: 0民用市场中的移动计算需求、网格、可穿戴计算、灾难救助等需要自组织网络技术； 0军事战争的需要，自组织网络技术一经提出就在军事领域得到重大应用。 作为移动通信的一种基本组网模式，移动 Ad Hoc网络与传统的蜂窝技术的根本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施(例如基站或路由器)支持的条件下进行的。系统支持动态配置和动态流控，所有网络协议也都是分布式的。由于这类网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点，所以它们允许节点发生故障、离开网络或加入网络。也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动，而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接。因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求。也正是由于这些原因，自组织网络的设计实现十分困难。现在用于固网的很多通信机制都无法用于 Ad Hoc网络中。本文就目前自组织网络技术方方面面的研究挑战进行介绍，对自组织网络的未来前景与应用进行了简单分析。 2 移动自组织网络的研究挑战 移动自组织网络的研究主要集中在组网理论、路由算法、接入控制、安全管理等方面。下面我们简单的进行说明。
无线移动自组织网络 【摘要】本文介绍了无线移动自组织网络的特点、关键技术和应用。近年来,无线移动自组织网络已引起了人们的广泛注意，并成为一个新的研究热点。 【关键词】无线移动自组织（Ad Hoc）网络；应用 无线移动自组织(以下简称Ad Hoc)网络是由一组移动或固定的无线节点组成的，不依赖于任何基础设施（如基站、接入点）的自组织的网络，网络中每个节点可以和其发射范围内的其他节点直接通信，同时利用其他节点作为中继而与发射范围外的节点进行通信。与传统的带固定设备(如基站)的无线网络相比，其显著特点是网络中没有固定的通信设施，网络中所有通信节点都是移动的，每个移动节点既是终端又是路由器，能够提供包的存储转发功能。由于无须固定通信设施的支持，因此，无线自组织网络具有很高的灵活性，可广泛应用于敌对和不易建设固定通信设施的环境中，如野战通信、紧急搜救、临时会议等。近年来，无线自组织网络已引起了人们的广泛注意，并成为一个新的研究热点。 1.网络的特点 Ad Hoc网络是一种无中心的网络，它与传统的有线网络以及蜂窝移动网络不同，具有如下特点： 1.1独立组网 Ad Hoc网络具有独立组网能力，即网络的布设无需依赖于任何预先架设的网络设施。节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 1.2无中心 Ad Hoc网络采用无中心结构，所有节点的地位平等，组成一个对等式网络，节点可以随时加入或离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行。与有中心网络相比，Ad Hoc网络具有很强的抗毁性。 1.3自组织 Ad Hoc网络没有严格的控制中心，所有节点通过分层的网络协议和分布式算法协调各自的行为。无中心和自组织特点使得Ad Hoc网络可以实现快速自动组网。 1.4多跳路由 与普通网络中的多跳不同，Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。反过来，如果可以使
无线网络技术及其应用无线自组织网络的应用 专业： 班级： 姓名： 学号： 成绩：
项目任务： 1、AODV协议应用 2、DSR协议应用 项目分析： 1、AODV AODV路由协议开始工作时，源节点首先会广播一个携带有目的节点信息的路由分组RREQ，然后邻居节点会依次向周围的节点广播这个RREQ。广播RREQ前将会建立该节点到源节点的路由，直到路由分组到达目的节点或者下一个中间节点，这个节点包含了节点的路由信息，就不会再广播RREQ。整个工作过程会建立一个从源节点到目的节点的反向路由。随后该节点将沿着反向路由发回一个RREP，RREP到达源节点之后路由发现过程结束。为了避免路由环路，每个路由分组中都包含了一个sequence ID作为唯一标志，当节点收到一个sequence ID比它当前保留的的sequence ID小的数据包时，说明这个数据包是过期的，将不会进行处理，直接丢弃。发现多条路由时，源节点会选择一条sequence ID大，跳数最少的最佳路由路径。 AODV是一种源驱动路由协议。当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时，如果没有到达目标节点的路由，则必须先以多播的形式发出RREQ(路由请求)报文。RREQ报文中记录着发起节点和目标节点的网络层地址，邻近节点收到RREQ，首先判断目标节点是否为自己。如果是，则向发起节点发送RREP(路由回应)；如果不是，则首先在路由表中查找是否有到达目标节点的路由，如果有，则向源节点单播RREP，否则继续转发RREQ进行查找。 2、DSR DSR中移动节点都维护一个存放路由的快速缓冲区。每当某移动节点要发送分组时，首先查询本地高速路由缓冲区，确定是否存在可用路由，如存在则沿路由发送数据，否则发送一个包含源和目标节点地址的路由请求分组，启动路由发现过程。中间节点收到该请求后，查询本地缓冲区，如无到达目标节点的路由，则将本节点地址加入请求分组后转发，直至将分组转发到目标节点或有到达目标节点路由的中间节点。该节点返回一个路由应答分组，包含了从源到目标路径上所有节点的序列。每个发送的数据分组中都将包含该路径节点序列。因此，中间节点不需保存路由信息，不再需要周期性路由广播和邻居发现。 DSR路由协议有两个主要机制组成——路由寻找机制和路由维护机制。路由
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910152092.8 (22)申请日 2019.02.28 (71)申请人 中国科学院国家空间科学中心 地址 100190 北京市海淀区中关村南二条1 号 (72)发明人 洪洁 张德海 (74)专利代理机构 北京方安思达知识产权代理 有限公司 11472 代理人 陈琳琳 王宇杨 (51)Int.Cl. H04L 12/751(2013.01) H04L 12/781(2013.01) H04W 40/04(2009.01) H04W 40/20(2009.01) (54)发明名称 一种移动自组织网络自适应路由协议的选 择方法 (57)摘要 本发明公开了一种移动自组织网络自适应 路由协议的选择方法，所述方法包括：定时感知 并计算网络的全网瞬时拓扑变化度；将所述全网 瞬时拓扑变化度与预先计算出的拓扑变化度门 限值/区间进行比较，确定节点的移动模型；基于 预先设定的策略，根据节点的移动模型选择相应 的路由协议。本发明的方法适用于高动态移动自 组织网络中复杂的任务场景；该方法能根据感知 到的拓扑变化结果，及时判断节点当前的移动模 式，并迅速做出调整策略；可以实现移动自组织 网络中路由协议与移动方式的有效匹配。权利要求书4页 说明书12页 附图8页CN 109787902 A 2019.05.21 C N 109787902 A
1.一种移动自组织网络自适应路由协议的选择方法，所述方法包括： 定时感知并计算网络的全网瞬时拓扑变化度； 将所述全网瞬时拓扑变化度与预先计算出的拓扑变化度门限值/区间进行比较，确定节点的移动模型； 基于预先设定的策略，根据节点的移动模型选择相应的路由协议。 2.根据权利要求1所述的移动自组织网络自适应路由协议的选择方法，其特征在于，所述定时感知并计算网络的全网瞬时拓扑变化度，具体包括： 从节点i的邻居节点中根据节点有效传输范围获取其所有的一跳邻居节点；所述节点i 为网络中的任一节点； 记录并更新节点i的邻居节点信息列表中所有的一跳邻居节点的信息； 基于邻居节点信息列表计算节点间的拓扑变化度、节点i与所有邻居的平均拓扑变化度，由此计算全网瞬时拓扑变化度。 3.根据权利要求2所述的移动自组织网络自适应路由协议的选择方法，其特征在于，所述从节点i的邻居节点中根据节点有效传输范围获取所有的一跳邻居节点，具体为：获取节点i及其邻居节点j的移动速度和位置： 节点i在t时刻的位置 为邻居节点j在t时刻的位置 为 节点i在时刻的瞬时速度向量为 节点j在t时刻的瞬时速度向量为 计算节点i与邻居节点j的距离并根据节点有效传输范围判断邻居j是否为节点i的一跳邻居； 节点i与邻居节点j之间的距离 为： 比较与节点i一跳传输距离d th的关系，由此判断邻居节点j是否属于节点i的一跳邻居节点集合N i ： 4.根据权利要求3所述的移动自组织网络自适应路由协议的选择方法，其特征在于，所述记录并更新节点i的邻居节点信息列表中所有的一跳邻居节点的信息；具体包括：所述邻居节点信息列表的表项包括：邻居节点序号、感知时刻、邻居新速度、邻居新位置、瞬时新距离、瞬时新相对速度、瞬时新夹角、邻居旧速度、邻居旧位置、瞬时旧距离、瞬时旧相对速度、瞬时旧夹角和邻居存在标志； 如果邻居节点信息列表中无节点j的任何信息，则添加该节点及其信息至邻居节点信息列表中；具体包括：添加邻居节点序号、感知时刻、邻居新速度、邻居新位置、瞬时新距离、瞬时新相速度和瞬时新夹角；将邻居存在志设置为true；其中： 瞬时新相对速度为t时刻节点i与节点j的速率之差： 权 利 要 求 书1/4页 2 CN 109787902 A
车载自组网（VANET） ——以先进的车间通信技术提供车辆协作式安全应用 【摘要】 随着机动车数量的增加，越来越多的交通事故给社会经济和生命安全带来严重威胁。交通安全问题不仅涉及车辆自身，更与交通环境密不可分。先进的车载自组网（VANET）技术为交通安全问题提供了一种新的解决途径。 目前，主动安全系统基于反应式机理，并依赖于自治传感器（雷达、激光雷达、摄像头等）在给定时间内的实时反馈。自治传感器的覆盖范围有限，缺乏协同性，并且存在盲区、适应性有限的问题。VANET将车间无线通信和高精度定位技术融合到车辆传感器组件中，可以提供超视距提前感知能力，在主动安全系统中引入预期或前馈行为，能够实现协作式驾驶应用。协作式安全系统使驾驶员有更长的反应时间避免进入危险驾驶情况，从而减少其它主动安全系统或被动安全系统的需求。 VANET所提供的超视距感知能力不仅有利于驾驶员和周围环境的安全，并且有利于节省油耗、增加舒适度以及减少环境（如路面结冰）带来的影响。同时，VANET具备与其它网络互连的能力，能够提供多种信息增值服务，为驾驶员提供娱乐型、舒适型应用。 【车载自组网】 图1 车载自组网（VANET）
车载自组网（VANET）是指在交通环境中车辆之间、车辆与固定接入点之间及车辆与行人之间相互通信组成的开放式移动Ad hoc网络，其目标是为了在道路上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络，提供无中心、自组织、支持多跳转发的数据传输能力，以实现事故预警、辅助驾驶、道路交通信息查询、车间通信和Internet接入服务等应用。许多人将VANET视为无线自组织网络（Ad Hoc Network）的一种特殊的实际应用，不过，由于VANET 本身所具有的网络特点，例如拓扑高动态、时延要求严格、节点移动速度高、轨迹可预测、能量无限、定位准确等，还有其应用前景明朗且广阔，研究范围横跨智能交通系统领域、计算机网络领域以及无线通信领域三大传统研究领域，使得对VANET的研究吸引了许多学术界和工业界的注意。 车载自组网涉及到两个庞大的产业（汽车工业和通信产业），相关的主体很多，基本上可以分为：政府部门（如美国的交通部U.S.DOT和FCC，欧洲的EU），行业公司（通用、宝马、华为），标准化组织（美国的IEEE和机动工程协会SAE，欧洲的ETSI和跨行业的C2C-CC联盟），以及各研究机构。随着车载网络逐渐成为移动互联网的一部分，如Google等IT巨头也会参与进来，届时更多的商业公司将会借助互联网参与到VANET的市场中去。 网络架构 图2 VANET网络架构
自组织网络 集团档案编码：[YTTR-YTPT28-YTNTL98-UYTYNN08]
自组织网络 自组织网络 移动自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。 自组织网络概述 移动自组织(Ad Hoc)网络是一种多跳的临时性自治系统，它的原型是美国早在1968年建立的ALOHA网络和之后于1973提出的PR(Packet Radio)网络。ALOHA网络需要固定的，网络中的每一个节点都必须和其它所有节点直接连接才能互相通信，是一种单跳网络。直到PR网络，才出现了真正意义上的多跳网络，网络中的各个节点不需要直接连接，而是能够通过中继的方式，在两个距离很远而无法直接通信的节点之间传送信息。PR网络被广泛应用于军事领域。IEEE在开发标准时，提出将PR网络改名为Ad Hoc网络，也即今天我们常说的移动自组织网络。 移动自组织网络。一方面，网络信息交换采用了计算机网络中的机制，而不是电话交换网中的电路交换机制;另一方面，用户终端是可以移动的便携式终端，如笔记本、PDA等，用户可以随时处于移动或者静止状态。无线自组网中的每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。作为主机，终端可以运行各种面向用户的应用程序;作为，终端需要运行相应的路由协议。这种和无中心的网络结构能够在部分通信网络遭到破坏后维持剩余的通信能力，具有很强的鲁棒性和抗毁性。 作为一种分布式网络，移动自组织网络是一种自治、多跳网络，整个网络没有固定的基础设施，能够在不能利用或者不便利用现有网络基础设施(如基站、AP)的情况下，提供终端之间的相互通信。由于终端的发射功率和无线覆盖范围有限，因此距离较远的两个终端如果要进行通信就必须借助于其它节点进行分组转发，这样节点之间构成了一种无线多跳网络。[1]
基于OPNET的无线移动自组织网络 1 引言 1.1 课题研究的背景及意义 最近几年来，随着Internet的发展，连入网络的主机和用户数目逐年呈指数增长。网络的普及为我们的生活带来了许多方便而快捷的服务，如下载网上信息、收发电子邮件、实现远程办公等等，人们变得越来越依赖于计算机网络。与此同时，移动计算机网络业务也逐渐成为人们日益关注的话题。在网络中提供移动性支持可使网络用户在任何时刻、任何地点通过网络发送和接收各种数据，实现人们提出的“Anytime, Anywhere, Mobile Networks in your pocket”的愿望。 无线移动自组织网络作为移动计算机的一种特殊形式，由于它不需要固定的基站，各个节点均可自由移动，且能实现动态的连接，加上其具有生存性极强，且创建与移动极为方便的特点，使之弥补了蜂窝系统与有线网络的不足，在许多特殊情况下有着不可替代的作用。可广泛应用于国防战备、灾难援助、法律执行等无法得到有线网络支持或某些只是临时需要通信但建立有线通信网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强的后备网络[2]。因此，移动自组网的研究对科技进步具有重大促进作用。同时，随着移动自组网络研究的发展和相关产品的成熟，移动自组网必将越来越受到人们的重视，会有越来越多的应用领域，因而其具有广泛的研究与发展前景。而天线模型作为影响网络性能的一个重要因素，是确保移动自组网络正确运行的关键。对该领域进行深入而广泛的研究将为移动自组网的应用提供重要科学依据[3]。 1.2 无线移动自组织网络网络的特征 无线移动自组织网络是一种不同于现有网络的特殊无线网络，强调无中心接入、多跳路由，移动终端节点不仅具有主机的功能，还具有路由器的功能。 无线移动自组织网络是由一些带有无线收发装置的移动节点，通过无线信道连接形成的，具有网状拓扑结构的特殊网络。节点的移动性，导致了网络拓扑结构随时间的变化性。在无线移动自组织网络中，由于无线通信覆盖范围的有限性，两个无法直接通信的节点可以利用其他节点的路由转发功能进行通信。它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。 在无线移动自组织网络中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为用户主机运行相关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的信宿不是自
自组织网络及其路由技术 一、背景及概念 1.发展历史 无线通信网一般都是有中心的，要基于预设的网络基础架构才能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有接入点（AP）和有线骨干网的模式下。但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。无线自组织网络即可以满足这样的应用。 自组织网络技术的研究始于20 世纪70 年代。美国DARPA 出于军事需要，开始研究分组无线网（PRNET）在战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA 又在1993 年启动了高残存性自适应网络项目。研究如何将PRNET的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994 年，DARPA 又启动了全球移动信息系统项目。在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991 年成立的IEEE 802.11 标准委员会采用了“无线自组织网络”一词描述这种特殊的对等式无线移动网络。 美国《福布斯》杂志报道了加州大学洛杉矶分校的无线传感器网络的研究项目，指出通过无线传感器网络，我们将实实在在地掌握这个物理世界。2003年美国《商业周刊》将无线传感器网络列为21世纪改变世界的10大技术之一。美国《技术评论》杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络排名第一。另外，像IEEE((ComPuter》等众多杂志也都发表了一些关于无限传感器网络的论文。我国也非常重视无线传感器网络的研究，中国国家自然科学基金委员会在2003年已经开始对无线传感器网络的研究进行了资助，并于2004年将其列为重点项目。2005年我国开始传感网络标准化研究工作。2006年，国家973计划，国家863高技术计划等国家和省部级科技发展“十一五”规划也设专项资助该领域的理论、方法和关键技术研究。 同年，我国政府将发展无线传感器网络列入未来15年的《国家中长期科学