无线自组织网络关键技术与进展

无线宽带自组网的关键技术及应用尹合林【摘要】作为未来专业通信领域未来的发展方向之一,无线自组网技术得到广泛关注.文章介绍了无线自组网技术的技术和应用优势,并对无线宽带自组网的相关关键技术进行了详细阐述.结合无线宽带自组网的应用优势,建议性地提出了其在公共安全和应急救援领域的应用方案.【期刊名称】《数字通信世界》【年(卷),期】2018(000)012【总页数】2页(P19-20)【关键词】无线自组网;宽带;专网通信;应急保障【作者】尹合林【作者单位】攀枝花市公安局,攀枝花 617000【正文语种】中文【中图分类】TN915.85;TN921 引言与传统蜂窝网络结构不同，无线自组网是一种节点对等的点对点通信网络，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行通信。

无线自组网部署方便简单，可以根据应用场景形成链型、星型以及混合型网络拓扑。

通过不同节点的中继传输，无线自组网可以实现多跳传输，从而实现更远距离的覆盖。

基于这些特点，无线自组网特别适合专网集群通信，在公共安全、应急救援和垂直行业等有着广泛的应用市场。

无线自组网最早起源于美国军方机构的先进战术通信系统（ATCS），相关技术于2000年初正式推向民用和商用，此后包括摩托罗拉、诺基亚在内的众多公司纷纷开发和推出自己的无线自组网产品。

早期的无线自组网技术主要应用在窄带无线网络中，特别是随着物联网和无线传感应用的推广，窄带自组网技术迅速发展。

物联网的主流标准，如Zigbee和蓝牙，都能够很好地支持自组网功能。

随着OFDM-MIMO宽带技术的成熟，特别是Wi-Fi和LTE技术的广泛商用，无线自组网技术也在向宽带化和IP化发展。

目前，国际组织IEEE和3GPP都已经开始着手制定无线宽带自组网相关标准，并发布了一些中间版本。

国内B-Tr unC标准组织也在2.0版本规范中增加了宽带集群终端直通模式的研究。

2 无线宽带自组网的优势相比传统的蜂窝网络结构，无线自组网具有如下主要优势。

摘要Ad Hoc网络是近年来发展起来的一种无线移动分组网络，它具有动态变化的拓扑结构，网络中的节点可以任意移动，也可以动态的加入或退出网络。

Ad Hoc网络无任何中心和固定基础设施，网络中各个节点的地位平等，每个节点都具有主机与路由器的双重功能，形成了一个以中间主机节点为中继的多跳的分布式网络结构。

路由技术是Ad Hoc网络的关键技术，也是影响网络整体性能最重要的因素之一。

与单跳的无线网络不同，移动Ad Hoc网络中节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要路由协议进行分组转发决策。

无线信道变化的不规则性，节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。

路由协议的作用就是在这种环境中，监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。

本文首先介绍移动Ad Hoc网络的概念、产生、定义，详细总结了移动Ad Hoc 网络的特点、应用场合和研究热点。

然后对Ad Hoc网络体系结构和信道接入协议进行了介绍。

第三章对Ad Hoc网络的路由协议进行了研究分析，并对DSDV、DSR和AODV协议进行了详细的分析研究。

最后，介绍了Ad Hoc网络的分簇算法，详细说明了AOW算法。

关键词：Ad Hoc，自组织网络，AODV，分簇算法ABSTRACTAd hoc network is a kind of wireless and mobile network developed in recent years. It has a dynamic and variable topology, each node not only can move but can join or exit the network freely. It has no center and fix e d infrastructure distributed multi-hop structure，all nodes have an equal status and act as two roles-router and node itself.Routing technique is the key technique of the Ad Hoc network, but also one of the most important factors affect the performance of the whole network. It is different from single hop wireless network，mobile Ad hoc network nodes intercommunicate according to multi-hops data store-forward，which need the support of routing protocol packet forwarding decisions. The regular change of bandwidth and node motivation，pass in and out will lead to the dynamic changes of network topology. The routing protocols will monitor the changing topology，exchange routing information，locate the position of destination nodes，product, select and maintain routing, According to the selected routing and forwarding data to provide network connectivity.In this paper, first of all, introduces the concept, produce, definition of the MANET, summarizes the characteristics, applications, and research focus of the MANET. And then the Ad Hoc network architecture and the channel access protocol is introduced. In chapter 3, we researches and analysis routing protocol of the Ad Hoc network, and carried out a detailed analysis of the DSDV, DSR and AODV protocol. At last, introduces clustering algorithm of the Ad Hoc network, and detailed description of the AOW algorithm.KEY WORDS：Ad Hoc network, self-organizing network, AODV, clustering algorithm目录第一章绪论 (4)1.1A D H OC网络概述 (4)1.1.1 Ad Hoc网络的产生 (5)1.1.2 Ad Hoc网络的定义 (5)1.1.3 Ad Hoc网络的特点 (6)1.1.4 Ad Hoc网络的应用场合 (8)1.2A D H OC网络研究的主要问题 (9)1.3论文的主要研究内容 (10)第二章体系结构与信道接入 (10)2.1节点结构 (10)2.2网络结构 (11)2.3A D H OC协议栈 (13)2.4A D H OC网络体系结构的跨层设计 (13)2.4.1 设计策略 (13)2.4.2 设计方法 (14)2.4.3 跨层设计的优势与挑战 (15)2.5信道接入协议 (15)2.5.1简介 (15)2.5.2面临的问题 (15)2.5.3协议的分类 (18)第三章路由协议的设计 (19)3.1A D H OC网络路由协议的分类 (20)3.1.1平面式路由协议和分级式路由协议 (20)3.1.2表驱动路由协议和按需路由协议 (20)3.1.3 评价路由协议的标准 (21)3.1.4 各类路由协议之间的性能比较 (21)3.2几种典型的A D H OC网络路由协议 (23)3.2.1 DSDV路由协议 (23)3.2.2 DSR路由协议 (24)3.2.3 AODV路由协议 (27)第四章AD HOC网络的分簇算法 (30)4.1概述 (30)4.2基本概念和目标 (31)4.3A D H OC网络中分簇算法的分类和比较 (32)4.3.1 基于节点ID的分簇算法 (32)4.3.2 最高节点度分簇算法 (33)4.3.3 最低节点移动性分簇算法 (33)4.4自适应按需加权分簇算法（AOW） (33)4.4.1一般介绍 (33)4.4.2 AOW算法的特点和目标 (34)4.4.3算法描述 (35)4.4.4网络初始化和簇维护策略 (36)4.5基于分簇结构的A D H OC网络路由协议 (36)4.5.1 CBRP (37)4.5.2 CEDAR (37)4.5.3 ZHLS (37)总结 (38)致谢 (39)参考文献 (40)第一章绪论1.1 Ad Hoc网络概述Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。

无线Ad Hoc网络节点移动技术研究无线Ad Hoc网络节点移动技术研究摘要：无线Ad Hoc网络是一种无需基础设施支持的自组织网络，由一组移动节点组成。

节点在网络中自主移动，形成一个动态的拓扑结构。

本文将分析无线Ad Hoc网络节点移动技术的研究进展和挑战，讨论节点移动对网络性能的影响，并探讨改进节点移动控制技术的方法。

1. 引言无线Ad Hoc网络是一种适用于无法搭建有线网络的环境下的解决方案，如军事作战、紧急救援等。

无线Ad Hoc网络可以通过节点间的直接通信来完成数据传输，无需依赖中央控制节点或传统的基础设施。

然而，节点的移动性给无线AdHoc网络带来了许多挑战，包括拓扑变化、链路不稳定、路由选择等问题。

2. 节点移动对网络性能的影响节点移动对无线Ad Hoc网络的性能有直接影响。

首先，节点的移动会导致拓扑结构的变化，进而影响网络的连通性和带宽利用率。

其次，移动节点导致链路的频繁中断和重建，增加了网络的延迟和丢包率。

再次，移动节点的不确定性给路由选择带来了困难，可能导致路由不稳定和数据包丢失。

3. 节点移动控制技术研究进展为了解决节点移动对无线Ad Hoc网络的负面影响，研究人员提出了许多节点移动控制技术。

其中，最常见的是基于预测的节点移动控制技术和基于反馈的节点移动控制技术。

基于预测的节点移动控制技术利用节点移动模型来预测节点的目标位置，并相应地优化路由和数据传输。

这种方法可以减少链路中断和重建的频率，提高网络的连通性和带宽利用率。

然而，由于节点移动的不确定性，预测模型可能存在误差，导致性能下降。

基于反馈的节点移动控制技术通过动态地调整节点的行为来适应网络的变化。

例如，根据链路质量来调整节点的移动速度和方向，以优化网络性能。

这种方法可以提高网络的稳定性和适应性，但需要节点之间的协作和信息交互。

4. 改进节点移动控制技术的方法为了改进节点移动控制技术，可以采取以下方法：4.1 引入机器学习算法。

无线自组织网络一、无线自组织网络综述无线自组织网络（Wireless Ad hoc Network，简称WANET）是指在没有任何设备已预先部署的情况下，通过不需要任何网络设备（如路由器、交换机）的辅助，以节点之间的自主协调和通信，在物理范围内建立临时网络。

它是一种分布式、去中心化的通信网络，由多个具有连接、路由和数据转发能力的节点组成，可在不可信任的环境下实现有效的通信。

WANET网络的主要特点是节点随时加入、离开，网络拓扑结构动态变化，同时网络中的节点还要完成路由转发等网络协议功能，网络资源有限，且信息传输会受到信道的干扰影响。

WANET应用广泛，比如：灾难野外通信、军事战场通信、车联网、物流配送、智能家居等领域。

因此，以WANET为研究对象，综述WANET的技术特点和研究进展，对于提高WANET应用的数据传输质量、提升网络安全性、优化网络拓扑结构等方面具有很大的意义。

二、WANET技术特点1. 网络自主建立WANET不需要中央控制，节点可以根据需要自主地建立和拆除连接，构建出网络拓扑结构。

它们之间可以通过广播或目标使命令将信息传递给其他节点，从而有效进行自治通信。

2. 网络动态调整WANET的拓扑结构和节点数量在运行过程中会发生变化，一些节点可能会离开网络并重新加入。

此时，整个网络需要进行调整，以适应网络的变化和节点之间实时连通的需求。

3. 路由机制自动选择WANET中，每个节点都有一定的路由功能。

当数据流动时，它们会动态选择路由以完成数据传输。

通过自动选择最短路径的路由，网络的吞吐量和数据传输效率可以得到极大的提升。

4. 资源有限WANET网络中的节点的资源是非常有限的，主要指存储空间、计算资源和电力。

在资源有限的情况下，如何有效利用每个节点的资源以支持可靠的数据传输是WANET设计的主要难点。

5. 通信受到信道质量的影响WANET中的数据传输主要依赖于无线信道，在移动节点速度和位置变化的情况下，通信质量也会随之改变。

自适应无线网络设计随着移动互联网的发展，无线网络环境变得越来越复杂。

为了满足用户对高速、高质量、低延迟的需求，自适应无线网络设计成为了无线通信领域的研究热点之一。

本文将围绕自适应无线网络设计展开探讨，并将内容分为以下章节：1. 自适应无线网络的概念和原理2. 自适应无线网络设计的关键技术3. 自适应无线网络设计的应用与发展一、自适应无线网络的概念和原理自适应无线网络（Adaptive Wireless Networking）是指无线网络中的各种无线设备通过自主学习和适应环境的能力，不断调整自己的参数和策略，以达到实现高速率、低延迟、最优功耗等性能指标的目标。

在自适应无线网络中，节点之间通过维护彼此之间的连接状态来实现节点自组织和信息交换，以保持网络的稳定性和可靠性。

自适应无线网络的原理在于，通过采集周围环境的信息，如信道状态、干扰源、信噪比等，进行数据分析和处理，从而调整自身的参数，如传输功率、速率、路由路径等，以实现最优的数据传输效果。

在自适应无线网络中，每个节点都具有一定的智能化能力，能够根据网络环境的变化做出相应的决策，从而实现网络的优化和管理。

二、自适应无线网络设计的关键技术自适应无线网络设计的实现离不开以下几个关键技术：1. 自适应调制：即根据信道条件的变化调整调制方式和传输速率。

在自适应调制技术中，节点通过监测信道的信噪比和信道质量等信息，智能地选择调制方式和传输速率，以实现最优的数据传输质量。

2. 基于簇的路由：将网络中的节点分组成为一个个簇，每个簇内只有一个节点负责转发数据，其他节点则负责监测和收集周围环境的信息。

通过基于簇的路由技术，可以提高网络的传输性能和能源利用率。

3. 自适应功率控制：根据网络连接和传输质量的变化，智能调整节点的传输功率，以减少干扰，提高网络的传输质量和稳定性。

4. 多路径传输技术：利用多条不同的路径传输同一数据包，从而提高网络的可靠性和数据传输效率。

当某条路径出现信噪比较大或者发送时延较高等问题时，多路径传输技术可以自动切换到其他路径进行数据传输。

无线自组织网MAC协议的改进与优化的开题报告一、选题背景随着无线通信技术不断发展，无线自组织网络（Wireless Ad Hoc Network，以下简称WANET）也随之兴起。

WANET是由一组互相通信的移动节点组成的网络，它们通过无线信道进行通信，相互之间没有固定的基础设施支持。

无线自组织网络的特点是具有自动组网、自主配置、可靠传输、即插即用等优点，因此在军事、紧急救援等领域得到了广泛应用。

在WANET中，MAC协议是一个重要的研究方向，它涉及到网络性能、传输速率、能耗等问题。

目前，WANET中主要采用的MAC协议有无线分簇协议（Wireless Cluster Protocol，以下简称WCP）、动态时间分配协议（Dynamic Time Allocation Protocol，以下简称DTAP）等。

但是，这些协议在实际应用中仍然存在一些问题，例如在低能耗、高可靠、高吞吐率等方面需要进一步改进和优化。

二、研究内容本研究将针对WANET中的MAC协议进行改进与优化。

首先，通过对现有MAC协议的分析，挖掘其中存在的问题和不足。

其次，设计一种新的MAC协议，从能耗、可靠性和吞吐率等方面进行优化。

最后，通过仿真实验验证新的MAC协议的性能和效果，与现有协议进行比较和分析。

三、预期结果本研究的预期结果包括：1. 基于剖析现有MAC协议，发现其中存在的问题和不足。

2. 设计一种新的MAC协议，能够在能耗、可靠性和吞吐率等方面进行优化，提高网络性能。

3. 通过仿真实验验证新的MAC协议的性能和效果，对比分析现有协议与新协议的优缺点。

四、研究方法本研究采用以下方法进行：1. 阅读相关文献，学习WANET和MAC协议的基础知识；2. 剖析现有MAC协议的问题和不足；3. 设计新的MAC协议，从能耗、可靠性和吞吐率等方面进行优化；4. 通过仿真实验验证新的MAC协议的性能和效果，对比分析现有协议与新协议的优缺点；5. 分析实验数据，得出结论，并撰写论文。

2016年4月第27卷 第2期装 备 学 院 学 报J o u r n a l o fE q u i p m e n tA c a d e m y A pr i l 2016V o l .27 N o .2收稿日期 2015-12-08作者简介 刘作学(1962-),男,教授,主要研究方向为军事无线通信技术㊂l z x 626@s o h u .c o mW i F i -M e s h 无线自组网系统关键技术综述刘作学, 代健美(装备学院信息装备系,北京101416) 摘 要 W i F i -M e s h 无线自组网系统是基于802.11协议和无线路由协议实现的一类自组织网络系统的统称㊂按照分层的方法对系统的多天线技术㊁多载波调制技术㊁媒体接入控制机制和路由算法等关键技术进行了分析和讨论,对多天线条件下信道状态信息的获取技术㊁正交频分复用条件下的降低峰均比技术㊁载波侦听多址接入/冲突避免和时分多址的改进机制,以及混合无线M e s h 协议和最佳移动网络路由协议的研究现状㊁难点和未来改进方向进行了重点阐述,对可能用于W i F i -M e s h 无线自组网系统的新技术进行了展望㊂关 键 词 信道状态信息;峰均比;载波侦听多址接入/冲突避免;时分多址;路由协议中图分类号 T P 393.0文章编号 2095-3828(2016)02-0095-07文献标志码 AD O I 10.3783/j .i s s n .2095-3828.2016.02.021C o m p r e h e n s i v eS t u d y o nK e y T e c h n o l o gi e s o fW i F i -M e s hW i r e l e s sN e t w o r k L I UZ u o x u e , D A I J i a n m e i(D e p a r t m e n t o f I n f o r m a t i o nE q u i p m e n t ,E q u i p m e n tA c a d e m y ,B e i j i n g 101416,C h i n a )A b s t r a c t W i F i -M e s hw i r e l e s s n e t w o r k i s a c o l l e c t i v e n a m e f o r a t y p e o f a d -h o c n e t w o r k s y s t e m s b a s e do n 802.11p r o t o c o l a n dw i r e l e s s r o u t i n gp r o t o c o l .W i t h a l a y e r e d a p p r o a c h ,t h e p a p e rm a k e s a -n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no nt h e m u l t i -a n t e n n a lt e c h n o l o g y ,m u l t i -c a r r i e rt e c h n o l o g y ,m e d i a -a c c e s s e d c o n t r o lm e c h a n i s m ,r o u t i n g a l g o r i t h ma n d s o m e o t h e r k e y t e c h n o l o g i e s f o r t h e s y s t e ma n d p u t s p r i o r i -t y o n t h e s t a t u s q u o ,c h a l l e n g e s a n d f u t u r e d e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o n i n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o n t e c h n o l o -g y o f c h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n (C S I )i nm u l t i -a n t e n n a l c o n d i t i o n ,p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o r e d u c -i n g t e c h n i q u e i no r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g (O F D M ),c a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s s /c o l l i s i o na v o i d a n c e ,i m p r o v e m e n tm e c h a n i s mo f t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s (T D MA ),h y b r i dw i r e -l e s sM e s h p r o t o c o l a n do p t i m i z e dm o b i l en e t w o r kr o u t i n gp r o t o c o l .I n t h e e n d ,t h e p a p e r s h o w s t h e o u t l o o ko f t h en e wt e c h n o l o g i e sw h i c hm a y b eu s e d f o rW i F i -M e s hw i r e l e s s a d -h o c n e t w o r ks y s t e m.K e yw o r d s c h a n n e l s t a t e i n f o r m a t i o n (C S I );p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a t i o (P A P R );c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s /c o l l i s i o na v o i d a n c e (C S MA /C A );t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s (T D MA );r o u t i n gpr o t o c o l W i F i -M e s h 无线自组网系统,既具有a dh o c 网络自组织㊁自愈㊁自管理和多跳中继的特性,又具有W i F i 网络带宽高㊁接入简单㊁容易实现等特点,在飞行器组网㊁车联网㊁智慧城市构建㊁抢险救灾应急通信㊁战场战术分队组网等方面有着广阔的应用空间㊂目前,国内外已经研发了一些实用的W i F i -M e s h 产品(如美国s t r i x 公司系列产品),装备学院自主研发的 无线M e s h 自组网系统”已经在多个野战部队㊁试验基地,以及多次通信保障任务中使用,取得了良好的应用效果㊂随着信息技术的不断发展,以及无线自组网用户数和大容量高速业务的持续增加,人们对W i F i-M e s h自组网提出了更高的要求,如何使其具有更快的传输速度㊁更大的系统接入能力㊁更高的频谱效率以及更强的无线信道抗干扰能力,还需要进行大量㊁深入的研究㊂W i F i-M e s h无线自组网系统的关键技术主要包括遵循802.11标准的物理层(P h y s i c a lL a y-e r,P H Y)技术和媒体访问控制(M e d i a A c c e s s C o n t r o l,MA C)技术,以及网络路由技术等,本文将对上述三方面关键技术的研究现状及难点㊁改进方向和应用策略等进行分析和阐述,为W i F i-M e s h无线自组网系统的后续研究提供参考㊂1 物理层技术802.11的物理层技术经历了从单载波直接序列扩频(D i r e c tS e q u e n c e S p r e a d S p e c t r u m, D S S S)到正交频分复用(O r t h o g o n a lF r e q u e n c y D i v i s i o n M u l t i p l e x i n g,O F D M)㊁二进制相移键控(B i n a r y P h a s eS h i f tK e y i n g,B P S K)到高阶正交幅度调制(Q u a d r a t u r e A m p l i t u d e M o d u l a t i o n, Q AM)㊁单天线到多输入输出(M u l t i p l eI n p u t M u l t i p l eO u t p u t,M I MO)天线的发展过程,相比较调制效率已接近理论极限的调制技术,M I MO 多天线技术和O F D M技术还有很大的发展空间㊂1.1 M I M O多天线的C S I获取技术M I MO多天线技术是在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下,通过增加收发天线数提高系统容量的下一代移动通信核心技术㊂由于能有效提高系统的频谱利用率和功率效率, 802.11n和802.11a c标准相继完整引入了单用户M I MO通信技术和多用户M I MO(M u l t i-u s e r M I MO,MU-M I MO)通信技术㊂自M I MO提出以来,C S I的有效获取问题一直是M I MO研究的焦点和难点,也是制约M I MO使用性能的重要因素㊂802.11n和I E E E 802.11a c标准使用 基于接收端有限反馈”的方法获取信道状态信息,该方法与文献[1-3]相似,都是基于信号处理直接获取C S I信息的思路,其精度和准确度受输入参数和环境影响明显㊂在现有机制下,发送节点(如M e s h节点或M e s h接入点)并不能获知各用户信道是否有波动,即无法精确快速获取C S I信息,从而无法通过发送端的预编码来减小或者消除用户间的干扰,难以满足现实需要;文献[4]给出了另一种解决思路,通过利用信干比反馈和功率最优分配策略,间接获取C S I信息,也达到了提升系统性能的目的㊂尽管该算法仅考虑了传统无线局域网接入点(多天线)与客户端(单天线)的通信过程,但其思想完全可用于多天线M e s h节点间的通信㊂1.2 O F D M的抗P A P R技术O F D M是一种多载波调制技术,该技术利用快速傅里叶反变换(I n v e r s eF a s tF o u r i e rT r a n s-f o r m,I F F T)将一个宽的带宽分割成多个紧密相邻(甚至部分重合)㊁相互正交的子载波,有效提升了频谱利用效率;利用串并变换将高速的信息流变换成多路低速的数据流,有效提高了抗频率选择性衰落的能力㊂基于O F D M在频率利用率和抗干扰能力上的优势,802.11a/g/n/a c/a d等系列标准将O F D M作为必选的另一物理层关键技术㊂在802.11系统中,O F D M子载波的频率间隔设定为312.5k H z,子载波数根据带宽的不同从52个(802.11a/g)到484个(802.11a c)不等,其中数据子载波最高达468个,O F D M与M I MO 的结合,大幅度提升了数据传输速率㊂但是, O F D M普遍存在P A P R高的问题,较高的P A P R 容易引起器件的非线性失真,降低功放效率,从而造成频谱 外泄”和子载波间的干扰,造成O F D M 系统的误码性能下降,缩短电池的工作时间㊂降低P A P R的技术主要包括信号畸变类技术㊁概率类技术和混合类技术㊂1)信号畸变技术[5-6]㊂典型的有,文献[7]提出的 限幅+扩幅”组合方法,该方法通过设置适当的波峰和波谷阈值来改善P A P R性能,这类方法具有实现过程简单㊁降低P A P R效果明显的特点,但会产生带内畸变和带外扩展;文献[8]设计了一种联合抑制P A P R算法,该算法通过对信号进行编码来降低P A P R,不会产生限幅噪声,但计算复杂度非常高,编解码比较复杂,而且信息速率降低很快,只适用于子载波数比较少的情况㊂2)概率类技术㊂典型的有,利用A l a m o u t i 空频分组码(S p a c e-f r e q u e n c y B l o c k C o d e s, S F B C)固有的冗余性而提出的不需传输边信息的选择映射法(S e l e c t i v eM a p p i n g,S L M)方法[9],利用交织㊁时域备选技术的 半盲S L M方法”[10],多级寻优的改进部分传输序列法(P a r t i a lT r a n s m i t S e q u e n c e,P T S)方法[11],以及能够大幅度减少I F F T次数的 基于时域子块信号部分循环移位的部分传输序列算法”(M o d i f i e dP a r t i a lT r a n s-m i t S e q u e n c e,M P T S)[12]等方法,其思路是通过69装 备 学 院 学 报 2016年破坏子载波相位之间的相关性来降低高O F D M 信号幅值出现的概率,具有较好的降P A P R性能,改进算法相对于经典算法的计算量有所减少,但实现复杂度仍然较大㊂3)混合类技术是上述方法的联合,包括信号畸变类和概率类的联合㊁限幅类和编码类的联合,以及概率类与编码类的联合等[13],目前相关成果不多㊂2 M A C层技术802.11的MA C层基于C S MA/C A机制实现,这种机制在高负荷的网络中会产生大量的节点碰撞,导致不公平㊁不可预测和不稳定[14]问题,很多文献从改进C S MA/C A性能的角度进行了研究;但该协议不能从根本上解决冲突问题,而将T D MA机制引入802.11协议,可以达到保证信息数据的无冲突传输,并使系统适于室外长距离㊁多跳传输的目的㊂2.1 C S M A/C A机制的公平性改善技术1)竞争窗口调节法[15]㊂这种方法通过每次成功传输后禁止竞争窗口复位到最小值来提高吞吐量,但没有考虑短期的公平性,使某些节点由于经历连续的碰撞而被迫处于长时间的退避阶段,造成传输速率更低㊂2)竞争参数调整法[16]㊂这种方法通过估计竞争者(用户)的数量并调整竞争参数来提高吞吐量并兼顾公平性,但复杂度大幅提高,而且当出现信道错误时,会使估计结果的准确性大大降低㊂3)确定性退避法㊂这类方法通过将随机退避机制改为确定性退避来实现近似无碰撞传输,从而提高系统的吞吐量,文献[17-18]提出了一种具有碰撞避免增强功能的确定性退避方法(C S-MA/E C A);文献[19]在此基础上考虑了公平性问题,也考虑了多跳特性,但存在系统用户数不能超过确定性退避值的限制;文献[20]提出了迟滞确定性退避的方法,通过修改C S MA/E C A实现了系统容纳用户数的增加,结合公平分享(f a i r-s h a r e)策略,进一步保证了长期的公平性㊂目前,有些方法已经进行了软硬件实现,下一步有望被802.11标准协议接纳㊂但需要注意的是,上述方法主要考虑了C S MA/C A的退避机制和公平性问题,并没有突破C S MA/C A本身的限制,无法从根本上解决数据碰撞的问题,在大容量用户情况下提升吞吐量的能力有限㊂2.2 基于802.11的T D M A改进技术M o r a e s等[21]率先证明了T D MA用于802.11系统的可行性,R O S A L N e t[22]㊁公路链状网[23]㊁点对点长距离系统[24]等应用进一步证明,相比较C S MA/C A机制,基于T D MA的W i F i-M e s h无线自组网系统具有更好的延时㊁抖动和健壮性,传输距离更远,对移动性支持更好㊂T D-MA的实现难点是同步精度难以保证,D j u k i c 等[25]提出了基于软件的T D MA MA C协议(S o f t-T D MA C),该协议通过锁相环实现了节点的两两同步,然后通过建立基于最小跳数的全网同步树,实现了全网的紧同步,降低了全网的同步错误,提高了同步精度和分配效率,但可靠性不高;文献[26]讨论了L i T-MA C的原理和具体实现问题,该方法能够提高时间同步的可靠性,并兼顾了多信道㊁长距离传输等问题,但需要统一的集中管理器进行时间调度,抗干扰性不足㊂上述改进思路主要是对802.11协议进行修改以支持高同步精度T D MA,但仍存在互相无法兼容㊁系统灵活性低等问题,如果基于软件定义网络(S o f t-w a r e-D e f i n e dN e t w o r k i n g,S D N)思想,在不改变原有架构的基础上叠加一个统一的控制层来实现T D MA,再利用精准时间协议(P r e c i s eT i m eP r o-t o c o l,P T P)和一些新技术实现微秒量级的定时精度,将大幅提高系统的通用性,促进多网融合㊂2.3 C S M A/T D M A结合技术将C S MA和T D MA结合使用是另一种研究思路,这种方法是对实现复杂度和性能的折中考虑,比较适合节点数量不多的多跳网络㊂S a y a d i 等[27]提出了基于T D MA的单触发时隙预留(O n es h o tS l o tT D MA-b a s e d R e s e r v a t i o n,O S-T R)方案,该方案将时间帧分为2种子帧,一种是遵循C S MA/C A信道接入方案的C O N T R O L子帧,主要完成控制命令等数据量较少的短报文传输;另一种是按照固定调度的方式进行接入的D A T A子帧,主要完成业务数据的传输㊂这种方案既利用T D MA实现了固定时隙分配,又利用C S MA实现了全网节点时隙的动态按需分配,增加了系统带宽,比较适合多跳传输的应用场景,但该算法并没有考虑业务的服务质量(Q u a l i t y o f S e r v i c e,Q o S)问题㊂文献[28]也利用确定性退避的方法结合T D MA固定时隙调度思想提出了一种不间断无冲突MA C自适应算法,在无需考虑流量类型和终端数量的情况下能保证无碰撞的数据传输㊂79第2期 刘作学,等:W i F i-M e s h无线自组网系统关键技术综述3 网络路由技术网络路由技术是实现W i F i-M e s h无线自组网系统多跳㊁自组织特性的决定性技术,目前的路由协议主要有基于网络层设计的三层路由协议和基于链路层设计的二层路由协议2类㊂相比较三层路由协议,二层路由协议不需要在用户空间和内核空间频繁地进行数据读取㊁写入和交换,可极大地降低数据包处理开销,并实现对网络层的透明性,大大提高了协议的可扩展性[29]㊂其中最有代表性的二层路由协议是混合无线M e s h协议(H y b r i d W i r e l e s sM e s hP r o t o c o l,HWM P)[30]和最佳移动网络路由协议(B e t t e r A p p r o a c h T o M o b i l e A d-h o c N e t w o r k i n g A d v a n c e d,B A T-MA N-a d v)[31]路由协议㊂3.1 HWM P路由协议及其改进技术HWM P协议是802.11s工作组专门为W i F i-M e s h网络开发制定的综合路由协议,该协议结合了反应式路由协议和基于树状拓扑的先验式路由协议的优点,能较好地适应无线M e s h网络㊂当前的改进思路主要是通过增加不同的路由判据来实现性能的优化:基于预留的HWM P (R e s e r v a t i o n-b a s e d HWM P,R-HWM P)协议[32]通过在路由请求和转发包中引入R S p e c和T S p e c 字段,提高了端到端的服务质量(Q o S);HWM P-E T X路由协议[33]㊁Q-HWM P[34]和HWM P+协议[35]分别通过引入期望传输数量(E x p e c t e d T r a n s m i s s i o n c o u n t,E T X)㊁时延特性㊁链路质量和吞吐量等路由判据,降低了时延和丢包率;E l-t a h i r等[36]将链路消亡时间(L i n k E x p i r a t i o n T i m e,L E T)引入路由判据,利用L E T决定链路的稳定性,提高了移动性适应能力㊂此外,能量有效的HWM P(e n e r g y-e f f i c i e n t HWM P, e HWM P)协议[37]通过将节点剩余能量作为路由判据,提高了能量有效性㊂上述改进协议能够在一定程度上提高Q o S㊁时延㊁吞吐量㊁能量有效性等性能,但与传统的协议一样,它们都缺乏有效的拥塞控制策略,也没有充分考虑负载均衡的问题,当网络中有大量数据需传输时,将产生网络根节点流量过载的情况㊂3.2 B A T M A N-a d v路由协议及其改进技术B A T MA N-a d v协议是一种新的引入了综合人工智能(c o l l e c t i v e i n t e l l i g e n c e)思想的路由协议㊂基本思路是通过整个网络的所有节点共同维护网络拓扑信息,来达到更好地对抗由于网络波动而引起的边界效应并补偿不稳定性的目的,非常适用于传输质量不稳定的W i F i-M e s h网络[38]㊂国外很多学者对这种路由算法的实用性进行了测试[39-41],并与一些开源的路由协议进行了对比分析,证明该算法在丢包率㊁延迟㊁网络的吞吐量等方面具有很好的表现,与HWM P相比,具有更优的稳定性[42-43]㊂但这种路由协议还存在网络拓扑变化后,收敛速度慢的问题[44-45],可以从以下几个方面进行改进:1)探测包(O r i g i n a t o rM e s s a g e,O GM)发送间隔优化㊂协议默认设置的O GM发送间隔是1s,缩小发送间隔能够加快路径发现的时间,但是会降低2个终端的带宽㊂研究发现,当O GM 发送间隔设置为0.2s[46]时,能够取得收敛速度和带宽的平衡㊂2)滑动窗口机制优化㊂研究发现,当节点刚开始工作时,由于尚未收到任何本地邻居节点传来的O GM报文,本节点记录的最新序列号尚未完成赋值初始化工作,因此当收到O GM报文时,计算收到的O GM报文与节点记录的最新序列号的差值将产生超出窗口范围的错误,从而引发滑动窗口复位,进入保护周期,丢弃O GM报文,路由收敛速度降低㊂文献[47]在代码中增加了一个负责检查节点的本地邻居列表的开关,当本地邻居列表为空时,关闭窗口保护机制;当存在新的邻居时,再打开窗口保护,避免了源节点列表更新的延迟,提高了路由的收敛速度㊂3)链路传输质量(T r a n s m i tQ u a l i t y,T Q)计算方式优化㊂通过改进本地T Q㊁传输T Q和全局T Q的计算方法[48-49],可实现对路径变化的快速感知,从而达到快速切换㊁提升路由收敛速度的目的㊂此外,改进信号强度㊁改进消息处理机制也可以对路由收敛速度进行优化㊂4 W i F i-M e s h系统关键技术展望W i F i-M e s h系统性能的提升需要从物理层技术㊁MA C层技术和网络路由技术等多方面进行优化和改进㊂由上述分析可以看出:1)M I MO和O F D M技术将得到更快发展㊂除了解决C S I的有效获取问题,为了进一步提升M I MO性能,在有效解决因收发天线数量增加所带来的收发机波束矩阵计算复杂度问题,以及因天线数量和移动用户终端节点增加所带来的能量消耗问题的前提下[50-51],综合考虑更多天线带来89装 备 学 院 学 报 2016年的体积㊁重量增加问题,将贝尔实验室科学家M a-r z e t t a提出的大规模M I MO(M a s s i v e-M I MO)[52]技术引入系统具有很大的可行性㊂解决O F D M 的P A P R问题需要考虑应用环境特点:针对能量有效性要求高而数据带宽要求相对低的军事战术通信场合,利用信号畸变技术降低P A P R具有较大的可行性和合理性;随着处理器运算能力的大幅度提升,运用联合类算法将是降低P A P R㊁保证系统性能的可靠手段㊂2)C S MA和T D MA各有优势㊂在负载较小㊁传输距离较近㊁实时性要求不高的情况下,可通过优化C S MA满足W i F i-M e s h无线自组网系统的使用需求,并保证系统的通用性和可扩展性;在负载较多㊁传输距离较远㊁实时性要求高的场合,引入T D MA的性能优势更加明显,但要考虑实现的复杂度和同步精度问题;对于节点数不多的多跳网络,C S MA/T D MA的组合方式在一定程度上能够取得实现复杂度和系统性能的平衡㊂3)二层路由协议是未来系统应用的首选㊂从目前情况看,尽管HWM P是802.11s的标准路由协议,人们对其进行了广泛的研究,但其实际使用性能较弱㊁稳定性不高,距离实际部署及应用差距较大;而对于目前已发布2015.1r e l e a s e版的开源B A T MA N-a d v协议,得益于其轻量化㊁跨平台的设计思想和基于统计方法的路由查找策略,在对收敛速度进行根本性优化的前提下,其发展空间更加广阔,是非常值得关注的一种实用路由协议㊂5 结束语随着信息科技的不断进步,包括蜂窝通信系统㊁宽带无线接入系统在内的多种无线网络发展迅猛,上述关键技术性能的提高,将使基于802.11的W i F i-M e s h无线自组网系统继续得以长足发展㊂未来,通过引入新技术,还将使W i F i-M e s h 无线自组网系统性能得到更大程度的提高㊂如,引入协作通信技术,通过为系统提供 用户合作分集”[53]实现无线资源(信道容量优化和频谱共享)的高效管理;引入认知无线电技术,通过使系统快速识别和调整可用频率而大幅度提升频谱利用效率;引入内容缓存技术[54-55],通过动态缓存重要数据有效降低因链路异常中断,而导致消息丢失的概率;引入延时容忍网络(D e l a y T o l e r a n tN e t-w o r k,D T N)技术[56],通过某种存储感知路由协议对端到端的链路变化进行预估,也可实现波动链路状态下信息传输的鲁棒性㊂需要说明的是,安全性技术也是W i F i-M e s h 无线自组网系统的关键技术之一,限于篇幅和研究方向,本文对此并未涉及㊂参考文献 (R e f e r e n c e s)[1]S AMA R D Z I J A D,MA N D A Y AM N.P i l o ta s s i s t e de s t i m a-t i o no fM I MOf a d i n g c h a n n e l r e s p o n s ea n da c h i e v a b l ed a t a r a t e s[J].I E E E T r a n s a c t i o n so nS i g n a lP r o c e s s i n g,2003,51 (11):2882-2890.[2]MA R Z E T T A TL.B l a s t t r a i n i n g:e s t i m a t i n g c h a n n e l c h a r a c-t e r i s t i c s f o r h i g h-c a p a c i t y s p a c e-t i m ew i r e l e s s[C]//37t hA n-n u a l A l l e r t o n C o n f e r e n c eo n C o mm u n i 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e1e s sL A N m e d i-u ma c c e s s c o n t r o l(MA C)a n d p h y s i c a l1a y e r(P H Y)s p e c i-f i c a t i o n s a m e n d m e n t:M e s hn e t w o r k s[Z].N e w Y o r k:T h ei n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l a n dE l e c t r o n i c s E n g i n e e r s,I n c.,2008.[31]N E UMA N N A,A I C H E L E C,L I N D N E R M,e ta l.B e t t e ra p p r o a c h t om ob i l eA d-h oc n e t w o r k i n g[E B/O L].[2013-10-01].h t t p://d a t a t r a c k e r.i e t f.o r g/d o c/d r a f t w u n d e r l i c h-o p e n M e s h-m a n e t-r o u t i n g/.[32]K I M BC,C H O IH S,M I NS H,e t a l.R-HWM P:r e s e r v a-t i o n-b a s e d HWM Ps u p p o r t i n g e n d-t o-e n d Q o Si n w i r e l e s s M e s hN e t w o r k s[C]//2013I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo n I n-f o r m a t i o n N e t w o r k i n g(I C O I N).B a ng k o k:I E E E,2013:385-390.[33]N A R A G U N DJG,B A N A K A R R M.A n a l y s i so fHWM P-E T Xr o u t i n g i n w i r e l e s s M e s hn e t w o r k sa d v a n 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