劉玉濤，張春暉

(通信網信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

移動自組織網，一般稱為MANET(Mobile Ad hoc Network)[1]。由文獻[2-4]的論述可知，MANET是由一組帶有無線收發(fā)信裝置的移動節(jié)點組成的一個無線移動通信網絡，它不依賴于預設的基礎設施而臨時組建，網絡中移動的節(jié)點利用自身的無線收發(fā)設備交換信息，當相互之間不在彼此的通信范圍內時，可以借助其他中間節(jié)點中繼來實現多跳通信。MANET網絡與傳統(tǒng)的無線通信網絡相比，具有以下特點：① 網絡的自組織與自恢復特性；② 網絡拓撲結構的動態(tài)變化[5]；③ 靈活多跳的通信方式；④ 網絡的分布式管理與控制；⑤ 短暫的網絡生存時間[6]。MANET網絡由于上述特點，特別適合應用在戰(zhàn)術分隊分組通信、反恐處突、搶險救災和大型集會等臨時性或突發(fā)性等場合中[7-8]。

在基于簇結構的MANET網絡中，分簇組網協(xié)議及簇間通信是大規(guī)?？煽拷M網的前提，是一個重要的研究方向。簡單高效的分簇算法可以減少MANET網絡的路由和計算開銷，提高簇間通信效率。現有分簇組網方案的設計一般是基于圖論中連通支配集相關理論進行簇頭和跨簇節(jié)點的選擇，文獻[9-13]介紹了常用的典型算法包括最大連通度算法、最小ID算法等。本文采用了一種有利于提高跨測通信效率的最大連接度算法，可以有效地保障網絡跨簇通信的穩(wěn)定。在分簇組網進行跨簇處理時，本文設計了一種多信道跨簇處理方式，與單信道跨簇相比，該方式便于實現網絡的分層管理與控制，可以實現上層節(jié)點同時接入多個下層網絡。

1 移動自組織網絡系統(tǒng)模型

MANET網絡中的移動節(jié)點除了需要完成傳統(tǒng)無線網絡中的業(yè)務收發(fā)功能外，還具備信息轉發(fā)功能[14]。MANET網絡中節(jié)點間是完全對等的，網絡的正常工作并不依賴于任何特殊節(jié)點，當一個或多個節(jié)點離開或加入網絡時可以實現網絡的動態(tài)調整，如圖1所示[15]。

圖1 MANET網絡示意

根據MANET網絡的組成特點，可以分為平面化與層級化2種網絡結構[16]。基于平面化結構的MANET網絡建立、網絡管理和結構維護等簡單且易于實現；但當網絡規(guī)模變大時，受制于節(jié)點對等性限制，網絡計算、管理和維護開銷將指數級增長，考慮到節(jié)點的移動性引起的控制信息的傳輸需求，會顯著降低網絡的有效帶寬[17]。

為解決MANET平面化結構引起的網絡規(guī)模限制問題，參考計算機網絡中子網劃分的思想，研究人員提出了MANET網絡的層級化結構[18]。在這種架構下，可以將MANET網絡劃分成多個規(guī)?？煽氐淖泳W，子網之間是松耦合關系，能夠實現相對獨立的管理與控制，在降低網絡管理與維護開銷的同時有效解決了平面化網絡擴展性差的問題，極大地擴展了MANET網絡的應用場景。文獻[19-22]的研究表明，在MANET網絡分層技術中，分簇作為一種簡便易行的層級化組網方法，可以有效地提高網絡的性能和效率。

2 分簇組網協(xié)議

在基于簇的MANET網絡層級化結構中，地理上相近的多個節(jié)點按照一定的邏輯規(guī)則構成不同的簇，并通過網關節(jié)點(亦稱跨簇節(jié)點)連接不同的簇，進而實現全網的連通。一般而言，每一個簇形成一個子網，通常由簇頭、普通節(jié)點與網關節(jié)點組成，其中簇頭亦可以用作網關節(jié)點，具體與分簇算法有關。

簇頭是每個簇的管理者，一般用作網絡的管理與調度。簇頭可以通過分布式算法由預先設定的標準產生，也可以根據預設的優(yōu)先級自動產生，自動產生時面臨網絡融合問題。簇內的普通節(jié)點可能同時處于多個簇頭的覆蓋范圍內，但某一時刻最多只能屬于一個簇，與一個簇頭建立從屬關系。網關節(jié)點在不同時刻可以隸屬于不同的簇，這樣一來，即可以實現相鄰簇之間的通信，進而達到擴展網絡規(guī)模的目的。

2.1 簇內組網協(xié)議

MANET簇內組網協(xié)議主要解決2個方面的問題：① 如何實現節(jié)點間同步、網絡建立、節(jié)點入網和退網；② 如何實現網絡資源的管理和控制[21]?；诟偁幍慕M網協(xié)議隨著網絡規(guī)模的增加碰撞概率會急劇增高，因此，在規(guī)模較大的網絡中一般采用基于分配的組網協(xié)議[23]。

分布式TDMA協(xié)議是一種常用的基于分配的組網協(xié)議，將時間劃分成互不重疊的幀，然后將幀劃分為互不重疊的時隙，將不同時隙與不同的節(jié)點ID相對應。每個節(jié)點在每個幀周期內均會占有一個TDMA信令時隙，且每個信令時隙均在數據間隔內對應一個可用的數據發(fā)送時隙。節(jié)點將通過時隙中的信令部分去競爭自己的發(fā)送時隙，通過信令時隙申請完成數據的發(fā)送。當新節(jié)點入網時，其會在本節(jié)點選擇的時隙發(fā)送信令，并在其他時隙進行監(jiān)聽，等待其他節(jié)點對自己的確認ACK信息。

Beacon協(xié)議是一種基于分配的組網協(xié)議，采用信標(Beacon)幀的信道訪問機制，主節(jié)點周期性地發(fā)送信標幀，網絡中的其他節(jié)點必須遵循主節(jié)點分配的時隙進行信道訪問。網絡中包含3種信標：主信標、代理信標和發(fā)現信標。主信標由主節(jié)點生成，主信標中包含當前網絡的基準時間和時隙分配結果，時隙分配結果決定了網絡中節(jié)點訪問信道的方式和時隙；代理信標由代理站點發(fā)送，代理信標中包含主信標的全部時隙分配結構，且攜帶代理節(jié)點的基本屬性；發(fā)現信標用于發(fā)現周圍可能的隱藏節(jié)點，發(fā)現信標中包含用于隱藏節(jié)點加入網絡的競爭時隙安排，當未入網節(jié)點接收到發(fā)現信標后，可以根據發(fā)現信標中的時隙安排發(fā)起加入網絡的請求。

建立危險、劇毒、有害、放射性、可傳染性物品的全程監(jiān)控體系，不斷列出和修訂上述物品清單，通過統(tǒng)一或申報購置，財務報銷警示，使用者提供購置、使用、銷毀方案等方式對其實行自購置到銷毀的一條龍?zhí)幹梅桨?，經校院兩級審批，嚴格把好使用和監(jiān)控關。

2.2 簇間通信與分簇算法

分簇和簇間通信需求使得網絡中的資源管理或通信過多地集中到簇頭和網關節(jié)點，不利于事項負載均衡，也不利于平衡節(jié)點間的能耗。因此，分簇組網與分簇算法需要重點解決如何減少分簇及跨簇通信中控制信息的開銷、如何實現網絡拓撲變化時簇內與簇間通信的延續(xù)性以及如何實現網絡負載的有效均衡等問題。常用的分簇算法有隨機算法、最大連接度優(yōu)先算法、最小標識符優(yōu)先算法以及鏈路穩(wěn)定性優(yōu)先算法等。

2.2.1 隨機算法

隨機算法依據發(fā)現其他簇中節(jié)點的先后順序選擇網關節(jié)點，最先接收到其他簇中節(jié)點的信息且經過簇頭確定后即可以成為該簇的網關節(jié)點。網關節(jié)點失效后，剩余節(jié)點仍舊按照該原則選擇新的網關節(jié)點。隨機算法復雜度低，但不利于降低簇間通信時延，傳輸效率不高。

2.2.2 最大連接度優(yōu)先算法

最大連接度優(yōu)先算法根據節(jié)點通過一跳連接的其他簇中節(jié)點的個數選擇網關節(jié)點，顧名思義，跨簇一跳鄰居數最多的節(jié)點將被定義為網關節(jié)點。當多個節(jié)點的跨簇一跳鄰居數相同時，選擇簇內鄰居數較少的節(jié)點作為網關節(jié)點；當簇內鄰居數亦相同時，選擇ID最小的節(jié)點作為網關節(jié)點。最大連接度優(yōu)先算法簇間通信時延較短，但由于連接度隨著節(jié)點的移動而變化，會導致網關節(jié)點的頻繁切換。

2.2.3 最小ID優(yōu)先算法

最小ID優(yōu)先算法根據能夠連接到其他簇的節(jié)點的ID選擇網關節(jié)點，ID最小的被確定為該簇的網關節(jié)點。最小ID優(yōu)先算法收斂較快，但新節(jié)點尤其是ID較小節(jié)點的加入會導致網關的切換，同時，亦不利于降低簇間通信時延和提高簇間傳輸效率。

2.2.4 鏈路穩(wěn)定性優(yōu)先算法

(1)

式中，Pr與Pt分別表示接收功率和發(fā)射功率；Gr與Gt為收、發(fā)兩端的天線增益；d表示收發(fā)節(jié)點間的距離；L為系統(tǒng)損耗率。發(fā)端的平均信號強度大的節(jié)點被定義為網關節(jié)點。鏈路穩(wěn)定性優(yōu)先算法在節(jié)點移動的情況下仍舊能最大限度地保障簇間通信的時延，但同樣難以避免節(jié)點移動引起的網關節(jié)點頻繁切換。

3 分簇組網中的跨簇處理

分簇組網中簇間通信通過網關節(jié)點連接，可以采用單信道方式或雙信道方式實現，區(qū)別在于簇間連接方式不同。單信道方式網關節(jié)點采用單模塊，業(yè)務跨簇時類似“半雙工”，跨簇節(jié)點分時工作在2個子網的頻率上；雙信道方式網關節(jié)點采用雙模塊(可稱之為“雙卡雙待”)，業(yè)務跨簇時類似“全雙工”，網關節(jié)點同時工作在2個子網的頻率上。

3.1 單信道跨簇

通過單信道方式連接多個簇時網關節(jié)點配置單模塊即可，但只能通過時分方式分別接入不同的網絡，網絡之間是“橫連”關系，不存在分層、分級概念，如圖2所示。

圖2 單信道方式跨簇通信結構示意

3.2 雙信道跨簇

通過雙信道方式連接多個簇時需要網關節(jié)點配置雙模塊，可以同時接入上、下兩層子網，實現網絡的分層管理與控制，如圖3所示。

圖3 雙信道方式跨簇通信結構示意

3.3 不同跨簇處理方法的對比與分析

單信道方式網關節(jié)點與普通節(jié)點采用同樣的配置，尺寸和功耗等便于控制。雙信道方式便于實現網絡分層，組成與實際層級關系一致的網絡，按照分層關系組網使用效率更高，如圖4所示。雙信道方式便于簇間串聯，易于擴展網絡規(guī)模和節(jié)點數，且簇間相對獨立、互不影響，網絡整體更穩(wěn)定。

圖4 雙信道方式網絡分層管理示意

4 分簇組網簇間通信的實現

下面簡要介紹雙信道跨簇時簇間通信數據傳輸的實現途徑，考慮準靜態(tài)應用場景網關節(jié)點選擇主要依據最大連接度優(yōu)先算法。

網絡應用視圖如圖5所示，3個不同的簇通過網關節(jié)點相連后形成一個分簇多級網。節(jié)點連接的業(yè)務終端(筆記本電腦等)需要將節(jié)點IP設置成默認網關，業(yè)務終端的IP地址需要和默認網關保持相同的網段。由圖5可知，節(jié)點2和節(jié)點4為簇間通信的網關節(jié)點，當PC1發(fā)送數據包到PC2時，PC1默認網關設置為192.168.1.11，PC2默認網關設置為192.168.2.10，具體流程如下：

① PC1發(fā)現PC2的IP地址不在同一個簇內，則將數據發(fā)送至默認網關，即節(jié)點1。鏈路A中數據包的目的MAC為節(jié)點1的MAC，目的IP為PC2的IP。

② 節(jié)點1網絡層收到數據包，判斷IP地址為簇外，查找轉發(fā)表，找到下一跳IP為192.168.1.14，進而查找IP-MAC表，替換源MAC和目的MAC，將數據發(fā)送至該節(jié)點，鏈路B中數據包的目的MAC為節(jié)點4的MAC。

③ 節(jié)點4收到數據，判斷其類型為簇間通信數據包，根據網絡號192.168.2.0，將其轉發(fā)至192.168.2.14。

④ 節(jié)點4中IP地址為192.168.2.14的模塊判斷IP地址為簇內數據包，填寫目的MAC為PC2的MAC，源MAC為本地MAC，并將數據包發(fā)送至MAC層。然后將數據按照簇內路由發(fā)送至節(jié)點5。

⑤ 節(jié)點5的MAC層直接將數據發(fā)送至以太網口。

圖5 雙信道方式簇間通信實現流程

5 結束語

MANET網絡通過分簇和簇間通信可以實現大規(guī)模組網。網關節(jié)點是實現簇間通信的關鍵節(jié)點，網關節(jié)點的選擇影響跨簇通信時延、傳輸效率及簇間通信的穩(wěn)定性與可靠性。不同的跨簇方式適應不同的應用場景，在準靜態(tài)效率優(yōu)先場景下，采用了最大連接度優(yōu)先算法選擇網關節(jié)點與雙信道跨簇方式。最后，本文以3個自組織網簇為例對分簇組網簇間通信流程進行了詳細的分析與介紹。分析可知，本文提出的分簇組網簇間通信采用了最大連接度優(yōu)先算法和雙信道跨簇方法，在充分考慮簇間通信時延的前提下便于工程實現，具有較高的應用價值。

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