无线自组织网络的结构研究＊

但学峰 胡 剑

（武汉船舶通信研究所 武汉 430079）

1 引言

无线Ad Hoc网络是一种由若干无线通信设备组合形成的一种分布式无线分组网络。网络中的节点既是终端，又是路由器，不在彼此覆盖范围内的无线节点之间的通信可经中间节点的转发来完成。

无线Ad Hoc网络具有组网灵活、分布实施、抗毁能力强、可快速组网等特点，可作为野战通信、公安、紧急搜救、会议会场、信息家电等的通信网络，也可作为已有无线、有线网络的多跳扩展，拓宽它们的覆盖范围。无线Ad Hoc网络具有广阔的应用前景，已成为国内外的一个研究热点。

军事应用是Ad Hoc网络技术的主要应用领域。对Ad Hoc网络技术的研究已成为各军事强国军事通信技术研究中的一大热点。根据我军现状，大力开展海军新型装备的研制及配套科研工作显得尤其紧迫。海上舰艇编队是我海军的重要作战单元，具有高度机动性的特点。海上编队作战群内部、作战群与作战群之间的通信畅通保障十分重要。保障我海军舰艇编队在复杂电磁环境下履行新时期作战使命、保障信息化条件下编队作战、应对复杂电磁环境挑战、实施海军通信发展规划，均对海军作战通信网络和信息基础设施提出了更高要求。舰艇编队要实现从以平台为中心的作战向以网络为中心的作战转型，构建高效、顽存、网络化海上战术无线通信系统，为编队内各作战单元间战术信息的传输与交换提供公共平台。结合海上编队通信的自身特点以及未来信息战对通信系统越来越高的要求，为了实现海军作战能力的跨越式发展，我们必须建设符合我海军作战需求的海上编队无线移动自组网。

2 网络的体系结构

网络的体系结构［1～3］指的是网络的各层及其节点的集合，是网络及其各部件所完成功能的具体定义。由于Ad Hoc网络的独特性，传统网络的体系结构已无法适应Ad Hoc网络的需要，需要为其设计新的体系结构以满足其网络的特性和特殊的应用环境。

Ad Hoc网络的拓扑结构一般可分为平面式结构和分级式结构［4～5］两种。

平面结构的Ad Hoc网络如图1所示。所有的节点功能相同，在网络控制、路由选择和流量管理上是平等的，所以又可以称为对等式结构，这种结构原则上不存在瓶颈，网络比较健壮。源节点和目的节点之间一般有多条路径，可以较好地实现负载平衡和选择最优化的路由。此外，平面结构中节点的覆盖范围较小，相对比较安全。对于中小型网络，平面式结构易于管理和维护，比较容易实现。但是，在网节点数很多，特别是在节点大量移动情况下，平面结构网络具有控制开销大、路由经常中断等缺点。其可扩张性较差，每一个节点都需要知道到达其它所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在节点数目很多，特别是在节点大量移动的情况下，平面结构网络很难实施有效的网络管理和控制。当平面结构网络的规模增大到某个程度时，所有的带宽都可能会被路由协议消耗掉。因此，平面结构只适用于中小规模的Ad Hoc网络。

图1 平面式结构

在分级结构中，网络被划分成一到多个簇（Cluster）。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，这些簇头形成高一级的网络。在分级结构中，簇头节点负责簇间业务的转发。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点的支持。簇头和网关节点形成高一级的网络，成为虚拟骨干网络。在分簇结构中，网关是指位于两个簇头通信范围内的节点。簇成员的功能比较简单，不需要护复杂的路由信息，可减少网络中控制信息的数量。由于簇的数量不受限制，因此网络具有很好的扩展性。另外，簇中的簇头可以随时选举产生，因此这种结构也具有强的抗毁性。但是，分簇式结构存在着如下的缺点：需要专门的簇头选择算法和簇护机制；簇头节点的任务相对比较重，可能会成为网络的瓶颈；在簇间不一定能是最佳路由。

根据不同的硬件配置，分级结构的网络又可以被分为单频率分级和多频率分级两种。信道的区分可采用各种多址技术，如FDMA、TDMA、CDMA等。

图2 单频分级结构

单频分级网络如图2所示，其中所有节点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关节点（同时属于两个簇的节点）的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，成为虚拟骨干网。

图3 多频分级结构

多频分级网络如图3所示，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级节点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在图3所示的两级网络中，簇头节点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信，而频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个节点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。

Ad Hoc网络作为一种特殊的多跳移动网络，有着广泛的应用。在一般应用中，Ad Hoc可以采用平面结构或分级结构，但在网络规模较大并需要提供一定的QoS支持时，通常需要采用分级结构。在Ad Hoc网络中，分级结构需要通过分簇的方法来构造，即通过将网络节点划分成若干簇以构成分簇结构。

分簇结构的优势主要体现在：

1）有效地利用多信道，可以减少共享相同信道的节点数目，从而降碰撞概率，大幅度提高了系统容量，优化了网络带宽的应用，提高了共享信道的利用率［6，9］。

2）对于多媒体服务提供有效的 QoS服务［8～9，11］。

3）支持大规模的无线网络，具有很好的可扩充性，网络规模不受限制，可以简单地通过增加簇的个数和网络的级数来增加网络的规模［10，12］。

4）分级结构使路由信息局部化，减少了路由协议的开销和控制开销［7，11］，提高了系统的吞吐量，并且容易实现网络的局部同步［7，9］。

5）分级结构中节点的定位要比平面结构简单。在平面结构中，想知道一个节点的位置，需要在全网中执行查询操作。而在分级结构中，簇头知道所属簇成员位置，只需查询相应的簇头就可以获得节点的位置信息。

6）分级结构结合了无中心和有中心模式，可以采用两种模式的技术优势。每个簇都有控制中心，基于有中心的TDMA、CDMA和轮询等接入技术都可以在分级的网络中使用，并且基于有中心控制的路由、功率控制、移动性管理和网络管理等机制也可以移植到AdHoc网络中。

但也有缺点：首先，维护可靠的能够适应拓扑变化的分级结构需要某种分簇算法；其次，节点之间的路由不一定是最优路由。此外，簇首的任务相对较重，不仅要维护到达其他簇首的路由，还要负责管理和协调簇内的节点，有可能成为网络的瓶颈。

总之，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模增大时，应采用分级结构。

3 仿真分析

根据以上分析，对平面结构和分级结构进行对比仿真。比较在不同网络规模下，两种网络结构对时延，网络控制开销的影响。所谓网络控制开销，是指在仿真过程中，在发送的包的比特数中，控制包的比特数所占的比例，即控制包的比特数／总的包的比特数。仿真软件采用Qualnet4.5。

仿真实验场景的设置：

场景大小：200km×200km；节点数目：10～100个；信道模型：理想无衰落信道；物理层模型：abstract；传输速率：256kbps；MAC协议：MACA；路由协议：AODV。

3.1 网络控制开销比较

分别针对这两种网络结构，每增加5个节点进行10次仿真，将这10次的仿真结果作平均。具体结果如下。

图4 开销比较仿真结果

从上图可以看出：当节点数目比较少，网络规模小的情况下，平面结构的网络控制开销要略小于分级结构，但是差别不大；当节点数目增加，网络规模扩大时，平面结构的控制开销增长速度要明显高于分级结构的增长速度，平面结构的网络控制开销大于分级结构的控制开销；当节点数目达到85个以上时，平面结构的控制开销迅速增加，开销大于80%以上，表明80%以上的带宽被用于传输控制信息了，最后网络开销甚至于增加到100%，表明这时的所有带宽都被用来传输控制信息了，而有用的数据没有被传送，目的节点收到的数据包为0；而此时的分级结构的控制开销仍然维持在60%左右，几乎有一半的带宽在传输数据，表明分级结构的效率在此时明显要高于平面结构的效率。

综上所述，当节点数较少时，适宜采用平面结构的网络；当节点数较多时，适宜采用分级结构的网络。

3.2 时延比较

利用以上的场景，分别针对这两种网络结构，每增加5个节点进行10次仿真，将这10次的仿真结果作平均。具体结果如下。

图5 时延比较仿真结果

从上图可以看出：当节点数目比较少，网络规模小的情况下，平面结构的时延与分级结构相当；当节点数目增加，网络规模扩大时，平面结构的时延增长速度要明显高于分级结构的增长速度，平面结构的时延大于分级结构的时延；当节点数目达到40个以上时，平面结构的时延迅速增加到1s，此处的1s代表有数据包丢失，时延足够大，而此时分级结构网络的时延仅为0.2s。

综上所述，当节点数较少时，平面结构的时延与分级结构相当；当节点数较多时，适宜采用分级结构的网络。

4 结语

未来的信息化战争，战场空间将是多维一体，陆、海、空、天、电、网等各个战场空间的联系十分紧密。一体化的信息系统是实现一体化联合作战的基础。因此，构建一体化的通信系统对于我军的信息化建设至关重要。结合未来信息战对通信系统越来越高的要求，实现海军作战能力的跨越式发展，必须建设符合我海军作战需求的海上编队无线移动自组网。

随着科技的发展，未来的战争将转向网络中心战，目前的网络作战系统将越来越难以适应未来战争的需要。随着未来作战单元的迅速增加，平面化的网络结构体系根本满足不了战争的要求，未来将趋向于分级结构的网络中心战。

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