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无线自组网设计思路
1
．无线自组网的协议栈描述
根据
Ad hoc
网络的特征，
参考
OSI
（
Ope
n System Interconnect
）
的经典七层协
议模型及
TCP/IP
的体系结构，一般将
Ad hoc
网络的协议栈划分为
5
层，即物理层、数据链路层、网
络层、传输层和应用层。各层的功能可描述如下：
1.1
物理层
物理层的功能包括信道的区分和选择、无线信号的检测和调制
/
解调等。由于多径传播
带来的多径衰落、
码间干扰，
以及无线传输的空间广播特性带来的节点间的相互干扰，
< br>使得
Ad
hoc
网络传输链路
的带宽容量很低。因此，物理层的设计目标是以相对低的能量消耗，
获得较大的链路容量
。为了实现这样的目标，需要采用先进的调制
/
解调、信道编码
、多天
线、自适应功率控制、干扰抵消以及速率控制等技术。
1.2
数据链路层
< br>MAC
子层控制着移动节点对于共享无线信道的访问，它包括两方面功能，一是信
道的
划分，即如何把频谱划分为不同的信道；二是信道分配，即如何把信道分配给不同的
节点。
信道划分的方法包括频分、时分、码分或这些方法的组合。在
Ad
hoc
网络中，为了克服无
线网络中的隐藏终端和暴露终端的问题，
通常采用的信道接入机制包括了随机竞争机制、
轮
询机制、动态调度机制等。
LLC
子层负责向网络提供统一的服务，
屏蔽
底层不同的
MAC
方法。
具体包括数据
流的
复用、数据帧的检测、分组的转发
/
确认、优先级排队、差错控制和流量控制等。
1.3
网络层
网络层需要完成邻居发现、
分组路由、
拥塞控制和网络互连的
功能。
邻居发现主要用于
收集网络拓扑信息。
< br>路由协议的作用是发现和维护去往目的节点的路由，
将网络层分组从源
节点发送到目的节点以实现节点之间的通信。
路由协议包括单播路由和多播
路由协议，
此外
还可以采用虚电路方式来支持实时分组的传输。
1.4
传输层
传输层向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子层（下三层的细节）相隔离，
并根据网络层的特性来高效的利用网络资源。目前
Ad
hoc
网络的传输层采用的协议主要是
对传统有线网络中传输层协议（
TCP
、
UDP
）的改进，以适应
Ad
hoc
网络独特的网络特性。
1.5
应用层
应用层协议提供面向用户的各种应用服务，
包括不同服务需求的实时应用、
自适应应用
以及数据包应用等。
1.6
可选功能
可选功能包括功率控制机制、分簇算法、信令协议、移动管理和位置定位、服务发现、
地址自动配置和安全策略等。
这些可选功能模块在协议栈中的具体位置取决于各功能模
块的
作用以及与上下层协议的关系。例如功率控制机制可以工作在物理层之上为链路层提
供服
务；
信令协议一般在网络层之上工作为传输层提供服务；<
/p>
而分簇算法可以工作在链路层之上
为网络层提供服务。
该协议栈是一个通用
Ad
hoc
网络协议栈，对于具体的应用场合，可对其进行简化，去
掉不必要的功能模块或添加新的模块，并根据系统和应用要求作进一步的细化。为了针对
Ad hoc
网络的特性作整体的优化，在
Ad
hoc
网络中还引入了跨曾设计的协议设计方法。
2
．无线自组网的关键技术
由于
Ad
hoc
网络的特殊性，传统网络中采用的各种协议和技术无法直接应用到该网络
中，需要为
其设计专门的协议和技术。如何实现
Ad
hoc
网络可靠、高容量的通信一直是研
究者追求的目标。目前对
< br>Ad
hoc
网络的研究主要集中在以下几个方面，并获
得了大量的研
究成果。
2.1
物理层自适应技术
如何充分的利用有限的带宽、能量资源，基于业务的特点和对
QoS
的要求，最大化网
络的吞吐量、
最小化能量的
消耗，
是链路自适应技术需要解决的问题。
目前解决的方法主要
是采用自适应编码、
自适应调制、帧长自适应、自适应功率控制
、
自适应资源分配等自适应
技术。
2.2
信道接入技术
信道接入技术是
Ad hoc
网络协议
的基础，
控制着节点如何接入无线信道，
对
Ad hoc
网
络的性能起决定作用。
Ad
hoc
网络的无线信道是一个多跳共享的多点信道。一个节点发
送
信息时，只有邻居节点可以收到。
Ad
hoc
网络具有独特的隐藏终端盒暴露终端问题，需要
设计
专门的信道接入协议来解决。
目前的接入方法有异步接入、
同步
接入和动态调度等机制。
异步接入采用随机竞争的方法，需要解决公平性和
QoS
问题。同步接入采用轮询机制，需
要解决网络
同步的问题。
动态调度可以按照业务需求有效地利用链路资源，
需要一个高效的
调度算法。
2.3
自组织路由协议
自组织路由协议是
Ad
hoc
网络的重要组成部分，要实现多跳路由，必须有路由协议的
支持。需要
针对
Ad
hoc
网络的特点，如网络
拓扑动态变化、信道带宽受限等，设计出高效
的路由协议。目前，
IETF
的
MANET
工作主要负责
Ad
hoc
网络路由协议的标准化工作。
2.4 QoS
保证
随着应用的拓展，需要在
Ad
hoc
网络中传输话音、图像等多媒体业务。这些业务对带
宽、时延、
时延抖动等都提出了很高的要求。需要为这些业务提供一定的
QoS
保证。在
Ad
hoc
网络中，服
务质量的保证是一个系统性问题，需要不同层提供相应的机制，针对不同的
需求给出不同
的策略。
2.5
跨层设计技术
近年来，在
Ad
hoc
网络中应用跨层设计的思想受到了越来越多的关注。利用跨层设计
方法，
可以使得网络各协议层之间通过交互参数，
统一规划调度；
或者对某些层次进行融合，
来提高网络的整体性能。在
< br>Ad
hoc
网络中应用跨层设计目前还处于完善阶段，
存在着网络
系统的整体跨层设计和优化复杂的网络的优化难以度量以及建模和仿真复杂等
问题。但是，
总的来说，在
Ad
hoc
网络中进行跨层设计师不可避免的发展趋势。
2.6
低功耗设计
< br>低功耗设计包括两方面的内容，
一是通过功率控制来调整节点的发送功率，
在传输范围
和干扰之间进行折衷；二是由于节点的能量有限，需要减少
节点的电池消耗。对于
Ad
hoc
网
络的军事应用和传感器网络而言，后者更为重要。
2.7
安全问题
Ad hoc
网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击
。因此，需要研究适用于
Ad
hoc
网络的安全体系结构和安全技术。目前，在实现保密性、完整性、服务有效性以及鉴权
和
认证等安全需求方面都面临极大的挑战。
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