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    组织是一群人聚在一起的话,那组织结构就是一群人如何在组织里的定位和组织管理的模式。就跟国家的治理一样,最高行政机构、省、市、县、乡、村,两千多年了,这种治理结构模式未曾本质改变。在企业里,组织结构决定了企业的运转模式和决策执行机制,在不同的发展阶段有不同的组织结构。

     

    陈春花老师在《管理的常识》中对于组织结构的介绍中提到:

    组织结构就是让权力和责任的关系匹配。

    组织结构是自我约定的关系

    组织结构最为重要的特征就是组织内的关系可以自我约定,而自我约定关系可以决定资源的获得和权力的分配。

    组织结构的功效

    理论会告诉你组织结构设计与四个要素相关,这四个要素是战略、环境、规模、技术。

    一、组织结构所要解决的是权力与责任关系是否匹配的问题。

    组织结构的纵向安排,需要考虑两个问题:一个是设计多少个层级,一个是公司主业务线是什么。

    组织结构的横向安排,需要考虑的问题是:需要多少个职能部门完成资源的专业安排。因此设计的原则是以主业务对于职能的需求来决定的,其中最关键的是尽可能的细分,突出关键职能就可以了,部门越少越好。

    二、组织结构更要依据责任而不是权力来设定

    三、组织结构可以重新建立组织和个人之间的心理契约

    首先,建立开诚布公的沟通体系;其次,确保确定结构的准则是公平的;最后,恪守承诺。

    组织结构设计原则

    第一个原则是指挥统一。

    第二个原则是控制幅度。

    第三个原则是分工。

    第四个原则是部门化。

    组织结构的核心是分责、分权,所以我们还需要确定一件事情,就是纵向分工所形成的职位,最好大过横向分工所形成的职位。

    组织结构需要配合企业发展的需要

    第一阶段,创业阶段(直线型组织架构的特点)。

    第二阶段,成长阶段(职能型的特点)。

    第三阶段,发展阶段(事业部制的特点)。

    第四阶段,持续发展阶段(董事会制的特点)。

    组织结构的特殊效能

    第一个层面是职权阶层。

    第二个层面是直线和幕僚的区分。注意多条晋升路线的设计。

    第三个层面是部门的划分。

    第四个层面是授权和分权。

    第五个层面是形式化的程度。

    第六个层面是控制幅度。

    第七个层面是专业化。

    常用的组织结构优劣势分析

    职能型结构:成长阶段多数会选择这个结构,以获得快速的增长。最大的缺点是部门之间可能会不合作,解决方案就是让每一个部门经理人的考核与绩效奖励和公司整体目标挂钩。

    事业部制:优点是强调结果。缺点是活动和资源出现重复配置,可以用两个方面管理来补充,一个是计划管理和控制预算,使得资源有效配置,一个是品牌管理,在公司框架下保持一致。

    扁平化结构:适用于小的企业。

    矩阵式结构:优点是促进一系列复杂而独立的项目取得协调,同时保留将职能专家组合在一起所具有的经济性。缺点是造成混乱,并隐藏着权力斗争的倾向。解决缺点从两方面入手:第一,明确的计划管理,预算清晰并严格控制;第二,双向考核,每一个专业成员需要一方面接受专业部门的考核,另一方面接受业务部门的考核。

    网络结构:可以让公司确定和认知自己在价值链上的能力,同时也让公司的每一部分能够独立地生存,这也是网络结构最有价值的原因。先从企业内部市场化开始,就是所有部门之间都是市场价格关系。网络结构的缺点可以借助于两个安排来解决:第一品牌管理;第二核心经理人团队。

    在我四年的企业管理实践中,虽然没有太多的组织结构经验积累,依然可以分享一些有价值的认知:

    1、我非常认同组织结构就是权力和责任的关系匹配这句话,不管是责任大于权力,还是权力大于责任,都会出现问题,只有对等和匹配的时候才能均衡发展。在我们部门,出现过权力和责任不匹配的问题,现象是管理者权力大,但是责任并没有尽到位,无奈在之后拆分为了两个部门进行单独管理,使得权力与责任能够匹配上。

    2、对于常见的组织结构,我们部门采用的是比较典型的矩阵式管理结构,但是这种模式也出现很多问题,比如业务和项目占主导的时候,职能部门的权力则会受到影响;职能部门权力大的时候,业务和项目则不好调人,工作难以开展;

    3、我们设计了多条晋升路线,来满足管理和技术两个大的发展路径。在此没有孰轻孰重的区别,我们要给予技术者足够的尊重,管理者更多是服务团队的角色,这两个岗位职责不同,发展方向有差异,但是大家的整体工作目标是一致的。

    4、我们的组织结构一直都是以实现业务和经营的目标为主,人少的时候甚至都没有太严格的组织结构概念,大家都是一起做事;待部门人员逐步增加之后,我们划分了几个职能部门,来满足企业成长的目标。

    5、在测试部管理过程中,我经常采用的是授权管理,这样可以充分激发团队的能动性和责任心,快速的提高团队能力。

    6、我认为的组织结构一定是以责任、目标、绩效、顾客为核心驱动力,不断调整,以适应市场的发展和顾客的需求。

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  • 网络拓扑结构网络模型

    千次阅读 2019-10-22 11:21:23
    网络拓扑结构 局域网常用的拓朴结构有:总线型结构、环型结构、星型结构。 图1 l 总线型结构网络上的所有计算机都通过一条电缆相互连接起来 特点:其中不需要插入任何其他的连接设备。网络中任何一台...

      网络拓扑结构 

    局域网常用的拓朴结构有:总线型结构、环型结构、星型结构。

     


    总线型结构:

    网络上的所有计算机都通过一条电缆相互连接起来 

    特点:其中不需要插入任何其他的连接设备。网络中任何一台计算机发送的信号都沿一条共

    同的总线传播,而且能被其他所有计算机接收。有时又称这种网络结构为点对点拓朴结构。 

    优点:连接简单、易于维护、成本费用低 

    缺点: 

    1.    传送数据的速度缓慢:共享一条电缆,只能有其中一台计算机发送信息,其他接收。 

    2.    可靠性较差:只要有一条线路出问题会影响网络上其他计算机工作 

    ||   环型结构:

    每台计算机都与相邻的两台计算机相连,从而构成一个封闭的环状,整个网

    络结构既没有起点也没有终点 

    |||   星型结构:

    每个节点都由一个单独的通信线路连接到中心节点上。中心节点控制全网的

    通信,任何两个节点的相互通信,都必须经过中心节点。因些中心节点是网络的瓶颈,

    这种拓朴结构又称为集中控制式网络结构 

    ||||  树型结构

    是一种层次结构,结点按层次连结,信息交换主要在上下结点之间进行,相邻结点或同层结点之间一般不进行数据交换。优点:连结简单,维护方便,适用于汇集信息的应用要求。

     

      网络模型 

    国际标准化组织(ISO 

    OSI 模型,即著名的开放系统互联基本参考模型:各种计算机能够在世界范围内互连成网络

    的标准框架 

    七层模型:每一层利用下一层提供的服务与对等层通信,每一层都使用自己的协议 

    1.    应用层:提供应用程序间通信 

    2.    表示层:处理数据格式,数据加密等 

    3.    会话层:建立,维护和管理会话 

    4.    传输层:建立主机端到端连接 

    5.    网络层:寻址和路由选择 

    6.    数据链路层:提供介质访问,链路管理等 

    7.    物理层:比特流传输 

    |  各层对应协议表

    || 各层之间的数据单元( ProtocolDataUnit )

    物理层的 PDU 是数据 位( bit),数据链路 层的 PDU  数据帧( fra me),网络层  PDU

    是数据包( pac ket),传输 层的 PDU 是数 据段(segme nt ),其 他更高 层次的 PDU  

    据(data)。 

    || 数据单元名词

    APDU   Applica tion  Prot ocol Dat a Uni t--应用协 议数据 单元 

    PPDU    数据 

    SPDU    数据 

    Seament   数据段 

    Packet   数据包 

    Frame   数据帧 

    Bit  比特流 

     

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  • 无线自组织网络

    千次阅读 2019-06-07 10:52:16
    1、描述:自组织、对等式、多跳无线移动通信网络 2、举例:蜂窝移动通信网络、WLAN 3、特点 (1)具备移动通信网络和计算机网络特点 (2)网络拓扑动态变化:用户终端随意移动、节点的开机/关机、无线信道间...

    一、移动Ad Hoc网络概述
    1、描述:自组织、对等式、多跳无线移动通信网络
    2、举例:蜂窝移动通信网络、WLAN
    3、特点
    (1)具备移动通信网络和计算机网络的特点
    (2)网络拓扑动态变化:用户终端随意移动、节点的开机/关机、无线信道间互相干扰
    (3)多跳组网方式:中间节点参与分组转发,能有效降低对无线传输设备的设计难度和成本,同时扩大了自组网络的覆盖范围
    (4)有限的无线传输带宽:竞争共享无线信道产生的碰撞
    信号衰落、噪声干扰以及信道之间干扰
    (5)移动终端的自主性:移动终端之间存在某种协同工作关系,每个终端都将承担为其它终端进行分组转发的义务
    (6)安全性差、网络的可扩展性不强、存在单向的无线信道、生存时间短
    4、与常规移动通信网络比较
    不需要网络通信基础设施支持、不依赖基站进行通信、数据通信业务为主、拓扑结构动态变化
    5、与传统固定网络比较
    网络规模相对较小、网络的拓扑结构比较简单、网络拓扑结构快速变化
    6、与分组无线网、无线局域网、红外网络比较
    单跳与多跳(WLAN、红外网络都是单跳网络,不存在路由问题)、研究重点不同(Ad hoc网络的研究内容主要以路由协议为核心的网络层设计)、通信模式不同(ad hoc移动终端的通信是对等的)
    7、影响ad hoc网络的主要因素
    (1)无线通信技术
    受限于底层无线通信技术的性能(传输率、延迟、吞吐量)
    (2)节点密度
    密度越高传输路径的跳数越多,受网络拓扑变化的影响就越明显。
    (3)节点移动速度
    速度越高节点间的拓扑结构的稳定性越差,路由计算和交换负载越大。
    (4)通信负荷和通信模式
    流量特性和分布将直接影响到网络的吞吐性能。

    二、移动Ad Hoc网络网络层
    1、平面结构
    (1)特点:所有节点的地位平等
    (2)优点:简单、健壮、相对安全、节点覆盖范围较小
    (3)缺点:路由开销大、可扩充性差
    2、多层体系结构
    (1)特点:网络被划分为簇,每个簇由一个簇头和多个簇成员组成,簇头可形成更高一级的网络。
    (2)异构网络:移动节点的计算能力和能量不等
    (3)优点:Cluster成员功能简单、路由信息局部化、减少路由协议开销、节点定位简单、可扩展性好、抗毁性好
    (4)缺点:Closter头是瓶颈
    3、Ad hoc路由
    (1)面临的困难
    路由信息不易获得、路由信息不完整、网络的所有节点路由信息可能过期
    (2)对协议的要求
    收敛迅速、提供无环路由、避免无穷计算、控制管理开销小、对终端性能无过高要求、支持单向信道、尽量简单实用、路由机制必须适应网络三个不断变化的基本特征
    4、Ad hoc路由协议
    (1)分类:平面路由、层次路由、地理信息辅助路由
    (2)按需路由协议
    a、反应式路由:在源端需要时候通过路由发现过程来确定路由
    b、两种实现技术:源路由(报文头携带完整的路由信息):hop-hop路由
    c、举例:DSR、AODV
    (3)表驱动路由
    a、先应式路由
    b、所有路由都已经存在并且随时可用、路由请求的延迟低、开销高
    c、举例:OLSR、TBRPF
    (4)分级路由协议
    a、层次式(hierarchical)路由
    b、优点:降低大型网络的存储要求、在全局传播的路由信息较少、有限的链路状态维护、按需建立路由、具有较好的伸缩性
    c、缺点:移动管理比较复杂、节点间负载不均衡、可靠性受影响
    d、举例:ZRP
    (5)DSDV协议
    a、优点:非常简单、通过目的地赋予的序号值来防止出现路由回环、不存在路由发现带来的延迟
    b、缺点
    没有节点睡眠、存在开销
    (6)优化的链路状态路由协议(OLSR)
    (7)基于拓扑广播的逆向路径转发(TBRPF)
    (8)动态源路由协议(DSR)
    a、优点:节点不需要周期性地发送路由广播分组、无须维持到全网所有节点的路由信息、仅需要维护路径上节点之间的路由、能完全地消除路由环路、能同时提供多条路由、可用于单向信道、中间节点的应答使源节点快速获得路由
    b、缺点:会引起过时路由问题、每个分组都需要携带完整的路由信息
    (9)AODV路由协议
    使用分布式的、基于路由表的路由方式
    (10)分区路由协议(ZRP)
    域内路由协议(IARP)、域间路由协议(IERP)
    a、总结:只允许目的域内的节点应答,延长了源节点获得路由的时间;需要周期性地广播分组,需要消耗一定的电源能量和网络带宽;路由域半径的设置将直接影响路由的效率。混合的独立域路由框架支持节点非统一的独立配置;每个节点可动态自动配置自己的优化域半径;能适应网络的时空特性,改进效率;自适应的架构重构能力使得在网络特性的变化方面更加鲁棒;自适应、有效以及鲁棒性使得协议具有很好的扩展性

    三、移动Ad Hoc网络MAC层
    1、“隐藏”节点问题
    2、“暴露”终端问题
    3、竞争协议
    (1)描述:使用直接竞争来决定信道访问权,通过重传机制解决碰撞问题。
    (2)举例:ALOHA协议、载波侦听多址访问协议(CSMA)、基于控制分组握手的访问控制协议、 忙音类多址访问协议。
    4、分配类协议:
    (1)静态分配协议:集中式传输时间安排算法,事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间安排。
    (2)动态分配协议:使用分布式传输时间安排算法,按需计算传输时间安排。
    (3)举例:时分多址访问协议(TDMA)、五步预留协议(FPRP) 、跳频预留多址访问协议(HRMA)
    5、混合类协议
    (1)混合时分多址访问协议(HTDMA)描述:将时间划分成若干个时隙,其中第一个时隙为公共竞争时隙,全网在该时隙内竞争其他时隙的使用权,竞争采用CSMA和RTS/CTS方式相结合进行,竞争时隙结束后各个节点按照竞争的结果在各个时隙进行发送、接收或者相应的退避。在通信结束之后,通信双方将占用时隙进行释放。
    (2)举例:TDMA和CSMA的混合协议、ADAPT协议、ABROAD协议、AGENT协议、Meta-协议

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  • 无线自组织网络的管理和监测,崔航,武穆清,文章对无线自组织网络的管理和检测进行了一定的研究和实现。传统的无线自组织网络无中心的结构特点使无线自组织网络难以进行统一
  • 无线自组织网络基础知识

    千次阅读 多人点赞 2020-05-06 21:47:31
    目录第一章 绪论1.1 无线自组织网络概述1.1.1 无线自组织网络的定义及分类1.1.2无线自组织网络的主要特点1.1.3无线自组织网络的应用与发展1.无线自组织网络的应用2.无线自组织网络的起源和发展1.2典型的无线自组织...

    参考书籍:《无线自组织网络路由协议及应用》

    目录

    第一章 绪论

      本章简要介绍无线自组织网络的一系列基本概念 和基础知识,主要包括无线自组织网络的定义、分类、特点、应用、发展和一些典型的无线自组织网络,以及无线自组织网络路由协议的基础性内容,以便让读者在宏观上对无线自组织网络及其路由协议有一个全面、概要的了解。

    1.1 无线自组织网络概述

      人们接触到的常规网络基本上是有基础设施的网络。这里的基础设施包括交换机、路由器、基站等。但在某些不具备这些基础设施的特殊场合,如战场、较为偏远的山地地区、火灾水灾等灾难的营救现场、临时会场等,人们迫切需要种新型的网络形式, 它不依赖于任何通信基础设施就能够实现快速组网,并依靠无线终瑞之间的相互协作来完成网络的建立、维护和信息传输。为了满足这需求, 无线自组织网络应运而生。

    1.1.1 无线自组织网络的定义及分类

      无线自组织网络是由一组兼具终端及路由功能的设备通过无线链路形成的无中心、多跳、临时性自治系统,其目的是通过动态路由和移动管理技术传输满足一定服务质最要求的信息流。
      无线自组织网络是种新型的网络形式,它不需要任何基础设施支持,节点通过自组织的方式形成多跳的无线网络。通信时,当源节点和目的节点不在直接通信范围之内时,它们可以借助中间节点中继来实现通信。中间节点帮助其他节点中继时,先接收前一个节点发送的分组,然后再向下一个节点转发以实现中继。
    无线自组织网络突破了传统无线蜂窝网络的地理局限性,能够更加快速、便捷,高效地部署,适合于些紧急场合的通信需要, 如用于战场的单兵通信系统,它是一种集个人通信和战场态势感知能力于一体的轻便、可移动、具有保密抗干抗和宽带通信的数字化系统,使得参战士兵及与友邻部队之间,士兵与火力支援及后勤支持、教护、空中力量及指挥机构之间,甚至士兵与运行于外层空间的卫星之间,实现实时便捷和有效的信息沟通。但无线自组织网络也存在网络带宽受限、对实时性业务支持较差、安全性不高等弊端。
      无线自组织网络的具体类型较多。可以分为移动Ad Hoc网络、无线传感器网络、无线Mesh网络、机会网络、车载自组织网络和认知无线自组织网络等。本书将在后续章节具体介绍这些无线自组织网络的路由协议及其应用。

    1.1.2无线自组织网络的主要特点

      与传统的通信网络相比,无线自组织网络具有一些突出的特点,包括 无中心、自组织、多跳路由、动态的网络拓扑结构、临时性、有限的无线传输带宽等
    ①无中心。无线自组织网络没有严格的控制中心,所有节点的地位平等,即是一个对等
    式网络,节点可以随时加入和离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。
    ②自组织。无线自组织网络可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的
    支持,就能够快速构建起一个移动通信网络。这是与常规通信网络的最大区别。
    ③多跳路由。无线自组织网络中的每个网络节点扮演着多个角色,它们既可以是终端或者服务器,又可以无当路由器。
    ④动态的网络拓扑结构。在无线自组织网络中,网络节点以任意速度和任意方向在网络中移动。同时受无线发送装置发送功率变化、无线信道间相互干扰,地形等综合因素的影响,网络节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化,而且变化的方式和速度都是不可预测的,这将对路由协议提出更高的要求。
    ⑤临时性。无线自组织网络专为某个特殊目的而建立,如战场通信、野外救援、应用完成即拆除,一般只是临时性的。
    ⑥无线传输带宽有限。无找信道本身的物理特性决定了其能提供的网络带宽比有线信道要低很多,而竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰落,噪声干扰及信道之间干扰等因素使得终端的实际带宽远远小于理论值。

    1.1.3无线自组织网络的应用与发展

      从诞生到现在, 无线自组织网络已走过了数十年的历程,也越来越广泛地应用到军事和民用的多个领域,并且仍在迅速发展中。

    1.无线自组织网络的应用

      无线自组织网络通常应用在没有或不便利用现有的网络基础设施的情形中,常用的应用有以下几个方面。
    ①战场通信。因无线自组织网络具备的无须网络设施、快速部署、鲁棒性强等特点,它是数字化战场通信的首选技术。在战场上可以利用它完成友军兵力和装备监视、敌军兵力和地形侦查,战争损毁评估、定位与跟踪、生化攻击检测等任务;需要通信的舰队战斗群之间也可以通过移动自组织网络建立通信,而不必依赖陆地或卫星通信系统。除了在战争时期,和平年代也使利用无线传感器网络通过对声音和震动信号的分类分析来探测敌方的入侵,从而进行国士安全保护。
    ②应急通信。在发生了地震、水灾、强热带风暴等灾难后。固定的通信网络设施可能被摧毁或无法正常工作,对于抢险教灾来说,这时就需要无线自组织网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速部署的网络技术。
    ③环境监控。在野生动物保护、土壤监测、大气监测等网络场景中,存在节点数目众多、数据种类繁多、数据量巨大、监测区域广大等问题。多个监测节点组成无线自组织网络,实现低成本构建大区域的自治网络的目的,然后通过网关与公网相连,在不需铺设和维护大量基础设施的前提下,对环境进行监测。
    ④宇宙开发。在宇宙空间进行基础设施的全面覆盖,是一件无法完成的任务。现有的卫星通信方式,可扩展性差,无法大规模满足民用服务的带宽需求。通过节点间的无线自组织网络,并结合存储—携带一转发的机会路由模式,实现宇宙开发过程中的移动通信功能。
    ⑤工业领域。在煤矿、石化这种存在易燃、易爆问题的领域中,可以利用无线传感器网络对危险环境中的数据进行采集,随时发现异常报警,从而提高险情的反应精度和速度,减少伤亡。另外,在现代制造业领域,工作人员从生产流水线到复杂机器设备,都尝试安装相应的传感器节点,以便时刻掌握设备的工作健康状况,及早发现问题并及时处理,从而有效地减少损失,降低事故发生率。
    ⑥医疗领域。无线自组织网络中的传感器网络在医疗健康方面也有一定的应用。如医生提供了很大的便利。
      无线自组织网络不仅对各种悲劣的环境具有非常强的适应性,而且由于其对应用环境的高适应性使得它的应用范围已经扩散到救灾、环境、军事、工业、 医疗、科学探索等各种场合。因此,无线自组织网络及其相关技术的研究不仅能够给我们的生活带来便利,具有重要的社会和经济意义,同时对于我国的民生、军事能力也具有莫大的帮助。所以对于无线自组织网络及其相关技术的研究是十分重要和有意义的。

    2.无线自组织网络的起源和发展

      自组织网络是自组织理论在通信网络中的具体运用。自组织网络的起源可追溯到1968年的ALOHA网络和1973年美国国防部高级研究计划署资助研究的“无线分组数据网”。这些初期的自组织网络对自组织技术的发展起了奠基性的作用。20世纪80年代,美国国防部启动了可生存自适应网络项目,研究如何将无线分组数据网的研究成果加以扩展,以支持更大规模的网络。1994年,美国国防部又启动了全球信息系统计划,研究范围几乎覆盖无线通信所有相关领域。在该计划中,对于满足军事需要的、高抗毁灭性的自组织网络技术进行了深入的研究。20世纪90年代以来,民用系统也逐渐出现了无线自组织网络的标准和应用。1991年5月成立的IEEE 802.11标准6委员会在开发IEEE 802.11标准时,将分组无线电网络改称为Ad Hoc网络,进一步推动了自组织网络的发展。1994 年瑞奥Ericsson公司推出蓝牙技术开发计划,1999年公布了第一版本蓝牙技术规范。蓝牙技术也是自组织网络技术的一种应用,它具有自组织能力,可以实现便携式计算机、打印机等其他便携式设备的互道互通,方便地构成个人网络。1996年Internet工程部(IETF)成立了一个移动自组织网络工作组,其主要目标就是针对无线自组织多跳网开发一种基于IP协议的路由机制,使得IP协议扩展到这种自组织的、快速移动的无线网。这个工作组对自组织网络进行广泛的研究并推出了一些草案。
      从事自组织网络研究的机构主要有Intemet工程部、IEEE组织及美国的国防高级研究计划局。IETF于1997年成立了专门的研究组MANET组MobilcAd-hoc Networks WorkingGroup),针对MANET开发基于IP协议的路由机制并解决与网络层相关的技术问题,并在2000年下半年公布了系列MANET路由协议草案,如目的节点序列距离失量(DSDV)、按需驱动距离矢量(AODV)、临时路由需求协议TORA)、动态源路由《DSR)、最优链路状态路由(OLSR)等,IEEE通信分会在2000年成立了专门的MANET技术分委员会。欧洲下一代移动通信系统组织设立了Ad Hoc组网研究小组,并于2003年发布白皮书对自组织网络进行了总结和展望。欧盟IST下设了若干采用自组织研究解决车辆之间通信问题的项目,比较重要的有CarTAL000.FleetNet等,上述自组织网络研究机构为无线自组织网络的发展和应用都做出了重要资献,国内对移动自组织网络的研究和开发起步较晚,目前尚处于理论探讨阶段。
      近年来无线自组织网络领域的关键技术的研究重点主要包括动态路由、无线电媒介的共享、服务质量的保障和低能量、低能耗限制等方面。

    1.2典型的无线自组织网络

      无线自组织网络根据应用侧重的不同可以分为移动Ad Hoc网络、无线传感器网络、无线Mesh网络、机会网络4种典型的无线自组织网络和其他无线自组织网络,下面分别介绍这些典型无线自组织网络的基本概况。

    1.2.1移动Ad Hoc网络

      随着科学技术的不断发展,手机、便携式电脑和掌上电脑等越来越普及,它们虽然在体积上不断减小,却在功能上更加强大,这使得它们成为无线通信领城重要的终端设备,而用户也相应地对无线通信技术有了更加灵活和多样性的需求。人们希望脱离固定的通信模式,自由地通信。而当前的蜂窝式移动通信系统或者无线局域网、都要借助于基站或者中心式接入点,一且出现基站或者中心式接入点丢失,通信就会发生中断,同时在一些紧您情况下,也无法迅速建立有效的基础网络,这样就需要新的组网方式。这种新的组网方式就是移动Ad Hoc网络。

    1、移动Ad Hoc网络的定义

      移动Ad Hoc网络MANET(Mobile Ad Hoc Network)是一种自组织的、无须基础设施、由一组移动通信设备经过无线通信链路连接构成的无线网络。
      典型的移动Ad Hoc网络模型如图1-1所示。
    在这里插入图片描述
      在该网络模型中没有固定的基础设施,每个节点都是移动的。所有节点在网络控制、路由选择和流量管理上是平等的,它们不仅可作为普通节点,同时又可作为路由器,能够以任意方式动态地保持与其他节点的联系,实现发现及维持到其他节点路由的功能;源节点和目的节点之间般存在多条路径,可以较好地实现负载均衡和选择最优的路由。
      因此,虽然节点的无线覆盖取值范围具有局限性,但两个无法直接进行通信的节点可以做助其他节点进行分组转发。

    2.移动AdHoc网络的特点

      移动Ad Hoc网络中的每两个节点都兼有路由器和主机的功能,它的特点主要体现在以下几个方面。
    ①移动性与网络拓扑动态性:移动Ad Hoc网络节点可以自由地任意移动,再加上无线发射装置发送功率的变化,环境的影响及无线信道间的互相干扰等因素致使网络拓扑可以随机、迅速、不可预测地变化。
    ②有限的带宽: 无线信道产生的碰撞、 信号衰减、噪声干扰及信道间干扰等因素, 使移动主机可得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。
    ③分布式控制网络:移动Ad Hoc网络中各节点均兼有独立路由和主机功能,不需要网络中心控制点,各节点之间的地位是平等的,网络路由协议通常采用分布式控制方式。因此比采用集中式的网络具有更强的鲁棒性和抗毁性。
    ④安全性差:移动Ad Hoc网络的节点间通信由于采用无线信道、有限电源、分布式控制技术和方式,使传输的信息非常容易受到监听、重发、篡改、伪造等各种攻击,若路由协议遭受到上述恶意攻击,那么整个Ad Hoc网络将无法正常工作。
      移动Ad Hoc网络的特性为移动Ad Hoc网络路由协议设计提出了新的问题和挑战,一个合理的路由协议必须考虑有限的传输带宽、动态变化的网络拓扑结构和有限的网络安全等各方面因素。

    3.移动Ad Hoc网络的应用

      由于移动Ad Hoc网络组网灵话、快捷,并且不受有线网络的影响,所以它的应用非常广泛,能够满足人们对通信的很多需求,具有广阔的发展前景和应用价值。
    ①移动Ad Hoc网络在军事上的应用: Ad Hoc网络的最初研究起源于军事通信,直到最近十多年才开始了商用的研究。然而,军方对Ad Hoc网络的研究从来没有中断过,在美军的Glomo计划、SUO SAS计划(小部队作战态势感知系统)、WIN-T 计划(指战员信息网-战术部分)、MOSAIC (多功能“动中通”、抗毁、自适应综合通信)、JTRS计划(联合战术无线电系统)中,都能看到Ad Hoc网络的基础地位越来越重要。因此,基于Ad Hoc网络技术的研究进展,同时结合战术通信的主要信息业务需求,包括态势感知(Situational Awareness, SA)数据、指挥与控制(Command and Control, C2) 数据、密钥与图像分发、联合作成任务规划等,移动Ad Hoc网络在军事通信中将发挥越来越重要的作用。
    ②移动Ad Hoc网络在海上移动通信系统上的应用: 船舶节点移动迅速、通信密集性高、网络拓扑结构变化快是海上安全救助网络的显著特点。在这种复杂环境中,Ad Hoc网络可以弥补现有系统的许多不足,更好地实现语音通信、遇险报警、船舶定位,以及利用其自组织特性扩大通信范围。
    ③移动会议: 日前,越来越多的人携带手提电脑、PAD等便携式设备参加各种会议,移动Ad Hoc网络可以使与会者不用借助路由器、集线器或基站就能将各种移动终端快速地组织成无线网络从而完成提问、交流及资料的分发,这无疑具有重要的意义。
    ④移动Ad Hoc网络与移动通信系统的结合:=移动Ad Hoc网络可以与蜂窝移动通信系统相结合,利用移动台的多跳转发能力来扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范目,均衡们和小区的业务,提高边缘的数据速率等。

    1.2.2 无线传感器网络

      无线传感器网络是一种贴近应用、以信息采集和传输为主要功能的无线自组织网络,近年来受到了人们的广泛关注。

    1.无线传感器网络的定义

      传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能,它与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱。那么何为无线传感器网络?无线传感器网络(Wireless SensorNetwork, WSN)是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息,最终把这些信息发送给网络所有者。

    2.无线传感器网络的特点

      无线传感器网络是一种全新的信息获取方式,它不需要固定网络支持,以其随机布置、自组织、抗毁性强、适应苛刻环境等优势,具有在多种场合满足信息获取的实时性、准确性、全面性等需求的能力。它具有以下特点。
    ①大规模。 由于监测区一般较为广阔, 且为了避免存在监测盲区,用户需要在监测区域内部署大量传感器节点,且传感器节点分布更为密集。
    ②自组织。在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。
    传感器节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道,如通过飞机播撒大量传感器节点到而积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或危险的区域。这就要求传感器节点具有自组织的能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
    ③动态性强。 传感器网络的拓扑结构可能因为下列四个因素而改变:环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效;环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化,甚至时断时通;传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性;为了提高精度或延长网络寿命可以向网络中加入新的节点。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化,具有动态的系统可重构性。
    ④可靠性。 WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域,节点可能工作在露天环境中,遭受日晒、风吹、雨淋,甚至遭到人或动物的破坏、这都要求传感器节点非常坚固,不易损坏,适应各种恶劣环境条件。
    ⑤以数据为中心。 传感器网络是任务型的网络,用户通常不需要知道数据来自哪一 个节点,而更关注数据及儿所属的空间位咒,用户使用传感器网络查询事件时,直接将所关心的事件通告给网络,而不是通告给某个确定的节度,阿9各在获得打定那件的信息后汇报给用户,这种以数据本身作为查询或传输我发的心想更校近于几然时言交谁的习物,所以通常说作路器网络是一个以数据为中心的网络。
    ⑥能量有限。 目前大部分传感器节点采用电池供电的方式,由于传感器体积小,携带的电池就非常有限,而部署区域往往环境恶劣,无法二次供电,能量有限成为其最显著的特征。

    3.无线传感器网络的应用

      由于技术等方面的制约,WSN的大规模商用还有待时日。但随着微处理器体积的缩小和性能的提升,已经有中小规模的WSN在工业市场上开始投入商用。其应用主要集中在以下领城。
    ①环境的监测和保护:无线传感器网络在环境监测和保护方面可用于跟踪候鸟和昆虫的迁移、监测海洋等。例如,著名的ALERT系统"就是迅过传感器网络来收集降雨量和土壤水分等方面的数据来预测山洪爆发的概率:加州大学利用传感器网络来监测海燕的生活习性等。
    ②农业领域:无线传感器网络的应用使得传统农业生产模式转变为以信息网络为中心的自动化、网络化、智能化精准农业模式。在精细农业中,传感器节点可以收集多种精确的信息,如农作物生长态势、大气及土壤的温湿度、土壤中微量元素含量、酸碱度,还可以监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
    ③医疗护理:过在病人身体上安装传感器来监测相应的生理数据,如血压、心跳、尿酸、血糖等,可以帮助医生对病人的身体状况进行远程监控,以便及时给出治疗方案,甚至能够对脑血栓、心脏病等突发性疾病及时预测、及时抢救”1。另外,通过在病人和医生身上安装带定位功能的传感器,帮助医院、医生及病人确定监测对象的位置,辅助治疗。
    ④军事领域:由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括侦察敌情、监控兵力、 装备和物资,判断生物化学攻击等多方面用途。
    ⑤其他用途:WSN还被应用于一些危险的工业环境,如井矿、核电厂等,工作人员可以通过它来实施安全监测,也可以用在交通领域作为年制监控的在力工具,此外,还可以应用在工业自动化生产线等诸多领域。
      尽管无线传感器技术仍处于初步应用阶段, 但己经展示用了非凡的应用价值,相信随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用,它一定会逐渐深入到人类生活的各个领域。

    1.2.3无线Mesh网络

      无线 Mesh网络能够在源、目的节点之间建立多条路径,因此在数据传输的可靠性方面表现出一定优势, 目前已应用于因特网的无线接入等领域。

    1.无线Mesh网络的基本概念

      无线 Mesh网络WMN(Wireless Mesh Networks)是一种具有自组织、自修复、多跳级联、节点自我管理的新型宽带无线网络。无线Mesh网络由mesh routers (路由器)和meshclients(客户端)组成, 其中mesh routers一般只具有很小的移动性或不具有移动性,基本可以看作是静止的。这些无线路由器构成Mesh网的骨干网络,并和有线的Intenet网络相连接,负责为mesh clients提供多跳的无线Intenet连接。mesh clients构成网络的最底层。用户设备之间提供相互中继功能,通过无线mesh路由器连接到互联网。mesh clicnts可以是PDA、笔记本电脑、手机等无线设备。
    (无线Mesh网络和移动Ad Hoc网络一个比较大的区别就是Mesh网络中的节点有一部分基本上是固定不动的,而Ad Hoc网络中没有固定不动的节点)
      在传统的无线局城网 WLAN (Wircless LocalNetvorks)中,每个客户端均通过一条与接入点AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络,形成一个局部的基本服务集BSS (BasicService Set),用户如果要进行相互通信。必须首先访问一个固定的接入点,这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器(注意在Ad Hoc网络中,每个节点只能是都可以作为路由器,而不能都作为AP,我也不知道这样理解是不是对的),每个节点可以发送和接收数据包,又都具有路由器和中继器的功能,为网络中的其他节点存储转发数据包,而且每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于:如果距离最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话,那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输(那Ad Hoc网络是什么样的呢?)。 依次类推,数据包还可以根据网络的情况,继续路由到与之距离最近的下一个节点进行传输,直到到达最终目的地为止。这样的访问方式就是多跳访问。在无线Mesh网络里,如果要添加新的设备,只需要简单地接上电源就可以了,它可以自动进行自我配置,并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时,网络能够自动发现拓扑变化,并自动调整通信路由,以获取最有效的传输路径。所以,WMN是一个动态的自组织、自配置网络,可以很方便地提供健壮的、可靠的网络覆盖,提供因特网的无线宽带接入,为静止的或移动的终端提供低成本的网络连接。

    2.无线Mesh网络的特点

      与传统的无线网络技术相比,无线Mesh网络具有以下特点。
    ①组网方式灵活 。无线Mesh网络具有平面结构、分层结构和混合结构三种组网模式,自组织和易于配置管理等特性使其便于灵活地组成各种拓扑结构,便于将来需要时随时扩容。
    ②兼容性 。Mesh网络可以通过相应的网关与Internet、WiFi局域网、公共电话网等网络相连。Mesh网络中的无线终端用户也可以连接到其他网络,
    ③支持非视距传输 。构建无线Mesh网络的个重要目标就是为那些没有直接视距链路的
    用户提供非视距连接。WMN采用无线多跳方式,用户即便不在基站接入点的覆盖范围内,也可以通过其他节点以无线多跳方式接入到目的网络。
    ④较强的健壮性。由于Mesh网络不需要建立大型基站及发射塔,并且具有自我修复的功,能,因此消除了因个别通信设备(如基站及发射塔)的故障而导致整个系统通信受阻的隐患。这样,在发生任何重大的意外事件或自然灾害时,即使一部分网络设备受损,也不会造成整个网络的瘫痪。
    ⑤自动平衡负载。 由于Mesh网络中的设备都可作为其他设备的路由和转发器,这意味着每个终端都能通过相邻终端或其他网络设备的路由和转发而与距离较远的其他终端或者网络接入点进行通信。因此,在某些用户密集的地区,当接入点负载过重时,网络系统会利用路由和转发的功能自动地将部分用户的通 信链援转移到其他的按入点上,从而平衡了整个网络的负载。
    ⑥较高的带宽。无线局城网只支持单点接入,客户瑞较影时,难免会引起拥塞。又因信号强度迎放直接关系到传输的带宽,故处于网络边缘的用户也会因们号强度差西无法采用较高的传输速半、采用Msh网络则可以避免这北情况。首先。Mesh提供多点接入。避免单点拥塞,络采用多个单跳增大覆盖范国,避免处于网络边缘的用户接收信号差的问其次,Mesh多跳网络、因此,Mesh网络能够提供更高带宽。而Ad Hoc网络却没有高带宽的特点,反而是带宽受限的系统
      无线Mesh网络主要应用于以下领域
    ①无线Mesh宽带城城网:无线Mesh宽带城域网络在美国和中国台湾地区已经建设完成。现在巴黎等国外发达城市和国内的北京、上海等城市也在积极规划中。同时,无线Mesh网络可以作为未来Wi-MAX无线城域网的扩展和补充。
    ②校园网:目前已经有很多校园使用WLAN技术提供无线覆盖。但WLAN覆盖范围有
    限,基本限于室内使用,而且因为是单点接入,存在拥塞问题,也不能提供漫游功能。无线Mesh网络正可以解决这些问题,能够实现无缝漫游,通过无线中维使得无线覆盖扩展到室外。

    ③医院:医院建筑物的构造密集复杂,一些区域要防止电磁辐射,布线比较困难,对网络的健壮性要求很高,如有重要活动(如远程手术),任何网络故障都将带来灾难性的后果。采用无线Mesh网络正好能够解决这些问题,无线网络拓扑调整简单,而且网络的健壮性和高带宽也更适合在医院等公共场所部署。
    ④旅游休闲场所:无线Mesh非常适合那些地理位置偏远,布线困难,而又需要为用户提供宽带无线Intemnet 访问的地方,如旅游场所、度假村、汽车旅馆等,无线Mesh低够以最低的成木为这些场所提供宽带接入服务。
    ⑤需要快速部署或临时安装的场所:对于那些需要快速部署或临时安装的场所,如展览会、交易会、灾难救援现场等,无线Mesh网络是最经济有效的组网方法,可以将成本降到最低;
      目前,无线Mesh组网在全球已经开始应用,但由于无线Mesh网络的特殊性,其发展面临许多问题。这些问题涵盖了网络组织结构、协议设计、网络运行等方面,但是,无线Mesh网络是很有发展前景的下一代无线网络技术,许多应用场景推动着它的快速发展,未来,无线Mesh网络有望与WLAN、Wi-MAX、3G/4G等网络完全融合,全面提升无线网络的服务质量;同时还可与无线传感器和社区网络综合在一起,组成综合型网络,使用户能够充分享受无线网的便利。

    1.2.4机会网络

      机会网络是无线自组织网络一个较新的发展方向, 它具有机会通信、延迟容忍等特征, 对未来实现普适计算具有重要意义。

    1.机会网络的产生和定义

      传统的无线自组织网络,如移动Ad Hoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络等,缺少专门针对困难环境中无线网络连接中断进行处理的方案,因此当连接中断时,网络性能会显著下降,甚至造成网络不能运行。而且在实际的应用中,无线自适应网络的拓扑结构可能随时发生改变,其连通性往往不能得到保证,信息源节点与目的节点之间不存在数据通路,所者可预见的、在挑战性的网络环境中对数据通信需求的上升,迫切需要人们付出更多努力去研究发展新的网络技术。机会网络的出现恰好能满足这一需要,它利用节点移动形成的通信机会逐跳传输消息,以“存储—携带-转发”的路由模式实现节点间的通信。
      那么什么是机会网络呢?机会网络的概念部分来源于延迟容忍网DTN(DelyTolentNetwork).目前对机会网络还没有一个统一的定义,本书在综合大量文献的基础上给出如下定义:机会网络(Opportunistic Networks)是一种具有间断或部分连接的网络拓扑,利用节点移动带来的相遇机会来实现通信的时延和断裂可容忍的无线移动自组织网络。从本质特征的角度看,机会网络和延迟容忍网络是相同的。

    2.机会网络的特点

      机会网络不同于传统无线自组织网络,它具有以下主要特点:
    ①由于节点的运动性较突出,网络拓扑动态变化相对较为剧烈,无线链路的断开和重新连接比较频繁;
    ②源、目的节点之间不能确保存在完整的端到端数据传输路径;
    ③节点之间通过节点移动获得的相遇机会进行信息互换来实现通信;
    ④网络业务具有时延容忍(delay tolerant)的特点。

    3.机会网络的应用

      由于机会网络能够处理网络分裂等其他无线网络技术难以解决的问题,并能满足恶劣条件下的网络通信需要,因此在军事和民用无线通信领域都具有重要的研究和应用价值,相关研究的开展也越来越广泛,目前机会网络主要应用于以下领域:
    ①野生动物监控:在野生动物监控的应用中,主要研究野生动物的迁徒行为和对生态环境变化的反应等。例如,普林斯顿大学设计的Zebranet就是使用机会网络来跟踪野生斑马的科研项目;而康奈尔大学设计的SWIM (Shared Wireless Infostation Model)则是通过机会网络监测鲸鱼的活动,它利用在鲸鱼身上安装的特殊Tag,定期地收集监测数据。
    ②袖珍型交换网络::随着手机、PDA和学上电脑等手持设备的普及,通过人们的相遇机会形成一个袖珍型交换网络,利用任何可能遇到的设备实现数据交换。
    ③偏远地区互联网无线接入:由于一些发展中国家和农村地区缺乏网络设备,不能形成传统网络,但机会网络能为其提供间断连接的网络服务。
      总之, 机会网络作为一种全新的组网方式,它在很多领城存在着巨大的潜力,并且对实现未来普适计算具有重大影响。

    1.2.5 其他无线自组织网络

      除了上述几种主要的无线自组织网络类型外,还有一些网络类型,如车载Ad Hoc网络、认知无线自组织网络、多跳卫星网络、水声传感器网络和无线体域网络,这几种类型的网络随着无线通信技术的发展,逐渐成为无线网络的重要研究课题,出现了许多与相关的研究与应用。下面将对这些无线自组织网络做具体介绍。

    1.车载AdHoc网络

      随着汽车工业的发展和私家车的普及, 行车安全和道路交通事故已经成为全球性的公共安全问题。同时,车辆越米越多地介入人们的日常生活,人们对年辆的娱乐功能也提出了更多更高的高求。随着信息通信技术的进一步发呢,如何通过日益发达的无线通信网络来提高汽车道路安全就称为业界关注和产生浓厚兴趣的话题。基于此,车载Ad Hoc网络(Vehicular Ad Hoc NETwork,VANET)应运而生。

    (1)车载Ad Hoc网络的定义

      VANET是一种融合了车辆与车辆之间直接互连、间接互连及车辆与路边固定设施互连的,自组织、结构灵活开放的车辆间通信网络,以配备了无线互连接口设备的车辆为节点,能够适应不断变化的网络拓扑结构。图1-2是车载Ad Hoc网络的网络模型。
    在这里插入图片描述
      如图1-2所示,车载通信主要包括两种模式中。一种是车辆到基础设施之间的通信(Vehicle-to-Infrastructure,V2I),该通信方式可通过路边的通信没施进行互联网接入及信息监控等应用,这种组网方式需要大规模基础设施建设才能有效覆盖车辆节点;另一种是无基础设施的车辆与车辆间的通信(Vehicle-to-Vehicle,V2V),该通信方式不需要基础设施的投入,完全由相邻车辆节点之间直接通信完成,车辆之间是平等和自组织的。准确的说,自组织网络仅指V2V模式,而不包括有基础设施支持的V2I模式。但目前针对车载自组织网络的研究并未相将二者严格区分开来。

    (2)车载Ad Hoc网络的特点

      车载AdHoc网络作为一种特殊的移动Ad Hoc网络,除了具有普通Ad Hoc网络的一些共性外,还具备普通Ad Hoc网络所不具备的特征。下面从六个方面简要介绍车载Ad Hoc网络具备的一些独有特点。
    ①易受地形的限制影响。在车载Ad Hoc网络中汽车节点的运动会受到不同场景中地形的限制。道路的静态形状使得车辆移动是受限制的,只能沿着车道单、双向移动,具有一维性。车辆行驶轨道般是可以预测的, 显著区别于普通的Ad Hoc网络节点的随机运动。
    ②网络拓扑结构变化快。在车载Ad Hoe网络中,由于车辆速度变化快,会导致网络拓扑
    结构变化快, 路径寿命短。如平均速度为100km/h的道路上,如果节点的通信半径为250m,则链路存在时间达到15s的概率仅为57%。
    ③无线信道质量不稳定。在城市环境下,受多种因素影响,其中包括路边建筑、道路情况、 车辆类型和车辆相对速度等,限制了节点无线传输的范围,使得在物理位置上处于信号覆盖范围内的节点并不 一定能够直接进行通信。
    ④无能量约束。 节点通过发动机可以提供电力支持,车辆的承载空间也可以确保天线的
    尺寸和其他额外的通信设备,同时还具 有强大的计算能力和在储空间等。
    ⑤ 适合全球定位系统GPS和电子地图的应用。通过获得比较丰富的外部辅助信息,使得
    车载Ad Hoc网络能够获取周国环境特征。年载Ad Hoc网络中网络节点不仅可以获得自身的位置信息,还可以得到所在区域的地理信息,比如路口分布、道路方向等。
    ⑥信道带宽严重低于理论值。例如,在城市环境下,由于车辆分布集中,导致了对无线信道的频繁竞争,负载过于集中,使得车辆终端得到的实际带宽远远小于理论值。

    (3)车载Ad Hoc网络的应用

      VANET使车辆功能由单一的运输工具拓展成为移动信息平台,因而极大丰富了车辆系统的功能与应用。VANET的应用范围非常广泛,主要分为以下几类。
    ①维护车辆行驶安全。通过车辆间的信息传递,完成车辆的碰撞避免、信息警示、协同驾驶、转向提醒等应用,及时有效地提醒车辆注意周围其他的车辆行驶状态和道路交通状况。这可以避免车辆碰撞等安全事故的发生,减少人身伤害以及财产的损失。福②交通管理与控制1231。 为了提高交通效率,对于道路交通状态信息的及时掌握与传递,可以实现对交通流量的动态控制,车辆对于行程进行提前优化,有效避免交通拥塞,缓解道路交通压力。
    ③网络应用。利用VANET可以实现许多网络信息服务类应用,如电子地图更新、基于位置的信息服务、 支付服务和网络访问等。在VANET环境下,很多网络应用需要考虑在完成正常功能的前提下, 不会因为受到攻击而产生交通事故。
    ④ 基于通信的纵向车辆控制通过VANET,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。
      VANET作为未来智能交通系统的基础部分,扮演着非常重要的角色,通过车何或车辆与路边单元之间的无线多跳通信,不仅能为司机提供及时报警和落况等信息,还可以通过路边单元接入互联网, 方便司机或乘客获取天心交通流量、商店购物及网络娱乐等信息,从而有利于合理选择行车路线,避免交通堵塞,增加行车舒适度。因此,具有广泛的商业应用前景。

    2.认知无线自组织网络

      随着无线业务的迅速发展,无线频谱资源日益缺少的问题凸显出来。相关研究表明,造成频谱资源短缺的主要原因之是现有的频谱管理和分配政策是 一种静态的方式,即把某块频请固定地指配给某特定的无线接入网络,这样在某地点某一时间内即使该无线接入网络不使用分配给它的无线频谱, 其他网络也不使用该无线频谱资源,从而使得无线频谱资源在时间和空间上并未得到充分利用,造成无线频谱资源的浪费。 因此,共享频谱资源的思想应运而生。 1999Joseph Mitola提出了认知无线电(Cognitive Radio, CR) 的概念,试图用一种智能的无线电 平台来提高频谱的利用率。 经过十几年的研究和发展,不同的学者从不同的角度和方面给出出了 认知无线电技术的概念,下面介绍目前学术界公认的三种认知无线电的定义。
    ① 由Joseph Mitola提出:认知无线电具有高度智能的无线平台,可以通过分析用户的
    状态和需求来 为用户提供最符合其需求的频谱资源:;感知无线环境的变化来选择最优的服务:盘并通过 “无线电知识描述语言”来提供更强的灵活性。
    ②由美国联邦通讯委员会(Federalommuicaions Comson FCC)提出认知无线电具有 和环境进行交互的能力,可以自适应地改变自身的发射机参数和其他设置而无须改变调里其硬件的一种新型无线电通信平台。
    ③由Simon Haykin提出:认知无线电是一个对周围环境进行感知的智能系统,内部的节点和网络可以通过对环境的学习自适应地调整工作方式和状态、避免对其他系统的干扰。
      认知无线电技术的基术思想是:当某些已授权频段没有授权用户(Primary User,PU)使用或者只有非常少量的通信业务的时候,网络中具有认知功能的未授权用户,我们称之为认知用户(SecondaryUser, SU),就可以按照某些方式对这些已授权频段进行“伺机”(OpportunisticWay) 接入。在这个过程中,认知用户不能对授权用户的通信产生影响,在这个前提下实现频谱共享, 并且达到高效利用无线频谱的目的,最终完成整个无线通信过程。其中,分配给相应频段的使用者叫授权用户或主用户。
      采用认知无线电技术的通信节点可以独立或与现有网络共同构成认知无线电网络。而无线认知自组织网络相对于基于基础架构的认知无线电网络而言,最大的区别就在于它并不需要硬件基础网络设施的支持,便能快速构建起一个移动通信网络。下面将具体介绍两种无线认知自组织网络,即认知无线Ad Hoc网络和认知无线Mesh网络。

    (1) 认知无线Ad Hoc网络

      认知无线 Ad Hoc网络是一种分布式的多跳网络,它将认知无线电技术应用到Ad Hoc网络中。在这种方式组成的网络中,所有节点地位平等,无须设置任何控制中心。 认知节点以自组织、多跳方式组网,这种网络没有基础架构的支撑,网络节点既能通过无线的方式直接相互通信,又能协助其他网络节点完成相互通信。此网络中主用户及次用户共存。主用户对频谱使用具有高的优先级,次用户装备感知周围环境的设备,选择当前的空闲频谱作为可用频谱,进而提高频谱利用率。
      如图1-3所示,在认知Ad Hoc网络模型场最下,所有非授权用户即次用户节点不仅可以自由组建网络,而且都只有路由器的功能,辅助不在通信范围内的节点实现通信。而主用户则始终存在于由次用户组建的认知Ad Hoc网络之间,可以随时占用这些节点使用的频谱。图1-3中的三个用户1-3是授权频谱用户(主用户), 而用户4-14是非授权用户(次用户),次用户4~14通过自组织构成了认知Ad Hoc网络,该网络以认知方式机会性地占用主用户1、主用户2和主用户3所在的无线频段。
    在这里插入图片描述
      在认知无线Ad Hoe络中,当两个次用户在彼此传输范围之内时,需要次用户之间具有相同的可用频谱才能进行通信,由于次用户所使用的频谱可能不一致、不稳定,在无线认知Ad网络中,不能使用传统的路由协议,须设计符合无线认知Ad Hoc网络特性的路由协议。
      因为认知无线Ad Hoc网络是由Ad Hoc网络发展而来,故它仍保留着Ad Hoc网络的一 些特点:它们都属于分布式自组织网络,拥有多跳和移动等特性;它们均为对等式网络,网络中的节点均可以随时接入和离开,任意一个节点出现故障都不会影响整个网络的正常运行;网络中的每个节点都具有路由和转发功能,且网络拓扑结构随时发生着动态变化等。
      但与AdHoc网络相比,认知无线Ad Hoc网络中的频谱资源会随着主用户的忙闲状态而产生相应的变化,故它们的区别主要体现在如下四个方面:
    ①通信频谱可变性。Ad Hoc网络中的用户只要在通信的开始阶段从一系列频谱中按照特定的频谱选择机制确定其通信信道即可,这个选择过程不受授权用户状态的影响。而在无线认知Ad Hoc网络中,授权用户对网络中的可用通信频谱影响极大,当授权用户需要通信时,认知用户必须无条件退出占用的频段,这时网络中的频谱资源已经发生了改变,认知用户若想要继续通信,就必须重新进行频谱感知和接入。
    ②拓扑信息收集困难。Ad Hoc网络中,节点通常会在信道中周期性地进行广播,以此来收集需要的拓扑信息。但是,无线认知Ad Hoc网络中授权频谱的存在范围一般较广,所以通过信道广播来收集拓扑信息的方式是不现实的。因此,无线认知Ad Hoc网络的拓扑信息收集过程较为困难,并且由此引发的认知用户对授权用户的干扰问题以及不同认知用户之间产生冲突的问题也很严重。
    ③多信道的频繁切换。相对于Ad Hoc网络,无线认知Ad Hoc网络的频谱资源范围较广,并品因为报权用产使用频语的随机性,使得可用顿洪资源在时间和空间上也存在者较大的不确定性。在无线认知Ad Hoc网络中,认知用户在多跳通信过程中很容易产生频谱切换的问题,因此,无线认知Ad Hoc网络需要对路由协议处理和频谱分配过程进行协调,以尽量减少信道间不必要的切换。
    ④授权用户导致的路由失效。在Ad Hoc网络中,用户是否因为自身的移动导致了所选路由失效,下一跳会通过检测无回应信息的限制次数来发现该情况是否发生。而在无线认知Ad Hoc网络中,导致路径不通而无法进行通信的原因不仅仅在于用户的移动性,还在于授权用户对信道的占用。因此,当使用选择好的路径无法进行通信时,用户应该首先确定是自身的移动性还是频谱资源被占用而导致的, 然后再采取相应的恢复策略来保障通信的正常进行。

    (2) 认知无线Mesh网络

      频谱资源的日益紧缺及浪费,已经成为无线网络发展的瓶颈。为此,多数无线网络中都引入了认知无线电(Cognitive Radio, CR)技术。无线Mesh网络是一种新型的无线接入网络。藏但是由于网络密度的逐渐增大 和网络吞吐量的不断增加,无线接入网络需要更高的容量来满足这些需求。因此,基于认知无线电技术与无线Mesh网络架构各自的显著优点,将认知无线电那出与无线 Mesh网络相结合,可以建立种具有认知能力的新型的无线网络, 这就是认知无线Mesh网络。认知无线Mesh网络是指应用无线电技术,具备认知能力、可重配置和自组织等能力的无线Mesh网络。
      除了具有无线Mesh网络的可靠性强、可扩展性强、覆盖范围大、频谱效率高等优点外,由于采用先进的认知无线电技术,认知无线Mesh网络呈现出与传统的无线Mesh网络不同的特点。在认知无线Mesh网络中,各个节点应该能够感知环境(认知能力)、分析和学习感知到的信息(自组织能力)和适应环境(可重配置能力)。
    **①认知能力。**认知无线Mesh网络具有提供环境信息和决策依据的认知能力,包括频谱感知、频谱分析和频谱决策3个循环步骤。通过频谱感知从环境中获取信息,得到影响系统性能的环境数据;通过对感知数据进行频谱分析提出对物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层的优化决策:用户根据网络需求和应用相关信息,结合频谱决策来指导调整认知无线Mesh网络使其达到最优化。其中,频谱决策不仅要考虑带宽,延时等因素,还要考虑主用户行为及次用户业务类型,从而帮助次用户在候选信道中选择最佳的信道传输业务,认知能力保证了认知无线Mesh网络能够实时捕捉无线环境的变化、并依据变化采取合适的通信参数,优化网络各协议层和设备之间的协作。
    ②可重配置能力。认知无线Mesh网络具有可和配能能力,认知Mesh设备可以根据环境认知结果和用户需求动态调整传输参数,如工作领率,调制方式、传输功事、通信协议等,以达到最优化自身性能来支持用户需求,而不首要任何的硬件改动,

    ③自组织能力。由于认知无线 Msh网络的频造动态性和身构性,路电和拓扑状况变得更加复杂。认知无线Mesh网络具有自组织能力,利用优越的顺道价理方深和路由选择机制,方便节点接入网络和发现邻居节点,这样有助于网络的自动建的和恢复,
      另外,异构的认知无线Mesh网络还必须具有安全性管理机制。
      认知无线Mesh网络能够部署成基础模式、终端模式和混合模式3类网络结构:以满足不同的需要。
    ①基础模式结构。该模式分为三层,如图1-4所示,静态的认知Mesh路由器构成无线网络框架,组成骨干中继网。认知Mesh路由器可以为认知Mesh终端和传统终端提供接入服务,也可以作为一个无线中继站将相邻认知Mesh路由器的流量转发到网关。具有网关和网桥作用的认知Mesh路由器可以实现与其他网络,如因特网、蜂窝网、WLAN, WiFi等的互连。这样的无线多跳骨干网络为不同的无线通信系统之间的集成提供了灵活性,可以部署各种宽带无线技术;而且可以通过逐步部署,设置更多的网关来提高网络的可靠性,当某个网关出现故障,可以经其他路由和网关完成其数据的转发任务。
    在这里插入图片描述
    ②终端模式结构。终端模式结构实际上是一种Ad Hoc网络结构模式,如图1-5所示。网络中的终端节点为对等结构,采用相同的网络协议。认知Mesh终端通过自配置连接形成一个点到点的网络,终端具有路由和信息转发功能,没有网关和网桥功能。两个无法直接通信的终端可以建立多跳路由发送数据、节点可以往意移动,网络招扑结构动态变化。
    在这里插入图片描述

    ③混合型结构,混合型结构是基础模式结构和终端模式结构的结合,如图1-6所示,具
    有路由和转发功能的认知Mesh终端之间可以通过自组网方式互连,也可以通过认知Mesh路由器进行连接。混合结构可以提高网络的覆盖范围和网络的连接性,减少所需的路由器数量,降低网络成本。

    在这里插入图片描述
      总之,认知无线Mesh网络通过将认知无线电与无线Mesh网络融合,使其不仅具有无线Mesh网络的自组织、自愈、多跳等特性,而且还兼具认知无线电动态频谱、网络认知与工作参数自适应调整、学习并实现最优动态组网与通信的能力,使其具有可靠性高、健壮性强、成本低、频谱使用效率高等诸多优点,相对传统无线Mesh网络而言,认知无线Mesh网络具有更加广阔的应用前景。

    3.多跳卫星网络

    4.水声传感器网络

    5.无线体域网

    在这里插入图片描述

    1.3无线自组织网络路由协议基础

      在无线自组织网络中,路由是指把信息从源穿过网络传递到目的地的行为。路由协议则是实现路由的一种规约,是路由器之间实现路由信息共享的一种机制,它允许路由器之间相互交换路由信息和维护各自的路由表。路由协议工作在网络层,负责收集关于网络当前状态的数据井寻找最优传输路径。根据这些数据,路由器就可以创建和维护路由表以便以后的数据分组转发。由于无线自组织网络中节点间的相互通信是通过多跳路由来实现的,而这种多跳的通信方式又必须依靠路由协议的设计,因此路由协议是无线自组织网中不可或缺的一部分,它的设计方法与实现原理对于网络的性能起着极其重要的用。

    1.3.1传统无线自组织网络路由协议研究现状

      路由协议开发是无线自组织网络研究领域最具挑战性的工作之一,除了必须适应无线信道特性以外,还须面临网络环境与网络拓扑变化无常、节点资源有限等问题,并需要特别考虑无线通信物理层和MAC层特性对网络层的影响。
      早期的无线自组织网络路由技术研究仍然承袭了来自固定网的基本思路, 把路由查询建立在对全网路由信息精确掌握的基础之上,并将控制平面与数据平面分离。但由于无线自组织网络稳态持续时间很短,有时甚至在很长时间内无法进入稳态,因此早期的研究者不得不面对这样一种困境:提高拓扑信息更新的速度必然引起巨大的网络开销及频繁的路由震荡,而要克服这两个问题又必须以牺牲路由选择的准确性为代价。尽管此类研究的最终结果并不理想,却有助于人们认识无线自组织网络中路由查询所面临的主要问题。
      目前在 无线自组织网络的路由技术研究领域有两种主流的设计思路。
      (1)仍然将控制平面与数据平面分离,但不保证路由表具备100%的准确性和实时性,这一类型的协议包括区域路由协议(Zone Routing Prolocol, ZRP)、 基于鱼眼技术的先验路由协议(Fisheye State Routing, FSR) 等。
      (2) 将控制平面与数据平面融合,以数据流触发路由查找过程,以提高路由查询开销为代价换取路由信息的实时性,代表性的协议有按需驱动距离矢量路由协议(Ad Hoc On-DemandDistance Vector Routing,AODV)、动态源路由协议(Dynamic Source Routing Potocol, DSR)等。

    1.3.2无线自组织网络路由协议设计条件与要求

      在无线自组织网络中,路由协议的设计方法与实现原理对于网络的性能起着极其重要的作用。该类网络中节点间的相互通信是通过多跳路由来实现的,而这种多跳的通信方式则必须依靠路由协议的设计。无线自组织网络的典型特点是,其中的每个节点拥有双重身份,既是主机,也是路由器。一般无线网络中采用的路由协议具有的共性是,路由更新会导致节点能量和网络带宽大量的周期性消耗。路由建立更新过程对拓扑变化的收敛比较慢,不能满足无线自组织网络的要求。同时,由于网络中的路由信息都是分布式地存储在网络中的各个节点上的,因此,无线自组织网络中的路由协议还要保证这种分布式存储的信息能够适应网络的动态变化。无线自组织网络路由协议的设计还需要综合考虑业务需求、网络能力、自组网的特点等因素,以实现路由协议的基本功能。其中,业务需求决定了路由协议的设计目标,针对不同的业务需求人们从不同的角度设计了多种类型的路由协议;网络能力影响路由协议的优化策略,不同的网络对于协议的支持不同,使得协议的优化策略不同。自组网本身的特点决定了自组网路由协议具有一些独特的关键技术问题,如网络拓扑结构的动态变化将造成路由环路,导致路由失效;无线传输带宽有限带来控制开销优化问题;移动节点的能量有限带来节能问题;在某些条件下节点地理位置信息已知的特点引入路由协议和定位技术的结合问题。

    1.无线自组织网络路由协议设计要求

      由于无线自组织网络具有动态拓扑、带宽有限、终端受限、存在单向信道等特点,对在其上运行的路由协议便提出了许多具体而严格的要求。
    ①变化的网络拓扑的要求。路由协议必须具备对网络拓扑变化快速反应能力,计算路由时收敛迅速,获取有效路由,尽量避免路由环路的发生,提供方便简单的网络节点定位方法。
    ②通信复杂度和节能的要求。创建降低路由请求频率、分组等待延时和协议开销的路由机制,降低通信复杂度,有效利用带宽资源,降低控制管理开销,减少发生时间和发生数据量,节约有限的资源。
    ③安全性要求。改进常规的安全机制,如使用合法密钥进行路由信息数字签名,降低遭受攻击的可能性。理
    ④在网络服务质量(QoS)支持上要求。动态配置网络资源,获得较高的数据传输效率,保证多媒体业务 传输质量,保证单跳及多跳路径上的QOS等。
    ⑤收敛迅速。 自组网的拓扑结构是动态的,随时处于变化之中,这就要求路由协议必须对招外的变化具有快速反应能 力,在计算路由时能够快速收效,及时获得有效路由,过免出现目的节点不可达的情况
    ⑥提供无环路由。无论对有线网络还是无线网络,提供无环路由都是对路由协议的一项基本要求。但在无线自组织网络中,由于拓扑结构的动态变化会导致大量已有路由信息在短时间内作废,从而更容易产生路由环路。在无线自组织网络中提供无环路由就显得尤为重要而且更难做到。
    ⑦避免无穷计算。经典的距离矢量协议在某条链路失效时,有可能出现无穷计算的情况。无线自组织网络中,链路失败是经常发生的,这就要求在无线自组织网络中运行的路由协议必须能够避免无穷计算。
    ⑧控制管理开销小。无线自组织网络中无线传输带宽有限,传送控制管理分组不可避免地会消耗掉一部分带宽资源。为了更有效地利用宝贵的带宽资源,需要尽可能地减小控制管理的开销。
    ⑨对终端性能无过高要求。无线移动终端使用的可耗尽能源、CPU性能、内存大小、外部存储容量等都低于固定的有线终端。因此,在无线自组织网络中不能对终端性能要求过高。有线网络中用计算的复杂度来换取路由协议性能的做法,在无线自组织网络中不再适用。
    ⑩支持单向信道。在无线自组织网络中,经常有可能出现单向信道,支持单向信道也是对路由协议的要求之一。

    11、尽量实用简单。 简单有助于提高可家性,简单有助于减少各种开销,在实现路由功能的前提下,力求简单,应是改计无战自组织网络路山外议的原则之

    2.无线自组织网络路由协议的路由判据

      路由判据是路由协议的一个重要组成部分,是用来评价一条路径优劣的依据。路由判据是指路由参数、权重或与链路和路径相关的值,通过计算找到源节点和目的节点间开销最小或权值最小的路径,从而决定选用哪条路径。
      无线网络中的经 典路由判据主要有最小跳数、路径稳定性、链路质量等。
      其中, 最小跳数判据只考虑了路径长度,而没有考思路径中的链路质量, 且以跳数作为路由判据时,会使路由上某些节点的负载过重,形成一些“热点区域”,在这些区域内的节点特别繁忙,要为多个业务流转发数据包。而周围区域内的节点由于处理的数据量很少而相对空闲。在“热点区域”内可能出现网络拥塞现象,导致经过该区域的数据包有较大的延迟,甚至被丢弃,同时节点负载重会导致能量快速消耗而死亡,而此时空闲区域的节点还有较高的能量,这会严重地影响网络的寿命。显然最小跳数路径并不一定是最优路由。
      基于路径稳定性的路由协议建立的路径具有较强的网络鲁棒性,能够有效地减少数据传输过程中链路中断次数,从而有效地提高网络的性能。现在主要有以下三类路径稳定性的判定方法。
    ①节点位置法。节点位置法通过数据分组中携带GPS定位信息,来预测邻居节点间的链路有效时间。在路由选择过程中,选择链路有效时间最长的节点。显然,该方法需要GPS硬件的支持。ODMRP144)通过GPS硬件来获取节点位置,并借助计算公式来预测链路的有效时间,Dongkyun Kim等人49在路由选择过程中,通过GPS硬件获取位置信息并结合节点的无线传输距离来选择有效时间最长的链路。
    ②节点接收信号强度法。通过节点接收到的信号强度来预测链路的稳定性。在路由发现过程中,当节点接收到路由请求分组时,首先判断该分组的信号强度是否大于指定的门限值,如果大于则转发,否则丢弃。
    ③累计统计法。例如,NCR-AODV路由协议通过节点周期性地发送Hello分组来获知与邻居节点的连通性,节点记录不同时时段内的邻居节点集合,通过邻居集合并集与邻居集合交集的比值来计算邻居节点的变化率,两者的比值越大表示节点的局部拓扑变化越慢,比值越小表示节点的局部拓扑变化越激烈。在路由选择过程中,尽量选择局部拓扑变化缓慢的节点,同时通过节点邻居变化率累乘的方法来减少链路的跳数: ABR(Area Border Router)用链路的关联度来表示链路的稳定程度。链路关联度通过节点收集到的信标数目表示。网络中的所有节点保存和维护一张信标表,当节点收到邻居发送的信标时,就会更新自身的信标表,在信标表里添加一条该信标发送节点的联合条目。当邻居节点离开了本节点的通信范围,则删除信标表里该邻居点的信标条目,关联度反映了节点局部拓扑的稳定程度,关联度越高则稳定度越高,反之则稳定度越低。
    .  基于路径稳定性的路由协议虽然能够从多个路径中选择一条较为可靠的路径,通过减少链路中断的概率来获取比最短跳数路径更优的路由,但这种度量并不适合节点移动速度较快、拓扑变化激烈的网络。另外,无论是基于跳数的还是若于路径稳定性的路由判据都没有考虑链路质量,使得选择路径中存在着某些“热点区域”,这些区域的节点会使大量的分组得不到及时地处理而堆积在节点缓存区,从而使得节点能是急迷消耗,并增加了数据分组在节点的停留时间,导致网络平均端到端时延的增加。
      链路质量包括带宽、分组丢失率和湍到端时延停。现有的反映链路观量的参数主要有RTTR。(Round Trip Time).、ETX (ExpetedTasmission Count)、ETT(Expecred Tasmssioni Time)、mETX(nodifed ETX)等。RTT表示数据包在相邻两节点间的往返传输时延,网络中的所有节点周期性地在一跳范围内广播带有时间戳的探测数据分组。接收到该分组的邻居节点回复确认信息,这样节点就能够计算出到邻居节点的往返传输时延。单RTT存在“自干扰”问题。
      所谓自于扰是指探测分组的发送可能会因节点的繁忙而增加排队时延或退避时延,造成网络吞吐量下降和端到端时延的增加。ETX 表示数据包成功传输时的期望发送次数。
      以ETX为路由判据具有高吞叶量和高效率的优点,但ETX具有如下缺点:
    ①ETX无法在流量负载很高的情况下有效工作,当流量负载很高时,探测分组可能被丢失或排队。
    ②为探测分组加入一个单独的队列会导致无法与流行的MAC协议和路由协议同时使用。
    ③当节点移动时,可能造成下层的路由协议重新配置路径,影响了ETX的计算或影响了
    给邻居节点发送正确ETX值的通信,使得某些时间段ETX的计算不准确。R.Draves 等人在ETX的基础上提出了ETT,即期望传输时间。ETT综合考虑了链路的丢包率和实际传输速率,因此可以为上层提供一个较为真实的信道质量度量。但由于上述参数是一个平均值,对整个信道的动态变化反应并不灵敏。为解决上述问题,mETX通过计算这些变量的方差以反映信道质量的动态特性,来弥补ETT对信道的动态变化反应不灵敏这一方面的不足。
      综上所述,自组织网的路由协议设计需要综合考虑网络能力、自组织网的特点和运行环境、路由协议基本功能等诸多因素。

    1.3.3 无线自组织网络路由协议的类型

      无线自组织网络路由协议依据接收业务数据的目的节点个数、 通信模型、路由发现策略、是否使用GPS (Global Psitioing System)等提供的定位信息、网络所采用的拓扑结构、单个源一目的节点对创建路由的数量等不同的标准,分类方式也各不相同。

    1.根据接收业务数据的目的节点个数的不同进行分类

      根据接收业务数据的目的节点个数的不同,无线自组织网络路由协议可分为单播路由协议、组播路由协议、选播路由协议和广播路由协议
      单播是指单个源节点与单个目的节点之间传送信息的一种通信方式。单播路由协议是通过路由器将到网络上某位置的通信从源主机转发到目标主机。现在研究较多的还是单播路由协议。例如路由消息协议( Routing Information Protocol, RIP)、表驱动距离向量路由协议(DynamicSource Routing Protocol, DSDV)、 按需驱动距离矢量路由协议(Ad Hoc On-Demand DistanceVector Routing, AODV) 等。
      组播是指源节点和目的节点之间一对多或者多对多的致力于面向群组计算的通信方式,它使用单一的目的地址把数据发给一组主机。组播路由协议是实现组播的基础,其功能主要是形成一定的机制(如构造组播分发树或形成组播网络等)来完成组播路由任务。根据通往组成员的路由产生方法的不同,无线自组织网络组播路由协议又可分为基于树的组播路由协议、基于网格的组播路由协议、混合的组播路由协议、无状态组播路 由协议、地理组播路由协议。
    ①基于树的组播路由协议一般包括两个过程:组播树形成和组播树维护。典型协议有利用递增序号的组播路由协议(Ad Hoc Multicast Routing Protocol utilizing Increasing Id-number,AMRIS)、按需距离适量的组播路由协议(Multicast Ad Hoc On-demand Distance Vector Protocol,MAODV)等。
    thge②基于网格的组播路由协议是把数据分组以广播的方式在网络中传输,一 般包括两个过程:加入组播网格和维护组播网格。典型的协议有按需组播路由协议(On-Demand MulticastRouting Protocol, ODMRP)、核心辅助的网格协议(Core-Assisted Mesh Protocol, CAMP) 等。
    ③混合组播路由协议是充分利用树结构和网格结构各自优点,在网格结构基础上构建组播树,一般包括建立网格和建立组播树两个过程。典型的混合组播路由协议有AdHoc组播路由协议(Ad Hoc Multicast Routing Procol AMRoute 等,
    ④基于树和网格的组播方式在创建和维护分发树和网格时都有时间上的开销,而在无线自组织网络环境中,移动节点的频繁移动又使得维护分发树和网格的开销显著增加。为了使这个问题的影响减至最小,源节点在分组头部明确列出目的地址的无状态组播方式被提出。这种方式主要针对小型组的组播,并假定由底层的路由协议根据分组头部包含的地址来负责把分组转发到各个目的节点。无状态组播路由协议主要是DDM (Diffcrential Destination Multicast)协议。
    ⑤地理组播路由协议指使用网络节点地理位置信息的组播路由协议。在地理组播路由协议中,节点地理位置的邻近程度替代了原来的网络地址,泛洪法得以使用,但它受到源节点位置和组播区域的限制。地理组播路由协议有LBM (Location-Based Multicast) 和MBGR(Mesh-Based Geocast Routing)协议等.
      选播(Anycast)意味着“在一个源客户端和用同一个地址(选播地址)标识的多个目的服务器中最近者之间的分组流”。它的具体含义包括:名个服务器可以用同一个选播地址表示,通常提供同样的服务;希望得到这种服务的节点能够自动地与最近的服务器相连(如何相连由选播路由确定)。对于网络资源有限的网络(如移动Ad Hoe网络)来说,将分组转发到“最近”的节点不仅可以减少分组转发的跳数而且可以节省功耗、节约带宽和减少分组碰撞的可能。目前已提出的选播路由协议有A-DSR、A-AODV等。
      广播是一种将信息发送给除本节点以外所有其他节点的通信方式。 目前,广播路由协议可以大致上分为四类:泛洪、基于概率的广播协议、基于区域的广播协议和基于邻居信息的广播协议。其中,泛洪是使每一个收到消息的节点把消息再广播给它的所有邻居节点(发送消息给它的节点除外);基于概率的广播协议是当节点收到消息时,并不一定转发消息,而是以一定的概率转发消息:基于区域的广播协议是如果知道节点的位置信息和节点间的距离信息,就可以减少转播的次数,减少网络开销。节点的位置信息可以通过GPS接收设备获得,节点间的距离信息可以通过测距装置得到或通过测量无线信号的强度来估算:基于邻居信息的广播协议是一种利用邻居信息的最小连通支配集的分布式近似协议,它能大量减少重复的广播消息,有效地解决广播风暴问题,具有较好的可伸缩性。

    2.根据通信信道数量的不同进行分类

      根据通信信道数量的不同,无线自组织网络路由协议可以分为 单信道和多信道路由协议
      在单信道条件下, 整个网络中所有节点使用同一个信道进行通信,但是单信道不仅限制了通信容量,也造成了相当大的资源浪费大多数协议都是基于单信道的。例如按需路由协议(OnDenand)和表驱动路由协议(Table Driven),它们都是单信道路由协议,
      多信道则是在网络中有多个信道,相邻节点可以使用不同的信道来进行通信。多信道的采用不仅可以充分利用无线资源提高州络的容示,也提离了数据传输速率,为了允分利用无线资源以提高网络的容量,多信道路由协议在传统路由协议基础上进行相应的改进以适应多信道网络环境。例如混合路由协议(Hybrid Wireless Mesh Protocol, HWMP)、 多信道路由协议(Multi-Channel Routing Protocol, MCRP)、多射频链路质量源路由协议(Multi-Radio Link QualitySource Routing, MR-LQSR)。

    3.根据路由发现策略的不同进行分类

      根据路由发现策略的不同, 无线自组织网络路由协议可以分为主动式路由协议、按需路由协议和混合路由协议
      主动式路由协议也被称为表驱动 (Table Driven)路由协议先应式路由协议在主动式路由协议中,网络中每一个节点都要周期性地向其他节点交换路由信息,并且每一个节点都要保存路由表。当网络拓扑结构发生变化时,节点就在全网内广播路由更新信息,这样每一个节点就能连续不断地获得网络信息。常见的主动式路由协议有表驱动距离向量路由协议(DynamicSource Routing Protocol, DSDV)、基于鱼眼技术的先验路由协议(Fisheye State Routing, FSR)、全局状态路由协议(Global State Routing, GSR)、分级状态路由协议(Hierachical State Routing)。
      按需路由协议也叫被动式路由协议反应式路由协议。按需路由协议 仅在需要路由时 才由源节点来创建,因而拓扑结构和路由表内容是按需建立的,通信过程中维护路由,通信元毕后便不再进行维护。通常按雷路由包括3个过程:路由发现、路由维护和路由拆除,常见的按需路由协议有动态源路由协议(Dynamic Soure Rouing Pocol. DSR)、 按需驱动距离矢量路由协议(Ad Hoc On-Demand Disatce Vecor Rouing, AODV)、 临时路由面求协议(Temporlly Ordered Rouing Algorihm. TORA)、基于关联性的路由协议。
      无线自组网中单纯采用主动式或按需路由协议都不能完全解决路由问题,因此,许多学者提出了结合主动式和按需路由协议优点的混合路由协议。混合路由协议在小范围局部区域内使用主动式路由协议,局部区城间则采用按需路由协议。这样可将主动式路由协议的周期性广播限定在一个局部区域内,从而减轻因全网广播带来的路由负荷,实现了按需路由协议和主动式路由协议强弱互补,具有相对低的带宽消耗和路由发现延迟。例如,HWMP (Hybrid WirelessMesh Protocol)协议,它是将反应式路由协议和基于树状拓扑的先验式路由协议相结合的综合性路由协议、AODV与OLSR混合路由协议AOHR (AODV and OL SR Hybrid Routing)等。

    4.根据是否使用GPS等提供的定位信息进行分类

      目前,存在着一些比较成熟的定位技术,如GPS、北斗定位系统等,可以为无线自组织网络中的节点提供地理位置信息。根据是否使用GPS等提供的定位信息,无线自组织网络路由协议 可以分为地理定位辅助路由协议和非地理定位辅助路由协议
      在无线自组织网络中,定位信息可用于定向路由,统一的时钟可以实现全局同步。相关研究已表明,地理定位信息能够提高路由性能。大多数路由协议可以借助GPS等位置信息进行改进。目前,地理定位辅助路由协议主要有地理辅助路由协议(Location-Aided Routing Pocol,LAR)、移动距离效应路由协议( Distance Routing Effect Algorithm for Mobility, DREAM)、贪婪型转发和沿周边转发路由协议( Greedy Perimeter Statcless Routing, GPSR)等。

    5.根据网络所采用的拓扑结构的不同进行分类

      根据网络所采用拓扑结构的不同,无线自组织网络路由协议 可分为平面路由协议与分级路由协议。
      对于平面路由协议,其网络的拓扑结构是平面结构,源节点与目的节点之间会存在许多条可用的路由。由于所有节点地位对等、功能相同,且节点之间的通信是由网络中所有的节点共同协作完成,所以平面路由协议是完全分布式控制,可靠性高,能缓解网络出现局部拥塞问题。平面路由协议包括所有的主动路由协议和按需路由协议。
      对于分级路由协议,其网络的拓扑结构具有层次性,即把节点划分为不同的集群并对群内外的节点指定不同的功能。分级路由的主要目的有两个:一是减少参与路由计算的节点数,减少节点路由表的尺寸,降低交换路由信息所需的通信开销和维护路由表所需的内存开销:二是通过某种集群形成策略,产生-一个较为稳定的子网络,减少拓扑结构变化对路由协议带来的影响。分级路由协议主要有GSR (Global State Routing Protocol)、DDR (Dial on-Demand Routing)、HSR (Host Specific Routing Protocol)等。

    6.根据单个源目的节点对创建的路由数量的不同进行分类

      根据单个源- 目的节点对创建的路由数量的不同, 无线自组织网络路由协议 可分为单路径路由协议与多路径路由协议。
      单路径路由协议在一次路由发现过 程中只得到条路径,任意通信节点对之间使用一 条路径来路由数据包。因此它可以节约存储空间,但数据通信量少,如按需驱动距离矢量路由协议(Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing, AODV).
      而多路径路由协议在一次路由发现过程中在源和目的节点间选择多条路径,分组沿着其中条或多 条路径传送数据,从而减少路由发现次数,可以充分利用多条链路的冗余,提高整个系统的投递率,降低控制开销与端到端延时,增大信息得融合的机会。例如Ad Hoc按需多径距离矢量路由协议(Ad Hoc On-Demand Mulipath DistanceVector, AODMV),分离多径路由(SplitMultipath Routing, SMR)等。

    7.根据节点上装备的无线网络接口设备的数量不同进行分类

      根据节 点上装备的无线网络接口设备的数量不同,无线自组织网络路由协议 可分为单接口路由协议和多接口路由协议。
      在单接口方式中, 每个节点只配置有一个无线NIC(Newvork Interface Card)。单接口路由协议以最短路径作为路由准则,忽略了节点之间的干扰和节点自身的负载度,并不能很好地发挥多接口的功能,如单收发器多信道路由协议(Mult-ChannelRouting Protocol, MCRP)。
      在多接口方式中, 每个节点配置有多个NIC,**一个节点可以同时使用多个信道并行发送 和接收数据,多接口的好处就是发送和接收数据可以并行进行,大大降低了端到端的传输时延,端到端带宽也能行到大幅提高。**多接口路由协议解决了单般口路由协议出现的按照最小跳数获得的路径,但并不意味着该条路由在性能上是最优的长度,还需要考总链路的干扰以及节点负载度的问题,如MI-DSR协议(Mult-Interface Dynanic Source Routing)。

    1.3.4无线自组织网络路由协议的应用与发展

      伴随着无线 自组织网络的出现, 无线自组织网络路由协议也走过了数十个春秋。但至今在无线自 组织网络路由方面仍存在不少未解决的问题,人们仍对无线自组织网络路由协议投入大量关注。

    1.无线自组织网络路由协议的应用

      路由协议是无线自组织网络的关键技术,也是研究热点,在实际工作和生活中无线自组织网络路由协议得到了越来越多的应用。现将主要的几种无线自组织网络的路由协议实例应用做简要举例介绍。
    ①移动AdHoc网络方面。在移动Ad Hoc网络路由协议中,表驱动路由协议采用周期性发布路由信息和节点内部查找路由的操作,在实际中得到了很好的应用,例如,广泛应用于生产线监控、水点气管线监测等工业及民用领域的CFDA elarltldrreietsisitalacess就是一种无线数据采集系统, 它采用了无线自组织网络的多跳数据传输技术,并且考虑到在CFDA
    应用中,每个CAC Cellular Access Center)和DAU (DitributedAccess Unit)经铺设,其地理位置就固定不动。为提高系统效率和性能,采用了表驱动式路由协议。
    ②机会网络方面。在机会网络路由协议中,应用和研究较为广泛的是基于复制的路由协管重 议。 其中最为典型的就是基于传染的路由协议,如康奈尔大学设计的SWIM Shared WirelessInfostation Model)模型,它结合Infostation模型与AdHoe技术,利用基础设施的基于传染的路由协议而设计。该模型允许移动节点之间相互通信,用于监测鲸鱼的活动,利用在鲸鱼身上安装的特殊Tag.定期地收集监测数据。
    ③无线传感器网络方面。 LEACH协议作为当前无线传感器网络中流行的路由协议之一,它得到了广泛的研究和应用。例如,为了保证井下操作人员的安全和感知通信传感网络的稳定而建设的感知矿山物联网,其煤矿井下的无线传感器网络采用的是LEACH协议。这是因为传感器节点既要负责收集监测数据,又要完成数据传输等功能,并且煤矿井下大多为长带状分布的有限空间,所以为了煤矿井下操作人员的安全,在人不能或不易到达区域布置的传感器节点的电源不能更换,使得传感器节点的能量消耗和生命周期变得尤为重要。而LEACH协议具有很多优点,其应用于通信传感网络中较为稳定。所以,煤矿井下的无线传感器网络采用了LEACH协议; ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗、低速率、低成本的无重线通信技术, 主要适合用于自动控制和远程监控,在工业、农业、军事、医疗等领域有广阔的应用前景。例如,丹麦电力市场上的领头羊一-NESA 公司,于2005年年底开始在欧洲些城市实施了基于Zigbee 的自动抄表系统,这是Zigbee技术在AMR系统中的首个大型和成熟的应用。
    ④无线Mesh网络方面。无线Mesh网络路由协议作为一种技术,其研究的最终目的是实现产品化。例如,PWRP (Predictive Wireless Routing Proloco)是由Tropos公司开发的应用于“WIFi蜂窝网络户外系统”的私有路由协议。该协议选择了可以达到最大吞吐量的路径来传输到有线网关的信息,故路由开销小,并减少了射频干扰、路径故障及业务找何等因素的影响,非常适用于大规模的无线网络。

    2.无线自组织网络路由协议的发展

      在关于无线自组织网络的各个方向的研究中,路由协议的相关研究一直占有重要的比重。1996年Internet工程部(Internet Engineering Task Force, IETF) 成立了一个移动自组织网络工作组,其主要目标就是针对无线自组织多跳网开发-种基于IP协议的路由机制,使得IP协议扩展到这种自组织的、快速移动的无线网。IETF于1997 年成立了专门的研究组-一MANET组,针对MANET开发基于IP协议的路由机制并解决与网络层相关的技术问题。在2000年下半年公布了一系列MANET路由协议草案,如DSDV、AODV, TORA、DSR、OLSR等。互联网研究专门工作组IRIF (Internet ResearchTask Force)创建了DIN研究组DINRG (DelayTolerant Network Research Group)。该研究组针对端到端无可靠性连接的极端环境下如何解决体系结构和协议设计等问题进行研究,并最终提供可互操作的通信。
      目前,普遍得到认可的代表性成果有AODV、OLSR、ZRP、DSR、DSDV、WRP、TORA和LAR等路由协议。但近年来,随着无线通信技术的飞速发展,无线自组织网络路由协议也出现了多种新的技术。例如,以无线自组织网络为应用环境的基于跨层优化的路由协议;将网络编码应用于无线Ad Hoc网络路由中,用于改善组播和单播路由性能的路由协议;为了构建绿色网络建立绿色路由而设计的节能路由协议;充分利用无线信道的广播特性来提高吞吐量和传输可靠性的机会路由协议;为了对无线自组织网络中可能存在自私节点的自私性进行抑制而设计的基于博弈论的无线自组网路由协议;用于求解优化问题的粒子群优化技术;为了从根本上解决无线传感器网络节点供能问题而提出的自供能技术:为了简化接入层和汇聚层的物理层次,使得网络朝着简单明晰的结构发展而提出的网络层次扁平化技术;利用节点的社区属性信息来提升路由性能的移动社会网络路由协议等。本书第7章将会对无线自组织网络路由协议设计新技术做出详细介绍。
      总之, 随着科学技术的发展和人们不懈的学习研究,无线自组织网络的路由协议得到了飞速发展。但是我们应该意识到,无线自组织网络的路由协议研究是一个比较复杂的问题,要想真正实现令人满意的路由协议和机制还需要我们不断的探索和研究。

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空空如也

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动态网络组织结构的优点