移动自组织网络

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移动自组织网络(mobile Ad hoe network，MANET)

　　移动自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。

　　移动自组织网络在结构上具有以下一些主要特征：

　　动态拓扑：即网络中的节点可以任意移动，因此，网络的拓扑结构也可能会变化；

　　链路带宽受限、容量时变：由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量也随时间变化，因此与有线网络不同，它的链路容量表现出时变的特征；

　　动力受限：由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池为动力，因而，在进行系统设计时，节能就成为一个非常重要的指标；

　　物理上安全有限：移动网络比固定网络(有线和无线)更易受到安全威胁。除了需要克服无线链路的安全弱点以外，还需要克服移动拓扑所带来的新的安全隐患。

　　除了在结构上的特点外，移动自组织网络在技术上还具有或要求具有以下特征：

　　完善而又可靠的路由和移动性管理算法：提高网络的可靠性和可用性，即降低任何网络部件与网络的其他部分分离的概率；

　　自适应算法和协议：调整与适应无线传播环境、网络拓扑和业务条件频率的变化；

　　低开销算法和协议：尽可能地节省无线通信资源。在移动自组织网络中节点或系统的资源比在有线网络中更加珍惜；

　　多重路由：在源节点和目标节点之间最好能有多条不同的路由，以降低在某一些节点(特别是作为信息转发的瓶颈节点)中的拥塞，增加网络的可靠性和生存能力；

　　可靠的网络结构：避免网络对某些链路失效或终端、拥塞、路由等过分敏感。

　　根据网络控制结构，移动自组织网络可分为全分布式网络和分层分布式网络。

　　(1)全分布式移动自组织网络

　　全分布式控制结构网络属于对等网络。在这种网络结构中，没有任何中心控制节点，网络的控制和管理功能均分散到每个节点中，所有节点都是网络控制和管理的参与者。所有节点的软／硬件配置及地位均相同，都提供维护和修正路由表，监测和维护网络连接，检测拥挤状态和控制业务流量等功能。该结构的优点是：可靠性高，抗毁能力强，能动态跟踪网络的拓扑变化。其不足之处是：每个节点都需有较大的存储容量和较强的处理能力，网络开销大。

　　(2)分层分布式移动自组织网络

　　分层分布式控制网络形成过程如下：从网络的普通节点中，筛选出一组节点作为控制节点(群首)，由这些控制节点组成一个全分布式控制的干线网络；每个控制节点具有相同的责任和权力，可各自控制一群普通节点；当网络节点数较大时，还可从控制节点中再筛选出一组超群控制节点(超群首)，由这些超群控制节点组成一个全分布控制的网络。如果需要，还可从超群控制节点中产生更高一层的控制节点，直至产生最高层的控制节点。

　　根据网络的组网体制，移动自组织网络可分为集中式移动自组织网络和分散式移动自组织网络。

　　(1)集中式移动自组织网络

　　在集中式组网方式中，网络有专门的组网期，在此期间内实现网络的各种算法。组网期以外为正常通信期，在此期间内网络一般不作调整。该方式又可分为周期性组网和非周期性组网两类。周期性组网指网络每隔一个固定的时间间隔，重新组网一次；非周期性组网指网络根据当前的工作状态决定何时重新组网。

　　(2)分散式移动自组织网络

　　在分散式组网方式中，网络没有专门的组网期。网络可随时跟踪拓扑变化，并修正节点的有关参数。该方式又可分为周期性分散组网方式和非周期性分散组网方式两类。周期性分散组网方式指网络每个节点周期性地广播一个自组织数据包，将自己取得的信息和有关计算结果通知相邻节点；非周期性分散组网方式指网络节点不定期地广播自组织数据包，如果节点发送数据的间隔不超过规定的时间，则不广播自组织包；若节点空闲，则周期性地广播自组织数据包。

　　1.高效的数据传输技术

　　在移动通信中，信号在传播过程中会受到各种于扰而衰落，因此移动自组织网络要使性能稳定可靠且保持高速，就必须具备在复杂恶劣的通信环境中对数据能可靠、高速高效传输的无线电台。这些电台应具备以下特性：(1)高速数据传输能力，数据速率应大于200kb／S；(2)良好的抗多径衰落，抗多普勒频移能力；(3)良好的抗敌方恶意干扰能力；(4)低功耗、低成本、高可靠性和较强的可扩展能力。为了实现高效的数据传输技术，还应对网络的同步、抗多径和抗衰落等关键技术进行更深入的研究，适应移动自组织网络的发展趋势。

　　2.支持移动性的路由协议

　　在自组织网络中，路由选择非常重要，它既涉及到信息的传输策略，也涉及到网络的管理。为了支持大规模移动自组织网络的实现，路由协议的性能好坏是关键。当前，在路由协议设计中急需解决一个问题，即在尽量减少网络开销的前提下，提高网络收敛速度，避免“路由闭环”和“无穷计算”，使其对网络拓扑的快速变化具有较强的自适应性。由于移动自组网具有动态变化的拓扑结构、带宽资源受限和链路容量不定、终端存在局限性和单向链路等与常规网络不同的特点，一些成熟的路由协议(如距离矢量路由和链路状态路由)对其并不适用，所以必须加以改进或提出新的设计思路。

　　目前，自组织网的路由协议一般分为路由表驱动协议和源始发按需路由协议两种。表驱动路由继承了传统的IP路由，但在消除路由环路和已过时路由等方面作了适应自组织网特性的改进。其优点是在有信息传送时不需要等待建立路由，所以时延小。但这种路由协议也存在不足之处，即无论路由是否被用，每个节点都要维持路由表并进行路由信息交换，这样将会对移动终端造成储存和计算负担，大量浪费网络带宽，而且当网络拓扑变化较快时，这些大量交换的控制信息将影响数据信息的传送。

　　近年来，由于源始发按需路由协议具有更适合自组织网的特性而备受关注。通常，按需路由分为路由建立和路由维护两个过程。只有在节点有信息要发送时，广播路由才建立分组并寻找最佳路由，而不是维护所有路由信息，这样可有效地节省带宽和内存，但这显然是以增加路由建立时延为代价，而且路由建立过程是靠泛洪方式广播路由信息，这在一定程度上又使其优点有所削弱。

　　3.多协议无线路由器(网关)技术

　　移动自组织网络通过多协议路由器将各种通信系统(如异构网络单元和同构网络单元)互连，进行不同协议报文分组格式的转换，从而实现各种网络的网间互连。多协议路由器应能适应不同工作频段的移动自组织分组式子网技术体系、TCP／口连接协议、局域网CSMA／CD协议和令牌总线协议等。因此，对多协议无线路由器的研究将是实现大规模移动自组织网络布设工作的前提。

　　移动自组织网络通常应用在没有或者不便利用现有的网络基础设施的情形中。主要应用在以下领域。

　　1.军事通信

　　在现代化的战场上，由于没有基站等基础设施可以利用，装备了移动通信装置的军事人员、军事车辆以及各种军事设备之间可以借助移动自组织网络进行信息交换，以保持密切联系，协同完成作战任务;装备了音频传感器和摄像头的军事车辆和设备也可以通过移动自组织网络，将目标区域收集到的位置和环境信息传输到处理节点;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，而不必依赖陆地或者卫星通信系统。移动自组网技术已成为美军战术互联网的核心技术，美军的数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了移动自组网技术

　　2.移动会议

　　当前，人们经常携带笔记本、PDA(个人数字助理)等便携式终端参加各种会议。通过移动自组网技术，可以在不借助路由器、集线器或基站的情况下，就将各种移动终端快速组织成无线网络，以完成提问、交流和资料的分发。

　　3.移动网络

　　移动终端一般没有与拓扑相关的固定IP地址，所以通过传统的移动IP协议无法为其提供连接，需要采用移动多跳方式联网。由于采用的是平面拓扑，因而没有地址变更的问题，从而使得这些移动终端仍然像在标准的计算机环境中一样。此外，在实际应用中，移动自组网除了可以单独组网实现局部通信以外，还可以作为末端子网通过网关连接到现有的网络基础设施上，例如Internet或者蜂窝网。作为末端子网，只允许产生于或者目的地是自治系统内部节点的信息进出，而不准许其它信息穿越自治系统。由此可见，移动自组网可以成为各种通信网络的一种无线接入手段。

　　4.连接个域网络

　　个域网络(PAN)只包含与某个人密切相关的装置，这些装置无法与广域网连接。蓝牙技术当前一种典型的个域网技术，但是它只能实现室内近距离的通信，因此，移动自组织网络就为建立PAN与PAN之间的多跳互连提供了可能性。

　　5.紧急服务和灾难恢复

　　在由于自然灾害或其它各种原因导致网络基础设施出现故障而无法使用时，快速恢复通信是非常重要的。借助于移动自组网络技术，能够快速建立临时网络，延伸网络基础设施，从而减少营救时间和灾难带来的危害。

　　6.无线传感器网络

　　无线传感器网络是移动自组织网络技术的一大应用领域。传感器网络使用无线通信技术，由于发射功率较小，只能采用多跳转发方式进行通信。分布在各处的传感器节点自组织成网络，以完成各种应用任务。