摘要：無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中路由協(xié)議是該領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。通過采用合理的路由技術(shù)，可使無線自組網(wǎng)具有更為靈活的組網(wǎng)方式，從而達(dá)到提升網(wǎng)絡(luò)性能、減少網(wǎng)絡(luò)開銷等目的。通過與認(rèn)知無線電(CR)技術(shù)、協(xié)同通信(CC)技術(shù)以及多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)等物理層新技術(shù)的有效結(jié)合，可以大大改善Ad hoc路由協(xié)議的性能。?
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未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)除了以低成本達(dá)到高數(shù)據(jù)率外，還要求網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，具有適應(yīng)性和生存能力。無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad hoc)[1-4]是一種沒有預(yù)定的基礎(chǔ)設(shè)施支撐的自組織可重構(gòu)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，可以作為蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的有效加強(qiáng)。因此，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)將因其靈活性而在未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中扮演重要作用。
1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于通信半徑的限制，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間是通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的，需要路由協(xié)議完成分組轉(zhuǎn)發(fā)決策。與傳統(tǒng)路由協(xié)議相比，Ad hoc路由協(xié)議的設(shè)計(jì)面臨著網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、帶寬受限、信道容量變化、移動(dòng)終端有限的可用資源等新的問題和挑戰(zhàn)。
早在1996年，因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)就成立了移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)工作小組(MANET WG)，其核心任務(wù)就是研究無線自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于IP協(xié)議的路由協(xié)議規(guī)范和接口設(shè)計(jì)。IETF RFC2501詳細(xì)給出了無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合、特征和性能要求。目前，MANET WG已經(jīng)公布了一系列的有關(guān)Ad hoc路由的草案，如動(dòng)態(tài)源路由算法(DSR)、基于反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浞职l(fā)協(xié)議(TBRPF)、優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由算法(OLSR)、按需距離矢量路由算法(AODV)、臨時(shí)按序路由算法(TORA)、區(qū)域路由算法(ZRP)；此外，研究還提出了許多Ad hoc路由協(xié)議，如目的序列距離矢量路由算法(DSDV)、無線路由協(xié)議(WRP)、陸標(biāo)路由協(xié)議(LANMAR)、位置輔助路由(LAR)、魚眼狀態(tài)路由算法(FSR)。
這些路由協(xié)議根據(jù)所采用的基本路由機(jī)制的不同，可分為基于鏈路狀態(tài)的路由協(xié)議、基于距離矢量的路由協(xié)議、源路由協(xié)議及反向鏈路協(xié)議；按照網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)的不同，可分為平面結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議和分層結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議；按照路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，可分為表驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議、按需路由協(xié)議以及混合路由協(xié)議。
2 大規(guī)模Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)規(guī)模性[5]的研究可以廣義地定義為：研究當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能否為分組提供可以接受的服務(wù)，它與網(wǎng)絡(luò)大小、節(jié)點(diǎn)分布的密度、運(yùn)行的環(huán)境(傳播模型、地型環(huán)境等)及移動(dòng)性相關(guān)。
對(duì)于中小規(guī)模(通常為幾十個(gè)節(jié)點(diǎn))Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究已取得了重要進(jìn)展，而大規(guī)模Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)難點(diǎn)，它是指可以支持?jǐn)?shù)百到數(shù)千個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的路由算法。國際上早期的一些初步研究結(jié)果[6]，如Santivanez等人提出的基于鏈路狀態(tài)法的模糊鏈路狀態(tài)(FSLS)算法，研究了節(jié)點(diǎn)數(shù)為100～400時(shí)的部分性能；Woo和Singh提出了一個(gè)基于位置修正的SLURP算法，研究了節(jié)點(diǎn)數(shù)為50～1 000時(shí)的算法性能；Jinying Li等提出了基于區(qū)域的網(wǎng)格(Grid)系統(tǒng)，研究了100～600個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)的算法性能；Rahul Jain等人提出了基于地理位置的路由算法，研究10～1000個(gè)節(jié)點(diǎn)的算法性能。
現(xiàn)有的路由協(xié)議或者利用全網(wǎng)泛洪(Global flooding)或者利用分層的方法完成路由的發(fā)現(xiàn)。但是，前者由于開銷太大并不適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)；后者在分層的過程中需要交互大量信息，而且可能由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)造成性能的急劇惡化。為了克服這些缺陷Nitin Nahata等人提出了一種基于連接(Contact)點(diǎn)的適用于大規(guī)模Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的高效的路由發(fā)現(xiàn)策略[7]。它基于“小世界(Small world)”的概念，采用了一種混合的方式：在節(jié)點(diǎn)的R跳(通常是3～5跳)范圍內(nèi)采用先驗(yàn)式的路由算法，如DSDV，而在R跳以外通過Contact點(diǎn)進(jìn)行反應(yīng)式的路由發(fā)現(xiàn)。Contact點(diǎn)是一些捷徑點(diǎn)，它通過減小分割度來把網(wǎng)絡(luò)劃分成為一些“小世界”。
3 基于新物理層技術(shù)的Ad Hoc路由
為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的通信需求，能夠提供更大帶寬的物理層傳輸技術(shù)層出不窮，如認(rèn)知無線電技術(shù)、協(xié)同通信技術(shù)以及多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)等。它們的出現(xiàn)為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展帶來新的契機(jī)。
3.1 基于認(rèn)知無線電的路由協(xié)議
眾所周知，頻譜資源十分有限，一些非授權(quán)頻段占用擁擠，而那些授權(quán)頻段卻經(jīng)常空閑，因此，可以考慮在授權(quán)用戶不用自己的頻率資源時(shí)，讓一些非授權(quán)用戶去暫時(shí)性地有效利用該空閑頻譜，認(rèn)知無線電[9]就是基于這種想法提出來的一種更智能的頻譜共享技術(shù)，它可以感知無線通信環(huán)境，依據(jù)一定的學(xué)習(xí)和決策算法，動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和有效地利用空閑頻譜，大大降低了頻譜和帶寬對(duì)無線技術(shù)發(fā)展的束縛。它要求非授權(quán)用戶和授權(quán)用戶在對(duì)頻譜資源利用時(shí)達(dá)到一個(gè)平衡，使得非授權(quán)用戶能在不影響授權(quán)用戶的前提下進(jìn)行一些自己的通信。
認(rèn)知無線電技術(shù)的特點(diǎn)使得節(jié)點(diǎn)間的鏈路可能經(jīng)常發(fā)生變化，因此，這樣的路由協(xié)議首先應(yīng)該是魯棒的(Robustness)，這種魯棒性是基于多路徑分析的。多一條備選的路由可以大大降低一條路徑失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響，使得網(wǎng)絡(luò)具備魯棒性。此外，這樣的路由協(xié)議還應(yīng)滿足3點(diǎn)要求[10]：
(1)路由協(xié)議應(yīng)該是先驗(yàn)式的
如果采用了反應(yīng)式的路由協(xié)議，更新路由表太浪費(fèi)時(shí)間，分組若要以最小的時(shí)延傳輸就需要采用先驗(yàn)式的路由算法。但是，先驗(yàn)式路由協(xié)議會(huì)引入更多的控制分組數(shù)，而且路由信息的不斷更新反而會(huì)縮短節(jié)點(diǎn)能量的持續(xù)時(shí)間。
(2)路由協(xié)議應(yīng)該是基于鏈路狀態(tài)的
由于物理層的參數(shù)經(jīng)常變化，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性及傳輸半徑也可能改變，節(jié)點(diǎn)的認(rèn)知能力也有所差異，因此，節(jié)點(diǎn)間的鏈路可以通過計(jì)算鏈路的可靠性來進(jìn)行選擇。
(3)路由協(xié)議應(yīng)該是分級(jí)的
分級(jí)的路由協(xié)議支持不同的移動(dòng)組。目前認(rèn)知無線電環(huán)境下，以信道的切換次數(shù)以及信道的切換頻率為衡量標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)有基于控制信道的路由算法以及基于空時(shí)分組碼的路由算法。
3.2 基于協(xié)同通信的路由協(xié)議
協(xié)同通信[11-13]利用節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作形成了虛擬的天線陣列來獲得傳統(tǒng)多輸入多輸出天線技術(shù)的空間分集增益，當(dāng)前協(xié)同通信的主要方式有：編碼協(xié)同，放大中繼，解碼中繼等方式。相對(duì)于其他協(xié)同方式，編碼協(xié)同方式將協(xié)同通信技術(shù)和信道編碼技術(shù)相結(jié)合，在不消耗更多系統(tǒng)資源(帶寬等)的前提下獲得完全的分集增益。圖2所示為協(xié)同路由和一般多跳路由的區(qū)別.
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