1.4 动态自组网技术

移动自组织（Ad Hoc）网络是一种自治、多跳网络，源自美国在1968年建立的ALO-HA网络和1973年提出的PR网络。移动自组织网络作为一种分布式网络，整个网络没有固定的基础设施，终端之间的相互通信可以不依赖现有的网络基础设施，如基站、无线接入点（AP）等。移动自组网中的每个终端都兼具了路由器和主机两种功能：终端作为主机时，可以运行面向用户的应用程序；而作为路由器时，终端则执行相应的路由协议。分布式控制和无中心、冗余的网络结构特点，使整个网络能够在部分通信网络出现故障后保证正常的通信能力，因此具有较强的鲁棒性和可靠性。

1.4.1 异构无线传感器网络

基于动态自组网技术，本节重点研究了一种异构无线传感器网络系统，具有鲁棒抗干扰能力、良好自诊断和自愈特性，同时兼顾巨量数据传输要求。其网络系统结构如图1-64所示。

该系统由传感节点、传感及转发节点、汇点及监控中心等相关设备组成。其中，传感节点基于ZigBee协议，采用嵌入式设计，具备低功耗、长续航能力，可实现节点周边温度、湿度等环境信息的采集，同时节点具备路由和自组网能力，可在一定范围内自动组网与信息交互；传感及转发节点是基于AdHoc的移动感知与中继设备，具备mesh组网能力，具有高带宽、传输距离远的特点，能够采集节点周围的音视频信息进行巨量数据远距离传输，同时作为转发节点接收传感网络信息并进行转发；汇点汇集整个异构网络内的所有数据并转发给监控中心。

在该系统中，我们分别在每一层建立动态接入接口，允许移动节点临时布置和补充到各层中，实现定期对网络和节点的检测，或者充当网络故障时的临时补充。在监控区域部署的无线传感网络节点，采用异构的链路结构和智能自组织通信协议，将线性链路、树形链路和网状链路有机结合，可以充分发挥自组织网络的灵活性。利用空间层次上的分布结构，使得区域部署的无线传感器网络能借助移动中继设备，在节点之间、监控中心与人之间、人与环境之间实现高效的信息交互方式，从信息采集、传输、处理、反应的整体上优化信息流通模式，建立节点与其周边环境的紧密联系。

1.4.2 节点动态路由及协议

1.4.2.1 节点间通信方式

在无线传感器网络中，节点之间的通信一般可分为点对点模式、广播模式和分组模式，具体情况如图1-65所示。图1-65a所示为节点1到节点3的点对点通信，图1-65b所示为节点1广播，图1-65c所示为节点1在分组1（由1、2、3号节点组成）内广播，分组2（节点4）则不会接收到分组1的广播信息。

1.4.2.2 基于分层网络结构的混合路由协议

无线传感器网络的路由算法大多以数据为中心，主要基于局部拓扑信息研究如何实现最短时间、最小能耗和最少丢包率的数据通信。以数据为中心的路由算法，包括洪泛机制（Flooding）、谣传机制（Gossip）、SPIN算法（Sensor Protocols for Information via Negotiation）和定向扩散算法（Direct Diffusion）。洪泛算法简单且不需要维护网络拓扑，但网络信息大量重复，存在内爆危险。谣传算法虽然可以有效地减少网络中信息量，但是信息传播的随机性却增加了数据传输的时延。SPIN和定向扩散算法对网络中的信息量和数据传输速度都有所提高，但是无论SPIN的协商机制，还是定向扩散算法的梯度建立，都需要大量的网络冗余信息开销。

在分级网络中，由于存在中心节点（簇头）进行网络信息协调管理，所以无论是同级之间还是不同层次的网络节点通信都相对比较稳定。同层之间的通信由簇头进行协调转发，不同层之间通信先经过簇头层面的数据交换再分配到目标簇的节点。比较经典的路由算法有MIT Heinzelman W. R.等人提出的LEACH算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）和针对监控对象突然变化快速反应的TEEN算法（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）。然而，LEACH算法假设事件在全局内随机发生，TEEN算法虽然可以及时响应突发事件，同时也考虑了能量分布的因素，但是这些算法都是基于普遍情况设计的，没有考虑室内环境的特殊性。在室内环境中，部分节点是静态固定的且配有电源充电，只有移动节点才需要考虑节能和动态路由。

根据上述算法特点，我们针对性地对无线传感器网络的路由算法进行优化。基于分层网络的组网和通信，提出了基于固定位置的上层网络路由协议和基于动态接入的下层网络路由机制。具体通信路由的建立分为路由表生成、分配和移动节点动态接入三个步骤。

（1）路由表生成

无线节点在传感器网络中通常以节点编号作为标识，在节点位置固定的条件下，可以将节点编号与地理位置进行关联。在汇聚节点1、2、3、4和其余普通路由节点组成的上层网络中，假设网络中每个节点的可靠通信范围是每个小格子的对角线（即1号节点可以和5、10、11三个节点进行直接通信，如果和6号节点通信则需要经过5号节点转发信息）。根据这些条件，在初始化时候网络可以参考节点的地理位置信息进行最短通信路径搜索，从而为每个固定节点生成一张路由表，如图1-66所示。

这样就可以避免网络通信时产生过多的信息冗余，从而保证在上层网络中信息传输的高效。针对特殊情况，比如节点失效或者无线传输失败，我们可以加入网络通信确认字符（ACK）机制或者备用路由，以提高网络数据传输的稳定性。

（2）路由表分派

生成网络路由表后，表格中的每列对应着每个节点的路由表。路由表分派是建立网络节点之间关联的过程，未分配路由表的节点事先不能进行信息的转发，因此根据广度优先搜索算法，由汇聚节点开始依次派发，最终使每个节点都接收到自身的路由表，从而完成路由部署，过程如图1-67所示。通过这种方法可以建立起由固定节点组成的上层网络的通信机制。

（3）移动节点动态接入

下层移动节点动态接入方式如图1-68所示。

首先，移动节点向网络广播helloMsg消息（包括节点编号和类型），上层固定节点收到信号后检测信号强度，从而判断距离移动节点的远近，近处的固定节点做出响应并回复移动节点，移动节点选择最佳的网络通路建立连接。通过设定helloMsg广播的时间间隔来不断更新移动节点和上层网络的通信连接，为保证移动节点和上层网络的数据传输的稳定性，hel-loMsg广播间隔的选取还需要考虑节点的移动速度和固定节点布网密度。

1.4.3 自组网节点研制及实验研究

1.4.3.1 传感节点

传感节点基于ZigBee技术。ZigBee技术一种短距离、低功耗、组网能力强的无线通信技术，具有高可靠的无线数传网络。相比于其他同频率的电子技术而言，ZigBee技术具有一定的低成本优势。同时，ZigBee技术采用了先进的国际化标准，其物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。ZigBee节点采用移动自组织的形式，一个网络中可容纳巨量节点。在网络范围内的节点可以互相之间进行数据传输，节点的覆盖直径可从标准的75m进行不断扩展。

ZigBee网络中有三种功能相区分的设备：协调器、路由器和终端。协调器是一个ZigBee网络的创建者，一个网络中只允许有一个协调器；协调器上电之后会选择一个特定的信道和网络标识，然后创建一个新的ZigBee网络。在网络创建完成后，协调器的功能与路由器相同。路由器在ZigBee网络中主要起消息转发的功能。终端往往与传感器相结合，作为ZigBee网络的末梢，进行数据的采集等功能。

ZigBee技术具有如下特点：

（1）低数据传输率

传输速率只有10～250Kbit/s，不适合语音、视频等巨量数据的传输，适用于无线传感器网络末梢所采集的温度、湿度等简单数据的传输。

（2）低功耗

ZigBee设备有两种模式，即工作模式和非工作模式。在工作模式下，因为ZigBee技术传输数据量小，且传输速率偏低，所以ZigBee设备的工作周期很短，发射功率在1mW左右。在非工作模式下，ZigBee设备处于休眠状态，需要其工作时会由协调器来唤醒它们。总之，ZigBee设备非常省电，两节普通干电池便可以使一个ZigBee节点工作1～2年，甚至更长的时间。这也是相比于其他无线通信技术，ZigBee技术所体现出来的独特优势。

（3）高可靠性

一方面，ZigBee数据传输采用的CSMA-CA碰撞避免机制，在节点发送数据前，会先去监听链路是否处于空闲状态。如果链路忙碌（即被其他设备占用），那么节点会随机生成一个退避时间，以减少甚至避免冲突；如果链路空闲，节点会在发送数据前，发送RTS帧给接收方，等待接收方回应CTS帧后开始数据传输；如果没有回应，则会启动重发机制，这样就避免了其他节点再次占用信道的冲突，且提高了传输稳定性。此外，ZigBee的通信时延和休眠状态激活时间都非常短，这也进一步提高了ZigBee的可靠性。另一方面，ZigBee节点广泛应用于人类不宜到达的地方或是一些特殊环境，因为其可能会遭受风吹、日晒、雨淋甚至遭到人为或者动物破坏，所以节点非常坚固，能够适应恶劣环境。

（4）自组织

无线传感器节点的位置会发生相对变化，同时个别节点也会因为电量不足等问题退出网络，或是一些节点处于休眠状态等。这些因素共同决定了网络拓扑结构的动态性，因此无线传感器网络需具备自组织通信、调度、管理网络的功能。

（5）网络容量大

网络容量大体现在两个方面，一方面是传感器节点的数量大，密度大。在ZigBee网络中，可以定义两种器件，一种是全功能器件（FFD），如协调器，或者网络末梢的带有多种传感器的采集节点；另一种是精简功能器件（RFD），它们作为网络中的普通节点用来转发数据。由一个协调器创建的一个信道，网络标识特定的ZigBee网络最多可容纳65535个节点，因此，ZigBee网络可容纳节点数量非常巨大。另一方面是指传感器节点覆盖范围大，不同ZigBee网络之间也可以通过一定方式互联，因此ZigBee网络的规模以及覆盖范围非常可观。大规模使得数据来源变得更广，可信度更高，同时，冗余节点的存在也使得系统容错性更强。

（6）成本低

ZigBee协议免专利费用，RFD的费用大概在20～30元。如此低廉的成本也有效保障了ZigBee网络可以拥有巨量的节点，从而保障了网络规模，使ZigBee强大的功能得以充分体现。

（7）安全性强

ZigBee技术采用三种等级的安全模式。第一种是非安全模式，此种模式下不采取任何安全措施。第二种是访问控制模式，在此种模式下，只有访问控制列表中的设备才可以获取数据。第三种是安全模式，此种模式下，采用AES 128位加密算法对通信进行加密，同时采用完整性校验。

1.4.3.2 传感及转发节点

为了提升传感网络带宽及无线传输距离，采用正交频分复用（OFDM）技术和移动Ad Hoc网络技术，开发了移动便携式网络节点。该节点不依赖任何基础通信设施，可临时、动态、快速地构建一个无线IP网络，同时具备具有自组织、自恢复的能力，能够支持图片、话音、视频等多媒体业务的多跳传输。另外，可基于该节点的通用接口与上一节提到的普通传感节点进行信息交互，实现两种协议之间的快速转换，以此构建小区域局域网与大区域网络的衔接，实现基于异构协议的无线传感网络。

Ad Hoc的意思是“for this”，引申为“for this purpose only”，即“为某种目的设置的，特别的”意思。这种特殊用途的网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与互联网（Internet）或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，Ad hoc网络通常是以末端子网（树桩网络）的形式接入现有网络。

Ad hoc网络中，节点作为路由器需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在Ad hoc网络中，节点间的路由通常由多个网段（跳）组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信。因此，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。

Ad hoc网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。由于移动Ad Hoc网络是一种移动、多跳、自律式系统，因此它具有以下一些主要特征。

（1）无中心和自组织性

Ad hoc网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无须人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻、任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好。

（2）自动配置

自动配置是Ad Hoc网络的基本特征，节点必须检测其他节点以及它们可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正常工作，这涉及连接Internet的网关节点的更换、簇头的更新等。

（3）动态变化的网络拓扑

Ad Hoc网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。

（4）受限的无线传输带宽

Ad Hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪声和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。

（5）移动终端的局限性

Ad Hoc网络中，移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处，但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等，从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。

（6）安全性较差

Ad Hoc网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。

（7）网络的可扩展性不强

在目前Internet环境下，可以采用子网、无级域间路由（Classless InterDomain Routing，CIDR）和变长子网掩码（Variable Length Subnet Masks，VLSM）等技术，增强了Internet的可扩展性。但是动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于一个Ad Hoc网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在Ad Hoc网络环境中。

（8）多跳路由

由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。此外，Ad Hoc网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备完成的。

（9）存在单向的无线信道

Ad Hoc网络采用无线信道进行通信，由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道。

（10）特殊的信道共享方式

传统的共享广播式信道是一跳共享的。而在Ad Hoc网络中，广播信道是多跳共享的，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到。

（11）供电问题突出

考虑到成本和易于携带，节点不能配备太多数量的发送接收器，并且节点一般依靠电池供电。因此如何节省节点电源、延长工作时间是个突出问题。

1.4.3.3 网络分层管理

针对无线传感器网络的特性和应用环境，提出了网络分层管理模式，如图1-69所示。这种方法融合了分布式和集中式两种基本的组网方式，网络在纵向上是树状拓扑结构，同一层面中为网状拓扑结构。网络的最高层是互联网层，接下来是无线传感器网络层，其中根据节点属性分为由传感和转发节点组成的上层静态网络和由传感节点组成的下层动态网络。这种组网方式实现了同一级别网络分布式的通信和上下级网络集中式的信息管理方法。

每一层网络内部通信均采用分布式网络结构，这种网络类似于对等网络Ad Hoc，没有网络中心，所有节点的地位平等。节点通过分布式算法协调各自的行为，自动地组成一个独立的网络，数据点对点传输，网络动态性强，网络连通性高，承受攻击能力强，私密性较好。因此在上层静态网络中，路由节点与路由节点之间、路由节点与汇聚节点之间的信息交换基本都是通过点对点的方式完成的，但是如果通信距离过远，网络则会选择信息传播路径中的过渡节点进行消息转发。

上层网络与下层网络之间采用的是集中式网络控制方法。这种方法的网络拓扑呈星形或树状结构，其中所有的信息都要经过该区域的中心节点（簇头）。区域中每个节点之间地位不一样，而且分工明确。基站作为最高级负责整个网络，下属每个区域（簇）内有一个簇头节点，区域内的节点直接与簇头进行通信。即使在同一个区域内的节点之间的通信也需经过簇头进行消息转发。这种通信结构便于网络信息的管理，但是网络连通性和承受攻击能力较弱，如果网络中的簇头遭到攻击，将会影响到整片区域内的通信。

我们所采用的分层网络管理方式，结合了对等网络和分级网络的优点。同一层内的信息能够采用对等网络的方式自由高效地传输，层与层之间的数据通过簇头进行转发和加工，从而方便数据汇总以及信息管理。

1.4.3.4 自组网节点研制及实验验证

基于上述研究成果，研制了基于ZigBee协议的无线传感网络节点，并设计了基于分层网络结构的混合路由协议，实现了节点的动态接入和路由；研制了无线传感节点核心板和底板样机，其实物图如图1-70所示；实现了最远70m的无线接入及最多30个节点的吞吐量，并进行了实验验证。

我们选择部分自组网节点接入环境信息传感器，并进行了自组网验证实验，如图1-71所示，实验结果表明：

1）传感节点具备信息感知能力，能够采集环境信息，并将该信息传输给相邻节点。

2）传感节点具备路由能力，可将邻近节点信息快速传送给相邻节点，直至信息到达汇聚节点。

3）节点具备自组网能力，可动态加入、退出网络，新的节点加入和退出网络不影响数据传输。

4）节点传输距离在无遮挡条件下可达70m，节点吞吐量可达30个。