摘要：無線自組織網絡(Ad hoc)是一個復雜的系統(tǒng)，其中路由協(xié)議是該領域中的研究熱點。通過采用合理的路由技術，可使無線自組網具有更為靈活的組網方式，從而達到提升網絡性能、減少網絡開銷等目的。通過與認知無線電(CR)技術、協(xié)同通信(CC)技術以及多輸入多輸出(MIMO)天線技術等物理層新技術的有效結合，可以大大改善Ad hoc路由協(xié)議的性能。?
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未來移動通信網絡除了以低成本達到高數(shù)據(jù)率外，還要求網絡組網靈活，具有適應性和生存能力。無線自組織網絡(Ad hoc)[1-4]是一種沒有預定的基礎設施支撐的自組織可重構的多跳無線網絡，可以作為蜂窩移動網絡的有效加強。因此，移動自組織網絡將因其靈活性而在未來移動通信網絡中扮演重要作用。
1 Ad Hoc網絡路由協(xié)議
Ad hoc網絡中，由于通信半徑的限制，網絡節(jié)點之間是通過多跳數(shù)據(jù)轉發(fā)機制進行數(shù)據(jù)交互的，需要路由協(xié)議完成分組轉發(fā)決策。與傳統(tǒng)路由協(xié)議相比，Ad hoc路由協(xié)議的設計面臨著網絡拓撲動態(tài)變化、帶寬受限、信道容量變化、移動終端有限的可用資源等新的問題和挑戰(zhàn)。
早在1996年，因特網工程任務組(IETF)就成立了移動Ad hoc網絡工作小組(MANET WG)，其核心任務就是研究無線自組織網絡環(huán)境下基于IP協(xié)議的路由協(xié)議規(guī)范和接口設計。IETF RFC2501詳細給出了無線Ad hoc網絡的應用場合、特征和性能要求。目前，MANET WG已經公布了一系列的有關Ad hoc路由的草案，如動態(tài)源路由算法(DSR)、基于反向路徑轉發(fā)的拓撲分發(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；按照網絡邏輯結構的不同，可分為平面結構的路由協(xié)議和分層結構的路由協(xié)議；按照路由發(fā)現(xiàn)策略的不同，可分為表驅動路由協(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網絡中的路由技術
Ad hoc網絡規(guī)模性[5]的研究可以廣義地定義為：研究當網絡中有大量節(jié)點存在時，網絡能否為分組提供可以接受的服務，它與網絡大小、節(jié)點分布的密度、運行的環(huán)境(傳播模型、地型環(huán)境等)及移動性相關。
對于中小規(guī)模(通常為幾十個節(jié)點)Ad hoc網絡路由協(xié)議的研究已取得了重要進展，而大規(guī)模Ad hoc網絡的路由技術是Ad hoc網絡研究的一個難點，它是指可以支持數(shù)百到數(shù)千個網絡節(jié)點的路由算法。國際上早期的一些初步研究結果[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)點數(shù)為100～400時的部分性能；Woo和Singh提出了一個基于位置修正的SLURP算法，研究了節(jié)點數(shù)為50～1 000時的算法性能；Jinying Li等提出了基于區(qū)域的網格(Grid)系統(tǒng)，研究了100～600個節(jié)點時的算法性能；Rahul Jain等人提出了基于地理位置的路由算法，研究10～1000個節(jié)點的算法性能。
現(xiàn)有的路由協(xié)議或者利用全網泛洪(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)模的網絡；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)點的移動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)點的適用于大規(guī)模Ad hoc網絡的高效的路由發(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)點的R跳(通常是3～5跳)范圍內采用先驗式的路由算法，如DSDV，而在R跳以外通過Contact點進行反應式的路由發(fā)現(xiàn)。Contact點是一些捷徑點，它通過減小分割度來把網絡劃分成為一些“小世界”。
3 基于新物理層技術的Ad Hoc路由
為了滿足人們日益增長的通信需求，能夠提供更大帶寬的物理層傳輸技術層出不窮，如認知無線電技術、協(xié)同通信技術以及多輸入多輸出(MIMO)天線技術等。它們的出現(xiàn)為Ad hoc網絡路由技術的進一步發(fā)展帶來新的契機。
3.1 基于認知無線電的路由協(xié)議
眾所周知，頻譜資源十分有限，一些非授權頻段占用擁擠，而那些授權頻段卻經常空閑，因此，可以考慮在授權用戶不用自己的頻率資源時，讓一些非授權用戶去暫時性地有效利用該空閑頻譜，認知無線電[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，它可以感知無線通信環(huán)境，依據(jù)一定的學習和決策算法，動態(tài)地檢測和有效地利用空閑頻譜，大大降低了頻譜和帶寬對無線技術發(fā)展的束縛。它要求非授權用戶和授權用戶在對頻譜資源利用時達到一個平衡，使得非授權用戶能在不影響授權用戶的前提下進行一些自己的通信。
認知無線電技術的特點使得節(jié)點間的鏈路可能經常發(fā)生變化，因此，這樣的路由協(xié)議首先應該是魯棒的(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網絡造成的影響，使得網絡具備魯棒性。此外，這樣的路由協(xié)議還應滿足3點要求[10]：
(1)路由協(xié)議應該是先驗式的
如果采用了反應式的路由協(xié)議，更新路由表太浪費時間，分組若要以最小的時延傳輸就需要采用先驗式的路由算法。但是，先驗式路由協(xié)議會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縮短節(jié)點能量的持續(xù)時間。
(2)路由協(xié)議應該是基于鏈路狀態(tài)的
由于物理層的參數(shù)經常變化，節(jié)點的移動性及傳輸半徑也可能改變，節(jié)點的認知能力也有所差異，因此，節(jié)點間的鏈路可以通過計算鏈路的可靠性來進行選擇。
(3)路由協(xié)議應該是分級的
分級的路由協(xié)議支持不同的移動組。目前認知無線電環(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準，已經有基于控制信道的路由算法以及基于空時分組碼的路由算法。
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)點間的相互協(xié)作進行數(shù)據(jù)通信。它充分利用了無線電波的全向傳播特性，使無線網絡中的節(jié)點相互協(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的空間分集增益，當前協(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。相對于其他協(xié)同方式，編碼協(xié)同方式將協(xié)同通信技術和信道編碼技術相結合，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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