一种双频混合无线自组网的设计与实现

摘 要：通过双频设计分别负责发送和接收使数据，使自组网的传输效率得以较大提高，通过自组网和有中心网络的混合组网，使得网络的组网规模和系统抗毁性均有较大提高。

关键词：自组网；无线通信；双频

中图分类号：TN929.5

1 无线自组网与有中心网络

无线自组网是一种新型的无线通信模式，由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳频的临时性自治系统，在这种环境中，由于终端的无线通信覆盖范围的有限性，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。这种网络中不存在固定的基础设施，如路由器、无线基站等，每个节点都兼有路由器和终端两种功能。作为终端，节点可以运行各种面向用户的应用程序；作为路由器，节点需要为其它节点转发数据包。自组织网络不需要任何中心控制，网络可以自动检测和无缝集成新节点；反过来，当任何节点移出网络时，剩余节点也能自动重配置来适应新的场景。这种无设施的网络能够在没有或者是现有网络基础设施失效的情况下，提供终端之间的相互通信，它可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境，从而拓宽了移动通信网络的应用环境。

蜂窝移动通信网络和无线局域网都属于现有网络基础设施范畴，它们需要类似基站或访问服务点这样的中心控制设备，每台终端均需要通过中心节点来交换信息，一旦中心节点因故障不能工作，所有终端无法联通。

1.1 与其他有中心的通信网络相比，自组网具有以下优点

（1）网络的自组性――自组网相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络；

（2）灵活的网络拓扑结构――自组网中，移动通信用户终端可以以任意速度和任意方式在网中移动，移动终端之间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化；

（3）分布式控制网络――自组网中的用户终端都兼备独立路由和主机功能，不存在一个网络中心控制点，用户终端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，因而具有很强的鲁棒性和抗毁性。

1.2 自组网的缺点也同样突出

（1）有限的无线传输带宽――受无线频谱带宽的限制，加上通信冲突、信号衰减、噪声和信道间干扰等因素的影响，加上维持自组网的链路开销较大，自组网的有效传输带宽很有限；

（2）网络规模局限性―自组网中，网络规模不宜过大，一旦用户终端数量超过限值，通信效率急剧下降。

为同时兼顾自组网的灵活组网和中心网络通信效率高的特性，我们设计研制了一种双频混合自组网，取得了较好的效果。

2 双频混合自组网的设计研发

双频混合自组网频率工作在433MHz和其他频率下。

2.1 混合自组网组网模式

（1）单频自组网。当系统工作在433MHz时，系统采用单频自组网方案，所有终端的接入和回传均工作于同一频段，此时相邻节点之间存在干扰，所有节点不能同时接收或发送，系统设计了时分工作模式，在多跳范围内用CSMA/CA的MAC机制进行协商，确保系统在工作间隙进行发送或接收；

（2）双频自组网。当系统同时工作在433MHz和其他工作频率时，系统组成双频自组网，其中每个节点的回传和接入均使用两个不同的频段，如接入服务用2.4 GHz信道，回传网络使用433MH信道，互不存在干扰。这样每个终端就可以在服务本地接入用户的同时，执行回传转发功能。双频组网相比单频组网，解决了回传和接入的信道干扰问题，大大提高了网络性能；

（3）混合自组网。系统参照MESH网络设计了一套混合自组网模式，系统按三层节点两层架构设计，实现了多层MESH网络的应用。系统设计了一款中继作为主站，各终端为接入节点，每台终端之间可以组成自组网进行通信，同时当网络趋于稳定时，系统通过预设或临时推选的模式设定一台终端作为中心主站，负责管理和维护整个网络。系统还提供了更大的冗余机制和通信负载平衡功能，每台设备都有多个传输路径可用，网络可以根据每个节点的通信负载情况动态地分配通信路由，从而避免了节点的通信拥塞，有效地解决单跳网络不能动态地处理通信干扰和接入点的超载问题。

系统从开机到进入有序状态一般要经历以下几个过程：1）无中心自组网阶段。系统开机后，进入无中心自组网阶段，各终端按自组网协议交换路由信息，组成自组网；2）有中心网络阶段。网络稳定后，由指定的顶级主站或推选一个最高等级的中继基站担任控制基站，系统进入有中心阶段，由控制主站维护全系统的路由信息，管理网络系统。但各终端的信息传递不一定要经过控制基站进行转发，而是选择最优路径进行转发；3）如果因某种原因控制基站无法工作后，系统又进入无中心自组网阶段。经过一段时间后系统进入有中心网络阶段。

2.2 混合自组网特点

自组网络是一种特殊的无线移动网络，网络中所有节点的地位平等，无需设置任何的中心控制节点。网络中的节点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有路由和报文转发能力。混合组网方案同时吸收了自组网与有中心网络的优点，具有很好的抗毁性和自适应特性，并保证了较高的传输效率。

（1）抗毁性强。系统在没有中心主控基站的情况下自动进入自组网络模式，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。网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，两台以上终端开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络；

（3）多跳路由。当节点要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的多跳转发，与固定网络的多跳不同，自组网络中的多跳路由是由普通的网络节点即终端或车载主站完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的，也就是说，各终端在不需要主控基站的情况下，即可完成多跳接力通信；

（4）动态拓扑。自组网络是一个动态的网络，网络节点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，这些特点使得结点在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。混合组网同时吸收了有中心网络和自组网的优点，每台终端都具备路由功能，维持着一个动态的路由，确保网络处于最优状态。

（5）组网规模大。自组网络的缺点是不能组成较大的网络，当网络规模过大时，系统为了维持网络生存所耗费的通信资源将使得网络趋于崩溃。混合自组网为了保证组网规模，在网络节点稳定的情况下系统自动转换为有中心的网络；

（6）传输效率较高。自组网络在网络节点超过一定规模后，维持网络生存所耗费的通信资源十分巨大，这使得网络有效传输效率急剧下降。混合自组网在网络规模超过一定数量时自动转换为有中心的网络，由中心主控基站控制和维护路由信息，来保证足够的带宽用于传递有效信息。

3 结束语

我们按照上述设计方法研制了相应的产品，经过实际运用，实现了较大规模组网（超过200台终端）和较高的传输速率（大于256K有效传输值），同时系统的抗毁性和灵活性大增加，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]郑相全.无线自组网技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]魏靓.基于广义签密的移动Adhoc网络密钥管理方案[J].计算机工程与应用，2010（46）.

作者简介：刘海生（1968.01-），男，山东莒县人，军事学硕士，技术总监，高级工程师，研究方向：智能移动终端的支撑软件、电子政务。

作者单位：华戎信息产业有限公司，济南 250001