1.4 動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)技術(shù)

移動(dòng)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)是一種自治、多跳網(wǎng)絡(luò)，源自美國(guó)在1968年建立的ALO-HA網(wǎng)絡(luò)和1973年提出的PR網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)作為一種分布式網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，終端之間的相互通信可以不依賴現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如基站、無(wú)線接入點(diǎn)（AP）等。移動(dòng)自組網(wǎng)中的每個(gè)終端都兼具了路由器和主機(jī)兩種功能：終端作為主機(jī)時(shí)，可以運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序；而作為路由器時(shí)，終端則執(zhí)行相應(yīng)的路由協(xié)議。分布式控制和無(wú)中心、冗余的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠在部分通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障后保證正常的通信能力，因此具有較強(qiáng)的魯棒性和可靠性。

1.4.1 異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

基于動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)技術(shù)，本節(jié)重點(diǎn)研究了一種異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有魯棒抗干擾能力、良好自診斷和自愈特性，同時(shí)兼顧巨量數(shù)據(jù)傳輸要求。其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-64所示。

該系統(tǒng)由傳感節(jié)點(diǎn)、傳感及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、匯點(diǎn)及監(jiān)控中心等相關(guān)設(shè)備組成。其中，傳感節(jié)點(diǎn)基于ZigBee協(xié)議，采用嵌入式設(shè)計(jì)，具備低功耗、長(zhǎng)續(xù)航能力，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)周邊溫度、濕度等環(huán)境信息的采集，同時(shí)節(jié)點(diǎn)具備路由和自組網(wǎng)能力，可在一定范圍內(nèi)自動(dòng)組網(wǎng)與信息交互；傳感及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是基于AdHoc的移動(dòng)感知與中繼設(shè)備，具備mesh組網(wǎng)能力，具有高帶寬、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，能夠采集節(jié)點(diǎn)周圍的音視頻信息進(jìn)行巨量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接收傳感網(wǎng)絡(luò)信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；匯點(diǎn)匯集整個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心。

在該系統(tǒng)中，我們分別在每一層建立動(dòng)態(tài)接入接口，允許移動(dòng)節(jié)點(diǎn)臨時(shí)布置和補(bǔ)充到各層中，實(shí)現(xiàn)定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)，或者充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)的臨時(shí)補(bǔ)充。在監(jiān)控區(qū)域部署的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用異構(gòu)的鏈路結(jié)構(gòu)和智能自組織通信協(xié)議，將線性鏈路、樹形鏈路和網(wǎng)狀鏈路有機(jī)結(jié)合，可以充分發(fā)揮自組織網(wǎng)絡(luò)的靈活性。利用空間層次上的分布結(jié)構(gòu)，使得區(qū)域部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能借助移動(dòng)中繼設(shè)備，在節(jié)點(diǎn)之間、監(jiān)控中心與人之間、人與環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)高效的信息交互方式，從信息采集、傳輸、處理、反應(yīng)的整體上優(yōu)化信息流通模式，建立節(jié)點(diǎn)與其周邊環(huán)境的緊密聯(lián)系。

1.4.2 節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)路由及協(xié)議

1.4.2.1 節(jié)點(diǎn)間通信方式

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的通信一般可分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、廣播模式和分組模式，具體情況如圖1-65所示。圖1-65a所示為節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)3的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，圖1-65b所示為節(jié)點(diǎn)1廣播，圖1-65c所示為節(jié)點(diǎn)1在分組1（由1、2、3號(hào)節(jié)點(diǎn)組成）內(nèi)廣播，分組2（節(jié)點(diǎn)4）則不會(huì)接收到分組1的廣播信息。

1.4.2.2 基于分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合路由協(xié)議

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法大多以數(shù)據(jù)為中心，主要基于局部拓?fù)湫畔⒀芯咳绾螌?shí)現(xiàn)最短時(shí)間、最小能耗和最少丟包率的數(shù)據(jù)通信。以數(shù)據(jù)為中心的路由算法，包括洪泛機(jī)制（Flooding）、謠傳機(jī)制（Gossip）、SPIN算法（Sensor Protocols for Information via Negotiation）和定向擴(kuò)散算法（Direct Diffusion）。洪泛算法簡(jiǎn)單且不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)信息大量重復(fù)，存在內(nèi)爆危險(xiǎn)。謠傳算法雖然可以有效地減少網(wǎng)絡(luò)中信息量，但是信息傳播的隨機(jī)性卻增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。SPIN和定向擴(kuò)散算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的信息量和數(shù)據(jù)傳輸速度都有所提高，但是無(wú)論SPIN的協(xié)商機(jī)制，還是定向擴(kuò)散算法的梯度建立，都需要大量的網(wǎng)絡(luò)冗余信息開銷。

在分級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，由于存在中心節(jié)點(diǎn)（簇頭）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息協(xié)調(diào)管理，所以無(wú)論是同級(jí)之間還是不同層次的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信都相對(duì)比較穩(wěn)定。同層之間的通信由簇頭進(jìn)行協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)發(fā)，不同層之間通信先經(jīng)過(guò)簇頭層面的數(shù)據(jù)交換再分配到目標(biāo)簇的節(jié)點(diǎn)。比較經(jīng)典的路由算法有MIT Heinzelman W. R.等人提出的LEACH算法（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）和針對(duì)監(jiān)控對(duì)象突然變化快速反應(yīng)的TEEN算法（Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol）。然而，LEACH算法假設(shè)事件在全局內(nèi)隨機(jī)發(fā)生，TEEN算法雖然可以及時(shí)響應(yīng)突發(fā)事件，同時(shí)也考慮了能量分布的因素，但是這些算法都是基于普遍情況設(shè)計(jì)的，沒有考慮室內(nèi)環(huán)境的特殊性。在室內(nèi)環(huán)境中，部分節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)固定的且配有電源充電，只有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)才需要考慮節(jié)能和動(dòng)態(tài)路由。

根據(jù)上述算法特點(diǎn)，我們針對(duì)性地對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由算法進(jìn)行優(yōu)化。基于分層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和通信，提出了基于固定位置的上層網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和基于動(dòng)態(tài)接入的下層網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制。具體通信路由的建立分為路由表生成、分配和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入三個(gè)步驟。

（1）路由表生成

無(wú)線節(jié)點(diǎn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常以節(jié)點(diǎn)編號(hào)作為標(biāo)識(shí)，在節(jié)點(diǎn)位置固定的條件下，可以將節(jié)點(diǎn)編號(hào)與地理位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)。在匯聚節(jié)點(diǎn)1、2、3、4和其余普通路由節(jié)點(diǎn)組成的上層網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠通信范圍是每個(gè)小格子的對(duì)角線（即1號(hào)節(jié)點(diǎn)可以和5、10、11三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，如果和6號(hào)節(jié)點(diǎn)通信則需要經(jīng)過(guò)5號(hào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息）。根據(jù)這些條件，在初始化時(shí)候網(wǎng)絡(luò)可以參考節(jié)點(diǎn)的地理位置信息進(jìn)行最短通信路徑搜索，從而為每個(gè)固定節(jié)點(diǎn)生成一張路由表，如圖1-66所示。

這樣就可以避免網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)產(chǎn)生過(guò)多的信息冗余，從而保證在上層網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸?shù)母咝Аａ槍?duì)特殊情況，比如節(jié)點(diǎn)失效或者無(wú)線傳輸失敗，我們可以加入網(wǎng)絡(luò)通信確認(rèn)字符（ACK）機(jī)制或者備用路由，以提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

（2）路由表分派

生成網(wǎng)絡(luò)路由表后，表格中的每列對(duì)應(yīng)著每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表。路由表分派是建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的過(guò)程，未分配路由表的節(jié)點(diǎn)事先不能進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)，因此根據(jù)廣度優(yōu)先搜索算法，由匯聚節(jié)點(diǎn)開始依次派發(fā)，最終使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都接收到自身的路由表，從而完成路由部署，過(guò)程如圖1-67所示。通過(guò)這種方法可以建立起由固定節(jié)點(diǎn)組成的上層網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制。

（3）移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入

下層移動(dòng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入方式如圖1-68所示。

首先，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)廣播helloMsg消息（包括節(jié)點(diǎn)編號(hào)和類型），上層固定節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，從而判斷距離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近，近處的固定節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)并回復(fù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇最佳的網(wǎng)絡(luò)通路建立連接。通過(guò)設(shè)定helloMsg廣播的時(shí)間間隔來(lái)不斷更新移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和上層網(wǎng)絡(luò)的通信連接，為保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和上層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，hel-loMsg廣播間隔的選取還需要考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度和固定節(jié)點(diǎn)布網(wǎng)密度。

1.4.3 自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)研制及實(shí)驗(yàn)研究

1.4.3.1 傳感節(jié)點(diǎn)

傳感節(jié)點(diǎn)基于ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)一種短距離、低功耗、組網(wǎng)能力強(qiáng)的無(wú)線通信技術(shù)，具有高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)。相比于其他同頻率的電子技術(shù)而言，ZigBee技術(shù)具有一定的低成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，ZigBee技術(shù)采用了先進(jìn)的國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)，其物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee節(jié)點(diǎn)采用移動(dòng)自組織的形式，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可容納巨量節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以互相之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)的覆蓋直徑可從標(biāo)準(zhǔn)的75m進(jìn)行不斷擴(kuò)展。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種功能相區(qū)分的設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器和終端。協(xié)調(diào)器是一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器上電之后會(huì)選擇一個(gè)特定的信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，然后創(chuàng)建一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建完成后，協(xié)調(diào)器的功能與路由器相同。路由器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要起消息轉(zhuǎn)發(fā)的功能。終端往往與傳感器相結(jié)合，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的末梢，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集等功能。

ZigBee技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）低數(shù)據(jù)傳輸率

傳輸速率只有10～250Kbit/s，不適合語(yǔ)音、視頻等巨量數(shù)據(jù)的傳輸，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)末梢所采集的溫度、濕度等簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的傳輸。

（2）低功耗

ZigBee設(shè)備有兩種模式，即工作模式和非工作模式。在工作模式下，因?yàn)閆igBee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)量小，且傳輸速率偏低，所以ZigBee設(shè)備的工作周期很短，發(fā)射功率在1mW左右。在非工作模式下，ZigBee設(shè)備處于休眠狀態(tài)，需要其工作時(shí)會(huì)由協(xié)調(diào)器來(lái)喚醒它們。總之，ZigBee設(shè)備非常省電，兩節(jié)普通干電池便可以使一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)工作1～2年，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。這也是相比于其他無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)所體現(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

（3）高可靠性

一方面，ZigBee數(shù)據(jù)傳輸采用的CSMA-CA碰撞避免機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前，會(huì)先去監(jiān)聽鏈路是否處于空閑狀態(tài)。如果鏈路忙碌（即被其他設(shè)備占用），那么節(jié)點(diǎn)會(huì)隨機(jī)生成一個(gè)退避時(shí)間，以減少甚至避免沖突；如果鏈路空閑，節(jié)點(diǎn)會(huì)在發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送RTS幀給接收方，等待接收方回應(yīng)CTS幀后開始數(shù)據(jù)傳輸；如果沒有回應(yīng)，則會(huì)啟動(dòng)重發(fā)機(jī)制，這樣就避免了其他節(jié)點(diǎn)再次占用信道的沖突，且提高了傳輸穩(wěn)定性。此外，ZigBee的通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活時(shí)間都非常短，這也進(jìn)一步提高了ZigBee的可靠性。另一方面，ZigBee節(jié)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于人類不宜到達(dá)的地方或是一些特殊環(huán)境，因?yàn)槠淇赡軙?huì)遭受風(fēng)吹、日曬、雨淋甚至遭到人為或者動(dòng)物破壞，所以節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。

（4）自組織

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的位置會(huì)發(fā)生相對(duì)變化，同時(shí)個(gè)別節(jié)點(diǎn)也會(huì)因?yàn)殡娏坎蛔愕葐?wèn)題退出網(wǎng)絡(luò)，或是一些節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)等。這些因素共同決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需具備自組織通信、調(diào)度、管理網(wǎng)絡(luò)的功能。

（5）網(wǎng)絡(luò)容量大

網(wǎng)絡(luò)容量大體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量大，密度大。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，可以定義兩種器件，一種是全功能器件（FFD），如協(xié)調(diào)器，或者網(wǎng)絡(luò)末梢的帶有多種傳感器的采集節(jié)點(diǎn)；另一種是精簡(jiǎn)功能器件（RFD），它們作為網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。由一個(gè)協(xié)調(diào)器創(chuàng)建的一個(gè)信道，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)特定的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常巨大。另一方面是指?jìng)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)覆蓋范圍大，不同ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間也可以通過(guò)一定方式互聯(lián)，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模以及覆蓋范圍非常可觀。大規(guī)模使得數(shù)據(jù)來(lái)源變得更廣，可信度更高，同時(shí)，冗余節(jié)點(diǎn)的存在也使得系統(tǒng)容錯(cuò)性更強(qiáng)。

（6）成本低

ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)用，RFD的費(fèi)用大概在20～30元。如此低廉的成本也有效保障了ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以擁有巨量的節(jié)點(diǎn)，從而保障了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，使ZigBee強(qiáng)大的功能得以充分體現(xiàn)。

（7）安全性強(qiáng)

ZigBee技術(shù)采用三種等級(jí)的安全模式。第一種是非安全模式，此種模式下不采取任何安全措施。第二種是訪問(wèn)控制模式，在此種模式下，只有訪問(wèn)控制列表中的設(shè)備才可以獲取數(shù)據(jù)。第三種是安全模式，此種模式下，采用AES 128位加密算法對(duì)通信進(jìn)行加密，同時(shí)采用完整性校驗(yàn)。

1.4.3.2 傳感及轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

為了提升傳感網(wǎng)絡(luò)帶寬及無(wú)線傳輸距離，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)和移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了移動(dòng)便攜式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)不依賴任何基礎(chǔ)通信設(shè)施，可臨時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速地構(gòu)建一個(gè)無(wú)線IP網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具備具有自組織、自恢復(fù)的能力，能夠支持圖片、話音、視頻等多媒體業(yè)務(wù)的多跳傳輸。另外，可基于該節(jié)點(diǎn)的通用接口與上一節(jié)提到的普通傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的快速轉(zhuǎn)換，以此構(gòu)建小區(qū)域局域網(wǎng)與大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的銜接，實(shí)現(xiàn)基于異構(gòu)協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

Ad Hoc的意思是“for this”，引申為“for this purpose only”，即“為某種目的設(shè)置的，特別的”意思。這種特殊用途的網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性自治系統(tǒng)，移動(dòng)終端具有路由功能，可以通過(guò)無(wú)線連接構(gòu)成任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@種網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立工作，也可以與互聯(lián)網(wǎng)（Internet）或蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。在后一種情況中，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通常是以末端子網(wǎng)（樹樁網(wǎng)絡(luò)）的形式接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)作為路由器需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表參與分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)工作。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的路由通常由多個(gè)網(wǎng)段（跳）組成，由于終端的無(wú)線傳輸范圍有限，兩個(gè)無(wú)法直接通信的終端節(jié)點(diǎn)往往要通過(guò)多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。因此，它又被稱為多跳無(wú)線網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無(wú)固定設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)同時(shí)具備移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，可以看作是一種特殊類型的移動(dòng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。由于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種移動(dòng)、多跳、自律式系統(tǒng)，因此它具有以下一些主要特征。

（1）無(wú)中心和自組織性

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中沒有絕對(duì)的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)協(xié)調(diào)彼此的行為，無(wú)須人工干預(yù)和任何其他預(yù)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，可以在任何時(shí)刻、任何地方快速展開并自動(dòng)組網(wǎng)。由于網(wǎng)絡(luò)的分布式特征、節(jié)點(diǎn)的冗余性和不存在單點(diǎn)故障點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)的健壯性和抗毀性很好。

（2）自動(dòng)配置

自動(dòng)配置是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本特征，節(jié)點(diǎn)必須檢測(cè)其他節(jié)點(diǎn)以及它們可以提供的服務(wù)。由于網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，自動(dòng)配置過(guò)程需要確保網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作，這涉及連接Internet的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的更換、簇頭的更新等。

（3）動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端能夠以任意速度和任意方式在網(wǎng)中移動(dòng)，并可以隨時(shí)關(guān)閉電臺(tái)，加上無(wú)線發(fā)送裝置的天線類型多種多樣、發(fā)送功率的變化、無(wú)線信道間的互相干擾、地形和天氣等綜合因素的影響，移動(dòng)終端間通過(guò)無(wú)線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都難以預(yù)測(cè)。

（4）受限的無(wú)線傳輸帶寬

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線傳輸技術(shù)作為底層通信手段，由于無(wú)線信道本身的物理特性，它所能提供的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對(duì)有線信道要低得多。此外，考慮到競(jìng)爭(zhēng)共享無(wú)線信道產(chǎn)生的沖突、信號(hào)衰減、噪聲和信道之間干擾等多種因素，移動(dòng)終端得到的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論上的最大帶寬。

（5）移動(dòng)終端的局限性

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)終端具有攜帶方便、輕便靈巧等好處，但是也存在固有缺陷，例如能源受限、內(nèi)存較小、CPU性能較低等，從而給應(yīng)用程序設(shè)計(jì)開發(fā)帶來(lái)一定的難度，同時(shí)屏幕等外設(shè)較小，不利于開展功能較復(fù)雜的業(yè)務(wù)。

（6）安全性較差

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，由于采用無(wú)線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，它更加容易受到被動(dòng)竊聽、主動(dòng)入侵、拒絕服務(wù)、剝奪“睡眠”等網(wǎng)絡(luò)攻擊。信道加密、抗干擾、用戶認(rèn)證和其他安全措施都需要特別考慮。

（7）網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性不強(qiáng)

在目前Internet環(huán)境下，可以采用子網(wǎng)、無(wú)級(jí)域間路由（Classless InterDomain Routing，CIDR）和變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼（Variable Length Subnet Masks，VLSM）等技術(shù)，增強(qiáng)了Internet的可擴(kuò)展性。但是動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得具有不同子網(wǎng)地址的移動(dòng)終端可能同時(shí)處于一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，因而子網(wǎng)技術(shù)所帶來(lái)的可擴(kuò)展性無(wú)法應(yīng)用在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。

（8）多跳路由

由于節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的限制，節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍有限。當(dāng)它要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)。此外，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成的，而不是由專用的路由設(shè)備完成的。

（9）存在單向的無(wú)線信道

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線信道進(jìn)行通信，由于地形環(huán)境或發(fā)射功率等因素影響可能產(chǎn)生單向無(wú)線信道。

（10）特殊的信道共享方式

傳統(tǒng)的共享廣播式信道是一跳共享的。而在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，廣播信道是多跳共享的，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送，只有其一跳相鄰節(jié)點(diǎn)可以聽到。

（11）供電問(wèn)題突出

考慮到成本和易于攜帶，節(jié)點(diǎn)不能配備太多數(shù)量的發(fā)送接收器，并且節(jié)點(diǎn)一般依靠電池供電。因此如何節(jié)省節(jié)點(diǎn)電源、延長(zhǎng)工作時(shí)間是個(gè)突出問(wèn)題。

1.4.3.3 網(wǎng)絡(luò)分層管理

針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性和應(yīng)用環(huán)境，提出了網(wǎng)絡(luò)分層管理模式，如圖1-69所示。這種方法融合了分布式和集中式兩種基本的組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)在縱向上是樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同一層面中為網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的最高層是互聯(lián)網(wǎng)層，接下來(lái)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層，其中根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性分為由傳感和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)組成的上層靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)和由傳感節(jié)點(diǎn)組成的下層動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。這種組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)了同一級(jí)別網(wǎng)絡(luò)分布式的通信和上下級(jí)網(wǎng)絡(luò)集中式的信息管理方法。

每一層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信均采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)類似于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)Ad Hoc，沒有網(wǎng)絡(luò)中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等。節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)連通性高，承受攻擊能力強(qiáng)，私密性較好。因此在上層靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，路由節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)之間、路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的信息交換基本都是通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式完成的，但是如果通信距離過(guò)遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)則會(huì)選擇信息傳播路徑中的過(guò)渡節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。

上層網(wǎng)絡(luò)與下層網(wǎng)絡(luò)之間采用的是集中式網(wǎng)絡(luò)控制方法。這種方法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑市切位驑錉罱Y(jié)構(gòu)，其中所有的信息都要經(jīng)過(guò)該區(qū)域的中心節(jié)點(diǎn)（簇頭）。區(qū)域中每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間地位不一樣，而且分工明確。基站作為最高級(jí)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，下屬每個(gè)區(qū)域（簇）內(nèi)有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)直接與簇頭進(jìn)行通信。即使在同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間的通信也需經(jīng)過(guò)簇頭進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。這種通信結(jié)構(gòu)便于網(wǎng)絡(luò)信息的管理，但是網(wǎng)絡(luò)連通性和承受攻擊能力較弱，如果網(wǎng)絡(luò)中的簇頭遭到攻擊，將會(huì)影響到整片區(qū)域內(nèi)的通信。

我們所采用的分層網(wǎng)絡(luò)管理方式，結(jié)合了對(duì)等網(wǎng)絡(luò)和分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。同一層內(nèi)的信息能夠采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的方式自由高效地傳輸，層與層之間的數(shù)據(jù)通過(guò)簇頭進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和加工，從而方便數(shù)據(jù)匯總以及信息管理。

1.4.3.4 自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)研制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述研究成果，研制了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了基于分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的混合路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)接入和路由；研制了無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)核心板和底板樣機(jī)，其實(shí)物圖如圖1-70所示；實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)70m的無(wú)線接入及最多30個(gè)節(jié)點(diǎn)的吞吐量，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

我們選擇部分自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入環(huán)境信息傳感器，并進(jìn)行了自組網(wǎng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖1-71所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）傳感節(jié)點(diǎn)具備信息感知能力，能夠采集環(huán)境信息，并將該信息傳輸給相鄰節(jié)點(diǎn)。

2）傳感節(jié)點(diǎn)具備路由能力，可將鄰近節(jié)點(diǎn)信息快速傳送給相鄰節(jié)點(diǎn)，直至信息到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。

3）節(jié)點(diǎn)具備自組網(wǎng)能力，可動(dòng)態(tài)加入、退出網(wǎng)絡(luò)，新的節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)不影響數(shù)據(jù)傳輸。

4）節(jié)點(diǎn)傳輸距離在無(wú)遮擋條件下可達(dá)70m，節(jié)點(diǎn)吞吐量可達(dá)30個(gè)。