无线自组织网络：基本概念与应用

过去几十年间，无线通信和计算机网络技术不断进步，二者的相得益彰也促成了无线网络技术的迅猛发展。目前，无线网络的主流应用仍旧是蜂窝无线网络（Cellular Network）、无线局域网（Wireless Local Network，WLAN）、集群网络和卫星通信网络等模式。在这些网络中，往往只有“最后一跳”才涉及无线通信。具体来讲，在蜂窝网中，这个无线模式的最后一跳发生在基站和用户之间；而在WLAN中，则发生在AP（Access Point）和终端用户之间；而基站/AP之间的通信通常是通过有线的高容量链接完成。建设基站、AP和高容量骨干网使得组网程序较复杂、成本较高，而且针对特定应用时，这类网络的鲁棒性也成为短板之一。一个顺理成章的理念便是去除这些基础设施，让节点之间直接通信，这便促成了无线自组织网络（Ad hoc Network）的产生。无线自组织网络最初应用于军事领域。20世纪70年代，美国国防预先研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）针对战场临时通信的需求提出无线自组织网络（Ad hoc Network）的概念，最早的原型网络被称作分组无线网络（Packet Radio Network，PRNET）[1]。此后，DARPA又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN（Survivable Adaptive Network）和全球移动信息系统Glo Mo（Global Information System）项目的研究[2-3]。随着无线通信和终端技术的不断发展，自组织网络在民用环境下也得到了发展。

与传统类型的无线网络相比，无线自组织网络的显著特点是它不需要固定通信设施的支持，不依赖于固定的中心控制节点；无线自组织网络能随着节点的加入、退出和移动而进行自组织和自管理[4-5]。设计无线自组织网络面临比依托基础设施的传统无线网络更多的挑战。首先，自组织网络的分布式特性使得如何协调系统成为挑战之一。然而，更重要的挑战性问题则是由自组织网络对无线通信的全面依赖性导致的。这一关键的挑战表现为：在同一无线信道中同时进行的无线通信相互之间不可避免地要产生干扰，从而，对彼此的通信质量产生消极影响。实际上，干扰现象正是多用户无线通信的中心问题。在依托基础设施的网络中，这一问题被约束到了局部的“分区”之内。为了使得无线用户可以充分近的距离与基础设施（如基站）通信，需要以足够大的密度把足够多的基础设施部署到网络区域之内。因为无线信号随传输距离增大而衰减，从而，通过空间分割的手段，可保证无线通信之间没有过大的干扰，使得在同一无线信道上同时运行多个无线传输成为可能。当多个用户需要接入基础设施（如基站）时，不同用户的信号可通过时分、空分和码分的方式来分享频谱资源。如果基础设施足够充分，则通过这些分享资源的方式可获得满足用户一定需求的网络性能。在无线自组织网络中，解决干扰问题具有更大的挑战性。在网络中，根据通信业务需求，往往需要将数据做长距离的传输。简单地将资源分配给多个用户，将导致低劣的网络性能，从而不再是好的策略[6]。事实上，即使不考虑干扰的因素，受无线传输能量的约束，网络中的任意两点，如果距离过大，也并非可以直接进行通信。引入创新性的干扰管理方法，设计高性能的协议机制，成为无线自组织网络研究中亟须解决的问题。

自组织网络具备部署成本低、组网灵活等诸多优势，其应用前景广阔，包括抢险救灾、临时会议、智能家居、智能交通和军事野战通信等[7-10]，也可作为已有网络（包括有线和无线网络）的多跳扩展。自组织网络的具体应用范例如：可以在没有固定基础设施的会场中搭建，以进行数据的发布和共享；可以在家用环境中搭建，以各种无线终端为基础，构成无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）[8-10]；可以在救灾或者野外环境下搭建，由随机部署的自组织节点自发构成监测网络[11-13]。(www.xing528.com)

在实现无线自组织网络这诸多令人期待的应用之前，大量具有挑战性的问题有待解决。其中，具有代表性的问题之一是从网络基本性能的角度，比如容量，探究网络的基础性质。针对给定的一个无线自组织网络，需要解决的基本问题包括：如何界定每个用户可维持的最大通信速率？这样的速率依赖于系统的哪些参数，用户数量、节点密度、会话模式或者能量的限制等？如何设计节点以及最优的通信策略达到最优的网络性能？作为网络基础性质的表征之一，自组织网络的标度律将对以上这些问题作出回答。本书的研究范围也将限定在标度律问题上。