MANET与WSN无线自组网的无中心、自组织、分布式、多跳转发等特点,使

2024年4月16日发(作者：)

MANET与WSN

无线自组网的无中心、自组织、分布式、多跳转发等特点，使它具有无需网络基础设施、

可快速临时组网、系统抗毁性强等突出优点，应用前景广阔。移动自组网（Mobile Ad hoc

Network）和无线传感器网络（WSN）是无线自组网的两个重要分支，面向不同应用。

移动自组网主要面向“人与人”之间的移动通信，最早源自军事移动通信，要求通信系

统具备以下能力：网络快速展开与组织、抗毁性强、移动中通信、通信距离远等。灾后救援

是其又一应用领域。发生地震、水灾、海啸或者大规模恐怖袭击后，通信基础设施可能无法

正常工作，来自各方救援人员急需这种不依赖通信基础设施又能快速部署的通信技术。在扩

大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、保障车辆通信等方面移动自组网技术具有得天独厚的条

件。Mobile Ad hoc Network节点是面向个人通信的无线终端，节点的自由移动（人员便携、

车载、机载等）导致网络拓扑快速变化，如何适应网络拓扑动态变化是Mobile Ad hoc Network

设计的主要挑战。

无线传感器网络主要面向“物与物、人与物”之间的信息交互。无线传感器网络具有快

速部署、自组织、高容错性等特点，军事方面可用于敌军兵力监控、战场态势实时采集、目

标定位、核生化攻击检测等；环境方面可用于监测河床水位和土壤水分，预测山洪、地震的

可能性、监视野生动物等；医疗方面可用于监测人体生理数据，医院药物管理等；此外在智

能家居、智能交通、仓库管理、自动化生产等众多领域都可能孕育出全新应用模式。传感器

节点多采用电池供电，节点数量众多，部署区域环境复杂，采用人工电池更换方式来补充能

源是不现实的，电池能量耗尽是传感器节点失效的主要原因。如何高效使用能量来最大化网

络生命期是无线传感器网络设计面临的主要挑战。

发展历程

：

1、 Mobile Ad hoc Network

移动自组网（Mobile Ad hoc Network）分为两个阶段：1、二十世纪六十年代末到八十

年代末期，是基于军事通信应用的初期发展阶段；2、二十世纪九十年代至今，是基于军事

通信和民用通信应用的快速发展阶段。

（1） 军事通信的初期发展阶段

移动自组网的出现，最早来自军事通信的需求[LNT87]、[B90]。首先作战部队的快速移

动，要求相互间通信只能采用无线方式。其次军事通信网要求具有抗毁性，不能因为个别节

点的摧毁造成整个网系的瘫痪，为此要求通信系统最好采用无中心、分布式协调方式组网；

在某些战场环境下，无法预先布设通信基础设施，参战单位多元化，需要一种能快速展开的

移动自组网。此外，战场无线频谱资源越来越紧张，100MHz以上的频段只能进行视距传输，

限制了无线通信的范围，为实现远距离用户的信息交互，必须采用多跳中继转发方式。Ad hoc

网络技术的起源可追溯到 1968 年的 ALOHA 项目和 1972 年的 PRNET 网络。1968 年，

美国夏威夷大学为了将分布在四个岛屿的七处校园内的计算机之间互连，构建了第一个无线

自组网――ALOHA 系统。在该网络中，计算机不能移动，相互之间一跳可达。该项目首先

研究了共享无线媒介的多站点接入信道问题，提出了著名的ALOHA 协议。

1972 年，夏威夷大学在美国国防部预先研究计划局(DARPA，Defence Advanced

Research Projects Agency)的支持下，开发了支持节点移动的分组无线电网络 PRNET（Packet

Radio Networks）。与 ALOHA 不同，PRNET 允许在一个更广地理范围内，采用分组多跳

存储转发方式进行通讯。PRNET 设计时希望网络的形成无需人工干预，系统能自动初始化

和自动运行。这意味着网络节点能够发现邻居节点，并根据这些邻居节点形成路由。

1983 年，DARPA 资助进行了具有抗毁性和自适应的无线网络 SURAN 项目

（SurvivableAdaptive Radio Networks）。该项目重点解决以下三个关键技术问题：当时的无

线通信装置体积大，功率大，成本高。组网算法虽然在小规模网络上得到验证，但是无法支

持大规模网络。网络抗电子干扰能力差。该项目研制出低成本的分组无线电电台——LPR。

电台带有集成微处理器——Intel8086，采用直接序列扩频技术和自适应前向纠错技术提高抗

干扰性。基于 LPR 平台，研究人员提出一种基于分层链路状态路由协议，以支持大规模网

络。美国海军研究实验室于 20 世纪 70 年代末研制完成了短波自组织网络 HF-ITF 系统，

该系统能够保障海军特遣舰队在 500 公里范围的舰只、飞机、潜艇相互之间进行

联网。系统工作在短波频段，是采用跳频方式组网的低速自组织网络。

（2） 军民并重的快速发展阶段

二十世纪九十年代初期，随着移动通信和移动终端技术的高速发展，移动自组网技术不

但在军事通信领域得到充分发展，而且在民用通信领域得到应用。此前的 PRNET、SURAN、

HF-ITF 系统等项目在自组网内部采用自定义子网协议，未采用标准 IP 协议。因特网的成

功推动了将全球信息基础设施扩展到移动无线环境的进程。1993 年，美国国防部启动近期

数字无线电台（NTDR， Near-term Digital Radio）计划，目标是研制支持 IP 数据业务的战

术无线电台。基于该电台可自组织成两层的Ad Hoc 网络。网络分为若干簇，每个簇由一个

簇首和若干簇成员组成，各簇首构成一个骨干网。NTDR 配置到美军旅或旅以下部队战术

作战中心，是目前少数的“实际”使用的 Ad Hoc 网络之一。

1994 年，美国 DARPA 启动全球移动信息系统（GloMo）计划，目标是为移动用户提

供信息服务，使移动无线环境成为国防信息基础设施的重要组成。WINGs(Wireless Internet

Gateways)是 GloMo 计划中的一个项目，主要目标是在 IP 层完成路由功能，实现无线移动

自组网与多媒体因特网的无缝结合。各种基于无线和红外技术通信设备的广泛出现和便携计

算机的流行，产生了移动终端互连的要求，为移动自组网的应用提供了广阔空间。1994 年，

s 和n 分别在 ACM SIGCOMM 和 ACM Mobicom 会议发表论文，提

出了对个人便携设备进行无需基础设施支持的组网思想，并对相应的路由算法进行了探索。

这标志着移动自组网技术开始从军事通信领域转向民用通信领域。

1997 年，IEEE802.11 标准发布[IEEE99]，该标准支持一跳的 Ad hoc 工作模式，进

一步推动了无线自组网的发展。同年，IETF 成立了 MANET（MobileAd hoc Network）工

作组[MAN]，负责研究支持数百个节点规模的移动自组网路由协议，制定相应标准。目前该

工作组已经形成了三个路由协议的 RFC，分别为 AODV（RFC3561）、OLSR（RFC3626）、

TBRPF（RFC3684）[MAN]。

移动自组网作为一种新颖的移动计算机网络，开创出一种新的移动计算模式。在未来发

展中，军事通信在移动自组网的应用仍将保持重要地位，民用通信领域的应用则将逐步扩大。

2、 Wireless sensor network

进入二十一世纪后，无线自组网的一个重要发展方向是无线传感器网络。无线传感器网

络（Wireless Sensor Network）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通

过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理

网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信息获取者。由于大量微小传感器节点随机分布，

每个节点传输功率非常有限，因此只能采用无线自组网技术进行组网通信。

2000 年，美国陆军提出“无人值守地面传感器群”项目[YC00]，该项目包括远程战场

传感器系统和战术远程传感器系统。目标在于使基层部队指挥员能够根据需要将传感器部署

到任何区域，并且详尽收集战场各种精确信息，比如丛林地带的地面坚硬度和干湿度，为更

准确地指定战斗行动方案提供情报依据。

2001 年，美国国防部预先研究计划局启动 SensIT(Sensor Information Technology)计划

[SD01]，该计划研究的关键技术包括：如何以战场为背景，让传感器节点通过自组织方式完

成网络的快速部署；如何从部署的传感器网络收集有用的、可靠的、实时战场态势信息。该

计划要求 SensIT 网络具有交互和编程能力，适应动态任务部署和查询；具有多任务能力，

允许多用户同时使用；具有精确的感知和跟踪能力。同年，美国陆军提出“灵巧传感器网络

通信”计划。目标是在战场上部署大量传感器以收集信息，对相关原始数据初步融合后，再

把重要信息传送到各数据融合中心，将大量信息集成战场全景图，提高美军战场态势的感知

能力。

2002 年，美国 Sandia 国家试验室与美国能源部合作，共同研究能够尽早发现以地铁、

车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的系统。同年，INTEL公司发布

“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”，宣称将致力于微型传感器网络在预防医学、

环境监测、森林灭火，乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。

2003 年美国国家科学基金会第一次设立传感器网络研究主题，公开征求计划书。三个

月内收到超过 2000 份计划书，而它的经费只够支持 50 个研究计划。2004 年，美国国家

科学基金会再次设立传感器网络的研究主题。目前，无线传感器网络作为信息领域的一个全

新方向，引起了学术界的广泛关注。

两种网络的差异

从通信角度看，无线传感器网络和移动自组网具有许多共性特点，都采用无中心、分

布式协作、自组织、多跳无线组网方式，每个节点都具有路由转发能力。但是两种网络之间

存在许多不同，主要体现如下：

（1） 网络功能不同

移动自组网面向“人与人”之间的移动通信。转发节点不关心信息的具体内容，对信

息只转发，不作修改。无线传感器网络面向“物与物、人与物”之间的信息交互，以数据为

中心。信息在传输过程中，结合数据融合机制，逐步筛选归并，以期减小数据传输量。中间

节点对信息不是简单转发，需要对转发信息进行融合处理。

（2） 通信方式不同

移动自组网通信主要采用点到点的单播通信。无线传感器网络通信方式主要采用点到

多点的广播方式将数据查询发布到网络中所有的传感器节点，采用多点到一点的汇播

（ convergecast ） 或 者 数 据 融 合 方 式 从 所 有 的 传 感 器 节 点 中 收 集 数

据。

（3） 网络寻址方式不同

移动自组网采用全网唯一的节点编号作为网络地址，路由协议根据节点编号进行寻址。

无线传感器网络关注的是监测区域的感知数据，而不关心具体从哪个节点获得。因此在某些

应用中，无线传感器网络会采用基于属性命名的网络地址寻址方式来建立数据源到汇聚节点

之间的转发路由。

（4） 网络节能要求不同

移动自组网节点通常是面向个人应用的无线便携终端，在终端电池耗光情况下，使用

者可以及时充电或者更换备份电池，节能问题不是移动自组网设计的首要目标。无线传感器

节点体积微小，通常采用能量十分有限的电池供电，电池能量耗尽是传感器节点失效的主要

原因。很多情况下传感器节点数目众多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复

杂，有些区域甚至人员无法到达，所以通过电池更换方式来补充传感器节点的能源是不现实

的。如何高效使用能量来最大化网络生命期是传感器网络面临的首要挑战。

（5） 网络拓扑变化原因不同

通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。传感器节点故障是传感器网络拓扑变

化的主要原因之一。传感器节点成本低廉、工作环境恶劣、电池能量容易耗尽，上述因素使

得传感器节点故障率高。因节点故障导致的网络拓扑变化是缓慢的。移动自组网的大多数节

点（人员便携、车载、机载、舰载）是移动的，节点移动是网络拓扑快速变化的主要原因。

快速变化的网络拓扑给移动自组网，尤其是路由设计带来了巨大挑战。移动自组网的首要目

标是如何在动态网络拓扑的环境下，提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽。

（6） 网络规模不同

移动自组网通常由几十到上百个节点组成。传感器网络的规模很大，一方面是传感器

节点分布在很大的地理区域，如在原始大森林中部署传感器网络进行森林防火和环境监测；

另一方面传感器节点部署很密集，在一个面积不大的空间可能密集部署了大量节点。

上述差异的存在，使得移动自组网和无线传感器网络在无线自组网技术框架下，相互

借鉴、相互推动，不断丰富无线自组网技术。

Vehicular Mobile Ad hoc Network

近年来，车载通信成为国外研究的热点。实现汽车间的无线通信可以给人类的生活带

来极大的便利。例如，在公路上行驶时，人们可以通过通信系统来了解路段的情况，根据是

否发生事故或堵车及时调整路线。同时交通系统也可以根据所收集到的车流量和路况信息及

时地调整红绿灯时间，使交通系统达到最高效率。从上述看出，引入车辆间无线通信可以极

大地提高行车安全以及改善交通流量状况。目前的研究表明，在车辆通信方面，移动自组网

技术具有得天独厚的条件，例如在低延时、网络稳健性以及网络拓扑结构多变性方面具有更

大的优势。

在2003 年ITU-T 的汽车通信标准化会议上,各国专家提出的车用自组织网络(vehicle

ad-hoc network,简称VANET)技术有望在2010 年将交通事故带来的损失降低50%。VANET

是指道路上车辆间、车辆与固定接入点之间相互通信组成的开放移动Ad hoc 网络.它在道路

上构建一个自组织的、部署方便、费用低廉、结构开放的车辆间通信网络.VANET 技术可

以实现事故告警、辅助驾驶、道路交通信息查询、乘客间通信和Internet 信息服务等应用

。

目前,VANET 已经引起世界各国研究机构和科研人员的密切关注

。

2003 年,美国的联邦通信

委员会专门为车辆间通信划分了一个专用频段。2004 年~2006 年,MobiCom 专门召开了3

次专题研讨会讨论VANET。欧盟 IST 设立了若干个采用移动自组网技术解决车辆之间通信

问题的项目，包括 CarTALK2000[CAR]等。汽车工业强国德国已经完成了基于Ad hoc 网络

的车载通信系统Fleet Net 项目，并启动了后续的NOW(Network On Wheels)。

目前的研究成果表明,VANET 具有其他移动自组织网络所不具备的特性和传输问题.首

先,VANET 是移动自组织网络在道路上的应用,它具有移动自组织网络的各种特点,比如自

治性和无固定结构、多跳路由、网络拓扑的动态变化、网络容量有限、良好的可扩展性等.

但特殊的应用环境,如狭窄的道路、高密度节点分布、节点高速移动等,直接影响VANET 网

络的信息传输能力,使得丢包增加、延迟增大。在VANET 中使用传统的传输层协(TCP,UDP)

和路由协议(如AODV,DSR,OLSR 等),数据包的成功传输率不会超过50%,延迟大且延迟抖动

剧烈。

近年来,各国学者对移动自组织网的各种传输问题进行了广泛研究,通过分析移动自组织

网络传输控制协议设计的要点和思路,可以发现一些具有实用价值的思想和方案对VANET

传输控制协议设计极具借鉴意义。由于VANET 特殊的网络环境、特殊的运动规律及特殊的

应用背景,它的信息传输方法将有别于当前大多数的研究成果.VANET 传输控制协议设计更

具有挑战性和独创性.在VANET 中,地理信息、信道质量、路径状态等都可以通过一定的方

法和途径获得,它们对设计高效、可靠的传输控制协议具有重大意义;但同时,通信信道狭隘、

节点高速移动、节点密度过高等特有的不利因素又给VANET 传输控制协议设计带来了巨大

的困难和挑战。VANET 传输控制协议设计需要全面考虑各种影响因素,并充分利用有利条

件,克服不利因素。