无线自组织应急通信网络的入网管理

3.1 普通Mesh模式入网

虽然IEEE 802.16协议中没有特别规定Mesh模式下节点的通信范围，但是参照IEEE 802.16协议的PMP模式(小区模式)来估算，节点的覆盖范围为十几公里。这种场景下，网络的拓扑会比较复杂，跳数会增加。首先考虑以下情景，如图1所示。

假设节点A、B都为成员节点，即已加入了网络，并且A、B节点都不处于各自的通信范围内，而且彼此也不是对方的两跳邻居节点，因此节点A、B可以选择网络控制子帧的同一个网络配置时机来发送自己的MSH-NCFG消息，而彼此不会产生影响。这时一个新的节点C要加入网络，如图2所示。

由于节点C的到来，使得原来没有关系的节点A和B现在变成了两跳邻居。这时假设节点C在某个网络接入时机成功地向节点A发送MSH-NENT请求消息。节点A接受了这个请求消息后，在自己的网络配置时机发送MSH-NCFG消息进行应答。但是，由于节点B不知道节点A已经变成了两跳邻居，所以节点B也会在同一个网络配置时机发送自己的MSH-NCFG消息，这样节点C就不能正确地接收到节点A的应答，所以节点C在超时后会重发请求消息。在节点密度比较大的情况下，这种类型的冲突会很多，造成很大的网络接入延迟。这个问题的解决方法很重要，文献[9]中给出了一种方法。

3.2 广域Mesh模式入网

在广域模式下，节点的通信范围比较大，基本上不会产生普通Mesh模式下存在的问题，可是会带来新问题。新问题的描述如图3所示。

节点A是已有的网络成员，在某一时刻节点B和节点C同时到达网络并完成了网络信号同步。对3个节点而言，他们通信范围都比较大，都处在彼此的通信范围内。这时如果节点B和节点C同时向节点A发送入网请求MSH-NENT消息，则会导致冲突。尤其在大量节点要加入网络的时候，这种冲突会更加频繁，问题更加明显。

3.3 管理方法

由于无线自组织应急通信网络的应用场景就是要求节点快速进入网络，所以在网络节点入网发生冲突时，需要有效的冲突解决算法，以保障快速解决冲突，完成节点入网。

在用于竞争/冲突的网络资源管理中的应用中已经表明，退避算法是一种解决冲突的有效方法。针对自组织应急通信网络而言，如果在已知有大量入网的节点加入网络，并且已知这些节点信息的时候，选用集中式的静态配置的入网管理方法，将能够让所有节点以完全无冲突的、最小时延的方式迅速加入网络。只是这种方式的条件太过苛刻，因此本文提出大规模的节点分布式入网管理方法。

分布式入网的基本思想是基于窗口选择的退避机制，即给定一个随机窗口。在这个窗口中选择一个随机数，以这个随机数为基础，每当检测到网络的一个空闲时隙，则随机数值减1。当随机数减到0时，节点就认为这时可以发送。从这个过程中可以看到，如何选择随机窗口，如何在随机窗口中选择出一个随机数，当随机数减为0，进行发送时如何解决冲突是影响算法性能的几个重要因素。

在退避算法中，SW为选择窗口，WC为窗口计数器，RN为随机数字，FT为失败次数，ST为成功次数。文献[9-10]对算法性能进行了分析。

假设初始节点总数为N，窗口的选择系数为x，则窗口的长度L=xN，在xN长度内N个节点采用均匀随机过程接入，产生冲突的概率记为函数：Pc(x)=冲突的次数/窗口总数。在xN长度内N个节点采用均匀随机分布过程接入，成功传递的概率记为函数：Ps(x)=成功传送次数/传送总次数。设时隙长度为σ，节点的繁忙感应时间和冲突检测时间都为σ，节点入网请求的传递过程的服务时间长度假设为4σ。则第n轮的入网时间=x(1+Pc(x))Nσ/Ps(x)+4Nσ+Δ。

T(x)为最优窗口函数。将数值代入T(x)得到的量化结果如图4所示。

从图4中看到，当x=1.4时，T(x)取极小值。其意义是当窗口系数选择一个合适的数值时，可以保证节点加入到网络所使用的时机数最小。时机数小就意味着冲突的数量少，节点加入到网络的时延越小，节点入网的效率就越高。所以，面对不同规模的无线自组织网络，应该选择适合的参数，以优化入网管理效率。

4 自组织应急通信网现阶段面临的问题及未来发展趋势

无线自组织应急通信网络相关技术发展到今天仍然存在许多问题，包括：网络设备、网络安全以及网络管理等；其中入网过程管理是基础也是关键，有关入网问题将成为今后自组织应急通信网络研究的重要方向。

由于无线自组织应急通信网络自身的特点使得网络具有很大的特殊性，也就面临普通网络所不存在的很多问题，诸如终端能量受限、CPU能力受限、资源受限等使得网络节点不选择或者无法执行复杂的算法。为了达到自组织网络安全要求和实现入网过程的快速认证，需要一种算法简单而安全的加密算法。因此，适用于自组织应急通信网络的快速安全的认证机制将成为今后的重要研究方向。

在不同的应急网络中对节点的安全性、入网的快速与否要求不同。如战场环境在节点入网时必须要保障节点的可信，否则将影响整个网络的安全，这就要求保障入网节点的高可信度。对于灾难现场，多数是为了搜集现场信息，只要能保障数据的正常传送即可，对安全性要求次之，对入网节点的可信度要求相对较低。由此可以看到，针对自组织应急通信网络需要一套标准，对不同的应急通信场景，定义相应的可信等级，统一地划分入网节点的可信等级。这些将成为标准化组网的重要课题。

5 参考文献
[1] 魏更宇, 张冬梅, 王枞, 等. 时间关键组网技术分析 [J]. 电信技术, 2009(12):24-26.
[2] 方旭明. 移动Ad hoc网络研究与发展现状 [J]. 数据通信, 2003(4):15-18.
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[9] WANG Shieyuan, LIN Chihche, FANG Kuhan. Facilitating the Network Entry and Link Establishment Processes of IEEE 802.16 Mesh Networks [C]//Proceedings of the IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC’07), Mar 11-15, 2007, Hong Kong, China. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2007: 1842-1847.
[10] BIANCHI G. Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000,18(3): 535-547.

魏更宇，日本东北学院大学工学博士，北京邮电大学计算机学院副教授，长期从事网络与软件安全、自组织网络、应急通信、P2P技术等方面的研究，已发表SCI/EI检索论文20余篇。

杨茗名，北京邮电大学计算机学院在读硕士研究生。