传统的无线通信系统的拓扑结构主要采用点到点或点到多点等形式，与有线网连接的基站须有一定的控制管理能力，这使得传统的通信系统的应用限于那些设有基站或有线骨干网的地方。对于军用通信网等需要网络灵活性大、快速重组网络、可移动性强的网络，就不能满足其要求[1]。为研究出一种能满足类似军用通信网络的通信系统，本文特提出宽带智能无线电台组网，宽带智能无线电台组网是一种与传统的无线通信网络不同的网络，它可根据不同的网络拓扑结构建立有效、适时的网络结构，灵活地适应网络的拓扑变化，完成多种用户业务的通信。各节点设备组网后可扩展电台的覆盖范围、增加网络用户数、增加通信系统的抗毁性和灵活性，具有广泛的应用前景。研究无线电台组网通信对未来军事、民用通信领域、各种应急场所等的应用具有重要意义。

1 宽带智能无线电台组网的关键技术分析
    在无线网络通信系统中，组网方法决定网络节点所执行的网络控制功能（如路由选择等），极大地影响网络的性能，故需选择适当的组网方法、采用合适的技术来实现组网。影响组网的关键技术主要包括：网络拓扑结构的确定、组网协议体系结构的研究、MAC协议及路由协议的设计等，下面将对这些关键技术进行详细介绍。
1.1 宽带智能无线电台组网网络拓扑结构
　 无线电台网络拓扑结构主要对链路、节点和连接规则进行了定义，它主要规定了网络中源节点到目的节点的路径、网络节点之间的连接方式、网络节点的位置。通过对无线电台网络的拓扑结构、组网的特征及国外第三代电台组网技术的要求进行研究，本文决定采用分层分布式网络结构[2-3],如图1 所示。在分层网络结构中，节点分成三种类型：普通节点、中继节点、群首。

    采用分层分布式的网络结构进行电台组网具有以下优点：
   （1）通过集中管理节点，可减少网络中控制分组的长度、数量；
   （2）节点的路由路径由群中节点计算，不会超出相邻群的范围，比正常的路径短；
   （3）网络中所有节点具有相同的软硬件配置，群间路由相对较稳定，很少出现路由循环和失效故障；
   （4）具有较好的自愈能力，可有效提升网络的抗毁性及通信可靠性；
   （5）在节点数很大的网络中，利用分层结构，每个群中的节点只需了解本群的路由信息，使每个节点需要交换和存储的信息量少。
    由于具有以上特点，分层结构适应于建立较大规模的无线电台网络。网络中每一个节点都具有组网功能，可以自己进行路由选择、流量控制、频率选择、自动建链等。这使得整个网络具备了自组织自愈合的能力，将每个群的网络控制集中到群首，可以很好地保障网络安全、实现网络管理功能，增加网络的抗毁性。
1.2 宽带智能无线电台组网协议体系结构
    根据无线电台组网、OSI经典的7层协议模型、TCP/IP的体系结构的特征，可将宽带智能无线电台组网协议栈分为5层，如表1所示。

　为满足电台组网的特殊要求，需根据TCP/IP体系结构现有的特点进行一定的修改和扩充。在电台分组无线网协议栈结构中，各层扩充后实现的功能是[4-5]：
    （1）物理层：该层主要是利用通信的传输介质为无线访问控制提供连接，完成无线信号的发送和接收等任务。
    （2）数据链路层：分为MAC子层和LLC子层。MAC子层实现对共享物理信道的访问；LLC子层负责建立、维护、释放数据链路的连接，实现对链路的差错控制和流量控制等。由于自组织网络对网络具有较高的灵活性及自适应能力，本层采用速率自适应MAC协议。
    （3）网络层：可分为网络层和网络互连层，网络层主要实现动态路由功能；网络互连层主要实现网络之间的互连以及和有线网之间的连接功能。由于自组织网络的拓扑结构和移动性特征，它与一般的无线网络的最大差别是在网络层。这主要体现在寻址协议上，本项目采用改进的泛洪机制路由协议。
    （4）传输层：用于向应用层提供可靠的端到端服务，使上层和通信子网相隔离，并根据网络层的特性来高效地利用网络资源。
    （5）应用层：用于提供面向用户的各种应用服务，包括具有严格限制时延和丢包率的应用、基于RTP/RTCP的自适应应用和没有任何服务质量保障的数据报业务。
2 速率自适应无线电台组网MAC协议研究
    在无线电台自组网应用中，各种不同应用对网络传输速率的要求相差很大。若两种不同性质网络的数据包同时到达MAC层,采用802.11协议的策略来竞争信道访问权会发生很大冲突，会使有优先权传输的数据包排在最后传输，易导致本地数据包缓冲队列快速增长而溢出。故需要对802.11协议进行适当的改进和拓展，使之能够根据上层的速率需求自适应地调整接入策略。
    本文主要是基于802.11 协议，采用跨层的思想对其进行改进，使应用层对速率的需求能够直接反映在MAC 层的媒介接入策略中，达到对不同速率需求的数据流区别对待，将来自较高速率流的包在竞争信道时具有更高优先权[6]。为了实现这一目标，在应用层的数据包构建过程中，将数据源的流速率（Rate）作为新的域加入包的公共头部。在MAC层实现时，采用“速率优化因子”来决定传输数据优先权。速率需求越高，速率优化因子值越小，竞争窗口也越小。从而提高对无线信道的竞争力，达到使来自较高速率流的包在竞争信道时具有一定优势的目的。
    将改进的MAC协议与NS2中现有的MAC协议的性能进行仿真对比，在该仿真过程中，网络使用恒定速率(CBR)的数据流向两个节点发送数据, 仿真时间为100 s，画出网络吞吐量、丢包率与时间的关系图，仿真结果如图2、图3所示。

    上面的仿真实验表明，通信环境相同的情况下，改进的Mac协议较现有Mac协议可使网络获得更高的网络吞吐量及更低的丢包率。由于改进的Mac协议可以迅速地选择速率较高的业务进行优先传送，提高了信道的利用率，减少了传输所需的时间，进而提高宽带无线自组网的性能。
3 泛洪机制的路由协议设计
　路由协议主要工作在传输层，用于对本地数据分组或将数据传送到目的节点，起到选路转发作用。本文通过对单播协议AODV协议做适当的改进，并结合泛洪机制路由协议的特性，得到改进后的AODV—MPR路由协议[7]。该协议不仅具有原AODV协议的简单有效性，如不需周期性地更新网络中的路由信息，在没有传输任务的情况下不需要维护路由信息。同时该路由还支持中间节点应答，使得网络中已有的路由资源得到充分利用，缩短建立路径的时间等。
   将改进的AODV协议与NS2现有的AODV协议的性能进行对比，在该仿真过程中，网络使用恒定速率(CBR)的数据流向2个节点发送数据流, 仿真时间为100 s，分析其网络吞吐量、丢包率与时间的关系图，仿真结果如图4、图5所示。

    仿真结果表明，在通信环境相同的条件下，改进的AODV协议较现有的 AODV协议有更高吞吐量、更低的丢包率。因为改进的AODV协议中，采用了洪泛机制，节点发现邻居节点的功率值要大于原来路径上的邻居节点的接收功率，节点的发送包的路由会自动切换，所需时间短。而现有的AODV协议中，只有当节点能量小于阈值时，才开始切换，切换前会丢掉很多的数据包。
    宽带智能无线电台组网是针对目前宽带高速网络提出的，本文在对现有网络架构、路由技术和MAC协议等进行系统分析的基础上，对无线电台组网的关键技术进行了研究，实现了网络拓扑的智能动态规划，对电台进行组网不仅可充分发挥电台自身高度的兼容性、灵活性、可靠性，还可使网络具备灵活的组网和网络重组功能。这对于摆脱传统的基于点对点组网的限制，提高网络的抗干扰性和抗毁性，增强各电台系统间的互操作性，具有广泛应用前景。
参考文献
[1] 谭雪松.基于多频段多工作模式无线电台的组网方法[D].成都：电子科技大学，2001.
[2] 戴晖，王春江，于全. 一种分层分布式的短波电台组网性能分析[A]. 第一届中国图学大会. 烟台：2007:231-235
[3] 苏剑，郭伟，任青春. 一种基于软件无线电台的组网方案设计[J]. 电子科技大学学报,2003，32(5):560-563.
[4] 郑相全，郭伟. 软件无线电台自组网技术研究[J]. 研究与设计，2004，20(2):13-18.
[5] 覃振权. 无线自组网路由和MAC关键技术的研究[D].合肥：中国科学技术大学，2007.
[6] 刘道科，吕军，韩孝军. 自适应速率需求的无线Ad hoc网络MAC协议[J]. 微电子学与计算机，2009，26(4):186-192.
[7] 肖继珑.无线Mesh网络AODV泛洪机制的研究及改进[D]. 广州：中山大学，2010.    (收稿日期：2012-12-26)