在這個Facebook、Twitter和iPhone的時代，我們很容易認為連線世界的能力是理所當然的。然而，恰恰是在通訊基礎設施丟失的時候，通訊才是最關鍵的。例如，在海地，援助機構提供的衛星電話是今年早些時候悲慘地震發生後幾天內的主要通訊方式。但即使是像停電這樣的普通事件也可能癱瘓蜂窩電話基礎設施，將我們的主要緊急聯絡裝置變成發光的鎮紙。
在諸如此類的情況下，“自組織”網路成為越來越有吸引力的選擇。這種網路在專門程式設計的手機或其他通訊裝置相互在範圍內時自行形成。網路中的每個裝置都充當發射器和接收器，並且至關重要的是，充當附近所有其他裝置的 relay 中繼點。超出範圍的裝置可以進行通訊，如果它們之間的裝置願意幫助 - 像水桶接力一樣將訊息從一個傳遞到下一個。換句話說，網路中的每個節點都既充當其自身訊息的通訊器，又充當他人訊息的基礎設施。
災難救援只是自組織網路的一個潛在應用。它們可以在任何構建固定基礎設施過於緩慢、困難或昂貴的地方發揮作用。軍方在設計用於戰場通訊的這些系統上投入了大量資金。您家中的自組織網路將允許裝置相互找到並自動開始通訊，使您擺脫客廳和辦公室中電線的纏結。缺乏寬頻基礎設施的偏遠村莊和低收入社群可以透過自組織網路連線到網際網路。有興趣研究樹梢或海底熱液噴口微環境的科學家可以將感測器散佈在他們想要的環境中，而無需擔心哪些感測器會聽到彼此的聲音，或者資訊將如何從叢林傳輸到研究人員的筆記型電腦。
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這些網路已經開發了三十多年，但只是在過去幾年中，網路理論的進步才催生了首批大規模的實際例子。在舊金山，初創公司 Meraki Networks 透過其 Free the Net 專案將 40 萬舊金山居民連線到網際網路，該專案依賴於自組織網路技術。手機、電腦遊戲系統和筆記型電腦中的藍牙元件使用自組織網路技術來實現裝置在沒有佈線或顯式配置的情況下進行通訊。自組織網路已部署在各種偏遠或惡劣環境中，以收集來自低功耗無線感測器的科學資料。在這些網路能夠普及之前，仍然需要取得許多突破，但在多個方面正在取得進展。
蜂窩網路
自組織網路仍然很少見。要理解為什麼它們的出現如此緩慢，有助於考慮這種較新方法與蜂窩電話和 Wi-Fi 等無線技術之間的差異。當您使用普通手機給朋友打電話時，只有每部手機與其最近的手機訊號塔之間的傳輸是無線的。訊號塔是固定在原地的，塔之間的通訊透過龐大的電線和電纜網路傳輸。無線區域網（如 Wi-Fi）也依賴於固定的天線和有線通訊資源。
這種方法有優點和缺點。傳輸資訊需要電力，經典的無線網路透過將盡可能多的通訊負擔留給連線到電網的固定基礎設施，從而節省電池供電裝置（如手機和筆記型電腦）的電力。同樣，無線頻寬是一種固定且有限的資源。傳統的無線系統透過透過電線傳送大部分資訊來節省頻寬。在需求最大的地區，固定基礎設施的使用允許構建大型、基本可靠的電話和 Wi-Fi 通訊資源。
然而，固定基礎設施的使用使得這些網路容易受到斷電和其他中心故障的影響，即使該區域的個人手機和筆記型電腦仍然可以工作，這些故障也可能使通訊網路癱瘓。相比之下，自組織網路具有獨特的魯棒性。如果一個移動裝置耗盡電量或被關閉，其餘裝置會修改網路以儘可能地補償缺失的元件。當裝置來來往往時，網路會自然地調整和“修復”。
然而，這種自愈能力是有代價的。網路必須以巧妙的方式傳送資訊，以便即使傳送者和接收者之間的一些連結在傳輸過程中斷開，也可以重建訊息。系統必須確定將訊息傳遞給接收者的最佳方式——即使傳送裝置無法知道接收者在哪裡。最後，網路還必須處理多個裝置在相似時間傳送訊息時普遍存在的噪聲。
傳遞策略
如何在不斷變化的網路中有效地路由資訊的問題一直難以解決，原因有幾個。在傳統的蜂窩電話或其他無線網路中，中央有線基礎設施會跟蹤各個裝置的大概位置。然後，它可以從一個使用者那裡獲取訊息，並將該訊息直接傳送給其接收者。
相比之下，自組織網路中的通訊裝置必須自行確定傳遞資訊的最佳方式。單個儀器的計算能力、記憶體和通訊能力有限，因此沒有人能夠收集或處理傳統無線網路的中央計算機所知道的所有資訊。
這種情況可以透過以下場景來說明：您在一個大城市——比如倫敦——您需要聯絡您的朋友，他位於城鎮另一端某個未知的位置。在這個假想的世界中，通訊基礎設施安裝在出租車的車頂上。每輛計程車上的接收器的範圍不到一英里，並且計程車的行駛速度遠低於通訊速度，因此計程車必須協同工作才能傳遞您的訊息。當計程車在城市中顛簸時，附近的接收器相互連線，然後在不可預測的時間後分離。您的呼叫必須在這個起伏的網路的背上跳躍穿過城市，找到您的朋友，然後傳遞其資訊內容。
即使對於在小型網路中移動的單個訊息來說，這項任務也很困難；隨著裝置和訊息數量的增加，難度只會增加。為了使該技術真正有用，它需要無論網路變得多大或多小都能高效地工作。
已經開發了許多技術來解決這個問題。它們的核心是涉及大量詢問方向。一個接收器查詢其鄰居以檢視附近有哪些裝置；這些接收器查詢其相鄰裝置，依此類推，直到您的朋友收到訊息。您朋友的回覆可以沿同一路徑返回，或者回復可以尋找不同的路徑。透過這種方式，每個中間裝置都會建立一個您和您的朋友之間可用路徑的列表。即使您的特定裝置不知道您朋友的位置，這些列表也允許訊息到達您的朋友。由於網路處於運動狀態，裝置必須不斷迭代查詢和響應過程，以保持可用路徑選單的更新。
同時沿多條路徑傳送資訊也很有用，從而增加了訊息透過的機會。問題是系統應該有多冗餘。在一種極端情況下，網路可以沿每條路徑傳送整個訊息。這種策略增加了訊息透過的機會，但是對每條訊息都採用這種方法將很快淹沒網路。在另一種極端情況下，我們可以將資訊分解為元件塊流，然後將每個塊沿其自身的路徑傳送。這種方法使用的網路資源較少，但是許多位元可能會在傳輸過程中丟失，從而使接收者只能收到部分訊息。
一種稱為網路編碼的技術提供了一種折衷方案。它涉及將訊息分解為塊，提出關於這些塊的資訊，然後以這樣一種方式將元資訊沿多條路徑傳送，即使丟失了一些塊，也可以在接收者的末端重建原始訊息。
網路編碼的一個方面涉及決定透過多少條路徑傳送訊息。增加路徑數量會減少任何單個路徑故障的影響，儘管它會增加單個呼叫中涉及的裝置數量。這種策略將呼叫的負載分散到更多參與者身上，從而減少了每個參與者的電力負擔，同時增加了所需的協調量。
隨著更多裝置開始傳輸——無論是為了支援一次或多次對話——干擾的機會也隨之增加。正如當太多人同時說話時很難理解任何內容一樣，當附近發生其他傳輸時，無線裝置也很難恢復傳輸的資訊。這些問題在無線自組織網路中尤其麻煩，因為沒有中央控制器來協調參與者之間的工作。
無線網路中的干擾可以透過兩種方式處理。第一種是避免衝突。如果傳輸很少見，則訊息相互干擾的機會很小。對於這種策略，每個裝置將資訊分解成小塊，並且僅以短脈衝串進行傳輸。由於不協調的鄰居不太可能在同一時間傳輸，因此與使用者以緩慢而穩定的流傳輸資訊相比，這種方法產生的干擾更少。（個人計算機最常見的無線網路標準依賴於這種突發方法。）
第二種策略允許兩個發射器同時向一個接收器傳送資訊，但要求一個發射器比另一個發射器更安靜地傳輸。如果您大聲說話而其他人低語，我通常可以毫無困難地恢復您的訊息。如果我有錄音，我可以減去您的訊息以恢復較安靜的訊息。
事實證明，第二種方法對於只有兩個發射器傳送訊息和一個接收器接收訊息的網路來說是優越的；隨著說話者數量的增加，它變得更加成問題。系統必須以某種方式協調誰應該以高音量傳輸，誰應該安靜地傳輸。協調本身需要通訊；您在協調上花費的精力越多，用於通訊的頻寬就越少。找到最佳策略仍然是一個正在進行的研究課題。
新工具
儘管自組織網路在各種情況下都很有用，但很難準確確定它們有多有用。即使是關於其效能限制的簡單問題也很難衡量。我們可以以什麼速率透過它們傳輸資訊？這個速率如何取決於網路中的裝置數量以及由此產生的干擾量？當網路中的所有裝置都在移動時會發生什麼？資訊傳輸速率、與其傳遞相關的延遲以及系統的魯棒性之間有什麼權衡？
獲得關於自組織網路的這些基本效能限制的價值是巨大的。這些資訊將為網路設計人員提供可以融入其設計的新技術，並幫助研究人員確定在現有網路中可以獲得最大收益的地方。此外，瞭解這些限制可以使網路設計人員在競爭優先順序之間進行選擇，例如資料速率、延遲和丟失機率。例如，電話呼叫和電話會議對延遲極其敏感。大的延遲或不一致的資料包到達率可能會導致音訊和影片傳輸中的中斷或開始和停止，從而使對話變得困難。一旦設計人員瞭解了他們正在處理的特定網路的結構，他們就可以對每個應用程式進行程式設計，以優先考慮其需求——電話對話的低延遲率或傳送重要文件的低資料包丟失率。
這種理解在自組織網路中很難獲得，因為它們不斷變化。要理解網路的最終限制，您不能只衡量網路現在的效能如何——您必須衡量網路在每種可能的配置中的效能如何。
我們對這個問題採取了一種新方法，將無線自組織網路對映到我們更清楚地理解的東西上——普通的有線網路。資訊科學家在我們的工具箱中擁有六十多年的方法來研究有線網路中的資訊流。這些網路沒有干擾問題，並且網路的節點不會移動。如果我們想研究某個無線網路，我們首先將其建模為一個有線網路，該網路捕獲了無線網路行為的一些核心特徵。然後，我們可以使用其分身作為指導，表徵自組織網路的完整效能限制。
這個過程幫助我們構建更好的網路，因為我們可以理解我們的設計選擇的含義。它還使我們能夠確定我們當前的方法在哪些方面做得好，以及在哪些方面還有改進的空間。
即使有了這些工具，我們也不期望自組織網路會取代現有的蜂窩基礎設施。但在自組織網路必不可少的獨特情況下，這些工具將允許充分理解網路在最需要它的時候可以有多強大。