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目前無線網(wǎng)絡(luò)可以分為兩類，有固定接入點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)和無固定接入點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)。無固定接入點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，通常稱為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，或自組織網(wǎng)絡(luò)。

 

 

　1.　Ad hoc一詞來源于拉丁語，是“特別地，專門地為某一即將發(fā)生的特定目標(biāo)、事件或局勢而不為其他的”的意思。這里提出的“Ad hoc技術(shù)”所標(biāo)稱的就是一種無線特定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)的是多跳、自組識、無中心的概念，所以國內(nèi)一般把基于Ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)譯為“自組網(wǎng)”，或者“多跳網(wǎng)絡(luò)”等等。

 

　　Ad hoc技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代的美國軍事領(lǐng)域，它是在美國國防部DARPA資助研究的“戰(zhàn)場環(huán)境中的無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（PRNET）”項(xiàng)目中產(chǎn)生的一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)。DARPA當(dāng)時所提出的網(wǎng)絡(luò)是一種服務(wù)于軍方的無線分組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于該種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。后來，DARPA又于1983年和1994年分別資助進(jìn)行了抗毀可適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)（SURAN：Survivable Adaptive Network）和全球移動信息系統(tǒng)（GloMo：Global Information Systems）兩個項(xiàng)目的研究，以便能夠建立某些特殊環(huán)境或緊急情況下的無線通信網(wǎng)絡(luò)。Ad hoc技術(shù)就是吸取了PRNET、SURAN以及GloMo等項(xiàng)目的組網(wǎng)思想，從而產(chǎn)生的一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架技術(shù)。

 

　　隨著移動通信和移動終端技術(shù)的高速發(fā)展，Ad hoc技術(shù)不但在軍事領(lǐng)域中得到了充分的發(fā)展，而且也在民用移動通信中得到了應(yīng)用，尤其是在一些特殊的工作環(huán)境中，比如所在的工作場地沒有可以利用的設(shè)備或者由于某種因素的限制（投入、安全、政策等）不能使用已有的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施時，用戶之間的信息交流以及協(xié)同工作（Cooperative Work）就需要利用Ad hoc技術(shù)完成通信網(wǎng)絡(luò)的立即部署，滿足用戶對移動數(shù)據(jù)通信的需求。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，無線移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)（WMANET）被認(rèn)為是下一代移動通信系統(tǒng)解決方案中最有希望被采用的末端網(wǎng)絡(luò)。

 

　　首先從總體上概括Ad hoc技術(shù)的一般概念，然后從OSI模型的角度分層次來介紹Ad hoc的技術(shù)特征以及構(gòu)成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最后就WMANET的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)以及其在下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用做了初步的探討。

 

1，與其他通信網(wǎng)絡(luò)相比，基于Ad hoc技術(shù)的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有以下特征：

 

　?、?網(wǎng)絡(luò)的自組性。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以在任何時刻任何地方構(gòu)建，而不需要現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，形成一個自由移動的通信網(wǎng)絡(luò)。

 

　?、?動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層來看，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動用戶可以以任意的速度和任意方式在網(wǎng)中移動，加上無線發(fā)送裝置發(fā)送功率的變化、無線信道間的相互干擾因素、地形因素等的影響，節(jié)點(diǎn)間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時都會發(fā)生變化。

 

　　⑶ 有限的無線傳輸帶寬。無線信道本身的物理特性使Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線方式要低的多，另外還要考慮無線信道競爭時所產(chǎn)生的信號衰落、碰撞、阻塞、噪聲干擾等因素，這使得實(shí)際帶寬要小的多。

 

　　⑷ 移動終端的有限性。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動用戶終端內(nèi)存小、CPU處理能力低、所帶電源有限使得Ad hoc網(wǎng)絡(luò)得設(shè)計(jì)更加困難。

 

　?、?安全性差。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無線方式的分布式結(jié)構(gòu)，所以更加容易被竊聽、入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊和拒絕服務(wù)等。

 

　　⑹ 網(wǎng)絡(luò)的分布式。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點(diǎn)都兼有獨(dú)立路由和主機(jī)功能，不存在類似于基站的網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)地位平等，采用分布式控制方式，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)健壯性。

 

　?、?網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性不強(qiáng)。由于采用TCP/IP協(xié)議中的子網(wǎng)技術(shù)使得INTERNET具有網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，而Ad hoc網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得子網(wǎng)技術(shù)所帶來的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性不能得到應(yīng)用。

 

　?、?單向無線信道的存在。

 

　?、?生存時間短。組網(wǎng)通常是由于某個特定原因而臨時創(chuàng)建的，使用結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將會自動消失。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的生存時間相對于固定網(wǎng)絡(luò)而言是短暫的。

 

　　我們認(rèn)為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是移動計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的一種類型，后者是指用戶終端可以在網(wǎng)內(nèi)隨意移動的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。所以Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是移動通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的交叉。這一點(diǎn)在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的體現(xiàn)是：一方面，網(wǎng)絡(luò)的信息采用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，而不是電話交換網(wǎng)中的電路交換機(jī)制；另一方面，用戶終端是便攜式的，比如筆記本電腦、PDA、掌上型電腦、車載臺等，并配置有相應(yīng)的無線收發(fā)設(shè)備，并且用戶可以隨意移動或處于靜止?fàn)顟B(tài)。

 

2．Ad hoc技術(shù)的OSI模型分層

 

　　這里，作者將參照OSI七層模型，從各個層面上來分析Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點(diǎn)，并就各個層次的構(gòu)成來逐一介紹。

 

　　構(gòu)筑網(wǎng)絡(luò)時如果采用Ad hoc方式，所選用各層次的構(gòu)建方式是可選的。物理層完成無線信號編碼譯碼、發(fā)送和接收等工作；數(shù)據(jù)鏈路層控制對共享無線信道的訪問以及對邏輯鏈路的控制，所以數(shù)據(jù)鏈路層又分為MAC（媒質(zhì)接入控制）層和LLC（邏輯鏈路控制）層；網(wǎng)絡(luò)層是Ad hoc技術(shù)的重點(diǎn)，也是它與其他現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別所在。IPV4協(xié)議、IPV6協(xié)議或其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層的單目標(biāo)路由協(xié)議維護(hù)路由表，使其與當(dāng)前的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致；多目標(biāo)路由協(xié)議提供群組通信的底層支持；網(wǎng)際互聯(lián)支持Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中與其他現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，QoS支持提供可保證的QoS服務(wù)，路由安全提供對路由協(xié)議的安全保障。傳輸層主要完成端到端通信的建立，目前一般的思路是對有線網(wǎng)中的TCP/UDP進(jìn)行改造，使之適應(yīng)無線環(huán)境；Ad hoc的高層主要包括的是建立在Ad hoc之上的無線應(yīng)用以及接入移動通信核心網(wǎng)的各種業(yè)務(wù)。

 

2.1 Ad hoc物理層

 

　　Ad hoc OSI模型中，介紹了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)物理層的一些構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)在實(shí)際的應(yīng)用中，Ad hoc物理層的設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際的需要而定。

 

　　基于接收發(fā)信主要功能的物理層首先要考慮的是通信信號的傳送媒質(zhì)，一般而言，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)都是基于無線通信，后面提到的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)均指無線移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)（WMANET）。

 

　　由此看來，Ad hoc物理層所面臨的首要問題就是無線頻段的選擇、購買以及分配。目前大家一致采用的都是基于2.4GHz的ISM頻段，因?yàn)檫@個頻段是免費(fèi)的，不需要購買，成本就會得到降低。其次，物理層必須就各種無線通信機(jī)制作出選擇，從而完成性能優(yōu)良的收發(fā)信功能。

 

　　到目前為止，Ad hoc物理層可以選擇和參考的標(biāo)準(zhǔn)主要來自構(gòu)建無線局域網(wǎng)的各種標(biāo)準(zhǔn)，其中包括IEEE 802.11系列、藍(lán)牙（Bluetooth）、HiperLAN等標(biāo)準(zhǔn)所定義的物理層。

 

　　具體說來，Ad hoc物理層所采用的傳輸技術(shù)基本上有三種：正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）、采用紅外線輻射傳輸技術(shù)、寬帶擴(kuò)展頻譜技術(shù)。

正交頻分復(fù)用技術(shù)是以多個副載頻并發(fā)來傳輸高速數(shù)字信息，每個副載頻留取足夠長的時間和碼元寬度來“躲避”多徑衰落信道帶來的碼間干擾的影響。所采用的數(shù)字信息調(diào)制有時間差分移相健控（TDPSK）和頻率差分移相鍵控（FDPSK），以快速傅里葉變換（FFT）算法實(shí)施數(shù)字信息調(diào)制和解調(diào)功能。

 

　　采用紅外線輻射傳輸技術(shù)的無線局域網(wǎng)設(shè)備，紅外線輻射技術(shù)的特點(diǎn)是：不能穿透物體；通信距離要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通常使用的射頻技術(shù)的通信距離。由于空間衰減很大，信號不易被探測，比較適用于近距離點(diǎn)對點(diǎn)傳輸速率較高的環(huán)境。

 

　　寬帶擴(kuò)展頻譜技術(shù)是一種傳輸信息的調(diào)制制式，其傳輸信息的信號帶寬遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。信息帶寬的擴(kuò)展是通過編碼方法實(shí)現(xiàn)的，與所傳數(shù)據(jù)信息無關(guān)。在接收端將寬帶的擴(kuò)頻信號恢復(fù)成窄帶的傳輸信號，同時將干擾信號頻譜再次進(jìn)行擴(kuò)展，從而提高信息解調(diào)信噪比，達(dá)到擴(kuò)頻通信目的。包括DSSS（直接序列擴(kuò)頻）和FHSS（跳頻序列擴(kuò)頻）。DSSS是用偽噪聲碼（PN）作為擴(kuò)頻碼序列，調(diào)制方式多為二相相移鍵控和（QPSK）。FHSS就是載波在跳頻碼的控制下按照某種跳頻圖案跳變，在接收端通過相關(guān)解跳，恢復(fù)出發(fā)送信號。頻率是按跳頻圖案跳變的，具有CDMA和頻帶共享能力。

 

2.2 Ad hoc數(shù)據(jù)鏈路層

 

　　數(shù)據(jù)鏈路層解決的主要問題包括媒質(zhì)接入控制，以及數(shù)據(jù)的傳送、同步、糾錯以及流量控制等?；诖?，Ad hoc數(shù)據(jù)鏈路層又分為MAC和LLC層。在一般情況下，我們所關(guān)注的主要是MAC層，因?yàn)镸AC決定了數(shù)據(jù)鏈路層的絕大部分功能。

 

　　從夏威夷大學(xué)的ALOHA項(xiàng)目組提出單跳的無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分組數(shù)據(jù)的廣播是可行的這一結(jié)論以來，針對媒質(zhì)共享競爭的問題，已經(jīng)有ALOHA、時隙ALOHA、CSMA（載波偵聽多路訪問），以及IEEE 802.11所采用的CSMA/CD。MAC層主要就是由這些媒質(zhì)接入方案充當(dāng)。由于ALOHA、時隙ALOHA、CSMA都存在媒質(zhì)沖突、終端暴露以及終端隱藏等嚴(yán)重的問題，所以，后來就有帶沖突檢測和沖突避免的CSMA 媒質(zhì)接入方案的提出，被用在了IEEE 802.11無線局域網(wǎng)方案中，可研究發(fā)現(xiàn)，基于無線Ad hoc環(huán)境的CSMA/CA仍然存在著一些問題，于是，一些學(xué)者就提出了各種相應(yīng)的改進(jìn)形式作為MAC層的解決方案，包括針對基于CSMA/CA MACA（Multiple Access with Collision Avoidance）的改進(jìn)：MACAW（MACA for Wireless）、PAMAS（Power-Aware Multi-Access protocol with Signaling）、FAMAS（Floor Acquisition Multiple Access）、MARCH（Media Access with Reduced Handshake）、CATA（Collision-Avoidance Time Allocation）、RT-MAC（Real Time MAC），以及基于P－CDMA/MUD的MAC層協(xié)議（具有定位功能基于多用戶檢測的CDMA系統(tǒng)的MAC層協(xié)議）。

 

　　MACA采用的是CSMA/CA方案，利用RTS和CTS進(jìn)行交換，完成對共享無線媒質(zhì)的檢測。目前的IEEE 802.11所定義的MAC層功能就是采用的MACA。

 

　　MACAW是第一個專門針對無線環(huán)境而設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議，該方案摒棄了原來針對以太網(wǎng)的避退算法，采用了新的避退算法，以便更適合無線信道的環(huán)境。MACAW在原來MACA的基礎(chǔ)上，增加了確認(rèn)數(shù)據(jù)包，用RTS-CTS-Data，以及RTS-CTS-Data-ACK實(shí)現(xiàn)媒質(zhì)的沖突檢測。仿真證明MACAW將獲得更大的吞吐量以及在高負(fù)荷下的資源分配更平均。

 

　　PAMAS是基于MACA的改進(jìn)，它把MACA中的信令信道單獨(dú)的分離出來了，RTS-CTS信令的交換就是在這個信道上完成的。由于節(jié)點(diǎn)在能量控制上具有選擇性，所以PAMAS能夠做到功率的控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)移動終端的低能量消耗。

 

　　FAMA提出的目的是為了更好地解決MACA中仍然存在的終端隱藏問題，F(xiàn)AMA代表了一類MAC層協(xié)議，這種方案分為兩個階段，首先獲取信道（通過發(fā)出大量的確認(rèn)數(shù)據(jù)包），然后就是實(shí)際的發(fā)送數(shù)據(jù)包。這樣就可以比較有效的避免沖突，因?yàn)槊看味寄鼙ＷC該信道被分配后能成功傳送數(shù)據(jù)而沒有沖突。

 

　　MARCH是基于PAMAS的改進(jìn)。RT-MAC則是專門為無線網(wǎng)絡(luò)中傳送實(shí)時業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的MAC層協(xié)議。

 

　　此外，還有BTMA（Busy-Tone Multiple Access）、SRMA（Split-channel Reservation Multiple Access）、GAMA（Group Allocation Multiple Access with Packet Sensing）、DFWMAC（Distributed Foundation Wireless MAC，也就是DCF和PCF兩種）、EY-NPMA（ETSI HiperLAN標(biāo)準(zhǔn)）。

 

2.3 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)層

 

　　常規(guī)的路由協(xié)議（例如：RIP和OSPF）是為有線固定網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，它們的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的，不會出現(xiàn)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則是動態(tài)變化的，那么常規(guī)路由在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時，就會花很大的代價重新路由，而且協(xié)議狀態(tài)將始終處于不收斂狀態(tài)。

 

　　另外，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)不能采用常規(guī)路由協(xié)議還主要由于以下幾種因素：⑴ Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)間的無線信道可能存在單向信道。⑵ 無線信道的廣播特性使得常規(guī)路由的網(wǎng)絡(luò)選路過程中產(chǎn)生許多冗余鏈路。⑶ 常規(guī)路由的周期性廣播路由更新報(bào)文會消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬。⑷ 常規(guī)路由協(xié)議周期性的路由更新報(bào)文會消耗大量的主機(jī)能源。此外，某些常規(guī)路由協(xié)議需要的復(fù)雜計(jì)算使得CPU始終處于很高的負(fù)載下，這也同樣消耗了大量的能源。這將對有限的主機(jī)能源帶來更多的壓力。

 

　　從以上的分析可以看出，一個好的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議應(yīng)當(dāng)滿足以下特性要求：分布式運(yùn)行方式；提供無環(huán)路路由；按需進(jìn)行協(xié)議操作；具有可靠的安全性；提供設(shè)備“休眠”操作特性；對單向信道的支持等。

 

　　對一個Ad hoc網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議定量衡量比較的指標(biāo)應(yīng)該包括：端到端的平均時延；分組的平均遞交率；路由協(xié)議開銷；路由請求時間等。

正是由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的重要性，它便成為了研究的一個熱點(diǎn)。到目前為止，已經(jīng)有相當(dāng)多的標(biāo)準(zhǔn)推出。IETF也發(fā)布了相關(guān)的草案供討論。

 

　　從總體上說，目前所提出的各種路由協(xié)議基本上可以歸納為三種思路：

 

　?。?）這種思路把路由協(xié)議分為三類：一類是基于路由表驅(qū)動（Table Driven）的路由協(xié)議，一種是按需驅(qū)動（On-Demand Driven）的路由協(xié)議，還有一種是兩種模式的混合形式。

 

　　（2）平面結(jié)構(gòu)路由和層次結(jié)構(gòu)路由。這是從邏輯結(jié)構(gòu)方面考慮進(jìn)行的劃分。平面結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)地位平等，維護(hù)的信息量相同。層次結(jié)構(gòu)路由中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)按級分層，分為骨干網(wǎng)和子網(wǎng)，這樣，維護(hù)的工作就統(tǒng)一由骨干網(wǎng)承擔(dān)。像CGSR和HSR是層次路由，CEDAR也是。

 

　?。?）基于QoS的路由。多媒體業(yè)務(wù)的傳輸需要不同QoS保障（包括帶寬、時延、時延抖動、吞吐量、丟失率等）。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中，對于QoS的支持還很不成熟，只有少數(shù)的如ABR、SSR以及清華提出的LS_QoS有此功能，它們多是以鏈路的穩(wěn)定性作為QoS的衡量標(biāo)準(zhǔn)。目前Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中對QoS的支持一般借鑒INTERNET上建立區(qū)分服務(wù)和集成服務(wù)的模型，做適當(dāng)?shù)男薷摹?/div>