廣東通信技術(shù) 汪科夫
摘要
Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種新型無線移動網(wǎng)絡(luò)。詳細分析了Adhoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，描述了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上指出了它的發(fā)展前景。
1、介紹
20世紀70年代，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)啟動了“戰(zhàn)場環(huán)境中的無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)”項目，研究在戰(zhàn)場環(huán)境下利用分組無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。 1983年和1994年，DARPA又分別于啟動了抗干擾自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)項目SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移動信 息系統(tǒng)GloMo(GlobleMobile Information Systems)項目，對能夠滿足軍事應(yīng)用需要的移動通信系統(tǒng)進行更深入的研究。后來，IEEE802.11[1]標準委員會采用了“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的自組織無中心多跳無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)由此誕生。
2、Adhoc網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)
Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種動態(tài)變化的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，它的體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)質(zhì)量QoS保障和應(yīng)用等問題比較復(fù)雜并難以實現(xiàn)。傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動通信網(wǎng)中使用 的各種協(xié)議和技術(shù)無法被直接使用，因此需要為Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計專門的協(xié)議和技術(shù)。目前Adhoc網(wǎng)絡(luò)研究所面臨的主要挑戰(zhàn)包括：MAC協(xié)議[2] [3]、路由協(xié)議[4][5][6]、QoS[7]、安全問題[8]、功率控制和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等。
2.1MAC協(xié)議
MAC協(xié)議是Adhoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的重要組成部分，是分組在無線信道上發(fā)送和接收的主要控制者。普通網(wǎng)絡(luò)的共享廣播信道、點對點無線信道和蜂窩移動通信系統(tǒng) 中由基站控制的無線信道都是一跳共享信道，Adhoc網(wǎng)絡(luò)的無線信道與它們不同，它是多跳共享的多點信道。因為當一個節(jié)點發(fā)送分組時，只有在它覆蓋服務(wù)內(nèi) 的節(jié)點才能收到。這種信道共享廣播信道導(dǎo)致Adhoc網(wǎng)絡(luò)存在隱終端、暴露終端和入侵終端等問題。
如圖1所示，當節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送分組時，節(jié)點C顯然不能發(fā)送信息。但由于節(jié)點C不在節(jié)點A的覆蓋范圍內(nèi)，它不能偵聽到A在發(fā)送分組，此時若C向B發(fā)送分 組，則發(fā)生碰撞。因此C是隱藏終端。這種因不是所有節(jié)點都能接收到其他節(jié)點的發(fā)送而引起的碰撞就是隱藏終端問題。如圖2所示，當節(jié)點B向節(jié)點A發(fā)送分組 時，節(jié)點C偵聽到節(jié)點B在發(fā)送分組，所以推遲發(fā)送分組。這種推遲是毫無必要的，因為C向D發(fā)送分組和B向A發(fā)送分組并不沖突，此時C是B的暴露終端。這種 因發(fā)送節(jié)點在其覆蓋范圍內(nèi)某節(jié)點的傳輸而進行不必要的發(fā)送延遲就是暴露終端問題。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議需要解決隱藏終端和暴露終端問題，其中影響比 較大的有MACA協(xié)議，即采用RTS/CTS/ACK信道握手機制，控制信道和數(shù)據(jù)信道分裂的雙信道方案和基于定向天線的MAC協(xié)議，以及一些改進類的 MAC協(xié)議。
圖1 隱藏終端問題
圖2 暴露終端問題
2.2路由協(xié)議
Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點可能不停移動，網(wǎng)絡(luò)拓撲不斷變化。傳統(tǒng)的距離矢量和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議并不適用Adhoc網(wǎng)絡(luò)。為了在這種動態(tài)環(huán)境下實現(xiàn)可靠的通 信，動態(tài)分布式路由協(xié)議成為Adhoc網(wǎng)絡(luò)研究的一個關(guān)鍵問題。按照路由表的維護特點，目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議大體可以分為以下兩種：表驅(qū)動路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。比較典型的表驅(qū)動路由協(xié)議有目的序號距離矢量協(xié)議DSDV、無線路由協(xié)議 WRP、群首網(wǎng)關(guān)交換路由協(xié)議CGSR等，比較典型的按需路由協(xié)議包括動態(tài)源路由協(xié)議DSR、按需驅(qū)動距離矢量路由協(xié)議AODV、臨時路由需求協(xié)議 TORA等。表驅(qū)動路由協(xié)議的優(yōu)點是隨時可以知道達到目的節(jié)點的路由，而且路由信息經(jīng)過處理進行了優(yōu)化，缺點是需要定期更新路由表信息，造成節(jié)點主機能量 和網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費。按需路由協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不必頻繁交換信息，但當有發(fā)送需求時，才開始尋找路由，必然增大了時延。
2.3服務(wù)質(zhì)量
Adhoc網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)初期主要用于傳輸少量的數(shù)據(jù)信息。隨著應(yīng)用的不斷擴展，需要在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中傳輸多媒體信息。多媒體信息對帶寬、時延、時延抖動等都 提出了很高的要求。這就需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。IETF提出的綜合服務(wù)模型和區(qū)分服務(wù)模型為傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)提供服務(wù)，但這些模型沒有考慮無線移動的網(wǎng) 絡(luò)環(huán)境，而且目前無線網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量保障機制都是基于有基礎(chǔ)設(shè)施支持的單跳蜂窩模型，無法直接用于Adhoc網(wǎng)絡(luò)。無線信道的有限帶寬和惡劣的傳輸特 性，并且網(wǎng)絡(luò)容易受到攻擊和干擾，這些都要求為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計新的服務(wù)質(zhì)量保障機制。為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵是QoS路由。目前Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS路由策略有：使用MAC層的TDMA資源管理；使用普通的QoS測量；使用CDMA進行不同傳輸?shù)臎_突避免。
2.4安全問題
與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)不同，無線Adhoc網(wǎng)作為一種新型的無線移動網(wǎng)絡(luò)，不依賴于任何固定設(shè)施，而是通過移動節(jié)點間的相互協(xié)作保持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安 全策略如加密、認證、訪問、控制、權(quán)限管理和防火墻等都是建立在網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有資源如專門的路由器、專門的密鑰管理中心和分發(fā)公用密鑰的目錄服務(wù)機構(gòu)等的基礎(chǔ) 上，而這些都是Adhoc網(wǎng)絡(luò)所不具備的。目前已經(jīng)提出的安全策略有：基于密碼的認證協(xié)議；“復(fù)活鴨子”的安全模式；異步的分布式密鑰管理。
2.5功率控制
由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動特征，其中大多數(shù)節(jié)點以電池作為動力，因而需要進行功率控制。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)接口是消耗功率最大的一部分。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可有4種狀態(tài)：發(fā) 射、接收、空閑和睡眠，睡眠態(tài)功耗最小。功率控制問題與Adhoc網(wǎng)絡(luò)各層密切相關(guān)：在物理層可以調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，來減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗；MAC層可 以通過簡單的規(guī)則實現(xiàn)功率感知，當無數(shù)據(jù)收發(fā)或信道閑時就處于睡眠狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)層可以采用節(jié)能的路由協(xié)議，盡量把轉(zhuǎn)發(fā)負載平均分配到各個節(jié)點，從而延長網(wǎng)絡(luò) 壽命；傳輸層盡量避免碰撞與重傳，并區(qū)分擁塞與傳輸導(dǎo)致的分組丟失。
2.6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)
Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點要訪問互聯(lián)網(wǎng)或和另一個Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通信，這樣就產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題。Adhoc網(wǎng)絡(luò)通常以一個末端網(wǎng)絡(luò)的方式通過 網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)通常是無線移動路由器。如圖3所示，無線移動路由器通過隧道機制，將互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施作為信息傳輸系統(tǒng)，在隧道進入端按照傳統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)的格式封裝Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的分組，在隧道的出口端進行分組解封，然后按照Ad hoc路由協(xié)議繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。
圖3 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)
3、Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
1997年IETF成立了一個專門的移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)工作組MANET(MobileAdhoc Networks)，專門負責(zé)研究和開發(fā)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)并制定相應(yīng)的標準。這些年，移動通信和移動終端技術(shù)不斷向前發(fā)展，使得Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不但在軍事領(lǐng)域前景廣闊，而且也在民用移動通信領(lǐng)域得到應(yīng)用。它的應(yīng)用場合可以歸納為以下幾類：
3.1軍事通信
軍事應(yīng)用是Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。因其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強等特點，它是數(shù)字化戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)，并已經(jīng)成為戰(zhàn)術(shù) 互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。在通信基礎(chǔ)設(shè)施如基站受到破壞而癱瘓時，裝備了移動通信裝置的軍事人員可以通過Adhoc網(wǎng)絡(luò)進行通信，順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。
3.2緊急服務(wù)
在遭遇自然災(zāi)害或其它各種災(zāi)難后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施都可能無法正常工作，快速地恢復(fù)通信尤為重要。此時Adhoc網(wǎng)絡(luò)能夠在這些惡劣和特殊的環(huán)境下提供 臨時通信，從而為營救贏得時間，對搶險和救災(zāi)工作具有重要意義。
3.3傳感器網(wǎng)絡(luò)
傳感器網(wǎng)絡(luò)是Adhoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。對于很多應(yīng)用場合來說傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù)，并且考慮到體積和節(jié)能等因素傳感器的發(fā)射功 率不可能很大。分散在各處的傳感器組成一個Adhoc網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)傳感器之間和與控制中心之間的通信。在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器 裝備和軍用物資供給的情況，鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過匯聚節(jié)點融合成完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖。在生物和化學(xué)戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時、準確地探測爆 炸中心將會提供寶貴的反應(yīng)時間，從而最大可能地減小傷亡，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中。傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供 準確的目標定位信息以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等。
3.4移動會議
現(xiàn)在，筆記本電腦、PDA等便攜式設(shè)備越來越普及。在室外臨時環(huán)境中，工作團體的所有成員可以通過Adhoc方式組成一個臨時網(wǎng)絡(luò)來協(xié)同工作。借助 Adhoc網(wǎng)絡(luò)，還可以實現(xiàn)分布式會議。
3.5個人域網(wǎng)絡(luò)
個人域網(wǎng)絡(luò)PAN(PersonalAreaNetwork)的概念式由IEEE802.15提出的，該網(wǎng)絡(luò)只包含與某個人密切相關(guān)的裝置如PDA、手 機、掌上電腦等，這些裝置可能不與廣域網(wǎng)相連，但它們在進行某項活動時又確實需要通信。目前，藍牙技術(shù)只能實現(xiàn)室內(nèi)近距離通信，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)為建立室外更大范圍的PAN與PAN之間的多跳互聯(lián)提供了技術(shù)可能性。
3.6其它應(yīng)用
AdHoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域還有很多，如Adhoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用Adhoc網(wǎng)絡(luò)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力，擴大蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋蜂窩網(wǎng)絡(luò) 的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)等，作為移動通信網(wǎng)絡(luò)的一個重要補充，為用戶提供更加完善的通信服務(wù)。
4、面臨的挑戰(zhàn)
Adhoc網(wǎng)絡(luò)作為一種新型無線通信網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)引起了人們廣泛關(guān)注。但同時它又是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，所涉及的研究內(nèi)容非常廣泛。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的實用化還有 許多亟待解決的問題。
4.1可擴展性
一個大規(guī)模的Adhoc網(wǎng)絡(luò)可能包含成百上千甚至更多的節(jié)點。在這樣一個網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間存在相互干擾，這樣網(wǎng)絡(luò)容量就會下降，而且網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的吞吐量也 會下降；同時不斷變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲也會對現(xiàn)有的Adhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議提出嚴峻考驗?？蓴U展性問題的解決最終需要智能天線和多用戶檢測技術(shù)的支持。
4.2跨層設(shè)計
Adhoc網(wǎng)絡(luò)的跨層設(shè)計是相對于OSI的分層思想而言的。嚴格的分層方法的好處是層與層間相對獨立，協(xié)議設(shè)計簡單。它通過增加“水平方向”的通信量，降 低“垂直方向”的處理開銷。但對于Adhoc網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，頻率資源非常寶貴，最大限度地降低通信開銷是一個首要問題。通過跨層設(shè)計可以降低協(xié)議棧的信息冗余 度，同時層與層之間的協(xié)作更加緊密，縮短響應(yīng)時間。這樣就能節(jié)約有限的無線帶寬資源，達到優(yōu)化系統(tǒng)的目的。Adhoc網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化的目標是使網(wǎng)絡(luò)的整體性 能得到優(yōu)化，因此需要把傳統(tǒng)的分層優(yōu)化的各個要求轉(zhuǎn)化到跨層優(yōu)化中。同時，跨層優(yōu)化還面臨復(fù)雜的建模和仿真，這些都需要進一步研究和解決。
4.3與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合
隨著Adhoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，Adhoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的重要內(nèi)容。Adhoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合的主要目的是完成異 構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫互連，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以看成現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)在特定場合的一種擴展。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)通常以一個末端網(wǎng)絡(luò)的方式進入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，這樣就要考慮到Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的兼容性問題，其它網(wǎng)絡(luò)是否可以通過Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將最后一跳擴展為多跳無線連接。將傳統(tǒng)的有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)中的移動IP協(xié)議加以改進，與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機結(jié)合起來，是解決融合問題的一個重要方向。
Adhoc網(wǎng)絡(luò)自身的獨特性，使得它在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中保持重要地位，在民用領(lǐng)域中的作用逐步擴大。然而，它作為一種新型網(wǎng)絡(luò)，還存在很多問題，新的應(yīng)用 也對它的研究和發(fā)展不斷提出新的挑戰(zhàn)。隨著研究的深入，Adhoc網(wǎng)絡(luò)將在無線通信領(lǐng)域中有著更加廣闊的前景。（后衛(wèi)編輯）
