無線自組網技術發展

［摘 要］Ad Hoc的意思是“for this”引申為“for this purpose only”，即“為某種目的設置的，特別的”意思，即Ad Hoc網絡是一種有特殊用途的網絡。Ad Hoc網絡的前身是分組無線網(Packet Radio Network)。早在1972年，美國DARPA就啟動了分組無線網項目研究在戰場環境下利用分組無線網進行數據通信。此后，DARPA于1983年啟動了高殘存性自適應網絡項目SURAN(Survivable Adaptive Network)，研究如何將PRNET的研究成果加以擴展。1994年，DARPA又啟動了全球移動信息系統GloMo(Globle Mobile Information Systems)項目，旨在對能夠滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動信息系統進行全面深入的研究。成立于1991年5月的IEEE802.11標準委員會采用了“Ad Hoc網絡”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動通信網絡，Ad Hoc網絡就此誕生。IETF也將Ad Hoc網絡稱為MANET(移動Ad Hoc網絡)。

［關鍵詞］Ad Hoc 網絡應用 DRMAC協議

［中圖分類號］TP ［文獻標識碼］A ［文章編號］1009－5489(2008)05－0154－02

一、Ad Hoc網絡特點

Ad Hoc網絡作為一種新的組網方式，具有以下特點：

1.網絡的獨立性

Ad Hoc網絡相對常規通信網絡而言，它的建立不依賴于現有的網絡通信設施，具有一定的獨立性。Ad Hoc網絡的這種特點很適合災難救助、偏遠地區通信等應用。

2.動態變化的網絡拓撲結構

在Ad Hoc網絡中，移動主機可以在網中隨意移動。主機的移動會導致主機之間的鏈路增加或消失，主機之間的關系不斷發生變化。在自組網中，主機可能同時還是路由器，因此，移動會使網絡拓撲結構不斷發生變化。

3.有限的無線通信帶寬

在Ad Hoc網絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它提供的網絡帶寬相對有線信道要低得多。

4.有限的主機能源

由于主機可能處在不停的移動狀態下，主機的能源主要由電池提供，因此Ad Hoc網絡有能源有限的特點。

5.網絡的分布式特性

在Ad Hoc網絡中沒有中心控制節點，一旦網絡的某個或某些節點發生故障，其余的節點仍然能夠正常工作。

6.生存周期短

Ad Hoc網絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網絡，它的生存時間一般比較短。

7.有限的物理安全

移動網絡通常比固定網絡更容易受到物理安全攻擊，易于遭受竊聽、欺騙和拒絕服務等攻擊。不過Ad Hoc網絡的分布式特性相對于集中式的網絡具有一定的抗毀性。

二、無線自組網絡應用

Ad Hoc網絡的許多優良特性為它在民用和軍事通信領域占據一席之地提供了有利的依據。它的應用場合可以歸納為以下幾類：

1.軍事應用：軍事應用是Ad Hoc網絡技術的主要應用領域。因其特有的無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，它是數字化戰場通信的首選技術，并已經成為戰術互聯網的核心技術。

2.傳感器網絡：傳感器網絡是Ad Hoc網絡技術應用的另一大領域。對于很多應用場合來說傳感器網絡只能使用無線通信技術，并且傳感器的發射功率很小。

3.緊急和突發場合：在發生了自然災難后，固定的通信網絡設施都可能無法正常工作。此時Ad Hoc網絡能夠在這些惡劣和特殊的環境下提供通信支持，對搶險和救災工作具有重要意義。

4.偏遠野外地區：Ad Hoc網絡技術具有單獨組網能力和自組織特點，是邊遠或野外地區通信的最佳選擇。

5.動態場合和分布式系統：通過無線連接遠端的設備、傳感節點和激勵器，Ad Hoc網絡可以方便地用于分布式控制，特別適合于調度和協調遠端設備的工作，減少分布式控制系統的維護和重配置成本。

6.個人通信：個人局域網(PAN)是Ad Hoc網絡技術的又一應用領域，用于實現PDA、手機、掌上電腦等個人電子通信設備之間的通信，并可以構建虛擬教室和討論組等嶄新的移動對等應用(MP2P)。

7.其他應用：考慮到Ad Hoc網絡具有很多優良特性，它的應用領域還有很多，這需要我們進一步去挖掘。

三、Ad Hoc網絡多址接入協議

自從最早的ALOHA系統誕生以來，Ad Hoc網絡已經經歷了30多年的發展歷程。隨著通信網絡的發展，無論是ALOHA協議還是CSMA協議都顯得有些力不從心。下面，就CSMA協議存在的問題進行簡要分析。

*CSMA協議的網絡通過率與歸一化的載波檢測時延密切相關，其公式如下：

β=τ#8226;(C/L)

其中，τ為載波檢測時延，它由鏈路的傳播時延和物理層的檢測時延組成；C為信道傳輸速率；L為分組長度。由該公式可以發現：隨著傳播距離的增長、信道速率的提高、分組長度的縮小，β會相應變大。當β達到0.2～0.3，甚至更高時，CSMA這類協議的性能就已經較差了(對于非時隙的CSMA/CD而言，β=0.2時，系統的通過率不足45%)，不易再采用CSMA多址接入協議。

*在Mobile Ad Hoc網絡中，由于隱藏終端和暴露終端的存在，使得CSMA協議對信道的利用率不高。

*CSMA協議是一種基于“競爭”的多址接入協議，這樣的協議無法為每個節點保證傳輸帶寬，分組在網絡中的平均時延方差也會因此較大，不適合實時業務或需要QoS保證的業務要求。

目前，在學術領域中，Ad Hoc網絡的多址接入協議主要分為兩類，即基于競爭的MAC協議和無競爭的MAC協議。前面提到的ALOHA協議和CSMA協議都是基于競爭的MAC協議。由于這種協議在重負載下系統不穩定，導致了無競爭MAC協議的出現。常見的無競爭MAC協議有四類：基于FDMA或TDMA的固定多址協議、基于節點輪循(polling)的協議、基于令牌傳遞(tokenpassing)的協議、基于動態預約(dynamic reservation)的協議。動態預約的多址協議結合了基于競爭的MAX協議和無競爭的MAC協議的優點。動態預約的對象在目前已有的協議中主要有兩類：一類是預約傳輸分組的權利，另一類是預約調度傳輸的權利。將這兩類協議分別標記為第一類DR-MAC協議和第二類DR-MAC協議。

近年來，如何在Ad Hoc網絡中采用動態預約的TDMA協議一直是一個研究熱點。由于這種協議預約的同樣是傳輸分組的權利，因此將其也歸為第一類DRMAC協議。這樣的協議有：D-TDMA、E-TDMA、FPRP等。這些協議關注的焦點都是如何預約信道，不同的預約策略可為業務提供不同的服務質量，占用的信道開銷當然也不會相同。然而，對于Ad Hoc網絡，如何實現全網同步是實現上述系統的難點所在。

通過對上述多址接入協議的研究可以看到，用于Ad Hoc網絡的多址接入協議應具備如下特點：

*協議要能夠適應拓撲的動態變化，即自適應拓撲變化；

*協議要能夠適應不同業務對帶寬的需求，保證業務的服務質量QoS，即自適應業務變化；

*協議要能夠為不同優先級的業務提供不同的服務質量QoS(如緊急業務的優先級要高于實時業務，實時業務的優先級要高于非實時業務)；

*協議要盡可能地避免信道的碰撞和不必要的空閑，同時減小控制開銷，提高對信道的利用率。

四、無線自組網絡的特殊性問題

由于Ad Hoc網絡特定的信道共享方式，基于點對多點共享信道和一跳共享廣播信道接入協議無法被Ad Hoc網絡直接使用，需要為它設計專用的信道接入協議。因此，信道接入協議一直是Ad Hoc網絡技術的研究重點之一。

1.安全問題

Ad Hoc網絡面臨的安全性威脅來自無線信道和網絡。無線信道容易被竊聽和干擾。此外，無中心和自組織的網絡組織形式不僅容易遭受冒充、欺騙等形式的攻擊，還對網絡的安全體系結構提出了新的要求。需要研究適用于Ad Hoc網絡的安全體系結構和用戶認證、加密等安全技術。目前，針對Ad Hoc網絡安全的問題已開展了一些研究，但還沒有較完善的解決方案。

2.網絡管理

Ad Hoc網絡的自組織網方式也給網絡管理提出了新的要求。不僅要對網絡設備和用戶進行管理，還要有相應的機制解決移動性管理、服務管理、結點定位、地址配置等特殊問題。

［參考文獻］

［1］米志超、鄭少仁：《無線戰術互聯網控制器通信協議的設計與實現》，《解放軍理工大學學報》2000年第1卷第6期。

［2］孫利民：《移動IP技術》，電子工業出版社2003年版。

［3］Jean Walrand，Pravin Varaiya：《高性能通訊網絡》，機械工業出版社2002年版。

［4］王金龍：《高性能通訊網絡》，國防工業出版社2004年版。

［5］鄭相全：《無線自組網技術實用教程》，清華大學出版社2004年版。