Ad-hoc網絡:來自戰場的無線通信技術

Ad-hoc網絡不依賴于任何固定基礎設施、無中心、自組織，能隨時組建無線網絡實現設備的互聯，這些特性非常適合災后救援、戰場、野外科考等缺乏固定通信基礎設施的場合。

在這個iPhone、Facebook、Twitter流行的時代，我們很容易想當然地認為，人類已經能夠隨時與世界各地保持聯系。其實，這只是表面現象，我們忽視了一個簡單的事實，這種隨時隨地地與外界進行溝通和聯系是基于穩定可靠的通信基礎設施之上的，一旦這些通信基礎設施遭到破壞，常規的通信手段都不再可行。而往往就是在這樣的時候，保持可靠的通信顯得尤為重要。例如，今年年初海地發生地震后，衛星電話成為當地最主要的通信聯絡手段。但是，這種衛星電話通信系統的可靠性很低，常常因為一個很小的事件(如最普通最常見的停電事故)使該系統陷入癱瘓，在一個非常緊要的時刻，這個救命的衛星電話只能是一個擺飾，該是多么令人著急。

為了應對一些特殊的需求，特別是為了保證在緊急而常規的通信基礎設施遭到破壞的情況下保持與外界的聯系，人們開發出了一個名為“Ad-hoc”的網絡，它是無線移動網絡，一種自組織的、無中心的多跳網絡，它由一些經過編程的手機或者其他與之有聯系的通信設備構成，其中每個網絡設備都同時有多種身份，既是發射器也是接收器，更為關鍵的是，每個設備還會充做其他設備的中繼，幫助其他設備傳遞信息。在這樣的網絡中，即使兩個設備不能直接通信，也可以通過與之相鄰設備的中繼作用實現通信，就像小朋友站成一排，把一桶水從隊首傳到隊尾一樣。換句話說，這個網絡中每個功能節點對自己而言是一個消息的發送和接收器，而對其他設備而言又是能幫助傳遞信息的網絡基礎設施。

救災只是Ad-hoc網絡最典型的應用場景。Ad-hoc網絡可用于任何來不及部署固定的通信基礎設施，或者部署這樣的基礎設施非常困難，或者部署成本非常高昂等場合。目前，軍事領域已投入大量資金用于研究如何把它用于戰場上的通信。除了軍事領域以外，Ad -hoc網絡也可以給我們的家庭生活帶來方便。Ad -hoc網絡讓家中的各種設備能夠自動彼此發現并相互通信，而無需在這些設備之間連上各種線纜。在偏遠的農村和低收入居民區，如果沒有部署寬帶，也可以通過Ad-hoc網絡連到互聯網。那些研究森林微環境和海洋海底環流的科學家也可以放心地在所研究的環境中部署各種傳感器，再也不用擔心這些傳感器的信息不能傳到自己的筆記本電腦上。

嚴格說來，Ad-hoc網絡并不是一個新事物，這種網絡技術誕生已超過三十年，但只是在過去幾年里，這種網絡技術才逐漸得到完善，并且有了第一個大規模部署的實際案例:美國的初創公司梅拉基網絡(MerAki Networks)在舊金山啟動了一個互聯網接入項目，通過Ad-hoc網絡技術讓舊金山40萬居民訪問互聯網。這個項目讓支持藍牙的手機、筆記本電腦都能使用Ad-hoc網絡技術實現設備之間的通信，而無需布線或專門進行配置。

今天，Ad-hoc網絡已經部署在眾多偏遠的或者不適合人類居住的惡劣環境中，用于從低功率無線傳感器收集各種科研數據。不過，要讓這種網絡大規模普及還有許多技術難點要突破，好在研究人員一直在加緊研究，并且已經在一些關鍵技術上有了突破。

無需固定通信基礎設施

從已經部署的網絡數量上來看，Ad-hoc網絡仍然很少。要了解為什么Ad-hoc網絡進展緩慢，需要比較一下Ad-hoc網絡與其他一些無線技術(如蜂窩網絡和Wi-Fi)在技術上的區別。

當您使用一個普通的移動電話給朋友打電話時，其實只有這個電話和離這個電話最近的基站之間的傳輸是無線的。該基站地理位置上是固定的，信號由這個基站接收后進入有線網絡，在巨大的電信網絡中經過多次傳遞，最后到達離目標手機最近的基站再通過無線發射出來。像Wi-Fi這樣無線本地網絡依賴的同樣也是固定的有線天線和有線通信設備來實現通信的。

依靠固定通信設備實現通信有優點也有缺點。通信需要電力，典型的無線網絡設備依靠電池供電(如手機和筆記本電腦)，因此會盡可能地把工作留給與電網相連的固定通信設備。同樣，無線帶寬是固定的、有限的資源，傳統的無線系統為了節省帶寬，會盡可能地把通信信號通過有線來傳送。利用固定的通信基礎設施，我們可以在那些通信需求非常大的地方，建設大型的、大多數情況下也是可靠的電話和Wi-Fi通信系統。

然而，正是因為需要固定的基礎設施，使得這些網絡很脆弱，比如一旦停電或者核心設備壞掉都會讓整個通信系統停止工作，即使個人設備(如手機和筆記本電腦)都完好無損也沒有辦法實現通信。而Ad - hoc網絡則沒有這一缺點，它是非常可靠的、高魯棒性的網絡。如果一臺移動設備電源用盡或電源關閉，其余的設備能夠自動修改網絡配置、實現補償，換句話說，其他設備會替代這臺設備的工作，使得整個網絡得以繼續工作。隨著移動設備的加入和退出，Ad - hoc網絡能夠自動進行調整和修復，這正是這種網絡的一大特點。

當然，這種自我修復能力是有代價的。在Ad - hoc網絡中，需要一種非常聰明的方法來發送消息，以確保即使發送者和接收者之間的連接在發送過程中中斷，消息也可以在目的地再現。該系統必須選擇一種最佳的方式接收消息并把它送達指定的設備，可能發送的設備根本就不知道接收消息的設備究竟在哪里。最后，網絡還必須處理由于很多設備在幾乎相同的時刻傳輸信息而帶來的相互干擾問題。

解決路由難題

Ad - hoc網絡是一個不斷變化的網絡，這樣的網絡面臨的一個很大的挑戰是如何有效地路由消息。由于一些原因這其實是很難解決的問題。在傳統的手機通信網絡或其他無線網絡中，處于通信系統核心的是有線的基礎設施，它對每個設備的位置進行跟蹤和記錄，它接收用戶的消息在需要時把這個用戶的消息直接發送給接收者。

而在Ad-hoc網絡中，通信設備必須自己決定采用一條什么樣的路徑傳遞消息。個人設備通常計算能力、內存和通信能力都很有限，所以不可能讓某個個體設備來收集或處理所有的網絡信息—相當于傳統的無線網絡中的核心路由器。

可以用下面的例子來說明:比如，您在某個大城市(如北京)，你需要聯絡你的朋友，你并不知道他在哪里。假設通信設施安裝在出租車的頂部，每個接收器的接收范圍只有1公里(與通信速度相比出租車的行駛速度幾乎可以忽略)。為了把你的信息傳給你朋友，出租車之間必須合作。當你乘坐的出租車經過擁擠的城市，相鄰出租車上的接收器會收到你的出租車發出的信息，這些出租車隨后又會把這個信息傳給下一個。這個過程一直持續下去直到你的朋友接收到你的信息。

即使在一個小型的網絡中發送一條小消息也是非常困難的，這種困難程度還會隨著傳輸的消息數量以及接入的設備數量的增加而增加。而要讓Ad-hoc網絡技術真正可用，就必須保證它能有效地工作，而且無論網絡的大小。

人們提出了許多辦法來解決這個問題。其中，最核心的辦法是“問路”。一個接收器會詢問與它連接的設備(即鄰居)，看看哪些設備連接到這個鄰居，依此類推，直至你的朋友收到你的消息。你朋友的回答可以沿著相同的路徑返回，也可以再尋找一條不同的路徑。在這種方式中，每一個中間設備都創建了一個你和朋友之間可用路徑的列表。由于存在這張表，這樣即使你的設備并不知道你朋友的位置仍然可把消息送達你朋友。由于網絡處于不斷變化之中，所以網絡中的設備必須不斷重復“請求-響應”這一過程，從而確?？捎寐窂娇偸亲钚碌摹?/p>

在可靠與節省帶寬之間平衡

在Ad-hoc網絡中，一個消息可能同時通過幾個不同的路徑傳輸，這是必要的，可以提高消息到達目的地的可靠性。而問題是如何確定這種冗余度。一種極端的情況是，消息被同時發送到所有可用的路徑上。這一方法增加了該消息到達目的地的機會，但也可能很快讓網絡不堪重負，使得網絡擁堵而最終完全不可用;而另一個極端的情況是，把消息分割成為一個個數據塊，每個數據塊單獨發送。這種方式節約了網絡資源，但可能有些數據塊會在傳輸過程中丟失，從而使得最后收到的信息不完整。

一種名為“網絡編碼”的技術采取了中間路線。它先把消息分解成多個數據塊，同時提取出這些數據塊的相關信息，然后把這些數據塊和相關信息(即元數據信息)通過多條路徑發送出去。這些元數據的作用是保證即使其中的部分數據塊在傳輸過程丟失，最后仍然可以根據元數據提供的信息重現原來的消息。

網絡編碼技術中的一個核心問題是決定同時在多少路徑上發送消息。增加路徑數會增加參與每次通信的設備數量，進而降低了某條路徑傳輸失敗可能帶來的影響。這種選擇讓更多的設備參與到每次通信活動中，還減少了每個設備的工作量從而節省了電力，但同時也加大了協調的工作量和工作難度。隨著網絡中的設備越來越多，如果每次通信中涉及的設備數量增加或者支持的通信數量增加，通信被干擾的機會也增大了。正如很多人同時發言時我們誰的話也聽不清楚一樣。如果相鄰設備也在發送信息，無線設備就很難恢復正在傳輸的信息。這些問題在Ad-hoc網絡中尤其麻煩，因為在這個網絡中，沒有一個統一的中央設備對各個參與通信的設備進行協調。

一般來說，無線網絡對付這種通信的干擾有兩種方式。第一種方式是要避免沖突。如果數據傳輸并不頻繁，那么消息之間互相干擾的可能性就很小。在這種方法中，每個設備會將消息切分成很小的片段，并以很短的時間間隔發送出去。由于沒有經過協調的相鄰設備不太可能在同一時間傳送數據，與采用穩定但較慢的頻率傳輸數據相比，這種方法帶來的干擾會少一些。最常見的面向個人電腦的無線網絡標準中采用的正是這種突發性傳輸數據的方法。

第二個方法允許兩個發射器同時將信息發送到同一個接收器，但要求其中一個傳輸數據的速度更快。其原理類似于，盡管旁邊也有人在竊竊私語，但你說話的聲音更高，這樣別人還是能夠聽清楚你在說什么。如果把這個過程記錄下來，再把傳輸速度快的這個消息剔除，還可以把傳輸慢的那個消息恢復回來。

對于只有兩個設備發送消息的情況，第二種方法比較合適，一旦同時發送消息的設備增加，很快就會出現問題。此時，系統必須以某種方式協調，以決定誰應該高速傳遞消息誰又應該以較低的速率傳送。協調過程本身也需要通信，網絡系統的正常運轉越是依靠協調，你可用于通信的帶寬就越少。目前尋找最佳的數據傳輸策略仍是一個正在進行的研究課題。

難以準確測算性能

雖然Ad-hoc網絡在很多場合得到了很廣泛的應用，不過卻很難準確地說清楚它們到底有多大作用。由于要對相關的數據進行測算非常困難，因此一些看似很簡單的問題對Ad-hoc網絡來說卻很難回答。比如，這種網絡的性能到底如何，它到底能以多大速率傳輸數據?在這種傳輸速率之下需要多少設備參與以及可能會發生多少次的干擾?一旦網絡中的設備都退出了怎么辦?如何在保持信息以較高速率傳輸、減少數據傳輸延遲以保證系統具有較高魯棒性之間取得最佳平衡?

而另一方面，獲取Ad-hoc網絡的這些基礎的性能數據對于網絡的設計者和使用者而言都是非常重要的。利用這些數據，網絡設計者可以考慮是否可以把一些最新的技術引入到這種網絡中，同時也助于研究人員確定如何將該網絡的價值最大化。此外，掌握了這些信息還可以讓網絡設計者能夠在數據傳輸率、延遲和丟包率等無法同時滿足需求時做出最佳決策。例如，電話和電話會議對延誤非常敏感，過大延誤或不穩定的數據包傳輸率可能會導致信號中斷或者傳輸音視頻信息時斷斷續續，從而使得對話難以順利進行。一旦設計者明白了該網絡的實際性能，他們就可以根據自己的具體需要對程序進行專門優化，比如如果是打電話就要優先考慮低延遲，而發送重要文檔就要保證低的數據包丟包率。

準確把握Ad-hoc網絡的性能非常困難的主要原因是這種網絡處在不斷變化中。而且，了解網絡的各種性能數據，你還不能只關心它眼前的性能，你必須知道網絡在每一種可能的配置情況下的性能。

幸運的是，研究人員已經找到了解決這一難題的辦法。他們把無線的Ad - hoc網絡映射到我們更為了解、也更為常見的有線網絡上，然后利用我們熟知的有線網絡的知識來研究Ad-hoc網絡。對有線網絡的研究已經有了60多年的歷史，科學家們對信息如何在有線網絡中傳遞已經積累了豐富的經驗，同時也研究出了眾多測量工具。

一般說來，有線網絡沒有干擾的問題，而且網絡節點的位置也不變化。我們在研究某個無線網絡時，如果把它模擬成為一個有線網絡，就可以掌握無線網絡的一些主要的行為特征。然后，我們利用這些知識去全面研究和掌握Ad-hoc網絡的特點，從而可以幫助我們搭建一個更好的Ad-hoc網，因為我們知道每個選擇可能給性能帶來的影響。同時，它還讓我們知道現行做法中哪些是好的，哪些還有改善的余地。

然而，即使有了這些工具，我們也并不能全面了解Ad - hoc網絡，也不能指望它取代現有的蜂窩網。目前，還只是在一些特殊情況下，Ad - hoc網絡才會成為必不可少的或者說最佳的網絡架構，而此時，上述工具讓我們可以充分地了解這個網絡到底能起到多大作用、到底能否滿足我們的需求。

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Ad-hoc網絡的主要應用領域

過去，Ad hoc網絡技術主要應用于軍事領域和救災，目前，隨著這項技術的成熟和不斷完善，在民用移動通信領域應用得日益廣泛。它的應用場合可以歸納為以下幾類:

1.軍事通信

軍事通信是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，使它成為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。在通信基礎設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Ad-hoc網絡進行通信，順利完成作戰任務。

2.應急服務

在遭遇自然災害或其他各種災難后，固定的通信網絡設施都可能無法正常工作，快速地恢復通信尤為重要。此時Ad-hoc網絡能夠在這些惡劣和特殊的環境下提供臨時通信，從而為營救贏得時間。

3.傳感器網絡

傳感器網絡是Ad-hoc網絡技術應用的另一大應用領域。對于野外等不適合人類生活的場合，為進行科研常常會部署很多傳感器，并通過無線通信技術將傳感器組成一個Ad-hoc網絡，可以實現傳感器之間和與控制中心之間的通信。

4.家庭網絡

家庭中智能設備越來越多，如筆記本電腦、臺式機、手機等都需要相互通信，與藍牙技術只能實現近距離通信不同，Ad-hoc網絡可以實現更大范圍內的設備的通信。

此外，Ad-hoc網絡的應用領域還有很多，如Ad-hoc網絡與蜂窩移動通信網絡相結合，利用Ad-hoc網絡的多跳轉發能力，擴大蜂窩移動通信網絡的覆蓋范圍，作為移動通信網絡的一個重要補充，為用戶提供更加完善的通信服務。