移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

2019-11-03 09:13:38

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供稿：網(wǎng)友

方旭明

　　摘要：本文簡(jiǎn)要介紹移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史、理論和技術(shù)上的一些熱點(diǎn)問題，以及它的一些應(yīng)用，從而給讀者一個(gè)概括性的了解，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)奠定一些基礎(chǔ)。為了便于讀者跟蹤國(guó)外先進(jìn)的研究成果，本文最后介紹了一些在這一領(lǐng)域比較活躍的研究機(jī)構(gòu)以及他們的主要工作。

　　關(guān)鍵詞：移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò) 自組網(wǎng) MAC協(xié)議路由協(xié)議藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)用

一、移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的歷史

　　一般認(rèn)為，沒有基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，在最初開發(fā)報(bào)文交換技術(shù)（后來發(fā)展成因特網(wǎng)）不久，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究規(guī)劃署（DARPA）資助了一項(xiàng)特別的研究一分組無線網(wǎng)絡(luò)（Packet Radio Network），即讓報(bào)文交換技術(shù)在不受固定或有線的基礎(chǔ)設(shè)施限制的環(huán)境下運(yùn)行。最初的動(dòng)機(jī)之一就是滿足戰(zhàn)場(chǎng)生存的軍事需求。在戰(zhàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境下，通信設(shè)備不可能依賴已經(jīng)敷設(shè)的通信基礎(chǔ)設(shè)施，一方面這些設(shè)施可能根本不存在，另一方面，這些設(shè)施會(huì)隨時(shí)遭到破壞。因此，能快速裝備、自組織的移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施是這種網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其他商業(yè)蜂窩系統(tǒng)的基本要素。在結(jié)構(gòu)上，這種網(wǎng)絡(luò)是由一系列移動(dòng)結(jié)點(diǎn)組成，是一種自組織的網(wǎng)絡(luò)，它不依賴于任何已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)且任意分布，結(jié)點(diǎn)之間通過無線方式互連，它將分組交換網(wǎng)絡(luò)的概念引伸到廣播網(wǎng)絡(luò)的范疇。這項(xiàng)工作開辟了移動(dòng)自組網(wǎng)（Mobile Ad Hoc Network，簡(jiǎn)稱Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)或MANET）研發(fā)的先河。與此同時(shí)，美國(guó)政府還資助了其他一些相關(guān)研究項(xiàng)目，其中包括“可生存自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（SURAN）”、“低成本報(bào)文無線電（LCR）”、“可生存通信網(wǎng)絡(luò)（SCN）”、“戰(zhàn)術(shù)因特網(wǎng)和近期無線電（NTDR）”項(xiàng)目等。不過，這些研究?jī)?nèi)容在當(dāng)時(shí)并沒有公開，在20世紀(jì)70年代到90年代早期，我們很難從公開的出版物上獲得有價(jià)值的理論與技術(shù)成果。由于自組網(wǎng)可以廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)通信指揮與控制、警察與醫(yī)療部門的搶險(xiǎn)救災(zāi)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、課堂教育等眾多領(lǐng)域，其戰(zhàn)略意義非常重要。90年代中期，隨著一些技術(shù)的公開，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)開始成為移動(dòng)通信領(lǐng)域一個(gè)公開的研究熱點(diǎn)。目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)尚未達(dá)到完全實(shí)用階段，大部分工作仍處在仿真和實(shí)驗(yàn)階段，仿真規(guī)模在數(shù)百至數(shù)千結(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)規(guī)模在幾十個(gè)結(jié)點(diǎn)左右。

二、移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特征與研究熱點(diǎn)

由于移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種移動(dòng)、多跳、自律式系統(tǒng)，因此它具有以下一些主要特征：

動(dòng)態(tài)拓?fù)洌杭淳W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以任意移動(dòng)，因此，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可能會(huì)變化。

鏈路帶寬受限、容量時(shí)變：由于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的非自身作為目的地的業(yè)務(wù)量隨時(shí)間而變化，因此與有線網(wǎng)絡(luò)不同，它的鏈路容量表現(xiàn)出時(shí)變特征。

動(dòng)力受限：由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特征，其中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)以電池作為動(dòng)力，因而，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)節(jié)能就成為一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

物理上安全有限：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)比固定網(wǎng)絡(luò)（有線和無線）更易受到安全威脅。需要克服無線鏈路的安全弱點(diǎn)及移動(dòng)拓?fù)渌鶐淼男碌陌踩[患。

　　90年代以來，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究在世界范圍內(nèi)方興未艾，已經(jīng)從無線通信領(lǐng)域中的一個(gè)小分支逐漸擴(kuò)大到相對(duì)較獨(dú)立的領(lǐng)域。目前，無論在國(guó)際上，還是在區(qū)域上（歐洲和亞洲等地區(qū)），周期性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)會(huì)議日益增多。總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)成果主要在以下幾個(gè)方面：

（1）提出新的路由協(xié)議。Ad Hoc路由面臨的主要挑戰(zhàn)是：傳統(tǒng)的保存在結(jié)點(diǎn)中的分布式路由數(shù)據(jù)庫(kù)如何適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。新協(xié)議一般以廣播或組播方式建立網(wǎng)絡(luò)路由，核心是減少?gòu)V播風(fēng)暴。目前，一般普遍得到認(rèn)可的代表性成果有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA和ZRP等。源頭性的創(chuàng)新性研究主要集中在2001年以前，后續(xù)的成果多為這些協(xié)議的改進(jìn)，目前，路由協(xié)議的研究仍然是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)成果最集中的部分。不過，從實(shí)現(xiàn)的難度來看，這些協(xié)議離適用性還有一定的距離。

（2）提出基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制（MAC）協(xié)議。主要是解決隱藏終端和暴露終端問題，影響比較大的有MACA協(xié)議，即RTS/CTS/ACK方案，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(jìn)類的MAC協(xié)議。有一些研究則是側(cè)重于將IEEE 802.11的MAC協(xié)議移植到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中。基于定向天線的MAC協(xié)議在理論上性能較為優(yōu)越，但在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的難度較大。

（3）Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)的互連互通。文[17]-[19]研究并提出了一種iCAR（internet Cellular and Ad hoc Realy）系統(tǒng)，提供蜂窩小區(qū)內(nèi)信號(hào)的補(bǔ)盲。該方案給出了在加入補(bǔ)盲點(diǎn)之后系統(tǒng)性能改善的性能評(píng)價(jià)。從結(jié)果看，該系統(tǒng)只是針對(duì)目前的2G系統(tǒng)，尚無法聯(lián)系到基于ip方式的分組網(wǎng)絡(luò)。最近，文[22]提出了一種在蜂窩網(wǎng)上覆蓋一個(gè)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的方案，其中用一些無線路由器來代替蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一些結(jié)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)與[17-19]所提一致，但通過優(yōu)化路由、信道規(guī)劃和功率控制等使系統(tǒng)在發(fā)射功率受限的情況下達(dá)到系統(tǒng)吞吐量最大化，其他方面沒有太多的貢獻(xiàn)。

（4）基于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的多播/組播協(xié)議、TCP協(xié)議、地址分配、功率（節(jié)能）控制、安全性問題、分布式算漢、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的數(shù)量相對(duì)較少。其中，比較有意思的有，文[20]試圖把移動(dòng)IP擴(kuò)展到Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，基本方案是要用特定的RIP協(xié)議（Routing Information PRotocol）作為路由協(xié)議，但這種方案與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的其他路由協(xié)議不相容。

（5）在實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建上，最近比較值得注意的是，一些學(xué)者正在研究用藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。就藍(lán)牙本身的技術(shù)來說，藍(lán)牙可以組成微微網(wǎng)（piconet），微微網(wǎng)通過橋節(jié)點(diǎn)（bridge）互連，可以形成多跳的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，也稱為藍(lán)牙散射網(wǎng)（scatternet）。藍(lán)牙規(guī)范尚未對(duì)藍(lán)牙微微網(wǎng)之間的通信和基于藍(lán)牙的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的形成等內(nèi)容做出具體描述，這是一個(gè)開放的問題，目前已有一些文獻(xiàn)針對(duì)基于藍(lán)牙的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的形成提出了各種不同的協(xié)議或方案。

（6）國(guó)內(nèi)學(xué)者所發(fā)表的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究成果較少。從2001年起，開始有少量成果發(fā)表，研究類的論文大約有數(shù)十篇，主要成果基本上集中在路由協(xié)議的一些改進(jìn)，少量成果涉及MAC協(xié)議的研究。可以說國(guó)內(nèi)在該研究領(lǐng)域基本上是剛剛起步。

三、移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

　　移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)潛在的應(yīng)用很多，可分為以下幾類：

　　移動(dòng)會(huì)議：在室外臨時(shí)環(huán)境中，工作團(tuán)體的所有成員可以通過Ad Hoc方式組成一個(gè)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)來協(xié)同完成一項(xiàng)大的任務(wù)，或協(xié)同完成某個(gè)計(jì)算任務(wù)。在室內(nèi)辦公環(huán)境中，辦公人員攜帶的包含Ad HoC收藏器的PDA可以通過無線方式自動(dòng)從臺(tái)式機(jī)上下載電子郵件，更新工作日程表等。

　　家庭關(guān)網(wǎng)：通過移動(dòng)聯(lián)網(wǎng)的方式把辦公室的協(xié)公環(huán)境延伸到家庭，必要時(shí)在家庭辦公。或者利用我們隨身攜帶的個(gè)人無線Ad Hoc設(shè)備與裝備了Ad Hoc收發(fā)器的家庭電器通信，自動(dòng)完成開鎖、開燈、打開娛樂設(shè)備、調(diào)節(jié)空調(diào)等操作。

　　緊急服務(wù)：由于停電或其他災(zāi)害出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞時(shí)，組建一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)幫助緊急救援人員完成必要的通信工作。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)：最近，人們開始關(guān)注大量分布的傳感器協(xié)調(diào)工作問題。傳感器可以工作在危險(xiǎn)的環(huán)境（如化學(xué)有害物質(zhì)泄漏現(xiàn)場(chǎng)），通過在傳感器上裝備位置指示器、Ad Hoc收發(fā)器等，將傳感器所在現(xiàn)場(chǎng)的信息傳送到危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)以外，避免救援人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，收集和辯別事故信息。

　　個(gè)人域網(wǎng)絡(luò)：通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)把個(gè)人通信、娛樂、辦公等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，這些設(shè)備可以或不需要與因特網(wǎng)相連，但在執(zhí)行用戶的某項(xiàng)活動(dòng)時(shí)肯定需要彼此通信，在這種情況下，移動(dòng)性不是主要問題。

　　軍事無線通信：在現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)上，各種軍事車輛之間、士兵之間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯(lián)系，以完成集中一指揮，協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。這樣的通信網(wǎng)絡(luò)是一種典型的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。據(jù)報(bào)道，在最近的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)得到有效的應(yīng)用。

　　其他商業(yè)應(yīng)用：如未來裝備Ad Hoc收發(fā)設(shè)備的機(jī)場(chǎng)預(yù)約和登機(jī)系統(tǒng)可以自動(dòng)地與乘客攜帶的個(gè)人無線Ad Hoc設(shè)備通信，完成目前的換登機(jī)牌等手續(xù)。如商場(chǎng)內(nèi)商品RF標(biāo)簽，廉價(jià)的RF標(biāo)簽可以通過無線接口由Ad Hoc設(shè)備動(dòng)態(tài)刷新。顧客若攜帶手持無線設(shè)備可以很容易地找到某種商品和價(jià)格。這種設(shè)備已由NCR公司生產(chǎn)。

　　以下是一個(gè)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在軍事上的研究與應(yīng)用實(shí)例。美國(guó)DAPRA近期資助了一項(xiàng)研究——“自愈式雷場(chǎng)系統(tǒng)”。該項(xiàng)目時(shí)間跨度為2000年至2003年。系統(tǒng)計(jì)劃采用智能化的移動(dòng)反坦克地雷陣來挫敗敵人對(duì)地雷防線的突破。這些地雷均配備有無線通信與自組織聯(lián)網(wǎng)單元，通過某種方式布撒之后（如通過飛機(jī)、地—地導(dǎo)彈或火箭彈進(jìn)行遠(yuǎn)程布撒），這些地雷迅速構(gòu)成移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。在遭到敵方坦克突破之后，這種地雷通過對(duì)拓樸結(jié)構(gòu)的判斷，以及自動(dòng)彈跳功能迅速“自愈”，即通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)恢復(fù)連通。如此反復(fù)，直到系統(tǒng)無法重構(gòu)為止，最后自行引爆。“自愈式雷場(chǎng)系統(tǒng)”可以大大限制敵軍的機(jī)動(dòng)能力，延緩敵軍進(jìn)攻或撤退的速度，在一段時(shí)間內(nèi)封鎖特定區(qū)域。該系統(tǒng)采用FHSS擴(kuò)頻方式，中心頻率為2.4GHz，帶寬為83 MHz。節(jié)點(diǎn)之間采用聲波沿距（～10米）定位。

四、研究移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)活躍的機(jī)構(gòu)

　　目前，國(guó)際上在移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)方面研究較為活躍的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)有：

　　加州大學(xué)洛杉磯分校Mario Gerla教授所領(lǐng)導(dǎo)的“無線自適應(yīng)移動(dòng)性實(shí)驗(yàn)室”（The WAM(Wireless Adaptive Mobility）Lab,http://www.cs.ucla.edu/NRL/wireless/）。研究方向包括Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、多播協(xié)議、多跳網(wǎng)絡(luò)QoS、MAC協(xié)議、功率控制、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等。

　　康奈爾大學(xué)Zygmunt J.Hass教授所領(lǐng)導(dǎo)的“無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室”（Wireless Networks Laboratory,http://wnl.ece.cornell.edu/）。研究方向包括Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、MAC協(xié)議、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全等。

　　伊利諾基大學(xué)Urbana-Champaign分校Nitin Vaidaya教授（http://www.crhc.uiuc.edu/-nhv/）所領(lǐng)導(dǎo)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)研究小組（現(xiàn)在伊利諾大學(xué)Urbana-Champaign分校ECE系）。研究方向包括Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的定向MAC協(xié)議、定向路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度等。

　　馬里蘭大學(xué)Satish K.Tripathi教授所領(lǐng)導(dǎo)的“移動(dòng)計(jì)算與多媒體實(shí)驗(yàn)室”（The Mobile Computing and Multimedia Laboratory （MCML），http://www.cs.umd.edu/projects/mcml/）。研究方向包括jiaystar網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、QoS等。

　　加州大學(xué)圣巴巴拉分校Elizabeth M.Belding-Royer教授所領(lǐng)導(dǎo)的“移動(dòng)性管理和聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室”（The Mobility Management and Networking （MOMENT）Lab,http://moment.cs.ucsb.edu/）。研究方向包括jiaystar網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議、多播協(xié)議、地址重構(gòu)、安全性、QoS、可伸縮性和適應(yīng)性等。

　　加州大學(xué)圣克魯茲分校J.J.Garcia-Luna-Aceves教授所領(lǐng)導(dǎo)的“計(jì)算機(jī)通信研究小組”（The Computer Communications Research Group,http://www.cse.ucsc.edu/research/ccrg/home.html）。研究方向主要包括無線網(wǎng)絡(luò)的信道接入等。

　　其他比較活躍的機(jī)構(gòu)還包括美國(guó)陸軍、海軍和一些企業(yè)的研究機(jī)構(gòu)。

五、結(jié)語

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以通過臨時(shí)組網(wǎng)的方式在惡劣環(huán)境中支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)、語音、圖像和圖形等業(yè)務(wù)的無線傳輸，應(yīng)用范圍可以覆蓋工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、家庭、辦公環(huán)境、軍事等各種場(chǎng)合，氖行業(yè)幾乎無所不在其中，尤其在未來戰(zhàn)場(chǎng)上，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)于高技術(shù)武器裝備、集中指揮、協(xié)同作戰(zhàn)和提高作戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性等具有非常重要的意義。與擴(kuò)頻通信技術(shù)一樣，源于軍事領(lǐng)域研究的移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，必將給民用產(chǎn)品的開發(fā)也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。我們希望我國(guó)的學(xué)者廣泛地開展Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究，通過此項(xiàng)研究，獲得具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)技術(shù)，以適應(yīng)我國(guó)未來高技術(shù)民用和軍事發(fā)展的需要。這項(xiàng)研究不僅具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義，也具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

摘自《數(shù)據(jù)通信》

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