Ad hoc 网络

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Ad hoc网络 自组织 多跳 体系结构

1 引言

　　我们经常提及的移动通信网络一般都是有中心的，要基于预设的网络设施才能运行。例如，蜂窝移动通信系统要有基站的支持；无线局域网一般也工作在有AP接入点和有线骨干网的模式下。但对于有些特殊场合来说，有中心的移动网络并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进，地震或水灾后的营救等。这些场合的通信不能依赖于任何预设的网络设施，而需要一种能够临时快速自动组网的移动网络。Ad hoc网络可以满足这样的要求。

　　Ad hoc网络的前身是分组无线网（Packet Radio Network）。对分组无线网的研究源于军事通信的需要，并已经持续了近20年。早在1972年，美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就启动了分组无线网（PRNET,Packet Radio NETwork）项目，研究分组无线网在战场环境下数据通信中的应用。项目完成之后，DAPRA又在1993年启动了高残存性自适应网络（SURAN,SURvivable Adaptive Network）项目。研究如何将prnet的成果加以扩展，以支持更大规模的网络，还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议。1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统（GloMo,Globle Mobile Information Systems）项目。在分组无线网已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究，并一直持续至今。1991年成立的IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的对等式无线移动网络。

　　在Ad hoc网络中，结点具有报文转发能力，结点间的通信可能要经过多个中间结点的转发，即经过多跳（MultiHop），这是Ad hoc网络与其他移动网络的最根本区别。结点通过分层的网络协议和分布式算法相互协调，实现了网络的自动组织和运行。因此它也被称为多跳无线网（MultiHop Wireless Network）、自组织网络（SelfOrganized Network）或无固定设施的网络（Infrastructureless Network）。

　　2 Ad hoc网络的特点和应用

　　2.1 Ad hoc网络的特点

　　Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点：

　　1.无中心：Ad hoc网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

　　2.自组织：网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

　　3.多跳路由：当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。

　　4.动态拓扑：Ad hoc网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。

　　这些特点使得Ad hoc网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。

　　2.2 Ad hoc网络的应用领域

　　由于Ad hoc网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。针对Ad hoc网络的研究是因国事应用而发起的。因此，军事应用仍是Ad hoc网络的主要应用领域，但是民用方面，Ad hoc网络也有非常广泛的应用前景。它的应用场合主要有以下几类：

　　2 Ad hoc网络

　　1.军事应用：军事应用是Ad hoc网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字人战场通信的首选技术。Ad hoc网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了Ad hoc网络技术。

　　2.传感器网络：传感器网络是Ad hoc网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大。使用Ad hoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成Ad hoc网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。

　　3.紧急和临时场合：在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要Ad hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。Ad hoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。

　　4.个人通信：个人局域网（PAN,Personal Area Network）是Ad hoc网络技术的另一应用领域。不仅可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信，还可用于个人局域网之间的多跳通信。蓝牙技术中的超网（Scatternet）就是一个典型的例子。

　　5.与移动通信系统的结合：Ad hoc网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动台的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。

　　在实际应用中，Ad hoc网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它带可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与Ad hoc网络以外的主机进行通信。因此，Ad hoc网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段之一。

　　3 Ad hoc网络的体系结构

　　3.1 结点结构

　　Ad hoc网络中的结点不仅要具备普通移动终端的功能，还要具有服文转发能力，即要具备路由器的功能。因此，就完成的功能而言可以将结点分为主机、路由器和电台三部分。其中主机部分完成普通移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等应用软件。而路由器部分主要负责维护网络的拓扑结构和路由信息，完成报文的转发功能。电台部分为信息传输提供无线信道支持。从物理结构上分，结构可以被分为以下几类：单机机单电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。手持机一般采用的单主机单电台的简单结构。作为复杂的车载台，一个结点可能包括通信车内的多个主机。多电台不仅可以用来构建叠加的网络，还可用作网关结点来互联多个Ad hoc网络。

　　3.2 网络结构

　　Ad hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。

　　在平面结构中，所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。

　　分级结构中，网络被刈分为簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头结点负责簇间数据的转发。簇头可以预先指定，也可以由结点使用算法自动选举产生。

　　分级结构的网络又可以被分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络中，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，要有网关结点（同时属于两个簇的结点）的支持。而在多频率分组网络中，不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小，而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。在两级网络中，簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率2用于簇头之间的通信。分级网络的每个结点都可以成为簇头，所以需要适当的簇头选举算法，算法要能根据网络拓扑的变化重新分簇。

　　平面结构的网络比较简单，网络中所有结点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差：每一个结点都需要知道到达其他所有结点的路由。维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的路由信息。这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。由于簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的抗毁性。分级结构的缺点是，维护分级结构需要结点执行簇头选举算法，簇头结点可能会成为网络的瓶颈。

　　因此，当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；而当网络的规模增大时，应用分级结构。美军在其战术互联网中使用近期数字电台（NTDR，Near Term Digital Radio）组网时采用的就是双频分级结构。

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