未来个人通信的关键技术—移动Ad hoc网络

未来个人通信的关键技术—移动Ad hoc网络
王海涛

摘要 Ad hoc网络是一种特殊的多跳移动无线网络，具有广泛的应用场合。首先介绍了Ad
hoc网络的产生、定义、特点和应用，然后详细地比较了单跳网络和多跳网络的优缺点。接着讨论了Ad
hoc网络的设计挑战和当前研究的主要问题，最后对全文进行了总结。
关键词 蓝牙； Ad hoc网络； 分组无线网； 信道接入协议； 服务质量

常见的移动网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络中，移动终端之间的通信必须借助于基站和（或）移动交换机的转接完成；在无线局域网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。与此同时，蓝牙（Bluetooth）[1]、家庭无线网（HomeRF）[2]等移动通信新技术也纷纷涌现。这些移动网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。但在某些特殊环境或紧急情况下，有中心的移动通信技术并不能胜任。比如，战场上部队快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科考等。因此在以上场合中迫切需要一种不依赖基础设施能够快速和灵活配置的移动通信网络技术，Ad
hoc网络就是为满足这种特殊应用需求而产生的。

1 Ad hoc网络的起源和定义
Ad hoc网络的前身是分组无线网（Packet Radio
Network）[3]。早在1972年，美国DARPA就启动了分组无线网项目PRNET，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。在此之后，
DARPA于1983年启动了高残存性自适应网络项目SURAN（Survivable Adaptive
Network）[4]，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1994年，DARPA又启动了全球移动信息系统GloMo
（Globle Mobile Information
Systems）项目[5]，旨在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。成立于1991年5月的
IEEE802.11标准委员会[6]采用了"Ad hoc网络"一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Ad
hoc网络就此诞生。IETF也将Ad hoc网络称为MANET（移动Ad hoc网络）[7]。
Ad Hoc的意思是"for this"引申为"for this purpose
only"，即"为某种目的设置的，特别的"意思，即Ad hoc网络是一种有特殊用途的网络。Ad
hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统[7]，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接。在后一种情况中，Ad
hoc网络通常是以末端子网（树桩网络）的形式接入现有网络。考虑到带宽和功率的限制，MANET一般不适于作为中间传输网络，它只允许产生于或目的地是网络内部节点的信息进出，而不让其它信息穿越本网络，从而大大减少了与现存Internet互操作的路由开销[8]。Ad
hoc网络中，每个移动终端兼备路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发和路由维护工作。在Ad
hoc网络中，节点间的路由通常由多个网段（跳）组成，由于终端的无线传输范围有限，两个无法直接通信的终端节点往往要通过多个中间节点的转发来实现通信。所以，它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络或对等网络。Ad
hoc网络同时具备移动通信和计算机网络的特点，可以看作是一种特殊类型的移动计算机通信网络。

2 Ad hoc网络的特点
----与其它传统通信网络相比，Ad hoc网络具有以下显著特点：
1）无中心和自组织性：Ad
hoc网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其它预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，使得网络的健壮性和抗毁性很好。
2）自动配置：自动配置是Ad
hoc网络的基本特征，节点必须检测其它节点以及它们可以提供的服务。由于网络动态变化，自动配置过程需要确保网络能够正常工作，这涉及到连接
Internet的网关节点的更换，簇头的更新等。在网络形成阶段，节点可以就网络拓扑进行协商（星形、环形、点到点、点到多点、平面和分级），这依赖于网络的类型、底层的无线技术和应用的需求。
3）动态变化的网络拓扑：Ad
hoc网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以随时关闭电台，加上无线发送装置的天线类型多种多样、发送功率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。
4）受限的无线传输带宽：Ad
hoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。
5）移动终端的局限性：Ad hoc网络中，
移动终端具有携带方便、轻便灵巧等好处，但是也存在固有缺陷，例如能源受限、内存较小、CPU性能较低等，从而给应用程序设计开发带来一定的难度，同时屏幕等外设较小，不利于开展功能较复杂的业务。
6）安全性较差：Ad hoc网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，它更加容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺"睡眠"等网络攻击。信道加密、抗干扰、用户认证和其它安全措施都需要特别考虑。
7）网络的可扩展性不强：在目前Internet环境下，可以采用子网、无级域间路由（CIDR）和变长子网掩码（VLSM）等技术，增强了Internet
的可扩展性。但是动态变化的拓扑结构使得具有不同子网地址的移动终端可能同时处于一个Ad
hoc网络中，因而子网技术所带来的可扩展性无法应用在Ad hoc网络环境中。
8）多跳路由：由于节点发射功率的限制，节点的覆盖范围有限。当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。此外，Ad
hoc网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。
9）存在单向的无线信道：Ad hoc网络采用无线信道通信，由于地形环境或发射功率等因素影响可能产生单向无线信道。
10）特殊的信道共享方式：传统的共享广播式信道是一跳共享的。而在Ad hoc网络中，广播信道是多跳共享的，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到。
11）供电问题突出：考虑到成本和易于携带，节点不能配备太多数量的发送接收器，并且节点一般依靠电池供电。因此如何节省节点电源、延长工作时间是个突出问题。

3 Ad hoc网络的应用
Ad hoc网络的许多优良特性为它在民用和军事通信领域占据一席之地提供了有利的依据。首先，网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能。其次，多跳和中间节点的转发特性可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少每个终端的发射范围，从而降低设计天线和相关发射/接收部件的难度，也降低了设备的功耗，从而为移动终端的小型化、低功耗提供了可能。从共享无线信道的角度来看，Ad
hoc网络降低了信号冲突的几率，提高了信道利用率。从对使用者的保护来看，高功率的无线电波产生的电磁辐射对用户的身体健康也有影响。另外，网络的鲁棒性、抗毁性满足了某些特定应用需求。它的应用场合可以归纳为以下几类：
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，它是数字化战场通信的首选技术，并已经成为战术互联网的核心技术。为了满足信息战和数字化战场的需要，美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。美军的近期数字电台
NTDR和无线互联网控制器[9]等通信装备都使用了Ad hoc网络技术。
2）传感器网络：传感器网络[10]是Ad
hoc网络技术应用的另一大领域。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，并且传感器的发射功率很小。分散的传感器通过Ad
hoc网络技术组成一个网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这种网络具有非常广阔的应用前景。
3）紧急和突发场合：在发生了地震、水灾、火灾或遭受其它灾难后，固定的通信网络设施都可能无法正常工作。此时Ad
hoc网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持，对抢险和救灾工作具有重要意义。此外当刑警或消防队员紧急执行任务时，可以通过Ad
hoc网络来保障通信指挥的顺利进行。
4）偏远野外地区：当处于边远或野外地区时，无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。Ad
hoc网络技术具有单独组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。
5）临时场合：Ad hoc网络的快速、简单组网能力使得它可以用于临时场合的通信。比如会议、庆典、展览等场合，可以免去布线和部署网络设备的工作。
6）动态场合和分布式系统：通过无线连接远端的设备、传感节点和激励器，Ad
hoc网络可以方便地用于分布式控制，特别适合于调度和协调远端设备的工作，减少分布式控制系统的维护和重配置成本。Ad
Hoc无线网络还可以用于在自动高速公路系统（AHS）中协调和控制车辆[11]，对工业处理过程进行远程控制等。
7）个人通信：个人局域网（PAN）是Ad
hoc网络技术的又一应用领域，用于实现PDA、手机、掌上电脑等个人电子通信设备之间的通信，并可以构建虚拟教室和讨论组等崭新的移动对等应用（MP2P）。考虑到电磁波的辐射问题，个人局域网通信设备的无线发射功率应尽量小，这样Ad
hoc网络的多跳通信能力将再次展现它的独特优势。
8）商业应用：组建家庭无线网络、无线数据网络、移动医疗监护系统和无线设备网络，开展移动和可携带计算以及无所不在的通信业务等。
9）其它应用：考虑到Ad
hoc网络具有很多优良特性，它的应用领域还有很多，这需要我们进一步去挖掘。比如它可以用来扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范围[12]，实现地铁和隧道等场合的无线覆盖，实现汽车和飞机等交通工具之间的通信，用于辅助教学和构建未来的移动无线城域网和自组织广域网[13]等。

4 Ad hoc网络的设计挑战
在看到Ad hoc网络优良特性的同时还应注意到设计和应用该网络面临的诸多困难。随时变化的链路特性和网络拓扑、节点的移动性、受限的链路带宽和节点能量、恶劣的无线环境和安全性都是我们必须面对的问题。因此，必须仔细考虑节点的硬件设计（小型化、智能化和节能化）和协议栈的各个层次。在物理层，要解决衰落、多径干扰、功率控制等无线通信经常遇到的问题。在数据链路层，要解决多跳共享的广播信道的有效接入问题。网络层需要特殊的路由协议来维护网络动态变化的拓扑信息。在传输层，要解决无线环境下传输层的效率问题。应用层要具有一定的自适应流量控制功能。并且还要考虑协议栈各个层次的紧密协作，以适应网络条件和应用需求的变化。此外，网络的自组织特性、无中心控制、易配置性和可编程性等特征都对协议的设计提出了新的特殊的要求。也就是说，Ad
hoc网络的设计需要综合考虑资源效率、能量保护、信道接入、路由和资源分配等问题并进行合理的折衷。
Ad hoc网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制；另一方面作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到
Internet的无缝的接入机制。当前Internet已经可以在一定程度上保证综合业务传输的服务质量，近年来随着多媒体应用的普及和Ad
hoc网络在商业应用的进展，人们很自然地会产生在Ad
hoc网络上传送综合业务的需求，并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障，因此Ad
hoc网络对QoS保障的支持显得越来越迫切和重要。但是与固定的有线网络不同，在Ad
hoc网络中提供QoS支持将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战。

5 当前研究的主要问题
Ad hoc网络是一种动态变化的基于无线信道的自组织网络，它的体系结构、QoS保障和应用等问题比较复杂并难以实现。传统固定网络和蜂窝移动通信网中使用的各种协议和技术无法被直接使用，因此需要为Ad
hoc网络设计专门的协议和技术。
1) 信道接入技术：信道接入技术控制着节点如何接入无线信道，对Ad hoc网络的性能起着决定性的作用。Ad
hoc网络的无线信道不同于普通网络的共享广播信道、点对点无线信道和蜂窝移动通信系统中由基站控制的无线信道，它是多跳共享的多点信道。此外，Ad
hoc网络还存在隐终端、暴露终端和入侵终端等问题[14]。
2) 路由协议：路由协议是Ad
hoc网络的重要组成部分。要实现无线多跳路由，必须要有专用路由协议的支持。IETF成立的MANET工作组目前主要负责Ad
hoc网络IP层路由的标准化工作。
3) 网络体系结构：早期的Ad hoc网络主要是为数据业务设计的，没有对体系结构作过多考虑，但是当Ad
hoc网络需要提供多种业务和支持一定的服务质量保障时，就应当考虑如何选择最为合适的体系结构，并需要对原有的协议栈进行重新设计。
4) 服务质量保证：Ad hoc网络出现初期主要用于传输少量的数据信息。随着应用的不断扩展，需要在Ad
hoc网络中传输多媒体信息。多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。这就需要提供一定的服务质量保证。Ad
hoc网络中的服务质量保证是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。它的研究至今仍是一个开放问题。
5) 广播和多播：由于Ad
hoc网络的特殊性，广播和多播问题也变得非常复杂，它们需要链路层和网络层的支持。目前这个问题的研究已经取得了阶段性进展[15]。
6) 安全问题：Ad hoc网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。因此，需要研究适用于Ad hoc网络的安全体系结构和安全技术。
7) 网络管理：网络管理的范围较广，包括Ad hoc网络中的移动性管理、地址管理、服务管理等。要有相应的机制解决节点定位、地址自配置等问题。
8）能耗节省机制：可以采用自动功率控制机制来调整移动节点的功率，以便在传输范围和干扰之间进行折衷；还可以通过切换到休眠模式、采用功率意识路由、使用功耗很小的硬件来减少节点的能量消耗。

6 小结
本文旨在对Ad hoc网络进行一个较为直观和全面的介绍，使读者了解Ad hoc网络这一技术的特点、存在的问题和当前的研究状况。Ad
hoc网络技术产生至今也已有近30年的历史，但是由于底层技术的限制，包括电池、CPU和天线技术，它主要用来提供健壮的数据报业务。当前随着信息技术的发展和多媒体应用的日益普及，在Ad
hoc网络中为不同业务提供相应服务质量保障的问题日益突出。此外，Ad hoc网络的应用推广还需要解决网络互联、服务发现和安全等问题。

参考文献
[1] http://www.bluetooth.org/
[2] http://www.homerf.org/
[3] J. Jubin and J.D. Tornow. The DARPA packet radio network
protocols. Proceedings of the IEEE, 1987,75(1): 21-32.
[4] David A. Beyer. Accomplishments of the DARPA Survivable Adaptive
Networks SURAN Program. In Proceedings of the IEEE MILCOM Conference,
1990.
[5] Barry M. Leiner, Robert Ruth, and Ambatipudi R. Sastry. Goals and
Challenges of the DARPA GloMo Program. IEEE Personal Communications,
Vol.3, No.6, 1996.
[6] http://www.ieee802.org/11/
[7] Mobile Ad hoc Networks. http://www.ietf.org/html.charters/Ad hoc
network-charter.html. May, 2000
[8] S. Corson, J. Macker. Routing Protocol Performance Issues and
Evaluation Considerations. IETF RFC 2501, Jan 1999.
[9] 米志超，郑少仁，无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现，解放军理工大学学报，2000年第1卷第6期.
[10] L Subramanian, H Randy. An Architecture for Building
Self-Configurable Systems. IEEE Workshop on Mobile Ad Hoc Networking
and Computing. Boston, August 2000.
[11] Z.D. Chen, H.T. Kung, and D.Vlah. Ad Hoc Relay Wireless Networks
over Moving Vehicles on Highways. ACM Symposium on MobiHoc,
California, USA, Oct 2001.
[12] George N and Rahim T. On the Relaying capability of
Next－Generation GSM Cellular Networks. IEEE Personal Commun Mag, Feb
2001: 40-47.
[13] B Ljubica, B Levente, C Srdjan, et al. Self-organization in
mobile Ad hoc network: the approach of terminodes. IEEE Communication
Magazine, 2001,39(6):166-174.
[14] 赵志峰. 基于双信道的Ad hoc网络信道接入协议研究.通信工程学院博士论文，2002（6）.
[15] K. Tang and M. Gerla. MAC Reliable Broadcast in Ad Hoc Networks.
Proceedings of IEEE MILCOM 2001, McLean, Virginia, Oct. 2001.
A Key Technology In Future Personal Communication—
Mobile Ad Hoc Network Technology
Wang Hai-tao
( Institute of Communication Engineering, PLA Univ,
of Sci. & Tech., Nanjing 210007)
Abstract Ad Hoc is a special multiple hop mobile wireless network
which has broaden application fields. The paper firstly introduces the
produce, definition, characteristics and applications. Then, the cons
and pros of the single hop network and the multiple network is
compared in detail. Afterwards, design challenges of Ad Hoc network
are discussed and the state of art of Ad Hoc network is explained.
Finally, a summarization is given and future works are put forward.
Key Words Bluetooth ; Ad hoc Network ; PRN; Channel access protocol; QoS;

作者介绍：
王海涛 男，1976年生，讲师，现在解放军理工大学通信工程学院攻读博士学位。
研究方向为移动IP和Ad hoc网络。联系电话：025-3384509；025-3384664； e-mail:wht_slh_bao@sina.com
邮编：210007； 通信地址：南京市解放军通信工程学院123信箱

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