Ad hoc網絡（上）

2019-11-03 10:19:30

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

趙志峰　鄭少仁　　摘要：本文首先介紹了Ad hoc網絡的特點和應用領域。然后對Ad hoc網絡的體系結構進行了研究，給出了結點和網絡的幾種組織結構。最后對Ad hoc網絡面臨的特殊問題進行了深入分析，并對這些問題的影響及引發的研究方向進行了討論。

　　關鍵詞　Ad hoc網絡　自組織　多跳　體系結構

　　1　引言

　　我們經常提及的移動通信網絡一般都是有中心的，要基于預設的網絡設施才能運行。例如，蜂窩移動通信系統要有基站的支持；無線局域網一般也工作在有AP接入點和有線骨干網的模式下。但對于有些特殊場合來說，有中心的移動網絡并不能勝任。比如，戰場上部隊快速展開和推進，地震或水災后的營救等。這些場合的通信不能依賴于任何預設的網絡設施，而需要一種能夠臨時快速自動組網的移動網絡。Ad hoc網絡可以滿足這樣的要求。

　　Ad hoc網絡的前身是分組無線網（Packet Radio Network）。對分組無線網的研究源于軍事通信的需要，并已經持續了近20年。早在1972年，美國DARPA（Defense Advanced Research PRoject Agency）就啟動了分組無線網（PRNET,Packet Radio NETwork）項目，研究分組無線網在戰場環境下數據通信中的應用。項目完成之后，DAPRA又在1993年啟動了高殘存性自適應網絡（SURAN,SURvivable Adaptive Network）項目。研究如何將prnet的成果加以擴展，以支持更大規模的網絡，還要開發能夠適應戰場快速變化環境下的自適應網絡協議。1994年，DARPA又啟動了全球移動信息系統（GloMo,Globle Mobile Information Systems）項目。在分組無線網已有成果的基礎上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，并一直持續至今。1991年成立的IEEE802.11標準委員會采用了“Ad hoc網絡”一啟來描述這種特殊的對等式無線移動網絡。

　　在Ad hoc網絡中，結點具有報文轉發能力，結點間的通信可能要經過多個中間結點的轉發，即經過多跳（MultiHop），這是Ad hoc網絡與其他移動網絡的最根本區別。結點通過分層的網絡協議和分布式算法相互協調，實現了網絡的自動組織和運行。因此它也被稱為多跳無線網（MultiHop Wireless Network）、自組織網絡（SelfOrganized Network）或無固定設施的網絡（Infrastructureless Network）。

　　2　Ad hoc網絡的特點和應用

　　2.1　Ad hoc網絡的特點

　　Ad hoc網絡是一種特殊的無線移動網絡。網絡中所有結點的地位平等，無需設置任何的中心控制結點。網絡中的結點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發能力。與普通的移動網絡和固定網絡相比，它具有以下特點：

　　1.無中心：Ad hoc網絡沒有嚴格的控制中心。所有結點的地位平等，即是一個對等式網絡。結點可以隨時加入和離開網絡。任何結點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

　　2.自組織：網絡的布設或展開無需依賴于任何預設的網絡設施。結點通過分層協議和分布式算法協調各自的行為，結點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

　　3.多跳路由：當結點要與其覆蓋范圍之外的結點進行通信時，需要中間結點的多跳轉發。與固定網絡的多跳不同，Ad hoc網絡中的多跳路由是由普通的網絡結點完成的，而不是由專用的路由設備（如路由器）完成的。

　　4.動態拓撲：Ad hoc網絡是一個動態的網絡。網絡結點可以隨處移動，也可以隨時開機和關機，這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化。

　　這些特點使得Ad hoc網絡在體系結構、網絡組織、協議設計等方面都與普通的蜂窩移動通信網絡和固定通信網絡有著顯著的區別。

　　2.2　Ad hoc網絡的應用領域

　　由于Ad hoc網絡的特殊性，它的應用領域與普通的通信網絡有著顯著的區別。它適合被用于無法或不便預先鋪設網絡設施的場合、需快速自動組網的場合等。針對Ad hoc網絡的研究是因國事應用而發起的。因此，軍事應用仍是Ad hoc網絡的主要應用領域，但是民用方面，Ad hoc網絡也有非常廣泛的應用前景。它的應用場合主要有以下幾類：

　　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，它是數字人戰場通信的首選技術。Ad hoc網絡技術已經成為美軍戰術互聯網的核心技術。美軍的近期數字電臺和無線互聯網控制器等主要通信裝備都使用了Ad hoc網絡技術。

　　2.傳感器網絡：傳感器網絡是Ad hoc網絡技術的另一大應用領域。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。而考慮到體積和節能等因素，傳感器的發射功率不可能很大。使用Ad hoc網絡實現多跳通信是非常實用的解決方法。分散在各處的傳感器組成Ad hoc網絡，可以實現傳感器之間和與控制中心之間的通信。這在爆炸殘留物檢測等領域具有非常廣闊的應用前景。

　　3.緊急和臨時場合：在發生了地震、水災、強熱帶風暴或遭受其他災難打擊后，固定的通信網絡設施（如有線通信網絡、蜂窩移動通信網絡的基站等網絡設施、衛星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毀或無法正常工作，對于搶險救災來說，這時就需要Ad hoc網絡這種不依賴任何固定網絡設施又能快速布設的自組織網絡技術。類似地，處于邊遠或偏僻野外地區時，同樣無法依賴固定或預設的網絡設施進行通信。Ad hoc網絡技術的獨立組網能力和自組織特點，是這些場合通信的最佳選擇。

　　4.個人通信：個人局域網（PAN,Personal Area Network）是Ad hoc網絡技術的另一應用領域。不僅可用于實現PDA、手機、手提電腦等個人電子通信設備之間的通信，還可用于個人局域網之間的多跳通信。藍牙技術中的超網（Scatternet）就是一個典型的例子。

　　5.與移動通信系統的結合：Ad hoc網絡還可以與蜂窩移動通信系統相結合，利用移動臺的多跳轉發能力擴大蜂窩移動通信系統的覆蓋范圍、均衡相鄰小區的業務、提高小區邊緣的數據速率等。

　　在實際應用中，Ad hoc網絡除了可以單獨組網實現局部的通信外，它帶可以作為末端子網通過接入點接入其他的固定或移動通信網絡，與Ad hoc網絡以外的主機進行通信。因此，Ad hoc網絡也可以作為各種通信網絡的無線接入手段之一。

　　3　Ad hoc網絡的體系結構

　　3.1　結點結構

　　Ad hoc網絡中的結點不僅要具備普通移動終端的功能，還要具有服文轉發能力，即要具備路由器的功能。因此，就完成的功能而言可以將結點分為主機、路由器和電臺三部分。其中主機部分完成普通移動終端的功能，包括人機接口、數據處理等應用軟件。而路由器部分主要負責維護網絡的拓撲結構和路由信息，完成報文的轉發功能。電臺部分為信息傳輸提供無線信道支持。從物理結構上分，結構可以被分為以下幾類：單機機單電臺、單主機多電臺、多主機單電臺和多主機多電臺。手持機一般采用的單主機單電臺的簡單結構。作為復雜的車載臺，一個結點可能包括通信車內的多個主機。多電臺不僅可以用來構建疊加的網絡，還可用作網關結點來互聯多個Ad hoc網絡。

　　3.2　網絡結構

　　Ad hoc網絡一般有兩種結構：平面結構和分級結構。

　　在平面結構中，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式結構。

　　分級結構中，網絡被刈分為簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。在高一級網絡中，又可以分簇，再次形成更高一級的網絡，直至最高級。在分級結構中，簇頭結點負責簇間數據的轉發。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用算法自動選舉產生。

　　分級結構的網絡又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網絡中，所有結點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信，要有網關結點（同時屬于兩個簇的結點）的支持。而在多頻率分組網絡中，不同級采用不同的通信頻率。低級結點的通信范圍較小，而高級結點要覆蓋較大的范圍。高級的結點同時處于多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通信。在兩級網絡中，簇頭結點有兩個頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信。而頻率2用于簇頭之間的通信。分級網絡的每個結點都可以成為簇頭，所以需要適當的簇頭選舉算法，算法要能根據網絡拓撲的變化重新分簇。

　　平面結構的網絡比較簡單，網絡中所有結點是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點是可擴充性差：每一個結點都需要知道到達其他所有結點的路由。維護這些動態變化的路由信息需要大量的控制消息。在分級結構的網絡中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護復雜的路由信息。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性。由于簇頭結點可以隨時選舉產生，分級結構也具有很強的抗毀性。分級結構的缺點是，維護分級結構需要結點執行簇頭選舉算法，簇頭結點可能會成為網絡的瓶頸。

　　因此，當網絡的規模較小時，可以采用簡單的平面式結構；而當網絡的規模增大時，應用分級結構。美軍在其戰術互聯網中使用近期數字電臺（NTDR，Near Term Digital Radio）組網時采用的就是雙頻分級結構。

（未完待續）

摘自《中國數據通信》2002.9

上一篇：ATM技術的發展與應用

下一篇：Ad hoc網絡（二）