Ad Hoc网络关键技术及应用

    广东通信技术  汪科夫

    摘要

    Adhoc网络是一种新型无线移动网络。详细分析了Adhoc网络的关键技术，描述了它的应用范围，并在此基础上指出了它的发展前景。

    1、介绍

    20世纪70年代，美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动了“战场环境中的无线分组数据网”项目，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。 1983年和1994年，DARPA又分别于启动了抗干扰自适应网络项目SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移动信 息系统GloMo(GlobleMobile Information Systems)项目，对能够满足军事应用需要的移动通信系统进行更深入的研究。后来，IEEE802.11[1]标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织无中心多跳无线网络结构，Ad hoc网络由此诞生。

    2、Adhoc网络关键技术

    Adhoc网络是一种动态变化的无线自组织网络，它的体系结构、服务质量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Adhoc网络设计专门的协议和技术。目前Adhoc网络研究所面临的主要挑战包括：MAC协议[2] [3]、路由协议[4][5][6]、QoS[7]、安全问题[8]、功率控制和网络互联等。

    2.1MAC协议

    MAC协议是Adhoc网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。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都是一跳共享信道，Adhoc网络的无线信道与它们不同，它是多跳共享的多点信道。因为当一个节点发送分组时，只有在它覆盖服务内 的节点才能收到。这种信道共享广播信道导致Adhoc网络存在隐终端、暴露终端和入侵终端等问题。

    如图1所示，当节点A向节点B发送分组时，节点C显然不能发送信息。但由于节点C不在节点A的覆盖范围内，它不能侦听到A在发送分组，此时若C向B发送分 组，则发生碰撞。因此C是隐藏终端。这种因不是所有节点都能接收到其他节点的发送而引起的碰撞就是隐藏终端问题。如图2所示，当节点B向节点A发送分组 时，节点C侦听到节点B在发送分组，所以推迟发送分组。这种推迟是毫无必要的，因为C向D发送分组和B向A发送分组并不冲突，此时C是B的暴露终端。这种 因发送节点在其覆盖范围内某节点的传输而进行不必要的发送延迟就是暴露终端问题。Adhoc网络的MAC协议需要解决隐藏终端和暴露终端问题，其中影响比 较大的有MACA协议，即采用RTS/CTS/ACK信道握手机制，控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议，以及一些改进类的 MAC协议。

    图1 隐藏终端问题

    图2 暴露终端问题

    2.2路由协议

    Adhoc网络中的节点可能不停移动，网络拓扑不断变化。传统的距离矢量和链路状态路由协议并不适用Adhoc网络。为了在这种动态环境下实现可靠的通 信，动态分布式路由协议成为Adhoc网络研究的一个关键问题。按照路由表的维护特点，目前Ad Hoc网络的路由协议大体可以分为以下两种：表驱动路由协议和按需路由协议。比较典型的表驱动路由协议有目的序号距离矢量协议DSDV、无线路由协议 WRP、群首网关交换路由协议CGSR等，比较典型的按需路由协议包括动态源路由协议DSR、按需驱动距离矢量路由协议AODV、临时路由需求协议 TORA等。表驱动路由协议的优点是随时可以知道达到目的节点的路由，而且路由信息经过处理进行了优化，缺点是需要定期更新路由表信息，造成节点主机能量 和网络带宽的浪费。按需路由协议中网络节点不必频繁交换信息，但当有发送需求时，才开始寻找路由，必然增大了时延。

    2.3服务质量

    Adhoc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Adhoc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。IETF提出的综合服务模型和区分服务模型为传统的互联网提供服务，但这些模型没有考虑无线移动的网 络环境，而且目前无线网络中的服务质量保障机制都是基于有基础设施支持的单跳蜂窝模型，无法直接用于Adhoc网络。无线信道的有限带宽和恶劣的传输特 性，并且网络容易受到攻击和干扰，这些都要求为Ad hoc网络设计新的服务质量保障机制。为Ad hoc网络提供服务质量的关键是QoS路由。目前Ad hoc网络的QoS路由策略有：使用MAC层的TDMA资源管理；使用普通的QoS测量；使用CDMA进行不同传输的冲突避免。

    2.4安全问题

    与传统的无线网络不同，无线Adhoc网作为一种新型的无线移动网络，不依赖于任何固定设施，而是通过移动节点间的相互协作保持网络互联。而传统网络的安 全策略如加密、认证、访问、控制、权限管理和防火墙等都是建立在网络的现有资源如专门的路由器、专门的密钥管理中心和分发公用密钥的目录服务机构等的基础 上，而这些都是Adhoc网络所不具备的。目前已经提出的安全策略有：基于密码的认证协议；“复活鸭子”的安全模式；异步的分布式密钥管理。

    2.5功率控制

    由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池作为动力，因而需要进行功率控制。网络节点的网络接口是消耗功率最大的一部分。网络节点可有4种状态：发 射、接收、空闲和睡眠，睡眠态功耗最小。功率控制问题与Adhoc网络各层密切相关：在物理层可以调整节点的发射功率，来减少网络的能量消耗；MAC层可 以通过简单的规则实现功率感知，当无数据收发或信道闲时就处于睡眠状态；网络层可以采用节能的路由协议，尽量把转发负载平均分配到各个节点，从而延长网络 寿命；传输层尽量避免碰撞与重传，并区分拥塞与传输导致的分组丢失。

    2.6网络互联

    Adhoc网络中的网络节点要访问互联网或和另一个Adhoc网络中的节点通信，这样就产生了网络互联问题。Adhoc网络通常以一个末端网络的方式通过 网关连接到互联网，网关通常是无线移动路由器。如图3所示，无线移动路由器通过隧道机制，将互联网的网络基础设施作为信息传输系统，在隧道进入端按照传统 网络的格式封装Ad hoc网络的分组，在隧道的出口端进行分组解封，然后按照Ad hoc路由协议继续转发。

    图3 网络互联

    3、Adhoc网络的应用

    1997年IETF成立了一个专门的移动Adhoc网络工作组MANET(MobileAdhoc Networks)，专门负责研究和开发Ad hoc网络并制定相应的标准。这些年，移动通信和移动终端技术不断向前发展，使得Ad hoc网络技术不但在军事领域前景广阔，而且也在民用移动通信领域得到应用。它的应用场合可以归纳为以下几类：

    3.1军事通信

    军事应用是Adhoc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。在通信基础设施如基站受到破坏而瘫痪时，装备了移动通信装置的军事人员可以通过Adhoc网络进行通信，顺利完成作战任务。

    3.2紧急服务

    在遭遇自然灾害或其它各种灾难后，固定的通信网络设施都可能无法正常工作，快速地恢复通信尤为重要。此时Adhoc网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供 临时通信，从而为营救赢得时间，对抢险和救灾工作具有重要意义。

    3.3传感器网络

    传感器网络是Adhoc网络技术应用的另一大应用领域。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，并且考虑到体积和节能等因素传感器的发射功 率不可能很大。分散在各处的传感器组成一个Adhoc网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。在战场，指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器 装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的信息，并通过汇聚节点融合成完备的战区态势图。在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探测爆 炸中心将会提供宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡，传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中。传感器网络还可以为火控和制导系统提供 准确的目标定位信息以及生态环境监测等。

    3.4移动会议

    现在，笔记本电脑、PDA等便携式设备越来越普及。在室外临时环境中，工作团体的所有成员可以通过Adhoc方式组成一个临时网络来协同工作。借助 Adhoc网络，还可以实现分布式会议。

    3.5个人域网络

    个人域网络PAN(PersonalAreaNetwork)的概念式由IEEE802.15提出的，该网络只包含与某个人密切相关的装置如PDA、手 机、掌上电脑等，这些装置可能不与广域网相连，但它们在进行某项活动时又确实需要通信。目前，蓝牙技术只能实现室内近距离通信，Ad hoc网络为建立室外更大范围的PAN与PAN之间的多跳互联提供了技术可能性。

    3.6其它应用

    AdHoc网络的应用领域还有很多，如Adhoc网络与蜂窝移动通信网络相结合，利用Adhoc网络的多跳转发能力，扩大蜂窝移动通信网络的覆盖蜂窝网络 的覆盖范围、均衡相邻小区的业务等，作为移动通信网络的一个重要补充，为用户提供更加完善的通信服务。

    4、面临的挑战

    Adhoc网络作为一种新型无线通信网络，已经引起了人们广泛关注。但同时它又是一个复杂的网络，所涉及的研究内容非常广泛。Adhoc网络的实用化还有 许多亟待解决的问题。

    4.1可扩展性

    一个大规模的Adhoc网络可能包含成百上千甚至更多的节点。在这样一个网络中，节点间存在相互干扰，这样网络容量就会下降，而且网络中各节点的吞吐量也 会下降；同时不断变化的网络拓扑也会对现有的Adhoc网络路由协议提出严峻考验。可扩展性问题的解决最终需要智能天线和多用户检测技术的支持。

    4.2跨层设计

    Adhoc网络的跨层设计是相对于OSI的分层思想而言的。严格的分层方法的好处是层与层间相对独立，协议设计简单。它通过增加“水平方向”的通信量，降 低“垂直方向”的处理开销。但对于Adhoc网络环境，频率资源非常宝贵，最大限度地降低通信开销是一个首要问题。通过跨层设计可以降低协议栈的信息冗余 度，同时层与层之间的协作更加紧密，缩短响应时间。这样就能节约有限的无线带宽资源，达到优化系统的目的。Adhoc网络跨层优化的目标是使网络的整体性 能得到优化，因此需要把传统的分层优化的各个要求转化到跨层优化中。同时，跨层优化还面临复杂的建模和仿真，这些都需要进一步研究和解决。

    4.3与现有网络的融合

    随着Adhoc网络的组网技术的不断发展，Adhoc网络与现有网络的融合已经成为网络互联的重要内容。Adhoc网络与现有网络融合的主要目的是完成异 构网络的无缝互连，Ad hoc网络可以看成现有网络在特定场合的一种扩展。Ad hoc网络通常以一个末端网络的方式进入现有网络，这样就要考虑到Ad hoc网络与现有网络的兼容性问题，其它网络是否可以通过Ad hoc网络技术将最后一跳扩展为多跳无线连接。将传统的有基础设施的无线网络中的移动IP协议加以改进，与Ad hoc网络技术有机结合起来，是解决融合问题的一个重要方向。

    Adhoc网络自身的独特性，使得它在军事领域的应用中保持重要地位，在民用领域中的作用逐步扩大。然而，它作为一种新型网络，还存在很多问题，新的应用 也对它的研究和发展不断提出新的挑战。随着研究的深入，Adhoc网络将在无线通信领域中有着更加广阔的前景。（后卫编辑）