淺談ad hoc的應(yīng)用,ad hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景 - 全文

　　一、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生背景

　　隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展．人們對移動通信的需求越來越強。近年來，移動通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展和普及。蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)（IEEE802．11Ⅲ和HiperLAN［21）、藍牙技術(shù)（Bluetooth）131、家庭無線網(wǎng)（HomeRF）141等移動通信新技術(shù)也紛紛涌現(xiàn)。這些技術(shù)的出現(xiàn)，極大方便了人們的生活，同時出推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展。

　　無線通信網(wǎng)絡(luò)按照其組網(wǎng)控制方式一般分為兩類：一類是集中式控制的，即有中心的。這類無線網(wǎng)絡(luò)的運行耍依賴預(yù)先部署的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。典型的例子有：蜂窩移動通信系統(tǒng)，其依靠基站和移動交換中心等基礎(chǔ)設(shè)施的支持；基于接入點（access poim）和有線骨干網(wǎng)模式的無線局域網(wǎng)。但對于某些特殊場合，不可能有這種預(yù)先部署的固定設(shè)施可以利用。比如，戰(zhàn)場上部隊快速展開和推進、發(fā)生地震或火災(zāi)后的營救、野外科學(xué)考查、偏遠山區(qū)、臨時會議等。在這種情況下，就需要一種能夠臨時快速自動組網(wǎng)的移動通信技術(shù)。這也形成了另一類無線通信技術(shù)，即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

　　“Ad Hoc”一詞來源于拉丁語，意思是“專用的，特定的” 。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通常也可稱為“無固定基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)”或“自組織網(wǎng)”。由于組網(wǎng)快速、靈活，使用方便，目前Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并正在得到越來越廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為移動通信技術(shù)向前發(fā)展的一個重要方向，并將在未來的通信技術(shù)中占據(jù)重要地位。

　　二、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的前身是分組無線網(wǎng)（packet radio network），對分組無線網(wǎng)的研究源于軍事通信的需要。早在1972年，美國的DARPA就啟動了分組無線網(wǎng)項目PRNET研究在戰(zhàn)場環(huán)境下利用分組無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。在此之后，DARPA于1983年啟動了高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN（survivable adaptive network）項目，研究如何將PRNET的研究成果加以擴展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。1994年，DARPA又啟動了全球移動信息系統(tǒng)GloMo（globle mobile information system）項目，旨在對能滿足軍事應(yīng)用需要的、高抗毀性GloMo項目，旨在對能滿足軍事應(yīng)用需要的、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進行全面深入的研究。成立于1991年的IEEE802．11標準委員會采用了“Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動通信網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)就此誕生。IETF將AdHoc網(wǎng)絡(luò)稱為MANET（移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)）。

　　三、Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的定義

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳的臨時性自治系統(tǒng)。每個移動終端兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C兩種功能：作為主機，終端需要運行面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，終端需要運行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表參與分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護工作。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點間的路由通常由多個網(wǎng)段（跳）組成，由于終端的無線傳輸范圍有限，兩個無法直接通信的終端節(jié)點往往通過多個中間結(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)通信。所以，它又被稱為多跳無線網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無固定設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)。

　　Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)特征：

　　由此可以看出，與其他通信網(wǎng)絡(luò)相比，基于Ad Hoe技術(shù)的Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)具有以下特征：

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的自組性。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以在任何時刻任何地方構(gòu)建，而不需要現(xiàn)有的信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，形成一個自由移動的通信網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。從網(wǎng)絡(luò)層來看，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動用戶可以咀任意的速度和任意方式在網(wǎng)中移動，加上無線發(fā)送裝置發(fā)送功率的變化、無線信道間的相互干擾因素、地形因素等的影響，節(jié)點間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨時都會發(fā)生變化。

　　（3）有限的無線傳輸帶寬。無線信道本身的物理特性使Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)帶寬相對有線方式要小的多，另外還要考慮無線信道競爭時所產(chǎn)生的信號衰落、碰撞、阻塞、噪聲干擾等因素，這使得實際有效帶寬要小得多。

　?。?）移動終端的有限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動用戶終端內(nèi)存小、CPU處理能力低、所帶電源有限使得Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計更加困難。

　　（5）安全性差。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無線方式的分布式結(jié)構(gòu)，所以更加容易被竊聽、入侵、網(wǎng)絡(luò)攻擊和拒絕服務(wù)等。

　　（6）網(wǎng)絡(luò)的分布式。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點都兼有路由和主機功能，不存在類似于基站的網(wǎng)絡(luò)中心控制點，節(jié)點地位平等，采用分布式控制方式，增強了網(wǎng)絡(luò)健壯性。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的可擴展性不強。由于采用TCP／IP協(xié)議中的子網(wǎng)技術(shù)使得Internet具有網(wǎng)絡(luò)的可擴展性，而Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的拓撲結(jié)構(gòu)使得子網(wǎng)技術(shù)所帶來的網(wǎng)絡(luò)可擴展性不能得到應(yīng)用。

　?。?）存在單向無線信道。由于地理位置或節(jié)點發(fā)射功率等因素，在采用無線通信的自組網(wǎng)環(huán)境中，可能存在單向信道。兩個移動終端A和B，A由于發(fā)射功率較大所以能夠到達B，而反之不行，即存在一條A—B的單向信道。

　?。?）生存時間短。Ad I-lot組網(wǎng)通常是由于某個特定原因而臨時創(chuàng)建的，使用結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將會自動消失。其網(wǎng)絡(luò)生存時間相對于固定網(wǎng)絡(luò)而言是短暫的。

　　四、Ad hoc應(yīng)用領(lǐng)域

　　軍事應(yīng)用

　　軍事應(yīng)用是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。因其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強等特點，它是數(shù)字人戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成為美軍戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。美軍的近期數(shù)字電臺和無線互聯(lián)網(wǎng)控制器等主要通信裝備都使用了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。對于很多應(yīng)用場合來說傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù)。而考慮到體積和節(jié)能等因素，傳感器的發(fā)射功率不可能很大。使用Ad hoc網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)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(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　緊急應(yīng)用

　　在發(fā)生了地震、水災(zāi)、強熱帶風暴或遭受其他災(zāi)難打擊后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施（如有線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)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(zāi)來說，這時就需要Ad hoc網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施又能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。類似地，處于邊遠或偏僻野外地區(qū)時，同樣無法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進行通信。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨立組網(wǎng)能力和自組織特點，是這些場合通信的最佳選擇。

　　個人通信

　　個人局域網(wǎng)（PAN，Personal Area Network）是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一應(yīng)用領(lǐng)域。不僅可用于實現(xiàn)PDA、手機、手提電腦等個人電子通信設(shè)備之間的通信，還可用于個人局域網(wǎng)之間的多跳通信。藍牙技術(shù)中的超網(wǎng)（Scatternet）就是一個典型的例子。

　　其他

　　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)還可以與蜂窩移動通信系統(tǒng)相結(jié)合，利用移動臺的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力擴大蜂窩移動通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)、提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率等。在實際應(yīng)用中，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)除了可以單獨組網(wǎng)實現(xiàn)局部的通信外，它還可以作為末端子網(wǎng)通過接入點接入其他的固定或移動通信網(wǎng)絡(luò)，與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)以外的主機進行通信。因此，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)也可以作為各種通信網(wǎng)絡(luò)的無線接入手段之一。

　　五、AODV 一按需距離矢量路由協(xié)議

　　Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題是開發(fā)能夠在兩個節(jié)點之間提供高質(zhì)量高效率通信的路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性使得網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不斷變化，傳統(tǒng)的基于因特網(wǎng)的路由協(xié)議無法適應(yīng)這些特性，需要有專門的應(yīng)用于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，其中又以AODV路由協(xié)議應(yīng)用最為廣泛，很多新型路由協(xié)議都是在AODV基礎(chǔ)之上加以改進的。

　　AODV是基于距離矢量算法的一種路由協(xié)議，它只在必要時請求路由，而且不要求節(jié)點維持當前通信中不使用的路由，也就是說，只要通信連接的節(jié)點之間有可用路由，AODV不起任何作用。為了找到通往目的節(jié)點的路由，源端將廣播一個路由請求分組，鄰居節(jié)點依次向周圍節(jié)點廣播此分組直到該分組被送到一個知道目的節(jié)點路由信息的中間節(jié)點或目的節(jié)點本身。一個節(jié)點將丟棄重復(fù)收到的請求分組，路由請求分組中的序列號用來防止路由環(huán)路，并能判斷中間節(jié)點是否響應(yīng)了相應(yīng)的路由請求。當節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)路由請求分組時，它會將其上游節(jié)點的標志ID錄入路由表，．從而能夠構(gòu)建一條從目的節(jié)點到源節(jié)點的反向路由。當源端移動時，它會重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)算法：如果中間節(jié)點移動，那么與其相鄰的節(jié)點會發(fā)現(xiàn)鏈路失效并向其上游節(jié)點發(fā)送鏈路失效消息并一直傳到源節(jié)點，而后源節(jié)點根據(jù)情況重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程。AODV的實現(xiàn)組合了DsR和DSDVI協(xié)議，它既具有DSR協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護功能，同時又使用了DSDV采用的逐跳路由、序列號和Beacon消息。

　　圖1-1是一個AODV路由建立的簡單例子。

　　無線媒質(zhì)上，源節(jié)點1每隔一段時間就廣播一個HELLO消息，以知道節(jié)點1周圍都有哪些相鄰節(jié)點。當源節(jié)點1需要與遠端目的節(jié)點4（不是參考節(jié)點的相鄰節(jié)點）通信時，就需要借助中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)。此時，要利用AODV路由協(xié)議來建立這條通信鏈路。

　　如圖1.1所示，AODV首先廣播路由請求消息（RREQ），該消息中包含幾個關(guān)鍵字段，它們是源地址、目的地址、生命周期和序號。節(jié)點l的相鄰節(jié)點2和5收到該RREQ消息后，可以有兩種選擇。如果該相鄰節(jié)點知道通往目的地址的路由，那么直接向參考節(jié)點回送一條路由應(yīng)答消息（RREP）。否則，該相鄰節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ消息。節(jié)點2的路由表中沒有到達節(jié)點4的路由信息，所以繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。節(jié)點3收到RREQ消息后，由于路由表中有相關(guān)信息，所以立即沿著原路以單播的方式回送一個路由應(yīng)答消息（RREP）給源節(jié)點1，并且更新該路由上所有節(jié)點的路由表。

　　在規(guī)定的時間內(nèi)，參考節(jié)點如果收到RREP消息，說明路由已經(jīng)成功建立；否則，參考節(jié)點就得重新發(fā)送RREQ消息。這里RREQ消息的序號就像一個時間標簽，能夠時刻保證路由表里的路由是最新的。

　　六、ad-hoc的應(yīng)用前景

　　Ad-hoc類型的網(wǎng)絡(luò)特點就是所有的節(jié)點對等，既充當AP又充當客戶端，所以也成為自組織網(wǎng)絡(luò)。Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)根據(jù)移動性可以粗略的分為無線mesh網(wǎng)絡(luò)和移動ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。無線mesh網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點位置相對固定，適合搭建無線骨干網(wǎng)；移動ad-hoc網(wǎng)絡(luò)則表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動性較強。

　　由于ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點對等，所以魯棒性好，抗打擊性好。在基礎(chǔ)設(shè)施類類網(wǎng)絡(luò)中如果AP損壞，網(wǎng)絡(luò)就會癱瘓，而ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點的損壞對網(wǎng)絡(luò)的影響不會很大。因此它適合的應(yīng)用場景一般是軍警相關(guān)的，比如單兵作戰(zhàn)通信設(shè)備、消防應(yīng)急通信設(shè)備等。

　　目前ad hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展到mesh，窄帶mesh主要是zigbee等方面用于物聯(lián)網(wǎng)等小數(shù)據(jù)傳輸，寬帶mesh主要由wlan mesh（wifi）和cofdm mesh（winet），前者使用wifi機制，帶寬高，后者采用cofdm機制，適用于傳輸視頻和實時性要求較高的數(shù)據(jù)。

　　總的來說，ad-hoc的應(yīng)用場景還是有的，但是比較窄，軍口、應(yīng)急通信設(shè)備都是很需要的。如果要深入了解，找一兩個場景深入調(diào)研一下應(yīng)該就會有所了解了。

　　七、結(jié)束語

　　隨著Adhoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的重要內(nèi)容。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合的主要目的是完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫互連，將傳統(tǒng)的有基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)中的移動IP協(xié)議加以改進，與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機結(jié)合起來，使得它在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用中保持重要地位，在民用領(lǐng)域中的作用逐步擴大。然而，它作為一種新型網(wǎng)絡(luò)，還存在很多問題，新的應(yīng)用也對它的研究和發(fā)展不斷提出新的挑戰(zhàn)。隨著研究的深入，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)將在無線通信領(lǐng)域中有著更加廣闊的前景。