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(duì)移動(dòng)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)。近年來(lái)，移動(dòng)通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展和普及。蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)（IEEE802．11Ⅲ和HiperLAN［21）、藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）131、家庭無(wú)線網(wǎng)（HomeRF）141等移動(dòng)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(shí)出推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。

　　無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)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(dòng)通信系統(tǒng)，其依靠基站和移動(dòng)交換中心等基礎(chǔ)設(shè)施的支持；基于接入點(diǎn)（access poim）和有線骨干網(wǎng)模式的無(wú)線局域網(wǎng)。但對(duì)于某些特殊場(chǎng)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(chǎng)上部隊(duì)快速展開和推進(jìn)、發(fā)生地震或火災(zāi)后的營(yíng)救、野外科學(xué)考查、偏遠(yuǎn)山區(qū)、臨時(shí)會(huì)議等。在這種情況下，就需要一種能夠臨時(shí)快速自動(dòng)組網(wǎng)的移動(dòng)通信技術(shù)。這也形成了另一類無(wú)線通信技術(shù)，即Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

　　“Ad Hoc”一詞來(lái)源于拉丁語(yǔ)，意思是“專用的，特定的” 。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通常也可稱為“無(wú)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(guó)際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為移動(dòng)通信技術(shù)向前發(fā)展的一個(gè)重要方向，并將在未來(lái)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(wú)線網(wǎng)（packet radio network），對(duì)分組無(wú)線網(wǎng)的研究源于軍事通信的需要。早在1972年，美國(guó)的DARPA就啟動(dòng)了分組無(wú)線網(wǎng)項(xiàng)目PRNET研究在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下利用分組無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在此之后，DARPA于1983年啟動(dòng)了高殘存性自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN（survivable adaptive network）項(xiàng)目，研究如何將PRNET的研究成果加以擴(kuò)展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。1994年，DARPA又啟動(dòng)了全球移動(dòng)信息系統(tǒng)GloMo（globle mobile information system）項(xiàng)目，旨在對(duì)能滿足軍事應(yīng)用需要的、高抗毀性GloMo項(xiàng)目，旨在對(duì)能滿足軍事應(yīng)用需要的、高抗毀性的移動(dòng)信息系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的研究。成立于1991年的IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)采用了“Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來(lái)描述這種特殊的自組織對(duì)等式多跳移動(dòng)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(dòng)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(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)。每個(gè)移動(dòng)終端兼?zhèn)渎酚善骱椭鳈C(jī)兩種功能：作為主機(jī)，終端需要運(yùn)行面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，終端需要運(yùn)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(hù)工作。在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)點(diǎn)間的路由通常由多個(gè)網(wǎng)段（跳）組成，由于終端的無(wú)線傳輸范圍有限，兩個(gè)無(wú)法直接通信的終端節(jié)點(diǎn)往往通過(guò)多個(gè)中間結(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。所以，它又被稱為多跳無(wú)線網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)、無(wú)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：

　　（1）網(wǎng)絡(luò)的自組性。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)可以在任何時(shí)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(gè)自由移動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)。

　?。?）動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從網(wǎng)絡(luò)層來(lái)看，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)用戶可以咀任意的速度和任意方式在網(wǎng)中移動(dòng)，加上無(wú)線發(fā)送裝置發(fā)送功率的變化、無(wú)線信道間的相互干擾因素、地形因素等的影響，節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)都會(huì)發(fā)生變化。

　　（3）有限的無(wú)線傳輸帶寬。無(wú)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(duì)有線方式要小的多，另外還要考慮無(wú)線信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)衰落、碰撞、阻塞、噪聲干擾等因素，這使得實(shí)際有效帶寬要小得多。

　?。?）移動(dòng)終端的有限性。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)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(jì)更加困難。

　?。?）安全性差。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)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(dòng)節(jié)點(diǎn)都兼有路由和主機(jī)功能，不存在類似于基站的網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)地位平等，采用分布式控制方式，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)健壯性。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性不強(qiáng)。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(kuò)展性，而Ad Hoe網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得子網(wǎng)技術(shù)所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性不能得到應(yīng)用。

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

　?。?）生存時(shí)間短。Ad I-lot組網(wǎng)通常是由于某個(gè)特定原因而臨時(shí)創(chuàng)建的，使用結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將會(huì)自動(dòng)消失。其網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間相對(duì)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(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，它是數(shù)字人戰(zhàn)場(chǎng)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(tái)和無(wú)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(duì)于很多應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)傳感器網(wǎng)絡(luò)只能使用無(wú)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(shí)現(xiàn)多跳通信是非常實(shí)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(shí)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(cè)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(qiáng)熱帶風(fēng)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(dòng)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(wú)法正常工作，對(duì)于搶險(xiǎn)救災(zāi)來(lái)說(shuō)，這時(shí)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(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)時(shí)，同樣無(wú)法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨(dú)立組網(wǎng)能力和自組織特點(diǎn)，是這些場(chǎng)合通信的最佳選擇。

　　個(gè)人通信

　　個(gè)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(shí)現(xiàn)PDA、手機(jī)、手提電腦等個(gè)人電子通信設(shè)備之間的通信，還可用于個(gè)人局域網(wǎng)之間的多跳通信。藍(lán)牙技術(shù)中的超網(wǎng)（Scatternet）就是一個(gè)典型的例子。

　　其他

　　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)還可以與蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合，利用移動(dòng)臺(tái)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力擴(kuò)大蜂窩移動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)除了可以單獨(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部的通信外，它還可以作為末端子網(wǎng)通過(guò)接入點(diǎn)接入其他的固定或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)以外的主機(jī)進(jìn)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(wú)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(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是開發(fā)能夠在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的移動(dòng)性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，傳統(tǒng)的基于因特網(wǎng)的路由協(xié)議無(wú)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(jìn)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(shí)請(qǐng)求路由，而且不要求節(jié)點(diǎn)維持當(dāng)前通信中不使用的路由，也就是說(shuō)，只要通信連接的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的路由，源端將廣播一個(gè)路由請(qǐng)求分組，鄰居節(jié)點(diǎn)依次向周圍節(jié)點(diǎn)廣播此分組直到該分組被送到一個(gè)知道目的節(jié)點(diǎn)路由信息的中間節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)本身。一個(gè)節(jié)點(diǎn)將丟棄重復(fù)收到的請(qǐng)求分組，路由請(qǐng)求分組中的序列號(hào)用來(lái)防止路由環(huán)路，并能判斷中間節(jié)點(diǎn)是否響應(yīng)了相應(yīng)的路由請(qǐng)求。當(dāng)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求分組時(shí)，它會(huì)將其上游節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志ID錄入路由表，．從而能夠構(gòu)建一條從目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的反向路由。當(dāng)源端移動(dòng)時(shí)，它會(huì)重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)算法：如果中間節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，那么與其相鄰的節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)現(xiàn)鏈路失效并向其上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送鏈路失效消息并一直傳到源節(jié)點(diǎn)，而后源節(jié)點(diǎn)根據(jù)情況重新發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。AODV的實(shí)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(hù)功能，同時(shí)又使用了DSDV采用的逐跳路由、序列號(hào)和Beacon消息。

　　圖1-1是一個(gè)AODV路由建立的簡(jiǎn)單例子。

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

　　如圖1.1所示，AODV首先廣播路由請(qǐng)求消息（RREQ），該消息中包含幾個(gè)關(guān)鍵字段，它們是源地址、目的地址、生命周期和序號(hào)。節(jié)點(diǎn)l的相鄰節(jié)點(diǎn)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(diǎn)知道通往目的地址的路由，那么直接向參考節(jié)點(diǎn)回送一條路由應(yīng)答消息（RREP）。否則，該相鄰節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該RREQ消息。節(jié)點(diǎn)2的路由表中沒有到達(dá)節(jié)點(diǎn)4的路由信息，所以繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息。節(jié)點(diǎn)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(gè)路由應(yīng)答消息（RREP）給源節(jié)點(diǎn)1，并且更新該路由上所有節(jié)點(diǎn)的路由表。

　　在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，參考節(jié)點(diǎn)如果收到RREP消息，說(shuō)明路由已經(jīng)成功建立；否則，參考節(jié)點(diǎn)就得重新發(fā)送RREQ消息。這里RREQ消息的序號(hào)就像一個(gè)時(shí)間標(biāo)簽，能夠時(shí)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(diǎn)就是所有的節(jié)點(diǎn)對(duì)等，既充當(dāng)AP又充當(dāng)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(dòng)性可以粗略的分為無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定，適合搭建無(wú)線骨干網(wǎng)；移動(dòng)ad-hoc網(wǎng)絡(luò)則表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性較強(qiáng)。

　　由于ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)對(duì)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(huì)癱瘓，而ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的損壞對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響不會(huì)很大。因此它適合的應(yīng)用場(chǎng)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(jī)制，帶寬高，后者采用cofdm機(jī)制，適用于傳輸視頻和實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)。

　　總的來(lái)說(shuō)，ad-hoc的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)場(chǎng)景深入調(diào)研一下應(yīng)該就會(huì)有所了解了。

　　七、結(jié)束語(yǔ)

　　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(wú)縫互連，將傳統(tǒng)的有基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)IP協(xié)議加以改進(jìn)，與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，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(kuò)大。然而，它作為一種新型網(wǎng)絡(luò)，還存在很多問(wèn)題，新的應(yīng)用也對(duì)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(wú)線通信領(lǐng)域中有著更加廣闊的前景。