hoc技术在未来无线通信中的应用[详细]

Ad hoc技术在未来无线通信中的应用

2008年1月25日 13:25 中国联通网站评论( 0)

作者:李国强靳浩

摘要讨论了Adhoc技术在未来无线通信中的组网.在未来的移动接入网中,Adhoc可以独立组网也可以与其他网络整合组网.大规模的独立Adhoc网由于其面临安全、成本、传输性能等问题,不具有商业价值;小规模的Ad hoc网可以作为接入网与其他网络整合组网.提出了两种较为可行的整合方案,将小规模的Ad hoc网络通过网关与Internet和蜂窝网络整合,充分利用了Ad hoc网简单灵活等优势.同时也对整合网络的研究现状和所面临的问题进行了总结.

Adhoc技术研究开始于20世纪70年代.美国DARPA出于军事需要开始研究分组无线网(PRNET:PacketRadioNetwork)在战场环境下数据通信中的应用.与传统无线网络不同的是,Ad hoc网络既不需要固定的网络结构,也没有专用的固定的基站或路由器作为网络的管理中心.网络中的每个节点都具有路由器功能,能够发现和维护到其他节点的路由,并向邻居节点发射和转发数据分组.由于其组网简单灵活、成本低以及生存能力强等特点,应用范围不断扩大,由最先的军用扩大到地震、火灾等紧急通信场合.目前,作为B3G系统的重要特点之一,Ad hoc技术正在逐渐成为研究的热点.

文章对Adhoc技术在未来无线通信中应用可能会采取的组网方式进行了研究,分析了各种方式的优缺点.

一、Adhoc独立组网

独立组网意味着同一网络中的各节点彼此通信,而不与任何有基础设施的网络相连.独立的Adhoc网分为两种类型:大型Adhoc独立网络和小型Adhoc独立网络.

1.大规模独立Adhoc网络

大规模的独立Adhoc网络包括成百上千个节点.有研究者曾建议应用大规模的Adhoc 网络形成无线城域网,甚至广域网,替代现有的有线通信网络.目前看来,这种想法不太切合实际的情况,缺乏潜在的商业价值,仅可以作为一种方案用来进行科学研究.因为Adhoc适用于在某些特定的场合用非常少的数据传输非常重要的信息,例如在战场传达命令和在高速公

路上通知其他车辆关于交通堵塞的情况等.大规模的Ad hoc网络不适合传输大量的信息,因为大规模的Ad hoc网络会产生高风险、高成本、低效率等问题.

(1)安全问题

无线信道暴露在外部环境中,很容易被窃听和干扰,受到主动入侵、伪造身份以及拒绝服务等攻击.另外,无中心无组织的网络结构也很容易受到攻击.由于没有任何集中控制的基础设施,要想采用密钥分发中心或信任证书权威机构提供密钥和数字证书帮助结点相互认证是非常困难的.

在安全路由领域,未来研究中最重要的是跟踪和消除行为失效节点.跟踪和消除这些现有路由的一部分失效节点可以预防网络隔离问题.这些问题在无线Adhoc这种没有中心控制职能的网络中非常重要.因为在无线Adhoc网中个体节点作为路由器,在它们的无线覆盖范围内转发信息包.如果一个节点受损或失效,经过这个节点的路由就会受到威胁,这样就需要一种机制来挽救节点失效或崩溃时的路由.无线Adhoc网络中的节点是移动的,如果一个节点是一些失效路由的组成部分,就会导致网络隔离:网络的一部分不能与另一部分通信.在大规模的Ad hoc网中很难找到一种完善的安全机制满足上述条件.

(2)过高的路由成本

随着网络规模的扩大,信令的成本会急剧增加.在IETF的路由协议草案,如AODV、DSR 等被动路由协议中,源节点需要洪泛路由请求来寻找到目的节点的路由,在大规模的Adhoc 网络中,这种洪泛路由请求过程会消耗大量的网络资源.

(3)传输性能的变化

除了安全和路由问题之外,Adhoc网络在时延和吞吐量等传输性能方面的指标也会随着跳数的增加而急剧下降.

2.小规模的Adhoc独立组网

与大规模的Adhoc单独组网相比,小规模的Adhoc单独组网具有较大的商业价值,其应用环境包括家庭、商务会议区以及医院等.例如家庭环境中,Adhoc可为用户建立无线家庭

网络,可以把所有的家电用网络连接起来,比如把电脑、音响、厨房用具、保安系统等连在一起,从而更方便交流,还可实现资源共享.不断涌现的无线局域网技术像802.11、蓝牙等也给Ad hoc的发展提供动力.

在实际应用中,Adhoc网络除了可以单独组网实现局部的通信外,它也可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络,与Adhoc网络以外的主机进行通信.因此,Adhoc网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段,这就是下面要谈的整合的Ad hoc 网络.

二、整合的Adhoc网络

1.Adhoc网络与Internet整合

(1)Adhoc与Internet整合的网络拓扑

图1是使用三种网关把Adhoc网络与Internet相整合的场景.无线Adhoc网关(WA-GW:WirelessAd hoc Gateway)以及移动Ad hoc网关(米A-GW:米obile Ad hoc Gateway)、移动热点网关(米H-GW:米obile Hotspot Gateway)被用来整合小规模的Ad hoc网络与基于IP的宽带接入网.从图中可以看出,Ad hoc移动终端通过网关与AP相连,再通过AP接入Internet.

为什么Adhoc移动终端不能够直接连接AP呢?首先,在Adhoc网络中使用的空中接口与接入网的空中接口不同;其次,一个Adhoc网络中的移动终端有可能在AP的覆盖范围之外;再者,Ad hoc网络中的移动终端没有有效的IP地址来接入全球的Internet.因此,Ad hoc网关对于Ad hoc终端接入Internet是必要的.由于Ad hoc网络中的终端在通信过程中会移动,能够使数据包从终端传送到网关的动态路由协议就很有必要.IETF中的几个协议草案像DSR、AODV等路由协议就会被应用.但是这些协议都是针对纯Ad hoc网络的,所以有必要把这些协议同有基础设施的移动IP路由协议相结合.Ad hoc网关能够将数据包在不同的域之间进行路由.接入网由网关、交换机及接入点组成.网关连接到Internet,根据覆盖范围的不同,有一个或者多个交换机连到网关.每个交换机都连了一定数量的AP,网络是可升级的,能够获得任何规模的无线覆盖.随着覆盖规模的增大,比如要覆盖整个城市,可以通过增加网关的数目来实现.网关可以通过分级的方法来实现宏移动支持.在接入网的第二层,包交换同第