Ad Hoc网络关键技术及应用

Ad Hoc网络关键技术及应用

2007年6月4日09:20 泰尔网

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。