#移动AdHoc网络研究与发展现状

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专题专题:
《数据通信》 2003 年第 4 期
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移动 A d Ho c 网络研究和发展现状
移动 Ad Hoc 网络研究和发展现状
方旭明
( 西南交通大学计算机和通信工程学院)
摘要: 本文简要介绍移动 ad hoc 网络发展的历史、理论和技术上的一些热点问题, 以及它的一些使用, 从而给读者一个概括性的了解, 为进一步学习和研究移动 ad hoc 网络奠定一些基础。

为了便于读者跟踪国外先进的研究成果, 本文最后介绍了一些在这一领域比较活跃的研究机构以及他们的主要工作。

关键词: 移动 A d Hoc 网络自组网 A C 协议路由协议蓝牙网络使用 M 一、移动 Ad
Hoc 网络的历史
一般认为, 没有基础设施的网络出现在 20 世纪 70 年代, 在最初开发报文交换技术( 后来发展成因特网) 不久, 美国国防部高级研究规划署 (DA R PA ) 资助了一项特别的研究—分组无线网络 ( Packet R ad io N etw o rk ) , 即让报文交换技术在不受固定或有线的基础设施限制的环境下运行。

最初的动机之一就是满足战场生存的军事需求。

在战场恶劣的环境下, 通信设备不可能依赖已经敷设的通信基础设施, 一方面这些设施可能根本不存在, 另一方面, 这些设施会随时遭到破坏。

因此, 能快速装备、自组织的移动基础设施是这种网络区别于其他商业蜂窝系统的基本要素。

在结构上, 这种网络是由一系列移动结点组成, 是一种自组织的网络, 它不依赖于任何已有的网络基础设施。

网络中的结点动态且任意分布, 结点之间通过无线方式互连, 它将分组交换网络的概念引伸到广播网络的范畴。

这项工作开辟了移动自组网 (M ob ile A d Hoc N etw o rk , 简称 A d Hoc 网络或M AN ET ) 研发的先河[ 1 ]。

和此同时, 美国政府还资助了其他一些相关研究项目, 其中包括“可生存自适应网络 ( SU RAN ) ”“低成本报文无线电、 (L CR ) ”、“可生存通信网络 ( SCN ) ”、“战术因特网和 [2 ] (N TDR ) ”近期无线电项目等。

不过, 这些研究内容在当时并没有公开, 在 20 世纪 70 年代到 90 年代早期, 我们很难从公开的出版物上获得有价值的理收稿日期: 2003207218
论和技术成果。

由于自组网可以广泛地使用于战场通信指挥和控制、警察和医疗部门的抢险救灾、传感器网络、课堂教育等众多领域, 其战略意义非常重要。

90 年代中期, 随着一些技术的公开, A d Hoc 网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。

目前 A d Hoc 网络尚未达到完全实用阶段, 大部分工作仍处在仿真和实验阶段, 仿真规模在数百至数千结点, 实验规模在几十个结点左右。

二、移动
Ad Hoc 网络的特征和研
究热点
由于移动 A d Hoc 网络是一种移动、多跳、自律式系统, 因此它具有以下一些主要特征[ 2 ]: 动态拓扑: 即网络中的节点可以任意移动, 因此, 网络的拓扑结构也可能会变化。

链路带宽受限、容量时变: 由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地
的业务量随时间而变化, 因此和有线网络不同, 它的链路容量表现出时变特征。

动力受限: 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, 在进行系统设计时节能就成为一个非常重要的指标。

物理上安全有限: 移动网络比固定网络 ( 有线和无线) 更易受到安全威胁。

需要克服无线链路的安全弱点及移动拓扑所带来的新的安全隐患。

90 年代以来, 移动 A d Hoc 网络的研究在世界
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专题
范围内方兴未艾, 已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领域。

目前, 无论在国际上, 还是在区域上 ( 欧洲和亚洲等地区) , 周期性的 A d Hoc 网络学术会议日益增多。

总结国内外研究现状, A d Hoc 网络成果主要在以下几个方面: ( 1) 提出新的路由协议。

d Hoc 路由面临的主 A 要挑战是: 传统的保存在结点中的分布式路由数据库如何适应网络拓扑的动态变化。

新协议一般以广播或组播方式建立网络路由, 核心是减少广播风暴。

目前, 一般普遍得到认可的代表性成果有 D SDV [ 3 ]、
W RP
[6 ] [7 ] [8 ] [9 ] 、 AODV 、 SR 、 RA 和 ZR P 等。

D TO 源头性的创新性研究主要集中在 2001 年以前, 后续的成果多为这些协议的改进, 目前, 路由协议的研究仍然是 A d Hoc 网络成果最集中的部分。

不过, 从实现的难度来看, 这些协议离适用性还有一定的距离。

(2 ) 提出基于 A d Hoc 网络的媒体接入控制 (M A C ) 协议。

主要是解决隐藏终端和暴露终端问 [ 4, 5 ]
为路由协议, 但这种方案和 A d Hoc 网络的其他路由协议不相容。

(5) 在实验和使用网络的构建上, 最近比较值得注意的是, 一些学者正在研究用蓝牙节点组建 A d [ 23, 24 ] 。

就蓝牙本身的技术来说, 蓝牙可以组 Hoc 网络 (p iconet ) , 微微网通过桥节点( b ridge ) 互成微微网连, 可以形成多跳的 A d Hoc 网络, 也称为蓝牙散射网 ( sca t ternet ) 。

蓝牙规范尚未对蓝牙微微网之间的通信和基于蓝牙的 A d Hoc 网络的形成等内容做出具体描述, 这是一个开放的问题, 目前已有一些文献针对基于蓝牙的 A d Hoc 网络的形成提出了各种不同的协议或方案[ 25～ 35 ]。

( 6 ) 国内学者所发表的 A d Hoc 网络的研究成果较少。

2001 年起, 开始有少量成果发表, 研究类从的论文大约有数十篇, 主要成果基本上集中在路由协议的一些改进[ 36～ 42 ] , 少量成果涉及 M A C 协议的研究[ 43, 44 ]。

可以说国内在该研究领域基本上是刚刚起步。

三、移动 Ad 题, 影响比较大的有M A CA 协议[ 10 ] , 即 R T S CT S A CK 方案, 控制信道和数据信道分裂的双信道方案[ 11 ] 和基于定向天线的 M A C 协议[ 12, 13 ] , 以及一些改进类的M A C 协议[ 14～ 16 ]。

有一些研究则是侧重于将 IEEE 802. 11 的 M A C 协议移植到 A d Hoc 网络中。

基于定向天线的 M A C 协议在理论上性能较为优越, 但在技术上实现的难度较大。

( 3) A d Hoc 网络和蜂窝网的互连互通。

文 [ 17 ～ 19 ] 研究并提出了一种 iCA R ( in ternet Cellu la r and A d hoc R ea ly ) 系统, 提供蜂窝小区内信号的补盲。

该方案给出了在加入补盲点之后系统性能改善的性能评价。

从结果看, 该系统只是针对目前的 2G 系统, 尚无法联系到基于 IP 方式的分组网络。

最近, 文 [ 22 ] 提出了一种在蜂窝网上覆盖一个无线多跳网络的方案, 其中用一些无线路由器来代替蜂窝网络中的一些结点。

该结构和 [ 17 19 ] 所提一致, 但通过～优化路由、信道规划和功率控制等使系统在发射功率受限的情况下达到系统吞吐量最大化, 其他方面没有太多的贡献。

( 4 ) 基于 A d Hoc 网络的多播组播协议、 TCP 协议、地址分配、功率 ( 节能) 控制、安全性问题、分布式算法、 oS 等方面有一些研究成果, 但各部分的 Q 数量相对较少。

其中, 比较有意思的有, 文 [ 20 ] 试图把移动 IP 扩展到 A d Hoc 网络, 基本方
案是采用特定的 R IP 协议 (Rou t ing Info rm a t ion P ro toco l) [ 21 ] 作
Hoc 网络的使用
移动 A d Hoc 网络潜在的使用很多, 可分为以下几类: 移动会议: 在室外临时环境中, 工作团体的所有成员可以通过 A d Hoc 方式组成一个临时网络来协同完成一项大的任务, 或协同完成某个计算任务。

在室内办公环境中, 办公人员携带的包含 A d Hoc 收发器的PDA 可以通过无线方式自动从台式机上下载电子邮件, 更新工作日程表等。

家庭联网: 通过移动联网的方式把办公室的办公环境延伸到家庭, 必要时在家庭办公。

或者利用我们随身携带的个人无线 A d Hoc 设备和装备了 A d 开灯、 Hoc 收发器的家庭电器通信, 自动完成开锁、打开娱乐设备、调节空调等操作。

紧急服务: 由于停电或其他灾害出现, 网络基础设施遭到破坏时, 组建一个 A d Hoc 网络帮助紧急救援人员完成必要的通信工作。

传感器网络: 最近, 人们开始关注大量分布的传感器协调工作问题。

传感器可以工作在危险的环境 ( 如化学有害物质泄漏现场) , 通过在传感器上装备位置指示器、 d Hoc 收发器等, 将传感器所在现场 A 的信息传送到危险现场以外, 避免救援人员进入现场, 收集和辨别事故信息。

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个人域网络: 通过 A d Hoc 网络把个人通信、娱乐、办公等设备联网, 这些设备可以或不需要和因特网相连, 但在执行用户的某项活动时肯定需要彼此通信, 在这种情况下, 移动性不是主要问题。

军事无线通信: 在现代化战场上, 各种军事车辆之间、士兵之间、士兵和军事车辆之间都需要保持密切的联系, 以完成集中统一指挥, 协调作战。

这样的通信网络是一种典型的 A d Hoc 网络。

据报道, 在最近的伊拉克战争中, 移动 A d Hoc 网络得到有效的使用。

其他商业使用: 如未来装备 A d Hoc 收发设备的机场预约和登机系统可以自动地和乘客携带的个人无线 A d Hoc 设备通信, 完成目前的换登机牌等手续。

如商场内商品 R F 标签, 廉价的 R F 标签可以通过无线接口由 A d Hoc 设备动态刷新。

顾客若携带手持无线设备可以很容易地找到某种商品和价格。

这种设备已由 N CR 公司生产。

以下是一个移动 A d Hoc 网络在军事上的研究和使用实例。

美国 DA PRA 近期资助了一项研究 [ 45 ——“自愈式雷场系统” ]。

该项目时间跨度为 2000 年至 2003 年。

系统计划采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破。

这些地雷均配备有无线通信和自组织联网单元, 通过某种方式布撒之后 ( 如通过飞机、 - 地导弹或火箭弹进行远程地布撒) , 这些地雷迅速构成移动 A d Hoc 网络。

在遭到敌方坦克突破之后, 这种地雷通过对拓扑结构的判断, 以及自动弹跳功能迅速“自愈”即通过网络重 , 构恢复连通。

如此反复, 直到系统无法重构为止, 最后自行引爆。

“自愈式雷场系统”可以大大限制敌军的机动能力, 延缓敌军进攻或撤退的速度, 在一段时间内封锁特定区域。

该系统采用FH SS 扩频方式, 中心频率为 2. 4 GH z, 带宽为 83 M H z。

节点之间采用声波测距 ( 10 米) 定位。

～四、研究移动
协议、多播协议、多跳网络 Q oS、 A C 协议、功率控 M 制、蓝牙网络等。

康奈尔大学 Zygm un t J. H aa s 教授所领导的 ( “无线网络实验室”W ireless N etw o rk s L abo rato ry, h ttp: w n l. ece. co rnell. edu )。

研究方向包括 A d Hoc 网络重构、 A C 协议、路由协议、网络安全等。

M 伊利诺大学 U rbana 2 Cham p a ign 分校 N it in V a idya 教授 ( h t tp: www. crhc. u iuc. edu ～ nhv ) 所领导的 A d Hoc 网络研究小组 ( 现在伊利诺大学 U rbana 2Cham p a ign 分校 ECE 系) 。

研究方向包括定向路由协议、网 A d Hoc 网络的定向 M A C 协议、络调度等。

马里兰大学 Sa t ish K. T rip a th i 教授所领导的“移动计算和多媒体实验室”( T he M ob
ile Com p u t ing and M u lt im ed ia L abo ra to ry (M CM L ) , h t tp: www. cs. um d. edu p ro ject s m cm l ) 。

研究
Com pu ter Comm un ication s R esearch Group , h ttp: www. cse. ucsc. edu resea rch ccrg hom e. h tm l ) 。

研究方
多播协议、地址重构、安全 A d Hoc 网络路由协议、
Ad Hoc 网络活跃的
机构
目前, 国际上在移动 A d Hoc 网络方面研究较为活跃的几个研究机构有: 加州大学洛杉矶分校M a rio Gerla 教授所领导 ( 的“无线自适应移动性实验室”T he W AM (W ireless A dap tive M ob ility ) L ab, h t tp: www. cs. ucla. edu N RL w ireless ) 。

研究方向包括 A d Hoc 网络路由
性、 oS、可伸缩性和适应性等。

Q 加州大学圣克鲁兹分校 J. J. Ga rcia 2 una 2 L ( “计算机通信研究小组”T he A ceves 教授所领导的向主要包括无线网络的信道接入等。

其他比较活跃的机构还包括美国陆军、海军和一些企业的研究机构。

五、结语医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合, 所有行业几乎无所不在其中, 尤其在未来战场上, A d Hoc 网络对于高技术武器装备、集中指挥、协同作战和提高作战机动性等具有非常重要的意义。

和扩频通信技术一样, 源于军事领域研究的移动 A d Hoc 网络, 必将给民用产品的开发也带来了巨大的经济和社会效益。

我们希望我国的学者广泛地开展A d Hoc 网络
方向包括 A d Hoc 网络路由协议、 oS 等。

Q 加州大学圣巴巴拉分校 E lizabeth M .
B eld ing 2 “移动性管理和联网实验室” Royer 教授所领导的 ( T he M ob ility M anagem en t and N etw o rk ing (M OM EN T ) 研究方向包括 L ab, h t tp: m om en t. cs. ucsb. edu ) 。

A d Hoc 网络可以通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输, 使用范围可以覆盖工业、商业、
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w ireless netw o rk s, In ternational Conference on
专题
Parallel
的研究, 通过此项研究, 获得具有我国自主知识产权的相关技术, 以适应我国未来高技术民用和军事发展的需要。

这项研究不仅具有重要的社会和经济意义, 也具有十分重要的战略意义。

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Scatternets. P roceed ing s of the In ternational Sym po sium on
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专题
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影响。

首先是网络拓扑控制。

如果一个网络的拓扑连通度太高, 就会导致端到端延迟加剧, 吞吐量下降。

因为一对结点的发送和接受会影响太多的其他结点。

如果使用定向天线, 利用它的空间选择性, 就可以大大降低拓扑的复杂性。

其次是功率控制。

在
A d Hoc 网中, 由于使用电池供电, 所以功率控制很
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选择合适的功率控制机制不但可以节省能量, 而且可以提高网络的容量。

如果在定向M A C 协议中引入功率控制机制, 能改善网络的性能。

最后, 定向 M A C 协议对路由协议有很大的影响。

对于在不同定向 M A C 协议中的路由协议的表现和改进也是很有意义的探索。

本文只是定性的对定向M A C 协议做了比较分析。

我们目前正在相同场景及条件下, 对这些协议进行详细的仿真研究, 以便定量比较他们的性能并提出性能更加优越的M A C 协议。

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