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移動Ad Hoc網絡研究與發展現狀

2019-11-03 09:13:38
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來源:轉載
供稿:網友
方旭明


  摘要:本文簡要介紹移動Ad Hoc網絡發展的歷史、理論和技術上的一些熱點問題,以及它的一些應用,從而給讀者一個概括性的了解,為進一步學習和研究移動Ad Hoc網絡奠定一些基礎。為了便于讀者跟蹤國外先進的研究成果,本文最后介紹了一些在這一領域比較活躍的研究機構以及他們的主要工作。

  關鍵詞:移動Ad Hoc網絡 自組網 MAC協議 路由協議 藍牙網絡 應用

一、移動Ad Hoc網絡的歷史

  一般認為,沒有基礎設施的網絡出現在20世紀70年代,在最初開發報文交換技術(后來發展成因特網)不久,美國國防部高級研究規劃署(DARPA)資助了一項特別的研究一分組無線網絡(Packet Radio Network),即讓報文交換技術在不受固定或有線的基礎設施限制的環境下運行。最初的動機之一就是滿足戰場生存的軍事需求。在戰場惡劣的環境下,通信設備不可能依賴已經敷設的通信基礎設施,一方面這些設施可能根本不存在,另一方面,這些設施會隨時遭到破壞。因此,能快速裝備、自組織的移動基礎設施是這種網絡區別于其他商業蜂窩系統的基本要素。在結構上,這種網絡是由一系列移動結點組成,是一種自組織的網絡,它不依賴于任何已有的網絡基礎設施。網絡中的結點動態且任意分布,結點之間通過無線方式互連,它將分組交換網絡的概念引伸到廣播網絡的范疇。這項工作開辟了移動自組網(Mobile Ad Hoc Network,簡稱Ad Hoc網絡或MANET)研發的先河。與此同時,美國政府還資助了其他一些相關研究項目,其中包括“可生存自適應網絡(SURAN)”、“低成本報文無線電(LCR)”、“可生存通信網絡(SCN)”、“戰術因特網和近期無線電(NTDR)”項目等。不過,這些研究內容在當時并沒有公開,在20世紀70年代到90年代早期,我們很難從公開的出版物上獲得有價值的理論與技術成果。由于自組網可以廣泛地應用于戰場通信指揮與控制、警察與醫療部門的搶險救災、傳感器網絡、課堂教育等眾多領域,其戰略意義非常重要。90年代中期,隨著一些技術的公開,Ad Hoc網絡開始成為移動通信領域一個公開的研究熱點。目前Ad Hoc網絡尚未達到完全實用階段,大部分工作仍處在仿真和實驗階段,仿真規模在數百至數千結點,實驗規模在幾十個結點左右。

二、移動Ad Hoc網絡的特征與研究熱點

由于移動Ad Hoc網絡是一種移動、多跳、自律式系統,因此它具有以下一些主要特征:

動態拓撲:即網絡中的節點可以任意移動,因此,網絡的拓撲結構也可能會變化。

鏈路帶寬受限、容量時變:由于拓撲動態變化導致每個節點轉發的非自身作為目的地的業務量隨時間而變化,因此與有線網絡不同,它的鏈路容量表現出時變特征。

動力受限:由于網絡節點的移動特征,其中大多數節點以電池作為動力,因而,在進行系統設計時節能就成為一個非常重要的指標。

物理上安全有限:移動網絡比固定網絡(有線和無線)更易受到安全威脅。需要克服無線鏈路的安全弱點及移動拓撲所帶來的新的安全隱患。

  90年代以來,移動Ad Hoc網絡的研究在世界范圍內方興未艾,已經從無線通信領域中的一個小分支逐漸擴大到相對較獨立的領域。目前,無論在國際上,還是在區域上(歐洲和亞洲等地區),周期性的Ad Hoc網絡學術會議日益增多??偨Y國內外研究現狀,Ad Hoc網絡成果主要在以下幾個方面:

(1)提出新的路由協議。Ad Hoc路由面臨的主要挑戰是:傳統的保存在結點中的分布式路由數據庫如何適應網絡拓撲的動態變化。新協議一般以廣播或組播方式建立網絡路由,核心是減少廣播風暴。目前,一般普遍得到認可的代表性成果有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA和ZRP等。源頭性的創新性研究主要集中在2001年以前,后續的成果多為這些協議的改進,目前,路由協議的研究仍然是Ad Hoc網絡成果最集中的部分。不過,從實現的難度來看,這些協議離適用性還有一定的距離。

(2)提出基于Ad Hoc網絡的媒體接入控制(MAC)協議。主要是解決隱藏終端和暴露終端問題,影響比較大的有MACA協議,即RTS/CTS/ACK方案,控制信道和數據信道分裂的雙信道方案和基于定向天線的MAC協議,以及一些改進類的MAC協議。有一些研究則是側重于將IEEE 802.11的MAC協議移植到Ad Hoc網絡中。基于定向天線的MAC協議在理論上性能較為優越,但在技術上實現的難度較大。

(3)Ad Hoc網絡與蜂窩網的互連互通。文[17]-[19]研究并提出了一種iCAR(internet Cellular and Ad hoc Realy)系統,提供蜂窩小區內信號的補盲。該方案給出了在加入補盲點之后系統性能改善的性能評價。從結果看,該系統只是針對目前的2G系統,尚無法聯系到基于ip方式的分組網絡。最近,文[22]提出了一種在蜂窩網上覆蓋一個無線多跳網絡的方案,其中用一些無線路由器來代替蜂窩網絡中的一些結點。該結構與[17-19]所提一致,但通過優化路由、信道規劃和功率控制等使系統在發射功率受限的情況下達到系統吞吐量最大化,其他方面沒有太多的貢獻。

(4)基于Ad Hoc網絡的多播/組播協議、TCP協議、地址分配、功率(節能)控制、安全性問題、分布式算漢、QoS等方面有一些研究成果,但各部分的數量相對較少。其中,比較有意思的有,文[20]試圖把移動IP擴展到Ad Hoc網絡,基本方案是要用特定的RIP協議(Routing Information PRotocol)作為路由協議,但這種方案與Ad Hoc網絡的其他路由協議不相容。

(5)在實驗和應用網絡的構建上,最近比較值得注意的是,一些學者正在研究用藍牙節點組建Ad Hoc網絡。就藍牙本身的技術來說,藍牙可以組成微微網(piconet),微微網通過橋節點(bridge)互連,可以形成多跳的Ad Hoc網絡,也稱為藍牙散射網(scatternet)。藍牙規范尚未對藍牙微微網之間的通信和基于藍牙的Ad Hoc網絡的形成等內容做出具體描述,這是一個開放的問題,目前已有一些文獻針對基于藍牙的Ad Hoc網絡的形成提出了各種不同的協議或方案。

(6)國內學者所發表的Ad Hoc網絡的研究成果較少。從2001年起,開始有少量 成果發表,研究類的論文大約有數十篇,主要成果基本上集中在路由協議的一些改進,少量成果涉及MAC協議的研究。可以說國內在該研究領域基本上是剛剛起步。

三、移動Ad Hoc網絡的應用

  移動Ad Hoc網絡潛在的應用很多,可分為以下幾類:

  移動會議:在室外臨時環境中,工作團體的所有成員可以通過Ad Hoc方式組成一個臨時網絡來協同完成一項大的任務,或協同完成某個計算任務。在室內辦公環境中,辦公人員攜帶的包含Ad HoC收藏器的PDA可以通過無線方式自動從臺式機上下載電子郵件,更新工作日程表等。

  家庭關網:通過移動聯網的方式把辦公室的協公環境延伸到家庭,必要時在家庭辦公?;蛘呃梦覀冸S身攜帶的個人無線Ad Hoc設備與裝備了Ad Hoc收發器的家庭電器通信,自動完成開鎖、開燈、打開娛樂設備、調節空調等操作。

  緊急服務:由于停電或其他災害出現,網絡基礎設施遭到破壞時,組建一個Ad Hoc網絡幫助緊急救援人員完成必要的通信工作。

  傳感器網絡:最近,人們開始關注大量分布的傳感器協調工作問題。傳感器可以工作在危險的環境(如化學有害物質泄漏現場),通過在傳感器上裝備位置指示器、Ad Hoc收發器等,將傳感器所在現場的信息傳送到危險現場以外,避免救援人員進入現場,收集和辯別事故信息。

  個人域網絡:通過Ad Hoc網絡把個人通信、娛樂、辦公等設備聯網,這些設備可以或不需要與因特網相連,但在執行用戶的某項活動時肯定需要彼此通信,在這種情況下,移動性不是主要問題。

  軍事無線通信:在現代化戰場上,各種軍事車輛之間、士兵之間、士兵與軍事車輛之間都需要保持密切的聯系,以完成集中一指揮,協調作戰。這樣的通信網絡是一種典型的Ad Hoc網絡。據報道,在最近的伊拉克戰爭中,移動Ad Hoc網絡得到有效的應用。

  其他商業應用:如未來裝備Ad Hoc收發設備的機場預約和登機系統可以自動地與乘客攜帶的個人無線Ad Hoc設備通信,完成目前的換登機牌等手續。如商場內商品RF標簽,廉價的RF標簽可以通過無線接口由Ad Hoc設備動態刷新。顧客若攜帶手持無線設備可以很容易地找到某種商品和價格。這種設備已由NCR公司生產。

  以下是一個移動Ad Hoc網絡在軍事上的研究與應用實例。美國DAPRA近期資助了一項研究——“自愈式雷場系統”。該項目時間跨度為2000年至2003年。系統計劃采用智能化的移動反坦克地雷陣來挫敗敵人對地雷防線的突破。這些地雷均配備有無線通信與自組織聯網單元,通過某種方式布撒之后(如通過飛機、地—地導彈或火箭彈進行遠程布撒),這些地雷迅速構成移動Ad Hoc網絡。在遭到敵方坦克突破之后,這種地雷通過對拓樸結構的判斷,以及自動彈跳功能迅速“自愈”,即通過網絡重構恢復連通。如此反復,直到系統無法重構為止,最后自行引爆。“自愈式雷場系統”可以大大限制敵軍的機動能力,延緩敵軍進攻或撤退的速度,在一段時間內封鎖特定區域。該系統采用FHSS擴頻方式,中心頻率為2.4GHz,帶寬為83 MHz。節點之間采用聲波沿距(~10米)定位。

四、研究移動Ad Hoc網絡活躍的機構

  目前,國際上在移動Ad Hoc網絡方面研究較為活躍的幾個研究機構有:

  加州大學洛杉磯分校Mario Gerla教授所領導的“無線自適應移動性實驗室”(The WAM(Wireless Adaptive Mobility)Lab,http://www.cs.ucla.edu/NRL/wireless/)。研究方向包括Ad Hoc網絡路由協議、多播協議、多跳網絡QoS、MAC協議、功率控制、藍牙網絡等。

  康奈爾大學Zygmunt J.Hass教授所領導的“無線網絡實驗室”(Wireless Networks Laboratory,http://wnl.ece.cornell.edu/)。研究方向包括Ad Hoc網絡重構、MAC協議、路由協議、網絡安全等。

  伊利諾基大學Urbana-Champaign分校Nitin Vaidaya教授(http://www.crhc.uiuc.edu/-nhv/)所領導的Ad Hoc網絡研究小組(現在伊利諾大學Urbana-Champaign分校ECE系)。研究方向包括Ad Hoc網絡的定向MAC協議、定向路由協議、網絡調度等。

  馬里蘭大學Satish K.Tripathi教授所領導的“移動計算與多媒體實驗室”(The Mobile Computing and Multimedia Laboratory (MCML),http://www.cs.umd.edu/projects/mcml/)。研究方向包括jiaystar網絡路由協議、QoS等。

  加州大學圣巴巴拉分校Elizabeth M.Belding-Royer教授所領導的“移動性管理和聯網實驗室”(The Mobility Management and Networking (MOMENT)Lab,http://moment.cs.ucsb.edu/)。研究方向包括jiaystar網絡路由協議、多播協議、地址重構、安全性、QoS、可伸縮性和適應性等。

  加州大學圣克魯茲分校J.J.Garcia-Luna-Aceves教授所領導的“計算機通信研究小組”(The Computer Communications Research Group,http://www.cse.ucsc.edu/research/ccrg/home.html)。研究方向主要包括無線網絡的信道接入等。

  其他比較活躍的機構還包括美國陸軍、海軍和一些企業的研究機構。

五、結語

  Ad Hoc網絡可以通過臨時組網的方式在惡劣環境中支持移動節點之間的數據、語音、圖像和圖形等業務的無線傳輸,應用范圍可以覆蓋工業、商業、醫療、家庭、辦公環境、軍事等各種場合,氖 行業幾乎無所不在其中,尤其在未來戰場上,Ad Hoc網絡對于高技術武器裝備、集中指揮、協同作戰和提高作戰機動性等具有非常重要的意義。與擴頻通信技術一樣,源于軍事領域研究的移動Ad Hoc網絡,必將給民用產品的開發也帶來了巨大的經濟和社會效益。我們希望我國的學者廣泛地開展Ad Hoc網絡的研究,通過此項研究,獲得具有我國自主知識產權的相關技術,以適應我國未來高技術民用和軍事發展的需要。這項研究不僅具有重要的社會和經濟意義,也具有十分重要的戰略意義。


摘自《數據通信》
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