Ad hoc 網路

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Ad hoc網路 自組織 多跳 體系結構

1 引言

　　我們經常提及的行動通訊網路一般都是有中心的，要基於預設的網路設施才能執行。例如，蜂窩行動通訊系統要有基站的支援；無線區域網一般也工作在有AP接入點和有線骨幹網的模式下。但對於有些特殊場合來說，有中心的行動網路並不能勝任。比如，戰場上部隊快速展開和推進，地震或水災後的營救等。這些場合的通訊不能依賴於任何預設的網路設施，而需要一種能夠臨時快速自動組網的行動網路。Ad hoc網路可以滿足這樣的要求。

　　Ad hoc網路的前身是分組無線網（Packet Radio Network）。對分組無線網的研究源於軍事通訊的需要，並已經持續了近20年。早在1972年，美國DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就啟動了分組無線網（PRNET,Packet Radio NETwork）專案，研究分組無線網在戰場環境下資料通訊中的應用。專案完成之後，DAPRA又在1993年啟動了高殘存性自適應網路（SURAN,SURvivable Adaptive Network）專案。研究如何將prnet的成果加以擴充套件，以支援更大規模的網路，還要開發能夠適應戰場快速變化環境下的自適應網路協議。1994年，DARPA又啟動了全球移動資訊系統（GloMo,Globle Mobile Information Systems）專案。在分組無線網已有成果的基礎上對能夠滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動資訊系統進行全面深入的研究，並一直持續至今。1991年成立的IEEE802.11標準委員會採用了“Ad hoc網路”一詞來描述這種特殊的對等式無線行動網路。

　　在Ad hoc網路中，結點具有報文轉發能力，結點間的通訊可能要經過多箇中間結點的轉發，即經過多跳（MultiHop），這是Ad hoc網路與其他行動網路的最根本區別。結點透過分層的網路協議和分散式演算法相互協調，實現了網路的自動組織和執行。因此它也被稱為多跳無線網（MultiHop Wireless Network）、自組織網路（SelfOrganized Network）或無固定設施的網路（Infrastructureless Network）。

　　2 Ad hoc網路的特點和應用

　　2.1 Ad hoc網路的特點

　　Ad hoc網路是一種特殊的無線行動網路。網路中所有結點的地位平等，無需設定任何的中心控制結點。網路中的結點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發能力。與普通的行動網路和固定網路相比，它具有以下特點：

　　1.無中心：Ad hoc網路沒有嚴格的控制中心。所有結點的地位平等，即是一個對等式網路。結點可以隨時加入和離開網路。任何結點的故障不會影響整個網路的執行，具有很強的抗毀性。

　　2.自組織：網路的佈設或展開無需依賴於任何預設的網路設施。結點透過分層協議和分散式演算法協調各自的行為，結點開機後就可以快速、自動地組成一個獨立的網路。

　　3.多跳路由：當結點要與其覆蓋範圍之外的結點進行通訊時，需要中間結點的多跳轉發。與固定網路的多跳不同，Ad hoc網路中的多跳路由是由普通的網路結點完成的，而不是由專用的路由裝置（如路由器）完成的。

　　4.動態拓撲：Ad hoc網路是一個動態的網路。網路結點可以隨處移動，也可以隨時開機和關機，這些都會使網路的拓撲結構隨時發生變化。

　　這些特點使得Ad hoc網路在體系結構、網路組織、協議設計等方面都與普通的蜂窩行動通訊網路和固定通訊網路有著顯著的區別。

　　2.2 Ad hoc網路的應用領域

　　由於Ad hoc網路的特殊性，它的應用領域與普通的通訊網路有著顯著的區別。它適合被用於無法或不便預先鋪設網路設施的場合、需快速自動組網的場合等。針對Ad hoc網路的研究是因國事應用而發起的。因此，軍事應用仍是Ad hoc網路的主要應用領域，但是民用方面，Ad hoc網路也有非常廣泛的應用前景。它的應用場合主要有以下幾類：

　　2 Ad hoc網路

　　1.軍事應用：軍事應用是Ad hoc網路技術的主要應用領域。因其特有的無需架設網路設施、可快速展開、抗毀性強等特點，它是數字人戰場通訊的首選技術。Ad hoc網路技術已經成為美軍戰術網際網路的核心技術。美軍的近期數字電臺和無線網際網路控制器等主要通訊裝備都使用了Ad hoc網路技術。

　　2.感測器網路：感測器網路是Ad hoc網路技術的另一大應用領域。對於很多應用場合來說感測器網路只能使用無線通訊技術。而考慮到體積和節能等因素，感測器的發射功率不可能很大。使用Ad hoc網路實現多跳通訊是非常實用的解決方法。分散在各處的感測器組成Ad hoc網路，可以實現感測器之間和與控制中心之間的通訊。這在爆炸殘留物檢測等領域具有非常廣闊的應用前景。

　　3.緊急和臨時場合：在發生了地震、水災、強熱帶風暴或遭受其他災難打擊後，固定的通訊網路設施（如有線通訊網路、蜂窩行動通訊網路的基站等網路設施、衛星通訊地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毀或無法正常工作，對於搶險救災來說，這時就需要Ad hoc網路這種不依賴任何固定網路設施又能快速佈設的自組織網路技術。類似地，處於邊遠或偏僻野外地區時，同樣無法依賴固定或預設的網路設施進行通訊。Ad hoc網路技術的獨立組網能力和自組織特點，是這些場合通訊的最佳選擇。

　　4.個人通訊：個人區域網（PAN,Personal Area Network）是Ad hoc網路技術的另一應用領域。不僅可用於實現PDA、手機、手提電腦等個人電子通訊裝置之間的通訊，還可用於個人區域網之間的多跳通訊。藍芽技術中的超網（Scatternet）就是一個典型的例子。

　　5.與行動通訊系統的結合：Ad hoc網路還可以與蜂窩行動通訊系統相結合，利用移動臺的多跳轉發能力擴大蜂窩行動通訊系統的覆蓋範圍、均衡相鄰小區的業務、提高小區邊緣的資料速率等。

　　在實際應用中，Ad hoc網路除了可以單獨組網實現區域性的通訊外，它帶可以作為末端子網透過接入點接入其他的固定或行動通訊網路，與Ad hoc網路以外的主機進行通訊。因此，Ad hoc網路也可以作為各種通訊網路的無線接入手段之一。

　　3 Ad hoc網路的體系結構

　　3.1 結點結構

　　Ad hoc網路中的結點不僅要具備普通移動終端的功能，還要具有服文轉發能力，即要具備路由器的功能。因此，就完成的功能而言可以將結點分為主機、路由器和電臺三部分。其中主機部分完成普通移動終端的功能，包括人機介面、資料處理等應用軟體。而路由器部分主要負責維護網路的拓撲結構和路由資訊，完成報文的轉發功能。電臺部分為資訊傳輸提供無線通道支援。從物理結構上分，結構可以被分為以下幾類：單機機單電臺、單主機多電臺、多主機單電臺和多主機多電臺。手持機一般採用的單主機單電臺的簡單結構。作為複雜的車載臺，一個結點可能包括通訊車內的多個主機。多電臺不僅可以用來構建疊加的網路，還可用作閘道器結點來互聯多個Ad hoc網路。

　　3.2 網路結構

　　Ad hoc網路一般有兩種結構：平面結構和分級結構。

　　在平面結構中，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式結構。

　　分級結構中，網路被刈分為簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網路。在高一級網路中，又可以分簇，再次形成更高一級的網路，直至最高階。在分級結構中，簇頭結點負責簇間資料的轉發。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用演算法自動選舉產生。

　　分級結構的網路又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網路中，所有結點使用同一個頻率通訊。為了實現簇頭之間的通訊，要有閘道器結點（同時屬於兩個簇的結點）的支援。而在多頻率分組網路中，不同級採用不同的通訊頻率。低階結點的通訊範圍較小，而高階結點要覆蓋較大的範圍。高階的結點同時處於多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通訊。在兩級網路中，簇頭結點有兩個頻率。頻率1用於簇頭與簇成員的通訊。而頻率2用於簇頭之間的通訊。分級網路的每個結點都可以成為簇頭，所以需要適當的簇頭選舉演算法，演算法要能根據網路拓撲的變化重新分簇。

　　平面結構的網路比較簡單，網路中所有結點是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點是可擴充性差：每一個結點都需要知道到達其他所有結點的路由。維護這些動態變化的路由資訊需要大量的控制訊息。在分級結構的網路中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護複雜的路由資訊。這大大減少了網路中路由控制資訊的數量，因此具有很好的可擴充性。由於簇頭結點可以隨時選舉產生，分級結構也具有很強的抗毀性。分級結構的缺點是，維護分級結構需要結點執行簇頭選舉演算法，簇頭結點可能會成為網路的瓶頸。

　　因此，當網路的規模較小時，可以採用簡單的平面式結構；而當網路的規模增大時，應用分級結構。美軍在其戰術網際網路中使用近期數字電臺（NTDR，Near Term Digital Radio）組網時採用的就是雙頻分級結構。

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