移动Ad Hoc网络研究与发展现状

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，以及它的一些应用，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Ad Hoc网络自组网 MAC协议路由协议蓝牙网络应用
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（DARPA）资助了一项特别的研究一分组无线网络（Packet Radio Network），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（Mobile Ad Hoc Network，简称Ad Hoc网络或MANET）研发的先河。与此同时，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（SURAN）”、“低成本报文无线电（LCR）”、“可生存通信网络（SCN）”、“战术因特网和近期无线电（NTDR）”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论与技术成果。由于自组网可以广泛地应用于战场通信指挥与控制、警察与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，Ad Hoc网络开始成为移动通信领域一个公开的研究热点。目前Ad 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网络的特征与研究热点
由于移动Ad 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：
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，因此与有线网络不同，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Ad Hoc网络的研究在世界范围内方兴未艾，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Ad Hoc网络学术会议日益增多。总结国内外研究现状，Ad Hoc网络成果主要在以下几个方面：
（1）提出新的路由协议。Ad Hoc路由面临的主要挑战是：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DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA和ZRP等。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Ad 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Ad Hoc网络的媒体接入控制（MAC）协议。主要是解决隐藏终端和暴露终端问题，影响比较大的有MACA协议，即RTS/CTS/ACK方案，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。有一些研究则是侧重于将IEEE 802.11的MAC协议移植到Ad Hoc网络中。基于定向天线的MAC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）Ad Hoc网络与蜂窝网的互连互通。文[17]-[19]研究并提出了一种iCAR（internet Cellular and Ad hoc Realy）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。该结构与[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Ad 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、分布式算汉、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少。其中，比较有意思的有，文[20]试图把移动IP扩展到Ad Hoc网络，基本方案是要用特定的RIP协议（Routing Information Protocol）作为路由协议，但这种方案与Ad Hoc网络的其他路由协议不相容。

（5）在实验和应用网络的构建上，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Ad Hoc网络。就蓝牙本身的技术来说，蓝牙可以组成微微网（piconet），微微网通过桥节点（bridge）互连，可以形成多跳的Ad Hoc网络，也称为蓝牙散射网（scatternet）。蓝牙规范尚未对蓝牙微微网之间的通信和基于蓝牙的Ad 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Ad Hoc网络的形成提出了各种不同的协议或方案。
（6）国内学者所发表的Ad Hoc网络的研究成果较少。从2001年起，开始有少量成果发表，研究类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，少量成果涉及MAC协议的研究。可以说国内在该研究领域基本上是刚刚起步。
三、移动Ad Hoc网络的应用
移动Ad Hoc网络潜在的应用很多，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Ad 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Ad HoC收藏器的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。
家庭关网：通过移动联网的方式把办公室的协公环境延伸到家庭，必要时在家庭办公。或者利用我们随身携带的个人无线Ad Hoc设备与装备了Ad Hoc收发器的家庭电器通信，自动完成开锁、开灯、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Ad 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、Ad Hoc收发器等，将传感器所在现场的信息传送到危险现场以外，避免救援人员进入现场，收集和辩别事故信息。
个人域网络：通过Ad 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与因特网相连，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、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以完成集中一指挥，协调作战。这样的通信网络是一种典型的Ad Hoc网络。据报道，在最近的伊拉克战争中，移动Ad Hoc网络得到有效的应用。
其他商业应用：如未来装备Ad Hoc收发设备的机场预约和登机系统可以自动地与乘客携带的个人无线Ad Hoc设备通信，完成目前的换登机牌等手续。如商场内商品RF标签，廉价的RF标签可以通过无线接口由Ad 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NCR公司生产。
以下是一个移动Ad Hoc网络在军事上的研究与应用实例。美国DAPRA近期资助了一项研究——“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与自组织联网单元，通过某种方式布撒之后（如通过飞机、地—地导弹或火箭弹进行远程布撒），这些地雷迅速构成移动Ad Hoc网络。在遭到敌方坦克突破之后，这种地雷通过对拓朴结构的判断，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FHSS扩频方式，中心频率为2.4GHz，带宽为83 MHz。节点之间采用声波沿距（～10米）定位。
四、研究移动Ad Hoc网络活跃的机构
目前，国际上在移动Ad 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Mario Gerla教授所领导的“无线自适应移动性实验室”（The WAM(Wireless Adaptive Mobility）Lab,http://www.cs.ucla.edu/NRL/wireless/）。研究方向包括Ad Hoc网络路由协议、多播协议、多跳网络QoS、MAC协议、功率控制、蓝牙网络等。
康奈尔大学Zygmunt J.Hass教授所领导的“无线网络实验室”（Wireless Networks Laboratory,http://wnl.ece.cornell.edu/）。研究方向包括Ad Hoc网络重构、MAC协议、路由协议、网络安全等。
伊利诺基大学Urbana-Champaign分校Nitin Vaidaya教授（http://www.crhc.uiuc.edu/-nhv/）所领导的Ad Hoc网络研究小组（现在伊利诺大学Urbana-Champaign分校ECE系）。研究方向包括Ad Hoc网络的定向MAC协议、定向路由协议、网络调度等。
马里兰大学Satish K.Tripathi教授所领导的“移动计算与多媒体实验室”（The Mobile Computing and Multimedia Laboratory （MCML），ht