移动自组织通信网络技术概况及未来前景

移动自组织通信网络技术概况及未来前景

石晶林

摘要 本文对移动自组织网络技术的概念、特征和应用进行了介绍，重点分析了目前无线移动自组织网络的关键技术研究热点，与现有通信网的融合及其技术的实现等，同时对自组织网络的前景进行了简单预测。

关键词：自组织网络，路由方法，安全，前景

1 引言

移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network: MANET)出现之初指的是一种小型无线局域网。这种小型局域网的节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点的通信。而且当两个通信节点之间由于功率或其它原因导致无法实现链路直接连接时，网内其它节点可以帮助中继信号，以实现网络内各节点的相互通信。由于无线节点是在随时移动着的，因此这种网络的拓扑结构也是动态变化的。它们之间的通信模式也就无法直接照搬目前有基础设施的通信网的通信模式，至少在寻址模式上是如此。具体说来，无基础设施需求的MANET有着下面一些主要特征：

分布式自组管理与控制；

物理通信链路是带宽受约束的无线链路；

物理拓扑动态变化；

功耗是重要的约束条件（由于无线移动）；

物理安全性有限（无线信道的开放性造成）。

2001年以前，Ad Hoc还只是一个在很少一部分实验室里讨论的概念。但3年后的现在，自组织网络Ad Hoc已成了从事无线通信技术研究开发的人不得不去了解的技术 — 因为MANET已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一，甚至于有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起，从而实现世界通信网络的大统一。为什么就在短短的两三年内 Ad Hoc会流行起来呢，下面两点是主要原因：

技术进步使其具有了可实现性:

0各种各样的终端实现交互连接与通信是一种无法逆转的潮流；

0无线通信技术的发展及其与微电子技术的结合使得无线通信设备性价比大大提高，并使其成了一种日用消费品；

0人们想实现的无处不在、无时不在的通信梦想驱动着对它的研究；

市场需求是其发展的巨大动力:

0民用市场中的移动计算需求、网格、可穿戴计算、灾难救助等需要自组织网络技术；

0军事战争的需要，自组织网络技术一经提出就在军事领域得到重大应用。

作为移动通信的一种基本组网模式，移动 Ad Hoc网络与传统的蜂窝技术的根本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施(例如基站或路由器)支持的条件下进行的。系统支持动态配置和动态流控，所有网络协议也都是分布式的。由于这类网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点，所以它们允许节点发生故障、离开网络或加入网络。也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动，而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接。因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求。也正是由于这些原因，自组织网络的设计实现十分困难。现在用于固网的很多通信机制都无法用于 Ad Hoc网络中。本文就目前自组织网络技术方方面面的研究挑战进行介绍，对自组织网络的未来前景与应用进行了简单分析。

2 移动自组织网络的研究挑战

移动自组织网络的研究主要集中在组网理论、路由算法、接入控制、安全管理等方面。下面我们简单的进行说明。

2.1 自组织网络理论

自组织网络的运行不能依赖于任何预设的固定网络设施。结点可以随意移动，可以在没有或不便利用现有的网络基础设施的情况下提供一种通信支撑环境。自组织网络可以分成两种结构：平面结构和分级结构。平面结构中，所有结点的地位平等，所以又称为对等式结构。而分级结构中，网络被划分为簇。每个簇由一个簇头和多个成员节点组成。簇头结点负责簇间业务的转发。根据不同的硬件配置，分级结构又可以分为单频分级和多频分级两种。单频率分级网络只有一个通信频率，所有结点使用同一个频率通信。为了实现簇头之间的通信，需要有网关结点（同时属于两个或多个簇的结点）的支持。簇头和网关形成了高一级的网络，称为虚拟骨干。而在多频率分级网络中，不同级采用不同的通信频率。低级结点的通信范围较小，而高级结点要覆盖较大的范围。高级的结点同时处于多个级中，有多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。两级网络中，簇头结点有两个频率。频率1用于簇头与簇成员的通信。而频率 2 用于簇头之间的通信。在平面结构中，每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由。由于结点的移动性，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。网络规模越大，路由维护和网络管理的开销就越大，网络的可扩充性较差。分级结构克服了平面结构可扩充性差的缺点，网络规模不受限制。分级结构中，簇头的功能相对较强，而普通节点的功能比较简单，基本上不需要维护路由。这大大减少了网络中路由控制信息的数量。此外，分级结构易于实现节点的移动性管理和保障通信业务的服务质量。因此，当网络规模较大并需要提供一定的服务质量保障时宜采用分级网络结构。

那么对于新的移动 Ad Hoc通信网络，我们需要做些什么呢？

1.从移动通信网络的角度

做好顶层设计，使移动通信网络与固定/机动通信网络能够无缝地互联互通。

加强体系结构的设计，使陆海空成为一体，因而用户可以在更大的范围、容量和移动速度上实现互联互通。

2.从具体的技术角度，需要研究的技术（这些技术也代表了未来一段时期的发展方

向）包括：

网络路由算法和协议：基于分布式无线网络体系结构，在无线带宽受限、多跳路由频率变化及网络拓扑动态变化条件下，OSPF(Open Shortest Path First)和BGP-4

（Border Gateway Protocol）路由协议在带宽效率和环境适应性方面的性能都是

好的。虽然IETF MANET（Internet Engineering Task Force Mobile Ad Hoc

Network）工作组针对Ad Hoc网络的路由问题做了大量研究，如DSDV

（Destination-Sequenced Distance Vector目的序列距离矢量）、TORA（Temporary

Ordered Routing Algorithm临时按序路由算法）、AODV(Ad Hoc On Demand

Distance Vector 按需距离矢量)、DSR（Dynamic Source Routing动态源路由）和

ZRP（Zone Routing Protocol区域路由协议）路由算法和协议，但针对上述战术

应用环境，必须研究新的高效的多跳自适应路由算法。

网络自组织和自愈重构：为适应网络拓扑的动态变化，提高战术互联网的抗毁性，必须基于自适应网络路由算法，研究网络资源的动态配置策略问题。

无线ATM (Asynchronous Transmission Mode 异步传输模式）与移动IP的融合技术：研究基于无线ATM骨干节点的移动IP网络的用户移动性需求与管理问题；

无线分组数据传输的QoS（服务质量）问题；多媒体业务传输问题等。

无线高速传输技术：研究适应于多媒体业务传输的宽带数传电台（JTRS Joint Tactical Radio System联合战术无线电系统）以及其无线组网与抗干扰问题。

此外，还需要对移动自组通信网络系统中的业务需求及其数学模型进行研究。

2.2 自组织网络无线资源管理与空中接口理论

任何一种通信系统都以通信传输的3种指标：有效性、可靠性和安全性来衡量，并进行不断优化。所谓有效性是指占用尽可能少的信道资源传送尽可能多的信源信息；可靠性是指抵抗通信中的各类自然干扰，尤其是多址干扰的能力；安全性是指传输中的安全保密性能。移动通信的任务是在信道、用户和业务3个动态特性的条件下，满足与实现上述3项基本要

求，并逐步达到系统优化。自组织网络和一般移动通信一样具有信道、用户和业务三个动态特性，即：

1.信道的动态性：主要表现为信道受自然和大气环境的影响极大，信道参数随时间

快变化。

2.用户的动态性：具体表现为信道随用户的移动而产生较快的变化，带宽不稳定。

3.业务的动态性：具体表现为用户可随机自由选择不同媒体的通信方式，各类用户

不同媒体业务要求互不干扰，用户需要实现同时多接入。

除这些公共的特性，自组网因其无基础设施的多跳特性，使其具有比一般无线通信更为复杂的信道特性，主要是其信道是多跳共享的多点信道。Ad Hoc网络节点存在隐藏终端、暴露终端和入侵终端等问题。这些问题的存在使得传统的无线资源管理与空中接口不再适用于自组织网络中。人们也正在根据MANET的新特性研究其通信系统的调度算法、信道分配技术和接入控制机制。同时也想法将其与现有通信技术融合，充分采用已有的通信理论和方法为其服务。例如我们可以将MIMO（Multiple Input Multiple Output）信道估计与均衡技术、空时编码理论应用到 Ad Hoc网络中去。为了提高自组网传输效率与带宽，自组网一样可以采用智能天线技术、OFDM（orthogonal frequency division multiplexing正交频分多路复用）、CDMA（Code-Division Multiple Access码分多址）技术。但这种采用是吸收其思想，而无法完全照搬，因为它们在自组网环境下还存在下面一些问题：

自组织网的各个节点都是在运动的，在高速移动环境下(一般指速度大于150 km/h)多卜勒频移产生的时间选择性衰落，目前除了交织码外尚无有效的解

决办法。

CDMA方式中多址码设计不理想，特别是对于互相关性不为“0”所产生的多址干扰，除研制中的多用户检测技术外，目前尚无有效的解决办法。在自组织网络中，

这种多址干扰的问题将更为突出。

在信道的快速、实时监测与估值方面，目前缺乏有效、快速、准确、可靠的方案和相应算法，特别是在无中心管理节点的自组织网络中，需要进行专门的研究。

自组织网需要提供多媒体通信的功能。话音与不同速率(不同扩频比)数据同时（在同一频段）通信带来了一系列问题，包括：由于发射功率不一样，进一步增

强了多址干扰的影响，同时也给功率控制带来了新难题；不同使用环境、不同类

型业务的QoS要求给小区划分与规划带来新问题。

业务动态性大大增加了技术上实现的难度与复杂度。由用户、信道两个动态向用户、信道与业务3个动态发展本身就是一次飞跃。如何实现3个动态间的匹配值

得深思与探讨。

2.3 自组织网络中的路由实现

自组织网络中分组传输的路由算法是当前受到最为广泛研究的问题。我们知道现在的无线通信网都是有固定基础设施的，因此在移动过程中其分组路由的实现相对比较容易。而在自组织网络中，当节点移动时不再存在本地代理或外部代理帮助其实现路由分组。网络中不再存在缺省的路由，网络中的每个节点都要求具有独立查寻路由并转发分组的能力。因此传统路由算法无法直接应用到自组织网络中，需要为其专门设计研究新的路由算法。

我们先来看看传统的路由算法。传统的路由算法有两类，一是距离矢量路由算法，另一类是链路状态算法：

距离矢量路由算法的特点是：

–周期性地与所有物理相邻的节点交换可达性消息；

–当有多条可达路径时选择一个最短的。

链路状态算法的特点是：

–周期性地向网中所有的路由器通知当前所有物理链路的状态；

–每个路由器都得到一张完整的网络拓扑图。

传统路由算法在有基础设施的网络中运行得很好，但是在自组网中却存在如下的问题：

网络拓扑变化太快，传统算法将会给网络造成很大控制负荷；

限制了移动自组织网络的性能：

–周期性的路由刷新加大了移动节点的能量消耗，固定网的睡眠模式无法应用于自组织网络中；

–路由消息的交换大大减少有效系统带宽；

针对固定网路由算法的缺点，人们提出了多种能应用于自组织网络中的路由算法，主要可分表驱动路由算法如DSDV、WRP（Wireless Routing Protocol无线路由协议）等，按需驱动路由算法如AODV（Ad hoc On-Demand Vector）、TORA、DSR、ABR（Associativity Based Routing基于关联性的路由算法）、SSR（Signal Stability Routing信号稳定度的路由算法）等，区域路由算法如ZRP。但是这些算法所能支持的节点数目有限。当网络节点数增多时，网络性能将严重下降。同时这些算法没有考虑到节点的功耗，以及对服务质量的支持。

2.4 自组织网络服务质量与安全

Ad Hoc网络一方面作为自治系统，有自身特殊的路由协议和网络管理机制；另一方面作为互联网在无线和移动范畴的扩展和延伸，它又必须能够提供到互联网的无缝的接入机制。当前互联网已经可以在一定程度上保证综合业务传输的服务质量。近年来随着多媒体应用的普及和Ad Hoc网络在商业应用的进展，人们很自然地会产生在Ad Hoc网络上传送综合业务的需求，并且希望能像固定的有线网络一样为不同业务的服务质量提供保障。因此Ad Hoc网络对QoS保障的支持显得越来越迫切和重要。但是与固定的有线网络不同，在Ad Hoc网络中提供QoS支持将面临许多不同于传统网络的新问题和挑战。与其它通信网络一样，Ad Hoc网络中的服务质量保证也是个系统性问题，不同层都要提供相应的机制。其实现至今仍是一个待解决的问题。

除了服务质量，安全也是自组织网络中的一个大问题。Ad Hoc网络的特点之一就是安全性较差，易受窃听和攻击。因此，需要研究适用于Ad Hoc网络的安全体系结构和安全技术。目前在安全方面主要集中WEP（Wired Equivalent Privacy等效于有线加密）、WEP1密码协议安全性分析与攻击方法的研究、消息认证和完整性技术研究等几个方面。

3 移动自组织网络的应用及未来前景

3.1 自组织网络应用

自组织网络的应用主要包括以下几个方面：

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，收集和辨别事故信息，避免救援人员进入现场。

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，这些设备可以与互联网网相连，也可以不与互联网相连，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，以实现集中统一指挥，协同作战。这是一种典型的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。美国DARPA（Defense

Advanced Research Projects Agency）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（Frequency Hopping Spread Spectrum跳频）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。

图1 自组织网络的应用

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。

将移动 Ad Hoc网络作为中继，以扩大第2代及第3代移动通信系统的覆盖范围和提高在网络或链路发生故障时系统的健壮性是自组织网络技术的又一重要应用，目前已建立了一种称为A－GSM的实验系统。另外，互联网工程任务组(IETF)也已经成立了专门的研究小组——MANET工作组负责移动 Ad Hoc网络在互联网上的应用、相关协议的标准化工作。下图给出了 Ad Hoc的可能应用。

利用ad hoc改进室外覆盖

中继

图2 改进的无线通信网的覆盖范围

3.2 前景预测

1.自组织通信网络技术仍将在军事领域得到最大量的应用

由于自组织网具有很高的抗毁性和灵活性，而被各军事强国应用于战略和战术综合通信。早在1981年美国就为海军特谴部队提出了一种高频自组织网。1991年美军又研究了一种“改进型高频数据网”，充分应用了短波自组织网技术。1994年美国陆军通信电子司令部进行了名为抗毁自适应系统的演示。该演示以宽带技术为基础，改善了战术通信的机动性和生存能力。自组织网技术还为各国正在全力开发的单兵作战系统提供

了技术基础和保障。北约各国为了提高单兵的全天候作战能力都制订了相应的发展计划。例如：美国的地面武士（LW）计划、英国的FIST计划、法国的SC系统、荷兰的D2S2系统等，而未来的单兵通信系统主要的发展方向为宽带化、手持或便携式个人移动终端。自组织网技术正是建立完善的单兵通信系统的核心技术，它对发展单兵作战系统起到了关键的作用。

2.家用无线自组织网将在信息化家庭社会中发挥作用

自组织网在民用领域的应用前途同样不可估量。它的产品可为用户建立无线家庭网络，可以把所有的家电用网络连接起来。例如，把电脑、音响、厨房用具、保安系统等连在一起，从而更方便交流，还可实现资源共享，为全世界开创一个信息家电时代。

HomeRF就是基于自组织网技术的一种技术规范。HomeRF工作组成立于1998年3月，目前成员公司近100家，包括计算机、外设、软件、半导体、通信、消费电子产品等领域的领先厂商，如Compaq、IBM、HP、Intel、Microsoft、Ericsson、Motorola、Philips 等。据市场研究机构IDC公司1999年10月份的报告显示，全球信息家电总出货量将超过个人电脑出货量的一半，总数为5568万台。IDC 估计，1999年全球信息家电产品总出货量将近1400万台，到2002年，信息家电产品全球总出货量将是1999年的四倍以上。美国还研制了iRobot --在外出的地点使用电脑便可对家里的机器人进行远程操作。据一家调查研究所估计，HomeRF将在今年给生产商们带来6亿美元的收益，到2004年会增加到57亿美元。

3.自组织通信网络技术将对我国信息化建设发挥重大作用

进入二十一世纪以来，我国的军事建设正向信息化、现代化迈进。为了满足未来复杂的战场环境中警戒、侦察、登陆作战、小分队敌后作战需求，必须解决单兵之间、单兵与上级指挥中心之间的战场态势信息和其他信息的互连互通问题。以自组织网连接的单兵通信系统不仅能顺利解决以上问题还能对陆、空领域作战防御系统的完善起到关键作用。自组织网不仅可为我国带来巨大的军事利益，而且会对国内的无线通信、家电市场产生巨大影响。在我国，网络家电和家庭网络技术还是一个全新的领域，市场尚未形成。如果我们利用自组织网技术生产信息家电，不但可以大幅度提升家电产品的档次，满足人们对家庭网络智能化的需求，而且可以向国外输出高附加值的产品，这可为国内各家电制造企业带来高额利润。自组织网还可以应用在家庭网络和个人无线移动通信方面。随着无线网络技术在家庭网络的兴起和我国家用网络市场的逐渐形成，自组织网的应用前景十分乐观。它可以普及到每一个家庭，每一个组织团体，而为国内的无线通信业界开拓出广阔的市场，产生不可估量的经济效应。

4.自组织通信网络技术将广泛应用于以智能传感器为主的分布式移动计算中

传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者。由于传感器网络的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划,投资3千4百万美元,支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR (Command, Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance & Reconnaissance)的基础上提出了C4KISR（C4ISR加杀伤-kill）计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力。把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事传感器网络研究项目。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头开始了传感器网络方面的工作,竞相设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作。作为传感器间相互联接纽带的自组织通信网必将随传感器网络的发展而得到极大的推广应用。

4 小结

本文分析了自组织网络技术的研究所需解决的关键问题，并对其应用做了一些简单的介绍。目前对自组织网络的标准化进行研究的国际组织主要是IETF，它在如下三个方面展开研究：

路由算法(单播、组播等)；

QOS路由；

安全性；

除此之外， CMU、UCLA、UMD等大学是较早开展自组织网络技术研究的。它们的研究水平代表了国际上的最先进研究水平。在民用方面,自组网还几乎是处于起步阶段。我们自2001年起开始研究自组织网络技术，目前正在做的工作主要是：

具有QOS保障的MAC 层信道分配与接入机制；

可靠的无线TCP协议开发；

QOS路由算法研究；

与其它通信网的互联互通技术，包括网关设计；

保密与安全通信。

目前我们已在实验室建成一个自组织网络实验床，并实现了自组织网络与移动IPv6/IPv4网络的互通。基于我们的实验床开发了语音传输系统，设计了分布式的域名解析系统。目前正就自组织网络技术在应急指挥通信系统方面的应用展开攻关。

参考文献

z IETF MANET工作组提交的各种draft，特别是AODV草案。

z http://www.cwc.oulu.fi/~hernia/linkit.html

z https://www.360docs.net/doc/6210913949.html,/wctg/manet/adhoclinks.html

z https://www.360docs.net/doc/6210913949.html,/wnlprojects.html#adhoc_software

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z https://www.360docs.net/doc/6210913949.html,/ (运行Ad Hoc的各种open source )

z http://www.lkn.ei.tum.de/adhoc/publications/

z https://www.360docs.net/doc/6210913949.html,/context/2116400/0

z Ad Hoc Paper collections at:

https://www.360docs.net/doc/6210913949.html,/~atm/adhoc/paper-collection/papers.html

作者: 中国科学院计算技术研究所信息网络室 副主任、副研究员