无线自组织网在边疆通信中的应用

2010-07-27胡记文姜国强

中国新技术新产品 2010年5期

许钞胡记文姜国强

（1、武警8660部队14分队，新疆伊宁 835000 2、武警工程学院通信工程系无线教研室，陕西西安 710086 3、武警工程学院研究生管理大队36队，陕西西安 710086）

引言

Ad Hoc网络可以在没有基础设施支持的情况下提供灵活方便的通信，这种技术拓宽了移动通信的应用领域。特别是在边远地区通信，军事通信，或在地震、水灾、火灾等重大灾难后固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作的地区，或处于偏远或野外地区无法依赖固定或预设的网络设施进行通信时，就需要Ad Hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。Ad Hoc网络不需要预设网络设施，能够自组织成临时性的无线移动通信网络，这些特点吸引了越来越多的研究者。Ad hoc网络是无线通信网络，与其它现有的无线网络、有线网络，在网络体系结构、网络协议、网络应用上都有很大区别。

1 Ad Hoc网络的特点

作为一种能够快速灵活组建的网络，Ad Hoc网络具有以下特点：无中心和自组织性、动态变化的网络拓扑、网络的独立性、有限的无线通信带宽、移动终端的便携性、生存周期短、安全性差等。

2 Ad Hoc网络结构

网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构，即网络的体系结构就是网络及其部件所完成的功能的精确定义。

2.1 结点结构

Ad Hoc网络的结点同时具有移动终端和路由器的功能，因此结点通常包括主机、路由器和电台三部分。从物理结构上分，结点可以分为以下几类单主机电台、单主机多电台、多主机单电台和多主机多电台。

2.2 网络拓扑

由于结点的能力通常相同并可以移动，特别是在战场环境中，中心控制结点易被发现和易遭摧毁，使得Ad Hoc网络不适合采用集中式控制结构，因此，Ad Hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。

平面结构中所有结点的地位平等，所以又可以称为对等式结构。

在分级结构中，网络被划分为簇。分级结构的网络又可以被分为单频率分级和多频率分级两种。

单频率分级网络中所有结点使用同一个频率通信。

多频分级网络不同级采用不同的通信频率。当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构；当网络的规模增大时，应采用分级结构。

2.3 协议栈

根据Ad Hoc网络的特征，参考OSI的经典7层协议栈模型和TCP/IP的体系结构，可以将Ad Hoc网络的协议栈划分为5层，包括应用层、传输层、网络层、链路层、物理层。

2.4 Ad Hoc网络体系结构的跨层设计

为了满足Ad Hoc网络的特殊要求，采用基于应用和网络特征的跨层体系结构。在这种自适应跨层协议栈中，链路层可以调节数据率、发送功率和编码来满足上层应用的要求：MAC层可以基于无线信道情况、时延约束和分组的优先级来实施自适应调节；网络层可以基于当前的链路、网络和业务量状况选用合适的路由协议；应用层可以基于QoS的概念根据底层网络的状况为应用提供尽可能高的服务质量。

3 系统设计

系统组成框图如下图所示：

由于边疆地区地域辽阔，人口密度小，部分地区自然环境差，条件恶劣，是自然灾害的频发地区，少部分地区还存在不稳定因素等，设计此系统可以有效解决此类问题。系统中Ad Hoc网络与蜂窝网互连可以实现蜂窝网通信范围的扩大，同时节省了蜂窝网基础设施建设费用高的问题，结合3G网的建设，在实现语音通信的基础上，可以实现视频信号的实时传输。这能够为指挥者在一些突发情况的处置、抢险救灾等方面做出正确有效决策提供很好的依据。也可以为大众用户提供更好的服务。局部的Ad Hoc网络可以实现局部的通信保障，根据需要我们可以加入自适应功率控制，各节点之间自动的通过接收到的信号来调整发射功率，距离较近时自动的降低发射功率，距离增大时自动的通过接收的信号强度实时的计算所需功率的大小,自动增大发射功率，从而缓解网络的能源供应受限问题。由于边疆地区地域辽阔人口密度小，基础通信设施建设成本比较大，只能实现局部地区的有线或无线通信，不能实现全线贯通，这时我们可以通过Ad Hoc网络与蜂窝网和有线网的连接实现基础设施的连接，起到通信连接的桥梁作用，从而保证边疆通信的全线贯通。基于边疆地区气候、环境等问题网络易遭到破坏，在系统中加入了备用路由，通过相应的协议控制，在现用路由遭到破坏或自身出现故障时能及时启用备用路由，保障通信的畅通，使网络的可靠性得到增强。由于边疆地区的环境及地理位置的关系，部分地区存在不稳定因素，系统加入了身份识别系统，能够有效的识别用户，防止不法分子或别有用心的人进行破坏。在突发的大容量通信需求情况下，系统可以通过相应协议控制调整为多频分级结构，从而满足突发的通信容量问题。

4 网络的应用

由于Ad Hoc网络无中心、自组织、易建立、网络独立性好、终端移动性好等特点，将其应用于边疆地区、偏远地区是一个比较理想的选择。同时边疆的一些地区也是一些自然灾害的频发地区，借助于Ad Hoc网络将使发生自然灾害时的救援效率得到很大提高。此外，由于边疆地区、偏远地区地域范围大人口密度小，现有网络的基础设施建设费用大，使用Ad Hoc网络可以实现现有网络的通信范围的扩充，同时达到降低建设费用的目的。除此之外，Ad Hoc网络还能应用在以下方面：移动会议、家庭联网、紧急服务、传感器网络、个人域网络、军事无线通信和抢险救灾等。