移动Ad Hoc网络原理及技术研究

张书侨

（北京东方波泰无线电频谱技术研究所，北京，100037）

移动Ad Hoc网络原理及技术研究

张书侨

（北京东方波泰无线电频谱技术研究所，北京，100037）

移动Ad Hoc网络移动通信领域具有十分广泛的应用，本文主要分析其通信原理及应用前景。

移动Ad Hoc网络；多址接入技术；路由技术

1 引言

近年来，随着社会信息化进程的加快和互联网的飞速发展，对无线环境下提供数据服务的需求变得更加迫切。在传统的移动无线Internet接入方式中，通常是以宽带有线接入网为支撑，无线用户只通过一跳（不需要在无线网中多次转接）就可以进入固定网络。在很多应用场合，如个人区域网、军事应用、抢险救灾等，无线网络没有固定的基础设施作支撑，移动用户的信息需要通过多次中转才能到达目的用户，这种网络通常称为分布式或无中心式（Ad Hoc）网络。

移动Ad Hoc网络是一种利用无线多址信道进行分组交换的计算机通信网络，可以实现固定或移动用户的计算机通信和本地信息的收集和分配。由于它具有组网灵活、抗毁性强、支持用户的移动性和动中操作、易于快速部署等特点，从一开始就在商业、军事、经济领域获得了广泛的应用。

2 移动Ad Hoc技术原理

2.1 移动Ad Hoc主要特点

移动Ad Hoc网络有以下几个显著的特征：

⊙ 节点的移动性。网络中的每个节点并非静止不动，每一个节点都可以独立地做随机的运动。

⊙ 动态的网络拓扑结构。由于网络中的每一个节点都可以自由地、相对对立地运动，使得Ad Hoc网络没有固定的拓扑。更糟糕的是，网络拓扑的改变是随机的、频繁的，而且是不可预测的。

⊙ 传输带宽受限且链路的容量是时变的。通常情况下，无线链路的容量比相应的有线链路的容量低很多。如果再考虑多址接入、信道衰落、噪声和干扰等不利因素的影响，实际可获得的链路容量比理想的无线传输速率还要低很多。

⊙ 节点能量受限。一般来说，Ad Hoc网络的节点都是一些便携式的移动终端，它们都要靠随身携带的电池或者其他消耗性的手段提供能源。为了能够延长节点的运行时间，一个最重要的系统设计准则就是要尽量的节约能量，采用较小的发射功率。分布式随机接入协议，

图1 移动Ad Hoc网络示意图

图2 隐藏终端问题和暴露终端问题

以上这些特点决定了Ad Hoc网络独特的运行机制，其网络示意图如图1所示。由于每一个节点的无线覆盖范围相对整个网络的覆盖区域来说较小，那么网络中从一个节点到另一个节点可能要经过多个其他节点的转发，也就是说是多跳的。网络中不存在固定的路由器，每一个节点在完成自身的功能之外，还必须充当一个路由器，转发其他节点的分组。网络的运行是完全分布式的，与网络的组织和控制有关的任务被分配到各个节点。Ad Hoc网络中无需中心控制实体，所有的协议只能分布式的运行。

2.2 移动Ad Hoc多址接入技术

多址接入技术是一种用来解决多个用户共享一个通信信道的技术。多址接入技术是否设计得当或者选择合理直接影响到无线资源的利用率和通信质量。根据对无线信道共享的方式不同，多址接入技术可以分为三大类：固定多址接入（如FDMA，TDMA等）；随机多址接入（如ALOHA，CSMA），预约型的多址接入（如PRMA，DSA等）。目前，在Ad Hoc网络中的多址接入协议通常都是基于载波侦听的随机多址协议CSMA。CSMA是一种简单的分布式随机接入协议，节点基于信道忙闲状态的监测结果来决定是否发送分组。由于在Ad Hoc网络中，每一个节点的无线覆盖范围是有限的，因此简单的采用CSMA多址接入方式不可避免地带来了隐藏终端和暴露终端问题，如图2所示。隐藏终端问题是在目的节点的载波监听范围内而未在源节点监听范围内，在目的节点处发生冲突；暴露终端问题是在源节点的载波监听范围内而未在目的节点监听范围内，在源节点处发生冲突。

移动Ad Hoc网络在MAC层和PHY层采用的典型协议是IEEE 802.11系列协议。IEEE 802.11的MAC协议具有两种信道接入方式：分布式协调方式DCF和点协调方式PCF。其中DCF为竞争型的信道访问机制；PCF为无竞争的信道访问机制，有中心控制点（通常成为AP）进行集中控制。

DCF中采用载波检测与碰撞避免（CSMA/CA）协议，其中有两种基本的信道接入方式：简单的CSMA方式和增强型的接入方式（即RTS/CTS方式）。基本的CSMA /CA协议采用两次握手机制，接收方正确接收业务分组后，立即发送ACK。而发送方收到该ACK后，就知道业务分组己被成功接收。在增强型接入方式中，RTS/CTS方式采用四次握手机制，即在发送有效数据之前，先通过采用RTS/CTS预约信道。这样不仅能够解决发送长业务分组时发生分组碰撞导致信道利用率急剧下降的问题，而且可以有效减少“隐藏终端”问题。在增强型接入方式中如果在发送完RTS的规定时间内没有收到CTS，则发送节点认为RTS发送出错。在这两种情况下，发送节点都会按照“二进制指数退避算法”进行退避与重传操作。DCF的工作时隙及原理图如图3所示。

图3 DCF工作时隙及原理图

2.3 移动Ad Hoc路由技术

移动Ad Hoc网络中的路由技术给网络的设计和维护都提出了严峻的考验。这主要是由于在移动Ad Hoc网络中节点是运动的、网络节点间的通信需要进行多次中继、无线链路的不可靠性以及供电设备能量的限制。移动Ad Hoc网络的路由必须在受到多重约束条件和动态环境下，能够保证数据的可靠传输。因此，动态分布式的路山算法成为了Ad Hoc网络中研究的一个关键问题。路由协议主要分为单播路由和多播路由算法，其中以单播路由应用最为广泛。

所谓的单播路由，实际上就是从网络中的某一个节点到另一个节点的可用路径。传统的路由算法基本上是为有线网络设计的，没有考虑到网络的动态特性。移动Ad Hoc网络还面临着无线信道的不可靠性、高速移动环境下链路频繁出现故障以及节点的有限电能等情况。很显然，上述这些传统的路由算法不可能直接应用到Ad Hoc网络中。更为重要的是，传统的路由算法中都存在着一些致命的缺陷，如路由闭环、收敛速度慢等问题，因此，我们必须研究新的路由策略来适应移动Ad Hoc网络的特殊性。总的来说，单播Ad Hoc路由算法分为三种，具体分类见图4。

（1）平面式路由（Flat Rou ting）算法，即网络中的所有节点都处于同一层次上，各节点获得的网络中的路由信息基本相同。我们又根据其设计的具体原则进一步的将平面式路由分为Proactive Routing算法和Reactive Routing算法。

（2）分层路由（Hierarchical Routing）算法，即网络按一定的规则分为多个不同的层次，在不同层次中又可以有不同的路由策略。分层的路由策略比较容易进行网络规模的扩充。

（3）地理位置辅助的路由（Geographic position assisted Routing）算法，即网络中的节点可以获得节点的地理位置信息，通过这些信息可以有效的减低路由算法中用户路由建立或维护的开销。

图4 Ad Hoc路由协议分类

3 移动Ad Hoc应用展望

由于移动Ad Hoc网络不需要架设固定的通信基础设施，组网迅速、灵活，抗毁性强，因此具有极高的军用价值和商用价值。

（1）军队通信系统需要具有抗毁性、自组织性和机动性。移动Ad Hoc网络不依赖固定的有线设备，节点自行组织和管理。采用分布式技术，即使网络中某些节点或链路发生故障，也可以通过其他节点继续通信，很适合战场的恶劣通信环境，另外移动Ad Hoc网络组建简单、迅速、机动性强。因此，移动Ad Hoc网络技术已经成为数字化战场通信的首选技术。

（2）在地震、洪水、台风等自然灾害发生后，固定的通信网络设施可能被毁坏而无法正常工作。这时就需要移动Ad Hoc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来满足抢险救灾的通信需要。另外，移动Ad Hoc还可用于临时通信需求，如商务会议中参会人员之间的通信交流等。

（3）与移动通信系统的结合。移动Ad Hoc网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动节点的多跳转发能力扩大蜂窝移动通信系统的覆盖范围，均衡相邻小区的业务量，提高小区边缘的数据速率等。

（4）个域通信。可用于实现PDA、手机、手提电脑等个人电子通信设备之间的通信。还可用于个人局域网之间的多跳通信，蓝牙技术中的超网、VANET就是典型的应用案例。

（5）传感器网络。传感器网络是移动Ad Hoc网络技术的一大应用领域，很多应用场合的传感器网络只能使用无线通信技术，同时受体积和节能的影响，传感器的发射功率不可能很大。使用移动Ad Hoc网络实现多跳通信是非常实用的解决方法。分散在各处的传感器组成移动Ad Hoc网络。可以很好地实现信息的传递和收集。

4 结束语

移动Ad Hoc网络一般用于无线传输带宽有限、移动终端有节能要求、安全性要求不高、存在单向的无线信道等环境。在当前移动通信能耗不断提高的情况下，自组织网络的很多理念有着广泛的应用前景。目前，移动Ad Hoc网络在学术研究领域是一个热点，针对其MAC层协议、路由协议、安全机制的技术正在逐步完善之中，产业化进程也在有序推进中，当然还需要解决合理的商业模式以及如何构建一个由需求拉动的、运营商和制造商积极参与的良性产业链条等诸多问题。

[1] 张棋飞．无线自组织网络路由及MAC协议关键技术研究．武汉：湖北人民出版社．

[2] 陈林星，曾曦，曹毅．移动Ad Hoc网络：自组织分组无线网络技术．北京：电子工业出版社．

美国卫讯新型Ka波段终端服务大型商务飞机

基于机载数据流量需求不断地快速增长，美国卫讯公司（ViaSat Inc.）正在推出Ka波段设备组件，包含设计安装在尾翼的天线系统，为通用航空提供高性能Ka波段移动服务。机载移动终端5230（AMT-5230）已经在政府飞机上使用，该终端能够为大型商务飞机带来前所未有的服务性能水平。

对于使用高速互联网和VPN的空中办公体验，为通用航空提供Ka波段能够满足日益增长的对于大容量机载数据流量和传送数据的需求，还包括数量众多的无线终端设备同时使用带宽密集型应用的需求。

“我们的Ka波段覆盖范围是在北美和欧洲，大多数商务和民航飞机在那里飞行。”美国卫讯公司通用航空业务区域总监Leo Conboy先生说，“我们对通用航空客户的目标与我们对政府和民用航空客户是一致的，即提供一种绝佳的空中上网体验，使他们能够使用相同的已经习惯的应用和服务，无论他们在地面或空中。”含尾翼安装天线的3组航线可更换件（LRU）集成了以下美国卫讯的设备：Ka波段天线系统与美国卫讯Yonder Ku波段天线的紧凑尺寸和飞机布线是一样的；基带系统支持Ka波段机载服务；新的单个天线罩可灵活用于Ka或Ku天线及Ku/Ka混合天线。AMT-5230将会通过美国卫讯维护中心MRO和完成中心的最后流程，预计于2015年6月开始销售。

美国卫讯推出集成K u和Ka波段的机载终端

近日，美国卫讯公司（V iaSat Inc.）开发了一种混合组件设计以提供高性能的移动卫星Ku和Ka波段全球服务，使飞机能够根据飞行位置接入到最佳的服务网络。该终端设计用于运输规格的商用和V IP飞机，实现了高性能、高速的服务水平，为每一位旅客或移动设备提供个人娱乐和空中办公的应用。

今年7月下旬，公司针对美国卫讯全球机载终端5320（GAT-5320）进行了两次飞机飞行测试，测试包括全套最新版本的宽带天线、调制解调器以及机载上网服务。一架波音757飞机在数小时的长途飞行中，使用了3种不同的卫星网络，连接到6颗Ka和Ku波段卫星。机载测试人员能够同时连接多个无线设备使用各种高带宽应用，如多点视频会议、社交媒体网络以及流媒体直播高清电视和电影。GAT-5320设备组件为运营商提供了航空界最新的卫星连接接入技术，满足了同一架飞机上许多旅客以及同一领空多架飞机对高端上网体验的需求。“成功的测试表明，我们已经准备好为我们的通用航空、政府和民用航空客户提供业界最高性能的、最先进的全球机载服务。”美国卫讯公司高级副总裁Ken Peterman先生说，“利用我们的全球Ku波段网络、V iaSat-1号卫星和将于2016年发射的V iaSat-2号卫星，我们将继续不断地扩大全球网络的容量、覆盖和性能。新终端以其利用多卫星频段的功能证明了对该类型飞机的不会过时的技术。”机身安装的终端集成了以下美国卫讯的设备：单天线系统包含独立的Ku和Ka天线，其中Ka天线为捷蓝航空（JetBlue）和美联航使用的天线，能够自动连接到最佳的可用的美国卫讯全球漫游服务；基带系统支持Ku和Ka波段卫星服务；新的单个天线罩用于混合Ku/Ka天线。据悉，GAT-5320终端目前正在完成中心进行最后的步骤，将于2015年4月交付通用航空客户，服务将于6月启用。

Principle and Technology Research of Mobile Ad Hoc Network

Zhang Shuqiao
(Beijing OET Spectrum Institute, Beijing, 100037)

Mobile Ad Hoc network has the extremely widespread application in mobile communication feld. This paper mainly analyzes the communication principle and application prospect of mobile Ad Hoc Network.

mobile Ad Hoc Network; multiple access technology; routing technology

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.11.012

TN 924

A

1672-7274（2014）11-0054-04

张书侨，男，1987年生，硕士，主要从事无线电监测工作。