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1、研 究 生 课 程 论 文(2010-2011学年第一学期)移动通信技术提交日期：2011年 04月 12 日 研究生签名： 组 号学 院课程编号课程名称移动通信技术学位类别任课教师教师评语： 成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日Ad hoc网络概述摘要：在具有固定设施的无线网络中，网络的连通性必需依赖预设的专用网络设施。例如，蜂窝移动通信系统需要基站的支持，及时是无限局域网也必需有接入点（AP）和有线骨干网支持。但在很多情况下，比如战场上的部队快速展开和推进、临时战场环境的感知，地震或水灾后的营救、野外科考、偏远矿山等，在自然环境比较恶劣、安全得不到保障、无法建立起来或者来不及架设固定
2、基础设施以实现有线网络连接的情况下，特别需要一种能够快速组网的临时性网络。Ad hoc网络就是专门针对这种要求而产生的一种自组织的网络，网络中各个节点动态且可任意分布和移动，节点之间通过无线方式互联，拓扑网络结构灵活多变。本文首先介绍了 Ad hoc 网络的特点和应用领域。然后对 Ad hoc 网络的体系结构进行了研究，给出了结点和网络的几种组织结构。最后对 Ad hoc 网络面临的特殊问题进行了深入分析，并对这些问题的影响及引发的研究方向进行了讨论。关键词：Ad hoc 网络 自组织 多跳 体系结构 1、引言 随着社会的进步，人们对灵活、快捷、方便的通信方式要求越来越高;而全球化进程的加快又
3、进一步刺激了通信与网络技术的发展，人们不断追求任何人可以在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。个人业务需求无论是在支持范围上还是种类、质量要求上都大大的增加，极大地刺激了无线通信网络的迅速发展。蜂窝移动通信系统、无线局域网 (IEEE802.11)、蓝牙技术(Blue tooth)、家庭无线网(HomeRF)等移动通信新技术纷纷涌现，而Ad hoc网络技术作为无线通信领域一种新的网络技术，正在很快地从军事通信渗透到相关的各个民用通信领域。这些新技术的出现，极大的方便了人们的生活，同时也推动了无线通信技术的发展。无线通信技术和计算机网络技术的发展为无线移动 Ad hoc网络的产生奠
4、定了基础，而这种自组织对等式多跳移动通信网络，不需要依赖于固定的基础结构，既可以与现有的网络结合形成多跳网络，从而有效延伸传统网络的覆盖范围，同时也可以通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、话音、图像和图形等业务的无线传输。这也使得Ad hoc网络具有极大的灵活性和可扩展性，可以满足不同场合的特殊需要，其应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合和行业。特别是在军事应用领域中，因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，Ad hoc网络已成为数字化战场通信的首选技术。Ad hoc网络不论是军用还是民用，都有着广泛的应用价值和意义。由于组网快速、
5、灵活、使用方便，无线 Ad hoc网络己经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用，己经成为移动通信技术向前发展的一个重要方向，并将在未来的通信技术领域中占据重要地位。根据骨干网路由终端节点的移动性特性，Ad hoc 网络可分为无线网状物（wireless mesh network WMN）和移动自组网（mobile Ad hoc network，MANET）两种构型。由于要通过多个终端连接来建立通信联系，终端间通信可能要经过多次转发并通过分层网络协议和分布是算法达到相互协调，因此，Ad hoc网络又被称为自组多跳网、无线对等网。2、Ad hoc网络的特点 Ad hoc
6、网络是一种特殊的无线移动网络。网络中所有结点的地位平等，无需设置任何的中心控制结点。网络中的结点不仅具有普通移动终端所需的功能，而且具有报文转发能力。与普通的移动网络和固定网络相比，它具有以下特点： 2.1、无中心Ad hoc 网络没有严格的控制中心。所有结点的地位平等，即是一个对等式网络。结点可以随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。 2.2、自组织 网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。 2.3、多跳路由 当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中
7、间结点的多跳转发。与固定网络的多跳不同，Ad hoc 网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。 2.4、动态拓扑 Ad hoc 网络是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化。 这些特点使得 Ad hoc 网络在体系结构、网络组织、协议设计等方面都与普通的蜂窝移动通信网络和固定通信网络有着显著的区别。3、Ad hoc网络的应用领域 由于 Ad hoc 网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设施的场合、需快速自动组网的场合等。针对Ad hoc
8、网络的研究是因国事应用而发起的。因此，军事应用仍是 Ad hoc 网络的主要应用领域，但是民用方面，Ad hoc 网络也有非常广泛的应用前景。它的应用场合主要有以下几类： 3.1、军事应用 军事应用是 Ad hoc 网络技术的主要应用领域。因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字人战场通信的首选技术。Ad hoc 网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了 Ad hoc 网络技术。 3.2、传感器网络 传感器网络是 Ad hoc 网络技术的另一大应用领域。对于很多应用场合来说传感器网络只能使用无线通信技术。而考虑
9、到体积和节能等因素，传感器的发射功率不可能很大。使用 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 Ad hoc 网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这在爆炸残留物检测等领域具有非常广阔的应用前景。3.3、紧急和临时场合 在发生了地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击后，固定的通信网络设施（如有线通信网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要 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。类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固
10、定或预设的网络设施进行通信。Ad hoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。 3.4、个人通信 个人局域网（PAN,Personal Area Network）是 Ad hoc 网络技术的另一应用领域。不仅可用于实现 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（Scatternet）就是一个典型的例子。 3.5、与移动通信系统的结合 Ad hoc 网络还可以与蜂窝移动通信系统相结合，利用移动台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、提高小区边缘的数据速率等。在实际应用中，Ad hoc
11、 网络除了可以单独组网实现局部的通信外，它带可以作为末端子网通过接入点接入其他的固定或移动通信网络，与 Ad hoc 网络以外的主机进行通信。因此，Ad hoc 网络也可以作为各种通信网络的无线接入手段之一。4 、Ad hoc网络的体系结构 Ad hoc网络的体系结构主要包括三个方面：网络中的终端结构、网络结构与相关协议栈。以下分别进行介绍。4.1、终端结构Ad hoc网络中的终端不仅要具备普通移动终端的功能，还要具有报文转发能力。因此，就完成的功能而言可以将终端分为主机、路由器和电台三部分。其中，主机部分完成普通移动终端的功能，包括人机接口、数据处理等应用软件；路由器部分主要负责维护网络的拓
12、扑结构和路由信息，完成报文的转发功能；电台部分为信息传输提供无线通道支持4.2、Ad hoc网络结构Ad hoc网络一般有两种结构：平面结构和分级结构。在平面结构中，所有终端的地位平等。在分级结构中，网络被划分为簇，每个簇有一个簇头和多个簇成员组成，这些簇头形成了高一级的网络，在高一级的网络中，又可以分簇，再次形成高一级的网络，直至最高级。分级结构中，簇头终端负责簇间数据转发。簇头可以预先指定，也可以由终端使用算法自动选举产生。分级结构的网络又可以别分为单频分级和多频分级两种,如下图一和图二所示：图一、单频分级图二、多频分级平面结构的网络比较简单，原站和目的站之间一般存在多条路径，可以使用多条
13、路径实现负载平衡，也可以为不同的业务类型选择适当的路径。平面结构的最大缺点是网络规模受限，可扩展性较差。分级结构的最大优点是可扩展性较好，网络规模不受限制。但分级结构也有它的缺点：首先，维护分级机构需要较复杂的簇头分级选族算法。其次，簇间的信息都要经过簇头寻路，不一定能使用最佳路由。分级结构要比平面结构有优势。首先，分级结构有较好的可扩展性；其次，分级结构通过路由信息局部化提高了系统的吞吐量；其三，分级结构中的终端定位比平面结构简单的多；最后，分级结构是无中心和有中心的模式的混合体，可以采用两种模式的技术优势。4.3、 Ad hoc网路协议栈根据Ad hoc网络的特征，参照OSI七层协议栈模型
14、，可以将Ad hoc网络的协议栈划分为5层结构，由下至上分别为物理层、链路层、网络层、无线传输层、应用层。1、 物理层物理层负责频率选择、载波产生和监听、信号监测、调制、数据的发送接收和加密等。一般采用基于2.4Gz的免费ISM频带。物理层可以采用的传输技术包括：正交频分复用、红外线辐射传播技术和宽带扩展频谱技术。Ad hoc网络对物理层的要求是：开发更简单和低功率的调制技术，减少信号传播特性的负面影响，开发低功耗、低成本硬件等。2、 链路层链路层解决的主要问题包括信道接入控制，以及数据的传送、同步、纠错以及流量控制等，因此，链路层又可分为介质接入（MAC）子层和逻辑链路控制(LLC)子层。M
15、AC子层主要用来解决信道接入问题，管理和协调多个用户共享可用频谱资源。LLC子层设计的目标就是获得接近信道容量限制的数据率，并使用相对较少的能量来克服信道损伤。3、 网络层网络层的任务是将源短发出的分组精油各种途径送到目的端，从源短到目的端可能经过许多中间终端。大多数情况下，分组在网络的传输过程中，需要经过多次转发，因此路由的选择是网络层所需提供的一个主要功能。4、 无线传输层传输层负责接排序接收的数据，监测分组的错误和重传分组，并将其送交响应的应用程序。到目前为止，Ad hoc网络的传输层还是借鉴有线网络中传输层的方法，把TCP/UDP针对无线环境进行修改，以完成无线传输层的功能。5、 应用层Ad hoc网络的应用层指的是各种类型的业务。在实施的时候，常意味着可以采用各种应用层协议和标准。尽管链路层和网络层可以部分的提供自适应机制，从而为应用提供尽可能好的QoS保障，但是这种QoS会随着信道条件、网络拓扑和用户要求的变化而变化，因此，应用层本身也应该能够适应网络提供的QoS.在应用层，利用跨层设计思想，不仅可以使应用层知道底层网络所能提供的资源、能力和QoS。还可以让底层各协议了解应用本身的自适应能力，从而进一步提高端到端应用的
