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Ad hoc技术与WMANET网络体系结构

时间:2014-2-13 16:29:39 点击:

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1.引言

  Ad hoc一词来源于拉丁语,是“特别地,专门地为某一即将发生的特定目标、事件或局势而不为其他的”的意思。这里提出的“Ad hoc技术”所标称的就是一种无线特定的网络结构,强调的是多跳、自组识、无中心的概念,所以国内一般把基于Ad hoc技术的网络译为“自组网”,或者“多跳网络”等等。

  Ad hoc技术起源于20世纪70年代的美国军事领域,它是在美国国防部DARPA资助研究的“战场环境中的无线分组数据网(PRNET)”项目中产生的一种新型的网络构架技术。DARPA当时所提出的网络是一种服务于军方的无线分组网络,实现基于该种网络的数据通信。

  后来,DARPA又于1983年和1994年分别资助进行了抗毁可适应性网络(SURAN:Survivable Adaptive Network)和全球移动信息系统(GloMo:Global Information Systems)两个项目的研究,以便能够建立某些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。

  Ad hoc技术就是吸取了PRNET、SURAN以及GloMo等项目的组网思想,从而产生的一种新型的网络构架技术。

  随着移动通信和移动终端技术的高速发展,Ad hoc技术不但在军事领域中得到了充分的发展,而且也在民用移动通信中得到了应用,尤其是在一些特殊的工作环境中,比如所在的工作场地没有可以利用的设备或者由于某种因素的限制(投入、安全、政策等)不能使用已有的网络通信基础设施时,用户之间的信息交流以及协同工作
(Cooperative Work)就需要利用Ad hoc技术完成通信网络的立即部署,满足用户对移动数据通信的需求。

  基于Ad hoc技术的Ad hoc网络是一种临时自治的分布式系统,一行哦那个终端具有无中心接入和多跳等特征。这些特性使得Ad hoc技术涉及到了OSI分层模型中的每一个层面。研究者已经在媒质接入问题、路由问题、组播路由问题、电能管理问题、QoS问题、安全问题、传输层问题等方面发布了相关的研究成果。在众多的难题中,Ad hoc网络的路由问题尤其关键,IETF已经成立了MANET工作组集中从事Ad hoc网络单播路由协议及其性能评定的研究,现已发布了一些路由草案,IETF下一步还将就如何实现多播路由以及QoS等问题展开讨论。

  在Ad hoc网络中,无线移动Ad hoc网络(WMANET)被认为是下一代移动通信系统解决方案中最有希望被采用的末端网络。

  本文首先从总体上概括Ad hoc技术的一般概念,然后从OSI模型的角度分层次来介绍Ad hoc的技术特征以及构成Ad hoc网络的各种技术标准。最后就WMANET的网络体系结构以及其在下一代移动通信网络中的应用做了初步的探讨。

2.Ad hoc技术的起源及其技术特征

  应该说,20世纪70年代美国DARPA资助的PRNET项目是Ad hoc技术的最早起源,只不过“Ad hoc技术”这一一般性的表述却要晚的多。

  在原有的网络构架技术中,移动无线通信网络通常包括蜂窝移动通信网络和无线局域网。蜂窝移动通信网络移动终端接入固定网络是基于基站的中心接入方式;而无线局域网则要通过接入点(AP)完成终端接入固定网络。可以看出这两种网络都是单跳网络。Ad hoc技术所标称的是一种有别于中心接入和单跳的特征,强调多跳和无中心接入,移动终端不仅具有主机的功能,还具有路由器的功能。

  目前所提到Ad hoc网络继承和发扬了DARPA所资助无线分组数据网的思想,特别是PRNET。PRNET强调的是在一个广阔的区域那实现多跳的无线通信,基于这种多跳的无线信道特点,PRNET面临着诸如媒质接入、寻址、路由、网络初始化和控制等难题。但PRNET所倡导的系统自组织(self-organizing)特性使得PRNET网络系统组建灵活,网络的抗破坏性强。

  在任一时刻,Ad hoc网络中由一些带有无线收发装置的移动节点间都可以通过无线信道连接形成一个任意网状的拓扑结构。节点可以任意移动,可能导致网络拓扑结构也随之发生变化。在这种环境中,由于终端的无线通信覆盖范围的有限性,两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发进行数据通信。它可以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,从而拓宽了移动通信网络的应用环境。

  Ad hoc网络可以在独立的环境下运行,也可以是以通过网关连接到现有的网络基础设施上,如Internet或者蜂窝核心网。在后面这种情况中,Ad hoc网络通常是以一个末端网络的方式连接进入现有网络,它只允许产生于或目的地是自治系统内部节点的信息进出,而不会让其他信息穿越自治系统。

  在Ad hoc网络中,节点兼备主机和路由器两种角色。一方面,节点作为主机运行相关的协同应用程序;另一方面,节点作为路由器需要运行相关的路由协议,进行路由发现、路由维护等常见的路由操作,对接收到的信宿不是自己的分组需要进行分组转发。

  由此可以看出,与其他通信网络相比,基于Ad hoc技术的Ad hoc网络具有以下特征:

  ⑴ 网络的自组性。Ad hoc网络可以在任何时刻任何地方构建,而不需要现有的信息基础网络设施的支持,形成一个自由移动的通信网络。

  ⑵ 动态网络的拓扑结构。从网络的网络层来看,Ad hoc网络中,移动用户可以以任意的速度和任意方式在网中移动,加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的相互干扰因素、地形因素等的影响,节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时都会发生变化。

  ⑶ 有限的无线传输带宽。无线信道本身的物理特性使Ad hoc网络的网络带宽相对有线方式要低的多,另外还要考虑无线信道竞争时所产生的信号衰落、碰撞、阻塞、噪声干扰等因素,这使得实际带宽要小的多。

  ⑷ 移动终端的有限性。Ad hoc网络中的移动用户终端内存小、CPU处理能力低、所带电源有限使得Ad hoc网络得设计更加困难。

  ⑸ 安全性差。Ad hoc网络是一种无线方式的分布式结构,所以更加容易被窃听、入侵、网络攻击和拒绝服务等。

  ⑹ 网络的分布式。Ad hoc网络中的移动节点都兼有独立路由和主机功能,不存在类似于基站的网络中心控制点,节点地位平等,采用分布式控制方式,增强了网络健壮性。

  ⑺ 网络的可扩展性不强。由于采用TCP/IP协议中的子网技术使得INTERNET具有网络的可扩展性,而Ad hoc网络动态变化的拓扑结构使得子网技术所带来的网络可扩展性不能得到应用。

  ⑻ 单向无线信道的存在。

  ⑼ 生存时间短。组网通常是由于某个特定原因而临时创建的,使用结束后,网络环境将会自动消失。Ad hoc网络的生存时间相对于固定网络而言是短暂的。

  我们认为Ad hoc网络是移动计算机通信网络的一种类型,后者是指用户终端可以在网内随意移动的计算机网络。所以Ad hoc网络是移动通信和计算机网络的交叉。这一点在Ad hoc网络中的体现是:一方面,网络的信息采用了计算机网络中的分组交换机制,而不是电话交换网中的电路交换机制;另一方面,用户终端是便携式的,比如笔记本电脑、PDA、掌上型电脑、车载台等,并配置有相应的无线收发设备,并且用户可以随意移动或处于静止状态。

3.Ad hoc技术的OSI模型分层

  这里,作者将参照OSI七层模型,从各个层面上来分析Ad hoc网络的技术特点,并就各个层次的构成来逐一介绍。

  构筑网络时如果采用Ad hoc方式,所选用各层次的构建方式是可选的。物理层完成无线信号编码译码、发送和接收等工作;数据链路层控制对共享无线信道的访问以及对逻辑链路的控制,所以数据链路层又分为MAC(媒质接入控制)层和LLC(逻辑链路控制)层;网络层是Ad hoc技术的重点,也是它与其他现有网络的主要区别所在。IPV4协议、IPV6协议或其他网络层协议提供网络层数据服务;网络层的单目标路由协议维护路由表,使其与当前的Ad hoc网络拓扑结构一致;多目标路由协议提供群组通信的底层支持;网际互联支持Ad hoc网络中与其他现有网络互联,QoS支持提供可保证的QoS服务,路由安全提供对路由协议的安全保障。传输层主要完成端到端通信的建立,目前一般的思路是对有线网中的TCP/UDP进行改造,使之适应无线环境;Ad hoc的高层主要包括的是建立在Ad hoc之上的无线应用以及接入移动通信核心网的各种业务。

3.1 Ad hoc物理层

  Ad hoc OSI模型中,介绍了Ad hoc网络物理层的一些构成标准。其实在实际的应用中,Ad hoc物理层的设计要根据实际的需要而定。

  基于接收发信主要功能的物理层首先要考虑的是通信信号的传送媒质,一般而言,Ad hoc网络都是基于无线通信,后面提到的Ad hoc网络均指无线移动Ad hoc网络(WMANET)。

  由此看来,Ad hoc物理层所面临的首要问题就是无线频段的选择、购买以及分配。目前大家一致采用的都是基于2.4GHz的ISM频段,因为这个频段是免费的,不需要购买,成本就会得到降低。其次,物理层必须就各种无线通信机制作出选择,从而完成性能优良的收发信功能。

  到目前为止,Ad hoc物理层可以选择和参考的标准主要来自构建无线局域网的各种标准,其中包括IEEE 802.11系列、蓝牙(Bluetooth)、HiperLAN等标准所定义的物理层。

  具体说来,Ad hoc物理层所采用的传输技术基本上有三种:正交频分复用技术(OFDM)、采用红外线辐射传输技术、宽带扩展频谱技术。
正交频分复用技术是以多个副载频并发来传输高速数字信息,每个副载频留取足够长的时间和码元宽度来“躲避”多径衰落信道带来的码间干扰的影响。所采用的数字信息调制有时间差分移相健控(TDPSK)和频率差分移相键控(FDPSK),以快速傅里叶变换(FFT)算法实施数字信息调制和解调功能。

  采用红外线辐射传输技术的无线局域网设备,红外线辐射技术的特点是:不能穿透物体;通信距离要远远小于通常使用的射频技术的通信距离。由于空间衰减很大,信号不易被探测,比较适用于近距离点对点传输速率较高的环境。

  宽带扩展频谱技术是一种传输信息的调制制式,其传输信息的信号带宽远大于信息本身的带宽。信息带宽的扩展是通过编码方法实现的,与所传数据信息无关。在接收端将宽带的扩频信号恢复成窄带的传输信号,同时将干扰信号频谱再次进行扩展,从而提高信息解调信噪比,达到扩频通信目的。包括DSSS(直接序列扩频)和FHSS(跳频序列扩频)。DSSS是用伪噪声码(PN)作为扩频码序列,调制方式多为二相相移键控和(QPSK)。FHSS就是载波在跳频码的控制下按照某种跳频图案跳变,在接收端通过相关解跳,恢复出发送信号。频率是按跳频图案跳变的,具有CDMA和频带共享能力。

3.2 Ad hoc数据链路层

  数据链路层解决的主要问题包括媒质接入控制,以及数据的传送、同步、纠错以及流量控制等。基于此,Ad hoc数据链路层又分为MAC和LLC层。在一般情况下,我们所关注的主要是MAC层,因为MAC决定了数据链路层的绝大部分功能。

  从夏威夷大学的ALOHA项目组提出单跳的无线网络中进行分组数据的广播是可行的这一结论以来,针对媒质共享竞争的问题,已经有ALOHA、时隙ALOHA、CSMA(载波侦听多路访问),以及IEEE 802.11所采用的CSMA/CD。MAC层主要就是由这些媒质接入方案充当。由于ALOHA、时隙ALOHA、CSMA都存在媒质冲突、终端暴露以及终端隐藏等严重的问题,所以,后来就有带冲突检测和冲突避免的CSMA 媒质接入方案的提出,被用在了IEEE 802.11无线局域网方案中,可研究发现,基于无线Ad hoc环境的CSMA/CA仍然存在着一些问题,于是,一些学者就提出了各种相应的改进形式作为MAC层的解决方案,包括针对基于CSMA/CA MACA(Multiple Access with Collision Avoidance)的改进:MACAW(MACA for Wireless)、PAMAS(Power-Aware Multi-Access protocol with Signaling)、FAMAS(Floor Acquisition Multiple Access)、MARCH(Media Access with Reduced Handshake)、CATA(Collision-Avoidance Time Allocation)、RT-MAC(Real Time MAC),以及基于P-CDMA/MUD的MAC层协议(具有定位功能基于多用户检测的CDMA系统的MAC层协议)。

  MACA采用的是CSMA/CA方案,利用RTS和CTS进行交换,完成对共享无线媒质的检测。目前的IEEE 802.11所定义的MAC层功能就是采用的MACA。

  MACAW是第一个专门针对无线环境而设计的MAC层协议,该方案摒弃了原来针对以太网的避退算法,采用了新的避退算法,以便更适合无线信道的环境。MACAW在原来MACA的基础上,增加了确认数据包,用RTS-CTS-Data,以及RTS-CTS-Data-ACK实现媒质的冲突检测。仿真证明MACAW将获得更大的吞吐量以及在高负荷下的资源分配更平均。

  PAMAS是基于MACA的改进,它把MACA中的信令信道单独的分离出来了,RTS-CTS信令的交换就是在这个信道上完成的。由于节点在能量控制上具有选择性,所以PAMAS能够做到功率的控制,从而能够实现移动终端的低能量消耗。

  FAMA提出的目的是为了更好地解决MACA中仍然存在的终端隐藏问题,FAMA代表了一类MAC层协议,这种方案分为两个阶段,首先获取信道(通过发出大量的确认数据包),然后就是实际的发送数据包。这样就可以比较有效的避免冲突,因为每次都能保证该信道被分配后能成功传送数据而没有冲突。

  MARCH是基于PAMAS的改进。RT-MAC则是专门为无线网络中传送实时业务而设计的MAC层协议。

  此外,还有BTMA(Busy-Tone Multiple Access)、SRMA(Split-channel Reservation Multiple Access)、GAMA(Group Allocation Multiple Access with Packet Sensing)、DFWMAC(Distributed Foundation Wireless MAC,也就是DCF和PCF两种)、EY-NPMA(ETSI HiperLAN标准)。

3.3 Ad hoc网络层

  常规的路由协议(例如:RIP和OSPF)是为有线固定网络而设计的,它们的拓扑结构是固定的,不会出现大的网络结构变化。Ad hoc网络结构则是动态变化的,那么常规路由在拓扑结构变化时,就会花很大的代价重新路由,而且协议状态将始终处于不收敛状态。

  另外,Ad hoc网络不能采用常规路由协议还主要由于以下几种因素:⑴ Ad hoc网络中主机间的无线信道可能存在单向信道。⑵ 无线信道的广播特性使得常规路由的网络选路过程中产生许多冗余链路。⑶ 常规路由的周期性广播路由更新报文会消耗大量的网络带宽。⑷ 常规路由协议周期性的路由更新报文会消耗大量的主机能源。此外,某些常规路由协议需要的复杂计算使得CPU始终处于很高的负载下,这也同样消耗了大量的能源。这将对有限的主机能源带来更多的压力。

  从以上的分析可以看出,一个好的Ad hoc网络层的路由协议应当满足以下特性要求:分布式运行方式;提供无环路路由;按需进行协议操作;具有可靠的安全性;提供设备“休眠”操作特性;对单向信道的支持等。

  对一个Ad hoc网络层路由协议定量衡量比较的指标应该包括:端到端的平均时延;分组的平均递交率;路由协议开销;路由请求时间等。
正是由于Ad hoc网络层路由协议基于Ad hoc网络的重要性,它便成为了研究的一个热点。到目前为止,已经有相当多的标准推出。IETF也发布了相关的草案供讨论。

  从总体上说,目前所提出的各种路由协议基本上可以归纳为三种思路:

  (1)这种思路把路由协议分为三类:一类是基于路由表驱动(Table Driven)的路由协议,一种是按需驱动(On-Demand Driven)的路由协议,还有一种是两种模式的混合形式。

  (2)平面结构路由和层次结构路由。这是从逻辑结构方面考虑进行的划分。平面结构中,节点地位平等,维护的信息量相同。层次结构路由中,网络结构按级分层,分为骨干网和子网,这样,维护的工作就统一由骨干网承担。像CGSR和HSR是层次路由,CEDAR也是。

  (3)基于QoS的路由。多媒体业务的传输需要不同QoS保障(包括带宽、时延、时延抖动、吞吐量、丢失率等)。在Ad hoc网络路由协议中,对于QoS的支持还很不成熟,只有少数的如ABR、SSR以及清华提出的LS_QoS有此功能,它们多是以链路的稳定性作为QoS的衡量标准。目前Ad hoc网络中对QoS的支持一般借鉴INTERNET上建立区分服务和集成服务的模型,做适当的修改。

3.4 Ad hoc传输层

  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基于无线环境进行修改,以适应无线环境,完成传输层的功能。

  传统的TCP会使无线Ad hoc网络分组丢失很严重,这是因为无线差错和节点移动性而使TCP将所有的分组丢失都归因于拥塞并启动拥塞控制和避免算法,所以若在无线Ad hoc网络中直接采用传统的TCP协议将可能导致端到端的吞吐量无谓的降低。所以,必须针对传统的TCP进行改进。到目前为止,已经有多个TCP改进方案提出,比如TCP SACK和TCP ASACK等等。

  针对UDP的改进与TCP相似。

3.5 Ad hoc应用层

  Ad hoc网络的应用层指定的是各种各样类型的业务。在实际的实施的时候,可以采用各种各样的应用层协议和标准,比如WAP(无线应用协议)协议等。

  基于Ad hoc技术的网络所承载的业务同其他各种类型网络一样,主要是传统的业务和人们给予厚望的“无线宽带数据业务”。可前面也提到,Ad hoc网络自身的特性使得网络在承载同类型业务时,要考虑更多的实际问题,克服更多的困难。在解决各种困难的时候,应用层也是问题解决的一个很好的层面。

4.无线移动Ad hoc网络的构成

  基于Ad hoc技术的网络可以有多种形式,有的强调无线特征,有的强调移动特征,但目前最有前途的莫过于同时强调无线和移动特征的无线移动Ad hoc网络(WMANET)。

  随着研究的不断深入,WMANET越来越显现着其独特的魅力,它已经开始被当作下一代移动通信网络的一种应用方案。3GPP和3GPP2已经把Ad hoc网络作为了下一步标准化的一项重要工作。

  其实,归结而来,所有的应用方案中,Ad hoc网络都做为通信网络的末端网络,作为移动用户无线接入的基本单元,通过各种接入设备完成移动通信核心网的接入。这里给出一个应用方案。

  一般认为,该方案是目前比较容易采用和实施的一种比较简单的方法,随着网络的进一步实施和研发,Ad hoc网络会逐渐与移动通信网络融合到一起,显示Ad hoc技术本身内在的魅力。

5.结束语

  Ad hoc技术本身所具有的“个人通信”的某种实现使得该项技术势必会在以后的通信领域发挥重要的作用。

  但是,正是这种无中心控制、多跳等特征使得Ad hoc技术同样面临着许多难题,虽然目前许多难题已经有多个方案提出,但所有技术尚不成熟。

  从Ad hoc技术开始民用以来,也有一些Ad hoc的产品面市。基于Ad hoc技术的移动终端以及网络设备已经成为一些大通信公司研发的重点,到目前为止,国外的Nokia公司已经发布了无线移动路由器,并提供了高速无线接入系统的解决方案;NEC公司也提供了基于PHS系统的移动计算网络系统。美国一家专门致力于Ad hoc技术产品研发的公司MeshNetworks公司已经推出了整个通信系统的解决方案以及各种网络设备和移动终端,其宗旨就是研发应用于下一代移动通信末端网络的系统解决方案。国内成立于2001年的珠海汉风公司也是以Ad hoc无线移动多跳网络作为产品研发的重点,目前已经完成前期实验系统的研制,实现了Ad hoc无线移动终端多跳、自组织等功能。

  可以预见,Ad hoc技术的发展会越来越迅速。

作者:网络 来源:网络
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