無線自組織網(wǎng)在邊疆通信中的應(yīng)用

許 鈔 胡記文 姜國強(qiáng)

（1、武警8660部隊14分隊，新疆 伊寧 835000 2、武警工程學(xué)院通信工程系無線教研室，陜西 西安 710086 3、武警工程學(xué)院研究生管理大隊36隊，陜西 西安 710086）

引言

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以在沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持的情況下提供靈活方便的通信，這種技術(shù)拓寬了移動通信的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在邊遠(yuǎn)地區(qū)通信，軍事通信，或在地震、水災(zāi)、火災(zāi)等重大災(zāi)難后固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施可能全部損毀或無法正常工作的地區(qū)，或處于偏遠(yuǎn)或野外地區(qū)無法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信時，就需要Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施又能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不需要預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，能夠自組織成臨時性的無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，這些特點(diǎn)吸引了越來越多的研究者。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是無線通信網(wǎng)絡(luò)，與其它現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上都有很大區(qū)別。

1 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

作為一種能夠快速靈活組建的網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：無中心和自組織性、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性、有限的無線通信帶寬、移動終端的便攜性 、生存周期短、安全性差等。

2 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，稱為網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)及其部件所完成的功能的精確定義。

2.1 結(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)同時具有移動終端和路由器的功能，因此結(jié)點(diǎn)通常包括主機(jī)、路由器和電臺三部分。從物理結(jié)構(gòu)上分，結(jié)點(diǎn)可以分為以下幾類單主機(jī)電臺、單主機(jī)多電臺、多主機(jī)單電臺和多主機(jī)多電臺。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

由于結(jié)點(diǎn)的能力通常相同并可以移動，特別是在戰(zhàn)場環(huán)境中，中心控制結(jié)點(diǎn)易被發(fā)現(xiàn)和易遭摧毀，使得Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)不適合采用集中式控制結(jié)構(gòu)，因此，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)一般有兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。

平面結(jié)構(gòu)中所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對等式結(jié)構(gòu)。

在分級結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇。分級結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又可以被分為單頻率分級和多頻率分級兩種。

單頻率分級網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)使用同一個頻率通信。

多頻分級網(wǎng)絡(luò)不同級采用不同的通信頻率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較小時，可以采用簡單的平面式結(jié)構(gòu)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增大時，應(yīng)采用分級結(jié)構(gòu)。

2.3 協(xié)議棧

根據(jù)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特征，參考OSI的經(jīng)典7層協(xié)議棧模型和TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)，可以將Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧劃分為5層，包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層、物理層。

2.4 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的跨層設(shè)計

為了滿足Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，采用基于應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)特征的跨層體系結(jié)構(gòu)。在這種自適應(yīng)跨層協(xié)議棧中，鏈路層可以調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)率、發(fā)送功率和編碼來滿足上層應(yīng)用的要求：MAC層可以基于無線信道情況、時延約束和分組的優(yōu)先級來實(shí)施自適應(yīng)調(diào)節(jié)；網(wǎng)絡(luò)層可以基于當(dāng)前的鏈路、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)量狀況選用合適的路由協(xié)議；應(yīng)用層可以基于QoS的概念根據(jù)底層網(wǎng)絡(luò)的狀況為應(yīng)用提供盡可能高的服務(wù)質(zhì)量。

3 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)組成框圖如下圖所示：

由于邊疆地區(qū)地域遼闊，人口密度小，部分地區(qū)自然環(huán)境差，條件惡劣，是自然災(zāi)害的頻發(fā)地區(qū)，少部分地區(qū)還存在不穩(wěn)定因素等，設(shè)計此系統(tǒng)可以有效解決此類問題。系統(tǒng)中Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)互連可以實(shí)現(xiàn)蜂窩網(wǎng)通信范圍的擴(kuò)大，同時節(jié)省了蜂窩網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用高的問題，結(jié)合3G網(wǎng)的建設(shè)，在實(shí)現(xiàn)語音通信的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)視頻信號的實(shí)時傳輸。這能夠?yàn)橹笓]者在一些突發(fā)情況的處置、搶險救災(zāi)等方面做出正確有效決策提供很好的依據(jù)。也可以為大眾用戶提供更好的服務(wù)。局部的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)局部的通信保障，根據(jù)需要我們可以加入自適應(yīng)功率控制，各節(jié)點(diǎn)之間自動的通過接收到的信號來調(diào)整發(fā)射功率，距離較近時自動的降低發(fā)射功率，距離增大時自動的通過接收的信號強(qiáng)度實(shí)時的計算所需功率的大小,自動增大發(fā)射功率，從而緩解網(wǎng)絡(luò)的能源供應(yīng)受限問題。由于邊疆地區(qū)地域遼闊人口密度小，基礎(chǔ)通信設(shè)施建設(shè)成本比較大，只能實(shí)現(xiàn)局部地區(qū)的有線或無線通信，不能實(shí)現(xiàn)全線貫通，這時我們可以通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)和有線網(wǎng)的連接實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的連接，起到通信連接的橋梁作用，從而保證邊疆通信的全線貫通。基于邊疆地區(qū)氣候、環(huán)境等問題網(wǎng)絡(luò)易遭到破壞，在系統(tǒng)中加入了備用路由，通過相應(yīng)的協(xié)議控制，在現(xiàn)用路由遭到破壞或自身出現(xiàn)故障時能及時啟用備用路由，保障通信的暢通，使網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到增強(qiáng)。由于邊疆地區(qū)的環(huán)境及地理位置的關(guān)系，部分地區(qū)存在不穩(wěn)定因素，系統(tǒng)加入了身份識別系統(tǒng)，能夠有效的識別用戶，防止不法分子或別有用心的人進(jìn)行破壞。在突發(fā)的大容量通信需求情況下，系統(tǒng)可以通過相應(yīng)協(xié)議控制調(diào)整為多頻分級結(jié)構(gòu)，從而滿足突發(fā)的通信容量問題。

4 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

由于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)無中心、自組織、易建立、網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性好、終端移動性好等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于邊疆地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)是一個比較理想的選擇。同時邊疆的一些地區(qū)也是一些自然災(zāi)害的頻發(fā)地區(qū)，借助于Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)將使發(fā)生自然災(zāi)害時的救援效率得到很大提高。此外，由于邊疆地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)地域范圍大人口密度小，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用大，使用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的通信范圍的擴(kuò)充，同時達(dá)到降低建設(shè)費(fèi)用的目的。除此之外，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)還能應(yīng)用在以下方面：移動會議、家庭聯(lián)網(wǎng)、緊急服務(wù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、個人域網(wǎng)絡(luò)、軍事無線通信和搶險救災(zāi)等。

5 結(jié)束語

作為一種無線的自組織網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)定能夠在邊疆地區(qū)、偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)揮它不可替代的作用，同時在其他方面的應(yīng)用也將會使人們的生活發(fā)生巨大變化。

[1]王金龍，王呈貴，等.Ad Hoc移動無線網(wǎng)絡(luò)國防工業(yè)出版社，2004.

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[3]方旭明，何蓉，短距離無線與移動通信網(wǎng)路[M].人民郵電出版社，2004.

[4]Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)淺析[EB/OL].http://www.100PAPER.com