1 Ad hoc网络的起源和定义
战术通信网主要用于在战场环境条件下为战术兵团和部队（分队）指挥提供通信保障，其通信手段以无线移动通信为主。战术通信网对于保障战场环境的军事通信至关重要，许多国家都给予了高度重视。近年来，由蜂窝移动通信网络、无线局域网等组成的有中心结构网络和由Ad hoc网络、传感器网络等组成的无中心结构网络，以及基于综合体系的卫星网络已成为无线移动网络技术在民用通信和军事战场环境下的重要信息传输平台，并具有十分广阔的发展空间。
常见的移动网络是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络中，移动终端之间的通信必须借助于基站或移动交换机的转接完成；在无线局域网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。与此同时，蓝牙（Bluetooth）、家庭无线网（HomeRF）等无线通信技术也纷纷涌现。这些移动网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式的控制方式。但在某些特殊环境或紧急情况下，有固定基础设施的集中式控制方式并不适合。比如，战场上部队快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科考等[1]。因此需要针对这类场合研制一种不依赖基础设施且能够快速和灵活配置的移动通信网络技术，Ad hoc网络就是为满足这种特殊应用需求而产生的。
Ad hoc网络的前身是分组无线网（Packet Radio Network）。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[2]。作为移动网络的一种特殊形式，由于Ad Hoc网络不需要固定的基站，各节点均可以自由移动，且能实现动态的链接，加上其具有生存性极强、创建与移动极为方便的特点，广泛应用于军用通信、灾难援助等无法得到有线
网络支持，或某些只是临时需要通信但建立有线网络代价太大的环境，且可以作为生存性极强的后备网络。随着Ad Hoc网络研究的发展和相关产品的成熟，Ad Hoc网络越来越受到人们的重视，加之其应用领域越来越宽，因而其具有广泛的发展前景。
2 Ad hoc网络的研究现状
战术通信网是一种拓扑结构可变的网络。拓扑结构可变的网络包含四种基本结构：中心式控制结构、分层中心式控制结构、完全分布式控制结构和分层分布式控制结构。前两种属于集中式控制结构，由于中心控制节点易被发现和摧毁，所以不适合在战场环境中战术互联网中应用。
在分布式控制结构中，节点能力相同并且都可以移动，网络控制功能分散到多个节点或全部节点中，具有较好的抗毁性。与完全分布式控制结构对应的网络称为平面Ad Hoc网络，与分层分布式控制结构对应的网络称为分级Ad Hoc网络[3]。
2.1 平面结构
平面结构的网络比较简单，该网络中所有节点的功能和地位平等，所以又可称为对等式结构网络，如图1所示。
平面式结构中，网络中所有节点的功能和地位相等，不存在瓶颈节点，网络比较健壮，并且结点的覆盖范围比较小，相对比较安全。每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由，维护这些动态变化的路由信息需要大量的控制消息。在用户较多，特别是在移动的情况下，存在处理能力弱、控制开销大、路由经常出现中断等缺点，因此它主要适用于中小型网络。
2.2 分层结构
在分级结构中（如图2所示），网络被划分为群，每个群由一个群首和多个群成员组成，所有群首形成了高一级的网络。在高一级网络中，又可以分群，其中的群首再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，群首和群成员的身份可动态变化，节点仍然自动组网。群首节点负责群间数据的转发、协调和管理，使群内各节点合理工作，群首可以预先指定，也可以由节点使用分群算法自动选举产生。群首与现有的蜂窝移动系统中基站的主要区别在于它一般没有专用的硬件，本身也可以是一个移动节点，并且可以在若干节点中动态选择，只是与群内其他普通节点相比，它处理的是一些额外的工作。
分级Ad Hoc克服了平面结构的缺点。分级的结构使网络规模不受限制，可以通过增加群的个数或网络的级数来提高网络容量。假设一个群中的平均节点数为 ，网络分级数为 ，那么网络中的总节点数为 。如果使用平面状态路由，那么节点需要维护 条记录，而使用分级路由，节点最多只需维护 条记录，并且只有处于最高级群中的节点需要维护 条记录，因为它同时属于 个级别群，每个群中只需要维护 条记录。
3 现有的Ad hoc分群算法
由于移动自组网是动态拓扑、有限带宽及电池供电等，故其路由在节点数目增多时开销增大，扩展性较差。分群是解决Ad hoc网络可扩展性的有效方法，如构建一个无线中枢结构[4-6]，现有的分群算法分为两类：（1）指定或计算节点的权值，根据权值的大小确立群头地位，具体的原则包括最小ID (Min ID)[7]、最大度(Max Dgr)[8]、最大能量[9]、最大稳定度[10]等；（2）随机策略，所有节点公平竞争群头地位，如随机竞争[11]、基于支配集求解[12]等。许多分群算法都有分群数目过多、群间重叠、分群效率低的问题。在基于节点权值的分群算法中，任何在一跳范围内权值最大的节点都可以成为群头，群间重叠多，相邻群之间存在大量公共节点，重复的信息传递浪费了网络资源，每个节点在决定自己的身份之前需要等待相邻的具有更大权值的节点做决定，造成了分群过程的慢收敛[11]；采用随机策略，若允许群重叠，公共节点也可能很多；若不允许重叠，则可能会出现大量包含很少节点的群。
解争龙等从网络安全的角度提出了一种新的群首选择算法，并结合相应的负载平衡措施来改善该算法的性能，确保群内节点间通信的代价保持在一个较低的水平。该算法采取的负载平衡措施可最大限度地延长群首的生命周期，并能在新老群首交替时保持整个网络的稳定性[13]。
刘传辉等提出分级结构可以与部队编制相对应，形成分群网络结构[14]。北京交通大学提出一种应用于Ad hoc网络的基于节点类型的群首选举方法，考虑节点的类型，即节点所属的行政单位，并结合相对移动性快慢和距离远近这两个因素，提出了一个综合性的群首衡量指标：稳定性系数Ｓ，利用该系数进行群首的选择以及分群的形成。由本算法构成的分群网络，由于同一个群内的节点又尽可能的属于同一个行政单位，因而在各个单位各自离开从而导致网络分割的时候，会降低群首更迭的次数，提高网络的稳定性。能够在网络进行分割的时候有效的减少群首的更迭次数，达到稳定网络的目的[15]。
4 基于Ad hoc的按需路由协议
路由协议是Ad Hoc网络的重要组成部分。要实现多跳路由，必须要有路由协议的支持。IETF成立的MANET工作组目前就主要负责Ad Hoc网络IP层路由的标准化工作。针对路由协议目前已开展了多项研究工作，并取得了不少成果。
目前Ad Hoc网络的路由协议大体可以分为以下两种：表驱动路由协议和按需路由协议。比较典型的表驱动路由协议有目的序号距离矢量协议DSDV、无线路由协议WRP、群首网关交换路由协议CGSR等。比较典型的按需路由协议包括动态源路由协议DSR、按需驱动距离矢量路由协议AODV、临时路由需求协议TORA等。表驱动路由协议的优点是随时可以知道达到目的节点的路由，而且路由信息经过处理进行了优化，缺点是需要定期更新路由表信息，造成节点主机能量和网络带宽的浪费。按需路由协议中网络节点不必频繁交换信息，但当有发送需求时，才开始寻找路由，这样必然加大了时延[16-17]。
源头性的创新性研究主要集中在2001年以前，后续的成果多为对这些协议的改进。目前，路由协议的研究仍然是Ad hoc网络研究成果最集中的部分。不过，从实现的难度来看，这些协议距适用性要求还有一定的距离。国内学者所发表的Ad Hoc网络的主要研究成果基本上集中在路由协议的一些改进上，少量成果涉及对媒体接入控制(MAC)协议的研究。可以说国内在该研究领域基本上是刚刚起步。
马赛颖提出了一种改进方法，在基本保持无线路由器（Wireless Router，WR）的树形拓扑基础上，增加少量物理环路，使部分WR之间形成单跳路由[18]。
陈玲等探讨了一种基于AODV路由协议（Ad hoc On-demand Distant Vector,按需距离矢量路由算法）的改进算法——按需距离矢量多径路由算法（AODVM算法），并对其性能进行了简单仿真分析，对研究可靠多径路由有一定的指导意义[19]。
朱成刚以AODV路由协议为基础，提出了安全可信路由协议STRP_AODV协议和基于主观逻辑的安全可信路由协议模型。使用NS2仿真器，建立两个移动节点数不同的Ad hoc网络场景，并对AODV协议和STRP_AODV协议进行仿真测试，通过数据分析，表明所提出的模型以很小的代价建立了一条安全可信的路由[20]。
周满元等在Ad hoc按需距离矢量路由(AODV)协议的基础上，提出了一种具有实时意识的Ad hoc按需距离矢量路由协议(RAODV)，仿真实验表明它在整个网络范围内能满足尽可能多的实时业务需求[21]。
张安定等通过OPNET仿真平台对AODV、DSR两种Ad hoc路由协议进行了比较。通过考察路由发现时间、传输时延、路由跳数及网络吞吐量等性能指标，得出了两种协议的优缺点，并进行了初步的分析[22]。
吴晗星等设计了AODV路由协议的实现体系，经过仿真测试，并与DSDV、DSR协议进行了性能比较，表明该实现体系能够高效地创建和维护路由[23]。
龙昭华等在DSR路由发现过程中，引入了一种新的节点处理机制。采用OPNET对路由开销和时延等关键参数进行了仿真统计，结果表明这种优化在降低开销、减小网络负载方面起到了一定作用，但是在减小网络延迟方面还有缺陷[24]。
杜燕飞等采用鱼眼状态路由协议FSR（Fisheye State Routing），它是一个先验式(表驱动)的链路状态协议，他综合采用了距离矢量和链路状态两种协议的思想。并给出了FSR路由实现[25]。
苗建松等引入跨层设计思想，提出了一种改进的动态源路由协议，采用链路状态探测的方法，找到一条最稳定的路径并在通信过程中实时监测路径状态变化，及时进行软切换，有效降低通信中断的概率，从而提供服务质量保证[26]。
左国明基于蚁群优化算法(ACO)的Ad hoc路由算法的基础上提出了一种改进的基于蚂蚁算法的Ad hoc路由算法。该算法吸收了AODV的优点，并且在实现方面得到了改善。分析表明，该算法能大大提高系统的可靠性、鲁棒性，增强了通信网络的自适应能力[27]。
当前美军战术互联网的内部采用的是开放最短路径优先(OSPF)协议，用于连接自治系统内的不同区域；自治系统之间采用边界网关协议(BGP)，它在自治系统的核心路由器上运行，支持自治系统间的路由[28]。
张建涛等分析了一种无固定基础设施的战术通信混合网络体系结构，即Ad hoc网络与虚拟蜂窝（Virtual Cell）网络相结合的混合网络体系结构，并基于上述战术通信混合网络体系结构，依托面向连接、资源预留技术和基于流的QoS集成服务（IntServ）模型，详细分析这种网络体系结构的系统设计与实现问题[30]。
戴晖等提出并建立了战术移动Ad hoc（TA）网络移动模型（TAM）。通过仿真，分别模拟骨干网、子网的节点移动，真实反映战术移动Ad hoc网络拓扑变化，对于研究战场移动环境下的各层技术方案具有指导作用[31]。
戴晖等针对战术移动Ad hoc网络仿真需求，在OPNET仿真环境下设计并实现了战术移动Ad hoc网络仿真系统，该系统能够对战术移动Ad hoc网络各层协议进行仿真，通过仿真结果进行性能分析，获得网络支持的网络规模、网络吞吐量、业务服务质量等性能指标，对战术移动Ad hoc网络选择高效适用的技术方案具有实际参考价值[32]。
5 Ad hoc网络在军事中的应用
Ad hoc网络的许多优良特性为它在民用和军事通信领域占据一席之地提供了有利的依据。首先，网络的自组性提供了廉价而且快速部署网络的可能。其次，多跳和中间节点的转发特性可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少每个终端的发射范围，从而降低设计天线和相关发射接收部件的难度，也降低了设备的功耗，从而为移动终端的小型化、低功耗提供了可能。从共享无线信道的角度来看，Ad hoc网络降低了信号冲突的几率，提高了信道利用率。从对使用者的保护来看，高功率的无线电波产生的电磁辐射对用户的身体健康也有影响。另外，网络的鲁棒性、抗毁性满足了某些特定应用需求。
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，它是数字化战场通信的首选技术，并已经成为战术互联网的核心技术[29]。为了满足信息战和数字化战场的需要，美军研制了大量的无线自组织网络设备，用于单兵、车载、指挥所等不同的场合，并大量装备部队。美军的近期数字电台NTDR和无线互联网控制器等通信装备都使用了Ad hoc网络技术。
传感器网络是Ad hoc网络技术应用的另一大领域。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，并且传感器的发射功率很小。分散的传感器通过Ad hoc网络技术组成一个网络，可以实现传感器之间和与控制中心之间的通信。这种网络具有非常广阔的应用前景。
参考文献：
[1]王海涛. 未来个人通信的关键技术—移动Ad hoc网络. [EB/OL].(2006-04-15) [2008-05-28].http://zhangxi20.spaces.live.com/?_c11_BlogPart_BlogPart=blogview&_c=BlogPart&partqs=amonth%3d4%26ayear%3d2006.
[2] 郑少仁,王海涛,赵志峰,米志超,黎宁.Ad Hoc网络技术[M].北京:人民邮电出版社,2005.
[3] 移动Ad hoc网络的特点及应用[J]. http://www.chinaunicom.com.cn/profile/xwdt/ztbd/file1633.html.
[4] BAKER D J, EPHREMIDES A. The architectural organization of a mobile radio network via a distributed algorithm[J]. IEEE Transactions on Communications, 1981, 29(11): 1694-1701.
[5] EPHREMIDES A, WIESELTHIER J E, BAKER D J. A design concept for reliable mobile radio networks with frequency hopping signaling[J]. Proceedings of IEEE, 1987, 75(01): 56-73.
[6] PAREKH A K. Selecting routers in Ad-hoc wireless networks[C]//Proceedings of the SBT/IEEE International Telecommunications Symposium. Rio Janeiro: IEEE Press, 1994: 420-424.
[7] LIN C R, GERLA M. Adaptive clustering for mobile wireless networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1997, 15(07): 1265-1275.
[8] GERLA M, JACK Tzu-Chieh Tsai. Multicluster, mobile, multimedia radio network[J]. Journal of ACM Wireless Networks, 1995, 1(03): 255-265.
[9] SHELTAMI T, MOUFTAH H. A comparative study of on-demand and cluster-based routing protocols in MANETs[C]//In: Proceedings of IEEE IPCCC Workshop on EWCN′ 2003. Phoenix: [s.n.], 2003:291-295.
[10] KOZAT U C, KONDYLIOS G, RYU B, et al. Virtual dynamic backbone for mobile ad hoc networks[C]//In: Proc. ICC'01 Helsinki: [s.n.], 2001:1763-1772.
[11] GERLA M, TAEK Jin Kwo, PEI. Guang-yu. On demand routing in large Ad hoc wireless networks with passive clustering[C]//In: Proceedings of IEEE Wireless Communication and Network Conferenc. Chicago: [s.n.], 2000:23-28.
[12] WU Jie, GAO Ming, STOJMENOVIC I. On calculating Power-aware connected set for efficient routing in ad hoc wireless networks [J].Journal of Communications and Networks,2002,4(01):59-70.
[13] 解争龙,吴振强. 一种新的无线Ad hoc网络群头生成算法[J]. 电子科技大学学报,2007,36(04):759-762.
[14] 刘传辉,周新力,刘宴涛.战术互联网络体系结构[J]. 海军航空工程学院学报, 2008,23(01):43-48.
[15] 北京交通大学. 一种应用于ad hoc网络的基于节点类型的群首选举方法:中国.200610081528[P/OL]. 2006-11-15[2008-05-28].http://zhuanli.baidu.com/pages/sipo/20061008/15/50a76a2b98c481135e68b4b76ec644c6_0.html.
[16] 李浩君,邱飞岳,王丽萍.Ad hoc无线网络路由协议研究与展望. [EB/OL].(2007-11-10) [2008-05-28]. http://www.pcdog.com/network/wireless/18/10/n216020.html.
[17] 张纪忠,杨浩,周熙. 移动Ad Hoc网络路由协议分析[J].光通信研究,2007,(06):57-60.
[18] 马赛颖,无线自组织网络路由协议研究[D].电子科技大学硕士学位论文,2006.
[19] 陈玲,王华.移动Adhoc网络路由协议的研究——一种基于AODV路由协议的改进算法[J].微计算机信息,2006,22(03):167-169+202.
[20] 朱成刚.基于主观逻辑的MANET安全可信路由协议研究[D].电子科技大学硕士学位论文,2007.
[21] 周满元,周力为.实时Ad hoc按需距离矢量路由协议[J].电子科技大学学报,2007,36(06):1300-1303.
[22] 张安定,吕振肃,孙凯.基于OPNET的Ad hoc路由协议比较与分析[J].通信技术,2007,40(12):184-186.
[23] 吴晗星,付宇卓.无线自组网AODV路由协议的实现[J].计算机应用与软件,2007,24(12):149-150+179.
[24] 龙昭华,贺政,蒋贵全等. 基于Ad hoc的按需路由协议DSR的优化研究与实现[J].通信技术,2007,40(09):46-48.
[25] 杜燕飞,张日飞,钟联炯. Ad Hoc网络相关技术在战术互联网中的应用[J]. 电脑开发与应用, 2007,20(10):58-61.
[26] 苗建松,孙丹丹,丁炜.移动Adhoc网络中改进的动态源路由算法研究[J].电子科技大学学报,2008,37(01):97-100.
[27] 左国明,于万钧,胡兆玮等.基于改进蚁群算法的Ad hoc路由算法[J].计算机应用研究,2008,25(01):59-61+107.
[28] 王寒凝,王亚弟,韩继红. 战术互联网关键技术研究[J]. 计算机应用与软件, 2007,24(09):95-97+164.
[29] 杨勤泗,张宣.移动Ad hoc网在战术通信系统中的应用[J]. 中国新通信(技术版), 2008,(01):26-28.
[30] 张建涛,张剑. 战术通信混合网络体系结构设计及QoS保障[J]. 移动通信, 2007,(08):78-81.[31] 戴晖,于
全,汪李峰. 战术移动Ad hoc网络仿真中移动模型研究[J].系统仿真学报. 2007,19(05):1165-1169.
[32] 戴晖,于全,汪李峰. 战术移动Ad hoc网络仿真系统设计与实现[J].计算机工程与设计. 2007,28(03):653-656.
|
馆长信箱 
