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2.无线自组网的基本概念
13-09-22    奋斗的小年轻
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本书用通俗易懂的语言系统介绍了物联网的相关概念与技术,主要内容包括物联网概论、物联网感知层技术、物联网网络层技术、物联网应用层技术、物联网信息安全技术以及物联网在各个领域的典型应用。本书在内容描述立即去当当网订购

IEEE将无线自组网定义为一种特殊的自组织、对等式、多跳、无线移动网络(Mobile Ad hoc NETwork,MANET),它是在无线分组网的基础上发展起来的。研究无线自组网的动机其实很简单。在军事应用中,如果多个头盔中带有无线网络节点的单兵之间要进行通信,需要借助于传统互联网中的路由器的话,那么在战场上只要找到路由器的位置,把路由器破坏掉,那么整个网络的通信就中断了,配备再好设备的单兵也无法接受上级的指令,就变成了“无头苍蝇”。于是,设计者提出了另一种思路:让每一个单兵头盔上的计算装置既能够计算,又能够作为路由器参与组网与转发数据。这样,无论士兵之间的相互位置如何改变,他们头盔中的无线自组网节点天线能够快速地接收到邻近节点的无线信号,节点的路由器模块再根据当时的相邻节点位置,启动路由算法,自动调整节点之间的通信关系,形成新的网络拓扑结构。无线自组网的基本工作原理如图2-26所示。

 

无线自组网有多个英文名称,如Ad hoc Network 、Self-organizing Network、Infrastructureless Network 与Multi-hop Network。1991年5月,IEEE正式采用“Ad hoc网络”这个名称。Ad hoc这个词来源于拉丁语,它的本意是“向这个”,在英语中的含义是“for the specific purpose only”,即“专门为某个特定目的、即兴的、事先未准备的”意思。IEEE将Ad hoc网络定义为一种特殊的自组织、对等、多跳、无线移动网络。

无线自组网(Ad hoc)采用的是一种不需要基站的“对等结构”移动通信模式,网络中所有联网设备可以在移动过程中动态组网。例如,一群坦克、装甲运兵车、军舰、飞机、一个战斗集体的战士头盔上的计算设备之间,都可以在移动过程中组成Ad hoc网络,完成传达命令、用文字、语音、图像与视频方式交换战场信息的目的。在民用领域,一群行进在高速公路上的汽车之间可以动态组成一个车载Ad hoc网络,提高行车速度与主动安全性;展览会、学术会议、应急指挥现场的工作人员可以不依赖于基站和路由器,快速将计算机、PDA或其他数字终端设备组成一个临时的Ad hoc网络。因此,Ad hoc网络是一种不需要建立基站的无线移动网络,是一种可以在任何地点、任何时刻迅速构建的移动自组织网络。

Ad hoc网络具有以下几个主要特点:

(1)自组织与独立组网

Ad hoc网络不需要任何预先架设的无线通信基础设施,所有节点通过分层的协议体系与分布式算法来协调每个节点各自的行为。节点可以快速、自主和独立地组网。

(2)无中心控制节点

Ad hoc网络是一种对等结构的网络。网络中所有节点的地位平等,没有专门用于分组路由、转发的路由器。任何节点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络系统的工作。

(3)多跳路由

由于每个节点的无线发射功率的限制,每个节点的覆盖范围都有限。有效发射功率之外的节点之间通信,必须通过中间节点的多跳转发来完成。由于Ad hoc网络不需要使用路由器,因此分组转发由多跳节点按照路由协议来协同完成。

(4)动态拓扑

由于Ad hoc网络允许节点根据自己的需要开启或关闭,并且允许节点在任何时间以任意速度和方向移动,同时受节点的地理位置、无线通信信道发射功率、天线覆盖范围,以及信道之间干扰等因素的影响,使得节点之间的通信关系会不断变化,造成Ad hoc网络的拓扑会动态改变。因此,要保证Ad hoc网络的正常工作,就必须采取特殊的路由协议与实现方法。

(5)无线传输的局限与节点能量的限制性

由于无线信道的传输带宽比较窄,部分节点可能采用单向传输信道,同时无线信道易受干扰和窃听,因此必须采取特殊的技术保证Ad hoc网络的安全性、可扩展性。同时,由于移动节点必须具有携带方便、轻便灵活的特点,因此在CPU、内存与整体外部尺寸上都有比较严格的限制。移动节点一般使用电池来供电,每个节点中的电池容量有限,节点能量受限,因此必须采用节约能量的措施,以延长节点工作时间。

(6)网络生存时间的限制

Ad hoc网络通常是针对某种特殊目的而临时构建的,例如用于战场、救灾与突发事件等,在事件结束后Ad hoc网络应该自行结束使命并消失,因此Ad hoc网络相对于固定网络而言是临时性的,生存时间是短暂的。

Ad hoc网络技术最初是想应用于军事领域,它无需事先架设通信设施,可以快速展开和组网,抗毁坏性好,因此Ad hoc网络已成为未来数字化战场通信的首选技术,并在近年得到迅速发展。Ad hoc网络可以支持野外联络、独立战斗群通信和舰队战斗群通信、临时通信要求和无人侦察与情报传输。在民用领域,它在办公、会议、个人通信、紧急状态通信等应用领域都有重要的前景。Ad hoc网络的快速组网能力,可以免去布线和部署网络设备的麻烦,使得它可以用于会议、庆典、展览等临时性工作场合的通信。在室外临时性环境中,工作团体的所有成员可以通过Ad hoc方式组成的一个临时网络协同工作。在发生地震、水灾、火灾或遭受其他灾难时,固定的通信网络设施可能全部损毁或无法正常工作。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。Ad hoc网络能够在这些恶劣和特殊的环境下提供通信支持。当处于偏远或野外地区时,无法依赖固定或预设的网络设施进行通信,Ad hoc网络技术也是最佳选择,它可以用于野外科考队、边远矿山作业、边远地区执行任务分队的通信等。对于像执行运输任务的汽车队这样的动态场合,Ad hoc网络技术也可以提供很好的通信支持。研究人员正在开展将Ad hoc网络技术应用于高速公路上自动驾驶汽车间的通信的研究。Ad hoc网络技术可以用于家庭无线网络、移动医疗监护系统、无线车载网,开展移动和可穿戴计算等领域的研究中。

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