Ad hoc

Ad Hoc源自於拉丁語，意思是“for this”引申為“for this purpose only”，即“為某種目的設置的，特別的”意思，即Ad hoc網絡是一種有特殊用途的網絡。IEEE802.11標準委員會採用了“Ad hoc網絡”一詞來描述這種特殊的自組織對等式多跳移動通信網絡，Ad hoc網絡就此誕生。

Ad Hoc結構是一種省去了無線中介設備AP而搭建起來的對等網絡結構，只要安裝了無線網卡，計算機彼此之間即可實現無線互聯；其原理是網絡中的一台計算機主機建立點到點連接，相當於虛擬AP，而其他計算機就可以直接通過這個點對點連接進行網絡互聯與共享。 ^[1] 

本文首先介紹了Ad hoc網絡的特點和應用領域。然後對Ad hoc網絡的體系結構進行了研究，給出了結點和網絡的幾種組織結構。最後對Ad hoc網絡面臨的特殊問題進行了深入分析，並對這些問題的影響及引發的研究方向進行了討論。

我們經常提及的移動通信網絡一般都是有中心的，要基於預設的網絡設施才能運行。例如，蜂窩移動通信系統要有基站的支持；無線局域網一般也工作在有AP接入點和有線骨幹網的模式下。但對於有些特殊場合來説，有中心的移動網絡並不能勝任。比如，戰場上部隊快速展開和推進，地震或水災後的營救等。這些場合的通信不能依賴於任何預設的網絡設施，而需要一種能夠臨時快速自動組網的移動網絡。Ad hoc網絡可以滿足這樣的要求。

Ad hoc網絡的前身是分組無線網（Packet Radio Network）。對分組無線網的研究源於軍事通信的需要，並已經持續了近20年。早在1972年，美國DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）就啓動了分組無線網（PRNET,Packet Radio NETwork）項目，研究分組無線網在戰場環境下數據通信中的應用。項目完成之後，DARPA又在1993年啓動了高殘存性自適應網絡（SURAN,SURvivable Adaptive Network）項目。研究如何將prnet的成果加以擴展，以支持更大規模的網絡，還要開發能夠適應戰場快速變化環境下的自適應網絡協議。1994年，DARPA又啓動了全球移動信息系統（GloMo,Globle Mobile Information Systems）項目。在分組無線網已有成果的基礎上對能夠滿足軍事應用需要的、可快速展開、高抗毀性的移動信息系統進行全面深入的研究，並一直持續至今。1991年成立的IEEE802.11標準委員會採用了“Ad hoc網絡”一詞來描述這種特殊的對等式無線移動網絡。

在Ad hoc網絡中，結點具有報文轉發能力，結點間的通信可能要經過多箇中間結點的轉發，即經過多跳（MultiHop），這是Ad hoc網絡與其他移動網絡的最根本區別。結點通過分層的網絡協議和分佈式算法相互協調，實現了網絡的自動組織和運行。因此它也被稱為多跳無線網（MultiHop Wireless Network）、自組織網絡（SelfOrganized Network）或無固定設施的網絡（Infrastructureless Network）。

Ad hoc網絡是一種特殊的無線移動網絡。網絡中所有結點的地位平等，無需設置任何的中心控制結點。網絡中的結點不僅具有普通移動終端所需的功能，而且具有報文轉發能力。與普通的移動網絡和固定網絡相比，它具有以下特點：

Ad hoc網絡沒有嚴格的控制中心。所有結點的地位平等，即是一個對等式網絡。結點可以隨時加入和離開網絡。任何結點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

網絡的佈設或展開無需依賴於任何預設的網絡設施。結點通過分層協議和分佈式算法協調各自的行為，結點開機後就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

當結點要與其覆蓋範圍之外的結點進行通信時，需要中間結點的多跳轉發。與固定網絡的多跳不同，Ad hoc網絡中的多跳路由是由普通的網絡結點完成的，而不是由專用的路由設備（如路由器）完成的。

Ad hoc網絡是一個動態的網絡。網絡結點可以隨處移動，也可以隨時開機和關機，這些都會使網絡的拓撲結構隨時發生變化。　這些特點使得Ad hoc網絡在體系結構、網絡組織、協議設計等方面都與普通的蜂窩移動通信網絡和固定通信網絡有着顯著的區別。

由於Ad hoc網絡的特殊性，它的應用領域與普通的通信網絡有着顯著的區別。它適合被用於無法或不便預先鋪設網絡設施的場合、需快速自動組網的場合等。針對Ad hoc網絡的研究是因軍事應用而發起的。因此，軍事應用仍是Ad hoc網絡的主要應用領域，但是民用方面，Ad hoc網絡也有非常廣泛的應用前景。

它的應用場合主要有以下幾類：

軍事應用是Ad hoc網絡技術的主要應用領域。因其特有的無需架設網絡設施、可快速展開、抗毀性強等特點，它是數字人員戰場通信的首選技術。Ad hoc網絡技術已經成為美軍戰術互聯網的核心技術。美軍的近期數字電台和無線互聯網控制器等主要通信裝備都使用了Ad hoc網絡技術。

傳感器網絡是Ad hoc網絡技術的另一大應用領域。對於很多應用場合來説傳感器網絡只能使用無線通信技術。而考慮到體積和節能等因素，傳感器的發射功率不可能很大。使用Ad hoc網絡實現多跳通信是非常實用的解決方法。分散在各處的傳感器組成Ad hoc網絡，可以實現傳感器之間和與控制中心之間的通信。這在爆炸殘留物檢測等領域具有非常廣闊的應用前景。

在發生了地震、水災、強熱帶風暴或遭受其他災難打擊後，固定的通信網絡設施（如有線通信網絡、蜂窩移動通信網絡的基站等網絡設施、衞星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毀或無法正常工作，對於搶險救災來説，這時就需要Ad hoc網絡這種不依賴任何固定網絡設施又能快速佈設的自組織網絡技術。類似地，處於邊遠或偏僻野外地區時，同樣無法依賴固定或預設的網絡設施進行通信。Ad hoc網絡技術的獨立組網能力和自組織特點，是這些場合通信的最佳選擇。

個人局域網（PAN,Personal Area Network）是Ad hoc網絡技術的另一應用領域。不僅可用於實現PDA、手機、手提電腦等個人電子通信設備之間的通信，還可用於個人局域網之間的多跳通信。藍牙技術中的超網（Scatternet）就是一個典型的例子。

Ad hoc網絡還可以與蜂窩移動通信系統相結合，利用移動台的多跳轉發能力擴大蜂窩移動通信系統的覆蓋範圍、均衡相鄰小區的業務、提高小區邊緣的數據速率等。在實際應用中，Ad hoc網絡除了可以單獨組網實現局部的通信外，它還可以作為末端子網通過接入點接入其他的固定或移動通信網絡，與Ad hoc網絡以外的主機進行通信。因此，Ad hoc網絡也可以作為各種通信網絡的無線接入手段之一。

Ad hoc網絡中的結點不僅要具備普通移動終端的功能，還要具有報文轉發能力，即要具備路由器的功能。因此，就完成的功能而言可以將結點分為主機、路由器和電台三部分。其中主機部分完成普通移動終端的功能，包括人機接口、數據處理等應用軟件。而路由器部分主要負責維護網絡的拓撲結構和路由信息，完成報文的轉發功能。電台部分為信息傳輸提供無線信道支持。從物理結構上分，結構可以被分為以下幾類：單主機單電台、單主機多電台、多主機單電台和多主機多電台。手持機一般採用的單主機單電台的簡單結構。作為複雜的車載台，一個結點可能包括通信車內的多個主機。多電台不僅可以用來構建疊加的網絡，還可用作網關結點來互聯多個Ad hoc網絡。

Ad hoc網絡一般有兩種結構：平面結構和分級結構。　在平面結構中，所有結點的地位平等，所以又可以稱為對等式結構。 　分級結構中，網絡被刈分為簇。每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成。這些簇頭形成了高一級的網絡。在高一級網絡中，又可以分簇，再次形成更高一級的網絡，直至最高級。在分級結構中，簇頭結點負責簇間數據的轉發。簇頭可以預先指定，也可以由結點使用算法自動選舉產生。　分級結構的網絡又可以被分為單頻分級和多頻分級兩種。單頻率分級網絡中，所有結點使用同一個頻率通信。為了實現簇頭之間的通信，要有網關結點（同時屬於兩個簇的結點）的支持。而在多頻率分組網絡中，不同級採用不同的通信頻率。低級結點的通信範圍較小，而高級結點要覆蓋較大的範圍。高級的結點同時處於多個級中，有多個頻率，用不同的頻率實現不同級的通信。在兩級網絡中，簇頭結點有兩個頻率。頻率1用於簇頭與簇成員的通信。而頻率2用於簇頭之間的通信。分級網絡的每個結點都可以成為簇頭，所以需要適當的簇頭選舉算法，算法要能根據網絡拓撲的變化重新分簇。　平面結構的網絡比較簡單，網絡中所有結點是完全對等的，原則上不存在瓶頸，所以比較健壯。它的缺點是可擴充性差：每一個結點都需要知道到達其他所有結點的路由。維護這些動態變化的路由信息需要大量的控制消息。在分級結構的網絡中，簇成員的功能比較簡單，不需要維護複雜的路由信息。這大大減少了網絡中路由控制信息的數量，因此具有很好的可擴充性。由於簇頭結點可以隨時選舉產生，分級結構也具有很強的抗毀性。分級結構的缺點是，維護分級結構需要結點執行簇頭選舉算法，簇頭結點可能會成為網絡的瓶頸。 　因此，當網絡的規模較小時，可以採用簡單的平面式結構；而當網絡的規模增大時，應用分級結構。

個性化問題，就是那些不能用一種已經被充分研究的算法來解決的問題。每個個性化問題都是不同的；沒有具體的或者一般的算法能夠解決這類問題。

當然，這使得問題個個有趣，而後讓每個人面對一個新的挑戰。解決此問題可能需要一種新的數據結構或者一套不尋常的循環或條件的組合。有時候，這些問題所需要的解決方案是十分罕見的，或至少很少遇到的。

個性化問題通常需要認真審題，有時候做題者會因要將題目中的細枝末節仔細聯繫起來而放棄此題。

個性化問題仍然需要合理的優化和某種程度上的分析，例如避免使用五層嵌套的循環。

Ad Hoc網絡的無線信道是多跳共享的多點信道，所以不同於普通網絡的共享廣播信道、點對點無線信道和蜂窩移動通信系統中由基站控制的無線信道。該技術控制節點如何接入無線信道。信道接入技術主要是解決隱藏終端和暴露終端問題，影響比較大的有MAC協議，控制信道和數據信道分裂的雙信道方案和基於定向天線的MAC協議，以及一些改進的MAC協議。

網絡主要是為數據業務設計的，沒有對體系結構做過多考慮，但是當Ad Hoc網絡需要提供多種業務並支持一定的QoS時，應當考慮選擇最為合適的體系結構，並需要對原有協議棧重新進行設計。

Ad Hoc路由面臨的主要挑戰是傳統的保存在結點中的分佈式路由數據庫如何適應網絡拓撲的動態變化。Ad Hoc網絡中多跳路由是由普通節點協作完成的，而不是由專用的路由設備完成的。因此，必須設計專用的、高效的無線多跳路由協議。目前，一般普遍得到認可的代表性成果有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA和ZRP等。至今，路由協議的研究仍然是Ad Hoc網絡成果最集中的部分。

Ad Hoc網絡出現初期主要用於傳輸少量的數據信息。隨着應用的不斷擴展，需要在Ad Hoc網絡中傳輸多媒體信息。多媒體信息對時延和抖動等都提出了很高要求，即需要提供一定的QoS保證。Ad Hoc網絡中的QoS保證是系統性問題，不同層都要提供相應的機制。

由於Ad Hoc網絡的特殊性，廣播和多播問題變得非常複雜，它們需要鏈路層和網絡層的支持。目前這個問題的研究已經取得了階段性進展。

由於Ad Hoc網絡的特點之一就是安全性較差，易受竊聽和攻擊，因此需要研究適用於Ad Hoc網絡的安全體系結構和安全技術。

Ad Hoc網絡管理涉及面較廣，包括移動性管理、地址管理和服務管理等，需要相應的機制來解決節點定位和地址自動配置等問題。

可以採用自動功率控制機制來調整移動節點的功率，以便在傳輸範圍和干擾之間進行折衷；還可以通過智能休眠機制，採用功率意識路由和使用功耗很小的硬件來減少節點的能量消耗。

安卓系統的手機和平板可以使用wifi，理論上可以使用wifi共享精靈把筆記本電腦的無線網卡虛擬成熱點，再讓其它無線設備通過無線（包括WIFI）連接到熱點上，從而使多台設備同時共享上網了。

而winXP系統的筆記本虛擬出來的熱點是adhoc信號的，原生的安卓系統並不支持adhoc，因此就需要對安卓系統打adhoc補丁 ^[2]  ，將下載adhoc補丁寫入到安卓系統文件中，成功後就可以將安卓設備直接鏈接到虛擬熱點中共享上網，省了購買無線路由的費用。