1 引言

2 ad hoc網(wǎng)絡

2.1基本概念

“ad hoc”源于拉丁語,，意為“特殊的”,，它由一系列可任意移動的節(jié)點組成，網(wǎng)絡節(jié)點動態(tài)且任意分布,，節(jié)點之間通過無線方式互連,，每個網(wǎng)絡節(jié)點同時具有終端和路由器的雙重功能，圖1展示了典型ad hoc網(wǎng)絡的結構,。由于自組織特性,，adhoc的網(wǎng)絡拓撲、信道環(huán)境,、業(yè)務模式隨節(jié)點的移動而動態(tài)改變,。ad hoc網(wǎng)絡研究的最初目的是滿足戰(zhàn)場生存的軍事需求，在戰(zhàn)場惡劣的環(huán)境下通信無法依賴已經(jīng)敷設的通信基礎設施,，因為一方面這些設施可能根本不存在,，另一方面這些設施隨時可能遭到破壞。由于組網(wǎng)快速,、靈活,、使用方便，目前ad hoc網(wǎng)絡已得到學術界和工業(yè)界的廣泛關注,，并得到越來越多應用,，逐漸成為移動通信領域發(fā)展的重要方向。

圖1 ad hoc網(wǎng)絡結構

2.2技術特點和應用場合

由于ad hoc網(wǎng)絡具有自組織特性,，且提供了更為靈活的組網(wǎng)方式,，因此其具有很多傳統(tǒng)有線、無線網(wǎng)絡不具備的特性：

（1）無中心和自組織性

這是ad hoc網(wǎng)絡的最大特點,。網(wǎng)絡中沒有絕對的控制中心,，所有節(jié)點的地位平等，網(wǎng)絡中的節(jié)點通過分布式算法來協(xié)調(diào)彼此的行為,，無需人工干預和任何其他預置的網(wǎng)絡設施,，可以在任何時刻任何地方快速展開并自動組網(wǎng)。由于網(wǎng)絡的分布式特征,、節(jié)點的冗余性和不存在單點故障點,，adhoc網(wǎng)絡的健壯性和抗毀性很好,。

（2）動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲

ad hoc網(wǎng)絡中，移動終端能夠以任意速度和任意方式在網(wǎng)中移動,，并可以隨時關閉電臺。加上無線發(fā)送裝置的天線類型多種多樣,，發(fā)送功率的變化,，無線信道間的相互干擾，地形和天氣等綜合因素的影響,，移動終端間通過無線信道形成的網(wǎng)絡拓撲隨時可能發(fā)生變化,，而且變化的方式和速度都難以預測。

（3）受限和時變的無線傳輸帶寬

ad hoc網(wǎng)絡采用無線傳輸技術作為底層通信手段,，由于無線信道本身的物理特性,，它所能提供的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。此外,，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的沖突,、信號衰減、噪音和信道之間干擾等多種因素,，移動終端得到的實際帶寬遠遠小于理論上的最大帶寬,。同時，與有線網(wǎng)絡不同,，由于拓撲動態(tài)變化導致每個節(jié)點轉發(fā)的非自身作為目的地的業(yè)務量隨時間而變化,，它的鏈路容量表現(xiàn)出時變特征。

（4）多跳路由

由于節(jié)點發(fā)射功率受限,，節(jié)點的覆蓋范圍有限,，當它要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點進行通信時，需要中間節(jié)點的轉發(fā),。此外,，自組織網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通節(jié)點協(xié)作完成的，而不是由專用的路由設備（如路由器）完成的,。

（5）能量受限

由于網(wǎng)絡節(jié)點的移動特征,，其中大多數(shù)節(jié)點以電池作為動力。因而,，在進行系統(tǒng)設計時,，節(jié)能就成為一個非常重要的指標。

（6）安全性較差

ad hoc網(wǎng)絡是一種特殊的無線移動網(wǎng)絡,，由于采用無線信道,、有限電源、分布式控制等技術,，更容易受到被動竊聽,、主動入侵,、拒絕服務等網(wǎng)絡攻擊。如果不在網(wǎng)絡層或數(shù)據(jù)鏈路層增加一些安全措施,，ad hoc網(wǎng)絡很容易受到監(jiān)聽網(wǎng)絡傳輸,、重新傳輸、對分組頭進行操作和重定向路由信息等攻擊,。因此,，信道加密、抗干擾,、用戶認證和其他安全措施都需要特別考慮,。

由于ad hoc網(wǎng)絡的特殊性，它的應用領域與普通的通信網(wǎng)絡有著顯著的區(qū)別,。它適用于無法或不便預先鋪設網(wǎng)絡設施的場合和需要快速自動組網(wǎng)的場合等,。軍事應用仍是ad hoc網(wǎng)絡的主要應用領域，但在民用方面也有非常廣泛的應用前景,，其應用場合主要有：軍事應用,、緊急事故和臨時場合、個人通信,、與移動通信系統(tǒng)的結合等方面,。

3 無線傳感器網(wǎng)絡

3.1基本概念

無線傳感器網(wǎng)絡被認為是21世紀最重要的技術之一，它將會對人類未來的生活方式產(chǎn)生深遠影響,。近年來隨著無線通信,、集成電路、傳感器以及微機電系統(tǒng)（MEMS）等技術的飛速發(fā)展,，低成本,、低功耗、多功能的微型無線傳感器的大量生產(chǎn)成為可能,，這些微型無線傳感器具有無線通信,、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能,，無線傳感器網(wǎng)絡（簡稱傳感器網(wǎng)絡）就是由許多這種微型無線傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的,。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點可以隨機或者特定地部署在目標環(huán)境中，它們之間通過特定的協(xié)議自組織起來,，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務,。圖2所示為無線傳感器網(wǎng)絡的結構。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡的結構

傳感器網(wǎng)絡最初來源于美國DARPA的一個研究項目,。由于當時技術條件的限制,，傳感器網(wǎng)絡的應用只能局限于軍方的一些項目中，難以得到推廣和發(fā)展。近年來隨著無線通信,、微處理器,、MEMS等技術的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡的理想藍圖能夠得以實現(xiàn),，其應用前景越來越廣,，國外研究機構對它的研究也正方興未艾。

3.2技術特點和應用場合

傳感器網(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡相比有一些獨有的特點,，正是由于這些特點使得傳感器網(wǎng)絡存在很多新問題,，對其提出了很多新的挑戰(zhàn)。傳感器網(wǎng)絡的主要特點有：

（1）傳感器網(wǎng)絡節(jié)點電池能量有限且不可充電,，整個網(wǎng)絡是能量受限的

由于傳感器節(jié)點的微型化，節(jié)點的電池能量有限,，而且由于物理環(huán)境限制難以給節(jié)點更換電池,，所以傳感器節(jié)點的電池能量受限是整個傳感器網(wǎng)絡設計中的最關鍵的約束之一，直接決定了網(wǎng)絡的工作壽命,。

（2）傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量大,、密度高

由于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的微型化，每個節(jié)點的通信和傳感半徑很有限,，一般為幾十米范圍之內(nèi),，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài),，所以往往通過鋪設大量的傳感器節(jié)點來保證網(wǎng)絡的質(zhì)量,。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量和密度都要比adhoc網(wǎng)絡高幾個數(shù)量級，可能達到每平方米上百個節(jié)點的密度,，甚至多到無法為單個節(jié)點分配統(tǒng)一的物理地址,。這會帶來一系列問題，如信號沖突,、信息的有效傳送路徑的選擇,、大量節(jié)點之間如何協(xié)同工作等。

（3）以數(shù)據(jù)為中心

所謂以數(shù)據(jù)為中心就是節(jié)點把來自多條路由的數(shù)據(jù)進行聚合,，消除冗余,，讓傳輸?shù)臄?shù)據(jù)最小化，從而達到節(jié)省能量的目的,。傳感器網(wǎng)絡是高密度網(wǎng)絡,，很多節(jié)點會探測到同一個物理現(xiàn)象，因此傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)就會存在冗余,。無線傳感器網(wǎng)絡把路由和網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)聚合聯(lián)合考慮,，以求達到最大節(jié)省能量的目的。

（4）動態(tài)拓撲結構變化

傳感器節(jié)點在工作和睡眠狀態(tài)之間切換以及傳感器節(jié)點隨時可能由于各種原因發(fā)生故障而失效，或者有新的傳感器節(jié)點補充進來以提高網(wǎng)絡的質(zhì)量等,，這些特點都使得傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構變化很快,，這對網(wǎng)絡各種算法（如路由算法和鏈路質(zhì)量控制協(xié)議等）的有效性提出了挑戰(zhàn)。此外,，如果節(jié)點具備移動能力,，也有可能帶來網(wǎng)絡的拓撲變化。

無線傳感器網(wǎng)絡以其自組織性,、微型性,、低成本、靈活性等特點,，在軍事,、環(huán)境科學、醫(yī)療健康,、空間探索,、商業(yè)應用等領域有著非常廣泛的應用前景。

4 無線Mesh網(wǎng)絡

4.1基本概念

無線Mesh網(wǎng)絡是下一代無線網(wǎng)絡中的關鍵技術,，近幾年得到人們廣泛關注和快速發(fā)展,。它是一種動態(tài)自組織網(wǎng)絡，網(wǎng)絡中節(jié)點以adhoc的方式組成網(wǎng)絡并維持Mesh結構,。通常把它看作是adhoc網(wǎng)絡的一種簡化版本,，但兩者有一定區(qū)別。無線Mesh網(wǎng)絡中的接入點既可以作為adhoc的對等數(shù)據(jù)轉發(fā)實體,，完成數(shù)據(jù)路由轉發(fā)功能,，又可以作為一種連接到其他有線網(wǎng)絡的網(wǎng)橋連接器。無線Mesh網(wǎng)絡是一種高容量,、高速率的多點對多點網(wǎng)絡,，是為解決“最后一公里”問題而提出的無線分布式網(wǎng)絡。

無線Mesh網(wǎng)絡中包含兩種類型節(jié)點：Mesh路由器和Mesh客戶端,。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的網(wǎng)橋或者網(wǎng)關,，Mesh路由器具備其他特殊的功能來支持Mesh網(wǎng)絡，通過多跳路由,，Mesh路由器可以用較低的功率覆蓋同樣的面積,。為了進一步提高Mesh網(wǎng)絡靈活性，Mesh路由器具備多種無線接口以支持多種無線接入技術,。雖然有很多不同,，但Mesh路由器與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡路由器在硬件平臺上基本相似。

Mesh路由器通常不具有移動性,，它們構成Mesh網(wǎng)絡的主干部分并向Mesh客戶端提供無線接入服務,。雖然Mesh客戶端在某種情況下也可以臨時充當Mesh路由器，但在硬件和軟件方面，它都要比Mesh路由器簡化一些,。例如,，在通信協(xié)議方面，Mesh客戶端都是輕負載的,，不具備網(wǎng)關和網(wǎng)橋的功能,，只有一個簡單的無線接口。無線Mesh網(wǎng)絡結構分為3種類型：

（1）骨干型無線Mesh網(wǎng)絡

Mesh網(wǎng)絡為保證客戶端接入互聯(lián)網(wǎng)形成一個主干結構,，如圖3所示,。骨干網(wǎng)結構可以采用多種射頻技術，目前IEEE802.11技術最為常見,。所有的Mesh路由器形成一個具有自愈功能的自組織網(wǎng)絡,，路由器具有網(wǎng)關作用，可以接入互聯(lián)網(wǎng),。這種結構通過路由器的網(wǎng)關,、網(wǎng)橋功能，可以讓Mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接,。對于傳統(tǒng)的客戶端，利用同樣的射頻技術就可以實現(xiàn)與路由器的連接,。

圖3 結構型無線Mesh網(wǎng)絡

（2）客戶型無線Mesh網(wǎng)絡

客戶型無線Mesh網(wǎng)絡提供一種端對端的網(wǎng)絡結構,，如圖4所示?？蛻舳诵纬蓪嶋H網(wǎng)絡并為其他客戶提供服務,，因此在這種網(wǎng)絡中不需要Mesh路由器?？蛻粜蚆esh網(wǎng)絡通常只采用一種射頻技術,，因此有些類似傳統(tǒng)的adhoc網(wǎng)絡。但是,，在網(wǎng)絡終端方面,，客戶型Mesh網(wǎng)絡與結構型無線Mesh網(wǎng)絡相比要強大很多。

圖4 客戶型無線Mesh網(wǎng)絡

（3）混合型Mesh網(wǎng)絡

它把結構型Mesh網(wǎng)絡和客戶型無線Mesh網(wǎng)絡結合起來,，Mesh網(wǎng)絡客戶端通過路由器接入網(wǎng)絡,，也可以與其他Mesh客戶端共同組成Mesh網(wǎng)絡。

4.2技術特點和應用場合

無線Mesh網(wǎng)絡作為一種寬帶無線分布式網(wǎng)絡,，與adhoc網(wǎng)絡和無線傳感器網(wǎng)絡相比既有繼承點又有不同點：

·無線Mesh網(wǎng)絡支持adhoc網(wǎng)絡,，具有自形成、自恢復和自組織特點,。

·無線Mesh網(wǎng)絡是多跳網(wǎng)絡,。

·Mesh路由器沒有移動性，可以完成復雜的路由和配置，大大減輕Mesh終端和客戶端的負載,。

·Mesh路由器集成混合網(wǎng)絡,，包括有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡。因此,，多種網(wǎng)絡可以并存于無線Mesh網(wǎng)絡中,。

·Mesh路由器和Mesh客戶端的功耗限制不同。

·無線Mesh網(wǎng)絡不是孤立網(wǎng)絡,，必須兼容其他網(wǎng)絡,。

除了以上特點，無線Mesh網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的點對點網(wǎng)絡的結構相比具有較多優(yōu)勢,，主要表現(xiàn)在可靠性提高,、碰撞減輕、無線鏈路設計簡化,、維護簡便等幾個方面,。

無線Mesh網(wǎng)絡的最主要應用為骨干Mesh網(wǎng)。無線Mesh網(wǎng)的骨干通常是指網(wǎng)絡中構成主要數(shù)據(jù)傳輸線路的高速鏈路,，即Mesh路由器之間的無線鏈路,。傳統(tǒng)上，骨干網(wǎng)采用光纖將各個邊緣網(wǎng)絡連接起來,，而無線Mesh網(wǎng)絡中只有一個或幾個Mesh路由器連接到有線網(wǎng)中,。無線Mesh網(wǎng)絡的骨干網(wǎng)可以部署在室內(nèi)，也可以部署在室外,，室外設備通常附著在街燈上或者建筑物外表面有電力可用的地方,。

5 結束語

綜上所述，adhoc網(wǎng)絡,、無線傳感器網(wǎng)絡和無線Mesh網(wǎng)絡作為目前無線分布式網(wǎng)絡最具代表性的3種類型,，都采用分布式、自組織的思想形成網(wǎng)絡,，網(wǎng)絡每個節(jié)點都具備路由功能,，隨時為其他節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸提供路由和中繼服務。adhoc網(wǎng)絡主要側重應用于移動環(huán)境中,，確保網(wǎng)絡內(nèi)任意兩個節(jié)點的可靠通信,，網(wǎng)絡內(nèi)數(shù)據(jù)流可以包括語音、數(shù)據(jù)和多媒體信息,；無線傳感器網(wǎng)絡是adhoc網(wǎng)絡的一種特殊形式,，側重于利用分布、自組織思想實現(xiàn)對某個區(qū)域的物理現(xiàn)象的監(jiān)測,，網(wǎng)絡內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流為低速率的數(shù)據(jù),；無線Mesh網(wǎng)絡是一種無線寬帶接入網(wǎng)絡,，利用分布式思想構建網(wǎng)絡，讓用戶在任何時間,、任何地點都可以對互聯(lián)網(wǎng)進行高速無線訪問,。

無線分布式網(wǎng)絡在近幾年得到了快速發(fā)展，人們也對其未來寄予了美好的憧憬,。但由于其不同于以往傳統(tǒng)網(wǎng)絡的特性,，導致研究和應用中存在很多難題，如：能量問題,，高效,、可靠的媒體接入控制協(xié)議，可靠的多跳路由算法等,，這些難題將成為無線分布式網(wǎng)絡能否順利發(fā)展的障礙,，需要進行進一步的研究。