Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種無需固定網(wǎng)絡(luò)作為支撐的網(wǎng)絡(luò)形式。由于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快速靈活、抗毀性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于軍事、搶險(xiǎn)救災(zāi)、電子教室等領(lǐng)域。這種網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域中一種有效的通信網(wǎng)絡(luò)形式，而且已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，如802.11系統(tǒng)、美軍海陸空一體化數(shù)字通信系統(tǒng)。
　　Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)可分為Ad-Hoc WLAN(Ad-Hoc Wireless Local Area Network) 和 Mobile Ad-Hoc兩類。Ad-Hoc WLAN網(wǎng)絡(luò)是一種全連通的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)與其它所有節(jié)點(diǎn)僅相距一跳范圍；Mobile Ad-Hoc 網(wǎng)絡(luò)，即MANET，是一種非全連通的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離大于或等于一跳范圍。圖1為上述兩種網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫疽鈭D。

1 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
　　與現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)不同，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)不依賴固定網(wǎng)絡(luò)，將地理位置分散的無線電臺(tái)有效地組織在一起相互通信。由于沒有中心基站的支持，組網(wǎng)的重?fù)?dān)就落在各個(gè)無線電臺(tái)上，因此這種網(wǎng)絡(luò)也被稱為自組織網(wǎng)。在移動(dòng)的環(huán)境下，各無線電臺(tái)間的通信鏈路" title="鏈路">鏈路是不固定的，甚至可能發(fā)生快速的變化。另外，應(yīng)用于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備大多為便攜設(shè)備或車載設(shè)備，設(shè)備體積不能很大，且功耗受限，因此這種網(wǎng)絡(luò)的單跳覆蓋范圍一般不會(huì)很大(軍事領(lǐng)域的某些應(yīng)用可能例外)，而且雙工方式大多為TDD(時(shí)分雙工)。
　　對(duì)于Mobile Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，拓?fù)涞木植窟B通性是一個(gè)十分重要的特點(diǎn)。正是該特點(diǎn)導(dǎo)致了Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中“隱藏終端”的問題。如圖1(b)所示，節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)C并不知道，這時(shí)如果節(jié)點(diǎn)C向B或D發(fā)送信息，會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)B處信號(hào)碰撞，無法正確接收信息。
2 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)多址接入?yún)f(xié)議
　　自從最早的ALOHA系統(tǒng)誕生以來，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。以往，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)主要集中在路由問題，對(duì)MAC協(xié)議的研究是近年來的熱點(diǎn)。早期的Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)采用的多址接入?yún)f(xié)議主要是ALOHA協(xié)議或CSMA(carrier sense multiple access)協(xié)議。由于CSMA協(xié)議較ALOHA協(xié)議性能優(yōu)良，而且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因此取得了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無論是ALOHA協(xié)議還是CSMA協(xié)議都顯得有些力不從心。下面，就CSMA協(xié)議存在的問題進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
　　·CSMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通過率與歸一化的載波檢測(cè)時(shí)延" title="時(shí)延">時(shí)延密切相關(guān)，其公式如下：
　　
　　其中，τ為載波檢測(cè)時(shí)延，它由鏈路的傳播時(shí)延和物理層的檢測(cè)時(shí)延組成；C為信道傳輸速率；L為分組長(zhǎng)度。由該公式可以發(fā)現(xiàn)：隨著傳播距離的增長(zhǎng)、信道速率的提高、分組長(zhǎng)度的縮小，β會(huì)相應(yīng)變大。當(dāng)β達(dá)到0.2～0.3，甚至更高時(shí)，CSMA這類協(xié)議的性能就已經(jīng)較差了(對(duì)于非時(shí)隙的CSMA/CD而言，β＝0.2時(shí)，系統(tǒng)的通過率不足45%)，不易再采用CSMA多址接入?yún)f(xié)議。
　　·在Mobile Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于隱藏終端和暴露終端的存在，使得CSMA協(xié)議對(duì)信道的利用率不高。
　　·CSMA協(xié)議是一種基于'競(jìng)爭(zhēng)'的多址接入?yún)f(xié)議，這樣的協(xié)議無法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)保證傳輸帶寬，分組在網(wǎng)絡(luò)中的平均時(shí)延方差也會(huì)因此較大，不適合實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或需要QoS保證的業(yè)務(wù)要求。
　　近年來，寬帶化是通信系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向，而CSMA協(xié)議的通過率會(huì)隨著信道速率的提高有所下降，顯然不適合現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展。利用有限的信道資源，盡可能傳輸更多的信息或者為更多的用戶提供服務(wù)一直是學(xué)者或工程師們追求的目標(biāo)，而CSMA協(xié)議的信道利用率不高，尤其是在Mobile Ad-hoc的網(wǎng)絡(luò)中，這是無法忍受的。另外，現(xiàn)代通信對(duì)多媒體業(yè)務(wù)的需求已經(jīng)越來越大，可CSMA協(xié)議無法為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)(話音業(yè)務(wù)或視頻業(yè)務(wù))提供服務(wù)，這顯然是要被淘汰的。
　　目前，在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議主要分為兩類，即基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和無競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。前面提到的ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議都是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議。由于這種協(xié)議在重負(fù)載下系統(tǒng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致了無競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議的出現(xiàn)。常見的無競(jìng)爭(zhēng)MAC協(xié)議有四類：基于FDMA或TDMA的固定多址協(xié)議、基于節(jié)點(diǎn)輪循(polling)的協(xié)議、基于令牌傳遞(token passing)的協(xié)議、基于動(dòng)態(tài)預(yù)約(dynamic reservation)的協(xié)議。
　　在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)體積功耗的限制，TDMA協(xié)議比FDMA協(xié)議更適合。但是，對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)模型，TDMA協(xié)議會(huì)造成較大的信道浪費(fèi)，而且對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)目隨時(shí)變化的TDMA系統(tǒng)，對(duì)時(shí)隙的管理會(huì)更加復(fù)雜。基于節(jié)點(diǎn)輪循或令牌傳遞的協(xié)定雖然較TDMA協(xié)議避免了許多信道浪費(fèi)，但是依然存在信道不必要的空閑或信息傳輸中不必要的延時(shí)。在上述情況下，動(dòng)態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議看來會(huì)成為最佳的選擇。
　　動(dòng)態(tài)預(yù)約的多址協(xié)議結(jié)合了基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和無競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)預(yù)約的對(duì)象在目前已有的協(xié)議中主要有兩類：一類是預(yù)約傳輸分組的權(quán)利，另一類是預(yù)約調(diào)度傳輸?shù)臋?quán)利。將這兩類協(xié)議分別標(biāo)記為第一類DR-MAC協(xié)議和第二類DR-MAC協(xié)議。
　　第一類DR-MAC協(xié)議比較典型的有：MACA、MACAW、FAMA、802.11、RAMA、BB Contention等。這類協(xié)議的基本思想都是節(jié)點(diǎn)在傳輸前通過RTS/CTS握手信號(hào)預(yù)約信道，預(yù)約到后，再無沖突傳輸。如圖1(b)所示，A向B發(fā)送信息前，先發(fā)出RTS預(yù)約分組，B收到RTS分組后，應(yīng)答CTS分組，允許發(fā)送。同時(shí)A的隱藏終端C也可得到通知，于是在A向B發(fā)送信息期間，C不會(huì)發(fā)送信息，AB間的信息傳輸自然是無沖突的。第一類DR-MAC協(xié)議的區(qū)別在于如何應(yīng)對(duì)RTS分組的碰撞。例如MACA協(xié)議采用基于分組幀聽的方法，而FAMA協(xié)議采用基于載波幀聽的策略。第二類DR-MAC協(xié)議有DQRAP、CARMA-NTG、GAMA等。
　　近年來，如何在Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)中采用動(dòng)態(tài)預(yù)約的TDMA協(xié)議一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于這種協(xié)議預(yù)約的同樣是傳輸分組的權(quán)利，因此將其也歸為第一類DR-MAC協(xié)議。這樣的協(xié)議有：D-TDMA、E-TDMA、FPRP等。這些協(xié)議關(guān)注的焦點(diǎn)都是如何預(yù)約信道，不同的預(yù)約策略可為業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量，占用的信道開銷當(dāng)然也不會(huì)相同。然而，對(duì)于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)，如何實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步是實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)的難點(diǎn)所在。從全網(wǎng)同步的角度出發(fā)，又可將Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)分為有中心的網(wǎng)絡(luò)和無中心的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于有中心的網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)都與中心節(jié)點(diǎn)直接相連，因此全網(wǎng)的同步信息可由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)布，其它節(jié)點(diǎn)都以中心節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)，與其保持時(shí)隙同步。對(duì)于無中心的網(wǎng)絡(luò)(大多數(shù)的Mobile Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)都是無中心的)如何實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步一直是一個(gè)難點(diǎn)。目前解決該問題的主要方法是以GPS定時(shí)信號(hào)為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的粗同步，再通過對(duì)訓(xùn)練序列相關(guān)運(yùn)算尋找相關(guān)峰，計(jì)算定時(shí)偏差，并自適應(yīng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的精確同步。
　　通過對(duì)上述多址接入?yún)f(xié)議的研究可以看到，用于Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)的多址接入?yún)f(xié)議應(yīng)具備如下特點(diǎn)：
　　·協(xié)議要能夠適應(yīng)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化，即自適應(yīng)拓?fù)渥兓?BR>　　·協(xié)議要能夠適應(yīng)不同業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的需求，保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量QoS，即自適應(yīng)業(yè)務(wù)變化；
　　·協(xié)議要能夠?yàn)椴煌瑑?yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)提供不同的服務(wù)質(zhì)量QoS(如緊急業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)要高于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)要高于非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))；
　　·協(xié)議要盡可能地避免信道的碰撞和不必要的空閑，同時(shí)減小控制開銷，提高對(duì)信道的利用率。
3 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)多址協(xié)議的開發(fā)
　　對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的工程，尤其是在條件有限的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。筆者的開發(fā)思想如圖2所示。

　　整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)" title="開發(fā)平臺(tái)">開發(fā)平臺(tái)由MAC協(xié)議開發(fā)平臺(tái)、物理層模擬平臺(tái)和信道模擬器三部分組成。通信軟件開發(fā)平臺(tái)和物理層模擬平臺(tái)合為一個(gè)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)。
3.1 MAC協(xié)議開發(fā)平臺(tái)
　　MAC協(xié)議開發(fā)平臺(tái)主要由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)及相關(guān)各種接口組成。對(duì)該平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要集中在嵌入式微處理器的選型上。在這里，筆者最關(guān)心的是處理器的處理速度能否滿足系統(tǒng)參數(shù)的需求。雖然，各種處理器都提供了相關(guān)的處理能力指標(biāo)(如ARM9處理器在200MHz的頻率下，處理能力為220MIPS)給用戶以參考，但是最終的軟件執(zhí)行時(shí)間還與軟件自身的設(shè)計(jì)及編譯器的編譯效率等因素有關(guān)。因此，這個(gè)問題很難有一個(gè)明確的結(jié)論。
　　筆者在設(shè)計(jì)中采用了ARM處理器運(yùn)行MAC協(xié)議軟件。對(duì)ARM處理器的選擇是通過下述方法確定的。首先，設(shè)計(jì)并編寫處理時(shí)間敏感的軟件，然后在AXD調(diào)試工具下調(diào)用ARMUL調(diào)試內(nèi)核，對(duì)編寫的軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。在調(diào)用ARMUL調(diào)試內(nèi)核時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用處理器的特點(diǎn)(如是否帶有MMU功能)、系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率、存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。運(yùn)行軟件時(shí)，調(diào)用Debugger Internals工具，就可以看到運(yùn)行整個(gè)軟件所需要的時(shí)鐘周期及對(duì)總線上各種時(shí)序的統(tǒng)計(jì)。由此可以判斷這部分軟件的運(yùn)行時(shí)間，以及選擇處理器能否滿足需要。另外，在選擇處理器時(shí)，應(yīng)注意給處理器留下一定的余量(一般，應(yīng)留下30％的處理余量)。
3.2 物理層模擬平臺(tái)
　　物理層模擬平臺(tái)主要由FPGA實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)可作為一個(gè)設(shè)備直接掛在上述處理器的總線上，也可以通過串口、USB口或其它接口與MAC協(xié)議開發(fā)平臺(tái)相連。這應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程需要選擇，筆者選擇的是前者。物理層模擬器的平臺(tái)框圖如圖3所示。