MANET的关键技术及其在军事通信中的应用_物联网应用中的三项关键技术

摘　要：MANET因具有自组性、机动性及抗毁性而受到人们的高度关注。在阐述MANET的起源与发展及其工作原理的基础上，较全面详细地分析了MANET的关键技术；介绍了MANET在法军、美军通信中的应用。
关键词：MANET　关键技术　军事通信
中图分类号：TN911文献标识码：A　文章编号：1007-3973（2012）007-089-03
1 引言
MANET（Mobile Ad-hoc Network，MANET）起源于1971年美国夏威夷大学设计实现的第一个分组无线网络——ALOHA系统，在军事通信中具有广阔的应用前景。美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）在1972年、1993年和1994年分别启动于分组无线网（PRNET,Packet Radio NETwork）、高残存性自适应网络SURAN和全球移动信息系统GloMo三个项目，取得丰硕的理论和应用成果，并一直持续深入研究PRNET技术。1991年成立的IEEE80211标准委员会使用术语“Ad Hoc网络”来描述这种特殊的自组织对等式多跳无线移动通信网络。1997年成立IETF MANET工作组，致力于MANET协议的标准化，加速推动了商用MANET的研发。
以局域网技术、数据分组交换技术为基础，MANET由一组带有无线收发装置的移动分组无线单元(Packet Radio Unit，PRU)组成，是一种多跳临时性移动通信网络。PRU由无线电台、天线和数字控制器组成。在MANET网络中传送的信息以分组为基本单元，每个分组包括包头和正文两部分。包头通常包括该分组在分组无线网中的源地址、目的地址和相关路由信息；正文部分则是需要传送的消息，正文部分可包含IP数据或其他数据。MANET不设中心站、采用分布式网络结构，每个节点均可作为源节点、目的节点或中继节点，且利用分组包头中的控制信息分包为每个分组选择传输合适的路由。
和依赖于固定基础设施的通信网络相比，MANET具有自身的特点和优点，近年来受到人们的广泛关注。
2 MANET的关键技术
不依赖于固定的基础设施、节点可能随时进入/离开网络、整个网络采用分布式结构运行，MANET有很多技术难点，其关键技术主要有：MAC协议、QoS保障、路由协议、功率控制、安全问题、网络互联和网络资源管理等。
21 MANET的MAC协议
链路层解决的主要问题包括介质接入控制以及数据的传送、同步、纠错和流量控制等，分为媒介访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。MAC协议决定节点什么时候允许发送其分组，且通常控制对物理层的所有访问。
在MANET中存在隐藏终端和暴露终端问题，要在MAC层解决这两个固有问题，因而不能直接应用载波侦听多址访问（CSMA）协议（WLAN中使用最多的异步随机访问协议）。MANET的MAC协议有竞争协议、分配协议和混合协议三类。竞争协议使用直接竞争来决定信道访问权并通过随机重传来解决碰撞问题，在传输载荷轻的时候碰撞次数少、信道利用率高、分组传输时延小；但在传输载荷增大时，协议性能下降很快甚至致使网络崩溃。改进的竞争协议代表有：多址访问与碰撞回避（MACA）协议、信道获取多址访问（FAMA）协议、IEEE80211 MAC等。分配协议使用同步通信模式，时隙与节点的映射决定一个节点在其特定时隙内允许访问的信道。分配协议往往在中等到繁重传输载荷条件下运行良好，但信道时隙化导致在轻传输载荷条件下的时延相对于竞争协议是非常大的。分配协议有：五步预留协议（FPRP）、跳频预留多址访问协议（HRMA）等。混合协议能够保持所组合的各个协议的优点又能避免其缺陷，在传输载荷轻的时候表现为竞争协议的性能，而在传输载荷重的时候近似表现为分配协议的性能。典型的混合协议有：TDMA/CSMA混合协议、Meta-协议等。
22 路由协议
MANET设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路由协议。Internet路由协议不能适应MANET网络节点的移动性和网络拓扑结构不断变化，专门的适用于MANET的路由协议应能够满足功能：能感知网络拓扑的变化、维护网络拓扑的连接、高度自适应的路由。IETF MANET已经完成的标准化路由协议主要有：主动式路由协议有最优化链路状态路由协议（OLSR）和基于反向路径转发的拓扑分发协议（TBRPF）；按需路由协议有按需距离矢量路由协议（AODV）和基于节点间相互关系的路由协议（ABR）；综合主动式路由思想和按需路由思想的路由协议称为混合型路由协议，有域路由协议（ZRP）和抢先式路由协议等。
分组无线网应用环境复杂多样，不同的应用环境追求不同的性能，这导致很难寻找MANET的最优路由协议。如：在军事应用中更关注系统的抗毁性、隐蔽性和保密性；而在无线会议系统中则更注重端到端的时延和吞吐量。不同类型的路由协议具有自身的优缺点，适应于不同的网络环境。不可能用一种路由算法作为标准的路由协议去比较好地解决所有MANET路由问题，路由算法的最优化石针对具体网络环境的工程化问题。混合型路由协议因其固有的灵活性，而具有很好的应用前景。
MANET的用户通常是具有协同工作关系的群体，而群组通信必须由多播路由协议提供通信支持。但有线网络环境中使用的多播路由协议(如：多播开放最短路径优先协议MOSPF等)在移动分组无线网中不再适用，因为动态的网络拓扑结构会导致分发树的破坏，而不得不因连接变化而调整。原达等提出了适用于移动分组无线网的多播路由协议。在移动分组无线网环境中，多播路由协议起着非常重要的作用。在协议中采用按需路由发现策略，动态建立路由信息及维持多播组成员关系。控制开销小、实现简单，能够适应较低带宽的大规模动态网络环境，具有稳定的分组转发成功率和良好的伸缩性，获得了较好的多播数据传输质量。

物联网“概念”如火如荼，作为提供产业有生力量的大学自然不甘寂寞，于是乎，各个学校都在筹建、设立物联网专业，可从各方面渠道的信息看，似乎所想传授的知识五花八门，有侧重传感的，有侧重通讯的，有侧重某项应用领域的，如智能电网、智能交通等，似乎不像以往的专业设置，有相对统一的方向。 出现这个局面，首先就说明一点：物联网不应是一个传统形式本科专业，至少不适合作为一个本科专业而存在！ 现实中很多领域都有这个特征，它有广泛的需求，且孕育着极大的机会，但由于其所涉及的知识属于跨学科的，需要多方面的基础及专业知识作为铺垫，故作为本科专业有些勉为其难。 我很早就听过的一个说法：海洋学院不应该面向高中生招生，应该是从学过相关专业的本科毕业生中选拔，因为海洋研究要用到各方面的专业知识，它属于二级学科，需要一些基础性的专业知识背景，如生物、化学、流体力学等，而这些知识是高中生所不具备的，如果要他们在海洋学院的四年中学会这些，估计和海洋相关的知识几乎没有时间传授了，这样毕业的学生和普通院校有何差别？ 对比今天的物联网，似乎也有“海洋学院”的影子。 如果把物联网提升到目前所宣传的那个高度，要培养一个能应对如此“宽泛”领域的人才，似乎也应该是作为一个二级学科而存在。 首先这些人应该在普通本科中学会一些基础性的专业知识，如测量、传感、通讯、大规模计算和统计等，然后再进入物联网专业，结合自己所具备的专业知识背景，侧重研究物联网的某一分支，如侧重于基于联网需求设计测量部分，或基于测量特征设计通讯链路和协议，或基于收集来的巨量信息研究如何用“云”来储存和分析，从而使其成为有效信息而非“字典”。 这些都不是一个高中生所能直接面对的，而把所需的专业知识作为物联网专业的基础知识来传授，时间不够，本来这些就是四年的本科课程，学完这些，留给物联网的相关知识传授时间有限了，只能培养出一个无特色的学生，这和设置此专业的初衷不是相悖吗？ 所以，如果要培养一个真正意义上的物联网人才，靠本科四年的学习难以胜任！ 所谓真正意义上的“物联网人才”，按我的理解应该是：能将目前的现实需求纳入物联网，从而产生有别于传统解决方案的革命性变化。 听起来有些“玄”，但目前的宣传就是如此，甚至有过之而无不及，腾“云”驾“物”是在媒体上看到的最经典的描述！何时能落地，似乎还欠火候。 那针对目前的物联网热，学校应该如何应对呢？ 依本人愚见：暂时不去想培养那些“真正的物联网人才”，那些未来的并非本科教育所能造就，作为大量输送技术骨干进入社会的工科院校，着眼点应该是如何培养一个能在未来的工作中应对物联网需求的技术人员。 要做到这点，首先应该分析物联网到底衍生出那些新的东西？ “物联网”三个字实际上表达了其含义： 第一：“物”，乃所关注的对象 第二：“联”，乃所采取的手段 第三：“网”，乃解决问题的工具 这三个部分中，“物”早已存在，最为悠久，人们对“物”可以说是“关怀备至”了，至今仍在不断深入，并非物联网所带来的新生事物。 而“网”虽较“年轻”，但由于技术手段的进步，人们也已将其功能发挥的“淋漓尽致”，“网”已经给人们生活带来了巨大变化。 唯一属于物联网带来的新生事物就是“联”，即将“物”连接到“网”上！ 联网的设备已很多，为何此时将“物”连到网上就成了新东西？ 先分析一下以往的联网设备有什么特征。目前联网的设备主要是计算机、手机、电视等，还有一些幕后设备，如交换机、路由器等，究其特征，无一例外是和人交互，或者是服务于与人交互。所以，以往的互联网也可以称之为“人联网”！ 而如今“物联网”所指的“物”，多为面向自然界的物，关注的是其生物、理化等特征，是一些不具备智能的物，即便是和人相关，此时所关注的也是人的生物特征而非智能，所以完全区别于现存的“互联网”所承载的内容。目前互联网的绝大多数信息是服务于智能的，属于“上层建筑”，而物联网要关注的则是“经济基础”。 因为这些“物”相对“低能”，以往联网的方式就要做相应改变，以适应其特征，这才是物联网的精髓所在。 “物”有千百种，均有相应的专业在探究，而“网”也有相应的分支在完善，至于数据分析、云计算、分布式运算、并行计算等早已是深入研究的课题。后两者近年来已不断融合、完善，有了长足的进步。只是前者和后两者似乎有些像平行线，暂无交点。 物联网则是要在这两条平行线间架起一座桥，使前者的信息能借助于后者得到升华！ 但由于“物”的“低能”和“多样性”特征，使得原有的联网手段不再适合，正是这种缺位才催生了物联网教学的需求！ 因此，探究各种“物”所适合的联网手段，应该是培养一个可以应对物联网需求的工程技术人员的重点。 虽说联网应该是通讯的范畴，但以往通讯的关注点是媒介、链路和协议，而作为物联网应用需求，应该是关注各种通讯方式的特征，结合所需联网的“物”之个性，选择合适的通讯方案，侧重点是“选择”。 要做出合适的选择，就要对各类通讯方式的特点予以准确的把握，扬长避短，并合理的加以组合，从而达到最可靠、经济的方案。 不要一提到物联网就是 ZigBee、Wifi，实际上每种通讯方式都有其利弊和适用的环境。智能电网上的检测用 ZigBee 就不一定比“载波”合适；智能家居的很多节点或许用简单的“485总线”集中后再由WiFi 或 ZigBee转接入网更加经济、可靠。 所以，准确地把握对象特征和应用场景，同时熟知各类通讯技术的优势、缺陷，是一个合格的物联网应用技术人员的核心素质。 至于物联网的高层次应用，即那些汇集了巨量数据的“云”该如何处置？如何产生效益？那是少数精英的事，需要大量技术人员的是这个金字塔的塔基。 具体而言，针对物联网应用需求，学习应该关注： 1、 理解最基本的通讯原理，尤其是串行通讯，因为只要距离略远，并行通讯基本无使用可能，而现实中的各类通讯，不论是有线的RS232、485、USB、以太网，还是红外、蓝牙、Wifi，其实质都是串行通讯，区别只在于介质和协议。 2、 通过最简单的UART通讯，理解握手、冲突、争抢、仲裁等通讯中常见的问题，以及丢帧、误码的可靠性问题，理解通讯协议的作用和含义。 3、 通过简单的实际应用，理解各种场景的需求，何时要速度？何时要可靠？何时要响应快？何时要低功耗？ 4、 结合所面临的需求，尝试各类通讯，只要会用即可，因为随着MCU的无所不在，各类通讯模块使用越来越简单，看似神秘的3G通讯，也能用和古老的Modem一样的AT命令让其工作。对于多数人而言，只能做到会用即可，设计、生产这类模块的事情交给地球上少数人去 *** 心吧。就像 PC，全世界都在用，但只有Intel和AMD为此劳神，似乎也并未耽误PC的普及和使用啊！ 5、 选择一个分支，系统地贯穿一下各个层面，从“物”开始，到“网”结束，无所谓实用，只要涵盖的物联网的要素即可，重要是通过实际的体验，感受将“物”连到“网”上后所遇到的问题。 总之，我觉得，如果是培养一个应用类的技术人员，不需要特别的传授什么“物联网”的专业知识，而是用已有的专业知识，围绕上述重点实践即可，重要的是体验和阅读理解，因为未来的应用是多种多样的，无法预知，所以培养把握对象特征的能力是非常重要的。 最后，推荐一本关于各类通讯的书： 《嵌入式网络通信开发应用》 怯肇乾著北京航空航天大学出版，ISBN978-7-5124-0179-2 面对如此众多的通讯方式，想要全面了解并非易事，很多书都是只描述一部分，此书却全面收集了各种现存的通讯方式，为选择合适的通讯提供了极大的便利。 详细目录见“好书交流”栏目。

电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而产生的。其通信电缆、电力线载波、光纤、微波、卫星等多种通信手段并用。
当然，如果问的是电力线通信（Power Line Communication，简称PLC），那是指利用低压配电线路传输高速数据、语音、图象等多媒体业务信号的一种通信方式。
以太网是ethernet，其运行速率有10Mbps,100Mbps,1Gbps,10Gbps，传输介质采用双绞线，光纤。和因特网不是一个概念，以太网是一种局域网技术。
物联网是基于互联网的万物（包含物体和人）相连的网络。
从概念上看，三者之间没有太必然的联系，只能说物联网可以使用电力通信和以太网。

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