Ad Hoc小结_adhoc小结

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Ad Hoc 网络简介

Adhoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络，又称为多跳网（Multi-hop Network）、无基础设施网（Infrastructure-le Network）或自组织网（Self-organizing Network）。整个网络没有固定的基础设施，每个节点都是移动的，并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中，由于终端无线覆盖取值范围的有限性，两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器，它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。

1.1特点

 网络的独立性

Ad Hoc网络相对常规通信网络而言，最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持，快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施，具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。 动态变化的网络拓扑结构

在Ad Hoc网络中，移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失，主机之间的关系不断发生变化。在自组网中，主机可能同时还是路由器，因此，移动会使网络拓扑结构不断发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言，网络拓扑结构则相对较为稳定。 有限的无线通信带宽

在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持，因此，主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性，它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外，考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素，移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。 有限的主机能源

在Ad Hoc网络中，主机均是一些移动设备，如PDA、便携计算机或掌上电脑。由于主机可能处在不停的移动状态下，主机的能源主要由电池提供，因此Ad Hoc网络有能源有限的特点。 网络的分布式特性

在Ad Hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联。一旦网络的某个或某些节点发生故障，其余的节点仍然能够正常工作。 生存周期短

Ad Hoc网络主要用于临时的通信需求，相对与有线网络，它的生存时间一般比较短。 有限的物理安全

移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击，易于遭受窃听、欺骗和拒绝服务等攻击。现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击。不过Ad Hoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性。

1.2功能与应用

因为Ad Hoc网络配置简单、具有自组织性、具有很好的鲁棒性(抗毁坏性)、具有很好的移动性，因而广泛应用于军事领域(最初的Ad Hoc网络就是产生于军事通信领域)、民用领域(如灾区通信)、商用领域(如商务会议)等。其应用场景主要包括：

a)没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。

b)需要分布式特性的网络通信环境。

c)现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境。d)作为生存性较强的后备网络

1.3管理Ad Hoc网络面临的挑战

1)网络管理协议的一个重要任务是使网管知道网络的拓扑结构。在有线网络中，由于网络变化不频繁，所以这点容易做到。但在移动网络中，节点的移动导致拓扑结构变化太频繁，网管需定期收集节点的连接信息，这无疑会加大网络的负荷。

2)大多数节点使用电池供电，所以要保证网络管理的负荷限制在最小值以节省能源。要尽量减少收发和处理的节点数，但这是与需要拓扑结构的定期更新相矛盾的。

3)能源的有限性和节点的移动性导致节点随时可能与网络分离，这要求网络管理协议能够及时觉察节点的离开和加入，而更新拓扑结构。

4)无线环境下信号质量变化大。信号的衰退和拥塞都会使网管误认为节点已离开，因此，网管必须能够区分是由于节点移动还是由于链路质量的原因导致连接中断。网管必须询问物理层，但这样会违反OSI的层次管理结构。

5)Ad Hoc网络通常应用于军事，因此，要防止窃听、破坏和侵入。所以网管需要结合加密和认证过程。

(以上是百度上找的)现有Ad Hoc、MIMO知识小结

目前的802.11 协议[1]中Ad Hoc模型就是Ad Hoc的MAC层接入模型，使用RTS(Request-to-send)、CTS(clear-to-send)、DATA、ACK握手机制进行单天线进行通信。这个模型比较保守，节点只要监听到RTS、CTS就保持静默，不发送数据，与MIMO思想背道而驰。不利于空间复用。

同时，RTS、CTS、DATA、ACK均是全功率发送，这会降低系统吞吐量。文献[2,3]已经证明了固定功率发送在节能与空间复用方面的低效。改进的研究中有的致力于节能，有的致力于最大化容量。文献[4]详细地总结了已有的一些改进TPC模型(这些都是针对SISO进行研究的)。

文献[5]中将MIMO技术分为3类：Array、Diversity与Multiplexing。Array指经不同的独立信道发送相同的数据，接收端相干解调，获得接收SNR的重叠增益；Diversity增益体现在BER VS SNR曲线的斜率上，理想情况下增益与独立信道个数成正比，此时需用到空时编码；Multiplexing指的是在Mt个天线上叠加发送不同的数据，获得整体容量提升。

文献[6,7,8,9]研究了MIMO-based Ad Hoc网络中MAC协议、模型。

参考文献：

[1] International Standard ISO/IEC 8802-11, ANSI/IEEE Std802.11 , 1999 edition, Part 11: Wirele LAN

Medium Acce Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications.[2] J.Monks, V.Bharghavan, and W.-M.Hwu, “A power controlled multiple acce protocol for wirele packet networks,” in Proceedings of the IEEE INFOCOM Conference, Apr.2001, pp.219–228.[3] P.Gupta and P.R.Kumar, “The capacity of wirele networks,” IEEE Trnansactions on Information

Theory, vol.46, no.2, pp.388–404 Mar.2000.[4]M.Krunz, A.Muqattash, and S.-J.Lee, “Transmiion power controlin wirele ad hoc networks: Challenges, solutions, and open iues,” IEEE Network Magazine, vol.18, no.5, pp.8–14, Sept.2004.[5]A.Paulraj, R.Nabar,and D.Gore, “Introduction to space-time wirele communications,”

Cambridge UniversityPre,Cambridge, U.K., 2003.[6] K.Sundaresan,R.Sivakumar,M.A.Ingram,andT.-Y.Chang, “Medium acce control in ad-hoc networks with MIMO links: Opti-mization considerations and algorithms,” IEEE Transactions on Mobile of concurrent transmiions when the MIMO mode is used.Computing, vol.3, no.4, pp.350–365, Oct.-Dec.2004.[7] M.HuandJ.Zhang,“MIMOadhocnetworks:Mediumacce

control,saturationthroughput,andoptimal

hopdistance,” JournalofCommunicationsandNetworks-SpecialIueonMobileAdHoc Networks, pp.317–330, Dec.2004.[8] J.M.Gilbert, W.-J.Choi, and Q.Sun, “MIMO technology for advanced wirele local area networks,” in Proceedings of the Design Automation Conference(DAC), June 2005, pp.413–415.[9] M.M.Carvalho and J.J.Garcia-Luna-Aceves, “Modeling wirele adhoc networks with directional antennas,”

in Proceedings of the IEEE INFOCOM Conference, Apr.2006.这是总结了两篇论文，上面的参考文献没看。

相关论文小结

 AD HOC MOBILE WIRELESS NETWORKS PRINCIPLES, PROTOCOLS,AND APPLICATIONSCommunication magazine 这是一本书的序。

Ad Hoc无线网络的优势:部署容易，配置灵活。

适合的应用场所：灾区、军事训练区、学校、会议、旅店、机场、公寓等，对于基础通信设施并不完备的发展中国家与地区比较适合。

与传统的有线网络的相比，提供的带宽小，设计要求高。需要综合考虑：不断变化且不可测的信道条件、隐藏暴露节点、变化的网络负载、可变的设施性能、不同的传输与感知范围以及自身的移动性等问题。

 Beyond Shannon The Quest for Fundamental Performance Limits of Wirele Ad Hoc NetworksMagazine

无线自组织网络：一组可自配置的无线节点在没有已有通信设施的帮助下组成一个网络。当这些无线节点中含有移动节点时，又称为移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network，MANETs)。

因为没有固定的网络设施，所以网的控制与测量均需通过动态控制算法实现；同时多条路由是提高网络容量与范围的常用技术；节点间一般是通过双向链路通信，需要反馈信道(与直接链路分开或捆绑)。

优势：可快速部署与重配；可以为特殊的应用定制；具有很高的鲁棒性(由于分布式特点、大量的节点冗余，不会因单个节点失败而瘫痪)，鲁棒性在军事通信中特别重要(第一个无线自组织网络就是在军事领域中发展出来的)。

但是无线自组织网络的仙农界(所有用户能共同时达到的最大容量)仍然是一个问题。没仔细看，感觉没什么作用

 Selling Multimedia Resources in Ad Hoc NetworksMagazine

介绍了Ad Hoc网络中多媒体资源(如歌曲)买卖中的抵赖问题。AAA(authentication, authorization, and accounting)协议。卖者通过买者的数字签名得利，买者通过卖者的数字签名后的资源(均可以是在买卖结束之后再向运行方求得)，问题是如何证明这些数字签名的有效性。

通常使用私人密钥与公开密钥结合的方法，但是需要第三方提供绑定公开密钥与身份ID的证明，且提前完成身份证明操作。给出了新的方法。也没仔细看

 On Capacity of Wirele Ad Hoc Networks with MIMO MMSE ReceiversIEEE Trans on wirele communication

论文分析了无线Ad Hoc网络在使用MIMO技术后，可获得的最大网络容量(以单位面积的系统容量)与网络通信链路密度(单位面积的链路个数)间的关系。

对于MIMO处理：发送端是简单的MRT(最大本征方向发送)，每个链路只发送一路数据流；接收端是MMSE处理。

关键在MMSE处理后得到每条链路的SINR，并给出SINR的概率分布。这里以往的研究是基于每条链路的信道、发送功率以及干扰链路个数固定且已知，但是对于Ad Hoc网络，干扰链路个数K，每个的发送功率Pk、以及对应的信道Hk是随机的。

论文分析了在单位面积干扰链路个数固定下，干扰节点均匀分布下，理想下(假设所有干扰链路的CSI都可知)每条链路接收SINR概率分布闭式表达式，受限情况下(只有邻近的干扰链路的CSI可知)下的SINR概率分布闭式表达式。最终得到系统容量相对于干扰链路密度的条件分布表达式。

仿真给出了不同天线数、不同干扰链路密度下的系统容量曲线。对于实际Ad Hoc部署具有一定指导意义。

 Reconfigurable Antennas For MIMO Ad-Hoc Networks 研究了Ad Hoc 网络中每条链路发收节点的天线配置模式(每个都4种)对容量的影响(功分是基于漂白信道的注水算法)。给了集中式与分布式算法。

 A jointclustering and routing scheme to maximizelink performance in cooperative MIMO ad-hoc networks International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications 论文先分析了在无线Ad Hoc网络中使用多跳转发的方式会带来吞吐量损失，在给出一种减少多跳“跳数”的方法——协作MIMO技术，并给出了协作MIMO技术下联合分簇与路由方案。

在单链路多跳模式中，节点转发采用AF模式(放大因子会补偿信道相位)，论文分析得出结论：在理想情况(信噪比很高)，接收SNR随着多跳“跳数”线性增加，其容量随着“跳数”对数增加(非理想情况下，增加更少)。但是每跳的平均容量随着“跳数”在对数增加的同时也线性降低，综合而言是降低。

传统Ad Hoc网络中，节点会广发Piloting，得到周边节点信息，从而组成簇(簇内选出簇头)，且知道自己所在簇与其它簇间的链路信息。当引入协作MIMO后，由于仍然是单链路Piloting，每一“跳”会被限制在最近节点(即使簇间可连接到更远节点)，一个方法就是群搜每个簇的所有分集模式，在每个模式下进行多链路Piloting，找出最优的，开销太大。

论文给出一种使用原来的单链路Piloting方式，在该方式得到的信息基础上，推出自身在一定分集的前提下与其余簇进行通信的误码率上界，找出可与通信的簇，并列出这些通信使用分级的优先级。

仿真结果显示本方案可显著提高Ad Hoc网络的平均容量。

 Bandwidth Allocation in Wirele Ad Hoc Networks: Challenges and ProspectsMagazine

论文讨论了Ad Hoc网络中的速率分配(网络层)与频谱分配(MAC层)问题。

问题描述：一组节点组成Ad Hoc网络，每个时刻都有一组端到端的数据流，每个数据流都有一定的速率要求且会经过一系列节点，此时网络层需要估计并决定每个数据流的速率，MAC层要对每个节点的经过数据流进行资源分配。

这种分配一般要考虑三方面指标：可达到的端到端速率和、算法收敛时间、公平性。涉及到的挑战：1）干扰模型；2）网络层速率分配；3）MAC层频谱分配；4）网络层与MAC层的互动(包含网络层速率分配与MAC层频谱分配集中式完成以及模块化完成)。

现有解决办法： 1)干扰模型

前提：所有节点全方向且同频传输。

一般研究分为物理模型与协议模型。物理模型是计算接收SINR，由此决定是否传输成功；协议模型规定了一个“派系”(干扰范围内)在同一时刻只能有一个子数据流传输，其分析工具一般是无相竞争图。2)网络层速率控制

一般以Max-Min fairne为目标。

分为以单挑速率为基础考虑和整体端到端速率考虑。分析手段一般是经济学手段(市场竞价)。另外，网络层速率控制还研究冲突控制。3)MAC层频谱分配

一般含两种机制：contention-based 与 cooperative。包含节点间协调与节点内数据流间协调。 MAC/PHY Cro–Layer Design of MIMO Ad Hoc Networks with Layered Multiuser DetectionIEEE Trans on wirele communication

论文先分析了MIMO Ad Hoc网络的物理层模型：发送端多天线假设等功率分配，接收端是V-BLAST接收(只能获得附近一定数目的发送天线与自己的信道信息)(这里存在一个折中：信道信息感知数目一定，多一点用于感知发送信息的，则少一点用于感知干扰抵消的)。

接着分析了MIMO Ad Hoc网络物理层对MAC层的影响，得出结论：发送节点距离接收节点的距离将决定最大发送天线数目(越远越少)。

给出一个分布式MAC接入协议，同样包含包含RTS phase、CTS phase、DATA phase、ACK phase，做了一定修正，略。

 Power and throughput optimization in Ad-hoc cooperative MIMO systemsICMCS

论文先给出一种Ad Hoc中虚拟MIMO cooperative模型。主要包含以下步骤：1）确认源节点的所在簇；2）确认目的节点的所在簇；3）找出源节点所在簇中的中继节点(多个)；4）找出目的节点所在簇中的中继节点(多个)；5）检查两组中继节点是否可通信(通信距离是否满足)，是则结束；否则进行下一部；6）找出中间簇；7）找出中间簇中分别与源节点簇中中继节点通信的节点(多个)以及与目的节点簇中中继节点通信的节点(多个)，转入步骤5）。示图如下：

接着分析了不同SNR下最佳的MQAM调制方式(M取多大)，后面的仿真采取自适应的最佳调制方式。

最后给出一种综合考虑容量与耗能的优化目标

URLMfP

其中R为传输速率，L传输新源信息比特位，M为数据包大小，f为数据包接收成功率。其中传输容量为Lf，耗能为PMR。且f满足

f1 f0, while P0P最后分析得到功率P的最佳取值。

没看懂后面与MIMO有啥关系？  Power optimisation in MIMO ad hoc network

ICMCS 论文先分析了节能的重要性，并介绍了3种电池：rechargeable、non-rechargeable、smart battery。

接着分析了Ad Hoc 网络中引入MIMO后的接收模型，对信道容量进行理论分析(求最大互信息)，利用方针行列式函数的凸性得到在发送功率一定下的系统平均容量上界。

最后给出不同天线数目下系统平均容量与发送功率间的仿真曲线，可以指导(发送功率固定下)配置多少天线。

感觉就是以往的MIMO分析，还有点紊乱，没有很好考虑到Ad Hoc特性。

 Throughput-Oriented Power Control in MIMO-Based Ad Hoc Networks 论文先分析了现有802.11标准中的Ad Hoc MAC层协议只允许SISO，且不支持多借点同时传输。

接着论文给出了自己Ad Hoc网络的MIMO POWMAC协议，其特点：1）不使用RTSCTS握手来静默其它节点，使用参考文献[5]中的冲突避免机制；2）接入窗口含数目可调的多个接入时隙，以便多个节点交换控制信息；3）RTS传输功率可调。

接着给出示例：A与B、C与D通信，每个节点配置两个天线，可以发送两路独立的数据流。首先，A以最大功率发送RTS给B，B在接收A发的RTS后，反馈CTS给所有潜在的干扰节点，发送功率可调，表示B接收A节点信息的意愿。该RTSCTS握手允许A、B在接下来数据发送功率上达成一致，并通知了潜在干扰节点(如C)，它们在不干扰B接收数据前提下的可用发送功率；接着A发送DTS(decide-to-send)来确认A->B的传输可进行，同时一方面通知A的邻近节点(如C)A的数据发送功率等级，这对邻近节点决定在A->B传输的同时接收其它节点信息的肯能性，另一方面通知潜在干扰节点它们在不对A接受ACK干扰的可用功率；在RTSCTSDTS完成后，在AW的剩余时隙中克制住传输数据，同时在其中的某个时隙，C与D交互数据包来决定是否可以在A->B的同时进行数据传输，传输功率的设定可见文献[5]。可见下图

最后给出仿真结果，显示该协议模型的优势，可以提升系统容量。