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1. Historia de las redes móviles AdHoc
En general, se cree que las redes sin infraestructura aparecieron en la década de 1970, poco después del desarrollo inicial de la tecnología de conmutación de mensajes (más tarde desarrollada en Internet). , la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. (DARPA) financió un estudio especial sobre una red de radio por paquetes (PacketRadioNetwork), que permite que la tecnología de conmutación de paquetes funcione en un entorno que no esté restringido por infraestructura fija o cableada. Una de las motivaciones originales era satisfacer las necesidades militares para sobrevivir en el campo de batalla. En el duro entorno del campo de batalla, los equipos de comunicación no pueden depender de la infraestructura de comunicación ya instalada. Por un lado, estas instalaciones pueden no existir en absoluto. Por otro lado, estas instalaciones pueden ser destruidas en cualquier momento. Por lo tanto, una infraestructura móvil autoorganizada y de rápido aprovisionamiento es un elemento esencial que diferencia esta red de otros sistemas celulares comerciales. Estructuralmente, esta red está compuesta por una serie de nodos móviles y es una red autoorganizada que no depende de ninguna infraestructura de red existente. Los nodos de la red están distribuidos dinámica y arbitrariamente, y los nodos están interconectados de forma inalámbrica. Extiende el concepto de redes de conmutación de paquetes a la categoría de redes de transmisión. Este trabajo fue pionero en la investigación y el desarrollo de Mobile AdHoc Network (AdHoc Network o MANET para abreviar). Al mismo tiempo, el gobierno de los EE. UU. también financió una serie de otros proyectos de investigación relacionados, entre ellos "Survivable Adaptive Network (SURAN)", "Low-Cost Message Radio (LCR)", "Survivable Communications Network (SCN)", "Tactical "Internet and Near-Term Radio (NTDR)", entre otros. Sin embargo, estos contenidos de investigación no se hicieron públicos en ese momento. Desde la década de 1970 hasta principios de la de 1990, nos resultó difícil obtener resultados teóricos y técnicos valiosos de las publicaciones públicas. Dado que las redes ad hoc pueden usarse ampliamente en muchos campos, como el comando y control de comunicaciones en el campo de batalla, ayuda en emergencias y desastres en departamentos médicos y de policía, redes de sensores y educación en el aula, su importancia estratégica es muy importante. A mediados de la década de 1990, con la divulgación de algunas tecnologías, las redes AdHoc comenzaron a convertirse en un punto abierto de investigación en el campo de las comunicaciones móviles. En la actualidad, la red AdHoc aún no ha llegado a la etapa completamente práctica y la mayor parte del trabajo aún se encuentra en las etapas de simulación y experimentación. La escala de simulación varía de cientos a miles de nodos, y la escala experimental varía de docenas de nodos.
2. Características y puntos críticos de investigación de la red AdHoc móvil
Debido a que la red AdHoc móvil es un sistema móvil autónomo de múltiples saltos, tiene las siguientes características principales:
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Topología dinámica: es decir, los nodos de la red pueden moverse arbitrariamente, por lo que la topología de la red también puede cambiar.
Ancho de banda de enlace limitado y capacidad variable en el tiempo: debido a cambios dinámicos de topología, el tráfico reenviado por cada nodo que no es su propio destino cambia con el tiempo. Por lo tanto, a diferencia de una red cableada, su capacidad de enlace exhibe tiempo. -características variables.
Potencia limitada: Debido a las características móviles de los nodos de la red, la mayoría de ellos funcionan con baterías, por lo que el ahorro energético se ha convertido en un indicador muy importante a la hora de diseñar el sistema.
Seguridad física limitada: Las redes móviles son más vulnerables a las amenazas a la seguridad que las redes fijas (cableadas e inalámbricas). Es necesario superar las debilidades de seguridad de los enlaces inalámbricos y los nuevos riesgos de seguridad que trae consigo la topología móvil.
Desde la década de 1990, la investigación sobre redes móviles AdHoc ha ido en ascenso en todo el mundo y se ha expandido gradualmente desde una pequeña rama en el campo de las comunicaciones inalámbricas a un campo relativamente independiente. Actualmente, hay un número cada vez mayor de conferencias académicas AdHoc en línea periódicas, tanto a nivel internacional como regional (en Europa, Asia y otras regiones). Resumiendo el estado actual de la investigación en el país y en el extranjero, los resultados de la red AdHoc se encuentran principalmente en los siguientes aspectos:
(1) Proponer un nuevo protocolo de enrutamiento. El principal desafío que enfrenta el enrutamiento AdHoc es: cómo la base de datos de enrutamiento distribuido tradicional almacenada en nodos puede adaptarse a los cambios dinámicos en la topología de la red. Los nuevos protocolos generalmente establecen el enrutamiento de la red en modo de transmisión o multidifusión, cuyo objetivo principal es reducir las tormentas de transmisión.
En la actualidad, los resultados representativos generalmente reconocidos incluyen DSDV, WRP, AODV, DSR, TORA y ZRP. La investigación innovadora original se concentró principalmente antes de 2001, y los resultados posteriores fueron en su mayoría mejoras de estos protocolos. En la actualidad, la investigación sobre protocolos de enrutamiento sigue siendo la parte más concentrada de los resultados de la red AdHoc. Sin embargo, a juzgar por la dificultad de su implementación, estos protocolos aún están lejos de ser aplicables.
(2) Proponer un protocolo de control de acceso a medios (MAC) basado en una red AdHoc. Resuelve principalmente el problema de terminales ocultos y terminales expuestos. Los que tienen mayor impacto son el protocolo MACA, es decir el esquema RTS/CTS/ACK, el esquema de doble canal con canal de control dividido y canal de datos, el MAC. protocolo basado en antenas direccionales y algún protocolo MAC mejorado. Algunas investigaciones se centran en portar el protocolo MAC IEEE802.11 a redes AdHoc. El protocolo MAC basado en antenas direccionales tiene un rendimiento superior en teoría, pero es técnicamente difícil de implementar.
(3) Interconexión entre red AdHoc y red celular. Los artículos [17]-[19] estudiaron y propusieron un sistema iCAR (Internet Cellular and Adhoc Really) para proporcionar un llenado ciego de señales en las células celulares. Esta solución proporciona una evaluación del rendimiento de la mejora del rendimiento del sistema después de agregar el relleno de puntos ciegos. A juzgar por los resultados, este sistema es solo para el sistema 2G actual y aún no se puede conectar a la red de paquetes basada en IP. Recientemente, [22] propuso una solución para cubrir una red inalámbrica de múltiples saltos en una red celular, en la que se utilizan algunos enrutadores inalámbricos para reemplazar algunos nodos en la red celular. Esta estructura es consistente con lo propuesto en [17-19], pero al optimizar el enrutamiento, la planificación de canales y el control de potencia, el sistema puede maximizar el rendimiento del sistema bajo la condición de potencia de transmisión limitada, y no hace mucha contribución en otros aspectos.
(4) Hay algunos resultados de investigación basados en protocolos de multidifusión/multidifusión basados en redes AdHoc, protocolos TCP, asignación de direcciones, control de energía (ahorro de energía), problemas de seguridad, algoritmos distribuidos, QoS, etc. Pero el número de piezas es relativamente pequeño. Entre ellos, el más interesante es que [20] intenta extender la IP móvil a redes AdHoc. La solución básica es utilizar un protocolo RIP (Protocolo de información de enrutamiento) específico como protocolo de enrutamiento, pero esta solución es incompatible con otros protocolos de enrutamiento. en redes AdHoc.
(5) Con respecto a la construcción de redes experimentales y de aplicaciones, vale la pena señalar recientemente que algunos académicos están estudiando el uso de nodos Bluetooth para construir redes AdHoc. En lo que respecta a la tecnología Bluetooth en sí, Bluetooth puede formar una piconet, que está interconectada a través de nodos puente para formar una red AdHoc de múltiples saltos, también conocida como red de dispersión Bluetooth. La especificación de Bluetooth aún no ha hecho una descripción detallada de la comunicación entre las picoredes de Bluetooth y la formación de redes AdHoc basadas en Bluetooth. Actualmente, existen algunas publicaciones que han propuesto varios métodos para la formación de AdHoc basadas en Bluetooth. Redes diferentes protocolos o esquemas.
(6) Hay pocos resultados de investigación sobre redes AdHoc publicados por académicos nacionales. Desde 2001, se han publicado una pequeña cantidad de resultados y hay alrededor de docenas de artículos de investigación. Los resultados principales se concentran básicamente en algunas mejoras en los protocolos de enrutamiento, y una pequeña cantidad de resultados involucran la investigación de protocolos MAC. Se puede decir que este campo de investigación en China básicamente acaba de comenzar.
3. Aplicaciones de las redes móviles AdHoc
Existen muchas aplicaciones potenciales de las redes móviles AdHoc, que se pueden dividir en las siguientes categorías:
Conferencia móvil: En un entorno temporal al aire libre, todos los miembros del equipo de trabajo pueden formar una red temporal a través de AdHoc para completar de forma colaborativa una tarea grande o completar de forma colaborativa una determinada tarea informática. En un entorno de oficina interior, la PDA que contiene el recolector de AdHoC que llevan los trabajadores de oficina puede descargar automáticamente correos electrónicos desde la computadora de escritorio de forma inalámbrica, actualizar los horarios de trabajo, etc.
Home gateway: amplíe el entorno colaborativo de la oficina al hogar a través de redes móviles y trabaje desde casa cuando sea necesario. O podemos usar los dispositivos AdHoc inalámbricos personales que llevamos para comunicarnos con electrodomésticos equipados con transceptores AdHoc para completar automáticamente operaciones como desbloquear, encender luces, encender equipos de entretenimiento y ajustar el aire acondicionado.
Servicios de emergencia: cuando la infraestructura de la red se destruye debido a cortes de energía u otros desastres, se establece una red AdHoc para ayudar al personal de rescate de emergencia a completar el trabajo de comunicación necesario.
Redes de sensores: Recientemente, la gente ha comenzado a prestar atención al problema de coordinar una gran cantidad de sensores distribuidos. El sensor puede funcionar en entornos peligrosos (como sitios de fuga de sustancias químicas peligrosas). Al equipar el sensor con un indicador de posición, un transceptor AdHoc, etc., la información del sitio del sensor se puede transmitir fuera del sitio peligroso para evitar que los rescatistas entren. el sitio, recopilando e identificando información sobre accidentes.
Red de área personal: Conexión en red de dispositivos de comunicación personal, entretenimiento, oficina y otros a través de la red AdHoc. Estos dispositivos pueden necesitar o no estar conectados a Internet, pero definitivamente necesitan comunicarse entre sí cuando funcionan. determinadas actividades del usuario. En este caso, la movilidad no es un problema importante.
Comunicaciones inalámbricas militares: en el campo de batalla moderno, es necesario mantener un contacto estrecho entre varios vehículos militares, entre soldados y entre soldados y vehículos militares para completar el mando centralizado y coordinar las operaciones. Una red de comunicación de este tipo es una red AdHoc típica. Según los informes, las redes móviles AdHoc se utilizaron eficazmente durante la reciente guerra de Irak.
Otras aplicaciones comerciales: por ejemplo, en el futuro, los sistemas de embarque y reserva de aeropuertos equipados con dispositivos transceptores AdHoc podrán comunicarse automáticamente con dispositivos AdHoc inalámbricos personales que lleven los pasajeros para completar los procedimientos actuales, como el reemplazo de la tarjeta de embarque. Por ejemplo, las etiquetas RF para productos en centros comerciales y las etiquetas RF económicas pueden actualizarse dinámicamente mediante dispositivos AdHoc a través de interfaces inalámbricas. Los clientes pueden encontrar fácilmente un producto y un precio si llevan un dispositivo inalámbrico portátil. Este equipo ha sido producido por NCR Corporation.
El siguiente es un ejemplo de investigación y aplicación de la red móvil AdHoc en el ejército. DAPRA en los Estados Unidos financió recientemente un estudio sobre el "Sistema de campo minado con autorreparación". El proyecto abarca del año 2000 al 2003. El sistema planea utilizar conjuntos de minas antitanque móviles inteligentes para frustrar los avances del enemigo en las líneas de defensa contra minas. Estas minas están equipadas con comunicación inalámbrica y unidades de red autoorganizadas. Después de ser distribuidas de alguna manera (como distribución remota por avión, misiles tierra-tierra o cohetes), estas minas forman rápidamente una red AdHoc móvil. Después de ser atravesada por tanques enemigos, este tipo de mina terrestre se "autocura" rápidamente mediante el juicio de la estructura topológica y la función de rebote automático, es decir, la conexión se restablece mediante la reconstrucción de la red. Esto se repite hasta que el sistema no puede reconstruirse y finalmente detona por sí solo. El "sistema de campo minado autocurativo" puede limitar en gran medida la movilidad del enemigo, ralentizar su ataque o retirada y bloquear áreas específicas durante un período de tiempo. El sistema adopta el modo de espectro ensanchado FHSS, con una frecuencia central de 2,4 GHz y un ancho de banda de 83 MHz. La distancia al borde de la onda acústica (~10 metros) se utiliza para localizar los nodos.
4. Instituciones activas en la investigación de redes móviles AdHoc
Actualmente, varias instituciones de investigación en el mundo que son más activas en la investigación de redes móviles AdHoc incluyen:
California "The WAM (Wireless Adaptive Mobility) Lab" (Laboratorio WAM (Wireless Adaptive Mobility), http://www.cs.ucla.edu/NRL/wireless/) dirigido por el profesor Mario Gerla de la Universidad de Los Ángeles. Las direcciones de investigación incluyen protocolos de enrutamiento de red AdHoc, protocolos de multidifusión, QoS de red de múltiples saltos, protocolos MAC, control de energía, redes Bluetooth, etc.
“Wireless Networks Laboratory” (Laboratorio de Redes Inalámbricas, http://wnl.ece.cornell.edu/) dirigido por el profesor Zygmunt J. Hass de la Universidad de Cornell. Las direcciones de investigación incluyen reconstrucción de redes AdHoc, protocolo MAC, protocolo de enrutamiento, seguridad de red, etc.
El Grupo de Investigación de la Red AdHoc (ahora Universidad de Illinois en Urbana-Champaign) dirigido por el profesor Nitin Vaidaya (http://www.crhc.uiuc.edu/-nhv/) departamento de ECE). Las direcciones de investigación incluyen protocolos MAC direccionales, protocolos de enrutamiento direccional, programación de redes, etc. en redes AdHoc.
"The Mobile Computing and Multimedia Laboratory (MCML)" dirigido por el Profesor Satish K. Tripathi de la Universidad de Maryland (The Mobile Computing and Multimedia Laboratory (MCML), http://www.cs.umd .edu/projects/mcml/). Las direcciones de investigación incluyen el protocolo de enrutamiento de red jiaystar, QoS, etc.
"The Mobility Management and Networking (MOMENT) Lab" dirigido por la profesora Elizabeth M. Belding-Royer de la Universidad de California, Santa Bárbara, http://moment.cs.ucsb.edu/ ). Las direcciones de investigación incluyen protocolos de enrutamiento de red jiaystar, protocolos de multidifusión, reconstrucción de direcciones, seguridad, QoS, escalabilidad y adaptabilidad, etc.
"The Computer Communications Research Group" (The Computer Communications Research Group) dirigido por el profesor J.J. García-Luna-Aceves de la Universidad de California, Santa Cruz,
http:// www.cse.ucsc.edu/research/ccrg/home.html).
La dirección de la investigación incluye principalmente el acceso a canales de redes inalámbricas.
Otras instituciones más activas incluyen las instituciones de investigación del ejército y la marina de los EE. UU. y algunas empresas.
5. Conclusión
La red AdHoc puede soportar la transmisión inalámbrica de datos, voz, imágenes, gráficos y otros servicios entre nodos móviles en entornos hostiles a través de redes temporales. El alcance puede cubrir. En varias ocasiones, como la industria, el comercio, la atención médica, el hogar, el entorno de oficina, el ejército, etc., la industria del neón está en casi todas partes, especialmente en el futuro campo de batalla, la red AdHoc es muy importante para armas y equipos de alta tecnología, comando centralizado. Las operaciones colaborativas y la mejora de la movilidad de combate, etc., son de gran importancia. Al igual que la tecnología de comunicación de espectro ensanchado, las redes móviles AdHoc derivadas de la investigación en el campo militar definitivamente traerán enormes beneficios económicos y sociales al desarrollo de productos civiles. Esperamos que los académicos chinos realicen investigaciones exhaustivas sobre las redes AdHoc y, a través de esta investigación, obtengan tecnologías relevantes con derechos de propiedad intelectual independientes de mi país para satisfacer las necesidades del futuro desarrollo civil y militar de alta tecnología de mi país. Esta investigación no sólo tiene una importante importancia social y económica, sino que también tiene una importancia estratégica muy importante.