stringtranslate.com

Беспроводная сеть ad hoc

Беспроводная сеть ad hoc [1] ( WANET ) или мобильная ad hoc сеть ( MANET ) — это децентрализованный тип беспроводной сети . Сеть является ad hoc, поскольку она не полагается на уже существующую инфраструктуру, такую ​​как маршрутизаторы или беспроводные точки доступа . Вместо этого каждый узел участвует в маршрутизации, пересылая данные для других узлов. Определение того, какие узлы пересылают данные, производится динамически на основе сетевого подключения и используемого алгоритма маршрутизации . [2]

В таких беспроводных сетях отсутствуют сложности настройки и администрирования инфраструктуры, что позволяет устройствам создавать сети и присоединяться к ним «на лету». [3]

Каждое устройство в MANET может свободно перемещаться независимо в любом направлении и, следовательно, будет часто менять свои связи с другими устройствами. Каждое устройство должно пересылать трафик, не связанный с его собственным использованием, и, следовательно, быть маршрутизатором . Основной проблемой при построении MANET является оснащение каждого устройства для постоянного поддержания информации, необходимой для правильной маршрутизации трафика. Это становится сложнее по мере увеличения масштаба MANET из-за 1) желания направлять пакеты на/через каждый другой узел, 2) процента служебного трафика, необходимого для поддержания статуса маршрутизации в реальном времени, 3) каждый узел имеет свою собственную полезную пропускную способность для маршрутизации независимо и не осведомлен о потребностях других, и 4) все должны совместно использовать ограниченную полосу пропускания связи , например, часть радиоспектра.

Такие сети могут работать сами по себе или могут быть подключены к более крупному Интернету . Они могут содержать один или несколько различных трансиверов между узлами. Это приводит к высокодинамичной, автономной топологии. MANET обычно имеют маршрутизируемую сетевую среду поверх сети ad hoc канального уровня .

История

Пакетное радио

Радиофургон Стэнфордского исследовательского института , место первой трехсторонней межсетевой передачи.
Первые крупномасштабные испытания цифрового радио в ближайшей перспективе , февраль 1998 г.

Самая ранняя беспроводная сеть передачи данных называлась PRNET , пакетная радиосеть , и спонсировалась Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) в начале 1970-х годов. Компании Bolt, Beranek and Newman Inc. (BBN) и SRI International спроектировали, построили и экспериментировали с этими ранними системами. Среди экспериментаторов были Роберт Кан , [4] Джерри Берчфилд и Рэй Томлинсон . [5] Похожие эксперименты проводились в сообществе радиолюбителей с протоколом x25. Эти ранние пакетные радиосистемы существовали еще до Интернета и, по сути, были частью мотивации первоначального набора протоколов Интернета. Более поздние эксперименты DARPA включали проект Survivable Radio Network ( SURAN ), [6] который проводился в 1980-х годах. Преемник этих систем был представлен в середине 1990-х годов для армии США, а затем и других стран как Near-term digital radio .

Еще одна третья волна академической и исследовательской деятельности началась в середине 1990-х годов с появлением недорогих радиокарт 802.11 для персональных компьютеров . Современные беспроводные сети ad hoc разработаны в первую очередь для военных нужд. [7] Проблемы пакетной радиосвязи: (1) громоздкие элементы, (2) низкая скорость передачи данных, (3) невозможность поддерживать связь при высокой мобильности. Проект не получил дальнейшего развития до начала 1990-х годов, когда появились беспроводные сети ad hoc.

Ранние работы над MANET

Рост числа ноутбуков и беспроводных сетей 802.11/Wi-Fi сделал MANET популярной темой исследований с середины 1990-х годов. Во многих научных работах оцениваются протоколы и их возможности, предполагая различную степень мобильности в ограниченном пространстве, обычно со всеми узлами в пределах нескольких переходов друг от друга. Затем различные протоколы оцениваются на основе таких показателей, как скорость потери пакетов, накладные расходы, вносимые протоколом маршрутизации, задержки пакетов между конечными точками, пропускная способность сети, способность к масштабированию и т. д.

В начале 1990-х годов Чарльз Перкинс из SUN Microsystems USA и Чай Кеонг Тох из Кембриджского университета по отдельности начали работать над другим Интернетом — беспроводной сетью ad hoc. Перкинс работал над проблемами динамической адресации. Тох работал над новым протоколом маршрутизации, который был известен как ABR — маршрутизация на основе ассоциативности . [8] В конечном итоге Перкинс предложил DSDV — маршрутизацию на основе вектора расстояния последовательности назначения, которая была основана на распределенной маршрутизации вектора расстояния. Предложение Тоха представляло собой маршрутизацию по требованию, т. е. маршруты обнаруживаются «на лету» в реальном времени по мере необходимости. ABR [9] был представлен в IETF в виде RFC. ABR был успешно реализован в ОС Linux на ноутбуках с поддержкой Lucent WaveLAN 802.11a, и, таким образом, в 1999 году было доказано [3] [10] [11], что практическая возможность создания мобильной сети ad hoc возможна. Впоследствии был представлен другой протокол маршрутизации, известный как AODV, который был проверен и реализован в 2005 году. [12] В 2007 году Дэвид Джонсон и Дэйв Мальц предложили DSR — Dynamic Source Routing . [13]

Приложения

Децентрализованная природа беспроводных сетей ad hoc делает их подходящими для различных приложений, где нельзя полагаться на центральные узлы, и может улучшить масштабируемость сетей по сравнению с беспроводными управляемыми сетями, хотя были выявлены теоретические и практические ограничения общей емкости таких сетей. [ необходима цитата ] Минимальная конфигурация и быстрое развертывание делают сети ad hoc подходящими для чрезвычайных ситуаций, таких как стихийные бедствия или военные конфликты. Наличие динамических и адаптивных протоколов маршрутизации позволяет быстро формировать сети ad hoc.

Мобильные специальные сети (MANET)

Мобильная сеть ad hoc (MANET) — это непрерывно самоконфигурируемая, самоорганизующаяся, не имеющая инфраструктуры [14] сеть мобильных устройств, соединенных без проводов. Иногда ее называют сетями «на лету» или «спонтанные сети». [15]

Автомобильные специальные сети (VANET)

VANET используются для связи между транспортными средствами и придорожным оборудованием. [16] Интеллектуальные транспортные сети ad hoc (InVANET) — это своего рода искусственный интеллект, который помогает транспортным средствам вести себя разумно во время столкновений транспортных средств и аварий. Транспортные средства используют радиоволны для связи друг с другом, создавая сети связи мгновенно на лету, пока транспортные средства движутся по дорогам. VANET необходимо защитить с помощью легких протоколов. [17]

Специальные сети для смартфонов (SPAN)

SPAN использует существующее оборудование (в первую очередь Wi-Fi и Bluetooth ) и программное обеспечение (протоколы) в коммерчески доступных смартфонах для создания одноранговых сетей без опоры на сети сотовых операторов, беспроводные точки доступа или традиционную сетевую инфраструктуру. SPAN отличаются от традиционных сетей типа «концентратор и спица» , таких как Wi-Fi Direct , тем, что они поддерживают многоадресные ретрансляции и не имеют понятия лидера группы, поэтому одноранговые узлы могут присоединяться и выходить по своему желанию, не разрушая сеть. iPhone от Apple с iOS версии 7.0 и выше способен к многоранговой ad hoc ячеистой сети. [18]

Беспроводные ячеистые сети

Ячеистые сети получили свое название от топологии результирующей сети. В полностью связанной ячеистой сети каждый узел соединен с каждым другим узлом, образуя «ячеистую сеть». Частичная ячеистая сеть, напротив, имеет топологию, в которой некоторые узлы не соединены с другими, хотя этот термин используется редко. Беспроводные сети ad hoc могут принимать форму ячеистых сетей или других. Беспроводная сеть ad hoc не имеет фиксированной топологии, и ее связь между узлами полностью зависит от поведения устройств, их моделей мобильности, расстояния друг от друга и т. д. Таким образом, беспроводные ячеистые сети являются особым типом беспроводных сетей ad hoc, с особым акцентом на результирующей топологии сети. В то время как некоторые беспроводные ячеистые сети (особенно те, что находятся в доме) имеют относительно нечастую мобильность и, следовательно, нечастые разрывы связи, другие, более мобильные ячеистые сети, требуют частой корректировки маршрутизации для учета потерянных связей. [19]

Армейские тактические MANET

Военные или тактические MANET используются военными подразделениями с упором на скорость передачи данных, требования реального времени, быстрое изменение маршрута во время мобильности, безопасность данных, дальность радиосвязи и интеграцию с существующими системами. [20] Распространенные формы радиоволн включают JTRS SRW армии США , Silvus Technologies MN-MIMO Waveform (Mobile Networked MIMO), [21] [22] [23] [24] и Codan DTC MeshUltra Waveform. [25] [26] [27] Специальная мобильная связь хорошо подходит для удовлетворения этой потребности, особенно ее инфраструктурная природа, быстрое развертывание и эксплуатация. Военные MANET используются военными подразделениями с упором на быстрое развертывание, инфраструктурные, полностью беспроводные сети (без фиксированных радиовышек), надежность (обрывы связи не являются проблемой), безопасность, дальность и мгновенную работу.

Специальные сети БПЛА ВВС

Летающие специальные сети (FANET) состоят из беспилотных летательных аппаратов , что обеспечивает большую мобильность и связь с отдаленными районами. [28]

Беспилотный летательный аппарат — это летательный аппарат без пилота на борту. БПЛА могут управляться дистанционно (т. е. пилотом с наземной станции управления) или могут летать автономно на основе заранее запрограммированных планов полета. Гражданское использование БПЛА включает моделирование 3D-ландшафтов, доставку посылок ( логистика ) и т. д. [29]

БПЛА также использовались ВВС США [30] для сбора данных и зондирования ситуации, не подвергая пилота риску в недружественной среде. Благодаря беспроводной сетевой технологии ad hoc, встроенной в БПЛА, несколько БПЛА могут общаться друг с другом и работать как команда, совместно выполняя задачу и миссию. Если БПЛА уничтожен противником, его данные могут быть быстро переданы по беспроводной связи на другие соседние БПЛА. Сеть связи ad hoc БПЛА также иногда называют сетью мгновенного неба БПЛА. В более общем плане воздушные MANET в БПЛА теперь (по состоянию на 2021 год) успешно внедрены и работают как мини-тактические разведывательные БПЛА ISR, такие как BRAMOR C4EYE из Словении.

Специализированные сети ВМС

Военно-морские корабли традиционно используют спутниковую связь и другие морские радиостанции для связи друг с другом или с наземной станцией на суше. Однако такие коммуникации ограничены задержками и ограниченной пропускной способностью. Беспроводные сети ad hoc позволяют формировать судовые сети в море, обеспечивая высокоскоростную беспроводную связь между кораблями, улучшая их обмен изображениями и мультимедийными данными, а также лучшую координацию в боевых операциях. [31] Некоторые оборонные компании (такие как Rockwell Collins, Silvus Technologies и Rohde & Schwartz) выпустили продукцию, которая улучшает связь между кораблями и между кораблями и берегом. [32]

Сенсорные сети

Датчики — это полезные устройства, которые собирают информацию, связанную с определенным параметром, таким как шум, температура, влажность, давление и т. д. Датчики все чаще подключаются по беспроводной связи, что позволяет осуществлять крупномасштабный сбор данных датчиков. При наличии большой выборки данных датчиков можно использовать аналитическую обработку для осмысления этих данных. Связность беспроводных сенсорных сетей основана на принципах, лежащих в основе беспроводных сетей ad hoc, поскольку датчики теперь можно развертывать без каких-либо стационарных радиовышек, и теперь они могут формировать сети на лету. «Умная пыль» была одним из ранних проектов, реализованных в Калифорнийском университете в Беркли, где крошечные радиоприемники использовались для соединения интеллектуальной пыли. [33] Совсем недавно мобильные беспроводные сенсорные сети (MWSN) также стали областью академического интереса.

Робототехника

Были предприняты попытки координировать и контролировать группу роботов для выполнения совместной работы по выполнению задачи. Централизованное управление часто основано на подходе «звезда», когда роботы по очереди общаются с контроллером. Однако с помощью беспроводных сетей ad hoc роботы могут формировать коммуникационную сеть на лету, т. е. роботы теперь могут «общаться» друг с другом и сотрудничать распределенным образом. [34] С помощью сети роботов роботы могут общаться между собой, обмениваться локальной информацией и распределенно решать, как решить задачу наиболее эффективным и действенным способом. [35]

Реагирование на стихийные бедствия

Другое гражданское применение беспроводной сети ad hoc — общественная безопасность. Во время стихийных бедствий (наводнений, штормов, землетрясений, пожаров и т. д.) необходима быстрая и мгновенная беспроводная коммуникационная сеть. Особенно во время землетрясений, когда радиовышки рухнули или были разрушены, беспроводные сети ad hoc могут быть сформированы независимо. Пожарные и спасатели могут использовать сети ad hoc для связи и спасения пострадавших. На рынке имеются коммерческие радиостанции с такими возможностями. [31] [36]

Специальная больничная сеть

Беспроводные специальные сети позволяют развертывать и соединять между собой датчики, видео, приборы и другие устройства по беспроводной связи для мониторинга пациентов в клиниках и больницах, оповещения врачей и медсестер, а также быстро осмысливать такие данные в точках слияния, что позволяет спасать жизни. [37] [38]

Мониторинг и добыча данных

MANETS можно использовать для облегчения сбора данных датчиков для интеллектуального анализа данных для различных приложений, таких как мониторинг загрязнения воздуха , и для таких приложений можно использовать различные типы архитектур. [39] Ключевой характеристикой таких приложений является то, что соседние сенсорные узлы, контролирующие экологическую особенность, обычно регистрируют схожие значения. Этот вид избыточности данных из-за пространственной корреляции между наблюдениями датчиков вдохновляет методы агрегации и интеллектуального анализа данных в сети. Измеряя пространственную корреляцию между данными, полученными с разных датчиков, можно разработать широкий класс специализированных алгоритмов для разработки более эффективных алгоритмов интеллектуального анализа пространственных данных, а также более эффективных стратегий маршрутизации. [40] Кроме того, исследователи разработали модели производительности для MANET, чтобы применять теорию очередей . [41] [42]

Вызовы

Несколько книг [43] [1] и работ раскрыли технические и исследовательские проблемы [44] [45], с которыми сталкиваются беспроводные сети ad hoc или MANET. Преимущества для пользователей, технические трудности внедрения и побочный эффект загрязнения радиоспектра можно кратко суммировать ниже:

Преимущества для пользователей

Очевидная привлекательность MANET заключается в том, что сеть децентрализована, а узлы/устройства мобильны, то есть нет фиксированной инфраструктуры, что обеспечивает возможность для многочисленных приложений в различных областях, таких как мониторинг окружающей среды , ликвидация последствий стихийных бедствий и военная связь. С начала 2000-х годов интерес к MANET значительно возрос, что, отчасти, связано с тем, что мобильность может улучшить пропускную способность сети, что было показано Гроссглаузером и Це вместе с внедрением новых технологий. [46]

Одним из главных преимуществ децентрализованной сети является то, что они, как правило, более надежны, чем централизованные сети, благодаря многоадресному режиму передачи информации. Например, в условиях сотовой сети падение покрытия происходит, если базовая станция перестает работать, однако вероятность возникновения единой точки отказа в MANET значительно снижается, поскольку данные могут передаваться по нескольким путям. Поскольку архитектура MANET со временем развивается, она может решать такие проблемы, как изоляция/отключение от сети. Дополнительные преимущества MANETS по сравнению с сетями с фиксированной топологией включают гибкость (одноранговую сеть можно создать в любом месте с помощью мобильных устройств), масштабируемость (вы можете легко добавлять больше узлов в сеть) и более низкие административные расходы (нет необходимости сначала строить инфраструктуру). [47] [48]

Трудности внедрения

С развивающейся со временем сетью ясно, что мы должны ожидать изменений в производительности сети из-за отсутствия фиксированной архитектуры (отсутствия фиксированных соединений). Кроме того, поскольку топология сети определяет помехи и, следовательно, связь, модель мобильности устройств в сети будет влиять на производительность сети, что может привести к необходимости многократной повторной отправки данных (увеличение задержки) и, наконец, распределение сетевых ресурсов, таких как мощность, остается неясным. [46] Наконец, поиск модели, которая точно отражает мобильность человека, оставаясь при этом математически разрешимой, остается открытой проблемой из-за большого диапазона факторов, которые на нее влияют. [49] Некоторые типичные используемые модели включают модели случайного блуждания, случайной точки маршрута и полета с обложением. [50] [51] [52] [53]

Побочные эффекты

Радио и модуляция

Беспроводные сети ad hoc могут работать на различных типах радио. Все радио используют модуляцию для передачи информации по определенной полосе радиочастот. Учитывая необходимость быстрой передачи больших объемов информации на большие расстояния, радиоканал MANET в идеале должен иметь большую полосу пропускания (например, объем радиоспектра), более низкие частоты и более высокую мощность. Учитывая желание общаться со многими другими узлами в идеале одновременно, необходимо много каналов. Учитывая, что радиоспектр разделяется и регулируется , на более низких частотах доступно меньше полосы пропускания. Обработка многих радиоканалов требует много ресурсов. Учитывая необходимость мобильности, малый размер и низкое энергопотребление очень важны. Выбор радио и модуляции MANET имеет много компромиссов; многие начинают с определенной частоты и полосы пропускания, которые им разрешено использовать.

Радиостанции могут быть UHF (300–3000 МГц), SHF (3–30 ГГц) и EHF (30–300 ГГц). Wi-Fi ad hoc использует нелицензированные радиостанции ISM 2,4 ГГц. Их также можно использовать на радиостанциях 5,8 ГГц.

Чем выше частота, например, 300 ГГц, тем сильнее будет преобладать поглощение сигнала. Армейские тактические радиостанции обычно используют различные радиостанции UHF и SHF, включая радиостанции VHF, чтобы обеспечить различные режимы связи. В диапазоне 800, 900, 1200, 1800 МГц преобладают сотовые радиостанции. Некоторые сотовые радиостанции используют специальные коммуникации для расширения сотового диапазона на области и устройства, недоступные для базовой станции сотовой связи.

Следующее поколение Wi-Fi, известное как 802.11ax, обеспечивает низкую задержку, высокую пропускную способность (до 10 Гбит/с) и низкую скорость потери пакетов, предлагая 12 потоков — 8 потоков на частоте 5 ГГц и 4 потока на частоте 2,4 ГГц. IEEE 802.11ax использует 8x8 MU-MIMO, OFDMA и каналы 80 МГц. Таким образом, 802.11ax имеет возможность формировать высокопроизводительные сети Wi-Fi ad hoc.

На частоте 60 ГГц существует еще одна форма Wi-Fi, известная как WiGi – беспроводной гигабит. Она способна обеспечить пропускную способность до 7 Гбит/с. В настоящее время WiGi нацелен на работу с сотовыми сетями 5G. [54]

Примерно в 2020 году общее мнение таково, что «лучшей» модуляцией для передачи информации с помощью волн более высокой частоты является ортогональное частотное разделение каналов , используемое в 4G LTE , 5G и Wi-Fi .

Стек протоколов

Проблемы [43] [1], влияющие на MANET, охватывают различные уровни стека протоколов OSI . Уровень доступа к среде (MAC) должен быть улучшен для разрешения коллизий и скрытых проблем терминалов. Протокол маршрутизации сетевого уровня должен быть улучшен для разрешения динамически изменяющихся топологий сети и неисправных маршрутов. Протокол транспортного уровня должен быть улучшен для обработки потерянных или неисправных соединений. Протокол сеансового уровня должен иметь дело с обнаружением серверов и служб.

Главным ограничением мобильных узлов является их высокая мобильность, из-за чего связи часто разрываются и восстанавливаются. Кроме того, пропускная способность беспроводного канала также ограничена, а узлы работают от ограниченного заряда батареи, который в конечном итоге разрядится. Эти факторы усложняют проектирование мобильной сети ad hoc.

Межуровневая конструкция отличается от традиционного подхода к проектированию сетей , в котором каждый уровень стека должен работать независимо. Измененная мощность передачи поможет этому узлу динамически изменять свой диапазон распространения на физическом уровне. Это связано с тем, что расстояние распространения всегда прямо пропорционально мощности передачи. Эта информация передается с физического уровня на сетевой, чтобы он мог принимать оптимальные решения в протоколах маршрутизации. Главным преимуществом этого протокола является то, что он обеспечивает доступ к информации между физическим уровнем и верхними уровнями (MAC и сетевой уровень).

Некоторые элементы программного стека были разработаны для обеспечения возможности обновления кода на месте , т. е. с узлами, встроенными в их физическую среду, и без необходимости возвращать узлы в лабораторное помещение. [55] Такое обновление программного обеспечения основывалось на эпидемическом режиме распространения информации и должно было выполняться как эффективно (несколько сетевых передач), так и быстро.

Маршрутизация

Маршрутизация [56] в беспроводных сетях ad hoc или MANET обычно делится на три категории, а именно: проактивная маршрутизация, реактивная маршрутизация и гибридная маршрутизация.

Проактивная маршрутизация

Этот тип протоколов поддерживает свежие списки пунктов назначения и их маршрутов путем периодического распространения таблиц маршрутизации по всей сети. Основные недостатки таких алгоритмов:

Пример: оптимизированный протокол маршрутизации состояния канала (OLSR)

Маршрутизация по вектору расстояния

Как и в фиксированной сети, узлы поддерживают таблицы маршрутизации. Дистанционно-векторные протоколы основаны на вычислении направления и расстояния до любого соединения в сети. «Направление» обычно означает следующий адрес перехода и выходной интерфейс. «Расстояние» — это мера стоимости достижения определенного узла. Маршрут с наименьшей стоимостью между любыми двумя узлами — это маршрут с минимальным расстоянием. Каждый узел поддерживает вектор (таблицу) минимального расстояния до каждого узла. Стоимость достижения пункта назначения рассчитывается с использованием различных метрик маршрута. RIP использует количество переходов пункта назначения, тогда как IGRP учитывает другую информацию, такую ​​как задержка узла и доступная пропускная способность.

Реактивная маршрутизация

Этот тип протокола находит маршрут на основе потребностей пользователя и трафика, заполняя сеть пакетами Route Request или Discovery. Основные недостатки таких алгоритмов:

Однако кластеризация может использоваться для ограничения затопления. Задержка, возникающая при обнаружении маршрута, незначительна по сравнению с периодическими обменами обновлениями маршрута всеми узлами в сети.

Пример: Специальная маршрутизация по расстоянию и вектору по требованию (AODV)

Наводнение

Простой алгоритм маршрутизации, в котором каждый входящий пакет отправляется через каждый исходящий канал, кроме того, по которому он прибыл. Затопление используется в мостах и ​​в таких системах, как Usenet и одноранговый обмен файлами , а также как часть некоторых протоколов маршрутизации, включая OSPF , DVMRP и те, которые используются в беспроводных сетях ad hoc.

Гибридная маршрутизация

Этот тип протокола сочетает в себе преимущества проактивной и реактивной маршрутизации . Маршрутизация изначально устанавливается с некоторыми проактивно разведанными маршрутами, а затем обслуживает спрос от дополнительно активированных узлов посредством реактивного флуда. Выбор того или иного метода требует предварительного определения для типичных случаев. Основными недостатками таких алгоритмов являются:

  1. Преимущество зависит от количества других активированных узлов.
  2. Реакция на спрос на транспорт зависит от градиента объема трафика. [58]

Пример: протокол зональной маршрутизации (ZRP)

Маршрутизация на основе позиции

Методы маршрутизации на основе положения используют информацию о точном местоположении узлов. Эта информация получается, например, через GPS- приемник. На основе точного местоположения можно определить наилучший путь между исходным и конечным узлами.

Пример: «Маршрутизация с учетом местоположения в мобильных сетях ad hoc» (LAR)

Технические требования к реализации

Специальная сеть состоит из нескольких «узлов», соединенных «связями».

На связи влияют ресурсы узла (например, мощность передатчика, вычислительная мощность и память) и поведенческие свойства (например, надежность), а также свойства связи (например, длина связи и потеря сигнала, помехи и шум). Поскольку связи могут быть подключены или отключены в любое время, функционирующая сеть должна быть в состоянии справиться с этой динамической реструктуризацией, предпочтительно таким образом, чтобы это было своевременно, эффективно, надежно, устойчиво и масштабируемо.

Сеть должна позволять любым двум узлам общаться, передавая информацию через другие узлы. «Путь» — это ряд ссылок, соединяющих два узла. Различные методы маршрутизации используют один или два пути между любыми двумя узлами; методы затопления используют все или большинство доступных путей. [59]

Контроль доступа к среде

В большинстве беспроводных сетей ad hoc узлы конкурируют за доступ к общей беспроводной среде, что часто приводит к коллизиям (помехам). [60] Коллизии можно обрабатывать с помощью централизованного планирования или распределенных протоколов конкурентного доступа. [60] Использование кооперативной беспроводной связи повышает устойчивость к помехам , поскольку узел назначения объединяет собственные помехи и помехи других узлов для улучшения декодирования желаемых сигналов.

Моделирование

Одной из ключевых проблем в беспроводных сетях ad hoc является предвидение разнообразия возможных ситуаций, которые могут возникнуть. В результате моделирование и имитация (M&S) с использованием обширного подбора параметров и анализа «что если» становится чрезвычайно важной парадигмой для использования в сетях ad hoc. Одним из решений является использование инструментов имитации, таких как OPNET , NetSim или ns2 . Сравнительное исследование различных симуляторов для VANET показывает, что такие факторы, как ограниченная топология дороги, многолучевое затухание и придорожные препятствия, модели транспортных потоков, модели поездок, изменяющаяся скорость и мобильность транспортных средств, светофоры, заторы на дорогах, поведение водителей и т. д., должны быть приняты во внимание в процессе имитации для отражения реалистичных условий. [61]

Тестовый стенд для эмуляции

В 2009 году Исследовательская лаборатория армии США (ARL) и Исследовательская лаборатория ВМС США (NRL) разработали испытательный стенд для эмуляции мобильной сети Ad-Hoc , где алгоритмы и приложения подвергались воздействию типичных условий беспроводной сети. Испытательный стенд был основан на версии программного обеспечения "MANE" (Mobile Ad hoc Network Emulator), изначально разработанного NRL. [62]

Математические модели

Традиционная модель — случайный геометрический граф . Ранние работы включали моделирование беспроводных мобильных сетей на разреженных и плотно связанных топологиях. Сначала узлы случайным образом разбросаны в ограниченном физическом пространстве. Затем каждый узел имеет предопределенный фиксированный размер ячейки (радиодиапазон). Узел считается подключенным к другому узлу, если этот сосед находится в пределах его радиодиапазона. Затем узлы перемещаются (мигрируют) на основе случайной модели, используя случайное блуждание или броуновское движение. Различная мобильность и количество присутствующих узлов приводят к разной длине маршрута и, следовательно, разному количеству многоадресных переходов.

Случайно построенный геометрический график, нарисованный внутри квадрата.

Это графы, состоящие из набора узлов, размещенных в соответствии с точечным процессом в некотором обычно ограниченном подмножестве n-мерной плоскости , взаимно связанных в соответствии с булевой функцией массы вероятности их пространственного разделения (см., например, графы единичного диска ). Соединения между узлами могут иметь разные веса для моделирования разницы в затуханиях каналов. [60] Затем можно изучать наблюдаемые сетевые параметры (такие как связность , [63] центральность [64] или распределение степеней [65] ) с точки зрения теории графов . Можно дополнительно изучать сетевые протоколы и алгоритмы для улучшения пропускной способности и справедливости сети. [60]

Безопасность

Большинство беспроводных сетей ad hoc не реализуют никакого контроля доступа к сети, что делает эти сети уязвимыми для атак на потребление ресурсов, когда вредоносный узел внедряет пакеты в сеть с целью истощения ресурсов узлов, ретранслирующих пакеты. [66]

Чтобы помешать или предотвратить такие атаки, необходимо было использовать механизмы аутентификации, которые гарантировали, что только авторизованные узлы могут вводить трафик в сеть. [67] Даже при наличии аутентификации эти сети уязвимы для атак с отбрасыванием или задержкой пакетов, когда промежуточный узел отбрасывает пакет или задерживает его, а не оперативно отправляет его на следующий узел.

В многоадресной и динамической среде установление временных 1:1 безопасных «сеансов» с использованием PKI с каждым другим узлом нецелесообразно (как это делается с HTTPS , большинством VPN и т. д. на транспортном уровне). Вместо этого распространенным решением является использование предварительных общих ключей для симметричного, аутентифицированного шифрования на канальном уровне, например, MACsec с использованием AES -256- GCM . При использовании этого метода каждый правильно отформатированный полученный пакет аутентифицируется, а затем передается для расшифровки или отбрасывается. Это также означает, что ключ(и) в каждом узле должны меняться чаще и одновременно (например, чтобы избежать повторного использования IV ) .

Доверительное управление

Установление и управление доверием в MANET сталкиваются с трудностями из-за ограничений ресурсов и сложной взаимозависимости сетей. Управление доверием в MANET должно учитывать взаимодействие между составными когнитивными, социальными, информационными и коммуникационными сетями, а также принимать во внимание ограничения ресурсов (например, вычислительную мощность, энергию, пропускную способность, время) и динамику (например, изменения топологии, мобильность узлов, отказ узлов, условия канала распространения). [68]

Исследователи управления доверием в MANET предположили, что для таких сложных взаимодействий требуется составная метрика доверия, которая охватывает аспекты коммуникаций и социальных сетей, а также соответствующие схемы измерения доверия, распределения доверия и управления доверием. [68]

Постоянный мониторинг каждого узла в сети MANET необходим для обеспечения доверия и надежности, но сложен, поскольку по определению является прерывистым, 2) требует ввода данных от самого узла и 3) от его «ближайших» одноранговых узлов.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Toh, CK (1997). Беспроводные ATM и сети Ad Hoc. Springer US. ISBN 9780792398226.
  2. ^ Мортеза М. Занджирех; Али Шахраби; Хади Лариджани (2013). ANCH: Новый алгоритм кластеризации для беспроводных сенсорных сетей. 27-я Международная конференция по передовым информационным сетям и приложениям. Семинары. WAINA 2013. doi :10.1109/WAINA.2013.242.
  3. ^ ab Toh, Chai Keong (2002). Ad Hoc Mobile Wireless Networks . Prentice Hall Publishers. ISBN 9780130078179.
  4. ^ "Роберт ("Боб") Эллиот Кан". Премия имени А. М. Тьюринга . Ассоциация вычислительной техники .
  5. ^ J. Burchfiel; R. Tomlinson ; M. Beeler (май 1975). Функции и структура пакетной радиостанции (PDF) . Национальная компьютерная конференция и выставка. стр. 245–251. doi :10.1145/1499949.1499989.
  6. ^ Бейер, Дэйв (октябрь 1990 г.). «Достижения программы DARPA SURAN — публикация конференции IEEE». doi :10.1109/MILCOM.1990.117536. S2CID  57373343. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  7. ^ ARRL's VHF Digital Handbook . Американская лига радиорелейной связи. 2008. С. 1–2.
  8. ^ Toh, Chai Keong (1997). «Маршрутизация на основе ассоциативности для мобильных сетей Ad Hoc». Wireless Personal Communications . 4 (2): 103–139. doi :10.1023/A:1008812928561. S2CID  14335563.
  9. ↑ Тох, Чай Кеонг (31 марта 1999 г.). «IETF MANET DRAFT: Долгосрочная специальная маршрутизация на основе концепции ассоциативности».
  10. ^ «Эксперименты с беспроводной сетью Ad Hoc на территории кампуса: идеи и опыт», Обзор оценки производительности ACM SIGMETRICS, том 28, № 3, 2001 г.».
  11. ^ Toh, Chai K. (2001-12-03). "7: Реализация мобильных сетей Ad Hoc". Мобильные беспроводные сети Ad Hoc. Prentice Hall. ISBN 9780132442046.
  12. ^ Чакерес, Ян Д. «Проектирование внедрения AODV и оценка производительности» (PDF) . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  13. ^ Джонсон, Д.; Ху, И.; Мальц, Д. (февраль 2007 г.). Протокол динамической маршрутизации от источника (DSR) для мобильных сетей Ad Hoc для IPv4. IETF . doi : 10.17487/RFC4728 . RFC 4728.
  14. ^ «Специальные мобильные беспроводные сети: протоколы и системы, 2001».
  15. ^ "Спонтанное сетевое взаимодействие Лоры Фини, IEEE Communications, 2001". CiteSeerX 10.1.1.960.8621 .  {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  16. ^ Мартинес; Тох; Кано; Калафате; Мандзони (2010). «Экстренные службы в будущих интеллектуальных транспортных системах на основе транспортных сетей связи». Журнал IEEE Intelligent Transportation Systems . 2 (2): 6–20. doi :10.1109/MITS.2010.938166. S2CID  206470694.
  17. ^ IZ, Ahmed; TM Mohamed; RA Sadek (2017). "Протокол доставки сообщений и аутентификации VANET с низкими вычислительными затратами". 2017 12-я Международная конференция по вычислительной технике и системам (ICCES) . стр. 204–211. doi :10.1109/ICCES.2017.8275303. ISBN 978-1-5386-1191-3. S2CID  25800906.
  18. ^ «Мультипирное соединение от Apple».
  19. ^ ""Каждый человек — узел: как работает ячеистая сеть Wi-Fi" Джерри Хильденбранда, 2016 г.". 13 октября 2016 г.
  20. ^ То; ​​Ли; Рамос (2002). «Тактические беспроводные мобильные сети Ad Hoc следующего поколения». Журнал TRW Systems Technology .
  21. ^ «Армия США принимает Silvus для интегрированного тактического сетевого набора возможностей '21». Prnewswire . 2021.
  22. ^ Silvus Technologies (24 мая 2022 г.). "Радиостанции #StreamCaster получили обозначение Joint Electronics Type: AN/PRC-169. Радиостанции AN/PRC-169 соединяют спешенного солдата, развернутые командные пункты, датчики ISR и беспилотные автомобили через устойчивую к электронным атакам сеть #MANET". Twitter . Архивировано из оригинала 24 мая 2022 г. . Получено 10 июня 2022 г. На изображении показано " SC4400E AN/PRC-169(V)1 5820-01-691-2906 SC4200EP AN/PRC-169(V)2 5820-01-691-2880"
  23. ^ "STREAMCASTER 4400 Enhanced 4x4 MIMO Radio" (PDF) . Silvus Technologies . Апрель 2021 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2022 г. Получено 10 июня 2022 г.
  24. ^ "StreamCaster 4200 Enhanced Plus 2x2 MIMO Radio" (PDF) . Silvus Technologies . Апрель 2021 г. Архивировано из оригинала (PDF) 21 января 2022 г. Получено 10 июня 2022 г.
  25. ^ "DTC Mesh Radios Integrated into US Army Tactical Network". Технология беспилотных систем . 31 августа 2020 г. Получено 1 сентября 2024 г.
  26. ^ "DTC предлагает улучшенные ячеистые сети MANET". www.soldiermod.com . Получено 01.09.2024 .
  27. ^ "Южнокорейская армия получила первую тактическую радиостанцию ​​связи Manet". www.thedefensepost.com . 17 июля 2024 г. Получено 01.09.2024 .
  28. ^ Антонио Гильен-Перес; Рамон Санчес-Иборра; Мария-Долорес Кано; Хуан Карлос Санчес-Аарнутсе; Джоан Гарсия-Аро (2016). «Сети WiFi на дронах». 2016 Калейдоскоп МСЭ: ИКТ для устойчивого мира (ITU WT) . стр. 1–8. doi :10.1109/ITU-WT.2016.7805730. ISBN 978-9-2612-0451-8. S2CID  43655770. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  29. ^ «Будущее уже здесь: пять применений технологии БПЛА». 2013-12-06.
  30. ^ «Главный научный сотрудник ВВС США: дроны-невидимки и рои-убийцы могут появиться уже скоро». 2017-02-23.
  31. ^ ab "Мы соединяем ваши военно-морские силы" (PDF) . Rohde & Schwarz . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-08-01.
  32. ^ «Первая полностью мобильная кроссплатформенная специальная IP-сеть, использующая устаревшие радиосистемы».
  33. ^ «Исследование сетей интеллектуальной пыли, Университет Линчёпинга, 2011».
  34. ^ «Протоколы и приложения беспроводных сетей связи для беспроводных роботов: обзор» (PDF) .
  35. ^ «Покрытие беспроводной сети Ad-hoc сетевыми роботами, которые не могут локализоваться, 2009» (PDF) .
  36. ^ «GoTenna Pro Meshing Radio стремится к развертыванию рядом со спасательными, пожарными и охранными командами». 27 марта 2017 г.
  37. ^ Бадер, Роланд; Пинто, Мишель; Спенрат, Феликс; Воллманн, Филипп; Каргл, Франк (2006). «BigNurse: беспроводная специальная сеть для мониторинга пациентов». 2006 Pervasive Health Conference and Workshops . pp. 1–4. CiteSeerX 10.1.1.397.7540 . doi :10.1109/PCTHEALTH.2006.361691. ISBN  978-1-4244-1085-9. S2CID  14208144.
  38. ^ Тошиё Тамура; Такахиро Кавада; Масаки Секине (2007). «Домашняя медицинская помощь с сетевой системой ad-hoc». Ежегодная конференция SICE 2007. С. 307–310. doi :10.1109/SICE.2007.4420997. ISBN 978-4-907764-27-2. S2CID  35790010.
  39. ^ Ma, Y.; Richards, M.; Ghanem, M.; Guo, Y.; Hassard, J. (2008). «Мониторинг загрязнения воздуха и добыча полезных ископаемых на основе сенсорной сети в Лондоне». Датчики . 8 (6): 3601–3623. Bibcode : 2008Senso...8.3601M. doi : 10.3390/s8063601 . PMC 3714656. PMID  27879895 . 
  40. ^ Ma, Y.; Guo, Y.; Tian, ​​X.; Ghanem, M. (2011). «Распределенный алгоритм агрегации на основе кластеризации для пространственно-коррелированных сенсорных сетей». IEEE Sensors Journal . 11 (3): 641. Bibcode : 2011ISenJ..11..641M. CiteSeerX 10.1.1.724.1158 . doi : 10.1109/JSEN.2010.2056916. S2CID  1639100. 
  41. ^ Клейнрок, Леонард (1975). «Коммутация пакетов в радиоканалах: Часть I — Режимы множественного доступа с контролем несущей и их характеристики пропускной способности и задержки». Труды IEEE по коммуникациям . 23 (12): 1400–1416. CiteSeerX 10.1.1.475.2016 . doi :10.1109/TCOM.1975.1092768. S2CID  5879608. 
  42. ^ Ши, Жефу; Борода, Кори; Митчелл, Кен (2008). «Настраиваемое управление трафиком для многопереходных сетей CSMA». MILCOM 2008–2008 Конференция IEEE по военной связи . стр. 1–7. дои : 10.1109/MILCOM.2008.4753376. ISBN 978-1-4244-2676-8. S2CID  9755353.
  43. ^ ab Murthy, C. Siva Ram; Manoj, BS (май 2004). Беспроводные сети Ad hoc: протоколы и архитектуры . Prentice Hall PTR. ISBN 9780133007060.
  44. ^ «Исследовательские проблемы для мобильных беспроводных сетей Ad hoc», Университет Эссекса, 2005 г.
  45. ^ «Обзор мобильных сетей Ad Hoc: приложения и проблемы» (PDF) .
  46. ^ ab Grossglauser, M; Tse, D (2001). Мобильность увеличивает емкость беспроводных сетей ad-hoc . Двадцатая ежегодная совместная конференция IEEE Computer and Communications Societies. Том 3. Труды IEEE. С. 1360–1369.
  47. ^ Хелен, Д.; Ариважаган, Д. (2014). «Применение, преимущества и проблемы сетей ad hoc». JAIR . 2 (8): 453–457.
  48. ^ Джордано, С. (2002). «Мобильные сети ad hoc». Справочник по беспроводным сетям и мобильным вычислениям . С. 325–346.
  49. ^ Гонсалес, Марта С.; Идальго, Сезар А.; Барабаси, Альберт-Ласло (2008). «Понимание индивидуальных моделей человеческой мобильности». Nature . 453 (7196): 779–782. arXiv : 0806.1256 . Bibcode :2008Natur.453..779G. doi :10.1038/nature06958. PMID  18528393. S2CID  4419468.
  50. ^ Брокманн, Дирк; Хуфнагель, Ларс; Гейзель, Тео (2006). «Законы масштабирования человеческих путешествий». Природа . 439 (7075): 462–465. arXiv : cond-mat/0605511 . Бибкод : 2006Natur.439..462B. дои : 10.1038/nature04292. PMID  16437114. S2CID  4330122.
  51. ^ Беттстеттер, К.; Реста, Г.; Санти, П. (2003). «Распределение узлов модели случайной мобильности точек маршрута для беспроводных сетей ad hoc». IEEE Transactions on Mobile Computing . 2 (3): 257–269. CiteSeerX 10.1.1.576.3842 . doi :10.1109/tmc.2003.1233531. S2CID  15031580. 
  52. ^ Hyytia, E; Lassila, P; Virtamo, J (2006). «Пространственное распределение узлов модели случайной мобильности точек маршрута с приложениями». IEEE Transactions on Mobile Computing . 5 (6): 680–694. CiteSeerX 10.1.1.59.3414 . doi :10.1109/tmc.2006.86. S2CID  6352586. 
  53. ^ Фигейредо, А; Глерия, И; Мацусита, Р (2003). «О происхождении усеченных полетов Леви». Physics Letters A. 315 ( 1): 51–60. Bibcode : 2003PhLA..315...51F. CiteSeerX 10.1.1.563.4078 . doi : 10.1016/s0375-9601(03)00976-9. 
  54. ^ «Разбираемся, что происходит с Wi-Fi». 11 июня 2016 г.
  55. ^ Panta, Rajesh Krishna; Bagchi, Saurabh; Midkiff, Samuel P. (февраль 2011 г.). «Эффективное инкрементное обновление кода для сенсорных сетей». ACM Transactions on Sensor Networks . 7 (4): 30:1–30:32. doi :10.1145/1921621.1921624. ISSN  1550-4859. S2CID  8240984.
  56. ^ Ройер, Э. М.; Чай-Кеонг То (1999). «Обзор текущих протоколов маршрутизации для беспроводных мобильных сетей ad hoc, авторы Э. М. Ройер, К. К. То в IEEE Personal Communications, 1999». IEEE Personal Communications . 6 (2): 46–55. CiteSeerX 10.1.1.11.8637 . doi :10.1109/98.760423. 
  57. ^ Перкинс, К.; Ройер, Э.; Дас, С. Маршрутизация по требованию с использованием вектора расстояний (AODV). IETF . doi : 10.17487/RFC3561 . RFC 3561.
  58. ^ Wattenhofer, Roger (2 августа 2005 г.). «Алгоритмы для сетей ad hoc и сенсорных сетей». Computer Communications . 28 (13): 1498–1504. doi :10.1016/j.comcom.2004.12.037.
  59. ^ Wu, SL; Tseng, YC (2007). Беспроводные сети Ad Hoc . Auerbach Publications. ISBN 9780849392542.
  60. ^ abcd Guowang Miao ; Guocong Song (2014). Проектирование энергоэффективных и спектрально эффективных беспроводных сетей . Cambridge University Press . ISBN 978-1107039889.
  61. ^ Мартинес; Тох; Кано; и др. (2009). «Обзор и сравнительное исследование симуляторов для транспортных сетей ad hoc (VANET)». Wireless Communications Journal . 11 (7): 813–828. doi : 10.1002/wcm.859 .
  62. ^ Иванич, Натали; Ривера, Брайан; Адамсон, Брайан (2009). "Среда эмуляции мобильной сети Ad Hoc". Среда эмуляции мобильной сети Ad Hoc - Публикация конференции IEEE . стр. 1–6. CiteSeerX 10.1.1.414.4950 . doi :10.1109/MILCOM.2009.5379781. ISBN  978-1-4244-5238-5. S2CID  14810551.
  63. ^ MD Penrose (2016). «Связность мягких случайных геометрических графов». Анналы прикладной вероятности . 26 (2): 986–1028. arXiv : 1311.3897 . doi : 10.1214/15-AAP1110. S2CID  54549743.
  64. ^ AP Giles; O. Georgiou; CP Dettmann (2015). «Центральность промежуточности в плотных случайных геометрических сетях». Международная конференция IEEE по коммуникациям (ICC) 2015 г. стр. 6450–6455. arXiv : 1410.8521 . doi :10.1109/ICC.2015.7249352. ISBN 978-1-4673-6432-4. S2CID  928409.
  65. ^ М. Д. Пенроуз (2003). «Случайные геометрические графы». Oxford University Press.
  66. ^ Stajano, Frank; Anderson, Ross (2000). "Воскресающий утенок: проблемы безопасности для беспроводных сетей Ad-hoc". Воскресающий утенок: проблемы безопасности для беспроводных сетей Ad-hoc, Stajano и Anderson, Международный семинар по протоколам безопасности, 1999. Конспект лекций по информатике. Том 1796. С. 172–182. CiteSeerX 10.1.1.13.1450 . doi :10.1007/10720107_24. ISBN  978-3-540-67381-1.
  67. ^ Сенкун Чжу; Шоухуай Сю; Санджив Сетиа; Сушил Джаджодиа (2003). 23-я Международная конференция по распределенным вычислительным системам. Семинары, 2003. Труды (PDF) . стр. 749–755. CiteSeerX 10.1.1.11.4621 . doi :10.1109/ICDCSW.2003.1203642. ISBN  978-0-7695-1921-0. S2CID  7082229.
  68. ^ Аб Чо, Джин Хи; Свами, Анантрам; Чен, Инг-Рэй (2011). «Опрос по доверительному управлению для мобильных одноранговых сетей - журналы и журналы IEEE». Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 13 (4): 562–583. CiteSeerX 10.1.1.409.2078 . doi :10.1109/SURV.2011.092110.00088. S2CID  14849884. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки