Ad-Hoc網絡是一種無需固定網絡作為支撐的網絡形式。由于Ad-Hoc網絡具有組網快速靈活、抗毀性強、成本低廉等優(yōu)點，特別適用于軍事、搶險救災、電子教室等領域。這種網絡已經成為無線通信領域中一種有效的通信網絡形式，而且已經取得了廣泛的應用，如802.11系統(tǒng)、美軍海陸空一體化數字通信系統(tǒng)。
　　Ad-Hoc網絡可分為Ad-Hoc WLAN(Ad-Hoc Wireless Local Area Network) 和 Mobile Ad-Hoc兩類。Ad-Hoc WLAN網絡是一種全連通的網絡，網絡中的任一節(jié)點與其它所有節(jié)點僅相距一跳范圍；Mobile Ad-Hoc 網絡，即MANET，是一種非全連通的網絡，網絡中任意兩個節(jié)點間的距離大于或等于一跳范圍。圖1為上述兩種網絡的拓撲示意圖。

1 Ad-Hoc網絡的特點
　　與現有的移動通信網不同，Ad-Hoc網絡不依賴固定網絡，將地理位置分散的無線電臺有效地組織在一起相互通信。由于沒有中心基站的支持，組網的重擔就落在各個無線電臺上，因此這種網絡也被稱為自組織網。在移動的環(huán)境下，各無線電臺間的通信鏈路" title="鏈路">鏈路是不固定的，甚至可能發(fā)生快速的變化。另外，應用于Ad-Hoc網絡的終端設備大多為便攜設備或車載設備，設備體積不能很大，且功耗受限，因此這種網絡的單跳覆蓋范圍一般不會很大(軍事領域的某些應用可能例外)，而且雙工方式大多為TDD(時分雙工)。
　　對于Mobile Ad-Hoc網絡，拓撲的局部連通性是一個十分重要的特點。正是該特點導致了Ad-Hoc網絡中“隱藏終端”的問題。如圖1(b)所示，節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送信息時，節(jié)點C并不知道，這時如果節(jié)點C向B或D發(fā)送信息，會導致節(jié)點B處信號碰撞，無法正確接收信息。
2 Ad-Hoc網絡多址接入協(xié)議
　　自從最早的ALOHA系統(tǒng)誕生以來，Ad-Hoc網絡已經經歷了30多年的發(fā)展歷程。以往，Ad-Hoc網絡的研究重點主要集中在路由問題，對MAC協(xié)議的研究是近年來的熱點。早期的Ad-Hoc網絡采用的多址接入協(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，而且實現簡單，因此取得了廣泛的應用。但是，隨著通信網絡的發(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)議存在的問題進行簡要分析。
　　·CSMA協(xié)議的網絡通過率與歸一化的載波檢測時延" title="時延">時延密切相關，其公式如下：
　　
　　其中，τ為載波檢測時延，它由鏈路的傳播時延和物理層的檢測時延組成；C為信道傳輸速率；L為分組長度。由該公式可以發(fā)現：隨著傳播距離的增長、信道速率的提高、分組長度的縮小，β會相應變大。當β達到0.2～0.3，甚至更高時，CSMA這類協(xié)議的性能就已經較差了(對于非時隙的CSMA/CD而言，β＝0.2時，系統(tǒng)的通過率不足45%)，不易再采用CSMA多址接入協(xié)議。
　　·在Mobile Ad-hoc網絡中，由于隱藏終端和暴露終端的存在，使得CSMA協(xié)議對信道的利用率不高。
　　·CSMA協(xié)議是一種基于'競爭'的多址接入協(xié)議，這樣的協(xié)議無法為每個節(jié)點保證傳輸帶寬，分組在網絡中的平均時延方差也會因此較大，不適合實時業(yè)務或需要QoS保證的業(yè)務要求。
　　近年來，寬帶化是通信系統(tǒng)的一個發(fā)展方向，而CSMA協(xié)議的通過率會隨著信道速率的提高有所下降，顯然不適合現代通信系統(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一直是學者或工程師們追求的目標，而CSMA協(xié)議的信道利用率不高，尤其是在Mobile Ad-hoc的網絡中，這是無法忍受的。另外，現代通信對多媒體業(yè)務的需求已經越來越大，可CSMA協(xié)議無法為實時業(yè)務(話音業(yè)務或視頻業(yè)務)提供服務，這顯然是要被淘汰的。
　　目前，在學術領域中，Ad-Hoc網絡的多址接入協(xié)議主要分為兩類，即基于競爭的MAC協(xié)議和無競爭的MAC協(xié)議。前面提到的ALOHA協(xié)議和CSMA協(xié)議都是基于競爭的MAC協(xié)議。由于這種協(xié)議在重負載下系統(tǒng)不穩(wěn)定，導致了無競爭MAC協(xié)議的出現。常見的無競爭MAC協(xié)議有四類：基于FDMA或TDMA的固定多址協(xié)議、基于節(jié)點輪循(polling)的協(xié)議、基于令牌傳遞(token passing)的協(xié)議、基于動態(tài)預約(dynamic reservation)的協(xié)議。
　　在Ad-Hoc網絡中，由于節(jié)點體積功耗的限制，TDMA協(xié)議比FDMA協(xié)議更適合。但是，對突發(fā)業(yè)務模型，TDMA協(xié)議會造成較大的信道浪費，而且對于節(jié)點數目隨時變化的TDMA系統(tǒng)，對時隙的管理會更加復雜?；诠?jié)點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，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。在上述情況下，動態(tài)預約的多址協(xié)議看來會成為最佳的選擇。
　　動態(tài)預約的多址協(xié)議結合了基于競爭的MAC協(xié)議和無競爭的MAC協(xié)議的優(yōu)點。動態(tài)預約的對象在目前已有的協(xié)議中主要有兩類：一類是預約傳輸分組的權利，另一類是預約調度傳輸的權利。將這兩類協(xié)議分別標記為第一類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)點在傳輸前通過RTS/CTS握手信號預約信道，預約到后，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預約分組，B收到RTS分組后，應答CTS分組，允許發(fā)送。同時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)別在于如何應對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網絡中采用動態(tài)預約的TDMA協(xié)議一直是一個研究熱點。由于這種協(xié)議預約的同樣是傳輸分組的權利，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)議關注的焦點都是如何預約信道，不同的預約策略可為業(yè)務提供不同的服務質量，占用的信道開銷當然也不會相同。然而，對于Ad-Hoc網絡，如何實現全網同步是實現上述系統(tǒng)的難點所在。從全網同步的角度出發(fā)，又可將Ad-Hoc網絡分為有中心的網絡和無中心的網絡。對于有中心的網絡，所有節(jié)點都與中心節(jié)點直接相連，因此全網的同步信息可由中心節(jié)點發(fā)布，其它節(jié)點都以中心節(jié)點為基準，與其保持時隙同步。對于無中心的網絡(大多數的Mobile Ad-hoc網絡都是無中心的)如何實現全網同步一直是一個難點。目前解決該問題的主要方法是以GPS定時信號為基準，實現網內各節(jié)點的粗同步，再通過對訓練序列相關運算尋找相關峰，計算定時偏差，并自適應調整實現節(jié)點間的精確同步。
　　通過對上述多址接入協(xié)議的研究可以看到，用于Ad-Hoc網絡的多址接入協(xié)議應具備如下特點：
　　·協(xié)議要能夠適應拓撲的動態(tài)變化，即自適應拓撲變化；
　　·協(xié)議要能夠適應不同業(yè)務對帶寬的需求，保證業(yè)務的服務質量QoS，即自適應業(yè)務變化；
　　·協(xié)議要能夠為不同優(yōu)先級的業(yè)務提供不同的服務質量QoS(如緊急業(yè)務的優(yōu)先級要高于實時業(yè)務，實時業(yè)務的優(yōu)先級要高于非實時業(yè)務)；
　　·協(xié)議要盡可能地避免信道的碰撞和不必要的空閑，同時減小控制開銷，提高對信道的利用率。
3 Ad-Hoc網絡多址協(xié)議的開發(fā)
　　對無線通信網絡的開發(fā)是一個復雜的工程，尤其是在條件有限的實驗室內。筆者的開發(fā)思想如圖2所示。

　　整個通信網絡開發(fā)平臺" title="開發(fā)平臺">開發(fā)平臺由MAC協(xié)議開發(fā)平臺、物理層模擬平臺和信道模擬器三部分組成。通信軟件開發(fā)平臺和物理層模擬平臺合為一個節(jié)點平臺。
3.1 MAC協(xié)議開發(fā)平臺
　　MAC協(xié)議開發(fā)平臺主要由嵌入式微處理器、存儲系統(tǒng)及相關各種接口組成。對該平臺的設計主要集中在嵌入式微處理器的選型上。在這里，筆者最關心的是處理器的處理速度能否滿足系統(tǒng)參數的需求。雖然，各種處理器都提供了相關的處理能力指標(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)行時間還與軟件自身的設計及編譯器的編譯效率等因素有關。因此，這個問題很難有一個明確的結論。
　　筆者在設計中采用了ARM處理器運行MAC協(xié)議軟件。對ARM處理器的選擇是通過下述方法確定的。首先，設計并編寫處理時間敏感的軟件，然后在AXD調試工具下調用ARMUL調試內核，對編寫的軟件進行實時分析。在調用ARMUL調試內核時，應根據使用處理器的特點(如是否帶有MMU功能)、系統(tǒng)的時鐘頻率、存儲器的訪問時間等相關參數進行設置。運行軟件時，調用Debugger Internals工具，就可以看到運行整個軟件所需要的時鐘周期及對總線上各種時序的統(tǒng)計。由此可以判斷這部分軟件的運行時間，以及選擇處理器能否滿足需要。另外，在選擇處理器時，應注意給處理器留下一定的余量(一般，應留下30％的處理余量)。
3.2 物理層模擬平臺
　　物理層模擬平臺主要由FPGA實現。該平臺可作為一個設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)平臺相連。這應根據實際工程需要選擇，筆者選擇的是前者。物理層模擬器的平臺框圖如圖3所示。