互动科普

在这个Facebook、Twitter和iPhone大行其道的时代，我们往往会以为全球信息畅通无阻是天经地义的事情。然而，恰恰是在通信基础设施不复存在的时候，保持信息畅通的重要性更为突出。今年年初，海地遭受地震重创之后的若干天里，救援机构提供的卫星电话成了当地的主要联系工具。不过，即使像停电之类看来很普通的事故，也可能使手机通信网瘫痪，于是我们常用的这种主要应急联系工具便成了摆设，只能用来压压纸了。

在这类场合，一种新兴的解决方案就是，建立一个自组织网络（ad-hoc network）。经过专门编程的手机或其他通信设备只要彼此在对方的通信覆盖范围内，这种网络便会自动建立起来。此网络内的每部设备都既是发射器又是接收器，而最重要的是，它们还充当了附近所有设备的信息中转站。彼此不在对方通信范围内的设备照样可以联系，前提是位于它们之间的其他设备愿意帮忙，一个接一个地把信息传递下去，就像救火时一群人排成长龙传递水桶一样。换言之，网络中的每部设备都是一个节点，既可以发送自己的信息，也可充当中转站，转发来自其他节点的信息。

灾难救援只是ad-hoc网络的潜在应用场合之一。其实，不管什么地方，只要建设固定基站时间来不及，或是难度太大、费用太高，ad-hoc网络就有用武之地。美国军方已投入巨资设计这类系统来保障战场通信。在家里建一个ad-hoc网，你的家用IT装置便可自动彼此识别、通信，让客厅和书房从此告别那些乱成一团的各种线缆。宽带网未能覆盖的偏远地区和低收入社区，则可以通过ad-hoc网络接入互联网。而研究树顶微环境或洋底热液喷口的科学家，可以在想要探索的环境中随意布置传感器，不用操心哪些传感器需要彼此联系，更不必担忧信息如何从密林传送到研究人员的笔记本电脑上。

这类网络的开发工作已进行了30多年，但只是在近几年，由于网络理论的进展，首批大规模的实用型自组织ad-hoc网络才得以问世。在旧金山，新成立的一家网络公司Meraki开展了“让网络免费”活动，该活动基于ad-hoc组网技术，为40万旧金山市民提供免费上网服务。利用ad-hoc组网技术，无须布线，也不必专门设置，便可借助手机、电脑游戏系统以及笔记本电脑中的蓝牙组件使它们实现互联。ad-hoc网络也已布置在各种各样位置偏远或条件恶劣的环境中，通过低能耗的无线传感器来收集科学数据。为了普及这种网络，还有许多技术难题需要攻克，不过目前的研究已在几个方面取得了一些进展。

传统通信网络

现在ad-hoc网络仍然比较罕见。比较一下这种新颖的组网方案与手机、Wi-Fi等无线技术有什么不同，你就会有所发现。当你使用普通手机与朋友通话时，只有各手机跟距它最近的基站之间的信号传输是通过无线方式进行的。基站的位置固定不动，各个基站之间的通信则通过大规模的有线网络来完成。像Wi-Fi这样的无线局域网也离不开固定的天线和有线通信资源。

这种方案既有优点也有缺点。传送信息需要耗用电力，传统无线网络则把尽可能多的通信负荷留给直接与电网相连的固定通信设施去承担，从而节省了靠电池供电的装置（如手机、笔记本电脑等）所用的电。与电力相仿，无线通信中的带宽也是一项固定且有限的资源。传统无线系统把绝大部分信息集中在线缆上发送，节省了带宽。借助固定通信设施，可以在通信需求量最大的地区建设大规模、极为可靠的电话与Wi-Fi通信网。

但这类网络既然离不开固定通信设施的支持，就难免会受到停电及其他可能导致通信网瘫痪的各种故障的影响，信息交换中心出了问题，区域内正常工作的手机和笔记本电脑便被孤立起来。就这一点而言，ad-hoc网络的可靠性首屈一指，与传统网络形成了鲜明对比。如果一部移动装置的电用完了或者被关掉，剩下的移动装置就会对网络进行调整以补偿缺失的成分。如果有移动装置加入或离开网络，ad-hoc网络都会自动调整并完成“修复”。

不过，获得这种自修复功能是需要付出代价的。ad-hoc网络传输信息的方式必须更加智能，在传送过程中发送方与接收方之间有部分路径断开时，仍然能够重构出所要传送的信息。系统必须选择传输信息的最佳路径，哪怕发送者完全不知道接收方的位置。最后，由于多台装置在同一时间发送信息时产生的干扰无处不在，因此网络还必须能抗干扰。

传送策略

由于种种原因，如何通过不停变化的网络来高效地传送信息，一直是个难题。在传统手机网或其他无线网络中，中央的有线设备会跟踪各台装置的大致位置，这样就可以把来自某位用户的信息直接发送到接收者那里了。

相反，ad-hoc网络中的通信设备必须靠自己来确定传送信息的最佳途径。单个通信设备的计算能力、存储容量及通信功能都是有限的。在传统无线网络中，所有信息都由中央计算机来完成，而ad-hoc网络中的任何通信工具都无法独立承担这项任务。

通过下面这个假想场景，便可阐明这种状况。假定你在一座大城市里（比如北京），需要同一位朋友联系，但他在城市另一头你不知道的某处地方。在这个虚构的世界中，通信设备安装在出租车车顶上。每辆出租车上接收器的有效范围不足1千米，出租车行驶的速度远远慢于通信速度，因此为了传递你的信息，出租车必须互相配合。由于出租车满城都是，彼此驶近时，它们的接收器便互相连接起来，一段时间后又因彼此远离而断开，这段时间的长短是无法预测的。你拨出的电话必须经由这个起伏不定的网络，一步一步地跳过全城，找到你的朋友，然后把信息内容传递给他。

以这种方式进行通信，即使只在一个较小的网络中传送一条信息，也是相当棘手的任务。随着通信工具的增加和通信量的膨胀，难度更是有增无减。要使这种网络技术真正有用，它必须能稳定工作，无论网络扩张到多大或收缩到多小，都要能够高效运行。

研究人员已经开发了许多方法来解决这个问题。这些方法实质就在于不停地询问方向。一台接收器向相邻的接收器发出询问，以确定附近有哪些装置，这些接收器又向与它们相邻的其他接收器发出询问，这样一步步传递下去直至你的朋友收到信息。你朋友的回复可以循同一条路径返回，也可以另外开辟一条路径。这样，每部装置上都会建立一个你与你朋友之间可用路径的列表。即使你的装置不知道朋友现在身在何处，借助这些列表也可以把信息传递到朋友那里。由于这个网络在不停地移动，因此所有装置都必须不断重复询问和应答的过程，以使可用路径列表始终保持最新。

还有一个很有效的招数是同时沿多条路径传送信息，以增大信息传递给对方的机会。问题在于系统的冗余度究竟应该为多大。一个极端情况是让网络同时沿所有路径传送整个信息。这个方法将使信息有更大的几率传送过去，但如果每一条信息都采用这个方法来传送，网络很快就会瘫痪。另外一个极端则是把信息划分为许多段，每一段沿各自的路径传送。这种方法可以节省网络资源，但在传送过程中可能有许多段会丢失，收到的将是不完整的信息。

一种被称为“网络编码”（network coding）的技术提供了一个折中方案。此方法就是把信息划分为若干段，并提供有关这若干段数据的一些线索，然后将此“元信息”（meta information，即关于……的信息）沿着多条路径传送出去。接收端收到元信息后，可以按一定方法将原始信息还原出来，即使部分数据段在传送过程中丢失，也可以推断出原始信息（见上页框图）。

如果采用网络编码，就必须确定传送信息所经由的路径数量。路径越多，因某条路径出差错而带来的影响就越小，但每次通话所涉及的手机数量也就越多。这种方案其实就是把通话的负担分摊到更多手机上，从而降低每台手机的功耗，但同时各手机间也需要更多协调。

无论是传送单次通话还是同时传送多个通话，信号经由的手机越多，发生干扰的可能性也就越大。如果许多人同时讲话，往往很难听清楚，同理，如果一部无线装置附近正在进行其他通话，那么它也很难复原出传送的信息。因为由于没有中央控制器在参与通话的各装置间进行协调，所以这个问题在无线ad-hoc网络中尤其突出。

无线网络中的干扰问题可以通过两种办法来解决。一是避免冲突。如果同时传送的信号较少，那么信息彼此间发生干扰的可能性就不大。这一方案要求每部设备把信息分成许多较小的片段，并且只以短脉冲群（short bursts）的形式发送出去。由于网络中各设备间是不存在协调的，相邻的设备在同一时刻发送信息的可能性微乎其微，因而此方案产生的干扰少于用户通过低速恒定数据流发送信息时所产生的干扰。（最常见的个人电脑无线组网标准就是基于这种脉冲传送方案）。

第二种办法允许两部发送器同时向一部接收器发送信息，但要求其中一部发送器发送的信号较弱。如果你大声说话而另外一个人在窃窃低语，那么通常我不用费很大力气就可以复原出你说的话（见邻页图文）。如果我录了音，从录音中减除你的信息，就可以复原出那个窃窃低语的人所说的话了。

如果ad-hoc网络中仅有两部装置在发送信息而第三部装置在接收信息，那么第二种方案确实是较好的办法。然而，随着发送器的增加，它遇到的问题就大多了。系统必须通过某种方式来安排哪部装置以较强的信号发送信息，哪部装置又以较弱的信号发送。这种协调本身也需要靠通信来实现；在协调上耗费的资源越多，用在通信上的带宽就越小。寻找一条最佳策略，依然是当前正在进行的研究开发工作所要解决的课题。

新工具

虽然ad-hoc网络在多种场合中都有效，但它究竟有多大作用却很难确定。即便是有关它性能极限的简单问题也难以回答。ad-hoc网络的传送速率能有多快？这一速率与网络中通信设备的数量以及它们所产生的干扰程度有什么关系？当网络中所有装置都在移动时会出现什么情况？还有，如何在信息传送速率、信息传输延迟以及系统稳固性之间寻找一个合适的平衡点？

掌握ad-hoc网络这些最基本的性能极限对研究者帮助巨大。这类信息将使网络设计人员找到可以应用于网络设计的新方法，并确定如何尽可能地发挥现有网络的潜力。此外，了解这些性能极限后，网络设计人员就能够在传输速率、延迟时间以及丢失概率等互相牵制的重点因素之间进行适当权衡。比如，电话通话和电视会议对于信号延迟是极其敏感的。延迟时间过长或数据传输速率不稳定，会造成声音与视频传送中断或者时断时续，给通话带来极大麻烦。一旦设计人员掌握了网络的具体结构，就可以根据不同应用需求的轻重缓急来进行适当设置。例如，对于电话通话，可以适当调低延迟速率，而在发送重要文档时，则将数据包丢失率设置得比较低。但对ad-hoc网络而言，要想获得这种认识是比较困难的，因为它随时随地都在变化。要想弄清这种网络的传输能力，我们不能只评估它当前的性能，还必须测定它在每一种构成可能下的性能。

为了解决这个问题，我们想到一个新办法——把无线ad-hoc网络映射到我们更加熟悉的常规有线网络上。在60多年的时间里，信息科学家获得了大量研究信息如何在有线网络中传输的方法，这些都可以为我们所用。有线网络不存在令人头疼的干扰问题，网络中的各个节点也不会到处跑。如果我们想要研究某个无线网络，首先应该把它模拟成一个能反映此无线网络某些最根本特性的有线网络，然后就可以在这个“孪生网络”的指引下，确定ad-hoc网络完整的性能极限。

这一过程有助于打造出更好的网络，因为我们可以了解设计方案所蕴含的影响。它还让我们能够确定现有方法在哪些方面卓有成效，在哪些方面还有改进空间。

即使有了这些工具，我们也不能指望ad-hoc网络会取代现有的手机通信网。但至少在某些特殊场合，ad-hoc网络会让我们知道它是多么的强大与不可或缺，尤其是在我们最需要它的时候。