第8章物聯(lián)網(wǎng)_無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)v11

1、內(nèi)容提要更全面的互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)之一。無(wú)無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中智能程度較低設(shè)備的特征。本章將介紹典型的無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及無(wú)線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)。內(nèi)容回顧第7章介紹了典型的無(wú)線寬帶技術(shù)無(wú)線信道的新特點(diǎn)以及寬帶網(wǎng)絡(luò)的定義Wi-Fi/802.11的架構(gòu)，物理層，介質(zhì)訪問(wèn)控制層的特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。WiMAX/802.16的架構(gòu)，物理層，介質(zhì)訪問(wèn)控制層的特點(diǎn)和協(xié)議。本章介紹典型的無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（藍(lán)牙/紅外/802.15.4&ZigBee），并較為詳細(xì)地討論了無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)

2、線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)為什么除了高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)還需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？本章內(nèi)容為什么需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？物聯(lián)網(wǎng)背景下連接的物體，既有智能的也有非智能的。適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中那些能力較低的節(jié)點(diǎn)低速率低通信半徑低計(jì)算能力，和低能量的要求需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中各種各樣的物體進(jìn)行操作的前提就是先將他們連接起來(lái)，低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無(wú)線無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)典型的無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有哪些？各有什么特點(diǎn)？本章內(nèi)容8.2 無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：藍(lán)牙

3、（Bluetooth）典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗傳輸協(xié)議，最早始于1994年，由瑞典的愛(ài)立信公司研發(fā)。采用的是調(diào)頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也支持超過(guò)20Mbps的速率。通信半徑從幾米到100米左右不等，常見(jiàn)為幾米左右。藍(lán)牙和Wi-Fi區(qū)別典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目標(biāo)是為了取代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的有線設(shè)備，能夠真正的實(shí)現(xiàn)從有線到無(wú)線的轉(zhuǎn)變，他可以用來(lái)傳送各

4、種文件，視頻，音頻，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。藍(lán)牙藍(lán)牙主要是為了替換一些個(gè)人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤(pán)等。這些設(shè)備對(duì)帶寬的要求相對(duì)較少，或者說(shuō)不是經(jīng)常使用，比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說(shuō)這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計(jì)算資源等等）相對(duì)較低。紅外（Infrared)典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee紅外通信技術(shù)紅外通信技術(shù)利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)更早，是一種較早的無(wú)線通信技術(shù)。特點(diǎn)特點(diǎn)紅外通信采用的是875nm左右波長(zhǎng)的光波通信，通信距離一般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見(jiàn)對(duì)障礙物的衍射較差802.15.4/Z

5、igBee典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無(wú)線通信協(xié)議ZigBee主要定義了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及之上的應(yīng)用層的規(guī)范802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范802.15.4 物理層典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：頻段：3個(gè)頻段，均為國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開(kāi)放頻段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個(gè)信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)頻道。傳輸技術(shù)：傳輸技術(shù)：

6、最早為直接擴(kuò)頻，后來(lái)可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。802.15.4介質(zhì)訪問(wèn)控制層典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee介質(zhì)訪問(wèn)控制層（介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)使用物理層的信道802.15.4采用載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類(lèi)似。傳輸之前，先偵聽(tīng)介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說(shuō)明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測(cè)到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道，退避的時(shí)間長(zhǎng)短由具體的協(xié)議指定。CSMA/CA回顧典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeZigBee 網(wǎng)絡(luò)層典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外

7、802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層功能：網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再?gòu)V播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。距離矢量路由協(xié)議（AODV）典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeZigBee 網(wǎng)絡(luò)層以上典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)

8、藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以及上網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)似，在網(wǎng)絡(luò)層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類(lèi)型的傳輸服務(wù)（比如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議）在傳輸協(xié)議上還需要提供各種基于不同傳輸協(xié)議的應(yīng)用（比如FTP，HTTP等等）。ZigBee與常用協(xié)議比較典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要注意哪些問(wèn)題？本章內(nèi)容8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計(jì)鏈路特點(diǎn)鏈路特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性（Dynamic)非對(duì)稱(chēng)性（Asymmetri

9、c）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間一個(gè)方向鏈路質(zhì)量好，另一個(gè)方向質(zhì)量非常差。空間關(guān)聯(lián)性（Spatial Correlation）：因?yàn)槲恢孟嘟墓?jié)點(diǎn)通常有相似的環(huán)境。時(shí)間關(guān)聯(lián)性（Temporal Correlation）物理層設(shè)計(jì)物理層設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊，如CC2420，同時(shí)滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì)無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：節(jié)點(diǎn)功能小計(jì)算不能太復(fù)雜節(jié)點(diǎn)能量少盡量減少不必要傳輸節(jié)點(diǎn)通信范圍小需要多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存小不可能保存全部路由表節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜高適應(yīng)性協(xié)議MAC層：層：沿用CSMA/CA8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì)

10、無(wú)線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！MAC層設(shè)計(jì)：如何降低能量消耗？無(wú)線收發(fā)器件（radio transceiver）工作時(shí)通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽(tīng)，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽(tīng)狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費(fèi)能量。低功率偵聽(tīng)協(xié)議低功率偵聽(tīng)協(xié)議采樣偵聽(tīng)鏈路層調(diào)度采樣偵聽(tīng)采樣偵聽(tīng)無(wú)線收發(fā)模塊在沒(méi)有數(shù)據(jù)的時(shí)候關(guān)閉定時(shí)采樣獲取信道的信息MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽(tīng)的問(wèn)題假設(shè)采樣周期為T(mén)，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候如何保證接受者能夠收到？保持發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度不少于T的話，接收者就能夠采樣到發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)然后接收者調(diào)整至接收狀態(tài)，正常接收數(shù)據(jù)。MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽(tīng)的問(wèn)題（續(xù)）仍然有問(wèn)題：仍然有問(wèn)題：發(fā)送者每次發(fā)送最常

11、需要持續(xù)一個(gè)采樣周期的時(shí)間，還是會(huì)帶來(lái)不必要的能量損耗。更好的方法：更好的方法：同步發(fā)送者和接收者達(dá)到更高效率調(diào)度8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路是不可靠的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的功能和資源極其受限的，使得節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行很復(fù)雜的計(jì)算，測(cè)量以及維護(hù)龐大的路由表。鏈路質(zhì)量成為影響路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)。許多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在其路徑選擇過(guò)程中均考慮了鏈路質(zhì)量。ETX是廣泛使用的路徑選擇指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)典型的鏈路測(cè)量方法。兩類(lèi)典型的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議：數(shù)據(jù)收集協(xié)議CTP數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議DripETX：路徑選擇指標(biāo)ETX： （Expected Transmissio

12、n Count），傳輸成功每個(gè)包需要的總傳輸次數(shù)，一條路徑的ETX越小代表在這條路徑上引起的總傳輸次數(shù)最小。Link throughput 1/ Link ETXETX計(jì)算假設(shè)鏈路有ACKs和重傳P(TX success) = P(Data success) P(ACK success)Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / P(Data success) P(ACK success) 實(shí)際計(jì)算ETXP(Data success) measured fwd delivery ratio rfwdP(ACK success) measured rev deliver

13、y ratio rrevLink ETX 1 / (rfwd rrev)路徑ETX通過(guò)把傳輸代價(jià)最小化，ETX提高了帶寬利用率，有效減少了傳感網(wǎng)能量消耗。通過(guò)測(cè)量雙向鏈路質(zhì)量，ETX能有效避免非對(duì)稱(chēng)鏈路。數(shù)據(jù)收集協(xié)議：CTPCTP：（Collection Tree Protocol）是目前廣泛使用的數(shù)據(jù)收集協(xié)議之一，可在TinyOS中實(shí)現(xiàn)?；具^(guò)程：基本過(guò)程：初始化階段: 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑的ETX。每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播包之后，依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的路徑ETX，動(dòng)態(tài)選擇父節(jié)點(diǎn)，使得自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑ETX盡量小。經(jīng)過(guò)不斷更新，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠選擇到一條到匯聚節(jié)點(diǎn)ETX之和最

14、小的路徑。CTP協(xié)議基本特點(diǎn)鏈路質(zhì)量鏈路質(zhì)量：綜合多方面信息。主動(dòng)交換控制包估計(jì)+被動(dòng)偵聽(tīng)數(shù)據(jù)包動(dòng)態(tài)更新考慮網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列溢出信息以避免擁塞的節(jié)點(diǎn).控制包發(fā)送控制包發(fā)送：使用Trickle算法自適應(yīng)控制發(fā)包頻率，使得網(wǎng)絡(luò)不變化，發(fā)送包數(shù)量很少；網(wǎng)絡(luò)一旦變化，迅速更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)二進(jìn)制增長(zhǎng)發(fā)包間隔，以減少發(fā)送包的數(shù)量。發(fā)生環(huán)路等異常時(shí)縮短發(fā)包間隔至最小，使網(wǎng)絡(luò)及時(shí)恢復(fù)到正常數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議：Drip數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的作用是將數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)中廣泛使用的是Drip協(xié)議?；竟ぷ鞣绞剑夯竟ぷ鞣绞剑簽槊總€(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)版本號(hào)，版本號(hào)越高表示數(shù)據(jù)越新。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性廣播數(shù)據(jù)項(xiàng)的

15、版本信息當(dāng)一個(gè)Drip節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)版本信息更高時(shí)，則向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求包。收到請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)廣播該數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)包。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)網(wǎng)際互聯(lián)無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何納入IPv6框架？本章內(nèi)容IPv6IPv6已在高速互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中得到廣泛使用，正逐步移植到低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中。6LoWPAN6LoWPAN：統(tǒng)一框架下的互聯(lián)協(xié)議，連接運(yùn)行IPv6高速互聯(lián)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行低速協(xié)議的其他網(wǎng)絡(luò)。挑戰(zhàn)：挑戰(zhàn)：不同傳輸能力挑戰(zhàn)不同設(shè)備標(biāo)記和識(shí)別挑戰(zhàn)不同設(shè)計(jì)目標(biāo)挑戰(zhàn)不同設(shè)備管理挑戰(zhàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)本章小結(jié)內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧本章介紹了典型無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，重點(diǎn)討論了802.15.4/ZigBee協(xié)議各網(wǎng)絡(luò)層次的特點(diǎn)，并就無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要注意的問(wèn)題展