無線多跳網(wǎng)絡(luò)(WMN).課件

1、無線多跳網(wǎng)絡(luò)介紹由磊天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院2010-3-26Introduction to Wireless Multi-hop N主要內(nèi)容研究方向和總結(jié)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 無線多跳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概述主要內(nèi)容研究方向和總結(jié)無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的應(yīng)用 無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 無線多跳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概述4無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概念無線單跳網(wǎng)絡(luò) VS. 無線多跳網(wǎng)絡(luò)無線單跳網(wǎng)絡(luò)中所有源節(jié)點的數(shù)據(jù)報文只能發(fā)送給在其通信范圍內(nèi)的一個集中式節(jié)點（如基站），由該節(jié)點通過有線方式轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)，WiFi無線局域網(wǎng)絡(luò)）無線多跳網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點的數(shù)據(jù)報文通

2、過多個相繼的無線鏈路，以無線多跳的方式發(fā)送到目的節(jié)點。無線多跳網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和特點（1）為什么要用無線多跳網(wǎng)絡(luò)？功率一定，提高傳輸速率傳輸速率一定，節(jié)省功率簡單舉例無線多跳網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和特點（2）即時通信容易部署節(jié)省能量或帶寬資源自組織能力容錯性強(qiáng)，具有自愈能力組網(wǎng)成本低無線多跳網(wǎng)絡(luò)常見類型移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)無線mesh網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線中繼網(wǎng)絡(luò)1. 移動ad hoc網(wǎng)絡(luò)由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成網(wǎng)絡(luò)中每個移動終端自由移動網(wǎng)絡(luò)中所有移動終端地位相等可以在任何時候、任何地點快速構(gòu)建不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持是一個多跳、臨時、無中心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特殊環(huán)境（空曠）臨時會議/緊急情況

3、科學(xué)考察/探險/軍事戰(zhàn)場接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商比需的時間和成本現(xiàn)有服務(wù)和架構(gòu)的性能或者能力用戶可遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施而保持與網(wǎng)絡(luò)的連接2.無線mesh網(wǎng)絡(luò)由mesh路由器和mesh客戶端組成mesh路由器：相對靜態(tài)部署、組成無線多跳骨干網(wǎng)絡(luò)無線多跳骨干網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)（Internet）通過網(wǎng)關(guān)相連。mesh客戶端：與相鄰的mesh路由器進(jìn)行無線通信以無線多跳方式擴(kuò)展傳統(tǒng)無線移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、同時可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性應(yīng)用：寬帶家庭網(wǎng)絡(luò)互連社區(qū)網(wǎng)絡(luò)互連企業(yè)網(wǎng)絡(luò)互連城域網(wǎng)絡(luò)互連3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個無線節(jié)點靜態(tài)地隨機(jī)分布在某一個區(qū)域。傳感器負(fù)責(zé)收集區(qū)域內(nèi)的聲音、電磁或地震信號等多種信號，

4、將它們發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)具有更大的處理能力，能進(jìn)一步處理信息；并有更大的發(fā)送范圍，可將信息送往某個大型網(wǎng)絡(luò)使遠(yuǎn)程用戶檢測到該信息。Sensor數(shù)量多、分布稠密、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常變化、能量、計算能力和存儲空間有限應(yīng)用：軍事環(huán)境觀測和預(yù)報系統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理智能家居建筑物狀態(tài)監(jiān)控4 無線中繼網(wǎng)絡(luò)基于中繼的無線網(wǎng)絡(luò)是由多個與特定基站關(guān)聯(lián)的低成本無線中繼組成，一般小規(guī)模較少。為了便于控制和降低傳輸時延，基站與其控制范圍內(nèi)的中繼采用樹形路由，中繼到基站最大跳數(shù)一般限制在2-3跳。部署中繼有兩個作用：增加基站的覆蓋范圍和提高基站所轄小區(qū)的接入容量。應(yīng)用：未來移動通信網(wǎng)絡(luò)性能增強(qiáng)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的歷史發(fā)展（1）移動Ad

5、hoc網(wǎng)絡(luò)是其他多跳的基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代，美國國防部高級研究計劃局(DARPA)啟動了“戰(zhàn)場環(huán)境中的無線分組數(shù)據(jù)網(wǎng)”項目，研究在戰(zhàn)場環(huán)境下利用分組無線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。1983年和1994年，DARPA又分別于啟動了抗干擾自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移動信息系統(tǒng)GloMo(GlobleMobile Information Systems)項目，對能夠滿足軍事應(yīng)用需要的移動通信系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。后來，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會采用了“Ad hoc網(wǎng)絡(luò)”一詞來描述這種特殊的自組織無中心多跳無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)由此誕生。無線me

6、sh網(wǎng)絡(luò)由ad hoc 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來本世紀(jì)初期被提出，是軍用轉(zhuǎn)民用的典型技術(shù)主要用于寬帶無線局域網(wǎng)或城域網(wǎng)的擴(kuò)展覆蓋、靈活低成本組網(wǎng)和維護(hù)等 。無線多跳網(wǎng)絡(luò)的歷史發(fā)展（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由美國DARPA資助的項目（如分布式傳感器）發(fā)展而來隨著無線通信的發(fā)展，在上世紀(jì)90年代末被提出本世紀(jì)前十年出現(xiàn)了一系列的豐富的研究成果是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)之一美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展報告中將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為未來3大高科技產(chǎn)業(yè)一。美國的技術(shù)評論將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為第一項未來新興技術(shù)商業(yè)周刊 預(yù)測的未來4大新技術(shù)中，無線

7、傳感器網(wǎng)絡(luò)也列入其中等無線多跳網(wǎng)絡(luò)的歷史發(fā)展（3）標(biāo)準(zhǔn)化工作：Ad hoc: IEEE 802.11, IETF MANETMesh: IEEE 802.11s, 802.16-2004Sensor: IEEE802.15.4、ZigBee、 IETF 6LoW-PAN中繼： IEEE 802.16e-2005 主要內(nèi)容研究方向和總結(jié)無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的應(yīng)用 無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 無線多跳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)（完全分布式） 所有節(jié)點的地位平等 小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，可擴(kuò)展性差層次結(jié)構(gòu)（分層分布式） 網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇（cluster）：每個簇由一個簇頭和多個簇成員組成，簇頭可形

8、成更高一級的網(wǎng)絡(luò) 可擴(kuò)展性強(qiáng)，大規(guī)模組網(wǎng)，易于管理節(jié)點結(jié)構(gòu)-硬件設(shè)計一般是嵌入式設(shè)備嵌入式硬件（處理器、DSP、存儲、收發(fā)器、電源等），要求功耗低嵌入式操作系統(tǒng)，實時性要求高一個無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)協(xié)議架構(gòu)-軟件設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸平面（自上而下）保證數(shù)據(jù)正確傳輸應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層（或媒質(zhì)接入層）、物理層管理平面：保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理節(jié)點管理能量和功率管理移動性管理主要內(nèi)容研究方向和總結(jié)無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的應(yīng)用-舉例 無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 無線多跳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概述應(yīng)用：犯罪/事故現(xiàn)場遠(yuǎn)程監(jiān)控與同步指揮調(diào)度 Ad hoc方式組網(wǎng)應(yīng)對突發(fā)事件即時通信快速部署應(yīng)用：

9、無線城市、無線校園取代或作為WiFi的補(bǔ)充采用mesh方式組網(wǎng)低成本組網(wǎng)和維護(hù)可靠性強(qiáng)、快速部署負(fù)載均衡應(yīng)用：智能停車場系統(tǒng) 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)每個車位下面或上面都安裝一個傳感器，傳感器負(fù)責(zé)感知停車信息（如是否有車存在，什么時間停放或開走等）傳感器信息以多跳方式發(fā)送到匯聚節(jié)點，又匯聚節(jié)點發(fā)送到管理終端。大大方便司機(jī)或停車場管理員無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在智能農(nóng)業(yè)研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄園氣候的細(xì)微變化可極大地影響葡萄酒的質(zhì)量。通過長年的數(shù)據(jù)記錄以及相關(guān)分析，便能精確的掌握葡萄酒的質(zhì)地與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系。傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一定的時間檢測一次土壤溫度、濕度或

10、該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確保葡萄可以健康生長。傳感器要求：數(shù)量多、大范圍覆蓋、電池供電、長時間監(jiān)控因此，采用無線多跳傳輸、節(jié)點可以周期性睡眠。應(yīng)用：葡萄園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要內(nèi)容研究方向和總結(jié)無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的應(yīng)用 無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 無線多跳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概述無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計所面臨的問題特殊的信道共享方式動態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑Ｒ?guī)路由協(xié)議花較高代價（帶寬、能源、CPU等）獲得的路由信息可能已經(jīng)陳舊有限的無線傳輸帶寬減少節(jié)點之間交換的信息量減少控制信息帶來的附加開銷節(jié)能問題功率控制電池供電安全問題無線信道更容易受到各種攻擊缺乏物理保護(hù)使得攻擊可能來自內(nèi)部移動性使得節(jié)點之間的信任關(guān)系不斷

11、變化安全策略應(yīng)具有可擴(kuò)展性無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動通信網(wǎng)相比，無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計面臨著巨大的挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)分層體系架構(gòu)物理層MAC層（數(shù)據(jù)鏈路層）網(wǎng)絡(luò)層傳輸層應(yīng)用層無線多跳網(wǎng)絡(luò)的各個協(xié)議層的設(shè)計依賴于具體應(yīng)用。物理層技術(shù)兩個節(jié)點之間傳輸比特流的規(guī)則，如調(diào)制方式幀結(jié)構(gòu)編碼方式交錯方式功率級別天線、載頻、帶寬不同的物理層具有不同的頻譜效率BPSKQPSKQAMOFDM + MIMO智能天線MAC層技術(shù)介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議決定無線信道在多個節(jié)點之間的的使用方式，負(fù)責(zé)在節(jié)點之間分配有限的無線通信資源。分類：基于競爭的MAC：CSMA/CA、 ALOHA 隨機(jī)接入 MAC 協(xié)議中

12、，如某節(jié)點有信息需要發(fā)送，它將以某種方式競爭信道使用權(quán)，一旦得到使用權(quán)便將信息發(fā)送出去，所有的可達(dá)節(jié)點都能接收到該節(jié)點發(fā)送的信息，如果檢測出是發(fā)給自己的則接收下來，否則丟棄?；趨f(xié)商分配的MAC：TDMA, CDMA, FDMA 基于協(xié)商分配的MAC中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過信息交互，根據(jù)一定的規(guī)則在無線鏈路之間分配信道資源（如時隙、碼字或頻率），所分配的資源互不干擾。網(wǎng)絡(luò)層的路由技術(shù)路由技術(shù)：確定數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸路徑。無線多跳網(wǎng)絡(luò)路由分類反應(yīng)式（reactive）路由（又稱為按需路由）先應(yīng)式（proactive ）路由（又稱為表驅(qū)動路由）路由技術(shù)先應(yīng)式（proactive ）路由路由協(xié)議通

13、過不斷的檢測網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜玩溌返淖兓闆r動態(tài)的更新路由表，在這種路由協(xié)議中，每個節(jié)點都維護(hù)一張或多張表格，這些表格包含到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的路由信息。當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的時候，節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送更新的信息，收到更新信息的節(jié)點更新自己的表格，以維護(hù)一致、準(zhǔn)確、及時的路由信息。特點：所有路由都已經(jīng)存在并且隨時可用，路由請求的延遲低每個節(jié)點維護(hù)到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的路由，路由開銷高常見的先應(yīng)式路由，OLSR、TBRPF反應(yīng)式（reactive）路由協(xié)議只在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點需要通信的時候才查找路由，在這類路由協(xié)議中，每個節(jié)點并不保存及時準(zhǔn)確的路由信息，只有當(dāng)源節(jié)點要向目標(biāo)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，源節(jié)點才向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起路由查找的過程，找到相應(yīng)的路由之后開始發(fā)送數(shù)據(jù)。由于按需式路由減少了維護(hù)路由表的開銷，在Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中得到了大量使用。如DSR、AODV特點：路由請求延遲高、路由開銷低其他相關(guān)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂凭W(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)安全時間同步定位技術(shù)數(shù)據(jù)管理無線通信技術(shù)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用層技術(shù)主要內(nèi)容研究方向和總結(jié)無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的應(yīng)用 無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù) 無線多跳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線多跳網(wǎng)絡(luò)的概述可能的研究方向無線多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層組網(wǎng)優(yōu)化跨層優(yōu)化通過不同協(xié)議層間交