无线网络ppt第九章.pptx

1、9.29.1 移动Ad Hoc网络 无线传感器网络概述9.49.3 无线Mesh网络 软件无线电和认知无线电技术9.69.5 近距离无线通信技术 物联网技术9.7 卫星通信技术9.1移动Ad Hoc网络9.1.29.1.1 Ad Hoc网络的特点 Ad Hoc网络结构类型 9.1.49.1.3 移动Ad Hoc网络的协议层次 移动Ad Hoc网络的路由协议9.1.5 Ad Hoc的IP地址分配9.1.6 移动Ad Hoc网络的功率控制9.1.1 Ad Hoc网络的特点l 由于移动Ad Hoc网络是一种移动、多跳、自律式系统，因此它具有以下一些主要特征：（1）自组织和自管理（2）分布式结构（3）

2、动态拓扑（4）链路带宽受限、容量时变（5）多跳共享信道（6）生存时间短（7）能量受限（8）安全问题9.1.2 Ad Hoc网络结构类型无线移动Ad Hoc网络有平面结构和分级结构两种类型。1.平面结构平面结构中，所有节点地位平等，也被称为是对等式结构。如图9-1所示是平面结构的基本拓扑 图9-1 平面结构平面结构的最大缺点是网络规模受限，可扩展性较差。在大规模Ad Hoc网络中，从源节点到目的节点的路径变得很长，任何一条链路的破坏就会引起整条路径的失败。即使没有路径的失败，由于时延很大，在一些对时间要求严格的场合，这种时延是不能接受的。另外可能在很长时间后，信息到达预算的目标端时，目标结点可能

3、已经不存在了。2.分级结构在分级结构中，网络被划分为多个簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头组成了一个更高一级的网络，而在这个更高一级的网络中又可以分簇，形成再高一级的网络，直至最高级。如图9-2所示是分级结构的网络拓扑。图9-2 分级结构分级结构的最大优点是可扩展性好，网络的规模不受限制，必要的时候可以通过增加簇的个数和级数来提高整个网络的容量。分级结构中，簇内成员的功能相对简单，基本上不需要维护拓扑结构，这大大减少了网络中拓扑维护对有限的无线链路带宽的消耗。9.1.3 移动Ad Hoc网络的协议层次l 通用Ad Hoc网络协议模型划分为物理层、数据链路层、网络层运输层和应用层五层

4、。对于具体的应用场合，该协议模型可以简化，去掉不必要的功能模块或添加新的模块，并根据系统和应用要求作进一步的细化。1.Ad Hoc的物理层2.Ad Hoc的数据链路层3.Ad Hoc的网络层4.Ad Hoc运输层5.Ad Hoc应用层9.1.4 移动Ad Hoc网络的路由协议l 在整个研究领域，对Ad Hoc路由协议的研究非常多。Ad Hoc的路由协议大致可以分为主动式路由协议、被动式路由协议以及混合式路由协议。l 主动式路由协议又称为表驱动路由协议，在这种路由协议中，每个节点维护一张包含到达其它节点的路由信息的路由表。这种路由协议的时延较小，但是路由协议的开销较大。l 被动式路由协议，又称为

5、按需路由协议，是一种当需要发送数据时才查找路由的路由算法。在这种路由协议中，节点不需要维护及时准确的路由信息，当向目的节点发送报文时，源节点才在网络中发起路由查找过程，找到相应的路由。被动式路由协议的开销小，但是传输时延较大。DSDV路由协议：DSDV，即目的序列路径矢量路由协议，它是距离矢量路由协议，通过给每个路由设定序列号来避免路由环路的产生，采用时间驱动和事件驱动技术控制路由表的传送。在DSDV协议中，每个节点周期性地将本地路由表传送给邻近节点，或者当其路由表发生变化时，也会将其路由信息传给邻近点，当无节点移动时使用间隔较长的大数据包（包括多个数据单元）进行路由更新。AODV路由协议：A

6、ODV，即Ad Hoc按需距离矢量路由协议，它是结合DSDV以及DSR特点而改进的一种表驱动路由协议。在这个协议中，源节点发送数据前先广播一个路由请求消息，附近节点收到后再次广播，直到请求消息到达目的节点或到达知道目的节点路由的中间节点，目的节点或中间节点沿原来路径返回响应消息，源节点收到响应后就知道到达目的节点的路由。路由查找：当源节点需要与某个节点通信时，它首先查找本节点所维护的路由表，看是否有可用路由，若有，则直接利用该路由向目的节点发送数据，若没有，则源节点向它的所有邻居节点发送路由请求RREQ，来寻找一个可以到达目的节点的有效路由。路由维持：由于Ad Hoc网络具有动态拓扑特性，当节

7、点关闭或者移动时都可能导致链路失效。因此路由协议必须具备路由维护、修复以及拆除无用路由的机制。AODV只维护正在使用中的路由。活跃路由上的节点通过定期的向邻居节点发送Hello消息来提供链接信息。如果一个节点收到了来自邻居节点的Hello消息，但是在之后的一个特定时间内没有收到来自该邻居的任何分组，节点就认为到达该邻居的链路断开，则进行局部维护。源节点收到链路断开的通知后，如果还需要与该目的节点进行通信，则需要重新发起路由发现过程来寻找路由。路由修复：当节点发现自己与某个邻居节点发生链路中断时，如果中断处的上游节点距离目的节点的跳数小于MAX_REPAIR_TTL，则进行本地修复。方法是该节点

8、首先将目的节点序列号加1，然后广播一个时间受限的RREQ，用来寻求到达该目的节点的其它路由，如果存在其它路由，则拥有此有效路由信息的节点会返回一个RREP。发起修复的节点接收到RREP后便知道路由修复成功，该节点所缓存的数据包便可以直接用该替代路由发送到目的节点。如果在规定的时间内没有任何的RREP返回，那么表示链路修复未成功，这个时候便进行下面的路由拆除。路由拆除：如果发起链路修复的节点在发现周期结束时间内没有收到任何关于目的节点的RREP，说明链路修复失败，则发送一个关于该目的节点的RERR消息，通知所有利用该链路的邻居节点链路失效。当源节点收到RERR消息后还需要与该目的节点通信，那么重

9、新发起路由寻找过程以建立一个新的到达目的节点的路由。ZRP路由协议：在Ad Hoc网络中，使用单纯的主动式路由协议会产生大量的控制报文，并且很多控制报文经常是无用的。如果单独采用被动式路由协议，需要为每个报文查找路由，这也不合理。应用结合主动式和被动式路由协议优点的混合式路由协议是一种较好的折衷方案。ZRP是结合主动式和被动式的混合式路由协议。ZRP路由协议：ZRP协议的体系结构组成如图9-6所示。图9-6 ZRP体系结构组成9.1.5 Ad Hoc的IP地址分配l 在Ad Hoc网络中，IP地址分配是十分关键的，一个Ad Hoc设备在没有分得IP地址之前无法参与网络中的通信过程。在Ad Ho

10、c网络中，常见的IP地址分配技术如下：1.ZRP路由协议：l 在这种分配方法中，节点维护网络中地址分配的状态信息，并且通过周期性的同步更新地址分配状态来实现分配。典型的算法有MANET conf方法和Buddy。（1）MANET conf方法（2）Buddy算法2.基于冲突检测的算法基于冲突检测的算法中，当新节点加入网络时，从整个IP地址池中随机选取一个IP地址作为自己的地址，并通过主动或被动发现冲突的方式来更改地址，直到不出现冲突为止。PMWRS和PACMAN是典型的基于冲突检测的算法。（1）PMWRS算法（2）PACMAN算法3.基于网络分层的算法基于网络分层的算法在进行地址分配之前，对网

11、络的所有节点进行分簇。分簇以后，在簇内通过DAD方法排除冲突地址或者选举簇头管理簇内地址分配。为排除冲突地址的信息交互被局限在簇内，从而减少了协议开销，增强了可扩展性。IP v6 Stateless和SOAMAN是典型的基于网络分层的算法。（1）IP v6 Stateless（2）SOAMAN9.1.6 移动Ad Hoc网络的功率控制l 移动Ad Hoc网络设备一般都采用电池等设备供电，为此必须考虑节能问题。目前，功率控制技术的研究主要集中在MAC层和网络层两个方面。MAC层功率控制主要是根据通信状态、节点间的距离、信道状况等条件动态调整节点的发射功率，从而提高网络容量实现节能。网络层功率控制

12、主要是通过调整节点的发射功率来改变网络的拓扑和路由选择，从而使得网络的性能达到最优。1.MAC层的功率控制在MAC层的功率控制中，节点通过RTS/CTS协议来获取链路有关的信息参数，解决“隐藏终端”问题，然后根据报文的下一跳节点的距离、信道状况等条件动态地调整发射功率。链路层功率控制机制不会影响网络拓扑结构，也不会增加报文在转发过程中所经历的平均跳数。目前Ad Hoc网络的信道接入协议的主要工作方式有单信道，双信道和多信道，这三种工作方式都可以用来提高整个网络的容量。三种协议类型：（1）单信道功率控制协议（2）双信道功率控制协议（3）多信道功率控制协议2.网络层的功率控制在无线网络中，节点的通

13、信距离主要由节点的发射功率来决定。如果通信范围内的节点过多，则会导致竞争和冲突剧增，从而使网络性能下降。Ad Hoc网络层的功率控制通过调整发射功率动态改变网络的拓扑结构和路由选择，从而使网络的性能达到最优。与MAC层的功率控制相比，网络层的功率控制调整频率相对较低，这样避免了频繁的拓扑变化产生分组延迟以及路由失效而导致重新选路，减小了网络的负载。9.2无线传感器网络概述9.2.29.2.1 WSN的体系结构 WSN的特点 9.2无线传感器网络概述无线传感器网络（WSNWSN）是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，目的是协作地识别、采集和处理网

14、络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。WSNWSN综合了微电子、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等先进技术。构成WSNWSN的三要素包括传感器、观察者和感知对像。一个无线传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对象也可以被多个无线传感器网络所感知。9.2.1 Ad Hoc网络的特点l WSN的体系结构由物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层组成。（1）物理层物理层指的是为数据流传输所需物理连接的建立、维护和释放提供的机械、电气、功能和规程模块。物理层传输方式涉及WSN采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。在物理层面上，无线传感器网络遵从IEEE 802.15.4

15、标准。物理层首先要完成感知数据和数据的收集，对数据进行简单抽样处理，另要完成信号的调制解调、信号的发送和接收、功率控制等。（2）数据链路层数据链路层负责接入控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由MAC层组成。MAC层是无线传感器网络的研究热点。如何合理有效的分配信道，是MAC层要解决的主要问题。传统的基于竟争机制的MAC协议需要多次握手，数据发生冲突的机率较大，造成能量的浪费，这在无线传感器网络中是不可取的。因此，无线传感器网络的MAC协议一般采用基于预先规划的机制（如TDMA）来保护节点的能量。（3）网络层 网络层的主要任务是发现和维护路由。在无线传感器网络中，节点不但是数据采集器，而且还

16、承担着路由器的作用。节点一般采用多跳路由连接其它节点，因为多跳通信比直接通信更加节能，这也正好符合数据融合和协同信号处理的需要。（4）运输层 数据链路层（Data Link Layer）是OSI模型的第二层，它控制网络层与物理层之间的通信，在物理层提供比特流传输服务的基础上，在通信的实体之间建立数据链路连接，以帧为单位传送数据信息，通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。（5）应用层应用层主要为WSN提供安全支持，即实现密钥管理和安全组播。由于面向的应用对象是多样的，为此针对WSN设计的相关应用类型也多种多样，其关注的核心问题也各不相同。无线传感器网络基于TinyOS操作系统可以方便的构建所需的特殊网络应用平台。注意：TinyOS是UC Berkeley开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感器网络设计。9.2.2 WSN的特点 l 传统网络以数据传输服务为主要目的，而WSN是一种以测控为目的的无线网络，其自身