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计算机网络教程第8章无线网络新技术第8章无线网络新技术8.1无线网络的发展历程8.2无线自组织网络Adhoc8.3无线传感器网络8.4无线网格网络技术8.1无线网络的发展历程8.1.1无线数据网络（1）ALOHA网络（2）PRNET系统（3）Amateur分组无线网（4）无线局域网（5）无线个域网8.1.2无线自组织网络无线自组织网络（AdHocNetwork）由不需要任何基础设施的一组具有动态组网能力的节点组成，这种网络适应了军事和商用中对网络和设备移动性的要求无线自组织网络的研究主要集中在组网理论、路由算法、接入控制和安全管理等方面自组织网络理论自组织网络可以分成两种结构：平面结构和分级结构在平面结构中，所有节点的地位平等，所以又称为对等式结构，每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由而在分级结构中，网络被划分为簇。簇头的功能相对较强，而普通节点的功能比较简单，基本上不需要维护路由。自组织网络的无线资源管理与空中接口理论自组织网络和一般移动通信网络一样具有信道、用户和业务3个动态特性，即：信道的动态性，主要表现为信道受自然和大气环境的影响极大，信道参数随时间快速变化；用户的动态性，具体表现为信道随用户的移动而产生较快的变化，带宽不稳定；业务的动态性，具体表现为用户可随机自由选择不同媒体的通信方式，各类用户不同媒体业务要求互不干扰，用户需要实现同时多接入。自组织网络中的路由实现自组织网络中的路由算法，主要分为：驱动路由算法，如目的序号距离矢量算法、无线路由协议（WRP）等；按需驱动路由算法，如AdHoc按需距离矢量算法、临时排序路由算法、动态源路由算法、基于关联性的路由算法、信号稳定度的路由算法等；区域路由算法，如区域路由协议（WRP）无线自组织网络的研究主要集中在组网理论、路由算法、接入控制和安全管理等方面自组织网络主要特点无中心和自组织性；动态变化的网络拓扑；受限的无线传输带宽；安全性较差；多跳路由；8.1.3无线Mesh网络Mesh”这个词原来的意思就是指所有的节点都互相连接，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。无线Mesh网络是基于IP协议的无线宽带接入技术，它融合了WLAN和Adhoc网络的优势。无线Mesh技术是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。无线Mesh网络的特性①自组织。网络节点和授权最终用户可即时加入网络，扩展网络覆盖范围，并可连接至所有其他节点。②自愈。如果网络中的某台设备发生故障或从其拓扑位置上拆卸，网络会自动适应这种改变。③多跳式。每个网络节点和用户端设备（无线通信单元）均能转发和路由发送至另一个对端的数据包，能选择并确定一个从发端到对端的最佳路由。④点对点网络。自组织网络通常由平等的网元构成，只要发端和对端的距离足够近，就能直接连接发端和对端。而不必通过中央管理节点。8.1.4无线传感器网络无线传感器网络和基于无线传感器网络的自主智能系统是涉及微电机系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合性技术。无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域内而构成的能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络的特点①电源能量有限；②拓扑结构动态性强；③自组织性；④寻址以数据为中心；⑤通信能力有限；⑥传感器数量巨大、分布范围广；⑦大规模分布式触发器；⑧感知数据流巨大无线传感器网络的应用①环境监测；②医疗应用；③家庭应用；④工业应用；⑤军事领域；除了上述所列的应用之外，无线传感器网络还可以用于太空探索，借助于航天器在外星体上撒播一些传感器节点，可以实现对星球表面长期的监测。无线传感器网络面临的问题①低能耗；②低成本；③通用性；④网络拓扑；⑤安全问题；⑥实时性；⑦智能性；8.2无线自组织网络Adhoc与其他通信网络相比，无线自组织网络Adhoc具有带宽有限、链路容易改变、节点的移动性以及由此带来的网络拓扑的动态性、物理安全有限、受设备限制等特点。Adhoc网络关键技术的研究主要集中在链路层及物理层的信道分配技术、网络层的路由协议、涉及多层的QoS、多播与安全5个方面。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术信道分配单信道无线自组织网络，其MAC协议需要考虑的是如何充分利用信道，避免冲突。载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CA）机制是目前应用非常广泛的协议，节点通过物理信道侦听（CCA）与虚拟网络侦听（NAV）结合的方式进行载波侦听，采用基于长帧间隙、中帧间隙和短帧间隙等不同时隙的退避机制和冲突避免策略，竞争信道进行发送。多信道无线自组织网络，则需要关注如何在节点间分配信道，以提高网络吞吐量，避免冲突，实现信道上的负载均衡。目前较多的做法是，将信道分为控制信道和数据信道，节点在控制信道中协商数据交换采用的数据信道，然后在相应的数据信道上进行数据通信。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术隐藏终端、暴露终端和单向链路①隐藏终端：隐藏终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围之外的终端。当某节点发送数据时，在它覆盖范围之外的节点感知不到有节点在发送数据，从而可能会造成冲突。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术隐藏终端、暴露终端和单向链路②暴露终端：暴露终端是指在发送节点的覆盖范围内而在接收节点的覆盖范围之外的节点。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术隐藏终端、暴露终端和单向链路③单向链路8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术隐藏终端、暴露终端和单向链路④隐藏终端和暴露终端问题的解决办法为了解决隐藏终端和暴露终端问题，人们提出了多种方法，其中最主要的是忙音检测法和RTS/CTS（RequesttoSend/CleartoSend）握手方法。使用这两种方法的代表协议分别是BTMA和MACA。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术隐藏终端、暴露终端和单向链路①隐藏终端：隐藏终端是指在接收节点的覆盖范围内而在发送节点的覆盖范围之外的终端。当某节点发送数据时，在它覆盖范围之外的节点感知不到有节点在发送数据，从而可能会造成冲突。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术信道接入协议Adhoc网络信道接入协议可以分为三类，即基于单信道、基于双信道和基于多信道基于单信道的信道接入协议主要采用竞争的方式使用信道，来获得信息的发送权。这种协议是基于竞争的接入协议，其通过竞争来获得信道的访问权限，通过随机重传来解决冲突问题。典型的基于单信道的Adhoc网络信道分配协议主要有：多路访问冲突避免协议MACA（MultipleAccessCollisionAvoidance）、无线局域网多路访问冲突避免协议MACAW（MACAforWirelessLAN）、分布式协调功能协议DCF（DistributedCoordinationFunction）和信道获取多路访问协议FAMA（FloorAcquisitionMultipleAccess）等8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术信道接入协议基于双信道的信道接入协议：如果节点的无线通信设施可以提供两个信道，一个信道用于数据帧传输，另一个信道用于控制帧传输，数据帧与控制帧的传输不会出现冲突，这样就能很好地解决隐藏终端和暴露终端的问题，同时提高信道利用率与频率空间复用度。基于双信道的信道接入协议主要有：忙音多路访问协议BTMA（BusyToneMultipleAccess）、双忙音多路访问协议DBTMA（DualBusyToneMultipleAccess）、无线网络基本访问协议BAPW（BasicAccessProtocolforWireless）和双信道多路访问协议DCMA（DualChannelbasedMultipleAccess）等。8.2.1无线自组织网络Adhoc的信道分配技术信道接入协议基于多信道的信道接入协议除了可以有效地避免隐藏终端和暴露终端的问题，还可以更有效地利用无线频谱，提高系统的通信效率。由于有多个信道，相邻节点可以使用不同的信道同时通信。在使用多信道的情况下，接入控制更加灵活。基于多信道的信道接入协议主要有：多信道CSMA协议、多信道非坚持CSMA协议、多信道1-CSMA协议、跳隙预留的多重接入协议HPMA（HopReservationMultipleAccess）和动态信道分配协议DCA（DynamicChannelAssignment）等。8.2.2无线自组织网络Adhoc的路由协议Adhoc网络则是一个多跳的网络Adhoc网络中，每个节点兼有路由器和主机两种功能。节点设备既要作为主机运行应用程序，同时又要作为路由器运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与分组转发工作和路由维护工作。Adhoc网络中，由于节点的移动性和无线信道的衰耗、干扰等原因造成网络拓扑结构的频繁变化。Adhoc网络路由协议的分类①按路由发现策略进行分类的路由协议②按照Adhoc网络的结构划分的路由协议③按照其他方式分类的路由协议常用的Adhoc网络路由协议按需距离矢量协议AODV属于按需路由协议，也是基于距离矢量的路由算法。AODV路由表中只保持需要的路由，而不需维持通信过程中未激活的目的节点的其他路由。动态源路由协议DSR是一种基于源路由的按需路由协议，设计该协议的目的在于减小路由表创建的开销，快速响应网络拓扑变化。鱼眼状态路由协议FSR，这种技术可以用来减少表示图形图像的数据。鱼眼能清晰地捕捉焦点附近的像素，但清晰度随着离焦点的距离增大而降低。Adhoc网络路由协议的评价和仿真Adhoc网络路由协议的评价主要从定性的角度和定量的角度进行评价。①定性评价。其评价方面包括分布式运行方式、是否提供无环路有、按需进行协议操作性、安全性、提供设备“睡眠”操作特性和对单向链路的支持等。②定量评价。其评价指标包括端到端的数据吞吐量、平均传输时延、分组的平均递交率、路由协议效率等，定量评价时主要考察传输控制分组引起的开销、路由获得时间和路由的准确性通常用于Adhoc网络的仿真平台：QualNet，NS2，OPNET8.2.3无线自组织网络的QoS技术随着，Adhoc网络应用范围的扩大，无线自组织网络QoS技术的研究也成为Adhoc网络的重点研究问题。Adhoc网络服务质量QoS是一个系统性的问题，其涉及到从物理层到应用层的所有层次的协议。Adhoc网络的QoS技术面临的挑战。①链路质量难以准确预测②链路带宽资源难以确定③分布式控制为QoS保证带来困难④网络动态性的影响Adhoc网络物理层和无线信道接入的保障机制Adhoc网络的QoS保障需要提供质量可接受的通信信道、支持QoS的信道接入协议、满足业务量要求的转发节点以及节点的拥塞控制和管理。Adhoc网络的QoS保障技术涉及无线信道、信道接入协议与调度机制、路由协议、传输层协议、信令机制、动态自适应机制和QoS模型等方面。Adhoc网络的QoS路由QoS路由是一种根据网络的可用资源和业务流的QoS要求来选择路径的路由机制，即包含各种QoS参数的动态路由协议。Adhoc网络QoS路由的研究主要考虑的问题包括：QoS参数的选择，QoS路由的计算复杂度，QoS路由的维护和支持特定应用环境的QoS需求。目前的QoS路由协议主要通过对现有的路由协议进行改进，以支持QoS服务。Adhoc网络的传输层协议原有传输层协议存在的问题Adhoc网络所采用的传输层协议仍然是基于传统的Internet的传输层协议，这类协议无法区分拥塞、传输错误与路由失效引起的分组丢失，特别是对网络拓扑动态变化的Adhoc网络存在很多不适应的地方。无线网络对传统TCP协议的改进针对Adhoc网络传输层的协议尚不成熟，但提出的解决方案较多，典型的有采用分割机制的方案和采用Snoop代理机制方案。Adhoc网络的传