无线移动自组织网

无线移动自组织网!共29页2006年5月无线移动自组织网目录一．无线移动自组织网概况........................................................................................31．无线移动自组织网特点...............................................................................32．与蜂窝无线移动网比较...............................................................................43．与现有的计算机网络的比较.......................................................................44．自组织网的可实现性...................................................................................5二．无线移动自组织网的关键技术............................................................................61．移动自组织网网络的协议栈结构...............................................................62．自组网的MAC协议....................................................................................73．路由技术.....................................................................................................143、无线移动自组织网网络的应用.................................................................21常用仿真软件..............................................................................................................22无线移动自组织网一．无线移动自组织网概况1．无线移动自组织网特点无线移动自组织网（WirelessMobileAdHocNetwork:WMANET)是有一组带有无线收发信装置的移动节点组成的一个无线移动通信网络它不依赖于预设的基础设施而临时组建，网络的移动节点利用自身的无线收发设备交换信息，当相互之间不在通信范围内时，可以借助其他中间节点中继来实现通信。中间节点帮助其他节点中继时，先接收前一个节点发送的分组，然后再向下一个节点转发以实现中继，所以也称为分组无线网或多跳网。典型的移动自组织网网络构成如图1-1所示。自组网具有如下特征：„多跳性（由于无线通信距离受限）；„分布式自组管理与控制；„物理通信链路是带宽受约束的无线链路；„物理拓扑动态变化；„对等性（节点与节点之间可以直接互通）；„临时性；„功耗是重要的约束条件（由于无线移动）；„物理安全性有限（无线信道的开放性造成）。．与蜂窝无线移动网比较作为移动通信的一种基本组网模式，移动自组织网络与传统的蜂窝技术的根本区别在于移动节点之间的通信是在没有固定基础设施(例如基站或路由器)支持的条件下进行的。系统支持动态配置和动态流控，所有网络协议也都是分布式的。由于这类网络的组织和控制并不依赖于某些重要的节点，所以它们允许节点发生故障、离开网络或加入网络。也就是说每一个移动节点可以根据自己的需要在整个网络内随意移动，而无须考虑如何维护与其他实体的通信连接。因此具备动态搜索、定位和恢复连接能力是这类网络得以实现的基本要求。也正是由于这些原因，自组织网络的设计实现十分困难。现在用于固网的很多通信机制都无法用于移动自组织网络中。3．与现有的计算机网络的比较拓扑结构动态变化。在移动自组织网络中，网络拓扑的变化可能非常剧烈，这种变化主要来自两方面：一是节点加入和退出频繁；二是网络中的节点本身的移动性。此外，在有线网络中，路由节点（路由器）的变化性比终端节点（主机）小得多；而AdHoc网络中所有节点既可能是发送、接收节点也可能路由节点，它们的高变化性使路由信息的更新可能有基础设施网络构成很快，这就要求路由协议重新配置路由信息的机制反应迅速并且开销较小。这些都使网络的状态变化频繁和不可预测，而要做到对网络状态的优化和控制就更难。节点能量有限。移动自组织网络中的移动节点依靠电池来提供能量，能量决定节点的生存期，过分消耗一些节点的能量导致这些节点退出网络会使网络分割，影响网络的连通性。因此，移动自组织网络中的路由选择要综合考虑对能量进行优化。无线链路带宽有限、容量可变。无线链路的容量显著低于有线链路的容量。考虑多接入、多径衰减、噪声和信号干扰等因素后，无线通信实际的吞吐量常常远远低于它的最大传输速率，以至于在网络中出现拥塞成为一种正常情况，而不是意外。4．自组织网的可实现性2001年以前，无线移动自组织网还只是一个在很少一部分实验室里讨论的概念。但3年后的现在，自组织网络AdHoc已成了从事无线通信技术研究开发的人不得不去了解的技术—因MANET已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一，甚至于有不少人认为自组织网络的思想将会把所有我们能想到的网络组合在一起，从而实现世界通信网络的大统一。为什么就在短短的两三年内AdHoc会流行起来呢，下面两点是主要原因：„技术进步使其具有了可实现性:无线移动自组织网…各种各样的终端实现交互连接与通信是一种无法逆转的潮流；…无线通信技术的发展及其与微电子技术的结合使得无线通信设备性价比大大提高，并使其成了一种日用消费品；…人们想实现的无处不在、无时不在的通信梦想驱动着对它的研究。„市场需求是其发展的巨大动力:…民用市场中的移动计算需求、网格、可穿戴计算、灾难救助等需要自组织网络技术；…军事战争的需要，自组织网络技术一经提出就在军事领域得到重大应用。二．无线移动自组织网的关键技术1．移动自组织网网络的协议栈结构无线通信的协议栈尽管包括IrDA和WAP，但是我们这里只讨论经典的OSI参考模型。移动自组织网网络节点的参考模型如图1-3所示。应用与服务层位于顶部，物理层位于底部，中间层包括（从高到低）操作系统与中间件、传输层、网络层、数据链路层（含LLC子层和MAC子层）。应用与服务OS与中间件传输层网络层数据链路层物理层LLCMAC图2-1移动自组织网网络节点参考模型„物理层：物理层包括射频（RF）电路、调制、信道编码系统。„数据链路层：数据链路层负责在不可靠的无线链路上建立可靠和安全的逻辑链路。数据链路层的功能因此包括无线链路差错控制、安全（加密/无线移动自组织网解密）、将网络层的分组组帧以及分组重发等。数据链路层的子层MAC协议层负责在一个区域的共享无线信道的移动节点之间分配时间－频率或者编码空间。„网络层：网络层负责分组的路由，建立网络服务类型（无连接和面向连接）以及在传输与链路层之间传输分组。在移动环境中，此层还额外负责分组的重新路由和移动管理。„传输层：传输层负责在网络终结点（endpoints）之间提供有效可靠的数据传输服务，而独立于所使用的物理网络。„操作系统/中间件层：操作系统与中间件层处理连接断开（disconnection）、适配支持以及无线设备中的功耗和服务质量（QoS）管理。这些都是在传统的进程调度和文件系统管理等任务基础上增加的部分。„应用层：应用和服务层处理固定和移动主机的任务分割、源编码、数字信号处理和移动环境下的场景适应（contextadaptation）。此层上提供的服务是多变的并且与应用相关。2．自组网的MAC协议（1）自组网的MAC协议须解决的问题如何解决多个用户高效、合理地共享有限的无线信道资源这一问题，既媒体接入控制（MAC）协议的设计是移动自组网中的关键技术之一。MAC协议的好坏直接影响到网络吞吐量、延时等性能指标的优劣。由于自组网自身的一些特性，使得MAC协议的设计面临许多富有挑战性的技术问题，难点主要有以下几点造成的：„没有类似于基站或是接入点（AP）中心控制设备，所以无法使用集中控制方式；„由于节点的移动而导致信道的相互改变；„是一中多跳网络，必须解决如隐藏终端和暴露终端、资源的空间重用等问题。无线移动自组织网（a)隐藏终端（b）暴露终端图2-2隐藏终端和暴露终端（2）从ALOHA到CSMA/CA最原始应用于无线信道的随机竞争信道接入协议是20世纪60年代夏威夷大学ALOHA项目中的纯ALOHA协议。该协议的思想十分简单：当用户有信息要发送时，就直接发送，这样就易造成信道上的冲突。时隙ALOHA协议（SlottedALOHA)是纯ALOHA协议的改进，首先将信道划分为一个个等长时隙,并且要求数据分组长度正好是时隙长度，可使信道利用率提高一倍。纯ALOHA的信道利用率比较低，一个重要原因是由于各个节点不管其他节点是否在发送，只要自己有数据要传输，就开始发送。显然，让无线自组织网中的节点首先侦听其他节点是否正在发送，然后再确定自己是否在发送，这样可以有效地提高信道利用率，这就是载波侦听多址接入（CSMA）协议。由于非坚持的CSMA和坚持的CSMA协议都不能彻底解决冲突问题，因此在无线通信中常常引入一种冲突避免机制来提高信道利用率，这就是所谓的CSMA/CA信道接入机制。CSMA/CA协议是指节点在发送数据时先采用教短的控制分组进行信道的探测，如果短控制分组能够成功发送，在发送后续的分组，这样即使冲突也不会造成信道资源的浪费。短控制分组的另一个功能是要告诉其他节点，信道上很快要有业务发送。这样，其他节点可以先进行退让，等待当前发送结束后在发送自己的业务。CSMA/CA协议在IEEE802.11中得到的成功的应用。（3）异步MAC协议异步网络中每个节点都有在即的自己的时间标准，一般来说不划分时隙，即使划分等长的时隙，其时间起点也不对准。异步MAC协议可以灵活地根据数据分组的大小为节点申请资源，而不需要受时隙大小的约束。（a)MACA协议MACA协议是继CSMA/CA协议后提出的一个较为完善的自组网接入控制协议，该协议的提出的握手机制随后得到了广泛的应用。在MACA协议中，有业务要发送的节点首先向目的节点发起RTS（请求发送），请求通信。如果目的节点能够正确收到RTS，则回复CTS（清除发送），表示可以接受数据分组。但是，节点决定后世或是退避的根据不在是载波侦听的结果，而是是否收到并解析了一个RTS或是CTS分组，如果解析到RTS，则进行退避，保证CTS能正常到无线移动自组织网达发送节点；如果解析到CTS，同样要进行退避，但时间要长于对RTS的退避，保证节点能收完数据分组。如果节点同时解析到RTS和CTS，则不能发送业务，如果没有解析到任何信息，则发送自己的RTS，并等待目的节点回复CTS。握手成功后发送数据分组，如果握手是失败，则根据BEB算法进行退重发。这样，暴露终端在避开CTS后就可以使用信道，隐藏终端只要避开DATA