移短距离无线通信-动自组网

第五章移动自组织和无线传感器网络mobileadhocnetwork移动自组织网络无线传感器网络移动自组织网络mobileadhocnetwork概述体系结构AdHoc网络路由服务质量和能量意识一、概述基于预先架设网络基础设施的无线网络蜂窝网络移动终端通过基站接入移动通信网络无线局域网移动终端通过无线接入点接入Internet依赖于基站、无线接入点等现有基础设施网络自组织网络的应用需求临时会议/紧急情况科学考察/探险/军事战场接入网络服务商所需的时间和成本现有服务和架构的性能或者能力远离网络基础设施而希望保持与网络的连接无网络基础设施可用不想使用网络设施网络基础设施范围外自组织网络自组织网络的起源1972年分组无线网（PRNET）战场环境下的数据通信1983年抗毁自适应网络（SURAN）支持大规模网络适应战场快速变化环境需要的自适应网络协议1994年全球移动通信系统（GloMo）满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁星的移动信息系统DARPA资助DefenseAdvancedResearchProjectAgency自组织网络研究1991年IEEE802.11首次提出“AdHoc网络”自组织、对等式、多跳无线移动通信网络1997年IETF成立MANET工作组基于IP的无线多跳网络路由2003年IRTF成立ANS研究组其它研究机构AdHoc：ForthespecificpurposeonlyMANET：MobileAd-hocNetworksANS：AdHocNetworksScalability1432AdHoc网络的定义由一组带有无线通信收发装置的(移动)终端节点组成的一个多跳临时性自治系统每个(移动)终端同时具有路由器和主机两种功能：作为主机，终端需要运行面向用户的应用程序；作为路由器，终端需要运行相应的路由协议节点间路由通常由多跳(Hop)组成不需要网络基础设施，可以在任何地方、任何地点快速构建1432多跳无线网络、自组织网络、无固定设施的网络或者对等网络IEEE802.11b中的Ad-hoc模式AdHoc网络的特点（1）独立组网不需要任何预先网络基础设施动态拓扑节点移动/开机/关机节点无线发送功率变化、无线信道干扰或者地形等因素影响自组织无控制中心节点故障不会影响到整个网络1432节点之间通过无线连接形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度可能都是无法预测的AdHoc网络的特点（2）多跳路由接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此节省了能量消耗通过中间节点参与分组转发，能够有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组织网络的覆盖范围AdHoc网络的特点（3）特殊的无线信道特征无线信道提供的网络带宽比有线信道低得多竞争无线共享信道产生碰撞信号衰落、噪声干扰以及信道之间的干扰等终端的局限性能量、存储、计算等资源受限安全性差无线链路的开放性移动性导致节点之间信任关系的变化可扩展性不强节点之间的相互干扰造成网络容量下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降存在单向无线信道终端发射功率的不同及地形环境的影响1432与传统蜂窝移动通信网络比较不需要网络通信基础设施支持不依赖基站进行通信分组交换机制数据通信业务为主拓扑结构动态变化与传统固定网络比较固定网络中主机位置基本不变固定网络结构一般比较复杂adhoc网络规模相对较小adhoc网络的拓扑结构比较简单adhoc网络拓扑结构快速变化AdHoc网络与无线局域网单跳与多跳研究重点不同通信模式不同主要研究集中在物理层和数据链路层移动终端的所有通信必须经过无线接入点进行无线局域网为单跳网络，不存在路由问题AdHoc网络的研究内容主要以路由协议为核心的网络层设计AdHoc网络中移动终端的通信是对等的Internet无线接入点1432移动AdHoc网络(MANET)与移动IPMANET移动IPAdHoc网络所面临的问题(1)特殊的信道共享方式共享信道隐藏节点问题/暴露节点问题动态变化网络拓扑传统路由协议花较高代价获取的路由信息可能已经陈旧有限的无线传输带宽减少节点之间的交换的消息减少控制消息带来的额外开销有限的能量能量管理机制，各层考虑能量控制，包括网络层路由安全问题无线信道的开放性更容易受到各种攻击移动性使得节点的信任关系不断变化由于节点资源受限，安全机制应该是分布式的ABC隐藏节点问题C正在传送ABC暴露节点问题A正在传送RTS/CTS，CSMA/CA网络路由时需考虑AdHoc网络所面临的问题(2)网络管理拓扑管理确定将一组节点组织成网络的机制移动性管理跟踪网络中移动节点的位置服务质量管理多跳拓扑动态变化的移动AdHoc网络使得服务质量保证更加困难自动配置…实现AdHoc网络的关键技术路由协议服务质量管理功率控制传输层性能AdHoc网络互联安全问题网络管理感知网络拓扑结构的变化维护网络拓扑的连接高度自适应性能量、服务质量等约束信道接入技术节能机制多个AdHoc网络互联AdHoc内部节点访问Internet二、体系结构节点结构主机：运行应用程序，完成数据处理等功能路由器：运行路由协议，完成路由选择、转发分组等功能无线收发装置：完成数据传输功能网络结构平面结构所有节点地位平等层次结构网络被划分为簇（Cluster）每个簇由簇首节点(ClusterHead)和簇成员节点(ClusterMember)构成簇首节点可形成更高一级的网络HFEGCBD2134657890簇首簇成员368平面结构层次结构平面结构和层次结构比较平面结构层次结构完全分布式的网络多个簇组成的网络所有节点的地位是平等的节点被分为簇首和簇成员，簇首预先指定或者由选择算法产生不存在网络瓶颈，可存在多条路径，网络健壮性好簇首节点可能成为网络瓶颈，所有到簇外的通信必须通过簇首节点进行可扩展性差，每个节点都需要知道到达所有其它节点的路由，适用于中小规模的网络可扩展性好，簇内路由信息局部化，适用于大规模网络网络协议栈基于TCP/IP体系结构与Internet互联传统路由协议需要修改，以适应网络拓扑结构动态变化传输层实现适应于无线网络的端到端可靠服务AdHoc网络多用于能量受限的环境，能量管理尤为重要，因此各层都定义相应的节能机制物理层：扩频技术（DS－SS、HF－SS）、调制解调、发送接收功率控制和拓扑控制MAC：TDMA、CDMA、IEEE802.11、MACA...逻辑链路控制子层（LLC）:流量和差错控制...分簇（簇首选择和维护）网络层：邻居发现、路由协议…网络互连层：IPv4、IPv6、MobileIP...信令协议：(D)RSVP、INSIGNIA...传输层：(W)TCP、UDP...移动定位、自动配置、安全策略...应用层：实时业务、自适应应用、数据报业务...反馈和跨层自适应调节机制QoS保证和能量管理机制网络层数据链路层可选功能AdHoc网络中的跨层设计严格分层的体系结构(OSI参考模型，TCP/IP模型)协议的设计缺乏足够的适应性，不能满足AdHoc网络动态变化的需求，特别是在能量或者QoS等约束条件下跨层体系结构任意层之间能够进行信息交互协作在动态环境下，根据能量或者QoS等约束条件自适应调节避免重复的功能，减少开销减少反应时间，快速适应网络动态变化应用层链路层网络层传输层系统约束条件(能量、QoS等)跨层自适应应用层链路层网络层传输层三、AdHoc网络路由AdHoc路由概述需要进行通信的两个节点可能不在相互的无线信号范围内需要其它节点承担转发工作节点移动后需要重新建立新的路由多跳路由ABCABC移动传统的路由协议不适用于AdHoc网络动态变化的网络拓扑结构节点加入、离开、移动等路由算法还未收敛,网络拓扑结构就发生变化有限的系统带宽、能量等资源周期性地公告路由信息严重降低系统的性能间歇性的网络分割传统路由协议容易形成路由回路单向的无线传输信道传统路由协议一般假设链路是对称的适应网络动态变化减少路由开销引入按需路由在路由时考虑能量等约束条件路由协议AdHoc路由协议表驱动路由先验式(Proactive)按需路由反应式(Reactive)表驱动（TableDriven）路由先验式(Proactive)路由传统的分布式最短路径路由协议链路状态或者距离向量所有节点周期性更新“可达”信息每个节点维护到网络中所有其它节点的路由所有路由都已存在并且随时可用DSDV、OLSR、TBRPF路由延时小，但是路由开销大ABCF按需(On-demand)路由反应式(Reactive)路由源节点根据需要通过路由发现过程来确定路由控制消息采用泛洪（Flooding）方式两种实现技术源路由（分组携带完整的路由信息）逐跳（Hop-by-Hop）路由DSR、AODV、DYMO路由延时大，但是路由开销小ABCFAdHoc路由协议的性能指标端到端数据吞吐量和延时反映了数据的传输质量路由获取时间有数据要发送到发送出去的时间乱序分组发送率衡量无连接路由协议应用于需要有序发送的传输层协议例如TCP时的性能路由协议的效率路由控制消息/发送数据路由协议的性能在不同环境表现不同,因此需要根据环境特点使用不同的路由协议四、服务质量和能量意识AdHoc路由中的服务质量与传统网络相比，更困难网络拓扑动态变化资源受约束扩展路由协议支持QoS基于表驱动的QoS路由协议按需QoS路由协议AdHoc路由中的能量意识AdHoc网络环境下节点的能量受限基于能量约束的路由协议最小化每消息能量消耗考虑每跳之间消耗的能量固定(T为常数)，该约束实际上与最小跳数一致最大化网络生存时间保证所有节点协同工作的时间尽量的长111(,)(1)kjiiieTnnkT信息安全目前的安全策略，有安全认证和协议等，一部分WLAN安全策略可用于MANET。需要适合于MANET的信息安全策略。一个移动自组织网络T1T2MH1MH1MH3MH3MH4MH4移动自组织网络的应用场合临时、突发场合，如：军事行动、灾害抢险、医疗救助、会议室活动、视频点播等。军事应用1981年：美国就为海军特谴部队提出了一种高频自组织网，1991年：美国又研究了一种“改进型高频数据网”，充分应用了短波自组织网技术，1994年：美国抗毁自适应系统演示，以宽带技术为基础，改善了战术通信的机动性和生存能力，近年来：美、英、法、荷兰等国的单兵作战系统，未来的单兵通信系统：宽带化的、手持或便携式个人移动终端。移动自组织网络的应用简介无线传感器网络无线传感器网络WSN-WirelessSensorNetworks基础微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术。解释1由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。用户互联网网关大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、网络拓扑经常变化无线传感器网络解释2：传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者传感器网络的基本功能协作地感知、采集、处理和发布感知信息现代感知方法SensingAreaObjectUser端•传感器网络覆盖感知对象区域•每个传感器完成其临近感知对象的观测•多传感器协同完成感知区域的大观测任务•使用多跳路由算法向用户报告观测结果SinkInternet或通信卫星SensornetworkUser端48传感器节点传感器网络的网络结构任务管理中心Internet、卫星或移动通信网络等汇聚节点监