现代网络新技术概论-------第5章--无线分布式自适应网络课件

第第5 5章章 无线分布式自适应网络无线分布式自适应网络 5.1 5.1 无线自组织网络无线自组织网络5.2 5.2 无线无线MeshMesh网络网络5.3 5.3 无线传感器网络无线传感器网络5.1 5.1 无线自组织网络无线自组织网络5.1.1 无线自组织网络的概念、起源无线自组织网络的概念、起源和发展趋势和发展趋势5.1.2 无线自组织网络的特点无线自组织网络的特点5.1.3 无线自组织网络的应用领域无线自组织网络的应用领域5.1.4 无线自组织网络的体系结构无线自组织网络的体系结构5.1.5 无线自组织网络的关键技术无线自组织网络的关键技术5.1.6 无线自组织网络的路由协议无线自组织网络的路由协议5.1.1 5.1.1 无线自组织网络的概念、起源和无线自组织网络的概念、起源和发展趋势发展趋势 1 1无线自组织网络的基本概念无线自组织网络的基本概念 “Ad Ad hoc”hoc”一一词词来来自自拉拉丁丁语语，意意思思是是“为某种目的设置的、有特殊用途的为某种目的设置的、有特殊用途的”。无无线线自自组组织织（Ad Ad hochoc）网网络络是是一一组组带带有有无无线线收收发发装装置置的的移移动动节节点点或或终终端端组组成成的的一一个个无无线线特特定定的的、多多跳跳的的、临临时时性性自自创创建建（Self-Self-CreatingCreating）、自自组组织织（Self-OrganizingSelf-Organizing）、自自管管理理（Self-Self-AdministeringAdministering）、无无中中心心的的系统。系统。可以通过无线连接在任何时候、任何地可以通过无线连接在任何时候、任何地点快速构建任意的网络拓扑，可独立工作。点快速构建任意的网络拓扑，可独立工作。移动终端也可与因特网或蜂窝无线网络移动终端也可与因特网或蜂窝无线网络连接。连接。在在Ad hocAd hoc网络中，每个用户终端（节点）网络中，每个用户终端（节点）兼有路由器和主机两种功能。兼有路由器和主机两种功能。在在Ad hocAd hoc网络中，节点间的路由通常由网络中，节点间的路由通常由多个网段（跳）组成。多个网段（跳）组成。所以它又被称为多跳无线网、自组织网所以它又被称为多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络、对等的移动计算网络、无固定设施的网络、对等的移动计算网络或无框架的移动网络。络或无框架的移动网络。图图图图5-1 5-1 无线无线无线无线Ad hocAd hoc网络示意图网络示意图网络示意图网络示意图 1968 1968年，美国夏威夷大学构建了第一个年，美国夏威夷大学构建了第一个无线自组网无线自组网ALOHAALOHA系统。系统。在该网络中，计算机不能移动，相互之在该网络中，计算机不能移动，相互之间一跳可达。间一跳可达。美国海军研究实验室于美国海军研究实验室于2020世纪世纪7070年代末年代末研制完成了短波自组织网络研制完成了短波自组织网络 HF-ITF HF-ITF 系统，系统，该系统能够保障在该系统能够保障在500km500km范围的舰只、飞机、范围的舰只、飞机、潜艇相互之间进行联网。潜艇相互之间进行联网。2无线自组织网络的起源和发展无线自组织网络的起源和发展 DARPA DARPA于于19831983年启动了可生存自适应网络年启动了可生存自适应网络项目，项目，19941994年，年，DARPADARPA又启动了全球移动信息又启动了全球移动信息系统项目。系统项目。IEEE 802.11IEEE 802.11标准委员会采用了标准委员会采用了“Ad hocAd hoc网络网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，多跳移动通信网络，IETFIETF也将也将Ad hocAd hoc网络称网络称为移动自组。为移动自组。19971997年，发布支持一跳年，发布支持一跳Ad hocAd hoc工作模式工作模式的的IEEE 802.11IEEE 802.11标准。标准。同年，同年，IETF IETF 成立了成立了 MANETMANET工作组。工作组。（1）加强技术研究，寻求技术突破。）加强技术研究，寻求技术突破。加强对加强对Ad hocAd hoc网络安全、服务质量、网络安全、服务质量、与其他网络融合、与其他网络融合、在技术研发过程中，需要通过标准、在技术研发过程中，需要通过标准、知识产权、产业政策等手段加强产、学、研知识产权、产业政策等手段加强产、学、研等方面相结合的力度。等方面相结合的力度。在国内启动相关技术标准的研究制定在国内启动相关技术标准的研究制定工作，积极参与相关国际标准化进程。工作，积极参与相关国际标准化进程。3无线自组织网络技术的研究趋势无线自组织网络技术的研究趋势 要加强要加强Ad hocAd hoc网络与网络与IPIP网络、网络、3G3G、4G4G、超宽带（超宽带（UWBUWB，Ultra WidebandUltra Wideband）等无线网络）等无线网络的融合方式的研究。的融合方式的研究。要加强对这些网络内在自组织机制和要加强对这些网络内在自组织机制和特性的研究。特性的研究。加强加强Ad hocAd hoc网络应用场景与需求的研网络应用场景与需求的研究。究。建立面向不同应用背景的建立面向不同应用背景的Ad hocAd hoc试验试验网络和相应的应用系统。网络和相应的应用系统。（2）加强）加强Ad hoc网络安全保障机制的研究网络安全保障机制的研究（3）寻找）寻找Ad hoc网络与其他通信网络的融合网络与其他通信网络的融合之路，探索新的商业模式之路，探索新的商业模式5.1.2 无线自组织网络的特点无线自组织网络的特点（1 1）无中心和自组织性。）无中心和自组织性。（2 2）自动配置。）自动配置。（3 3）动态网络拓扑结构。）动态网络拓扑结构。（4 4）分布式控制。）分布式控制。（5 5）多跳路由。）多跳路由。（6 6）安全保密性差。）安全保密性差。（7 7）无线传输带宽受限。）无线传输带宽受限。（8 8）网络的可扩展性受限。）网络的可扩展性受限。（9 9）节点的通信距离受限。）节点的通信距离受限。（1010）生存时间短。）生存时间短。（1111）存在单向的无线信道。）存在单向的无线信道。（1212）供电问题突出。）供电问题突出。5.1.3 无线自组织网络的应用领域无线自组织网络的应用领域总体上来说，它可以用于以下场合。总体上来说，它可以用于以下场合。没有有线通信设施的地方。没有有线通信设施的地方。需要分布式特性的网络通信环境。需要分布式特性的网络通信环境。现有有线通信设施不足。现有有线通信设施不足。作为生存性较强的后备网络。作为生存性较强的后备网络。它的应用领域可包括如下几个方面。它的应用领域可包括如下几个方面。（1 1）军事应用。）军事应用。（2 2）传感器网络。）传感器网络。（3 3）紧急和突发场合。）紧急和突发场合。（4 4）偏远野外地区。）偏远野外地区。（5 5）临时场合。）临时场合。（6 6）动态场合和分布式系统。）动态场合和分布式系统。（7 7）个人通信。）个人通信。（8 8）商业应用。）商业应用。（9 9）其他应用。）其他应用。5.1.4 无线自组织网络的体系结构无线自组织网络的体系结构1 1无线自组织网络的节点结构无线自组织网络的节点结构图图图图5-2 Ad hoc5-2 Ad hoc网络的节点结构网络的节点结构网络的节点结构网络的节点结构（1 1）平面结构）平面结构 平面结构中所有节点地位平等，所以又平面结构中所有节点地位平等，所以又可称为对等式结构。可称为对等式结构。2无线自组织网络的网络拓扑无线自组织网络的网络拓扑（2 2）分级结构）分级结构 在分级结构中，网络被划分为簇在分级结构中，网络被划分为簇（clustercluster）。）。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了高一级的网络。这些簇头形成了高一级的网络。在高一级网络中，又可以分簇，再次形在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。成更高一级的网络，直至最高级。在分级结构中，簇头节点负责簇间数据在分级结构中，簇头节点负责簇间数据的转发，它可以预先指定，也可以由节点使的转发，它可以预先指定，也可以由节点使用算法选举产生。用算法选举产生。3无线自组织网络的分层参考模型无线自组织网络的分层参考模型图图图图5-6 Ad hoc5-6 Ad hoc网络分层参考模型网络分层参考模型网络分层参考模型网络分层参考模型 Ad hoc Ad hoc物理层是一组低功率、高能力、物理层是一组低功率、高能力、能在运动中工作的物理传输设备，提供无线能在运动中工作的物理传输设备，提供无线传输能力，完成无线信号编码译码、发送和传输能力，完成无线信号编码译码、发送和接收等工作，以支持移动组网。接收等工作，以支持移动组网。采用的都是基于采用的都是基于2.4GHz2.4GHz的的ISMISM频段。频段。Ad hocAd hoc物理层所采用的传输技术基本上物理层所采用的传输技术基本上有有3 3种：正交频分复用技术、红外线辐射传输种：正交频分复用技术、红外线辐射传输技术和宽带扩展频谱技术。技术和宽带扩展频谱技术。（1）Ad hoc物理层物理层 链路层控制是对共享无线信道的访问以链路层控制是对共享无线信道的访问以及对逻辑链路的控制，提供可靠的无线通信及对逻辑链路的控制，提供可靠的无线通信的逻辑链路。的逻辑链路。链路层解决的主要问题包括链路层解决的主要问题包括MACMAC，数据的，数据的传送、同步、纠错以及流量控制。传送、同步、纠错以及流量控制。基于此，基于此，Ad hocAd hoc链路层又分为链路层又分为MACMAC和和LLCLLC层。层。LLCLLC负责向网络提供统一的服务，屏蔽底负责向网络提供统一的服务，屏蔽底层不同的层不同的MACMAC方法。方法。（2）Ad hoc数据链路层数据链路层 通常采用载波监听多路访问通常采用载波监听多路访问/冲突避免冲突避免（CSMA/CACSMA/CA，Carrier Sense Multiple Carrier Sense Multiple Access with Collision AvoidanceAccess with Collision Avoidance）协议和）协议和RTS/CTSRTS/CTS协议来规范无线终端对介质的访问机协议来规范无线终端对介质的访问机制。制。网络层支持网络工作的传输协议、移动网络层支持网络工作的传输协议、移动组网算法和动态路由协议，主要功能包括邻组网算法和动态路由协议，主要功能包括邻居发现、分组路由、拥塞控制和网络互连等。居发现、分组路由、拥塞控制和网络互连等。（3）Ad hoc网络层网络层 传输层主要完成端到端通信的建立，主传输层主要完成端到端通信的建立，主要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，要功能是向应用层提供可靠的端到端服务，使上层与通信子网相隔离，高效地利用网络使上层与通信子网相隔离，高效地利用网络资源，包括寻址、复用、流控、按序交付、资源，包括寻址、复用、流控、按序交付、重传控制、拥塞控制等。重传控制、拥塞控制等。（4）Ad hoc传输层传输层 Ad hoc Ad hoc网络的应用层是指建立在网络的应用层是指建立在Ad hocAd hoc之上的无线应用以及接入移动通信核心网的之上的无线应用以及接入移动通信核心网的各种各样的业务。各种各样的业务。（5）Ad hoc应用层应用层5.1.5 无线自组织网络的关键技术无线自组织网络的关键技术（1）自适应技术）自适应技术 解解决决的的方方法法主主要要有有自自适适应应编编码码、自自适适应应调制、自适应功率控制和自适应资源分配等。调制、自适应功率控制和自适应资源分配等。Ad hoc Ad hoc是多跳共享广播信道，带来的直是多跳共享广播信道，带来的直接影响就是报文冲突与节点所处的位置有关。接影响就是报文冲突与节点所处的位置有关。（2）信道接入技术）信道接入技术 Ad hoc Ad hoc网络中所有设备都在移动。网络中所有设备都在移动。在在Ad hocAd hoc网络中的路由算法应具有快速网络中的路由算法应具有快速收敛的特性，减少路由查找的开销，快速发收敛的特性，减少路由查找的开销，快速发现路由，提高路由发现的性能和效率。现路由，提高路由发现的性能和效率。同时，应能够跟踪和感知节点移动造成同时，应能够跟踪和感知节点移动造成的链路状态变化，以进行动态路由维护。的链路状态变化，以进行动态路由维护。（3）路由协议）路由协议 为了节约有限的带宽，就要尽量减少节为了节约有限的带宽，就要尽量减少节点间相互交互的信息量，减少控制信息带来点间相互交互的信息量，减少控制信息带来的附加开销。的附加开销。（4）传输层技术）传输层技术 不仅要对网络设备和用户进行管理，还不仅要对网络设备和用户进行管理，还要有相应的机制解决移动性管理、服务管理、要有相应的机制解决移动性管理、服务管理、节点定位和地址配置等特殊问题。节点定位和地址配置等特殊问题。（5）节能问题）节能问题（6）网络管理）网络管理 在在Ad hocAd hoc网络中传输多媒体信息。多媒网络中传输多媒体信息。多媒体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了体信息对带宽、时延、时延抖动等都提出了很高的要求。很高的要求。（7）服务质量保证）服务质量保证 无线无线Ad hocAd hoc网不依赖于任何固定设施。网不依赖于任何固定设施。（8）安全性）安全性 Ad hoc Ad hoc网络中的节点要访问因特网或另网络中的节点要访问因特网或另一个一个Ad hocAd hoc网络节点，就产生了网络互连问网络节点，就产生了网络互连问题。题。（9）网络互连技术）网络互连技术5.1.6 无线自组织网络的路由协议无线自组织网络的路由协议 路由技术主要是为数据分组以最佳路径路由技术主要是为数据分组以最佳路径通过通信子网到达目的节点提供服务。通过通信子网到达目的节点提供服务。路由协议的主要作用是发现和维护路由。路由协议的主要作用是发现和维护路由。具体地说，主要包括以下几个方面：监具体地说，主要包括以下几个方面：监控网络拓扑结构的变化；交换路由信息；确控网络拓扑结构的变化；交换路由信息；确定目的节点的位置；产生、维护以及取消路定目的节点的位置；产生、维护以及取消路由；选择路由并转发数据。由；选择路由并转发数据。（1）无环路、快速收敛）无环路、快速收敛 路由算法必须能够保证不会产生路由环路由算法必须能够保证不会产生路由环路，并且能快速收敛，收敛是所有路由器对路，并且能快速收敛，收敛是所有路由器对最佳路径达成一致的过程。最佳路径达成一致的过程。（2）健壮、稳定）健壮、稳定 在出现不正常或不可预见事件的情况下在出现不正常或不可预见事件的情况下仍能正常处理。仍能正常处理。1设计目标设计目标 在自组网中，链路失效是经常发生的，在自组网中，链路失效是经常发生的，这就要求在自组网中运行的路由协议必须能这就要求在自组网中运行的路由协议必须能够避免计数到无穷。够避免计数到无穷。（5）支持单向信道）支持单向信道（6）灵活性）灵活性（3）简单、高效、低耗）简单、高效、低耗（4）避免计数到无穷）避免计数到无穷 IETF MANET IETF MANET工作组无线工作组无线Ad hocAd hoc路由协议路由协议草案主要有以下几种：草案主要有以下几种：Ad hocAd hoc网络的距离矢量路由算法网络的距离矢量路由算法 临时顺序路由算法临时顺序路由算法 动态源路由协议动态源路由协议 优化的链路状态路由协议优化的链路状态路由协议 基于拓扑广播的反向路径转发基于拓扑广播的反向路径转发 鱼眼状态路由协议鱼眼状态路由协议 区域间路由协议区域间路由协议 区域内路由协议区域内路由协议 目标序列距离路由矢量算法目标序列距离路由矢量算法 区域路由协议区域路由协议2路由协议路由协议3路由协议的分类路由协议的分类图图图图5-7 5-7 自组网路由协议的分类自组网路由协议的分类自组网路由协议的分类自组网路由协议的分类表表表表5-15-1各类协议的比较各类协议的比较各类协议的比较各类协议的比较分类角度路由类型优 点缺 点典型协议从路由发现策略的角度主动路由当节点需要发送数据分组时，只要到目的节点的路由存在，所需要的时延很小花费开销较大，应尽可能使路由更新紧随拓扑结构变化，但动态变化的拓扑结构可能使路由更新信息变得过时，路由协议始终处于不收敛状态DSDV、WRP、STARA、GSR、FSR、HSR、ZHLS按需路由无需周期性路由信息广播，节省了一定的网络资源发现数据分组时，如果没有到目的节点的路由，需进行路由发现，数据分组的发送因路由建立过程而被延时AODV、DSR、TORA、ABR、SSR、CBRP从网络逻辑视图的角度平面路由无特殊节点，网络中业务流平均分数、路由协议健壮性较好，无需进行节点移动性管理可扩展性较差，限制了网络的规模AODV、DSR、TORA、ABR、WRP、STARA、LAR分级路由网络由多个分簇组成，可扩展性较好，适合大规模的自组网簇头节点的可靠性和稳定性对网络性能影响较大，为支持节点在不同分簇之间漫游所进行的移动管理将产生一定的协议开销CGSR、ZRP、CEDAR （1）现有）现有Ad hoc网络的路由协议的研网络的路由协议的研究与优化。究与优化。（2）节能路由）节能路由 在在Ad hocAd hoc网络中，所有节点都依靠有限网络中，所有节点都依靠有限的电池能量操作。的电池能量操作。4路由协议的主要研究成果路由协议的主要研究成果 目前提出的多播路由协议有多播目前提出的多播路由协议有多播AODVAODV、按需多播路由协议、核心的网格协议等。按需多播路由协议、核心的网格协议等。（3）多播路由）多播路由 而现在的定位技术已经比较先进。而现在的定位技术已经比较先进。（4）基于地理位置信息的路由）基于地理位置信息的路由 多路径路由的目标是在源和目的对之间建多路径路由的目标是在源和目的对之间建立多条路径，要求更多的主机来承担路由任立多条路径，要求更多的主机来承担路由任务。务。（5）路由协议的安全性）路由协议的安全性（6）多路径路由技术）多路径路由技术（7）QoS路由路由5.2 5.2 无线无线MeshMesh网络网络5.2.1 无线无线Mesh网络的概念与特点网络的概念与特点5.2.2 无线无线Mesh网络与其他通信网络的区网络与其他通信网络的区别别5.2.3 无线无线Mesh网络的应用前景网络的应用前景5.2.4 无线无线Mesh网络的标准网络的标准5.2.5 无线无线Mesh网络的关键技术网络的关键技术5.2.6 无线无线Mesh网络的网络拓扑结构网络的网络拓扑结构5.2.7 无线无线Mesh网络的路由协议网络的路由协议5.2.1 无线无线Mesh网络的概念与特点网络的概念与特点 “Mesh”Mesh”这个词原意是指所有的节点都这个词原意是指所有的节点都互相连接。互相连接。WMNWMN又称无线网状网、无线网格网、无线又称无线网状网、无线网格网、无线多跳网。多跳网。它是一种多跳、具有自组织和自愈特点它是一种多跳、具有自组织和自愈特点的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速的宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络，是因特网的无线版本。率的分布式网络，是因特网的无线版本。WMN WMN任何无线设备节点都可以同时作为接任何无线设备节点都可以同时作为接入点（入点（APAP，Access PointAccess Point）和路由器，都可）和路由器，都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信，也可以通或者多个对等节点进行直接通信，也可以通过一些中间节点连接互相远离不能直接连接过一些中间节点连接互相远离不能直接连接的无线路由器。的无线路由器。WMNWMN中的每个节点只和邻近节点进行通信，中的每个节点只和邻近节点进行通信，因此因此WMNWMN是一种自组织、自管理的智能网络。是一种自组织、自管理的智能网络。WMNWMN的大多数节点基本静态不动，的大多数节点基本静态不动，WMNWMN可可以和多种宽带无线接入技术，组成一个含有以和多种宽带无线接入技术，组成一个含有多跳无线链路的无线网状网。多跳无线链路的无线网状网。WMN WMN具有以下特点和优势。具有以下特点和优势。快速部署和易于安装。快速部署和易于安装。非视距（非视距（NLoSNLoS，Non-Line-of-Non-Line-of-SightSight）传输。）传输。无线多跳网络。无线多跳网络。具有自组织、自管理、自愈能力。具有自组织、自管理、自愈能力。多种类型的网络接入。多种类型的网络接入。移动性以及能耗限制与节点类型相关。移动性以及能耗限制与节点类型相关。具有无线基础设施骨干网。具有无线基础设施骨干网。集成性。集成性。高可靠性。高可靠性。功耗限制减少。功耗限制减少。高带宽。高带宽。覆盖范围广。覆盖范围广。定位准确。定位准确。但也存在以下一些不足。但也存在以下一些不足。（1 1）互操作性。）互操作性。（2 2）通信延迟。）通信延迟。（3 3）安全。）安全。（4 4）分散管理问题。）分散管理问题。（5 5）共存干扰问题。）共存干扰问题。5.2.2 无线无线Mesh网络与其他通信网络网络与其他通信网络的区别的区别1 1与蜂窝移动通信系统的区别与蜂窝移动通信系统的区别2 2与与Ad hocAd hoc网络的区别网络的区别 表表表表5-25-2WMNWMN与蜂窝网络及与蜂窝网络及与蜂窝网络及与蜂窝网络及Ad hocAd hoc网络的比较网络的比较网络的比较网络的比较蜂 窝 网 络Ad hoc网络WMN拓扑结构点到多点动态拓扑多点到多点（网状）覆盖范围通过小区方式可覆盖广大地区一般在局域范围内可实现城域覆盖容纳用户数非常多较少多控制方式集中式控制分布式控制分布式控制设计目的用户接入及用户间通信用户间通信为主用户接入为主5.2.3 无线无线Mesh网络的应用前景网络的应用前景（1）家庭网络互连）家庭网络互连 MeshMesh能轻松构成多媒体家庭无线网络，能轻松构成多媒体家庭无线网络，实现家庭安全系统联网、家庭因特网接入、实现家庭安全系统联网、家庭因特网接入、家庭通信设备互连等。家庭通信设备互连等。（2）社区网络互连）社区网络互连 通过在社区内放置多个通过在社区内放置多个MeshMesh路由器可以路由器可以将社区内各用户家庭网络互连，形成一个社将社区内各用户家庭网络互连，形成一个社区无线多跳网络。区无线多跳网络。使用使用MeshMesh方式组网，不仅易于实现网络方式组网，不仅易于实现网络的结构升级和调整，而且能够实现室外和室的结构升级和调整，而且能够实现室外和室内之间的无缝漫游。内之间的无缝漫游。（5）医院网络互连）医院网络互连（6）城域网络互连）城域网络互连 通过通过WMNWMN，整合，整合802.16 WMAN802.16 WMAN、802.11 802.11 WLANWLAN以及以及3G3G等其他无线接入技术可以形成一等其他无线接入技术可以形成一个城域大范围、多层次、多样化接入方式的个城域大范围、多层次、多样化接入方式的无线接入网络，使得城域无线接入网络的覆无线接入网络，使得城域无线接入网络的覆盖广度、深度都大大增加。盖广度、深度都大大增加。（3）企业网络互连）企业网络互连（4）校园网互连）校园网互连 WMN WMN的快速、简单组网能力使得它可以用的快速、简单组网能力使得它可以用于快速、临时场合的通信，如展览会、交易于快速、临时场合的通信，如展览会、交易会。会。（7）旅游休闲场所）旅游休闲场所（8）快速部署和临时安装）快速部署和临时安装 可用在城市监控（交通、城管）、反恐可用在城市监控（交通、城管）、反恐应用、消防应用、边防监控、森林防火、野应用、消防应用、边防监控、森林防火、野外作业等方面。外作业等方面。（9）定点视频监控）定点视频监控5.2.4 无线无线Mesh网络的标准网络的标准1 1IEEE 802.11sIEEE 802.11s IEEE 802.11 WLAN IEEE 802.11 WLAN工作组于工作组于20042004年年初年年初成立了成立了MeshMesh任务组，编号为任务组，编号为802.11s802.11s。主要是定义主要是定义WMNWMN网络网络MACMAC协议和路由协议协议和路由协议问题。问题。SEE-Mesh IEEE 802.11s SEE-Mesh IEEE 802.11s标准提案是一个标准提案是一个包含了全部最少功能需求的简单、有效和可包含了全部最少功能需求的简单、有效和可扩展草案；定义了无需管理的扩展草案；定义了无需管理的WLAN MeshWLAN Mesh网络网络全部协议规范，包括全部协议规范，包括MACMAC帧格式以及帧格式以及WLAN WLAN MeshMesh业务；其主要内容包括拓扑形成和发现、业务；其主要内容包括拓扑形成和发现、802.11s802.11s联网方法、可扩展的路径选择和转发联网方法、可扩展的路径选择和转发协议、安全机制、协议、安全机制、MACMAC改进方法以及节能机制改进方法以及节能机制等。另外，该草案提供了一个框架，等。另外，该草案提供了一个框架，WiWi-Mesh IEEE 802.11s-Mesh IEEE 802.11s标准提案是一个标准提案是一个可扩展的、自适应的安全可扩展的、自适应的安全IEEE 802.11s MeshIEEE 802.11s Mesh标准草案，提供了满足所有住宅居所、办公标准草案，提供了满足所有住宅居所、办公室、校园、公安以及军事网络应用案例和模室、校园、公安以及军事网络应用案例和模型的灵活性需求保证，且关注多个方面，如型的灵活性需求保证，且关注多个方面，如MACMAC子层、路由、安全机制以及高层的联网功子层、路由、安全机制以及高层的联网功能等。能等。该草案支持单个或多个射频无线电平台，该草案支持单个或多个射频无线电平台，提供了提供了3 3种操作模式，既可允许简单和健壮地种操作模式，既可允许简单和健壮地实现实现MeshMesh组网，又可以为复杂解决方案提供组网，又可以为复杂解决方案提供最优性能和频谱效率。最优性能和频谱效率。采用了自适应物理载波监听、信道接入采用了自适应物理载波监听、信道接入协调以及协调以及RFRF资源管理解决方案。资源管理解决方案。其主要内容包括其主要内容包括WLAN MeshWLAN Mesh结构、结构、Mesh Mesh MACMAC子层、子层、MeshMesh帧格式和信息元定义、帧格式和信息元定义、MeshMesh路路由策略和由策略和MeshMesh安全机制（兼容安全机制（兼容802.11i802.11i）等。）等。IEEE 802.15 IEEE 802.15是致力于定义建立小规模的是致力于定义建立小规模的固定、便携以及移动计算设备等短距离无线固定、便携以及移动计算设备等短距离无线连接的物理层和连接的物理层和MACMAC层规范。层规范。IEEE 802.15.5IEEE 802.15.5是是20032003年年1111月成立的工作月成立的工作组，专门定义组，专门定义WPANWPAN的的MeshMesh连接所要求的物理连接所要求的物理层和层和MACMAC规范，主要考虑移动设备的功率受限规范，主要考虑移动设备的功率受限问题。问题。2IEEE 802.15 IEEE 802.16 IEEE 802.16是是19991999年成立的工作组，致年成立的工作组，致力于解决力于解决WMANWMAN的的“最后一公里最后一公里”连接问题。连接问题。20032003年年1 1月，提出的月，提出的IEEE 802.16aIEEE 802.16a使用了使用了较低的较低的2 211GHz11GHz频段，支持非视距连接。频段，支持非视距连接。IEEE 802.16aIEEE 802.16a的的MACMAC层还支持可选的层还支持可选的MeshMesh连接模式，即可采用集中式或分布式算法通连接模式，即可采用集中式或分布式算法通信。信。802.16a802.16a基于基于TDMATDMA的的MACMAC层是如何支持这层是如何支持这种可选的种可选的MeshMesh机制的呢？机制的呢？在在MeshMesh模式中，所有终端都可能和其他模式中，所有终端都可能和其他终端互连，数据阻塞时可以直接路由给其他终端互连，数据阻塞时可以直接路由给其他终端，可以用中心算法或分布式算法控制这终端，可以用中心算法或分布式算法控制这种直接通信。种直接通信。3IEEE 802.16a IEEE 802.20 IEEE 802.20工作组是工作组是20022002年年1212月成立的月成立的移动宽带无线接入工作组，是为在室内外蜂移动宽带无线接入工作组，是为在室内外蜂窝结构网络系统提供普适移动宽带接入，窝结构网络系统提供普适移动宽带接入，802.20802.20致力于在蜂窝体系下提供通用移致力于在蜂窝体系下提供通用移动宽带无线接入，在室内、室外支持动宽带无线接入，在室内、室外支持Mesh Mesh 网网络模式。络模式。802.20802.20的工作频率是的工作频率是3.5GHz3.5GHz以下；以下；802.20802.20是为运动速度高于是为运动速度高于250km/h250km/h的用户准备的用户准备的。的。4IEEE 802.205.2.5 无线无线Mesh网络的关键技术网络的关键技术（1）智能天线技术）智能天线技术 能能天天线线是是具具有有测测向向和和波波束束成成形形能能力力的的天天线阵列。线阵列。使使用用此此技技术术，用用户户节节点点可可根根据据周周围围节节点点的状况在软件控制下调整波束方向。的状况在软件控制下调整波束方向。QDMA QDMA技术使用直接序列扩频调制技术，技术使用直接序列扩频调制技术，工作在工作在2.4GHz2.4GHz的频段上。的频段上。QDMAQDMA技术提供一个高性能的射频前端。技术提供一个高性能的射频前端。QDMAQDMA提供较强的纠错能力，基于提供较强的纠错能力，基于QDMAQDMA技技术的通信网络提供达到约术的通信网络提供达到约402km/h402km/h（250mph250mph）的移动速度。的移动速度。目前目前QDMAQDMA数据传输的范围达到数据传输的范围达到1600m1600m，QDMAQDMA更独特的是内置的定位技术能够对通信更独特的是内置的定位技术能够对通信设备进行精确定位而不依赖于设备进行精确定位而不依赖于GPSGPS，误差不超，误差不超过过10m10m。（2）正交多址接入技术）正交多址接入技术 当前主要有两种做法：一种是将当前主要有两种做法：一种是将Ad hocAd hoc开发的路由协议如开发的路由协议如DSDVDSDV、DSRDSR、TORATORA、AODVAODV移移植过来用于植过来用于WMNWMN；另一种是开发无线下专用的；另一种是开发无线下专用的路由协议，如可预测的无线路由协议、多射路由协议，如可预测的无线路由协议、多射频链路质量源路由等协议。频链路质量源路由等协议。（3）路由技术）路由技术 WMN WMN的网络层一般使用的网络层一般使用3 3种分组交换，即种分组交换，即基于基于IPIP的分组交换、的分组交换、ATMATM交换、交换、MPLSMPLS。基于基于IPIP的分组交换直接面向占主流的的分组交换直接面向占主流的IPIP业务，但对实时业务的服务质量不能很好保业务，但对实时业务的服务质量不能很好保证。证。ATMATM交换能保证实时业务的性能要求，但交换能保证实时业务的性能要求，但需要额外的带宽消耗和复杂的协议来承载具需要额外的带宽消耗和复杂的协议来承载具体业务。体业务。MPLSMPLS则能在一定程度上保证则能在一定程度上保证IPIP业务的服业务的服务质量，同时降低业务承载的复杂性。务质量，同时降低业务承载的复杂性。（4）无线交换技术）无线交换技术 WMN WMN不可避免地存在隐藏终端和暴露终端不可避免地存在隐藏终端和暴露终端问题。问题。会导致信号碰撞的发生。会导致信号碰撞的发生。目前可通过目前可通过IEEE 802.11IEEE 802.11中的中的RTS/CTSRTS/CTS协协议来避免，但并不能完全解决隐藏终端和暴议来避免，但并不能完全解决隐藏终端和暴露终端问题。露终端问题。（5）隐藏终端问题处理技术）隐藏终端问题处理技术5.2.6 无线无线Mesh网络的网络拓扑结构网络的网络拓扑结构 1 1无线无线MeshMesh网络的结构网络的结构（1）骨干网）骨干网Mesh结构结构 图图图图5-8 5-8 骨干网骨干网骨干网骨干网MeshMesh结构结构结构结构图图图图5-105-10混合结构混合结构混合结构混合结构（3）混合结构）混合结构 2IEEE 802.11s WMN的参考体系结构的参考体系结构图图图图5-11 IEEE 802.11s5-11 IEEE 802.11s功能组件结构功能组件结构功能组件结构功能组件结构3无线无线Mesh网络的组件网络的组件表表表表5-35-3WMNWMN的组件和应用的组件和应用的组件和应用的组件和应用组 件应 用Mesh卡用于传送和接收数据，建立Mesh网络；可在笔记本、PDA、台式机及拥有PCMIC插槽的设备上应用IAP智能接入点用于LAN和WMN的接入，自带以太网接口Mesh无线路由器用于连接Mesh卡设备组成Mesh网络VMM车载智能接点用于连接Mesh网络、部分终端设备和Mesh卡设备数传电台于用远距离传输数据IP摄像设备可直接接入网络或终端的摄像设备5.2.7 无线无线Mesh网络的路由协议网络的路由协议1 1无线无线MeshMesh网络路由协议的设计要求网络路由协议的设计要求 选择合理的路径选择算法。选择合理的路径选择算法。确保对连接失败的可容错性。确保对连接失败的可容错性。实现网络负载平衡。实现网络负载平衡。网络的可扩展性。网络的可扩展性。能够同时满足能够同时满足WMNWMN路由器和路由器和WMNWMN终端用终端用户的不同要求。户的不同要求。（1）多判据路由。）多判据路由。根据根据“最小跳数最小跳数”考虑时延、跳数和吞考虑时延、跳数和吞吐量等多种性能度量指标来选择。吐量等多种性能度量指标来选择。（2）多径路由。）多径路由。在源节点与目的节点间有多条路径可供在源节点与目的节点间有多条路径可供选择。选择。2无线无线Mesh网络路由协议的分类网络路由协议的分类WMNWMN有多种信道方式。有多种信道方式。（4）分级路由。）分级路由。把网络节点进行分簇。每个分簇有一个把网络节点进行分簇。每个分簇有一个或多个簇头。或多个簇头。（5）跨层路由。）跨层路由。以往的研究都集中在网络层上，可以综以往的研究都集中在网络层上，可以综合考虑合并合考虑合并MACMAC层与路由层之间的一些功能。层与路由层之间的一些功能。（3）多信道路由。）多信道路由。（6）QoS路由。路由。如何为用户提供如何为用户提供QoSQoS保证是当前路由研究保证是当前路由研究的热点问题。的热点问题。（7）基于地理位置信息的路由。）基于地理位置信息的路由。地理路由通过引入了节点的地理位置信地理路由通过引入了节点的地理位置信息，减少了拓扑路由算法中的一些不足之处。息，减少了拓扑路由算法中的一些不足之处。3无线无线Mesh网络的网络的DSR路由协议路由协议（1 1）路由发现过程）路由发现过程 当源节点没有到达目的节点的路由时，当源节点没有到达目的节点的路由时，广播一个路由请求报文。广播一个路由请求报文。每个收到该报文的中间节点附加上自每个收到该报文的中间节点附加上自己的己的IDID然后重新广播。然后重新广播。当路由请求到达目的节点时，目的节当路由请求到达目的节点时，目的节点可以确定一条到达目的节点的完整的源路点可以确定一条到达目的节点的完整的源路由。由。目的节点（或中间节点）将所得的源目的节点（或中间节点）将所得的源路由包含在路由响应报文中，然后沿着反向路由包含在路由响应报文中，然后沿着反向路由发送回源节点（或者附带在目的节点的路由发送回源节点（或者附带在目的节点的路由请求报文中）。路由请求报文中）。源节点收到路由响应报文后，将源路源节点收到路由响应报文后，将源路由存入缓存，并添加到每个数据报的头部。由存入缓存，并添加到每个数据报的头部。中间节点根据数据报头中的源路由转发数据中间节点根据数据报头中的源路由转发数据报。报。如果在数据报的逐跳传输过程中发现如果在数据报的逐跳传输过程中发现链路失败，则可以由中间节点使用缓存中的链路失败，则可以由中间节点使用缓存中的可用路由来代替原头部中含有失败链路的路可用路由来代替原头部中含有失败链路的路由，同时向源节点发送路由错误报文。由，同时向源节点发送路由错误报文。中间节点监听路由错误报文以删除失中间节点监听路由错误报文以删除失败路由（减小缓存错误路由信息的影响）。败路由（减小缓存错误路由信息的影响）。如果路由失败，则由源节点重新开始如果路由失败，则由源节点重新开始一次新的路由发现过程。一次新的路由发现过程。如果节点发现数据报头部的源路由中如果节点发现数据报头部的源路由中包括自己的包括自己的IDID，可以主动发送路由响应报文，可以主动发送路由响应报文告知源节点存在更短路由。告知源节点存在更短路由。（2）路由维护过程）路由维护过程5.3 5.3 无线传感器网络无线传感器网络5.3.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述5.3.2 无线传感器网络的主要研究内无线传感器网络的主要研究内容与应用领域容与应用领域5.3.3 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络的体系结构5.3.4 无线传感器网络的传输协议无线传感器网络的传输协议5.3.5 无线传感器网络应用的支撑技无线传感器网络应用的支撑技术术5.3.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述1 1无线传感器网络的发展历程无线传感器网络的发展历程 第第一一代代传传感感器器网网络络出出现现在在2020世世纪纪7070年年代代，使使用用具具有有简简单单信信息息获获取取能能力力的的传传感感器器，采采用用点点对对点点传传输输；第第二二代代传传感感器器网网络络具具有有获获取取多多种种信信息息的的综综合合能能力力，采采用用串串/并并接接口口与与传传感感控控制制器器相相连连，构构成成有有综综合合多多种种信信息息的的传传感感器器网网络；络；第第三三代代传传感感器器网网络络用用具具有有智智能能获获取取多多种种信信息息的的传传感感器器，采采用用现现场场总总线线连连接接传传感感控控制制器器，构构成成LANLAN，成成为为智智能能化化传传感感器器网网络络；第第四四代代传传感感器器网网络络用用大大量量的的具具有有多多功功能能、多多信信息息获获取取能能力力的的传传感感器器，采采用用自自组组织织无无线线接接入入网网络，与传感器网络控制器连接，构成络，与传感器网络控制器连接，构成WSNWSN。图图图图5-14 5-14 传感器网络的发展历程传感器网络的发展历程传感器网络的发展历程传感器网络的发展历程 WSN WSN是一种特殊的是一种特殊的Ad hocAd hoc。WSNWSN综合了传感器技术、嵌入式计算技术、综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对其进行处各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户。些信息的用户。2无线传感器网络的基本概念无线传感器网络的基本概念 传感器网络是由一定数量的传感器节点传感器网络是由一定数量的传感器节点通过某种有线或无线通信协议联结而成的测通过某种有线或无线通信协议联结而成的测控系统。控系统。这些节点由传感器、数据处理和数据通这些节点由传感器、数据处理和数据通信等功能模块构成，以集成方式设置在被测信等功能模块构成，以集成方式设置在被测对象内部或附近，通常尺寸很小，具有低成对象内部或附近，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点。本、低功耗、多功能等特点。硬件资源有限。硬件资源有限。电源容量有限。电源容量有限。无中心。无中心。WSNWSN中没有严格的控制中心，所有节点地中没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一种对等式网络。位平等，是一种对等式网络。自组织。自组织。节点开机后就可以快速、自动地组成一节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。个独立的网络。3无线传感器网络的特点无线传感器网络的特点 多跳路由。多跳路由。节点只能与它的邻居直接通信。节点只能与它的邻居直接通信。若与远处节点进行通信，则要通过中间若与远处节点进行通信，则要通过中间节点进行路由。节点进行路由。动态拓扑。动态拓扑。节点可以随处移动；一个节点可能会因节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障退出网络运行；为电池能量耗尽或其他故障退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。网络中。节点数量众多，分布密集。节点数量众多，分布密集。往往有成千上万传感器节点空投到该区往往有成千上万传感器节点空投到该区域。域。传感器节点出现故障的可能性较大。传感器节点出现故障的可能性较大。传感器节点主要采用广播方式通信。传感器节点主要采用广播方式通信。以数据为中心。以数据为中心。人们只关心某个区域的某个观测指标值，人们只关心某个区域的某个观测指标值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。而不会去关心具体某个节点的观测数据。由于由于WSNWSN中的节点数目极大，有些传中的节点数目极大，有些传感器节点可能不能回收，感器节点可能不能回收，网络的自动管理和高度协作性。网络的自动管理和高度协作性。首先，传感器节点进行随机地撒放；第首先，传感器节点进行随机地撒放；第二步是撒放后的传感器节点进入到自检启动二步是撒放后的传感器节点进入到自检启动的唤醒状态；第三步是这些传感器节点会根的唤醒状态；第三步是这些传感器节点会根据监控到的周围传感器节点的情况，采用一据监控到的周围传感器节点的情况，采用一定的组网算法，从而形成按一定规律结合成定的组网算法，从而形成按一定规律结合成的网络；第四选择合适的路径进行数据通信。的网络；第四选择合适的路径进行数据通信。4无线传感器网络的生成无线传感器网络的生成图图图图5-15 5-15 传感器网络的生成过程传感器网络的生成过程传感器网络的生成过程传感器网络的生成过程 2000 2000年年1212月月IEEEIEEE成立了成立了IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4工工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。的低速率无线连接技术。传感器网络是传感器网络是802.15.4802.15.4标准的主要市场标准的主要市场对象。将传感器和对象。将传感器和802.15.4802.15.4设备组合，进行设备组合，进行数据收集、处理和分析。数据收集、处理和分析。IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4、ZigbeeZigbee以及以及IEEE 1451IEEE 1451等相关标准的发布加速了等相关标准的发布加速了WSNWSN的发展。的发展。IEEE 802.15.4 WANIEEE 802.15.4 WAN网络可以极大地降低网络可以极大地降低传感器网络的安装成本并简化对现有网络的传感器网络的安装成本并简化对现有网络的扩充。扩充。5传感器网络的标准传感器网络的标准 （1 1）能源有效性。）能源有效性。（2 2）生命周期。）生命周期。（3 3）时间延迟。）时间延迟。（4 4）感知精度。）感知精度。该指标是指观察者接收到的感知信息的该指标是指观察者接收到的感知信息的精度。精度。（5 5）可扩展性。）可扩展性。（6 6）容错性。）容错性。（7 7）信道利用率。）信道利用率。6无线传感器网络的性能评价无线传感器网络的性能评价（8 8）吞吐量。）吞吐量。吞吐量是在给定的时间内，发送端成功吞吐量是在给定的时间内，发送端成功发送给接收端的数据量。发送给接收端的数据量。（9 9）公平性。）公平性。公平性反映出网络中各节点、用户、应公平性反映出网络中各节点、用户、应用、平等的共享信道的能力。用、平等的共享信道的能力。5.3.2 无线传感器网络的主要研究内容无线传感器网络的主要研究内容与应用领域与应用领域1 1主要研究内容主要研究内容（1）节点层面的主要研究内容）节点层面的主要研究内容 传感器技术传感器技术 电源技术电源技术 芯片技术芯片技术 无线通信技术无线通信技术 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 低能耗编译技术低能耗编译技术 节点的综合集成技术等。节点的综合集成技术等。低能耗低能耗MACMAC协议协议 低能耗路由技术低能耗路由技术 协同定位技术协同定位技术 时钟同步技术时钟同步技术 网络覆盖和网络规划网络覆盖和网络规划 拓扑控制技术拓扑控制技术 数据融合技术数据融合技术 移动性管理移动性管理 网络安全技术网络安全技术 网络测试和配置管理工具等。网络测试和配置管理工具等。（2）网络层面的主要研究内容）网络层面的主要研究内容2主要应用领域主要应用领域（1 1）军事应用）军事应用 WSNWSN在在军军事事方方面面的的应应用用主主要要包包括括识识别别并并跟跟踪踪兵兵力力、装装备备和和物物资资，监监视视冲冲突突区区的的状状态态，定定位位攻攻击击目目标标，评评估估战战场场损损失失，侦侦察察和和探探测测核、生物和化学攻击等。核、生物和化学攻击等。WSNWSN可可以以用用于于侦侦察察敌敌方方兵兵力力的的部部署署、兵兵力力的运动。的运动。该灵巧网络可提供实时准确的战场信息，该灵巧网络可提供实时准确的战场信息，包括通过有人和无人驾驶车辆、无人驾驶飞包括通过有人和无人驾驶车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率的机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率的数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等信息，为交战网络提供如开火、装甲车行动信息，为交战网络提供如开火、装甲车行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的高级信以及爆炸等触发传感器的真实事件的高级信息。息。在物流、仓储、资产管理等方面的应用，在物流、仓储、资产管理等方面的应用，对于加快商品的流通、保证商品质量起着重对于加快商品的流通、保证商品质量起着重要的作用，也为商品零售商带来巨大的利益。要的作用，也为商品零售商带来巨大的利益。（2）物流领域）物流领域 实现交通控制、交通诱导、紧急车辆优实现交通控制、交通诱导、紧急车辆优先、停车场信息提供、不停车收费、事故避先、停车场信息提供、不停车收费、事故避免等智能交通的特色功能。从而，可建立实免等智能交通的特色功能。从而，可建立实时、准确、全面、高效的综合交通运输管理时、准确、全面、高效的综合交通运输管理系统。系统。（3）智能交通）智能交通 主要应用包括远程健康管理、重症病人主要应用包括远程健康管理、重症病人或老龄人看护、生活支持设备、病理数据实或老龄人看护、生活支持设备、病理数据实时采集与管理、紧急救护等。时采集与管理、紧急救护等。（4）医疗保健）医疗保健WSNWSN主要用于对大型设备的监控。主要用于对大型设备的监控。（5）工业监控）工业监控 WSN WSN主要用于防不正当入侵、防盗检测、主要用于防不正当入侵、防盗检测、危险物检测以及工业上的防范控制等。危险物检测以及工业上的防范控制等。（6）安全防范）安全防范 WSNWSN可以对桥梁、楼宇、水道、电气、煤可以对桥梁、楼宇、水道、电气、煤气等基础设施进行在线监控气等基础设施进行在线监控 。（7）设施监控）设施监控 WSNWSN在生态环境领域的主要应用包括环境在生态环境领域的主要应用包括环境监测、地球观测、废弃物跟踪、能量需求的监测、地