现代数字通信技术无线自组织网络课件

7/7/20247/7/20241 1现代数字通信现代数字通信6/25/2013华北电力大学华北电力大学7/7/20247/7/20242 2第第1212章章 无线自组织网络无线自组织网络12.1 无线网络概述12.2 无线传输基础12.3 无线局域网12.4 无线城域网12.5 无线广域网12.6 无线个域网12.7 无线自组织网络7/7/20247/7/20243 312.1 12.1 无线网络概述无线网络概述n网络技术快速发展，人们的资源共享需求不断提高。网络技术快速发展，人们的资源共享需求不断提高。n构造无处不在的计算环境，真正实现构造无处不在的计算环境，真正实现6A：任何人：任何人(anyone)在任何时候在任何时候(anytime)、任何地点、任何地点(anywhere)可以采用任何方式可以采用任何方式(any means)与其他任与其他任何人何人(any other)进行任何通信进行任何通信(anything)。n与有线网络技术相比，无线技术能适合无处不在的计与有线网络技术相比，无线技术能适合无处不在的计算环境算环境7/7/20247/7/20244 4无线网络的兴起无线网络的兴起无线网络的兴起无线网络的兴起n无线网络最大的优点是可以让人们摆脱有线的束缚，更便捷、无线网络最大的优点是可以让人们摆脱有线的束缚，更便捷、更自由的沟通。更自由的沟通。n无线网络的历史起源可以追朔到五十年前的第二次世界大战期无线网络的历史起源可以追朔到五十年前的第二次世界大战期间。间。n1971年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络无线电通讯网络ALOHANET，可以算是相当早期的无线局域网，可以算是相当早期的无线局域网络络(WLAN)。n80年代年代GSM网络网络n3G、物联网、物联网7/7/20247/7/20245 5无线网络分类无线网络分类无线网络分类无线网络分类n从通信方式l基于基础设施的无线网络和自组织网络n从覆盖范围l无线局域网l无线个域网l无线城域网l无线广域网l无线体域网n从应用角度lGSM,CDMAl移动Ad Hoc网络l无线传感器网络l无线Mesh网络l车载自组织网络7/7/20247/7/20246 6无线网络元素无线网络元素网络基础设施无线主机无线主机r笔记本笔记本,PDA,r运行应用程序运行应用程序r可能是静态的可能是静态的(没有移动没有移动)或者移动的或者移动的m无线并不总是意味着移动无线并不总是意味着移动7/7/20247/7/20247 7无线网络元素无线网络元素网络基础设施 基站基站r典型地连接到接入路由典型地连接到接入路由器器r中继中继 负责在有线网络负责在有线网络和其区域内的无线主机转和其区域内的无线主机转发报文发报文 如如,蜂窝塔蜂窝塔 802.11 访问点访问点AP7/7/20247/7/20248 8无线网络元素无线网络元素网络基础设施 无线链路无线链路r典型地用来连接移动主典型地用来连接移动主机和基站机和基站r也用于骨干网也用于骨干网 r多重访问协议协调链路多重访问协议协调链路访问访问 r多种数据速率，传输距多种数据速率，传输距离离7/7/20247/7/20249 9几种链路协议标准的特点几种链路协议标准的特点1 Mbps5-11 Mbps54 Mbps56 Kbps2G384 Kbps3GIndoor10 30mOutdoor50 200mMid rangeoutdoor200m 4KmLong rangeoutdoor5Km 20Km7/7/20247/7/20241010无线网络的基础设施模式无线网络的基础设施模式网络基础设施 基础设施模式基础设施模式r基站连接移动主机到有基站连接移动主机到有线网络线网络r切换切换:移动主机会改变移动主机会改变连接到有线网络的基站连接到有线网络的基站7/7/20247/7/20241111无线网络的自组模式无线网络的自组模式自组模式自组模式r没有基站没有基站r节点能够传输到链路范节点能够传输到链路范围内的其他节点围内的其他节点r节点自己组织成为一个节点自己组织成为一个网络，在它们之间路由网络，在它们之间路由7/7/20247/7/2024121212.2 12.2 12.2 12.2 无线传输基础无线传输基础无线传输基础无线传输基础n同有线网络不同的是同有线网络不同的是 l衰减的信号强度衰减的信号强度:无线电信号在传输时穿过物体时会衰减（路无线电信号在传输时穿过物体时会衰减（路径损失）径损失）l来自其他源的干扰来自其他源的干扰:标准化的无线网络频率（如标准化的无线网络频率（如2.4GHz)是与是与其他设备共享的（如电话）或者受其他设备干扰（如马达）其他设备共享的（如电话）或者受其他设备干扰（如马达）l多路传播多路传播:电磁波受物体和地面反射，导致到达目的地的时间电磁波受物体和地面反射，导致到达目的地的时间有些不一样有些不一样n在无线链路的通信更加困难（即使是点对点链路）在无线链路的通信更加困难（即使是点对点链路）n两个重要的问题：隐藏终端和暴露终端两个重要的问题：隐藏终端和暴露终端7/7/20247/7/20241313隐藏终端问题隐藏终端问题隐藏终端问题隐藏终端问题 当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏终端问题(hidden station problem)A 的作用范围C 的作用范围ABCD7/7/20247/7/20241414暴露终端问题暴露终端问题暴露终端问题暴露终端问题 B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据,这就是暴露终端问题(exposed station problem)ADCB？B 的作用范围C 的作用范围7/7/20247/7/20241515信道复用技术信道复用技术信道复用技术信道复用技术共享信道n复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。n为什么多路复用？l数据速率越高传输设施的成本就越有效；l大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率；信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术7/7/20247/7/20241616n实现多路复用的关键l把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号。n分割信号的依据：信号之间的差别l信号频率上的不同频分多路复用l信号出现时间上的不同时分多路复用l信号码型结构上的不同码分多路复用7/7/20247/7/20241717频分复用频分复用频分复用频分复用 FDMFDMFDMFDM(Frequency Division Multiplexing)(Frequency Division Multiplexing)(Frequency Division Multiplexing)(Frequency Division Multiplexing)n用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。n频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 57/7/20247/7/20241818时分复用时分复用时分复用时分复用TDMTDMTDMTDM(Time Division Multiplexing)(Time Division Multiplexing)(Time Division Multiplexing)(Time Division Multiplexing)n时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。n每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。nTDM 信号也称为等时(isochronous)信号。n时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。7/7/20247/7/20241919时分复用时分复用时分复用时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧7/7/20247/7/20242020码分复用码分复用码分复用码分复用 CDMCDMCDMCDM(Code Division Multiplexing)(Code Division Multiplexing)(Code Division Multiplexing)(Code Division Multiplexing)n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。7/7/20247/7/20242121码片序列码片序列码片序列码片序列(chip sequence)(chip sequence)(chip sequence)(chip sequence)n每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。l如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。l如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。l发送比特 1 时，就发送序列 00011011，l发送比特 0 时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)7/7/20247/7/20242222CDMA CDMA CDMA CDMA 的重要特点的重要特点的重要特点的重要特点n每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。n在实用的系统中是使用伪随机码序列。7/7/20247/7/20242323码片序列的正交关系码片序列的正交关系码片序列的正交关系码片序列的正交关系 n令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。n两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：(1)7/7/20247/7/20242424码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例 n令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1)。n把向量 S 和 T 的各分量值代入(1)式就可看出这两个码片序列是正交的。7/7/20247/7/20242525n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 7/7/20247/7/20242626CDMA CDMA CDMA CDMA 的工作原理的工作原理的工作原理的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx+Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端7/7/20247/7/2024272712.3 12.3 12.3 12.3 无线局域网无线局域网无线局域网无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network)WLAN(Wireless Local Area Network)WLAN(Wireless Local Area Network)WLAN(Wireless Local Area Network)n由基本服务集（Basic Service Set，BSS）和基站（Base Station，BS）构成 n一个BSS通常包含一个或多个无线主机。而在无线局域网中，基站通常称之为接入点（Access Point，AP）nAP通常通过有线方式与网关路由器相连，并接入互联网。无线主机与AP通信，AP负责中转无线主机的数据。7/7/20247/7/20242828与接入点与接入点与接入点与接入点 AP AP AP AP 建立建立建立建立关联关联关联关联(association)(association)(association)(association)n一个无线主机若要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点建立关联。n建立关联就表示这个无线主机加入了选定的 AP 所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。n只有关联的 AP 才向这个无线主机发送数据帧，而这个无线主机也只有通过关联的 AP 才能向其他站点发送数据帧。7/7/20247/7/20242929无线主机与无线主机与无线主机与无线主机与 AP AP AP AP 建立关联的方法建立关联的方法建立关联的方法建立关联的方法n被动扫描，即无线主机等待接收接入站周期性发出的信标帧(beacon frame)。n信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等）。n主动扫描，即无线主机主动发出探测请求帧(probe request frame)，然后等待从 AP 发回的探测响应帧(probe response frame)。7/7/20247/7/20243030802.11:802.11:信道和关联信道和关联n802.11b:2.4GHz-2.485GHz 频道在不同的频率划分为频道在不同的频率划分为 11 个信道个信道lAP 选择用于选择用于 AP的频率的频率l可能的干涉可能的干涉:邻近的邻近的AP可能选择一样的信道可能选择一样的信道!n主机主机:必须和一个必须和一个 AP关联关联l扫描信道扫描信道,监听包含监听包含AP名字和名字和MAC地址的信标帧地址的信标帧l选择一个选择一个AP与之关联与之关联l可能需要认证可能需要认证l一般运行一般运行 DHCP 得到一个得到一个AP子网的子网的 IP 地址地址7/7/20247/7/20243131热点热点热点热点(hot spot)(hot spot)(hot spot)(hot spot)n现在许多地方，如办公室、机场、快餐店、旅馆、购物中心等都能够向公众提供有偿或无偿接入 Wi-Fi 的服务。这样的地点就叫做热点。n由许多热点和 AP 连接起来的区域叫做热区(hot zone)。热点也就是公众无线入网点。n现在也出现了无线因特网服务提供者 WISP(Wireless Internet Service Provider)这一名词。用户可以通过无线信道接入到 WISP，然后再经过无线信道接入到因特网。7/7/20247/7/20243232802.11 MAC802.11 MAC802.11 MAC802.11 MAC协议协议协议协议 -CSMA/CA-CSMA/CA-CSMA/CA-CSMA/CAnCSMA/CA思想是通过短的控制帧预定无线信道，一旦预定成功，则可以无碰撞的传输数据。即使预定失败，即控制帧的发送产生了碰撞，但这种短的控制帧的碰撞代价显然比长的数据帧长生碰撞要小得多。n CSMA/CA流程：7/7/20247/7/20243333802.11 MAC802.11 MAC802.11 MAC802.11 MAC协议协议协议协议-CSMA/CA-CSMA/CA-CSMA/CA-CSMA/CAn网络分配向量表明要等待多长时间才能有机会竞争信道发送数据。n网络分配向量进行虚拟化信道监听的过程:7/7/20247/7/2024353512.4 12.4 12.4 12.4 无线城域网无线城域网无线城域网无线城域网WMAN WMAN WMAN WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)(Wireless Metropolitan Area Network)(Wireless Metropolitan Area Network)(Wireless Metropolitan Area Network)n2002 年 4 月通过了 802.16 无线城域网的标准。欧洲的 ETSI 也制订类似的无线城域网标准 HiperMAN。n在许多情况下，无线城域网可用来代替现有的有线宽带接入，因此它有时又称为无线本地环路7/7/20247/7/20243636WiMAXWiMAXWiMAXWiMAXWorldwide Interoperability for Microwave AccessWorldwide Interoperability for Microwave AccessWorldwide Interoperability for Microwave AccessWorldwide Interoperability for Microwave Access nWiMAX 常用来表示无线城域网 WMAN，这与Wi-Fi 常用来表示无线局域网 WLAN 相似。nIEEE 的 802.16 工作组是无线城域网标准的制订者，而 WiMAX 论坛则是 802.16 技术的推动者。n两个正式标准l802.16d（它的正式名字是 802.16-2004），是固定宽带无线接入空中接口标准（2 66 GHz频段）。l802.16 的增强版本，即 802.16e，是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准（2 6 GHz频段），它向下兼容 802.16-2004。7/7/20247/7/20243737802.16 802.16 802.16 802.16 无线城域网服务范围的示意图无线城域网服务范围的示意图无线城域网服务范围的示意图无线城域网服务范围的示意图 ISP802.11 WLAN802.11 热点802.11 WLAN802.16802.16802.16 基站802.16因特网802.16 基站802.16802.16电信网7/7/20247/7/2024383812.5 12.5 12.5 12.5 无线广域网无线广域网无线广域网无线广域网Mobile Switching CenterPublic telephonenetwork,andInternetMobile Switching Centerq 连接发射区到广域网连接发射区到广域网q 管理呼叫建立管理呼叫建立q 处理移动处理移动MSCq 覆盖地理区域覆盖地理区域q 基站基站(BS)类似于类似于 802.11 APq 移动用户通过移动用户通过 BS连连接到网络接到网络q 空中接口空中接口:在移动用在移动用户和基站间的物理层和户和基站间的物理层和链路层协议链路层协议发射区发射区有线网络7/7/20247/7/20243939蜂窝网蜂窝网共享移动主机到基站无线频谱的两共享移动主机到基站无线频谱的两个技术个技术频带时槽r组合组合 FDMA/TDMA:将频谱将频谱划分为频率信道，把每个信划分为频率信道，把每个信道划分为时槽道划分为时槽rCDMA:码分多址码分多址7/7/20247/7/20244040蜂窝标准蜂窝标准:简单回顾简单回顾n1G系统：模拟语音n关键技术l较小的覆盖区域celll频率的重用n每个cell采取同一频率n相邻cell采用不同的频率nAMPS（Advanced Mobile Phone System）7/7/20247/7/20244141蜂窝标准蜂窝标准:简单回顾简单回顾2G系统系统:数字语音数字语音nIS-136 TDMA:组合组合 FDMA/TDMA(北美北美)nGSM(全球移动通信系统全球移动通信系统):组合组合 FDMA/TDMA l使用最广泛使用最广泛nIS-95 CDMA:码分多址码分多址IS-136GSMIS-95GPRSEDGECDMA-2000UMTSTDMA/FDMA7/7/20247/7/20244242蜂窝标准蜂窝标准:简单回顾简单回顾2.5 G 系统系统:语音为主，兼顾数据语音为主，兼顾数据l针对那些不能等待针对那些不能等待3G的用户的用户:2G扩展扩展l通用分组无线服务通用分组无线服务(GPRS)n从从 GSM改进而来改进而来 n数据在多个通道上传送数据在多个通道上传送(只要可用只要可用)l支持全球演化的增强数据速率支持全球演化的增强数据速率(EDGE)n也从也从 GSM改进而来改进而来,使用改进的调制方法使用改进的调制方法 n数据速率可达数据速率可达 384KlCDMA-2000(phase 1)n数据速率可达数据速率可达 144Kn从从 IS-95改进而来改进而来7/7/20247/7/20244343蜂窝标准蜂窝标准:简单回顾简单回顾3G systems:数字语音和数据数字语音和数据n通用移动电信通用移动电信(UMTS)lGSM 下一代下一代,但是使用但是使用 CDMAnCDMA-2000n中国的中国的3G标准标准l中移动：中移动：TD-SCDMA,2008年年4月月1日日l中电信：中电信：CDMA2000，2008年年10月月1日，天翼日，天翼l中联通：中联通：WCDMA，目前世界上应用范围最广、终端最丰，目前世界上应用范围最广、终端最丰富、专利费用最低的一种制式富、专利费用最低的一种制式 7/7/20247/7/2024444412.6 12.6 12.6 12.6 无线个域网无线个域网无线个域网无线个域网WPANWPANWPANWPAN (Wireless Personal Area Network)(Wireless Personal Area Network)(Wireless Personal Area Network)(Wireless Personal Area Network)n在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来自组网络，不需要使用接入点 AP。n整个网络的范围大约在 10 m 左右。n无线个人区域网 WPAN 和个人区域网 PAN(Personal Area Network)并不完全等同，因为 PAN 不一定都是使用无线连接的。7/7/20247/7/20244545WPAN WPAN WPAN WPAN 和和和和 WLAN WLAN WLAN WLAN 并不一样。并不一样。并不一样。并不一样。nWPAN 是以个人为中心来使用的无线人个区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。WPAN 都工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段。n但 WLAN 却是同时为许多用户服务的无线局域网，它是一个大功率、中等范围、高速率的局域网。7/7/20247/7/202446461.1.1.1.蓝牙系统蓝牙系统蓝牙系统蓝牙系统(Bluetooth)(Bluetooth)(Bluetooth)(Bluetooth)n最早使用的 WPAN 是 1994 年爱立信公司推出的蓝牙系统，其标准是 IEEE 802.15.1。n蓝牙的数据率为 720 kb/s，通信范围在 10 米左右。n蓝牙使用 TDM 方式和扩频跳频 FHSS 技术组成不用基站的皮可网(piconet)。7/7/20247/7/20244747皮可网皮可网皮可网皮可网(piconetpiconetpiconetpiconet)nPiconet 直译就是“微微网”，表示这种无线网络的覆盖面积非常小。n每一个皮可网有一个主设备(Master)和最多7个工作的从设备(Slave)。n通过共享主设备或从设备，可以把多个皮可网链接起来，形成一个范围更大的扩散网(scatternet)。n这种主从工作方式的个人区域网实现起来价格就会比较便宜。7/7/20247/7/20244848蓝牙系统中的皮可网和扩散网蓝牙系统中的皮可网和扩散网蓝牙系统中的皮可网和扩散网蓝牙系统中的皮可网和扩散网 MMSSPSSSSSP皮可网 2扩散网皮可网 1M 主设备S 从设备P 搁置的设备7/7/20247/7/202449492.2.2.2.低速低速低速低速 WPAN WPAN WPAN WPAN n低速 WPAN 主要用于工业监控组网、办公自动化与控制等领域，其速率是 2 250 kb/s。n低速 WPAN 的标准是 IEEE 802.15.4。最近新修订的标准是 IEEE 802.15.4-2006。n低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee。nZigBee 技术主要用于各种电子设备（固定的、便携的或移动的）之间的无线通信，其主要特点是通信距离短（10 80 m），传输数据速率低，并且成本低廉。7/7/20247/7/20245050ZigBee ZigBee ZigBee ZigBee 的特点的特点的特点的特点n功耗非常低。在工作时，信号的收发时间很短；而在非工作时，ZigBee 结点处于休眠状态，非常省电。对于某些工作时间和总时间之比小于 1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10 年。n网络容量大。一个 ZigBee 的网络最多包括有255 个结点，其中一个是主设备，其余则是从设备。若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过 64000 个结点。7/7/20247/7/20245151ZigBee ZigBee ZigBee ZigBee 的标准的标准的标准的标准n在 IEEE 802.15.4 标准基础上发展而来的。n所有 ZigBee 产品也是 802.15.4 产品。nIEEE 802.15.4 只是定义了 ZigBee 协议栈的最低的两层（物理层和 MAC 层），而上面的两层（网络层和应用层）是由 ZigBee 联盟定义的。7/7/20247/7/20245252ZigBee ZigBee ZigBee ZigBee 的协议栈的协议栈的协议栈的协议栈 物理层MAC 层网络层应用层IEEE 802.15.4 定义ZigBee 联盟定义ZigBee协议栈7/7/20247/7/20245353ZigBee ZigBee ZigBee ZigBee 的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合的组网方式可采用星形和网状拓扑，或两者的组合 FFDFFDFFDFFDFFDRFD端设备路由器FFDFFD协调器有一个全功能设备 FFD 充当网络的协调器。ZigBee 网络中数量最多的端设备是精简功能设备 RFD 结点。7/7/20247/7/202454543.3.3.3.高速高速高速高速 WPANWPANWPANWPANn高速 WPAN 用于在便携式多媒体装置之间传送数据，支持11 55 Mb/s的数据率，标准是 802.15.3，。nIEEE 802.15.3a 工作组还提出了更高数据率的物理层标准的超高速 WPAN，它使用超宽带 UWB 技术。nUWB 技术工作在 3.1 10.6 GHz 微波频段，有非常高的信道带宽。超宽带信号的带宽应超过信号中心频率的 25%以上，或信号的绝对带宽超过 500 MHz。n超宽带技术使用了瞬间高速脉冲，可支持 100 400 Mb/s 的数据率，可用于小范围内高速传送图像或 DVD 质量的多媒体视频文件。7/7/20247/7/20245555覆盖范围几种无线网络的比较几种无线网络的比较几种无线网络的比较几种无线网络的比较 1 Gb/s100 Mb/s10 Mb/s1 Mb/s100 kb/s10 kb/s用户数据率PAN LAN MAN WAN802.15.4ZigBee802.15.1蓝牙802.15.3超宽带802.11g,a802.11b802.162G移动通信3G移动通信4G移动通信Wi-FiWiMAX7/7/20247/7/2024565612.7 12.7 12.7 12.7 无线自组织网络无线自组织网络无线自组织网络无线自组织网络n移动自组织网络MANETn无线传感器网络n无线Mesh网络n车载自组织网络n认知网络7/7/20247/7/20245757什么是什么是什么是什么是WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Meshn无线网状网(WiFi Mesh)，是一种基于WiFi技术而发展出来的一种新型的无线城域网解决方案，由于其具有自组网,自修复,自平衡,自动扩展等特点,目前正在世界范围内尤其是欧美等发达国家掀起应用热潮。与传统无线网络完全不同，WiFi-Mesh大幅降低运营商对网络部署的成本和复杂程度。7/7/20247/7/20245858WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh典型网络典型网络典型网络典型网络7/7/20247/7/20245959WiFi-MESHWiFi-MESHWiFi-MESHWiFi-MESH技术起源技术起源技术起源技术起源l在现代化战场上，各种军事 车辆之间、士兵之间、士兵与军事车辆之间都需要保持密切的联系，以实现统一指挥，协同作战。这是一种典型的移动自组织网络.自组织网络已被认为是未来移动通信技术的核心组成部分之一，甚至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。lWiFi-Mesh的研究起源于美国军方DARPA计划中对MANET(Mobile Ad-hoc Network，移动自组织网络)的研究，应用于波斯湾和海湾战争的作战通信指挥系统。今天，在经历了多年的技术进步和商业推动之后，商用的无线网状网最终成为现实。目前，已经商用的无线网状网产品基本上都基于WiFi，称之为WiFi-MESH 7/7/20247/7/20246060WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh的三个阶段的三个阶段的三个阶段的三个阶段n第一阶段的典型代表是基于交换技术的无线网状网。采用交换技术的无线网状网产品是一个无线交换机和AP的结合，它本身没有路由功能，必须有一个根节点来进行数据交换。这一阶段的产品主要特征是适合小规模组网、连接多个热点。n第二阶段的典型代表是基于路由技术的无线网状网。具有路由功能的无线网状网真正体现了网状路由的特性。每个无线网络中的路由器不仅为覆盖区内连接的用户提供网络接入，同时作为该网络的基本设施将数据通过无线网状网络路由到目的地。但由于使用的是来自于有线网络被广泛应用的3层路由技术，并不完全适用于无线网络，无线网状网的真正潜力没有发挥出来。7/7/20247/7/20246161WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh的三个阶段的三个阶段的三个阶段的三个阶段n第三代WiFi-Mesh产品，采用多种技术，在无线性能（传输距离、移动速率、抗干扰、穿透等）方面具有大幅增强，能够适应于更多更复杂的应用场景。第三代WiFi-Mesh网络具备灵活性高和容错能力强的特点。它简化了视距通信问题并以最少量的网络基础设施和互联成本大大扩展了网络的覆盖范围。n相对于现有的有线系统，无线系统在信号质量、覆盖程度、传输距离、通讯安全、服务质量等方面遭遇了更为苛刻的挑战。如何克服这些瓶颈一直是无线网状网领域的核心问题。此外，如何与WiMAX、Zigbee等其他新技术进行融合也是当前WiFi-Mesh的重要研究课题。7/7/20247/7/20246262WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势n随着经济和文化的发展，越来越多的无线应用市场需求激发了无线技术的快速发展。无线网状网自一开始就是为“随时随地随需”的无线应用所设计，它可以动态地创建新的链接和其他节点相连，具有自组网、自管理、自动修复、自我平衡等优点。无线网状网技术不但被福布斯杂志认为是预示着无线革命下一个阶段的到来，也被IEEE评选为代表未来趋势的十大信息技术之一。因此，无线网状网已经被业内普遍认为是无线网络技术的发展方向，被公认为是未来的4G技术。7/7/20247/7/20246363无线无线无线无线MeshMeshMeshMesh技术特点技术特点技术特点技术特点(1).是一种新型无线技术，提供无线路由功能，可扩展WiFi形成无线城域网(2).单节点无线性能比WiFi有很大增强，满足构建无线城域网的要求。(3).网络拓扑成网状(4).具备多跳功能(5).网络具有自组织能力(6).网络具有自修复能力(7).网络具有自平衡能力(8).高带宽，低成本7/7/20247/7/20246464网状拓扑网状拓扑网状拓扑网状拓扑n网网状状拓拓扑扑结结构构。如下图。传统的无线网络结构如图b，属于树状结构，有父子关系，每个节点只与它直接有父子关系的节点联系，父节点故障将导致其所有子节点无法正常工作。MESH拓扑结构如图a，没有父子关系，只要在无线发射功率可及范围之内的节点都可以直接通讯，一个节点故障只会影响到与它相关的无线链路，其它链路可照常通讯。这种网络的一个显著特点就是可靠性高。但其最大挑战来自过于复杂的网络结构导致路由协议非常复杂，特别是在无线环境中，节点具有移动性，而且无线环境瞬息万变，节点发射功率也经常调整，导致网络拓扑结构变化非常频繁，路由协议必须能管理这种快速变化，使任一时刻任意两点间通讯都能找到最佳路径。ABCDEFABCDEF图a图b7/7/20247/7/20246565网络自组织功能网络自组织功能网络自组织功能网络自组织功能l网络具备自组织功能，可自动探知新增节点，并更新路由，自动调整网络参数，如相邻节点发射功率等l自组织功能带来诸多优势：减小无线规划复杂度、无需复杂配置、新增节点非常方便BACD新增FE7/7/20247/7/20246666AC网络自修复功能网络自修复功能网络自修复功能网络自修复功能l网状结构，无中心，单个节点破坏不会影响到其它节点，可进行路由自调整。l节点具备功率自调整功能，通过覆盖区域呼吸效应减小节点毁坏带来的影响。BBACACDFE7/7/20247/7/20246767网络自平衡功能网络自平衡功能网络自平衡功能网络自平衡功能l节点具有自平衡能力，能根据数据目的地和各前向路由中拥塞情况选择最佳路径发送。BACDFE路径拥塞节点拥塞7/7/20247/7/20246868分布式控制分布式控制分布式控制分布式控制n分布式控制。分布式控制。为实现节点间相互通讯，无线网状网需要众多控制功能，如认证、无线资源安排、路由发现等，这些工作在传统网络中都是通过中心控制节点完成的，但在无线网状网中没有中心控制节点，这些工作必须由各节点或节点间自行完成，设计的控制流程与传统无线网络存在很大区别。如下图所示：图b为传统网络，节点A和节点E认证工作都与中心节点F直接交互；但在图a网状网网络中，节点A认证与其相邻节点进行，如图中的B，节点E认证也与其相邻节点进行，如图中的B和D，而B和D对A和E的认证信息必须事先从节点F获得。ABCDEFABCDEF图a图b7/7/20247/7/20246969MeshMeshMeshMesh网络的结构网络的结构网络的结构网络的结构n一般而言，WiFi-Mesh网络由客户节点、Mesh 路由器节点和网关节点组成。n客户节点可以是笔记本电脑、PDA、WiFi 手机、RFID阅读器和无线传感器或控制器等；客户节点按照功能可以分为两类：一类只作为普通终端接入网络，不具有转发信息的功能；另一类既具有普通节点的接入功能，又具有路由和信息转发功能，即兼具了无线路由器的功能。Mesh 路由器可以是普通PC，也可以是专用的嵌入式系统，如ARM 等。n按照结构层次，无线Mesh 网络可以分为平面结构、多极结构和混合结构。7/7/20247/7/20247070平面结构平面结构平面结构平面结构n平面结构中所有节点都是对等的关系，每个节点都包含相同的MAC、路由、管理和安全等协议，既可以接入网络，也可以转发其他节点的消息。网内的节点能够形成任意网状的拓扑结构，节点也可以任意移动，网络的拓扑结构会动态的发生变化。在这种环境下，由于节点的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的用户终端可以借助其他终端的分组转发功能进行数据通信，而不需要借助其他基础设施。7/7/20247/7/20247171多级网络结构多级网络结构多级网络结构多级网络结构n无线Mesh 网络的典型多级结构，分为上下两层。下层的客户节点可以通过Mesh 路由器接入到上层Mesh 结构的网络中，Mesh 路由器提供路由选择和中继功能，为客户节点提供一条顺利连接到网关节点的无线链路。网关节点通过路由选择和管理控制等功能为移动终端选择与其他网络节点通信的最佳路径。这种结构的优点：可以兼容市场上已经有的设备，降低系统成本，提高了网络覆盖率和可靠性，缺点：任意两个终端节点之间不能直接通信.7/7/20247/7/20247272混合网络结构混合网络结构混合网络结构混合网络结构n在混合结构中，用户节点增加了具有转发和路由功能的Mesh 设备，之间可以实现无线互连。7/7/20247/7/20247373WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh关键技术关键技术关键技术关键技术-路由路由路由路由l路由判据路由判据 无线MESH网络中另外一个很重要的问题是路由选择问题，例如从某个节点A到达其它的节点B，可以经过不同的用户站中转，于是就存在多条路径，选择哪条路径就成为一个关键问题，这将直接影响系统的性能。而一般有线网络中的路由协议技术并不适合无线路由场景.需要综合考虑多方面的因素，当节点增加或是减少时，无线MESH网络的拓扑结构就会发生变化，路由选择问题变的更加复杂。l快速收敛快速收敛 无线网状网中拓扑高度变化。由于常规路由协议需要花费较长时间才能达到收敛，而此时拓扑结构可能在达到收敛前又发生了变化，结果导致整个网络路由始终无法处于收敛状态。在无线网状网中，路由算法必须具备快速收敛特性，使其能够感知和跟踪上节点移动造成的链路状况变化，以维护正确的动态路由。另外，由于无线带宽有限，路由协议开销不能太大，否则会严重影响网络性能l快速无缝切换快速无缝切换 结点在高速移动的情况下,需要在很短的时间内进行无线链路的切换,如果切换时间过长,会导致数据传输的中断等情况.7/7/20247/7/20247474WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh关键技术关键技术关键技术关键技术-无线无线无线无线n无线性能增强技术无线性能增强技术n无线信号存在着慢衰落和快衰落问题，如何增强传输距离、移动速率、抗干扰、穿透等无线性能是众多无线MESH厂家的研究重点。新兴的物理层无线电技术，如定向智能天线、自适应调制编码、MIMO技术以及多无线电/多信道系统已经成为下一代无线接入系统的不可或缺的关键技术。此外，为了进一步改善无线射频性能以及高层协议的控制，更先进的可重配置无线电、感知无线电、甚至软件无线电技术都已开始在无线系统中有所运用。这些高级物理层无线电技术的开发设计不仅对物理层性能起着决定性作用，而且要求进行整合物理层、MAC层和网络层进行整体设计，以便最大限度的提高整个网络性能。n另外对于WiFi-Mesh网络,由于共享信道等以及干扰等方面的原因,多跳后带宽会严重降低,这个也是需要解决的问题7/7/20247/7/20247575WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh关键技术关键技术关键技术关键技术-功率控制功率控制功率控制功率控制n功率控制与管理功率控制与管理n功率控制与管理对于无线MESH网络来说非常重要，特别是终端对节能尤为敏感。功率控制的主要好处在于：(1)采用尽可能小的发送功率或者减少不必要的功率发射能延长电池的使用期限，并且能增大网络容量；(2)降低发射功率能够减少链路冲突；(3)当系统流量负荷较高是，低发射功率将获得更小的端到端时延；而当负荷较低时，高发射功率将获得更小的时延，所以功率控制需要根据系统负荷大小确定功率的分配；(4)功率控制应该与网络层的路由技术联合进行优化设计。n无线资源管理实际上包括前面所述的功率控制，还包括容量和负载管理，以及资源分配和调度机制等。无线资源管理一方面是满足各种业务的QoS要求，另外一方面能保证珍贵的无线资源高效使用。7/7/20247/7/20247676WiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-MeshWiFi-Mesh关键技术关键技术关键技术关键技术-QoS-QoS-QoS-QoS与安全与安全与安全与安全nQoSQoS保证保证n无线MESH网络的大多数应用都是具有不同QoS要求的宽带业务。这样，除了端到端时延和公平性以外，还需要在通信协议中考虑时延抖动、聚合吞吐量、每节点吞吐量以及分组丢包率等性能评价指标。一般Mesh结点都具有转发功能,特别是网状网络的情况下,结点自身业务和转发业务发生冲突时如何保障QoS还是个问题n网络信息安全网络信息安全n无线MESH网和802.11无线局域网相比，多跳通信是一个主要的安全挑战。无线通信的广播本质使其更容易受到被动攻击（如窃听），以及主动攻击（如信息篡改，DOS攻击）。而这些安全隐患在多跳的MESH网中将被进一步放大。所以必须设计安全的路由协议以对抗针对路由协议的攻击。7/7/20247/7/20247777MESHMESHMESHMESH网络与传统的网络与传统的网络与传统的网络与传统的WLANWLANWLANWLAN无线局域网无线局域网无线局域网无线局域网InternetInternet传统的WLAN无线局域网无线MESH网络-热点覆盖-依赖有线连接-无线性能较差-数据固定路径转发-热区覆盖-无线自成网络，不依赖有线连接-无线性能大幅增强-自动适应最佳路由，网络自组织，自均衡7/7/20247/7/20247878WLANWLANWLANWLAN无线局域网（树状结构）无线局域网（树状结构）无线局域网（树状结构）无线局域网（树状结构）-独立唯一路径独立唯一路径ABInternet-容易阻塞容易阻塞-必须经过有线网络，且因容易发必须经过有线网络，且因容易发生阻塞，网络延时大生阻塞，网络延时大-所有节点必须与有线相连，部所有节点必须与有线相连，部署不方便（如采用网桥，则存署不方便（如采用网桥，则存在严重的单点故障问题）在严重的单点故障问题）7/7/20247/7/20247979MESHMESHMESHMESH无线网状网（网状结构）无线网状网（网状结构）无线网状网（网状结构）无线网状网（网状结构）-网状网络结构、存在网状网络结构、存在多条可选路径，自动寻多条可选路径，自动寻找最佳路径找最佳路径-多条路径间自动平衡多条路径间自动平衡流量，不易阻塞流量，不易阻塞-选择最短路径，延时选择最短路径，延时小小-无需所有节点落地，无需所有节点落地，网络部署方便网络部署方便-无单点故障问题，网无单点故障问题，网络具备自愈能力络具备自愈能力7/7/20247/7/20248080与与与与WLANWLANWLANWLAN无线性能对比无线性能对比无线性能对比无线性能对比无线局域网无线局域网WLAN无线无线MESH覆盖距离覆盖距离(100mw发射发射功率，全向功率，全向天线天线)室内100m，室外300m(空旷地带)室内100200m，室外300m3Km(空旷地带)移动性移动性小于50Km/h50Km/h350Km/h传输带宽传输带宽22Mbps(TCP)322Mbps(带宽损失用于底层私有协议开销)抗干扰能力抗干扰能力弱强无线网络性无线网络性能能由于节点间无协商机制，再多节点也无法形成高质量无线覆盖网络，盲区众多，切换时延大（几秒）节点间存在协商机制，可以形成高质量覆盖的无线网络，可消除盲区，切换时延小(无缝切换几秒)各厂家间无线性能存在较大差异，是无线MESH产品的核心竞争焦点7/7/20247/7/20248181MeshMeshMeshMesh与与与与 WLANWLANWLANWLAN互补关系互补关系互补关系互补关系nWiFi网络的特点是带宽较高但通信范围较小，主要用于小范围的无线通讯，被定义为无线局域网(WLAN)。n目前，WiFi网络迅速向人群聚集的地点或楼宇内发展，像咖啡店、酒店、机场候机大厅、写字楼等地为用户接入互联网的服务。相对于WiFi，无线Mesh在组网方式、传输距离以及移动性上都有很大的改进，特别是它具有兼容WiFi的特性，利用WiFi-Mesh和WLAN的特点,在组网络时,可以用WiFi-Mesh做骨干传输,同时用WLAN做接入,做到互相补充的关系7/7/20247/7/20248282与公众移动网络比较与公众移动网络比较与公众移动网络比较与公众移动网络比较2G公众网公众网(GPRS/CDMA1X)3G公众网公众网(TD-SCDMA/WCDMA/CDMA2000)3.5G公众网公众网(HSPA)无线无线MESH最大传输带最大传输带宽宽30-70Kbps128Kbps,部分重点区域384Kbps 理论值下行14.4Mbps 上行5.8Mbps20Mbps网络覆盖网络覆盖广域覆盖,目前建设很充分,无处不在广域覆盖,目前仅在奥运城市建设广域覆盖,目前无建设城域覆盖,按需建设安全安全国内未实施空口加密,安全存在重大隐患,可轻松进行空口窃听和数据拦截空口加密可靠,主要隐患来自非专网存在的安全问题空口加密可靠,主要隐患来自非专网存在的安全问题空口加密,节点认证,用户认证,专网建网成本建网成本高高高低使用费使用费中高高低7/7/20247/7/20248383无线无线无线无线MeshMeshMeshMesh与与与与3G3G3G3G的融合的融合的融合的融合n3G已经酝酿很久，而且得到各大通信公司的支持，我们国内也有TD-SCDMA专有技术，可谓众望所归。到目前为止，数字移动电话在一些基本应用上已经做得很完美，如语音通信、短消息、简单的新闻服务以及股市行情等等。下一步移动通信所要解决的就是实现移动电话之间更加直接的视频通信.n无线Mesh网络也具有移动、宽带的特性，与3G提供的业务有些相近。但是二者的定位定位有所不同。3G定位在广域网，将继续为公众移动通信服务，3G发展必须依赖大规模布网，时间会比较长。而无线Mesh是基于IP的，定位在城域网，组网灵活，可以先在小范围使用，然后逐渐发展起来，更适合于各垂直行业的专网应用。它先于3G进入市场，同时它又具有很强的兼容性，便于将来与3G兼容，解决3G末端接入的问题。在未来的通信市场，3G与Mesh的结合存在很大的可能性。7/7/20247/7/20248484与与与与WiMAXWiMAXWiMAXWiMAX比较比较比较比较固定固定WiMAX移动移动WiMAX无线无线MESH最大带宽最大带宽(物理层。物理层。20Mhz频率资源频率资源)75Mbps75Mbps54Mbps支持移动速度支持移动速度不支持移动100Km/h以下50-350Km/h(各厂家能力不同)网络覆盖网络覆盖固定点之间通讯,视距传输距离可达30-50Km，但无法形成网络城域覆盖,城市环境覆盖半径可达成3-5Km。边缘覆盖困难。城域覆盖,城市环境覆盖半径300m-1.5Km。可灵活按需建设。技术成熟度技术成熟度成熟，已规模商用预计2009年初成熟商用成熟，已规模商用建设成本建设成本高高低使用费用使用费用低低低频率资源频率资源可使用许可频段和非许可频段中国未分配公开频段，免许可7/7/20247/7/20248585无线无线无线无线Mesh Mesh Mesh Mesh 与与与与WimaxWimaxWimaxWimaxl总体来说，在占有市场空间方面，WiFi-Mesh已经先于WiMAX、3G进入市场。同时，WiFi-Mesh也可以依靠已被市场接受的WiFi终端迅速发展起来。l从技术上分析，WiFi-Mesh、固定WiMAX,在远距离大面积覆盖时候,彼此可以相互补充，WiFi-Mesh做为接入,固定WiMax做骨干传输。同时