移短距离无线通信-动自组网

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第五章,移动自组织和无线传感器网络,mobile ad hoc network,1,移动自组织网络,无线传感器网络,2,移动自组织网络,mobile ad hoc network,3,概述,体系结构,Ad Hoc,网络路由,服务质量和能量意识,4,一、概述,5,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,6,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,7,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,Defense Advanced Research Project Agency,8,自组织网络研究,1991,年,IEEE 802.11,首次提出“,Ad Hoc,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,Ad Hoc,：,For the specific purpose only,MANET,：,Mobile Ad-hoc Networks,ANS,：,Ad Hoc Networks Scalability,9,Ad Hoc,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,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,10,IEEE802.11b,中的,Ad-hoc,模式,11,Ad Hoc,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,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,12,Ad Hoc,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,13,Ad Hoc,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,14,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,15,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,ad hoc,网络规模相对较小,ad hoc,网络的拓扑结构比较简单,ad hoc,网络拓扑结构快速变化,16,Ad Hoc,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,Ad Hoc,网络的研究,内容主要以路由协议,为核心的网络层设计,Ad Hoc,网络中移动,终端的通信是对等的,17,移动,Ad Hoc,网络,(MANET),与移动,IP,MANET,移动,IP,18,Ad Hoc,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,RTS/CTS,，,CSMA/CA,网络路由时需考虑,19,Ad Hoc,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,Ad Hoc,网络使得服务质量保证更加困难,自动配置,20,实现,Ad Hoc,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,Ad Hoc,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,Ad Hoc,网络互联,Ad Hoc,内部节点访问,Internet,21,二、体系结构,22,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,23,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,(Cluster Head),和簇成员节点,(Cluster Member),构成,簇首节点可形成更高一级的网络,平面结构,层次结构,24,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,25,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,Ad Hoc,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,可选功能,26,Ad Hoc,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,Ad Hoc,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,27,三、,Ad Hoc,网络路由,28,Ad Hoc,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,移动,29,传统的路由协议不适用于,Ad Hoc,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,30,路由协议,Ad Hoc,路由协议,表驱动路由,先验式,(Proactive),按需路由,反应式,(Reactive),31,表驱动（,Table Driven,）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,32,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,33,Ad Hoc,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,34,四、服务质量和能量意识,35,Ad Hoc,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,36,Ad Hoc,路由中的能量意识,Ad Hoc,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,37,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。,38,一个移动自组织网络,T1,T2,MH1,MH1,MH3,MH3,MH4,MH4,39,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。,40,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。,41,移动自组织网络的应用简介,42,无线传感器网络,43,无线传感器网络,WSN-Wireless Sensor Networks,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。,44,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,46,现代感知方法,Sensing Area,Object,User,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,Sink,Internet,或,通信卫星,Sensor network,User,端,47,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,监测区域,sink -,汇聚点,sensor node -,传感器节点,sensor field -,监测区域,48,传感器网络的实体,传感器节点,功能：采集、处理、控制和通信等,网络功能：兼顾节点和路由器,资源受限：存储、计算、通信、能量,汇聚点,(Sink),节点,功能：连接传感器网络与,Internet,等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。,特点：连续供电、功能强、数量少等,49,数字世界,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,传感数据,物理世界,无线传感网络,-,连接物理世界和数字世界,50,无线传感网络在新一代网络中的角色,无线传感网络,接入网络,核心网络,51,节点的结构,传感器,应用程序,无线通信,内 存,CPU,电 源,网络中的网关,（基站）,（较强的处理、通信能力）,网络中的节点,（简单处理、短距离通信）,52,传感器节点,传感器模块：信息采集、数据转换,处理器模块：控制、数据处理、网络协议,无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据,能量供应模块：提供能量,53,工作流程示意图,代理,Sink,结点,用户,传感器结点,询问,Internet,54,工作流程示意图,传感器结点,代理,Sink,节点,用户,询问结果,Internet,55,感知能力,计算能力,通信能力,体积小,能耗小,由六部分组成,现代微型传感器,56,传感器网络的特点,大规模网络：地理区域大；部署密集,提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区,自组织网络：不确定性；拓扑结构变化,资源受限：计算、存储、通讯、能量,动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入,可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性,应用相关：没有统一的通信协议平台,以数据为中心,57,传感器节点的限制,电源能量有限,通信能力有限,计算和存储能力有限,58,传感器网络与,ad hoc,的不同,WSN,结点数量更为庞大,多数节点为静止,节点分布更为密集,能量约束,结点更容易出错,拓扑结构变化频繁,Ad hoc,几十至上百个节点,局域网,节点全移动,结构变化（移动）,能量可连续提供,点到点通信,59,Ad Hoc,网络与,Sensor,网络,Sensor,网络,可以看作是一种特殊类型的,Ad Hoc,网络,各个无线节点静态地随机分布在某一区域。传感器负责收集区域内的传感信号，将它们发到网关节点,网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息，并且具有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网络（,Internet,）并且到达最终的用户,与一般,Ad Hoc,网络相比：,节点数量多、分布稠密,节点的能量、计算、存储等资源进一步受限,60,传感器网络,战场评估,生活习性监测,地震监测,深海监控,医疗状况监控,目标跟踪和检测,小区安全监控,无线传感器网络应用,精细农业,森林火灾监控,61,大地监测,应用场景,62,环境监测,应用场景,63,应用场景,64,战场监测与指挥,应用场景,65,WSN,的应用,医疗护理,用于人体的各种生理数据，跟踪和监控医院内医生和患者的行动，医院的药物管理等。,例：一个可以成像的特殊发送器芯片与精巧设计的超低功率无线技术结合，就可以实现可用于一个胃肠道诊断的微型吞服摄像胶囊。患者吞下维,C,片大小的成像胶囊后，胶囊经过食道、胃和小肠时就可将图象广播出来。胶囊由一个摄象机、,LED,、电池、特制芯 片和天线组成。（如图）,66,WSN,的应用,67,智能家居,家电和家具中嵌入传感器节点，通过无线网络与,Internet,连在一起。为人提供人性化的家居环境。,例：某公司提供一个只有,1,立方英寸大小的自治产品。这个微型的无线视频平台包含有一节电池、无线电、摄像相机、,(,彩色成像器加镜头,),、控制器、天线和温度传感器。（如图 ）,WSN,的应用,68,建筑物状态监控,利用传感器网络监控建筑物的安全状态。,例：某公司在佛蒙特州的一座重载桥梁上安装了一套该公司研制的系统，将位移传感器安装在钢梁上用来测量静态和动态应力，并通过无线网络来采集数据。该无线系统可以保留在桥梁上用于长期监测桥梁是否处于正常受控状态 。 （如图 ）,WSN,的应用,69,70,无线传感器网络应用实例展示,智能家居,厂房设备及,环境监控,精细农业,种植,医院病房,电子巡检,71,无线传感器网络应用举例,医院病房电子巡检,72,无线传感器网络应用举例,医院病房电子巡检,在病人身上安装带有射频标签的微型无线传感器，动态感知病人信息。,73,无线传感器网络应用举例,医院病房电子巡检,病房外的医生携带,PDA,等通讯设施。,74,无线传感器网络应用举例,医院病房电子巡检,得知病人病情后，医生将,通知值勤护士或者急救人员前往病房救助。,75,无线传感器网络应用举例,精细农业种植,76,无线传感器网络应用举例,精细农业种植,农场监控中心实时监控农场信息，耕作者及时了解农场温度、光照度、土壤酸碱度等，以便对农作物的生长情况进行控制。,77,无线传感器网络应用举例,智能家居,监测节点,78,无线传感器网络应用举例,智能家居,穿戴有数据衣等感知设备的人体感知到人体状况异常时，会向房间内的节点发出信号。,79,无线传感器网络应用举例,厂房设备及环境监控,80,无线传感器网络应用举例,厂房设备及环境监控,监控人员发现厂房设备及环境有异常情况时，通知相关负责人迅速到达故障地点。,81,