无线多跳网络-WMN-由磊

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,无线多跳网络介绍,由磊,天津大学 电子信息工程学院,2010-3-26,Introduction to Wireless Multi-hop Networks,主要内容,研究方向和总结,无线多跳网络的应用,无线多跳网络设计的关键技术,无线多跳网络体系结构,无线多跳网络的概述,主要内容,研究方向和总结,无线多跳网络设计的应用,无线多跳网络设计的关键技术,无线多跳网络体系结构,无线多跳网络的概述,4,无线多跳网络的概念,无线单跳网络,VS.,无线多跳网络,无线单跳网络中所有源节点的数据报文只能发送给在其通信范围内的一个集中式节点（如基站），由该节点通过有线方式转发到目的节点。（,如蜂窝网络，,WiFi,无线局域网络,）,无线多跳网络中源节点的数据报文通过多个相继的无线链路，以无线多跳的方式发送到目的节点。,无线多跳网络的优势和特点（,1,）,为什么要用无线多跳网络？,功率一定，提高传输速率,传输速率一定，节省功率,简单举例,无线多跳网络的优势和特点,（,2,）,即时通信,容易部署,节省能量或带宽资源,自组织能力,容错性强，具有自愈能力,组网成本低,无线多跳网络常见类型,移动,ad hoc,网络,无线,mesh,网络,无线传感器网络,无线中继网络,1.,移动,ad hoc,网络,由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成,网络中每个移动终端自由移动,网络中所有移动终端地位相等,可以在任何时候、任何地点快速构建,不需要现有信息基础网络设施的支持,是一个多跳、临时、无中心网络,应用,特殊环境（空旷）,临时会议,/,紧急情况,科学考察,/,探险,/,军事战场,接入网络服务商比需的时间和成本,现有服务和架构的性能或者能力,用户可远离网络基础设施而保持与网络的连接,2.,无线,mesh,网络,由,mesh,路由器和,mesh,客户端组成,mesh,路由器：相对静态部署、组成无线多跳骨干网络,无线多跳骨干网络与外部网络（,Internet,）通过网关相连。,mesh,客户端：与相邻的,mesh,路由器进行无线通信,以无线多跳方式扩展传统无线移动通信网络覆盖范围、同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性,应用：,宽带家庭网络互连,社区网络互连,企业网络互连,城域网络互连,3,无线传感器网络,各个无线节点静态地随机分布在某一个区域。传感器负责收集区域内的声音、电磁或地震信号等多种信号，将它们发送到网关节点。,网关具有更大的处理能力，能进一步处理信息；并有更大的发送范围，可将信息送往某个大型网络使远程用户检测到该信息。,Sensor,数量多、分布稠密、网络拓扑经常变化、能量、计算能力和存储空间有限,应用：,军事,环境观测和预报系统,医疗护理,智能家居,建筑物状态监控,4,无线中继网络,基于中继的无线网络是由多个与特定基站关联的低成本无线中继组成，一般小规模较少。,为了便于控制和降低传输时延，基站与其控制范围内的中继采用树形路由，中继到基站最大跳数一般限制在,2-3,跳。,部署中继有两个作用：增加基站的覆盖范围和提高基站所辖小区的接入容量。,应用：未来移动通信网络性能增强,无线多跳网络的历史发展（,1,）,移动,Ad hoc,网络是其他多跳的基础。,20,世纪,70,年代，美国国防部高级研究计划局,(DARPA),启动了“战场环境中的无线分组数据网”项目，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。,1983,年和,1994,年，,DARPA,又分别于启动了抗干扰自适应网络,SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork),和全球移动信息系统,GloMo(GlobleMobile Information Systems),项目，对能够满足军事应用需要的移动通信系统进行更深入的研究。,后来，,IEEE802.11,标准委员会采用了“,Ad hoc,网络”一词来描述这种特殊的自组织无中心多跳无线网络结构，,Ad hoc,网络由此诞生。,无线,mesh,网络,由,ad hoc,网络发展而来,本世纪初期被提出，是军用转民用的典型技术,主要用于宽带无线局域网或城域网的扩展覆盖、灵活低成本组网和维护等。,无线多跳网络的历史发展（,2,）,无线传感器网络,由美国,DARPA,资助的项目（如分布式传感器）发展而来,随着无线通信的发展，在上世纪,90,年代末被提出,本世纪前十年出现了一系列的丰富的研究成果,是,物联网,的基础技术之一,美国商业周刊和,MIT,技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为,21,世纪最有影响的,21,项技术和改变世界的,10,大技术之一。,传感器网络被列为未来,3,大高科技产业一。,美国的,技术评论,将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术,商业周刊,预测的未来,4,大新技术中，无线传感器网络也列入其中等,无线多跳网络的历史发展（,3,）,标准化工作：,Ad hoc:IEEE 802.11,IETF MANET,Mesh:IEEE 802.11s,802.16-2004,、,ZigBee,、,IETF 6LoW-PAN,中继：,IEEE 802.16e-2005,主要内容,研究方向和总结,无线多跳网络设计的应用,无线多跳网络设计的关键技术,无线多跳网络体系结构,无线多跳网络的概述,网络结构,平面结构（完全分布式）,所有节点的地位平等,小规模网络，可扩展性差,层次结构（分层分布式）,网络被划分为簇（,cluster,）：每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头可形成更高一级的网络,可扩展性强，大规模组网，易于管理,节点结构,-,硬件设计,一般是嵌入式设备,嵌入式硬件（处理器、,DSP,、存储、收发器、电源等），要求功耗低,嵌入式操作系统，实时性要求高,一个无线传感器节点的结构,协议架构,-,软件设计,数据传输平面（自上而下）,保证数据正确传输,应用层、传输层、网络层、数据链路层（或媒质接入层）、物理层,管理平面：,保证网络正常运行,网络维护管理,节点管理,能量和功率管理,移动性管理,主要内容,研究方向和总结,无线多跳网络设计的应用,-,举例,无线多跳网络设计的关键技术,无线多跳网络体系结构,无线多跳网络的概述,应用：,犯罪,/,事故现场远程监控与同步指挥调度,Ad hoc,方式组网,应对突发事件,即时通信,快速部署,应用：无线城市、无线校园,取代或作为,WiFi,的补充,采用,mesh,方式组网,低成本组网和维护,可靠性强、快速部署,负载均衡,应用：智能停车场系统,采用无线传感器网络组网,每个车位下面或上面都安装一个传感器，传感器负责感知停车信息（如是否有车存在，什么时间停放或开走等）,传感器信息以多跳方式发送到汇聚节点，又汇聚节点发送到管理终端。,大大方便司机或停车场管理员,无线传感器网络应用在智能农业,研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。,传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一定的时间检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长,。,传感器要求：数量多、大范围覆盖、电池供电、长时间监控,因此，采用,无线多跳传输,、节点可以周期性睡眠。,应用：葡萄园环境监测系统,主要内容,研究方向和总结,无线多跳网络设计的应用,无线多跳网络设计的关键技术,无线多跳网络体系结构,无线多跳网络的概述,无线多跳网络设计所面临的问题,特殊的信道共享方式,动态变化网络拓扑,常规路由协议花较高代价（带宽、能源、,CPU,等）,获得的路由信息可能已经陈旧,有限的无线传输带宽,减少节点之间交换的信息量,减少控制信息带来的附加开销,节能问题,功率控制,电池供电,安全问题,无线信道更容易受到各种攻击,缺乏物理保护使得攻击可能来自内部,移动性使得节点之间的信任关系不断变化,安全策略应具有可扩展性,无线多跳网络设计的关键技术,与传统固定网络和蜂窝移动通信网相比，无线多跳网络设计面临着巨大的挑战,网络分层体系架构,物理层,MAC,层（数据链路层）,网络层,传输层,应用层,无线多跳网络的各个协议层的设计依赖于具体应用。,物理层技术,两个节点之间传输比特流的规则，如,调制方式,帧结构,编码方式,交错方式,功率级别,天线、载频、带宽,不同的物理层具有不同的频谱效率,BPSK,QPSK,QAM,OFDM+MIMO,智能天线,MAC,层技术,介质访问控制（,MAC,）协议决定无线信道在多个节点之间的的使用方式，负责在节点之间分配有限的无线通信资源。,分类：,基于竞争的,MAC,：,CSMA/CA,、,ALOHA,随机接入,MAC,协议中，如某节点有信息需要发送，它将以某种方式竞争信道使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去，所有的可达节点都能接收到该节点发送的信息，如果检测出是发给自己的则接收下来，否则丢弃。,基于协商分配的,MAC,：,TDMA,CDMA,FDMA,基于协商分配的,MAC,中，网络节点通过信息交互，根据一定的规则在无线链路之间分配信道资源（如时隙、码字或频率），所分配的资源互不干扰。,网络层的路由技术,路由技术：确定数据从源节点到目的节点的传输路径。,无线多跳网络路由分类,反应式（,reactive,）路由（又称为按需路由）,先应式（,proactive,）路由（又称为表驱动路由）,路由技术,先应式（,proactive,）路由路由协议通过不断的检测网络的拓扑和链路的变化情况动态的更新路由表，在这种路由协议中，每个节点都维护一张或多张表格，这些表格包含到达网络中其他节点的路由信息。当检测到网络的拓扑结构发生变化的时候，节点在网络中发送更新的信息，收到更新信息的节点更新自己的表格，以维护一致、准确、及时的路由信息。,特点：,所有路由都已经存在并且随时可用，路由请求的延迟低,每个节点维护到网络中所有节点的路由，路由开销高,常见的先应式路由，,OLSR,、,TBRPF,反应式（,reactive,）路由协议只在网络中的节点需要通信的时候才查找路由，在这类路由协议中，每个节点并不保存及时准确的路由信息，只有当源节点要向目标节点发送数据的时候，源节点才向网络中发起路由查找的过程，找到相应的路由之后开始发送数据。,由于按需式路由减少了维护路由表的开销，在,Ad Hoc,网络中得到了大量使用。如,DSR,、,AODV,特点：路由请求延迟高、路由开销低,其他相关技术,网络拓扑控制,网络协议,网络安全,时间同步,定位技术,数据管理,无线通信技术,嵌入式操作系统,应用层技术,主要内容,研究方向和总结,无线多跳网络设计的应用,无线多跳网络设计的关键技术,无线多跳网络体系结构,无线多跳网络的概述,可能的研究方向,无线多跳网络设计,物理层、数据链路层、网络层,组网优化,跨层优化,通过不同协议层间交互与自适应的协调，充分有效利用带宽和能量等资源，达到性能最优化。,优化理论、网络信息论,无线传感器网络,节能设计（软硬件、组网、协议等）,在网信息汇聚,多模式传感器网络设计和信息融合,WSN,与物联网,WSN,与环境智能（多媒体处理、模式识别、人机接口）,总结,概念、分类、历史发展、优势,体系架构,应用前景,关键技术,物理层、数据链路层、网络层,研究方向,课后：,IEEE 802.11 WLAN,物理层和,MAC,层技术,基于,802.11,（,WIFI,）的,mesh,网络技术,