第8章_無線低速網(wǎng)絡(luò)6課件

1、第8章無線低速網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提要更全面的互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)之一。無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中智能程度較低設(shè)備的特征。本章將介紹典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)。內(nèi)容回顧第7章介紹了典型的無線寬帶技術(shù)無線信道的新特點(diǎn)以及寬帶網(wǎng)絡(luò)的定義Wi-Fi/802.11的架構(gòu)，物理層，介質(zhì)訪問控制層的特點(diǎn)以及數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。WiMAX/802.16的架構(gòu)，物理層，介質(zhì)訪問控制層的特點(diǎn)和協(xié)議。本章介紹典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（藍(lán)牙/紅外/802.15.4&ZigBee），并較為詳細(xì)地討論了無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4

2、 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)為什么除了高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)還需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？本章內(nèi)容為什么需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？物聯(lián)網(wǎng)背景下連接的物體，既有智能的也有非智能的。適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中那些能力較低的節(jié)點(diǎn)低速率低通信半徑低計(jì)算能力，和低能量的要求需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中各種各樣的物體進(jìn)行操作的前提就是先將他們連接起來，低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有哪些？各有什么特點(diǎn)？本章內(nèi)容8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)WPAN (Wire

3、less Personal Area Network)是為了實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑小、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。WPAN能夠有效地解決“最后的幾米電纜”的問題，進(jìn)而將無線聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行到底。例：通過短距離的無線電，將一臺(tái)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件連接起來2022/7/258常用技術(shù)：藍(lán)牙ZigBee (IEEE802.15.4)紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)標(biāo)準(zhǔn)UWB(超寬帶無線技術(shù))HomeRFRFID(射頻識(shí)別)IEEE 802.15工作組針對(duì)無線個(gè)域網(wǎng)，以上述技術(shù)為基礎(chǔ)，開展無線個(gè)域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作2022/7/259藍(lán)牙（Bluetooth）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.

4、15.4/ZigBee藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗傳輸協(xié)議，最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發(fā)。采用的是調(diào)頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。 （使用ISM頻段）Industrial Scientific Medical 通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也支持超過20Mbps的速率。通信半徑從幾米到100米左右不等，常見為幾米左右。藍(lán)牙技術(shù)1994年: 愛立信決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口。該公司的工程師J. Haartsen博士和S. Mattisson博士發(fā)明了藍(lán)牙技術(shù)(IEE

5、E 802.15.1)2022/7/2511藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展歷程1998.5: 愛立信聯(lián)合IBM、Intel、Nokia、Toshiba一起成立藍(lán)牙特殊利益集團(tuán)SIG。3Com、朗訊、微軟、摩托羅拉等也很快加盟SIG1999.7: SIG公布了藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)1.0版1999.12: 公布1.0b版2001.4: 公布1.1版2003.11: 公布1.2版2004.8: 公布了2.0版2009.4: 公布了3.0版(藍(lán)牙核心規(guī)范3.0版 高速)2022/7/2512藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)點(diǎn) 藍(lán)牙是一種低帶寬、短距離、低功耗(對(duì)人體傷害小)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)工作在2.4GHz頻段，通信距離在10米之內(nèi)；數(shù)據(jù)速率為1Mb/

6、s現(xiàn)在幾乎一切東西都支持藍(lán)牙，從鍵盤到耳機(jī)不需任何電纜、不需更改配置、不需進(jìn)行故障診斷即可建立連接具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場合，如WAP、GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))、DECT(歐規(guī)數(shù)字無繩通信)等藍(lán)牙集成電路簡單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，易于推廣2022/7/2513 電纜替代 Ad hoc個(gè)人網(wǎng)（例如，在會(huì)議室范圍內(nèi)連接多個(gè)用戶） 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)：使藍(lán)牙設(shè)備能夠接入數(shù)據(jù)和語音骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景藍(lán)牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴(kuò)散網(wǎng) 藍(lán)牙自組織網(wǎng)絡(luò)稱為微微網(wǎng)(piconet；皮克網(wǎng))，一個(gè)微微網(wǎng)最多有8臺(tái)設(shè)備組成2022/7/2515擴(kuò)散網(wǎng)(散布式網(wǎng)絡(luò))MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng) 2皮可網(wǎng) 1M主設(shè)備S從

7、設(shè)備P擱置的設(shè)備主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和跳頻序列在一個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)，所有設(shè)備使用同一跳頻序列主/從關(guān)系 多個(gè)微微網(wǎng)之間互聯(lián)形成分散網(wǎng)(scatternet)一個(gè)微微網(wǎng)的設(shè)備也可以作為另一個(gè)微微網(wǎng)的一部分存在，并在每個(gè)微微網(wǎng)中起主設(shè)備或者從設(shè)備的角色2022/7/2516MMMMMMMM/SM藍(lán)牙和Wi-Fi區(qū)別典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目標(biāo)是為了取代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的有線設(shè)備，能夠真正的實(shí)現(xiàn)從有線到無線的轉(zhuǎn)變，他可以用來傳送各種文件，視頻，音頻，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。藍(lán)牙主要是為了替換一些個(gè)人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤等。這些設(shè)備對(duì)帶寬的要求相對(duì)

8、較少，或者說不是經(jīng)常使用，比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計(jì)算資源等等）相對(duì)較低。紅外（Infrared)典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee紅外通信技術(shù)利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)更早，是一種較早的無線通信技術(shù)。特點(diǎn)紅外通信采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請(qǐng)等優(yōu)勢缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對(duì)障礙物的衍射較差802.15.4/ZigBee典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無線通信協(xié)議ZigBee主要定義

9、了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及之上的應(yīng)用層的規(guī)范802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范802.15.4 物理層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：3個(gè)頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個(gè)信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)頻道。傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。802.15.4介質(zhì)訪問控制層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)

10、點(diǎn)使用物理層的信道802.15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測信道，退避的時(shí)間長短由具體的協(xié)議指定。CSMA/CA回顧典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeZigBee 網(wǎng)絡(luò)層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求給它的所有鄰

11、居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。距離矢量路由協(xié)議（AODV）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeAODV Unicast Route Discovery InitiationRoute Request (RREQ) broadcast floodSourceDestinationAODV Unicast Route Discovery

12、CompletionRoute Reply (RREP) propagationDestinationSourceZigBee 網(wǎng)絡(luò)層以上典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯(lián)網(wǎng)類似，在網(wǎng)絡(luò)層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務(wù)（比如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議）在傳輸協(xié)議上還需要提供各種基于不同傳輸協(xié)議的應(yīng)用（比如FTP，HTTP等等）。ZigBee與常用協(xié)議比較典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeAd hoc網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的前身是分組無線網(wǎng)(PRNET, Packet Radio Network)；

13、源于軍事通信的需要2022/7/2529世界上最早的無線電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)，將夏威夷的教育設(shè)備連接在一起(單跳、不支持路由)美國DARPA(美國國防部的技術(shù)研究部門)啟動(dòng)了分組無線網(wǎng)項(xiàng)目，將數(shù)據(jù)分組交換技術(shù)引入到無線環(huán)境中，開發(fā)軍用無線數(shù)據(jù)分組網(wǎng)絡(luò)(多跳)SURAN (Survivable Radio Network,抗毀無線網(wǎng)絡(luò))研究如何將PRNET的成果加以擴(kuò)展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，還要開發(fā)能夠適應(yīng)戰(zhàn)場快速變化環(huán)境下的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主要解決PRNET遺留的問題、網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性、安全、處理能力以及能量管理全球移動(dòng)信息系統(tǒng)(GloMo)項(xiàng)目，在已有成果的基礎(chǔ)上對(duì)能夠滿足軍事應(yīng)用需要的、可快速展開

14、、高抗毀性的移動(dòng)信息系統(tǒng)進(jìn)行全面深入的研究，并持續(xù)至今，支持無線裝置之間隨時(shí)隨地的以太網(wǎng)多媒體連接，解決移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的M3問題(移動(dòng)、多跳、多媒體)IETF成立MANET工作組，推動(dòng)商用移動(dòng)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)與研究Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 軍事領(lǐng)域: 戰(zhàn)士利用臨時(shí)建立的移動(dòng)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信也能夠應(yīng)用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機(jī)群-航母戰(zhàn)斗群移動(dòng)會(huì)議：借助無線自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式會(huì)議搶險(xiǎn)救災(zāi)：快速建立臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行及時(shí)的通信偏遠(yuǎn)野外地區(qū)：無法依賴固定或預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信時(shí)商業(yè)應(yīng)用：家庭無線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)其他：實(shí)現(xiàn)地鐵和隧道的無線覆蓋出租汽車之間的通

15、信2022/7/2530Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無中心 對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。結(jié)點(diǎn)可隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)。任何結(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性自組織 網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)或展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。結(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，結(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)多跳路由 當(dāng)結(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間結(jié)點(diǎn)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)完成的動(dòng)態(tài)拓?fù)?網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，也可隨時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)，這些都使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化2022/7/2531網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求從PC時(shí)代過渡到普適計(jì)算時(shí)代(Ubiquitous Age)提

16、供所需要的連接和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)成為一種挑戰(zhàn)問題：移動(dòng)問題不需要基礎(chǔ)設(shè)施支持的問題動(dòng)態(tài)自組織組網(wǎng)問題必須能夠快速展開的問題研究人員提出了不需要基礎(chǔ)設(shè)施支持的移動(dòng)Ad Hoc解決方案 2022/7/2532移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)：MANETMANET(Mobile Ad hoc network)：特指節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)性的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)N個(gè)筆記本電腦通過Ad hoc模式形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果筆記本不移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渚筒粫?huì)改變，路由等也就是固定的每個(gè)出租車上都配置一個(gè)無線網(wǎng)卡，全部出租車組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，則拓?fù)涫遣粩嘧兓模酚傻纫沧兊脧?fù)雜2022/7/2533移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的定義 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)由無線移動(dòng)

17、節(jié)點(diǎn)組成，不需要依靠固定的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、能夠迅速展開使用的網(wǎng)絡(luò)，所需人工干預(yù)最少，是分布式的(沒有任何中心實(shí)體)、自組織、自愈的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作、通過無線鏈路進(jìn)行通信、交換信息，實(shí)現(xiàn)信息和服務(wù)的共享網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠動(dòng)態(tài)地、隨意地、頻繁地進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)，而不需要事先示警或通知，而且不會(huì)破壞網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的通信 2022/7/2534單跳Ad Hoc通信 多跳Ad Hoc通信單跳/多跳網(wǎng)絡(luò)2022/7/2535移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議大致可分為3類：競爭協(xié)議(Contention Protocol)使用直接競爭來決定信道使用權(quán)，通過隨機(jī)重傳來解決碰撞問題在低負(fù)荷傳輸條件下運(yùn)行良好：碰撞

18、次數(shù)少、信道利用率高、分組傳輸時(shí)延小分配協(xié)議(Allocation Protocol )采用某種傳輸時(shí)間安排算法將時(shí)隙映射為節(jié)點(diǎn)中等或者繁重傳輸負(fù)荷條件下運(yùn)行良好：充分利用時(shí)隙競爭協(xié)議和分配協(xié)議的混合協(xié)議(Hybrid Protocol) 移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層2022/7/2536Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的分群為了降低節(jié)點(diǎn)成本，提供靈活、可靠的通信并提高Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，通常采用分布式控制方式控制網(wǎng)絡(luò)，如常用的分級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)被劃分為群，每個(gè)群由一個(gè)群首和多個(gè)群成員組成，這些群首組成一個(gè)高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)在高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，可以再分群，再次形成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，以此類推群首和群成員的身份可動(dòng)態(tài)變化

19、2022/7/25372022/7/2538平面結(jié)構(gòu)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)單頻分級(jí)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)群成員/節(jié)點(diǎn)群首網(wǎng)關(guān)多頻分級(jí)Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN，Wireless Mesh Network，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)等) 是一種應(yīng)用性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)順應(yīng)無處不在的Internet 接入需求演變而來基于基站的無線通信系統(tǒng)是通過“最后一英里”的無線接入，無法適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的增長蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)大大緩解了用戶業(yè)務(wù)與系統(tǒng)資源之間的矛盾。但只適用于人口稠密、有永久用戶業(yè)務(wù)需求的地區(qū)移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一直與蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)平行發(fā)展；但并沒有在民用

20、通信領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用無線局域網(wǎng)有效延伸了因特網(wǎng)的覆蓋范圍，技術(shù)上無法做到像蜂窩網(wǎng)絡(luò)一樣無處不在的信號(hào)覆蓋2022/7/2539WLAN中， 每個(gè)客戶端必須通過一條與AP關(guān)聯(lián)的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶要進(jìn)行相互通信的話，必須首先訪問一個(gè)固定的AP(單跳網(wǎng)絡(luò))無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信2022/7/2540無線Mesh網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)基站方案的無線通信系統(tǒng) 2022/7/2541對(duì)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆蓋之外的區(qū)域，用戶節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)往來業(yè)務(wù)的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍廉價(jià)和快速信號(hào)覆蓋 WMN結(jié)構(gòu)示意圖 這種結(jié)

21、構(gòu)的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而擁塞，那么數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新路由到一個(gè)通信流量較小的鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，直到到達(dá)最終目的地為止(“無線版本的Internet”)如果添加新的設(shè)備，只需簡單的接上電源就可以；它可以自動(dòng)進(jìn)行自我配置，并確定最佳的多跳路徑添加或移動(dòng)設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓⒆詣?dòng)調(diào)整通信路由，以獲得最有效的傳輸路徑2022/7/2542無線Mesh網(wǎng)絡(luò)WMN與移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)、WLAN和WBAN的關(guān)系 2022/7/2543WBAN：無線寬帶接入網(wǎng)(wireless broadband a

22、ccess network)，例如WMAN和WWAN移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)WLANWBANWMN無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分類平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2022/7/2544WMN平面結(jié)構(gòu) WMN分級(jí)結(jié)構(gòu) 2022/7/2545 WMN混合結(jié)構(gòu) 2022/7/2546WiMAX基于Mesh的無線寬帶接入結(jié)構(gòu)圖 2022/7/2547WMN接入因特網(wǎng)方案 2022/7/2548Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)近年來由於人們對(duì)於汽車的需求與使用越來越高，交通事故也成了現(xiàn)今非常重視的議題。為了讓駕駛者避免車禍?zhǔn)鹿拾l(fā)生，提升駕駛者周圍環(huán)境的交通

23、資訊是相當(dāng)重要的。附近的路邊設(shè)施附近的車輛與車輛之間隨著科技不斷的進(jìn)步，加上無線網(wǎng)路的盛行，車用行動(dòng)網(wǎng)路 (Vehicular Ad Hoc Network ，VANET)也成為現(xiàn)今廣為研究與討論的議題。50Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)VANET主要目的是提供相鄰車子間的溝通以及車子與交通設(shè)備的通訊，駕駛者能在第一時(shí)間取得與傳遞交通相關(guān)的資訊。避免連續(xù)意外事故發(fā)生VANET網(wǎng)所提供的服務(wù)附近的加油站停車位子的資訊51Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)VANET是一種Ad-hoc network 架構(gòu)不需要基地臺(tái)容易架設(shè)成本低52

24、P2PAd-hoc 架構(gòu)Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)53車與路邊設(shè)施透過基地臺(tái)選擇路徑Roadside to Vehicle CommunicationsVehicular Ad-hoc Networks(VANET)54車與車之間沒有基地臺(tái)距離有限Inter Vehicle CommunicationsVehicular Ad-hoc Networks(VANET)55前兩種綜合距離短直接交換距離長透過APHybrid Vehicular CommunicationVehicular Ad-hoc Networks(VANET)8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.

25、2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要注意哪些問題？本章內(nèi)容8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計(jì)鏈路特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性（Dynamic)非對(duì)稱性（Asymmetric）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間一個(gè)方向鏈路質(zhì)量好，另一個(gè)方向質(zhì)量非常差。空間關(guān)聯(lián)性（Spatial Correlation）：因?yàn)槲恢孟嘟墓?jié)點(diǎn)通常有相似的環(huán)境。時(shí)間關(guān)聯(lián)性（Temporal Correlation）物理層設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊，如CC2420，同時(shí)滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：節(jié)點(diǎn)功能小計(jì)算不能太復(fù)雜節(jié)點(diǎn)能量

26、少盡量減少不必要傳輸節(jié)點(diǎn)通信范圍小需要多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存小不可能保存全部路由表節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜高適應(yīng)性協(xié)議MAC層：沿用CSMA/CA8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！MAC層設(shè)計(jì)：如何降低能量消耗？無線收發(fā)器件（radio transceiver）工作時(shí)通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費(fèi)能量。低功率偵聽協(xié)議采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候關(guān)閉定時(shí)采樣獲取信道的信息MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽的問題假設(shè)采樣周期為T，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候如何保證接受者能夠收到？保持發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間長度不少于T的話，

27、接收者就能夠采樣到發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)然后接收者調(diào)整至接收狀態(tài)，正常接收數(shù)據(jù)。MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽的問題（續(xù)）仍然有問題：發(fā)送者每次發(fā)送最常需要持續(xù)一個(gè)采樣周期的時(shí)間，還是會(huì)帶來不必要的能量損耗。更好的方法：同步發(fā)送者和接收者達(dá)到更高效率調(diào)度8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路是不可靠的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功能和資源極其受限的，使得節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行很復(fù)雜的計(jì)算，測量以及維護(hù)龐大的路由表。鏈路質(zhì)量成為影響路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在其路徑選擇過程中均考慮了鏈路質(zhì)量。ETX是廣泛使用的路徑選擇指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)典型的鏈路測量方法。兩類典型的網(wǎng)絡(luò)層路由

28、協(xié)議：數(shù)據(jù)收集協(xié)議CTP數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議DripETX：路徑選擇指標(biāo)ETX： （Expected Transmission Count），傳輸成功每個(gè)包需要的總傳輸次數(shù)，一條路徑的ETX越小代表在這條路徑上引起的總傳輸次數(shù)最小。Link throughput 1/ Link ETXETX計(jì)算假設(shè)鏈路有ACKs和重傳P(TX success) = P(Data success) P(ACK success)Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / P(Data success) P(ACK success) 實(shí)際計(jì)算ETXP(Data success) measured

29、fwd delivery ratio rfwdP(ACK success) measured rev delivery ratio rrevLink ETX 1 / (rfwd rrev)路徑ETX通過把傳輸代價(jià)最小化，ETX提高了帶寬利用率，有效減少了傳感網(wǎng)能量消耗。通過測量雙向鏈路質(zhì)量，ETX能有效避免非對(duì)稱鏈路。數(shù)據(jù)收集協(xié)議：CTPCTP：（Collection Tree Protocol）是目前廣泛使用的數(shù)據(jù)收集協(xié)議之一，可在TinyOS中實(shí)現(xiàn)?；具^程：初始化階段: 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑的ETX。每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播包之后，依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的路徑ETX，動(dòng)態(tài)選擇父節(jié)點(diǎn)，

30、使得自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑ETX盡量小。經(jīng)過不斷更新，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠選擇到一條到匯聚節(jié)點(diǎn)ETX之和最小的路徑。CTP協(xié)議基本特點(diǎn)鏈路質(zhì)量：綜合多方面信息。主動(dòng)交換控制包估計(jì)+被動(dòng)偵聽數(shù)據(jù)包動(dòng)態(tài)更新考慮網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)列溢出信息以避免擁塞的節(jié)點(diǎn)控制包發(fā)送：使用Trickle算法自適應(yīng)控制發(fā)包頻率，使得網(wǎng)絡(luò)不變化，發(fā)送包數(shù)量很少；網(wǎng)絡(luò)一旦變化，迅速更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)二進(jìn)制增長發(fā)包間隔，以減少發(fā)送包的數(shù)量。發(fā)生環(huán)路等異常時(shí)縮短發(fā)包間隔至最小，使網(wǎng)絡(luò)及時(shí)恢復(fù)到正常數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議：Drip數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的作用是將數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。無線傳感網(wǎng)中廣泛使用的是Drip協(xié)議。基本工作方式：為每個(gè)

31、數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)版本號(hào)，版本號(hào)越高表示數(shù)據(jù)越新。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性廣播數(shù)據(jù)項(xiàng)的版本信息當(dāng)一個(gè)Drip節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點(diǎn)版本信息更高時(shí)，則向鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求包。收到請(qǐng)求包的節(jié)點(diǎn)廣播該數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)包。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何納入IPv6框架？本章內(nèi)容將IP協(xié)議引入無線通信網(wǎng)絡(luò)一直被認(rèn)為是不現(xiàn)實(shí)的(不是完全不可能)。迄今為止，無線網(wǎng)只采用專用協(xié)議，因?yàn)镮P協(xié)議對(duì)內(nèi)存和帶寬要求較高，要降低它的運(yùn)行環(huán)境要求以適應(yīng)微控制器及低功率無線連接很困難。基于IEEE 802.15.4實(shí)現(xiàn)IPv6通信的IETF 6LoWPAN草案標(biāo)準(zhǔn)

32、的發(fā)布有望改變這一局面。6LoWPAN所具有的低功率運(yùn)行的潛力使它很適合應(yīng)用在從手持機(jī)到儀器的設(shè)備中，而其對(duì)AES-128加密的內(nèi)置支持為強(qiáng)健的認(rèn)證和安全性打下了基礎(chǔ)。8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)IPv6已在高速互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中得到廣泛使用，正逐步移植到低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中。6LoWPAN：統(tǒng)一框架下的互聯(lián)協(xié)議，連接運(yùn)行IPv6高速互聯(lián)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)行低速協(xié)議的其他網(wǎng)絡(luò)。挑戰(zhàn)：不同傳輸能力挑戰(zhàn)不同設(shè)備標(biāo)記和識(shí)別挑戰(zhàn)不同設(shè)計(jì)目標(biāo)挑戰(zhàn)不同設(shè)備管理挑戰(zhàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)概述6LowpanIPv6 over low power WPAN是低速無線個(gè)域網(wǎng)（LR-WPAN）標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)

33、方案面向的對(duì)象：短距離、低速率、低功耗、無線通信IETF 2004.11月正式成立6Lowpan工作組，將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標(biāo)準(zhǔn)的無線個(gè)域網(wǎng)，任務(wù)是定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信的同時(shí)，遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性。消除對(duì)多種復(fù)雜網(wǎng)關(guān)（每種網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)一種本地802.15.4協(xié)議）以及專用適配器和網(wǎng)關(guān)專有安全與管理程序的需要。IEEE 802.15.4IEEE 802 15.4設(shè)備密度很大，迫切需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化不同設(shè)備制造商設(shè)備互聯(lián)和互操作性，需統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)。特點(diǎn)：低速率，對(duì)于2.4GHz、828MHz、915MHz 3

34、個(gè)頻段分別對(duì)應(yīng)250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s3種速率；低功耗，在待機(jī)模式下可使用2節(jié)5號(hào)干電池驅(qū)動(dòng)6個(gè)月以上；低成本，一般采用硬件資源非常有限的底端嵌入式設(shè)備或更小的特殊設(shè)備；短距離，節(jié)點(diǎn)信號(hào)覆蓋范圍有限，一般為10100m；低復(fù)雜度，比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)低；短幀長，最大幀長度為127字節(jié)；多拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)豐富，支持星型拓?fù)浜忘c(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)?種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其混合組網(wǎng)。6Lowpan目標(biāo)是：在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層間加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配層，完成包頭壓縮、分片、重組和路由轉(zhuǎn)發(fā)等，實(shí)現(xiàn)在IEEE 802.15.4上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包。優(yōu)勢: (1)普及性：IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的IPv

35、6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中使用IPv6更易于被接受。 (2)適用性：IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧架構(gòu)受到廣泛的認(rèn)可，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)完全可以基于此架構(gòu)進(jìn)行簡單、有效地開發(fā)。 (3)更多地址空間：滿足了部署大規(guī)模、高密度LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的需要。 (4)支持無狀態(tài)自動(dòng)地址配置：IPv6中當(dāng)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，可自動(dòng)讀取MAC地址，并根據(jù)相關(guān)規(guī)則配置好所需的IPv6地址。這對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)來說非常有吸引力，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下不可能對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)配置用戶界面，節(jié)點(diǎn)須具備自動(dòng)配置功能。 (5)易接入：LR-WPAN使用IPv6技術(shù)，更易于接入其他基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)及下一代互聯(lián)網(wǎng)，使其可以充分利用IP網(wǎng)絡(luò)

36、的技術(shù)進(jìn)行發(fā)展。 (6)易開發(fā)：目前基于IPv6的許多技術(shù)已比較成熟，并被廣泛接受，針對(duì)LR-WPAN的特性對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木喓腿∩?，簡化了協(xié)議開發(fā)的過程。 關(guān)鍵技術(shù)(1)IPv6和IEEE 802.15.4的協(xié)調(diào) IEEE802.15.4定義最大幀長度是127字節(jié)MAC頭部最大長度為25字節(jié)，剩余的MAC載荷最大長度為102字節(jié)。如果使用安全模式，不同的安全算法占用不同的字節(jié)數(shù)，比如AES-128需要21字節(jié)，AES-64需要13字節(jié)。這樣留給MAC載荷最少只有81個(gè)字節(jié)。而在IPv6中。MAC載荷最大為1280字節(jié)。IEEE 802.15.4幀不能封裝完整的IPv6數(shù)據(jù)包。因此，要協(xié)調(diào)二者之間的關(guān)系，就要在網(wǎng)絡(luò)層與M