第8章無線低速網(wǎng)絡(luò)

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)8.4IPv6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)8.4IPv6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：藍(lán)牙（Bluetooth）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/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-hoppingspreadspectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。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)備對帶寬的要求相對較少，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、不需要頻率申請等優(yōu)勢缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對障礙物的衍射較差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IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要特征：實(shí)現(xiàn)20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四種不同的傳輸速率；支持星型和點(diǎn)到點(diǎn)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址；采用可選的時(shí)槽保障（GuaranteedTimeSlots，GTS）機(jī)制；采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道訪問機(jī)制；支持ACK機(jī)制以保證可靠傳輸；低功耗機(jī)制；信道能量檢測（EnergyDetection，ED）；鏈路質(zhì)量指示（Linkqualityindication，LQI）；工作在ISM頻段上，其中在2450MHz波段上有16個(gè)信道，在915MHz波段上有10個(gè)信道，在868MHz上有1個(gè)信道；數(shù)據(jù)安全策略。IEEE802.15.4設(shè)備類型兩種不同類型的設(shè)備:全功能設(shè)備(fullfunctiondevice,FFD)精簡功能設(shè)備(reducedfunctiondevice,RFD)FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過一個(gè)FFD設(shè)備（RFD的協(xié)調(diào)器coordinator）向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)FullFunctionDevice(FFD)ReducedFunctionDevice(RFD)CommunicationsFlowNetworkcoordinatorMaster/slaveNetworkcoordinator星狀網(wǎng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CommunicationsFlowFullFunctionDevice(FFD)PeertoPeerTree網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浠旌贤負(fù)銫lusteredstars-forexample,clusternodesexistbetweenroomsofahotelandeachroomhasastarnetworkforcontrol.FullFunctionDevice(FFD)ReducedFunctionDevice(RFD)CommunicationsFlowIEEE802.15.4物理層激活和休眠射頻收發(fā)器；信道能量檢測(energydetect)；檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(linkqualityindication,LQI)；空閑信道評估(clearchannelassessement,CCA)；收發(fā)數(shù)據(jù)868MHz/915MHzPHY2.4GHz868.3MHzChannel0Channels1-10Channels11-262.4835GHz928MHz902MHz5MHz2MHz2.4GHzPHYIEEE802.15.4物理層的載波頻段3個(gè)載波頻段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)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。ZigBee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)路由請求給它的所有鄰居鄰居節(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)?；貜?fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請求數(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/ZigBeeZigBee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/ZigBee8.1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)8.4IPv6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)動態(tài)性（Dynamic)非對稱性（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?？臻g關(guān)聯(lián)性（SpatialCorrelation）：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（TemporalCorrelation）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（radiotransceiver）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，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：

（ExpectedTransmissionCount），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。Linkthroughput

1/LinkETXETX計(jì)算假設(shè)鏈路有ACKs和重傳P(TXsuccess)=P(Datasuccess)P(ACKsuccess)LinkETX=1/P(TXsuccess)=1/[P(Datasuccess)P(ACKsuccess)]實(shí)際計(jì)算ETXP(Datasuccess)measuredfwddeliveryratiorfwdP(ACKsuccess)measuredrevdeliveryratiorrevLinkETX1/(rfwdrrev)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能有效避免非對稱鏈路。數(shù)據(jù)收集協(xié)議：CTPCTP：（CollectionTreeProtocol）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)。基本過程：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，動態(tài)選擇父節(jié)點(diǎn)，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。主動交換控制包估計(jì)+被動偵聽數(shù)據(jù)包動態(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?；竟ぷ鞣绞剑簽槊總€(gè)數(shù)