无线移动互联网原理、技术与应用.doc

电子信息技术导论课程论文无线移动互联网原理、技术与应用 摘要：本文中系统阐述了无线移动互联网的相关知识，近年来，无线通信技术的高速发展成为固定宽带之后计算机网络技术发展的重要推动力，构架于其上的无线移动互联网代表了未来网络技术乃至信息技术的发展趋势。本文从无线互联网基础、几种主要的组网方式及无线互联网技术的综合应用等几个方面进行了论述。关键词：无线移动互联网；移动自组织网络；无线传感器网络；无线Mesh网络；无线互联网综合应用。1 引言与传统的有线网络不同，无线网络使用各种无线通信技术为各种移动设备提供必要的物理接口，实现物理层和数据链路层的功能。无线网络是计算机网络技术与无线通信技术相结合的产物。随着无线通信技术的发展，行走在路上的人们已经可以随时随地通过个人数字助理PDA、手机、笔记本电脑等移动设备发生或接收电子邮件、浏览网页，或者访问远程文件等。随着无线接入技术的进一步发展及移动操作系统和移动浏览器的开发，无线移动互联网具有越来越多的网络应用，并且越来越多的使用者逐步接受无线移动互联网。据统计，2007年年底我国手机上网用户已经达到5000多万，其中一半同时是互联网用户，另外一半则只用手机上网。与此同时，“无线城市”不仅成为耳熟能详的新名词，而且通过Wi-Fi、3G等无线网络技术组建的无线局域网、无线城域网已经走进千家万户。可以说，无线通信技术成为固定宽带之后互联网发展的重要推动力，无线移动互联网代表了未来计算机网络技术乃至未来计算机技术的发展趋势，21世纪成为无线移动互联网的时代。在无线通信中，通常使用电磁波作为信息传输的载体，而电磁波可以在空气、水乃至真空中传播，因此，无线通信与传统有线通信不同，其不需要通信传输介质。电磁波每秒振动的次数称为电磁波的频率，电磁波相邻的两个波峰之间或者相邻的两个波谷之间的距离称为波长。无线通信技术的发展经历了一个多世纪的时间。早在1901年，马可尼发明了越洋远距离无线电报通信。在20世纪20年代，美国等国家开始启用车载无线电等专用无线通信系统。1945年，射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)问世。20世纪60年代，脉冲无线电(Ultra Wideband,UWB)超宽带技术问世。1971年，美国夏威夷大学的研究人员创建了第一个基于报文传输的无线电通信网络，被称为ALOHANET，成为最早的无线局域网络。1973年，全球首个模拟移动电话系统原型建成。20世纪70年代中期至80年代中期，模拟语音系统开始支持移动性。1983年，全球第一个商用移动电话发布。20世纪80年代中期，数字无线移动通信系统开始在世界各地迅速发展。我国无线通信技术同样经历了高速发展。1987年11月18日，我国第一个TACS模拟蜂窝移动电话系统建成并投入使用。1991年，全球首个GSM网络建成，1995年，中国移动的GSM和中国联通的GSM130数字移动电话网开通。2000年5月5日，在土耳其召开的国际电信联盟2000年世界无线大会上，中国提出的第三代移动通信制式TD-SCDMA被批准为ITU的正式标准。2001年3月，3GPP正式接纳了由中国提出的TD-SCDMA第三代移动通信标准的全部技术方案，并包含在3GPP的R4版本中。2 无线移动互联网的概念与特点“无线”是指消息的发送方式和接收方式使用微波、光波、红外线等电磁波作为信息载体的数据传输方式，而非使用双绞线、同轴电缆、光纤等连接线。“移动”是指消息的发送方和接收方的位置关系随时可以改变，进而网络节点互联的拓扑结构随时可以改变。虽然“无线”和“移动”两个概念常常联系到一起，但是二者含义不同。“无线”所描述的传输介质的属性。“移动”所描述的则是网络拓扑结构的变化。表2-1具体说明了这两个概念的区别与联系。 表2-1 举例说明无线与移动的关系 无线 移动 典型应用 是 否没有布线的老式建筑物中的无线网络 否 是接入宾馆房间的ADSL网络插孔中的旅客笔记本电脑 否 否接入办公室网络有线接口中的台式计算机 是 是在行驶火车上使用个人数字助理PDA上网接收邮件 与固定结构互联网相比，无线移动互联网具有诸多特殊之处，其主要特点有：移动性、无线性、能量和资源的有限性、动态鲁棒性、多路干扰性等。基于无线移动互联网的特点及其与移动电话系统之间的差异，在无线移动互联网的设计过程中需要考虑的主要因素主要包括以下几点：总是在线支持突发流量提供无缝的移动性支持服务质量控制提供安全保障提供灵活的组网方式3 移动自组织网络20世纪80年代，美国国防部国防高级研究计划署研制了分组无线网络(Packet Radio Network,PRNET)，该网络利用ALOHA和CSMA技术进行链路控制，采用距离向量路由算法。20世纪90年代早期，随着带有无线网卡的计算机及各种便携式通信设备的广泛使用，学者在PRNET的基础上，提出了移动自组织网络。20世纪90年代末期，移动自组织网络的相关技术日臻成熟，微电子和传感器技术也得到快速发展，学者将移动自组织网络技术与传感器技术结合起来，提出无线传感器网络。21世纪之初，为了进一步提高无线移动互联网的性能，学者结合自组织网络的高速无线通信技术与互联网的固定拓扑结构，提出了无线Mesh网络。3中无线互联网技术的演进关系如图3-1所示。无线传感器网络移动自组织网络分组无线网络PRNET无线Mesh网络 图3-1 移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET),是不依赖于任何固定基础设施的移动节点的联合体，是一种自组织、无线、多跳、对等式、动态的移动网络。一个移动自组织网络是由一组移动节点组成，不需要借助基站等已建立好的基础设施进行集中控制。各个移动节点处于移动状态。移动节点通过无线传输技术与一跳邻居节点直接进行数据通信，再由该邻居节点决定如何将数据传送到下一跳，直至目的节点。也就是说，在移动自组织网络中，每个移动节点同时承担了主机和路由器的功能，在作为主机收发上层应用业务数据的同时，也作为路由器为其他主机进行数据转发。在移动自组织网络中，每个移动节点需要同时拥有通信装置和计算装置，能够参与移动自组织网络的信息传输和计算，如带有无线网卡的计算机、手机、PDA等。在移动自组织网络的数据传送中，源节点是指数据传送的起始节点，也就是形成数据的节点。目的节点是数据传送的结束节点，通常也就是数据传送的最终目标。中间节点是位于源节点和目的节点之间并参与数据传送的节点。移动自组织网络的特点包括：移动性，无线性，多路线，多跳性，节点对等性，分布性，自组织行，高动态性，能量和资源的有限性。同时移动自组织网络使用简化的OSI参考模型作为体系结构，该体系结构包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层5层。由于移动自组织网络具有节点对等性，因此各个节点都具有相同的体系结构。由于移动自组织网络的上述特点，其数据链路层，网络层，传输层存在很多问题需要研究，主要包括链路控制、信道接入、路由选择算法、无线环境下的TCP技术、服务质量保证机制以及安全保障机制6个方面。图3-2给出了移动自组织网络关键技术的主要研究内容。表驱动路由协议 链路控制按需驱动路由协议 信道接入移动自组织网络混合路由协议 路由基本路由选择算法 无线TCP基于预测路由算法服务质量保证机制面向能耗路由算法 安全 图3-2 移动自组织网络所具有的特点使其在很多特定场合通信应用中具有独特的优势。美国国防部一直是移动自组织网络的主要开发者，移动自组织网络在军事领域具有较为广泛的应用。随着技术的发展，移动自组织网络逐步走向商业领域。短短十几年的时间，移动自组织网络的应用研究已经取得了长足的进步。人们对于普适计算和物联网等新型网络的需求越来越高，希望能够随时随地进行移动计算和通信，移动自组织网络正式能够满足这种需求的重要技术。4 无线传感器网络无线传感器网络是在移动自组织网络的基础上发展起来的一种新兴的无线多跳网络，其目的是为了在某一区域获取用户感兴趣的信息。无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科的交叉领域，有着巨大的应用价值。在无线传感器网络中，能耗是非常突出的问题。从节点角度考虑，通信单元是能耗最大的一个部分，所以无线传感器网络硬件方面的挑战仍然是如何设计高可靠性，低功耗，低成本的传感器网络节点。在物理层设计方面，现在已经提出了M-ray、ACMP、UWB等技术，但其性能仍无法满足无线传感器网络的要求。无线传感器网络MAC层研究的主要目标是设计一种低能耗的分布式共享信道访问协议。现有协议主要分为竞争型、分配型和混合型3类。竞争性MAC协议实在SMAC的基本思路上发展起来的，其主要改进是设计一种合理的睡眠-工作调度方法使得节点仅在需要收发时才开启通信设备。分配型MAC协议基本上实在TDMA的基础上进行改进的，其发展方向是设计一种高效合理的时隙分配方法，是节能的基础上提高全网吞吐量。混合型MAC协议将两种MAC协议的优势结合起来，是高性能、低能耗MAC发展的趋势之一。无线传感器网络中的路由协议在加强考虑能耗问题和面向应用的同时，可以进一步细分为两大类，即平面路由协议和分层路由协议。平面路由协议中，为了节约能量，需限制路由信息洪泛的范围，通常只需在汇聚节点和感知到信息的源节点见形成传输路径即可。分层路由协议可以更好的节约能量，因为普通节点只需通过一个重要研究方向。由于无线传感器网络的应用极其广泛，在具体场合中对路由器协议都会提出不同的要求，需要根据实际情况对路由器协议进行优化。节点定位和时间同步是无线传感器网络面临的两项重要支撑技术。节点定位技术可以分为基于测距的机制和非测距的机制。前者通过测量未知节点和锚节点之间的距离或角度来计算节点位置，虽然定位精度高，但需要在节点上增加一些设备；后者通过计算多边形质心或估算未知节点与锚节点距离，从而计算节点位置，对节点硬件要求较低。时间同步技术有多种实现机制，对发送者和接受者有着不同的要求，能达到不同的同步粒度和精度，在能耗、可扩展性等方面也不尽相同。总的来说，选择何种技术与具体的应用场景和需求有着密切的关系。5 无线Mesh网络无线mesh网络，由mesh routers（路由器）和mesh clients（客户端）组成，其中mesh routers构成骨干网络，并和有线的internet网相连接，负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。 无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。传统的无线接入技术中，主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构一般都存在一个中心节点，例如移动通信系统中的基站、802.11 WLAN中的AP等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连，控制各无线终端对无线网络的访问；另一方面，中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连，提供到骨干网的连接。而在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，也可以说是一种多点到多点的网络拓扑结构。在这种无线Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻的其它网络节点以无线多跳方式相连。目前，普遍认为无线Mesh网络包含两类网络节点：Mesh路由器和Mesh客户端。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关/中继功能外，还支持Mesh网络互联的路由功能。Mesh路由器通常具有多个无线接口，这些无线接口可以基于相同的无线接入技术构建，也可以基于不同的无线接入技术。与传统的无线路由器相比，无线Mesh路由器可以通过无线多跳通信，以更低的发射功率获得同样的无线覆盖范围。Mesh终端也具有一定的Mesh网络互联和分组转发功能，但是一般不具有网关桥接功能。通常，Mesh终端只具有一个无线接口，实现复杂度远小于Mesh路由器。根据各个节点功能的不同，无线Mesh网络结构分为3类：骨干网Mesh结构（分级结构）、客户端Mesh结构（平面结构）、混合结构。无线Mesh网络结构示意如图5-1所示。 图5-1无线Mesh网是下一代无线网络的关键技术，能将不同的无线网结合起来，大大扩充了无线网应用范围，其应用环境十分广泛。相信在不久的将来，无线Mesh网络将得到广泛的应用。6 无线互联网综合应用在最近几年里，移动通信和互联网成为当今世界发展最快、市场潜力最大、前景最诱人的两大业务。它们的增长速度都是任何预测家未曾预料到的。迄今，全球移动用户已超过15亿，互联网用户也已逾7亿。中国移动通信用户总数超过3.6亿，互联网用户总数则超过1亿。这一历史上从来没有过的高速增长现象反映了随着时代与技术的进步，人类对移动性和信息的需求急剧上升。越来越多的人希望在移动的过程中高速地接入互联网，获取急需的信息，完成想做的事情。所以，现在出现的移动与互联网相结合的趋势是历史的必然。目前，移动互联网正逐渐渗透到人们生活、工作的各个领域，短信、铃图下载、移动音乐、手机游戏、视频应用、手机支付、位置服务等丰富多彩的移动互联网应用迅猛发展，正在深刻改变信息时代的社会生活，移动互联网经过几年的曲折前行，终于迎来了新的发展高潮。举以下几个典型例子说明。带有地理位置的天气预报根据用户所处的位置，这种信息可以为用户提供最新的信息，例如天气预报、多普勒雷达地图或者隐性卫星图片。把这些信息和警报结合起来，就是通知公众关羽大暴雨、龙卷风、飓风、暴风雪的强有力工具。这些信息可以按照人们的生活方式个性化，以便为人么在划船、去海滩、滑雪及打高尔夫时提供天气预报。用户有了获取任何时间和地点天气预报的能力，就可以对日常生活做出更好的决定。无线音乐无线音乐专区是中国移动提供全网客户无线音乐体验的专区，是综合彩铃下载，新歌抢听，歌迷俱乐部的专业音乐专区，这里有全国最新最炫的彩铃，最IN的音乐资讯，最宽广的音乐交流空间，为客户打造个性化的回铃音。无线音乐业务以无线音乐俱乐部为核心业务，具体包括现有的彩铃、振铃、无线音乐俱乐部、无线首发、无线音乐搜索等业务。在无线互联网发展成熟的日本，手机音乐是最为亮丽的一道风景线，通过手机上网下载音乐是电脑的50倍。3G时代，只要在手机上安装一款手机音乐软件，就能通过手机网络，随时随地让手机变身音乐魔盒，轻松收纳无数首歌曲，下载速度更快，耗费流量几乎可以忽略不计。此外，作为新催生的手机媒体，手机电子书、杂志、报纸也越来越受到年青一代的青睐。电子购物及服务移动电子商务允许用户买卖货物，允许用户使用无线设备获得服务。例如：预定飞机票、预定电影和戏剧票、送花服务以及从自动售货机上购物等。由于信息具有个性化特征，用户的个人品位和喜好给予智能的建议，从而使用户感到更快速更满意。用户付账可以通过将款额计入借方账目付账，也可以通过银行账户或信用卡付账，还可以通过电话进行付账。电话付账