自组织无线网络技术简介PPT课件.ppt

自组织无线网络技术 赵太飞办公室 5 623tfz 1 从蜂窝电话到ADHOC 蜂窝无线通信目前仍然是最大的效益获得者无线Internet在美国校园中最多的Internet接入是无线在其它国家和地区也在跟进 2 5G和3G技术出现Adhoc无线网络无固定基础设施 2 蜂窝移动通信 第一代模拟蜂窝移动通信 analogvoice 由Bell实验室发明 1982年首次在美国安装 第二代数字蜂窝移动通信 Digitalvoice CDMA 1993 TDMA 1996北美 GSM 1991欧洲 第三代数字蜂窝移动通信 Digitalvoice Cellular wirelessLAN Bluetooth etc Supportsmultimediaservices data voice video image 3 蜂窝移动通信系统 蜂窝移动通信系统主要是由移动台 MS 无线基站子系统 BSS 和网络交换子系统 NSS 三大部分组成 移动台 MS MobileStation 由移动终端 MS 和客户识别卡 SIM 组成 无线基站子系统 BSS BaseStationSystem 无线基站子系统是在一定的无线覆盖区中由移动交换中心 MSC 控制 与MS进行通信的系统设备 它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能 功能实体可分为基站控制器 BSC 和基站收发信台 BTS 4 图 蜂窝移动通信系统的组成 网络交换子系统 NSS NetworkSwitchSubsystem 网络交换子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理 安全性管理所需的数据库功能 蜂窝移动通信系统 5 蜂窝的概念 GeographicalseparationCapacity frequency reuseBackboneconnectivity 6 蜂窝的结构示意图 在每7个相邻的蜂窝中频率不重复使用 使蜂窝变小 能增加更多的用户 7 蜂窝通信原理 移动站 基站和移动交换中心 MSC 的基本蜂窝系统 8 无线Internet 9 无线局域网 WLAN 无线网络与有线网络并无不同 用户设备通过无线网卡 以无线 Radio 的方式连接到网络的接入点上 AccessPoint 使用网络资源 10 无线网络的组成元件 接入点 AccessPoint 相当于LAN中集线器 HUB 的功能 将信号转送到目的地 无线网卡 在用户端设备 电脑 PDA 上 与AP传输数据 相当有线网卡的作用 AccessPointWirelessUSBWirelessPCMCIA无线网卡 11 无线网络构架 两个用户端设备通信只要无线网卡就可以 不需透过AP传送 要连接到Internet就要经过AP 12 网络慢游 13 通信发展趋势 两大发展趋势无线 移动IP IP 14 随着电信市场竞争的加剧 找准和开拓新的业务增长点成了电信运营商和设备提供商在市场中掌握先机的关键 采用移动AdHoc网络技术的MESH无线区域网等业务被认为是未来的业务热点之一 甚至有人称 就象IP网络改造传统电信网络一样 移动AdHoc网络技术可能对现有移动通信网络的结构和运营模式带来划时代的影响 AdHoc自组织无线网络技术意义深远 15 AdHoc无线网络概念 一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的 临时性自创建 Self Creating 自组织 Self Organizing 自管理 Self Administering 系统 不依赖预设的基础设施而临时组建 移动终端具有路由功能 可以通过无线连接构成任意的网络拓扑 可独立工作 也可与Internet或蜂窝无线网络连接 一种新的组网技术 可以和其他许多平台结合使用 16 Overview 自组织功能 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 17 Overview 动态变化的网络拓扑 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 18 Overview 自动最佳路由选择 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 19 支持移动IP功能 Overview 无缝漫游 20 Overview 方便扩展 Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi Wi Fi 21 关键技术问题 MAC 碰撞 冲突避免 隐藏和暴露终端问题网络自组织技术 自动组网 相邻发现等 自组织路由协议的设计和开发 自动路由建立 维护和恢复等 QoS保证功率控制与管理网络的信息安全 22 这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题 hiddenstationproblem A B C D 当A和C检测不到无线信号时 都以为B是空闲的 因而都向B发送数据 结果发生碰撞 23 其实B向A发送数据并不影响C向D发送数据这就是暴露站问题 exposedstationproblem A D C B B向A发送数据 而C又想和D通信 C检测到媒体上有信号 于是就不敢向D发送数据 24 RF BBP MAC LLC NewNetworkLevel ApplicationLevel AdHocSubnet 传输Level CoreTechnology 一般需要多层次协议层协调工作 综合考虑 25 ExistingMANETprotocols MANETroutingprotocols discoverrouteson demand re active Maintainupdatedroutes pro active Sourcerouting Tabledriven Variationofdistantvector Variationsoflinkstaterouting DSR AODV ABR TORA DSDV CGSR OLSR 先应式路由 按需路由 混合式路由 Hybrid ZRP 局部先应 广域按需 其它 功率感知路由 地理位置信息路由 QoS路由 多播路由 可扩展路由 26 可以和许多技术结合 27 1 城域无线通信 无线宽带接入 小区覆盖等 2 企业局域网 展览中心 体育场 旅游区 大型仓库 港口 建筑 煤矿 石油 化工 环保 3 应急 救援通信系统4 工业自动化控制5 智能交通6 传感器监测网络7 家庭安全监测系统8 战场侦察网络 战地监测网络 信息中继9 各种远程监测 监控系统 如环保 水文 地质 资源保护 研究等 10 公安 交警 消防11 ADHOC网络的应用 28 我们的观点 参考 3G带宽依然有限 各种终端设备层出不穷 Laptops PDAs pocketPC PC Smartphone MP3 4 DigitalCamerasetc 基于IP的数据业务是主流 3G平台单独比较难完全满足数据业务高速增长的需求 一网打尽 不现实 需要其它技术协助 完善 AdHoc技术和3G等技术结合的趋势越来越明显 29 基于WLAN的无线自组织网络 IEEE802 11b g 2 4GHz IEEE802 11 5GHz 每个节点200 2000m覆盖范围64 128位WEP加密 或WAPI 可根据需要增加不同层次的加密功能 高带宽 11 54M s或更高 IEEE802 11n 面向数据业务 Dataserviceoriented 的网络支持VoWi Fi网络可靠性高组网非常方便通用性和兼容性强成本优势丰富的终端支持 30 在城域中的运用 31 与其他移动通信技术的结合 32 移动现场办案 AP和终端都可移动 网格化布警 33 现场布控 紧急通信 34 宽带无线小区接入 35 校园 医院 大型企业宽带无线专网 高带宽网络自愈功能很强无缝漫游成本低不用布线 布网方便扩展性强 36 国外应用情况 蜂窝型Wi Fi网络已经在美国一些城市部署和即将开始部署 如Michigan州的GrandHaven几年前完成了Wi Fi网络覆盖 成为了全美国第一座WiFi城市 Chaska Minnesota 密尼苏达州 也已经建成覆盖全市的蜂窝型Wi Fi网络 并投入运营 Philadelphia 费城 投资700万 1000万美圆搭建覆盖整个城市135平方英里的范围 为整个城市提供一个基于IEEE802 11b的Wi Fi宽带无线网络 为目前世界上规模最大的蜂窝型Wi Fi城域无线宽带网络 同时 美国其它一些大城市 如Madison Boston CulverCity等都在计划当中 Anaheim Portland Minneapolis ArlingtonandBrookline 2005年台北市和Nortel合作 建立了覆盖整个城市的蜂窝型Wi Fi网络 英国 BT 澳大利亚 新西兰等 37 移动adhoc网络基础知识 概述Internet路由体系Adhoc协议栈节点 网络结构Adhoc协议栈MANET路由概述路由技术面临的特殊困难路由机制的分类 38 移动adhoc网络基础知识 蜂窝移动通信网络移动终端和固定基站互相通信移动终端不具备路由功能基站负责路由和交换功能基站充当接入有线网络的网关 39 移动adhoc网络基础知识 WLAN移动节点配备无线网网卡移动节点通过接入点与固定网络连接WLAN工作在链路层 对网络层透明对网络层来说WLAN是一个单跳网络 依赖于类似基站或接入点的现有网络基础设施 40 移动互联网的需求 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所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 无网络设施可用 不想使用网络设施 延伸网络设施的范围 41 移动互联网的起源 20世纪70年代分组无线网 PRNET 战场环境下的数据通信1983年的抗毁自适应网络 SURAN 支持大规模网络自适应网络协议1994年的全球移动信息系统 GloMo 满足军事应用可快速展开高抗毁性的移动信息系统 DARPA资助 PRNET packetradionetSURAN survivableadaptivenetworkGloMo globalmobileinformationsystemsJTRS jointtacticalradiosystem 42 移动互联网的研究活动 IEEE802 11首次提出 adhoc 自组织 对等式 多跳无线移动通信网络Internet工作组IETF1997年成立MANET工作组 利用多跳无线网构造一个基于IP的移动互联网IRTF在2003成立了ANS研究组其他学术商业团体大学 军队和工业届的研究项目商业系统 FireTide MeshNetworks PacketHopNetworks SkyPilotNetwork TroposNetworks MANET mobileadhocnetworkANS AdHocNetworksScalability 43 移动adhoc网络 移动Adhoc网络 多跳无线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终端可以自由移动 地位相等是一个多跳 临时 无中心网络不需要现有信息基础网络设施的支持可以在任何时候 任何地点快速构建起来的移动通信网络 Adhoc forthespecificpurposeonly 44 移动adhoc网络的特点 具备移动通信网络和计算机网络的特点 移动通信和计算机网络相结合报文交换采用分组交换机制用户终端是配有无线收发设备的移动便携式终端作为主机要运行面向用户的应用程序作为路由器要运行相应的路由协议终端之间的路由通常通过多个中间节点的转发来完成 多跳无线网 自组织网络 无固定设施的网络 对等网络 45 移动adhoc网络的特点 续 网络拓扑动态变化用户终端随意移动节点的开机 关机无线电发送功率变化无线信道间互相干扰地形等综合因素影响 移动终端之间通过无线信道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都是不可预测的 无中心网络的自组性无控制中心每个节点地位平等节点随时加入 离开网络任何节点故障不会影响整个网络具有更强鲁棒性和抗毁性 46 移动adhoc网络特点 续 多跳组网方式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 因此大大节约电池能量的消耗 中间节点参与分组转发 能有效降低对无线传输设备的设计难度和成本 同时扩大了自组网络的覆盖范围 47 移动adhoc网络特点 续 有限的无线传输带宽无线信道能提供的网络带宽比有线信道要低很多竞争共享无线信道产生的碰撞信号衰落 噪声干扰以及信道之间干扰等移动终端的自主性自组网络的移动终端之间存在某种协同工作关系每个终端都将承担为其它终端进行分组转发的义务 48 移动adhoc网络特点 续 安全性差无线链路使adhoc网络容易受到链路层的攻击节点漫游时缺乏物理保护移动性使得节点之间的信任关系经常变化网络的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的无线信道无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响生存时间短 49 移动adhoc网络分类 Sensor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 移动Adhoc网络无线adhoc网络各个无线节点都可以自由移动 50 移动adhoc网络分类 续 Sensor网络与adhoc网络的主要差别节点数量多节点分布稠密网络拓扑经常变化节点通信主要采用广播或者组播方式节点的能量 计算能力和存储空间有限节点的标识不规范 51 移动adhoc网络与其他网络比较 与常规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 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adhoc网络规模相对较小adhoc网络的拓扑结构比较简单adhoc网络拓扑结构快速变化 52 adhoc网络与其他网络 续 与分组无线网 无线局域网 红外网络比较单跳与多跳研究重点不同通信模式不同 导致 主要研究内容是在网络的物理层和DL 移动终端的所有通信都要经过接入点进行 WLAN 红外网络都是单跳网络 不存在路由问题 Adhoc网络的研究内容主要以路由协议为核心的网络层设计 adhoc移动终端的通信是对等的 53 MANET与mobileIP 54 adhoc网络应用现状与前景 55 adhoc网络面临的问题 特殊的信道共享方式共享信道 隐藏终端 暴露终端 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 导致 RTS CTSMACAWDBTMAPAMAS 56 adhoc网络面临的问题 续 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 MTPRMBCRMMBCRCMMBCR 57 adhoc网络面临的问题 续 网络管理拓扑管理确定一种将一组节点组织成网络的机制移动性管理跟踪网络内移动节点的位置服务质量保证多跳拓扑动态变化的移动adhoc网络中服务质量保证仍然是个问题地址自动配置 58 影响adhoc网络的主要因素 无线通信技术受限于底层无线通信技术的性能 传输率 延迟 吞吐量 节点密度密度越高传输路径的跳数越多 受网络拓扑变化的影响就越明显 节点移动速度速度越高节点间的拓扑结构的稳定性越差 路由计算和交换负载越大 通信负荷和通信模式流量特性和分布将直接影响到网络的吞吐性能 59 实现adhoc网络的关键技术 路由协议服务质量功率控制安全问题Adhoc网络的互联Adhoc网络的资源管理传输层服务的性能 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的路由广播和多播 信道接入技术能耗节约机制 多个adhoc网络互联内部节点访问Internet功能 60 Internet路由体系 自治系统一组处于同一管理机构控制之下的网络和路由器一个自治系统可自由地选择其内部的路由体系结构 但必须收集其内部所有网络的信息 并责成若干个路由器把这些可达信息送给其他的自治系统 由于Internet使用核心体系结构 每个与之相连的自治系统都要把可达信息送到Internet核心路由器 不把互联网络看作多个独立的网络 而是当作一个独立的组织 所有该网点的网络处于这个组织的控制之下 61 Internet路由体系 62 自治系统内 之间的路由 63 自治系统内部路由协议 OSPF OSPF的特性基于IP采用链路状态算法公开发布各种规范包含路由服务类型提供负载均衡功能支持各种认证机制支持三种路由 主机 子网 网络 允许一个网点被划分成若干个区域允许路由器之间交换从其他网点得到的路由信息 RFC1247RFC2328 64 自治系统之间的协议 外部邻居两个交换路由信息的路由器分属两个AS 内部邻居两个交换路由信息的路由器同一个AS BGP 65 自治系统之间的协议 BGP 边界网关协议 BGP 基于TCP采用距离矢量路由算法克服了 无穷计算 问题 RFC1267RFC1268RFC1467 66 Adhoc网络体系结构 节点结构主机 面向移动用户 完成数据处理等功能 路由器 负责路由选择 转发用户数据报更能 无线收发装置 完成数据传输功能 adhoc网络的关键问题 如何发现 收集和使用拓扑信息形成合理的网络结构 67 Adhoc网络体系结构 续 网络结构平面结构 完全分布式 所有节点的地位平等层次结构 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 68 多层体系结构 使用多频的两级结构 69 多级UAV异构adhoc无线网络 70 平面结构的优缺点 优点简单所有节点能力相同健壮只要存在多条路径就能通信相对安全节点覆盖范围较小缺点路由开销大可扩充性差 网络控制路由选择流量管理 节点数目多移动性强的环境下 维持网络最新拓扑的控制开销大 71 层次结构的优缺点 优点Cluster成员功能简单路由信息局部化节点定位简单可扩展性好抗毁性好缺点Cluster头需要选择所有传输都通过头Closter头是瓶颈 减少路由协议开销 路由不一定最短 72 移动Adhoc的协议栈 73 Adhoc网络的路由概述 通信两点可能不在相互的无线传输范围内需要其他节点承担路由器的转发工作节点移动要发现新路由 多跳通信 74 Adhoc路由面临的困难 路由信息不易获得定期交换路由信息或者按需搜索路由的开销大网络资源有限 并且必须被所有节点共享节点资源 电池 CPU等 也是有限也许不可能收集齐所有的路由信息路由信息不完整由于移动和分区很难将信息分发到一个没有固定成员网络的所有节点路由信息可能过期不可能连续地或者立即地交换信息节点随时移动无线传播变化很大 75 常规路由协议是否可用 常规路由协议不是为高移动性和低带宽网络设计的DV算法存在 无穷计算 问题和慢收敛采用泛洪技术的 链路状态 协议造成额外的通信和控制开销常规路由协议周期性地路由更新消耗大量的网络带宽和节点能源当网络节点失效和网络分区时形成路由回路无线终端功率的差异以及无线信道的干扰导致单向信道的存在 76 Adhoc网络对路由协议的要求 收敛迅速提供无环路由避免无穷计算控制管理开销小对终端性能无过高要求支持单向信道尽量简单实用 路由机制必须适应网络三个不断变化的基本特征移动节点的总体密度节点到节点的拓扑网络的使用模式 77 Adhoc路由协议分类 平面路由无需建立具有特殊cluster头功能节点的层次结构 不划分区域以及所谓的区内