无线低速网络PPT

第7章无线低速网络 1 2020 4 16 KingHaraldbadethesememorialstobemadeafterGorm hisfather andThyra hismother TheHaraldwhowonthewholeofDenmarkandNorwayandturnedtheDanestoChristianity TheJellingstones 2 2020 4 16 第6章介绍了无线网络的分类及特点 并以Wi Fi和WiMAX技术为例重点介绍了无线宽带网络协议802 11和802 16数据链路层数据帧结构和MAC层协议的特点和技术 3 内容回顾 2020 4 16 7 1低速网络协议概述7 2红外线通信7 3蓝牙7 4802 15 4 ZigBee7 5体域网7 6容迟网络 4 本章内容 2020 4 16 记录和测量日常生活中的运动量 将测量的卡路里 步数 体温 血氧等数据通过蓝牙技术传送到智能手机上 用户还可以以社区的形式与好友进行分享 5 无线低速网络协议应用举例 一 智能腕带 2020 4 16 采集人体的生命体征数据 如 ECG EEG 心率 血压 体温等数据以及身体健康数据 如 测量的时间 卡路里 步数 体温等数据 要求的数据传输速率比较低 一般低于10kbps 6 无线低速网络协议应用举例 二 无线体域网 2020 4 16 应用需求牵引技术发展 长尾效应 人类20 需求是高带宽 比如视频服务等 人类还存在80 泛在需求 比如查询冰箱状态 个人生命体征监测等 需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来 低速网络协议是实现全面互联互通的前提 物联网背景下连接的物体 既有智能的也有非智能的 7 为什么需要低速网络协议 2020 4 16 低速网络协议为了适应物联网物体特征多样性低成本低带宽低功耗低通信半径低计算能力 8 为什么需要低速网络协议 2020 4 16 红外 InfraredCommunication 蓝牙 Bluetooth 通信协议IEEE802 15 4 ZigBee协议体域网 BodyAreaNetwork 协议容迟网络 Delay DisruptionTolerantNetwork 协议 9 常见无线低速网络协议 2020 4 16 10 无线短距低速网络协议简单对比 2020 4 16 7 1低速网络协议概述7 2红外线通信7 3蓝牙7 4802 15 4 ZigBee7 5体域网7 6容迟网络 11 本章内容 2020 4 16 红外通信技术利用红外线传输数据 比蓝牙技术出现更早 是一种较早的无线通信技术 特点红外通信采用的是875nm左右波长的光波通信 通信距离一般为1米左右 设备体积小 成本低 功耗低 不需要频率申请等优势缺点设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差 12 红外 Infrared 2020 4 16 1995年 红外数据协会 IrDA 就红外通信的通信标准达成一致 约有120家以上的厂商支持红外通信标准 1996年底 IrDA1 1标准颁布 红外数据通信最大传输率达4Mbps 截止到2006年 红外通信技术已经拥有每年一亿五千万套的设备安装量 并保持每年40 的高速增长 红外通信主要应用于家电遥控器 汽车防盗 游戏等领域 由于通信距离 速率和可见性等限制 红外通信慢慢的被更低频率的蓝牙和Wi Fi所取代 红外设备在通信过程中不能移动使得该技术很难用于外部设备 比如说鼠标 耳机上 13 红外通信技术的发展 2020 4 16 2008年 KDDI公司在WirelessJapan2008上演示了数据传输距离为1Gbps的红外线通信规格 Giga IR 此外 红外通信技术在手机移动支付的应用潜力也不可小觑 14 红外通信技术的发展 红外适配器 遥控器 摄像头 红外功能手机 2020 4 16 7 1低速网络协议概述7 2红外线通信7 3蓝牙7 4802 15 4 ZigBee7 5体域网7 6容迟网络 15 本章内容 2020 4 16 蓝牙 Bluetooth 名字来源于10世纪丹麦国王HaraldBlatand 英译为HaroldBluetooth 1994年 瑞典爱立信公司研发了一种基于个人操作空间 personaloperatingspace POS 的短距无线通信技术 并用Blatand国王的名字命名 16 蓝牙技术的产生 2020 4 16 蓝牙标志由Scandinavian公司设计 标志保留了它名字的传统特色 包含了古北欧字母 H 看上去非常类似一个星号和一个 B 在标志上仔细看两者都能看到 17 蓝牙技术的产生 蓝牙Logo 2020 4 16 1998年 蓝牙技术由蓝牙特别兴趣小组 BluetoothSpecialInterestGroup 成立 成员包括爱立信 IBM Intel 东芝和诺基亚等国际通信巨头 1998年3月 蓝牙技术成为IEEE802 15 1标准 蓝牙技术的物理层采用跳频扩频结合的调制技术 频段范围是2 402GHz 2 480GHz 通信速率一般能达到1Mbps左右 蓝牙设备有两种可能的角色 分别为主设备和从设备 同一个蓝牙设备可以在这两种角色之间转换 一个主蓝牙设备可以最多同时和7个从设备通信 18 蓝牙技术 2020 4 16 截止到2010年7月 蓝牙特别兴趣小组共推出六个版本V1 1 1 2 2 0 2 1 3 0 4 0 以通讯距离来在不同版本可再分为ClassA 1 ClassB 2 蓝牙的通信距离也提高到100米以上 通信速率达到24Mbps 建立连接时间长 功耗高 安全性不高 19 蓝牙技术的发展 蓝牙耳机蓝牙鼠标蓝牙键盘蓝牙游戏手柄 2020 4 16 蓝牙v4 0的出现 在功耗 安全性 连接性等方面对蓝牙技术有了巨大的提升 蓝牙技术目前的成员达到16 000家成员和每天具有蓝牙技术产品的出货量达到五百万部 蓝牙技术重获新生 蓝牙技术在运动 健身 健康和医疗领域存在着极为广阔的应用前景 20 蓝牙4 0 GoogleGlass 2020 4 16 低功耗 一颗纽扣电池可运行一年乃至数年 低延迟 最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据 适用于AppStore模式 超过99 的智能手机具备蓝牙功能 特别适合可穿戴计算应用场景 同时得到苹果iOS和谷歌android两大阵营大力推崇 21 蓝牙4 0 2020 4 16 7 1低速网络协议概述7 2红外线通信7 3蓝牙7 4802 15 4 ZigBee7 5体域网7 6容迟网络 22 本章内容 2020 4 16 ZigBee 又称为IEEE802 15 4标准 其目标是实现类似于蜂群的低功耗 低复杂度 低速率 自组织的短距无线通信网络 为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准 2001年 IEEE802 15 4工作组成立了TG4工作组 制定规范IEEE802 15 4标准 同年 ZigBee联盟成立 2004年 ZigBeeV1 0协议正式问世 2006年 推出ZigBee2006 比较完善 2007年底 ZigBeePRO推出 2009年3月 ZigBeeRF4CE推出 具备更强的灵活性和远程控制能力 2009年开始 ZigBee采用了IETF的IPv66Lowpan标准作为新一代智能电网SmartEnergy SEP2 0 的标准 23 IEEE802 15 4 ZigBee的产生与发展 2020 4 16 ZigBee是一种无线连接 可工作在2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和915MHz 美国流行 3个频段上 分别具有最高250kbit s 20kbit s和40kbit s的传输速率 它的传输距离在10 180m的范围内 室内一般不超过60米室外一般不超过180米 ZigBee具有如下特点 低功耗 ZigBee的传输速率低 发射功率仅为1mW 而且采用了休眠模式 功耗低 ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间 24 IEEE802 15 4 ZigBee特点 2020 4 16 低成本 ZigBee模块的初始成本在6美元左右 估计很快就能降到1 5 2 5美元 ZigBee协议是免专利费的 时延短 典型的搜索设备时延30ms 休眠激活的时延是15ms 活动设备信道接入的时延为15ms 适用于对时延要求苛刻的无线控制 如工业控制场合等 应用 网络容量大 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络 25 IEEE802 15 4 ZigBee特点 2020 4 16 可靠 支持冲突避免的载波多路侦听技术 carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance CSMA CA MAC层采用了完全确认的数据传输模式 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 安全 基于循环冗余校验 CRC 的数据包完整性检查 支持鉴权和认证 采用了AES 128的加密算法 各个应用可以灵活确定其安全属性 26 IEEE802 15 4 ZigBee特点 2020 4 16 IEEE802 15 4 ZigBee协议主要包括开放系统互连 OSI 五层模型的物理层 介质访问控制层 网络层 传输层 以及应用层 IEEE802 15 4主要规定了物理层和链路层的规范 ZigBee主要提供了在物理层和链路层之上的网络层 传输层和应用层规范 27 IEEE802 15 4 ZigBee体系结构 IEEE802 15 4 ZigBee体系结构 2020 4 16 频段 3个频段 均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段 包括868 0 868 6MHz 主要为欧洲采用 单信道 902 928MHz 北美采用 10个信道 支持扩展到30个信道 2 4 2 4835GHz世界范围内通用 16个信道 传输技术 最早为直接扩频 后来可采用调频 调相等多种技术 28 IEEE802 15 4物理层 2020 4 16 IEEE802 15 4因为采用直接序列扩频技术 具有一定的抗干扰效果 同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术 29 IEEE802 15 4物理层 IEEE802 15 4物理层基带框图 2020 4 16 在发射功率为0dBm的情况下 Bluetooth通常能有10m作用范围 而基于IEEE802 15 4的ZigBee在室内通常能达到30 50m作用距离 在室外如果障碍物较少 甚至可以达到100m作用距离 30 IEEE802 15 4物理层 几种无线通信技术抗干扰性能比较 2020 4 16 介质访问控制层 MAC 控制和协调节点使用物理层的信道来发送MAC层的包 这一层负责提供接口来访问物理层信道 IEEE802 15 4采用载波侦听多路访问方式 CSMA CA 与IEEE802 11 Wi Fi 类似 传输之前 先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在 若不存在说明信道空闲 将直接进入数据传输状态 若系统检测到存在载波 则在随机退避一段时间后重新检测信道 退避的时间长短由具体的协议指定 31 IEEE802 15 4介质访问控制层 2020 4 16 IEEE802 15 4还定义了两种器件 全功能器件 FFD Full FunctionDevice 和简化功能器件 RFD Reduced functionDevice 全功能器件可以作为协调者的角色控制所有关联的简化功能器件的同步 简化功能器件只能和与其关联的全功能器件互通 IEEE802 15 4 ZigBee目前支持三种网络拓扑结构 分别为星型 star 树形 tree 和网格 mesh 拓扑 IEEE802 15 4支持64位和16位的两种地址结构 64位的地址便于使IEEE802 15 4与未来的IPv6相兼容 16位主要用于子网内的地址 能够支持65536个节点 32 IEEE802 15 4介质访问控制层 2020 4 16 典型无线传感网节点各个模块能量消耗 33 MAC层设计 如何降低能量消耗 2020 4 16 无线收发模块占据大部分的能量消耗 无线收发器件 radiotransceiver 工作时通常处于三种状态 发送 侦听和空闲状态 空闲侦听 idlelistening 是指节点处于侦听状态 但是并未侦听到任何数据 从而浪费掉了能量 空闲 idle 空闲状态是指节点物理地关闭一些硬件功能 从而达到较低的能耗 如何减少空闲侦听是一个无线通信协议能够适用于传感网以及其他低功耗的网络首先需要考虑的一个重要问题 34 MAC层设计 如何降低能量消耗 2020 4 16 无线收发器件 radiotransceiver 工作时通常处于三种状态 发送 侦听 空闲状态 发送和侦听状态为工作状态 空闲状态浪费能量 低功率侦听协议 LPL lowpowerlistening 采样侦听链路层调度采样侦听无线收发模块在没有数据的时候关闭定时采样获取信道的信息 35 MAC层设计 如何降低能量消耗 2020 4 16 假设采样周期为T 发送者在发送数据的时候如何保证接收者能够收到 保持发送数据的时间长度不少于T的话 接收者就能够采样到发送者发送的数据然后接收者调整至接收状态 正常接收数据 36 MAC层设计 采样侦听的问题 2020 4 16 仍然有问题 发送者每次发送最常需要持续一个采样周期的时间 还是会带来不必要的能量损耗 更好的方法 同步发送者和接收者达到更高效率 调度 37 MAC层设计 采样侦听的问题 2020 4 16 不对称链路 asymmetriclink 两个节点之间的通信可能有一个方向的链路质量非常好 另外一个方向的质量非常差 中间链路 intermediatelink 10 链路收包率 90 空间相关性 spatialcorrelated 位置上相近的节点通常有着相同的环境 从而导致了相似的链路特征 38 MAC层设计其他挑战 链路质量问题 2020 4 16 网络层功能 路由 新节点和路径的发现 决定一个节点属于某一个子网络等 ZigBee网络层采用距离矢量路由协议 AODV 源节点广播一个路由请求给它的所有邻居邻居节点在收到消息后 再广播收到的消息给它们的邻居 如此直到消息到达目的节点 当目的节点收到路由请求消息以后 目的节点返回一个路由回复给源节点 回复不再以广播方式发送到源节点 而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径 这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了 39 ZigBee网络层 2020 4 16 40 距离矢量路由协议 AODV 2020 4 16 网络层以及上提供了向终端用户的接口与互联网类似 在网络层以上 互联网模型中需要提供不同类型的传输服务 比如TCP协议和UDP协议 在传输协议上还需要提供各种基于不同传输协议的应用 比如FTP HTTP等等 41 ZigBee网络层以上 2020 4 16 ZigBee设备对象 ZDO ZigBeeDeviceObject 主要负责定义每一个设备的功能和角色 角色有两种 一种为协调者 coordinator 另外一种是普通终端设备应用对象 applicationobject 组件 用来定义应用层服务的应用对象 每一个应用对象对应了一个不同的应用层服务 应用支持子层 是应用层的基本组件 通过把底层的服务和控制接口提供给整个应用层 把应用层以下的部分和应用层连接起来 42 ZigBee应用层组件 2020 4 16 应用层组件的关系 应用对象各种服务的实现需要通过应用支持子层提供的服务和接口 在ZDO的管理下来完成 每个节点可以有很多应用对象和ZigBee设备对象 每一个对象对应了设备或者节点上的一个标号 或称为终端号 endpoint 每一个应用对象可以相对独立的运行而不互相干扰 绑定表 bindingtable 主要是为了解决节点或者设备功能不足的问题 43 ZigBee应用层组件 2020 4 16 物理层 支持多种不同传感器节点类型如Telos Mica系列等 主要使用的频段包括2 4GHz CC2420等 和868 915MHz CC1000 等 介质访问控制层 载波侦听多路访问 CSMA 协议网络层基于最短路径的路由协议 AODV根据信号质量 RSSI 的路由协议路由和数据收集协议 CTP collectiontreeprotocol 数据分发功能 dissemination 的接口 44 TinyOS中的ZigBee协议实现 2020 4 16 45 TinyOS支持的典型硬件的部分参数 2020 4 16 7 1低速网络协议概述7 2红外线通信7 3蓝牙7 4802 15 4 ZigBee7 5体域网7 6容迟网络 46 2020 4 16 体域网 wirelessbodysensornetwork WBSN或BSN 是基于无线传感器网络 WSN 的 是人体上的或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络 它不仅是一种新的普适医疗保健 疾病监控和预防的解决方案 还是物联网 Internetofthings 的重要感知及组成部分 体域网也可称为生物医疗传感器网络 biomedicalsensornetwork 和无线体域传感网 wirelessbodyareasensornetwork WBASN或BAN 47 体域网 2020 4 16 集成硬件 软件和无线通信技术的泛在计算平台 可穿戴或可植入生物传感器 采集身体重要的生理信号 如温度 血糖 血压和心电信号等 人体活动或动作信号以及人体所在环境信息 处理这些信号信息并将它们传输到身体外部附近的本地基站 48 体域网 体域网BSN示意图 2020 4 16 2012年 IEEE802 15TG6制定的针对于短距离体域网的新标准IEEE802 15 6终于正式诞生 服务质量 QoS 合适的检错 纠错方法 保证一定的端到端时延 灵活适应各种应用需要 能量消耗 节点以极低的功率工作 以保证长使用寿命 网络拓扑 网络可以支持多跳的通信环境 数据传输速率 点对点通信时 支持最低至1kbps的医疗应用 10kbps的非疗应用 最高10Mbps 点对多点通信时 数据收集点需要支持最高1Mbps的医疗用和10Mbps的非医疗应用 其他 复杂度 移动性 射频电磁波吸收率 安全性 扩展性等 49 体域网标准 2020 4 16 规模小 可扩展 近距离 以人体为中心的网络传感器节点发射功率必须足够低 传感器节点相对位置固定 最多通过三跳路由将采集数据传送到汇聚节点 动态 混合型的网络动态性 随人体一起运动 影响无线体域网的拓扑结构的因素 身体四肢的随机移动会导致节点之间的通信中断 电能耗尽造成节点出现故障或失效 新节点的加入 数据业务多样性 以数据为中心的网络采集的各种生理信息具有多样性和相关性 多种生理数据的时间同步 50 无线体域网的特点 2020 4 16 IEEE802 15 6标准中 FCC分配给体域网的主要工作频率 400MHz 900MHz 2 4GHz和3 1 10 6GHz 402 405MHz主要分配给植入式医疗设备 其余的频率主要分配给体外传感器 体域网支持三种物理层技术 窄带 NarrowBand NB 超宽带 UltraWideBand UWB 人体通信 HumanBodyCommunications HBC 51 体域网物理层 2020 4 16 52 体域网物理层 窄带通信物理层 2020 4 16 53 体域网的网络架构 体域网络架构图 2020 4 16 体域网网络结构可以分为三个层次第1层包含一组具有检测功能的传感器节点或设备 用于数据采集 采集部分经常采用简单的星形拓扑结构 第2层由移动个人服务器 mobilepersonalsever 或BSN汇聚节点组成 负责和外部网络进行通信 并临时存储从第1层收集上来的数据 第3层包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络 提供紧急医疗救助 网络体检 医疗健康咨询 家人提醒或远程监护等服务 54 体域网的网络架构 2020 4 16 根据传感器在身体位置不同 可将其分为以下三大类 植入式传感器 体积小 重量轻 同时其功率必须非常小 不能随着时间推移而衰变 压电聚合传感器的输出和运动量成正比 55 传感器 心脏除颤器神经刺激器耳蜗植入式助听器 2020 4 16 与体液接触的可穿戴式传感器 有几类一次性传感器是附在体外使用的 但是它们是和体液相接触的 一次性血压传感器无接触可穿戴式传感器 在体液不能和传感器相接触的情况下 可将无接触可穿戴式传感器应用于医疗设备 用于研究睡眠窒息的压电 或热电 传感器用于测量体表 体内温度的NTC温度传感器 56 传感器 2020 4 16 医疗应用采集人体的一些重要的数据信息 如 ECG EEG 心率 血压 体温等数据传送到控制中心 控制中心分析这些数据 并进一步判断被监测人体的身体状况 数据传输速率比较低 一般低于10kbps 一般采用星型拓扑 日常生活领域路况导航和定位功能盲人导航系统电子支付 57 体域网应用 盲人导航系统 2020 4 16 危险场合及航空领域体育运动强度监测危险区域信息监测竞技体育和娱乐领域远程训练系统计算机辅助动画设计 58 体域网应用 运动员训练和3D虚拟角色合成 2020 4 16 7 1低速网络协议概述7 2红外线通信7 3蓝牙7 4802 15 4 ZigBee7 5体域网7 6容迟网络 59 本章内容 2020 4 16 容迟网络 DelayTolerantNetwork DTN 是指网络中端到端的路径通常很难建立 网络中消息传播具有很大延时 使得传统因特网上基于TCP IP的协议 无线AdHoc网络中面向端到端的路由协议变的失效 DTN并不侧重于构建一种新的数据链路层 而是根据网络应用的特点 抽象出的一种新的网络结构 60 容迟网络 DTN 2020 4 16 稀疏的网络连接 Sparseconnectivity 节点的移动性 Nodalmobility 延迟容忍 Delaytolerant 错误容忍 Faulttolerant 有限的存储空间 Limitedbuffer 不对称数据速率 asymmetricdatarate 61 容迟网络的特点 2020 4 16 62 容迟网络的体系结构 应用层 数据链路层 网络层 传输层 BP协议与汇聚层协议的关系与位置 2020 4 16 BP协议 定义了该层的协议数据单元束以及束的处理和记录管理过程 对束的格式 分片与重组 命名与路由 保管传输 拥塞与流量控制 可靠性与安全等方面进行了描述 TCPCLP协议 基于TCP的汇聚层协议 通过建立TCPCL连接使束在TCP网络环境中进行双向传输 TCPCL连接与TCP连接同时产生和释放并一一对应 LTP协议 作为BP协议的汇聚层协议 能在链路长时延和频繁中断的情况下提供基于重传的可靠通信 可以运行于数据链路层之上或UDP之上 Saratoga协议 一种轻量级的基于UDP的汇聚层协议