无线自组网中的管理技术浅析

1,无线自组网中的管理技术浅析,2,目录,无线自组网的概念分类、区别及其应用领域管理技术发展趋势,3,无线自组网的起源,其前身是分组无线网(PacketRadioNetwork)1972年，美国DARPA(DefenseAdvancedResearchProjectAgency)启动了分组无线网(PRNET,PacketRadioNET)项目，研究其在战场环境下数据通信中的应用。1983年，DARPA启动了可生存自适应网络SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)，研究如何将PRNET的成果加以扩展，以适应更大规模的网络，开发自适应网络协议。1994年，DARPA启动了全球移动信息系统，旨在满足军事应用需要，可快速展开高抗毁性的移动信息系统。1997年成立的IEEE802.11标准委员会采用“AdHoc网络”一词来描绘这种特殊的对等无线移动网络。,4,无线自组网的概念,无线自组网是一种新型的网络，是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳临时性自治系统，无网络中心，可以随时随地不需要现有信息基础网络设施的支持，快速构建的一个移动通信网络。,5,自组网特点：对等连接、多跳、动态性、自动配置、移动性、无网管中心、电源能力有限,6,移动终端的特点,在自组网中，节点兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的协同应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，进行路由发现、路由维护等常见的路由操作，对接收到的不是自己的分组需要进行分组转发。,7,分类、区别及其应用领域,无线自组网的分类无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)节点多，节点随机密集分布；由于节点的移动或者节点之间的可达性发生变化，较易发生故障；网络的拓扑结构频繁发生变化；节点只有有限的计算、存储和通信能力。,8,移动AdHoc网络(MANET),9,分类、区别及其应用领域,无线自组网与其它通信系统的区别网络的自组性动态的拓扑结构有限的无线传输带宽主机能源受限安全性差的网络分布式控制网络存在单向的无线信道生存时间短,10,分类、区别及其应用领域,无线自组网的应用领域军事应用移动会议家庭联网紧急服务,11,无线自组网中的管理技术,网络管理分群算法路由技术移动管理拓扑控制能量保护,12,无线自组网中的管理技术,无线自组网中的网络管理节点终端物理配置的复杂度差异较大，不能发挥同样的作用。网络的拓扑结构频繁发生变化，网络管理服务器需要知道网络的当前拓扑情况，并周期性地收集连接性信息，需要自动对网络进行动态重新配置。终端节点运行受限，需要尽量降低对电池能量的消耗，减少节点的处理开销及协议分组传输以节省资源；一方面必须满足网络的实际业务要求，这就需要对协议性能及协议造成的开销进行平衡。,13,能量的消耗和节点的移动可能造成网络常常被分割成几个部分，在出现分割时，要求管理协议必须足够健壮意识应该情况发生。产生单向无线链路和安全性差等问题，协议应能易于适应不同环境特性对安全的不同要求。管理协议必须实现对数据的保密传输和用户的认证过程。管理协议应能满足交互操作需要，与现有相关协议兼容。信号质量动态变化，信号的衰落和干扰可能导致链路质量的周期性波动，网络的拓扑结构发生变化。但网络的物理布局没有发生变化。网络管理协议必须能区别这种情况。,14,无线自组网中的管理技术,网络管理结构的分类集中式(依赖于少量的中心控制管理站，中心控制管理站负责收集网络中所有节点的信息，并控制整个网络，要求中心节点具有很强的处理能力)分布式(多个控制管理站，每个控制管理站管理着各自的子网，控制管理站之间用点到点的方式进行通信)分层式(有若干个中间控制管理站来实现控制管理任务，每个中间站都有其管理范围，负责收集自己范围内的信息，并把信息送到上级管理站，同级管理站之间是不能通信的),15,无线自组网中的管理技术,自组网中网络管理协议ANMP(自组网管理协议)扩展的SNMP缺陷：忽略了网络中存在单向链路特性和节点的相对移动性Terminodes计划面向商业环境强调了节点的对等性、自组织性和协作性，提出了相应的网络管理解决方案：自定位算法、移动管理和虚拟货币等。CNR-战斗网无线电台管理CNR管理是军方标准MIL-STD-188-220B协议的一部分，对网络各层都有详细的规范。,16,无线自组网中的管理技术,网络管理的分群算法算法考虑了单向链路和节点的相对移动性，提高了网络管理的灵活性和可扩展性，为AdHoc网络的网络管理提出了一种新方法。群首负责管理由多个代理节点按一定的算法和规则集结成的群，并接受中心管理者的管理和控制。群首间以及代理之间也存在信息交互，中心管理者可以根据需求直接越级管理各代理节点。,17,无线自组网中的管理技术,路由技术先应式(Proactive)和反应式(Reactive)先应式路由又称表驱动(Table-driven)路由。特点:网络中各个节点无论是否有数据包发送,都需路由表的维护。具有较小的时延。在网络拓扑动态变化频繁时,路由表的维护需消耗大量的网络带宽资源和电源的能量。目的序号距离矢量算法DSV(Destination-SequencedDistance-Vectorrouting);无线路由协议算法WRP(WirelessRoutingProtocol);全局状态路由算法GSR(GlobalStateRouting),18,反应式路由又称按需(On-demand)路由。特点:路由表的更新是通过节点存储转发的数据包(头)中的信息学习得到的。节点在发送数据包时,首先从Cache中寻找路由,只有当Cache中无相关路由时才通过泛洪(Float)搜索临时路径,搜索成功后又将本次路由存储于Cache中,以备下次使用。后应式路由的数据包传输延时较大,但路由表信息交换和控制信息的开销却大大减少,可有效地减少网络带宽和节点能量的消耗。需求驱动距离矢量路由算法AODV(AdHocOn-demandDistanceVectorrouting);动态源路由协议DSR(DynamicSourceRoutingprotocol);临时需求路由算法TORA(TemporallyOrderedRoutingAlgorithm)。,19,无线自组网中的管理技术,移动管理机制也称移动跟踪或位置管理，是提供移动通信的关键技术之一，主要用于在移动环境下实时地提供节点的标识符和它的位置之间的映射。分级状态路由（HSR）骨干协议（BackboneProtocol），简称B-协议,20,无线自组网中的管理技术,拓扑控制重要性主机能量迅速耗尽增加路由计算的复杂度无线干扰，降低网络效率目标：在降低能量消耗和无线干扰的前提下，控制网络节点间的通信链路和结点的传输范围，以提高全网的生命周期和效率，,21,拓扑控制分类,22,无线自组网中的管理技术,能量保护移动节点本身由有限寿命的电池供电，为了延长节点的工作时间，要求尽量减小节点的能量消耗。能量保护策略比一般无线网络更加困难，原因：两种角色可能同时扮演；没有传统蜂窝网中的固定机站，没有WLAN中的AP,23,措施：功率管理和功率控制功率管理是指当节点处于空闲状态时，让设备进入睡眠状态已达到减少能量消耗的目的。被动的能量保护机制。,24,MAC层的功率管理策略根据监测当前是否有以本节点为目的节点的帧到来作为依据。细粒度的能量保护途径。PAMAS(PowerAwareMulti-AccessProtocol)策略：当没有数据要发送且某个邻居节点正在发送数据时，该节点关闭发射机；当一个邻居在发送，另一个邻居在接收，该节点关闭电台。关闭时间由接收到的RTS(ReturntoSender)中携带的数据长度决定。考虑到在关闭发射机期间，可能有邻居开始发送数据，所以开启发射机后要执行二进制查找式探测算法来决定是否还需关闭以及关闭多长时间。可选策略：只关闭数据信道的发射机，而保持控制信道处于激活状态，节点可以随时监听信道，及时唤醒电台。,25,基于拓扑控制的功率管理策略通过保持一个始终处于活跃状态的节点集合构成一个网络虚拟主干，通过网络虚拟主干保证网络的一般连通性，分组在通过网络虚拟主干时无延迟开销，因此在实现能量保护的同时得到了有效的数据传输。粗粒度能量保护机制。生成虚拟主干的方法：基于地理信息的“虚拟格栅”策略：将网络分为若干个格栅子区间，划分的原则是保证同一格栅内的节点在向前传送报文这一功能上是等同的，相互协调以确定由谁进入睡眠模式及睡眠的时间。分布式和随机生成的“虚拟格栅”策略：节点通过交换Hello信报决定自己是进入睡眠模式还是加入“虚拟主干”成为“协调员”。如果一个非“协调员”节点的两个邻居既不能直接通信也不能通过一个或两个“协调员”通信，自动成为“协调员”。,26,功率控制是指在通信过程中选择一个最恰当的功率电平级以减少不必要的传输能量消耗。主动能量保护机制。功率控制影响物理层的链路质量功率控制影响MAC层的带宽和空间重用度功率控制影响网络层的可选路由和转接跳数功率控制影响传输层的拥塞事件,27,基于拓扑特性的功率控制主要集中于找到一个最优的传送功率来控制整个网络或至少是网络一部分的连通性。节点级：Ramanathan00Roger01路径级：Tamer00全网络级：V.Rodoplu99MAC层的功率控制对原有的MAC协议进行适当修改多信道功率控制协议：将控制报文和广播报文在控制信道上用最大功率发送，而数据报文和ACK则在数据信道上用最小必须功率发送。Yu-CheeTseng01基于延时约束的多址接入功率控制：信道很差但允许较大延时时使用低功率；信道和延时一般时用较高功率，延时约束很高时用最高功率。S.kandukuri00,28,网络层的功率控制通过改变发射功率来动态调整网络的拓扑结构和选路，使全网的性能最优。调整频率相对较低，避免路由失效。S.Narayanaswamy的结论：路由的能耗随着功率级的降低而降低节点的吞吐量随功率级的降低而降低MAC层的冲突随着功率级的降低而降低,29,各协