ns-2在无线网络技术中的应用.ppt

第8章NS-2在无线网络技术中的运用,8.1无线城域网Wimax,IEEE802无线标准系列,IEEE802标准委员会已发布或正在制定的无线标准系列有：802.11x,802.15x,802.16x,802.20 x,无线城域网概述IEEE802.16(WiMax)标准IEEE802.16(WiMax)工作场景WiMax与WiFi技术比较WiMax的应用实例无线城域网的仿真,无线城域网概述,WMAN是以无线方式构建的城域网并提供面向互联网的高速连接，它是在无线局域网的基础上产生的，由多个WLAN连接而成。WMAN是为了满足日益增长的宽带无线接入的市场需求，用于解决最后一公里接入问题，代替电缆(Cable)、数字用户线(xDSL)、光纤等。WMAN能有效解决有线方式无法覆盖地区的宽带接入问题，有较完备的QoS机制，可根据业务需要提供实时、非实时不同速率要求的数据传输服务,无线城域网的宽带接入,WMAN标准的开发主要有两大组织机构：IEEE的802.16工作组，主要负责802.16系列标准；欧洲的ETSI，主要负责HiperAccess；,IEEE802.16(WiMax)标准,IEEE802.16简介1999年，IEEE802.16工作组成立；2002年发布的802.16-2001标准定义了WMAN的空中接口规范；802.16a标准于2003年颁布，支持211GHz的工作频段；2004年的802.16d标准详细规定了211GHz频段的支持多业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相应物理层；,2005年802.16e标准发布，在26GHz频段上支持移动宽带接入，提供了高速数据的移动宽带无线接入解决方案；2010年802.16m被ITU确定为4G的技术标准；,IEEE802.16系列标准的技术领域,IEEE802.16的工作特性及关键技术无线工作特性,IEEE802.16几个主要标准的特点,信道编码技术支持的信道编码类型包括：咬尾卷积编码归零卷积编码低密度奇偶校验码链路自适应技术自适应调制编码混合自动重传,多天线技术支持MIMO和自适应天线阵两种不同的多天线实现方式,IEEE802.16协议体系结构IEEE802.16标准描述了一个点到多点的宽带无线接入系统的空中接口，包括MAC层和物理层,IEEE802.16空中接口协议模型,IEEE802.16(WiMax)工作场景,WiMax系统组成WiMax发射塔WiMax接收机,WiMax发射塔,WiMax接收机,WiMax可提供的无线服务：非视距服务视距型服务WiMax应用场景WiMax论坛定义的应用场景固定、游牧、便携、移动和全移动,802.16各版本标准的应用场景,802.16d提供固定和游牧的业务，802.16e除了提供前两种业务外，还提供便携、简单移动和全移动业务。,典型应用模式（1）PMP应用模式,PMP应用模式以基站（BS）为核心，采用点到多点的连接方式，构建星形结构的WiMAX接入网络。基站（BS）扮演业务接入点（SAP，ServiceAccessPoint）的角色，通过动态带宽分配技术，基站（BS）可以根据覆盖区用户的情况，灵活选用定向天线、全向天线以及多扇区技术满足大量的用户站（SS，SubscriberStation）设备接入核心网的需求。必要时，可以通过中继站（RS，RepeatStation）扩大无线覆盖范围。还可以根据用户群数量的变化，灵活划分信道带宽，对网络扩容，实现效益与成本的协调。,PMP应用模式是一种常用的接入网应用形式，其特点在于网络结构简洁，应用模式与xDSL等线缆接入形式相似，因此，是一种线缆替代的理想选用方案。,典型应用模式（2）Mesh应用模式,Mesh应用模式采用多个基站（BS）以网状网方式扩大无线覆盖区。其中，有一个基站作为业务接入点（SAP）与核心网相连，其余基站（BS）以无线链路与该SAP相连。因此，作为SAP的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点，而其余基站并非简单的中继站（RS）功能，而是业务的接入点。,Mesh应用模式的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。对于市郊等远离骨干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆盖区大小等因素。,典型应用模式（3）热点回传,热点回传（backhaul）模式采用WiMAX无线接入网络把远端WiFi热点Hotspot业务回送到核心网，WiMAX基站（BS）的作用仍为业务接入点（SAP），而WiMAX用户站（SS）是热点侧的无线接入设备，提供标准接口与热点相连，作为WLAN接入点（AP，AccessPoint）的热点设备再通过IEEE802.11a/b/g无线链路与无线终端连接。WiMAX接入网络可根据实际情况灵活采用PMP或Mesh结构形式。对于移动运营商也可以采用该应用模式，把各小区移动基站业务回传到移动交换中心。,WiMAX热点回传模式的主要特点在于作为业务回传应用，采用无线传输方式与传统有线回传模式相比，其特点显而易见，可作为传统回传模式的补充或替代方案。,典型应用模式（4）驻地网接入模式,驻地网接入模式主要针对集团用户，其目标是把诸如企业、校园和SOHO（SmallofficeHomeOffice）等用户驻地网通过WiMAX接入城域网。与其他应用模式相同，基站（BS）还是作为SAP与核心网相连提供无线接入服务。在用户侧，用户无线接入设备SS，其一侧通过无线接口上联基站（BS），另一侧通过标准接口（例如以太网接口、E1等）与用户驻地网CPN设备相连。一般用户站（SS）采用定向天线，以及各种自适应技术，灵活调整工作方式，保证用户的正常接入。,用户侧驻地网CPN设备可以是用户路由器、交换机、集线器等网络设备，甚至可以是另一种无线接入点（例如WiFi热点），用于组成用户专用局域网，其典型实例是目前广泛存在的校园网、企业网、政府网或SOHO等形式。驻地网接入模式特别适合于线缆接入不方便，对接入带宽要求不高的驻地间接入应用。与线缆接入方式相比，部署快捷是该模式的竞争优势。,典型应用模式（5）无线桥接模式,采用WiMAX无线桥接方式，可以避免困难的专线铺设或缴纳昂贵的线缆租金，并能迅速开通使用，连接距离远，连接带宽完全能满足一般应用需要。在用户专网建设方面，比有线桥接方式更具竞争力。,无线桥接模式是一种点到点无线链接方式，与远程网桥的作用相似.其目的是把地理位置分离的两个子网络通过WiMAX无线链路连接在一起。由于无线桥接采用点对点方式，两端WiMAX无线网桥设备天线的方向可以彼此对准固定，因此传输性能相对稳定，部署也相对简单。,典型应用模式（6）终端接入模式,在终端接入模式下，用户终端设备（TE，TerminalEquipment）直接通过作为SAP的WiMAX基站（BS）接入核心网。而用户终端设备（TE）若要直接接入WiMAX网络，则必须配置符合WiMAX标准的用户单元（SU，SubscriberUnit），用户单元（SU）一般是WiMAX无线网卡或无线模块形式。由于WiMAX接入速率很高，而且支持城域内终端设备的移动性（对于即将颁布的IEEE802.16e），因此特别适合于接入速率要求高并且有移动性要求的终端应用。,该模式的特点在于允许用户终端直接高速接入网络，并支持便携式终端在城域范围内的移动和漫游。从技术和业务的角度看，只要再增加支持VoIP语音业务功能，就可成为名副其实的下一代移动通信网络。,WiMax与WiFi技术比较,传输范围分析WiMax网络可在需牌照或公用无线频段运行。尤其是在授权频段运行时，WiMax可使用更多频宽、时段和更强的功率而WiFi只在公用频段的2.45GHZ之间工作传输速率分析WiMax最高速率达70MBps，而最快的802.11n则为108Mbps，仍比WiMax相差较远,安全性分析WiMax使用和WiFi的WPA2标准相似的认证加密方法。其微小区别在于WiMax使用3DES或AES机制，以及EAP，称为PKM-EAP。WiFi的WPA2则使用典型的PEAP认证与AES加密,实际的网络安全性往往取决于组建方式是否合理。,WiMax的应用实例,WiMax无线视频监控系统包括三部分视频采集前端系统无线网络传输系统视频流信息处理系统,基于WiMax的视频监控系统,IEEE802.16标准简要说明,物理层SC（单载波QAM调制方式）、256-OFDM、2048-OFDMMAC层大量参考DOCSISMAC层内容，如上行预定基本业务种类：UGS、rtPS、nrtPS和BE安全机制直接借用DOCSISBPI+协议中的密钥管理部分完备性充分考虑到2-66GHz、频段执照等因素制订者来自宽带无线接入行业各方面代表,无线城域网的仿真,WiMax仿真主要涉及以下模块无线信道模块无线传输模块无线物理接口模块无线局域网MAC层模块无线天线模块无线路由协议其它无线模块,WiMax模块的安装首先利用ubuntu+ns-2.29搭建仿真平台其次安装WiMax仿真模块，具体老师提供的电子资源,WiMax模块编译路径,WiMax模块编译过程,WiMax的协议仿真仿真拓扑,WiMax仿真实验网络拓扑图,仿真代码仿真代码见老师提供的共享仿真结果和分析,WiMax仿真初始化阶段,节点0向节点1发送UGS数据,节点0向节点2发送数据,各节点与节点0交互,非实时轮询业务类型典型情况,8.2AdHoc网络概述,AdHoc网络的背景AdHoc网络源于军事通信的需要，其前身是分组无线网(PacketRadioNetwork)1972年DARPA启动分组无线网项目，主要研究分组无线网的应用1993年，DAPRA启动可存活性自适应网络项目20世纪90年代开始，AdHoc网络的研究得到长足进展,AdHoc网络的研究成果包含以下几个方面：新的路由协议，例如AODV、DSDV、ZRP等介质访问控制(MAC)协议，例如RTS/CTS/ACKAdHoc网络与蜂窝网络相结合多播或组播协议、地址分配、TCP协议、节能控制、安全性、分布式算法、QoS等用蓝牙节点组建AdHoc网络,移动AdHoc网络的定义AdHoc网络是由若干个无线终端构成一个临时性的、无中心的网络，网络中亦不需要任何基础设施。移动AdHoc网络(又称移动多跳网或移动对等网)是一种特殊的在不借助任何中间网络设备的情况下，可在有限范围内实现多个移动终端临时互联互通的网络。,移动AdHoc网络中，每个节点既可作为主机，也可作为中间路由设备。节点作为主机，可运行相关应用程序，以获取或处理数据；节点作为路由器，需运行相关路由协议，进行路由发现、路由维护等常见操作，对收到的并非发给自身的分组予以转发。,一个简单的MANET网络,MANET的特点拓扑结构动态变化无固定通信设施，网络节点随机移动资源有限节点的能量和网络带宽有限多跳通信实现不同覆盖网络间的源与目标主机间的通信安全性较低无线信道易受窃听、篡改、伪造等攻击的威胁,MANET体系结构和协议原理,MANET的结构通常MANET的拓扑结构可分两种：对等式结构和分级结构,MANET的对等式结构,MANET的单频分级结构,分级结构网络分单频分级和多频分级单频分级中所有节点使用同一频率通信，需要网关节点支持多频分级网络中，不同级采用不同通信频率对等式网络结构所有节点完全对等，源节点与目标节点通信时存在多条路径，健壮性好，相对比较安全缺点是可扩充性略差,MANET的协议层次,物理层，根据实际应用需要设计MANET物理层数据链路层，分为MAC子层和LLC子层网络层，主要进行邻居发现、分组路由、拥塞控制、网络互联等传输层，为应用层提供可靠的端到端服务应用层，提供面向用户的各种应用服务,MANET的路由协议MANET的路由协议通常分为两大类：表驱动路由协议、按需路由协议表驱动路由协议又称先验式，每个节点维护一张包含到达其它节点路由信息的路由表，代表性的有：WRP、DSDV、FSR、OLSR等按需路由协议也称反应式，需发送数据时才查找路由，代表性的有：AODV、TORA、DSRP、SSR等,DSDV路由协议基于BellmanFord算法，是距离向量协议的改进之一；路由表通过序列号区分路由的新旧；快速反应拓扑的变化；延迟了对不稳定路由节点的广播通告；不能适应快速变化的网络；资源开销可能被浪费；多数路由信息可能从未使用；源和目标之间只提供一条不支持单向连接的路由；,DSDV的路由表项包括：目标地址、到达目标节点的度量值(最小跳数)、去往目标节点的下一跳、目标节点相关序列号；DSDV中使用了两类更新报文：完全转存(通告全部信息)、递增更新(仅通告更新信息)；DSDV路由选择的依据为序列号或度量值；,WRP路由协议WRP路由协议在网络节点中保存路由信息每个节点的路由表项信息包括：距离、路由、链路开销和重传消息列表(MRL)WRP的算法收敛快，避免路由中的环路WRP比大多数协议需要更大内存，还依赖周期性的Hello消息，也要占用一定带宽。,CGSR路由协议以DSDV为基础,比DSDV更有效使用分簇路由结构和启发式路由选择机制指定了簇头和网关节点适合大规模MANET，可扩展性较好簇头节点的稳定性、可靠性对全网性能影响较大,典型表驱动路由协议实例,DSDV路由协议示例,图(a)中节点A和节点B起始路由表,节点A的路由表,节点B的路由表,图(b)中节点D移动到新位置，节点B的路由更新,更新后节点B的路由表,路由环回现象产生，即A或B想要向D发送的数据会在A和B之间来回转发，无法到达真正的目标。,包含序号的路由更新，解决环回现象,(a)中节点A初始路由表,(a)中节点B初始路由表,节点D移动到(b)图所示位置,(b)中节点A路由表更新,(b)中节点B路由表更新,(b)中节点C路由表更新,由于A和C会周期性交换路由信息，当A收到C的路由更新后，在序列号相同时，则会根据DV算法来判断是否更新路由。显然，A会更新路由。当A想发送报文给D时，会把下一跳信息设置为C，这样就可成功发送。,AODV路由协议基于传统距离向量路由机制，算法简单清晰。使用目标序列号防止循环发生，解决了无穷计数问题，易于编程实现。支持中间主机回答，能使源主机快速获得路由，但可能会有过时路由。周期性广播报文，需要消耗一定的能量和网络带宽。,DSR仅在需要通信的节点间维护路由，减少了路由维护代价路由缓冲可进一步减少路由发现的开销路由缓冲使得在一次路由发现过程中，会产生多个到达目标的路径支持非对称传输信道模式,典型按需路由协议实例,AODV示例网络拓扑,B接收RREQ并创建逆向路由,D接收RREQ并创建逆向路由,F接收RREQ并创建逆向路由,G返回RREP给A,典型路由协议的分析比较,表驱动和按需方式路由协议的性能比较,按需路由协议性能比较,MANET的其它技术,MANET的IP地址分配基于伙伴系统的分布式动态地址分配协议改进的DHCP协议基于硬件地址的IP地址分配MANET的QoS传统的时延、带宽、分组丢失率、时延抖动等能量消耗和服务覆盖范围,AdHoc网络的应用,AdHoc与因特网集成,AdHoc网络与蜂窝网络集成,MANET的仿真,AdHoc网络仿真主要模块无线信道模块，Channel/WirelessChannel无线传输模块，Propagation/TwoRayGround无线物理接口模块，Phy/WirelessPhy无线局域网MAC层模块，Mac/802_11天线模块，Antenna/OmniAntennaAdHoc路由协议，AODV和DSR,AODV协议仿真仿真背景AODV是应用最广泛的按需路由协议之一，它是DSDV算法的改进，但中间节点不需维护路由。仿真拓扑,AODV/DSR仿真实验拓扑图,仿真代码AODV的仿真代码仿真结果和分析,节点8广播RREQ信息,广播扩散,节点8发现节点2,节点12发送RREP,邻居节点继续发送RREP,节点8收到RREP消息,节点2与8传送数据,节点2与8传送数据,DSR协议仿真背景知识DSR中每个移动节点维护一个存放路由的快速缓冲区。当某一移动节点要发送分组时，首先查询本地高速路由缓冲区，确定是否存在可用路由。如存在则沿路由发送数据，否则发送一个含源和目标节点地址的路由请求分组，启动路由发现过程。,仿真拓扑,DSR仿真实验拓扑图,仿真代码DSR的仿真代码见电子资源仿真结果和分析,节点4广播RREQ消息,节点6广播RREQ消息,节点7广播RREQ消息,节点1广播RREP消息,节点6广播RREQ消息,节点4向节点6发送请求,节点6向节点7发送请求,节点4向节点1发送数据,8.3无线传感器网络概述,无线传感器网络的背景通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日渐成熟各种具备感知、计算和通信能力的微型传感器的出现由许多微型传感器共同构成的无线传感器网络备受关注WSN可使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获得大量详实可靠的物理世界的真实信息。,WSN综合了传感器、嵌入式计算、分布式信息处理、无线通信等技术，能协作地实时监测、感知、采集网络区域内的各种环境或被监测对象的信息，并处理信息，进一步获取更详尽准确的数据，传送给需要这些数据信息的用户。,无线传感器网络的特性WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大、分布密集。无线传感器节点的处理能力、存储能力、通信能力和电池能量等都十分有限。,WSN的特点网络规模大低速率低功耗低成本短距离高可靠动态性,WSN面临的技术挑战通信能力有限电源能量有限传感器计算能力有限传感器数量大、分布范围广网络动态性大规模的分布式触发器感知数据流巨大以数据为中心,无线传感器网络的研究热点能量跨层设计安全,无线传感器网络的体系结构,无线传感器网络的应用系统架构WSN涉及数据采集、处理和传输三种功能，对应现代信息技术中的传感器技术、计算机技术和通信技术传感器、感知对象和用户是WSN的三个基本要素协作式的感知、采集、处理和发布感知信息是WSN的基本功能无线网络是传感器之间、传感器与用户之间的通信路径,WSN技术与信息系统的对应关系,无线传感器网络包含传感器节点(SensorNode)、汇聚节点(SinkNode)和管理节点(ManagerNode),WSN的宏观系统架构,传感器节点通过自组织方式构成网络传感器节点初步处理所感知到的信息后，以多跳中继的方式将其传送给汇聚节点，再通过卫星网、因特网或移动通信网等途径，传送到最终用户所在的管理节点终端用户即可通过管理节点对所需信息进行相应处理和操作每个传感器节点都有信息采集和路由双重功能,无线传感器网络的节点组成传感器节点包含传感模块、计算模块、通信模块、存储模块、电源模块和嵌入式软件组成传感模块负责探测目标的物理特征和现象计算模块负责处理数据和系统管理存储模块负责存放程序和数据通信模块负责发送和接收网络管理和探测数据电源模块负责节点供电嵌入式软件系统运行网络的五层协议,WSN的节点功能模块组成,WSN终端节点的组成,典型的无线传感器节点,无线传感器网络的节点体系结构分层网络通信协议由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成网络管理平台能量管理、拓扑控制、网络管理、QoS支持与安全机制应用支撑平台应用层软件，通过应用服务和网络管理接口提供支持WSN节点体系结构,无线传感器网络的网络结构WSN的节点往往被任意部署，主要通过飞行器播撒、人工埋置和火箭弹射等方式完成WSN的结构可分为平面结构和分级结构WSN中小规模网络采用平面结构，较大网络应采用分级结构,WSN的平面结构示意图,WSN分级结构示意图,无线传感器网络的通信协议,无线传感器网络的协议栈,WSN协议栈,物理层，负责数据调制、发送与接收数据链路层，负责数据帧封装、帧检测、介质访问和差错控制等网络层，负责数据的路由转发、节点间通信、支持多传感器协作完成大型感知任务传输层，负责维护数据流，保证通信质量应用层，提供各种实际应用，解决各种安全问题,无线传感器网络的协议研究,无线传感器网络的MAC技术,WSN的路由协议分类,传输层协议WSN传输协议的研究侧重于拥塞控制和QoS前者包括流量控制、多路分流、数据聚合和虚拟网关等后者包括数据重传、冗余发送等流量控制中，ERST、PORT和IFRC等协议侧重报告速率调节，Fusion、CCF等协议侧重转发速率调节，Buffer-based、PCCP、CODA等协议侧重于综合速率调节各种路由协议性能比较,定向扩散路由协议,定向扩散(DirectedDiffusion，DD)是以数据为中心、查询驱动的经典路由协议汇聚节点业务查询时将兴趣注入到网络中，并在网络中扩散，计算数据通路的代价扩散过程中建立了若干梯度，用来提取具体所关心的事件结果数据根据已有梯度，沿不同路径返回到汇聚节点节点根据一定标准，从若干返回路径中选出代价较低者进行数据传输,兴趣扩散、梯度建立和路径加强的各个阶段的示意图,定向扩散路由协议的工作过程数据命名为保证源节点的数据能正确传输到查询节点，DD协议采用了基于兴趣和数据的命名模式，即属性/值对type=soldier/检测对象：士兵interval=100s/每隔100s发送一次事件start=15:10:30/兴趣起始时间duration=10m/兴趣持续时间rect=100,300,200,400/区域,兴趣扩散汇聚节点周期性向邻居节点广播兴趣消息type=soldier/检测对象：士兵interval=0.5s/每秒2个事件rect=100,300,200,400/节点的范围timestamp=15:11:00/任务开始时间expiresat=15:11:30/任务结束时间,节点S收到节点A的兴趣的处理流程图,梯度建立定向扩散协议在兴趣扩散时建立梯度，明确指定了数据率和发送数据的方向，能在源节点和汇聚节点间建立梯度，可靠传输数据路径加强假定以数据传输时延作为路由加强的标准，汇聚节点就选择首先发来最新数据的邻节点作为加强路径的下一跳，并向邻节点发送路径加强信息,定向扩散协议的问题负加强负加强指当一条路径未被明显加强时，就终止相应梯度，即降低链路的传输速率，除非这些链路被显式加强环路消除,多源和多接收节点,多个源节点时梯度的建立,多个Sink节点时梯度的建立,路径修复路径修复有助于失败或降级路径的局部修复，通过一定的加强机制，能改善由于能量耗尽和环境因素等影响等导致的路径故障或降级,定向扩散协议的特点以数据为中心数据传输是相邻节点间进行扩散算法中节点遵循本地交互原则网络梯度使得整个网络适应性比较强,SensorMAC协议,SensorMAC协议概述是一种基于竞争的MAC层协议主要适用于节点空闲时间较长、可容忍较大时延的场合以802.11为基础，但又不像802.11那样复杂采用RTS/CTS/DATA/ACK作为基本传输机制,SensorMAC协议的机制周期性监听和休眠节点空闲时自动转入休眠模式来减少侦听，并依据下列步骤建立调度表节点首先侦听一段时间，如未听到其它节点的调度，随机选择一个时间休眠，并立即广播其调度如果一个节点在选择自己调度前，从一个邻居节点收到调度，就遵循该邻居节点的调度，将自身调度设置为与之相同的追随节点，等待一个随机延迟(冲突避免)并广播其调度,如果一个节点在选择自身调度后，收到邻居节点的调度，就采用这两种调度，并在休眠前广播自己的调度,发送者到接收者的三种可能情况的定时选择,虚拟簇机制拥有相同调度信息的节点形成了一个虚拟簇,虚拟簇机制示意图,冲突减少和串音避免机制多个节点同时向一个接收节点发送信息时，则需争用介质来减少冲突RTS/CTS机制考虑到数据分组常比控制分组长很多，则让干扰节点收到RTS/CTS分组后进入休眠来避免串音消息传递机制,SensorMAC协议的不足节点活动时间无法适应负载的动态变化节点休眠带来的时延边界节点能量消耗过快SensorMAC协议的特点S-MAC协议扩展性良好，且不要求严格时间同步，一般仅考虑发送节点的问题，较少顾及接收节点,无线传感器网络的应用,无线传感器网络的应用领域WSN具有快速部署、自组织、隐蔽性强和高容错的特点，正逐步得以广泛使用。应用领域主要包括：军事、农业、环境、建筑、医疗、工业制造、智能家居、空间、海洋等。军事领域DARPA资助了大量的WSN研究，不少即是以战场需求为背景。2005年美国军方成功测试了“枪声定位系统”,(a)检测区域俯瞰图(b)模型图(A为狙击手位置，B为节点位置),农业领域WSN在农业领域技术优势显著，可用于监视农作物灌溉、土壤空气变更、畜禽环境、地表检测等,农业生态环境监测实例结构图,环境监测WSN可广泛应用于生态环境监测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测等。具体如下。进行濒危种群研究监测水位及相关水资源的污染信息提前预警山区泥石流、滑坡等自然灾害，防止恶性事故发生监控林区内部火险情况，一旦有危险立刻报警，并确定具体方位及当前火势布设在地震、水灾、风暴灾害地区、边远或偏僻野外地区，用于应急通信。,建筑领域我国正处在基础设施建设的高峰期，各类大型工程的安全施工及监控是建筑领域长期关注的问题。如摩天大楼、大型场馆、跨海大桥、地下隧道、海洋石油平台、海底管线等。WSN可帮助管理者有效获取这些建筑物的状态信息，优化管理，及时维修保养。,基于WSN的桥梁结构监测系统示意图,医疗监护WSN在检测人体生理数据、老年人健康状况、医院药品管理及远程医疗等方面可发挥作用。如在病人身上安置体温、呼吸、血压等测量传感器，医生可远程了解病人情况。,基于WSN的人体行为监测系统,工业领域WSN可用于危险工作环境，在煤矿、石油钻井、核电厂和组装线工作的员工可得到随时监控，以提供及时的安全保障信息。WSN还可对工厂废水、废气污染源等进行监测、采集样本、分析和测定流量。智能家居WSN可将住宅内的各种家居设备联系起来，使之能自动运行、相互协作，为住户提供尽可能多的便利和舒适。,空间和海洋探索探索宇宙和外部星球一直是人类的梦想，借助于航天器布撒的传感器节点可实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。,无线传感器网络的应用实例近年来，我国在林业领域应用WSN技术较有代表性的是“绿野千传”项目，其可概括为3个一：一个野外真实环境，超过一千个节点，连续运转一年以上。绿野千传项目始于2008年下半年，参与单位有香港科技大学、浙江农林大学等国内十余所高校。到2009年5月，成功部署了120个节点。到2009年10月，原型系统扩充至330个点。加上等其它几个实验点部署的小型系统，总节点数已超过1000个，通过汇聚节点和因特网，节点间的数据互联互通。,无线传感器网络的研究进展,数据管理和查询定位拓扑控制功耗控制中间件协作技术,无线传感器网络的仿真,仿真模块无线信道模块：Channel/WirelessChannel；无线传输模块：Propagation/TwoRayGround；无线物理接口模块：Phy/WirelessPhy；无线局域网MAC层模块：S-MAC；无线天线模块：Antenna/OmniAntenna；无线路由协议：定向扩散协议；其它无线模块：无线队列模块、无线逻辑链路模块等。,定向扩散协议仿真仿真背景定向扩散协议仿真拓扑,定向扩散协议仿真拓扑图,仿真代码定向扩散协议的仿真代码见电子资源仿真结果和分析,节点间的探测过程,定向扩散过程,数据传输过程,S-MAC协议仿真仿真背景定向扩散协议仿真拓扑,S-MAC协议仿真拓扑,仿真代码S-MAC的仿真代码见电子资源仿真结果和分析,传感器节点探测过程,节点3传输数据到节点12,部分节点(0、2、3、5、6、12)能量已有所消耗,部分节点(0、2、3、5、6、12)能量开始不足,8.4无线个域网概述,个域网的基本概念个域网(PersonalAreaNetwork，PAN)，是一种范围较小的计算机网络，主要用于计算机设备之间的通信，还包括电话和个人电子设备等PAN的通信范围往往仅几米，也可用于连接多个网络PAN被看作是最后一米的解决方案无线个域网(WirelessPAN，WPAN)是一种采用无线连接的个域网WPAN主要通过无线电或红外线代替传统有线电缆，实现个人信息终端的互联，组建个人信息网络,无线个域网的基本概念WPAN是为了实现活动半径小(如几米)、业务类型丰富、面向特定群体的连接而提出的新型无线网络技术WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围更小的无线网络，对应关系如下图所示,四种无线网络之间的关系与通信范围,WPAN主要应用于个人用户工作空间，其位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接。从技术角度分析，WPAN系统通常可分为以下4个层次：应用软件和程序固件和软件栈基带装置无线电收发,WPAN的主要特点有：高数据速率并行链路：100Mbps邻近终端之间的短距离连接：典型为110m标准无线或电缆桥路与外部因特网或广域网的连接典型的对等式拓扑结构中等用户密度,无线个域网的分类通常将WPAN按传输速率分为低速、高速和超高速三类，如下图所示,低速WPAN主要为近距离网络互连而设计，采用IEEE802.15.4标准。其结构简单、数据率低、通信距离近、功耗低、成本低，被广泛用于工业监测、办公和家庭自动化及农作物监测等高速WPAN适合大量多媒体文件、短时的视频和音频流的传输，能实现各种电子设备间的多媒体通信超宽带WPAN的目标包括支持IP语音、高清电视、家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高速传输，具备近距离的高速率、较远距离的低速率、低功耗、共享环境下的高容量、高可扩展性等,无线个域网的关键技术,WPAN的关键技术包括IrDA、HomeRF、UWB、蓝牙技术、ZigBee技术等IrDA(红外)技术IrDA是利用红外线进行通信的技术，最高通信速率仅115.2kbps，主要优点是无需申请频率使用权，通信成本低廉，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用等特点超宽带(UWB)技术超宽带(UltraWideBand，UWB)是一种基于IEEE802.15.3的超高速、短距离无线接入技术，通信范围在10米范围内，能实现每秒数百兆位的数据传输率，具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、消耗电能低、保密性好等众多优势,HomeRF技术HomeRF是数字无绳电话技术与WLAN技术融合发展的产物，它采用共享无线连接协议(ShareWirelessAccessProtocol，SWAP)，工作在2.4GHzISM频段蓝牙技术蓝牙能支持短距离(如10米内)无线通信，能在手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行信息交换，其工作于2.4GHzISM频段，数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案,ZigBee技术ZigBee是一种短距离、低功率、低速率无线接入技术，工作于2.4GHzISM频段，传输速率为20250kbps，传输距离为10100m,星型ZigBee网络,五种WPAN关键技术的技术特点,IEEE802.15技术标准,IEEE、ITU等组织都致力于WPAN标准的制定，其中IEEE的研究重点主要是IEEE802.15系列，它也是目前最权威的WPAN标准，具体由802.15工作组负责制定，其分为7个任务组，如下表所示：,IEEE802.15任务组,802.15.1标准802.15.1本质上是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组负责802.15.2标准802.15.2标准制定了一个共存模型，以量化WPAN和WLAN的冲突。802.15.2实际上是一个策略建议，推荐了一系列解决WPAN与WLAN互扰的技术策略和方案，主要可分为协同共存和非协同共存两种,802.15.3标准802.15.3-2003是针对高速WPAN制定的无线MAC层和物理层规范，允许WPAN在家中连接多达上百个无线应用设备，传输速度可达1155Mbps，适合多媒体数据传输，有效距离可达100m802.15.4标准802.15.4-2006标准主要针对低速WPAN。该标准以低功耗、低速率传输、低成本为目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备间的低速互连提供统一标准，目前正不断发展,无线个域网的协议,蓝牙协议基带协议负责建立微型网内各蓝牙设备之间的物理收发链路链路管理协议(LMP)负责设备之间链路的建立和控制，包括控制和协商基带分组的大小逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)支持高层协议复用、分组的分段和重组、服务质量服务发现协议(SDP),ZigBee路由协议基本思想为达到低成本、低功耗、可靠性高等设计目标，ZigBee网络采用了Cluster-Tree与按需距离矢量(AODV)路由相结合的路由算法，但ZigBee使用的AODV与自组织网络中的经典AODV协议并不完全相同，可看做是一种简化版的AODV，即AODVjr。ZigBee网络中，节点可按照父子关系(旧节点允许新节点通过其加入网络时，即形成父子关系)使用Cluster-Tree算法选择路径，即当一个节点接收到分组后发现该分组不是给自身的，则只能转发给它的父节点或者子节点,Cluster-TreeCluster-Tree是一种由协调器展开生成树状网络的拓扑结构，适于节点静止或移动较少的场合，属于静态路由，无需存储路由表AODVjrAODVjr算法考虑了节能、简便等因素，简化了AODV的一些特点，但仍保持了AODV的原始功能，下图所示为AODVjr工作过程,路由请求包广播路线,路由应答包返回路线,数据包和确认包传输路径,AODVjr的性能特点为减少控制开销和简化路由发现过程，未使用目标节点序列号AODVjr无先驱节点列表，从而简化了路由表结构如果链路中断，AODVjr采用本地修复节点不发送HELLO分组，仅根据收到分组或MAC层提供的信息更新邻居节点列表,ZigBee路由ZigBee路由中可将节点分为两类：RN+和RN-。RN+指具有足够存储空间和能力执行AODvjr路由协议的节点，RN-则指其存储空间受限、无执行AODVjr路由协议能力的节点，RN-收到一个分组后只能用Cluster-Tree算法处理路由建立过程节点创建并向周围节点广播RREQ分组，如果收到RREQ的节点是RN-节点，就按Cluster-Tree路由转发该分组。如为RN+节点，则根据RREQ信息建立相应的路由发现表条目和路由表条目(在路由表中建立一个指向RREQ源节点的反向路由)，继续广播分组,节点转发RREQ前会计算将RREQ发送给邻节点与本节点之间的链路开销，并将它加到RREQ中存储的链路开销上，将更新后的链路开销存入路由发现表条目中一旦RREQ到达目标节点或其父节点，该节点就向RREQ的源节点回复一个RREP分组(RN-节点也可回复RREP，但不记录路由信息)，RREP应沿已建立的反向路径向源节点传输，收到RREP的节点建立到目标节点的正向路径并更新相应路由,节点转发RREP前，会计算反向路径中下一跳与本节点间的链路开销，并将它加到RREP中存储的链路开销上。当RREP到达相应RREQ的发起节点时，路由建立过程结束,无线个域网的协议体系结构,ZigBee的分层协议栈802.15.4和ZigBee协议栈的体系结构如图所示,802.15.4和ZigBee分层协议架构,物理(PHY)层物理层通过射频硬件和软件为MAC子层和射频信道提供接口，主要功能分为数据服务和管理服务。数据服务负责数据接收和发送，管理服务负责射频收发和休眠、信道能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、信道射频选择、物理层信息库管理等介质访问控制(MAC)层主要有以下功能：,采用CSMA/CA机制来访问物理信道协调器对网络的建立与维护支持PAN网络的关联与取消关联协调器产生信标帧，普通节点根据信标帧与协调器同步实现间接传输两个MAC实体间提供数据可靠传输可选的GTS支持支持安全机制,MAC层数据传输机制CSMA/CA传