无线多跳网络_WMN_由磊

1、由磊由磊天津大学天津大学 电子信息工程学院电子信息工程学院2010-3-主要内容主要内容研究方向和总结研究方向和总结无线多跳网络的应用无线多跳网络的应用 无线多跳网络设计的关键技术无线多跳网络设计的关键技术 无线多跳网络体系结构无线多跳网络体系结构无线多跳网络的概述无线多跳网络的概述主要内容主要内容研究方向和总结研究方向和总结无线多跳网络设计的应用无线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术无线多跳网络设计的关键技术 无线多跳网络体系结构无线多跳网络体系结构无线多跳网络的概述无线多跳网络的概述4无线多跳网络的概念无线多跳网络的概念v无线单跳网络无线单跳网络 VS. 无线多跳网络无线多跳网

2、络v 无线单跳网络中所有源节点的数据报文只能发送给在其无线单跳网络中所有源节点的数据报文只能发送给在其通信范围内的一个集中式节点（如基站），由该节点通通信范围内的一个集中式节点（如基站），由该节点通过有线方式转发到目的节点。（过有线方式转发到目的节点。（如蜂窝网络，如蜂窝网络，WiFi无无线局域网络线局域网络）v 无线多跳网络中源节点的数据报文通过多个相继的无线无线多跳网络中源节点的数据报文通过多个相继的无线链路，以无线多跳的方式发送到目的节点。链路，以无线多跳的方式发送到目的节点。无线多跳网络的优势和特点（无线多跳网络的优势和特点（1）v 为什么要用无线多跳网络？为什么要用无线多跳网络？ 功

3、率一定，提高传输速率 传输速率一定，节省功率v 简单举例简单举例020040060080010001200140016001800200000.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.0090.01Distance to BS /mPower assumption of MSs /W Direct Transmission Only Relay Transmission Only无线多跳网络的优势和特点无线多跳网络的优势和特点（2）v即时通信即时通信v容易部署容易部署v节省能量或带宽资源节省能量或带宽资源v自组织能力自组织能力v容错性强，具有自愈能力容错

4、性强，具有自愈能力v组网成本低组网成本低无线多跳网络常见类型无线多跳网络常见类型v移动移动ad hoc网络网络v无线无线mesh网络网络v无线传感器网络无线传感器网络v无线中继网络无线中继网络1. 移动移动ad hoc网络网络v 由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成v 网络中每个移动终端自由移动网络中每个移动终端自由移动v 网络中所有移动终端地位相等网络中所有移动终端地位相等v 可以在任何时候、任何地点快速构建可以在任何时候、任何地点快速构建v 不需要现有信息基础网络设施的支持不需要现有信息基础网络设施的支持v 是一个多跳、临时、无中心网络是

5、一个多跳、临时、无中心网络v 应用应用特殊环境（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比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2.无线无线mesh网络网络v 由由mesh路由器和路由器和mesh客户端组成客户端组成v mesh路由器：相对静态部署、组成无线多跳骨干网络路由器：相对静态部署、组成无线多跳骨干网络v 无线多跳骨干网络与外部网络（无线多跳骨干网络与外部网络（Internet）通过网关相连。）通过网关相连。v mesh客户端：与相邻的客户端：与相邻的mesh路由器进行无线通信路由器进行无线通信v 以无线多跳方式扩展传统

6、无线移动通信网络覆盖范围、同时可以无线多跳方式扩展传统无线移动通信网络覆盖范围、同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性v 应用：应用：v 宽带家庭网络互连v 社区网络互连v 企业网络互连v 城域网络互连3 无线传感器网络无线传感器网络v 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。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。v 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网关具有更大的处理能力

7、，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。，可将信息送往某个大型网络使远程用户检测到该信息。v Sensor数量多、分布稠密、网络拓扑经常变化、能量、计算能力和数量多、分布稠密、网络拓扑经常变化、能量、计算能力和存储空间有限存储空间有限v 应用：应用：v 军事v 环境观测和预报系统v 医疗护理v 智能家居v 建筑物状态监控4 无线中继网络无线中继网络v 基于中继的无线网络是由多个与特定基站关联的低成本无线中基于中继的无线网络是由多个与特定基站关联的低成本无线中继组成，一般小规模较少。继组成，一般小规模较少。v 为了便于控制和降低传输时延，基站与其控

8、制范围内的中继采为了便于控制和降低传输时延，基站与其控制范围内的中继采用树形路由，中继到基站最大跳数一般限制在用树形路由，中继到基站最大跳数一般限制在2-3跳。跳。v 部署中继有两个作用：增加基站的覆盖范围和提高基站所辖小部署中继有两个作用：增加基站的覆盖范围和提高基站所辖小区的接入容量。区的接入容量。v 应用：未来移动通信网络性能增强应用：未来移动通信网络性能增强无线多跳网络的历史发展（无线多跳网络的历史发展（1）v 移动移动Ad hoc网络是其他多跳的基础。网络是其他多跳的基础。20世纪70年代，美国国防部高级研究计划局(DARPA)启动了“战场环境中的无线分组数据网”项目，研究在战场环境

9、下利用分组无线网进行数据通信。1983年和1994年，DARPA又分别于启动了抗干扰自适应网络SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移动信息系统GloMo(GlobleMobile Information Systems)项目，对能够满足军事应用需要的移动通信系统进行更深入的研究。后来，IEEE802.11标准委员会采用了“Ad hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织无中心多跳无线网络结构，Ad hoc网络由此诞生。v 无线无线mesh网络网络由ad hoc 网络发展而来本世纪初期被提出，是军用转民用的典型技术主要用于宽带无线局域网或城域网的扩展覆盖、灵活低成本

10、组网和维护等 。无线多跳网络的历史发展（无线多跳网络的历史发展（2）v 无线传感器网络无线传感器网络由美国DARPA资助的项目（如分布式传感器）发展而来随着无线通信的发展，在上世纪90年代末被提出本世纪前十年出现了一系列的丰富的研究成果是物联网的基础技术之一美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展报告中将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。传感器网络被列为未来3大高科技产业一。美国的技术评论将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术商业周刊 预测的未来4大新技术中，无线传感器网络也列入其中等无线多跳网络的历史发展（无线多跳网络的历史发展（3）v 标准化工

11、作：标准化工作： Ad hoc: IEEE 802.11, IETF MANET Mesh: IEEE 802.11s, 802.16-2004 Sensor: IEEE802.15.4、ZigBee、 IETF 6LoW-PAN 中继： IEEE 802.16e-2005 主要内容主要内容研究方向和总结研究方向和总结无线多跳网络设计的应用无线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术无线多跳网络设计的关键技术 无线多跳网络体系结构无线多跳网络体系结构无线多跳网络的概述无线多跳网络的概述网络结构v 平面结构（完全分布式）平面结构（完全分布式） 所有节点的地位平等所有节点的地位平等 小规模网

12、络，可扩展性差小规模网络，可扩展性差v 层次结构（分层分布式）层次结构（分层分布式） 网络被划分为簇（网络被划分为簇（cluster）：每个簇由一个簇头和）：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多个簇成员组成，簇头可形成更高一级的网络 可扩展性强，大规模组网，易于管理可扩展性强，大规模组网，易于管理节点结构-硬件设计v 一般是嵌入式设备一般是嵌入式设备 嵌入式硬件（处理器、DSP、存储、收发器、电源等），要求功耗低 嵌入式操作系统，实时性要求高v 一个无线传感器节点的结构一个无线传感器节点的结构协议架构-软件设计v数据传输平面（自上而下）数据传输平面（自上而下） 保证数据

13、正确传输 应用层、传输层、网络层、数据链路层（或媒质接入层）、物理层v管理平面：管理平面： 保证网络正常运行 网络维护管理 节点管理 能量和功率管理 移动性管理主要内容主要内容研究方向和总结研究方向和总结无线多跳网络设计的应用无线多跳网络设计的应用-举例举例 无线多跳网络设计的关键技术无线多跳网络设计的关键技术 无线多跳网络体系结构无线多跳网络体系结构无线多跳网络的概述无线多跳网络的概述应用：应用：犯罪犯罪/事故现场远程监控与同步指挥调度事故现场远程监控与同步指挥调度 vAd hoc方式方式组网组网v应对突发事件应对突发事件v即时通信即时通信v快速部署快速部署应用：无线城市、无线校园应用：无线

14、城市、无线校园v 取代或作为取代或作为WiFi的补充的补充v 采用采用mesh方式组网方式组网v 低成本组网和维护低成本组网和维护v 可靠性强、快速部署可靠性强、快速部署v 负载均衡负载均衡应用：智能停车场系统应用：智能停车场系统 v 采用无线传感器网络组网采用无线传感器网络组网v 每个车位下面或上面都安装一个传感器，传感器负责感知停车每个车位下面或上面都安装一个传感器，传感器负责感知停车信息（如是否有车存在，什么时间停放或开走等）信息（如是否有车存在，什么时间停放或开走等）v 传感器信息以多跳方式发送到汇聚节点，又汇聚节点发送到管传感器信息以多跳方式发送到汇聚节点，又汇聚节点发送到管理终端。

15、理终端。v 大大方便司机或停车场管理员大大方便司机或停车场管理员v无线传感器网络应用在智能农业v研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。v传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一定的时间检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。v 传感器要求：数量多、大范围覆盖、电池供电、长时间监控v 因此，采用无线多跳传输、节点可以周期性睡眠。应用：葡萄园环境监测系统应用：葡萄园环境监测系统主要内容主要内容研究方向和总结研究方向和总结无线多跳网络设计的应用无

16、线多跳网络设计的应用 无线多跳网络设计的关键技术无线多跳网络设计的关键技术 无线多跳网络体系结构无线多跳网络体系结构无线多跳网络的概述无线多跳网络的概述无线多跳网络设计所面临的问题无线多跳网络设计所面临的问题v 特殊的信道共享方式特殊的信道共享方式v 动态变化网络拓扑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v 有限的无线传输带宽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v 节能问题节能问题功率控制电池供电v 安全问题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

17、策略应具有可扩展性无线多跳网络设计的关键技术无线多跳网络设计的关键技术v 与传统固定网络和蜂窝移动通信网相比，无线多与传统固定网络和蜂窝移动通信网相比，无线多跳网络设计面临着巨大的挑战跳网络设计面临着巨大的挑战v 网络分层体系架构网络分层体系架构 物理层 MAC层（数据链路层） 网络层 传输层 应用层v 无线多跳网络的各个协议层的设计依赖于具体应无线多跳网络的各个协议层的设计依赖于具体应用。用。物理层技术物理层技术v 两个节点之间传输比特流的规则，如两个节点之间传输比特流的规则，如调制方式帧结构编码方式交错方式功率级别天线、载频、带宽v 不同的物理层具有不同的频谱效率不同的物理层具有不同的频谱

18、效率BPSKQPSKQAMOFDM + MIMO智能天线MAC层技术层技术v 介质访问控制（介质访问控制（MAC）协议决定无线信道在多个节点之）协议决定无线信道在多个节点之间的的使用方式，负责在节点之间分配有限的无线通信间的的使用方式，负责在节点之间分配有限的无线通信资源。资源。v 分类：分类： 基于竞争的MAC：CSMA/CA、 ALOHA 随机接入随机接入 MAC 协议中，如某节点有信息需要发送，它将以某协议中，如某节点有信息需要发送，它将以某种方式竞争信道使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去，所有种方式竞争信道使用权，一旦得到使用权便将信息发送出去，所有的可达节点都能接收到该节点发送的

19、信息，如果检测出是发给自己的可达节点都能接收到该节点发送的信息，如果检测出是发给自己的则接收下来，否则丢弃。的则接收下来，否则丢弃。 基于协商分配的MAC：TDMA, CDMA, FDMA 基于协商分配的基于协商分配的MAC中，网络节点通过信息交互，根据一中，网络节点通过信息交互，根据一定的规则在无线链路之间分配信道资源（如时隙、码字或频率定的规则在无线链路之间分配信道资源（如时隙、码字或频率），所分配的资源互不干扰。），所分配的资源互不干扰。网络层的路由技术网络层的路由技术v 路由技术：确定数据从源节点到目的节点的传输路径。路由技术：确定数据从源节点到目的节点的传输路径。v 无线多跳网络路由

20、分类无线多跳网络路由分类 反应式（reactive）路由（又称为按需路由） 先应式（proactive ）路由（又称为表驱动路由）路由技术路由技术v先应式（先应式（proactive ）路由路由协议通过不断的检测网络的拓扑和链路的变化）路由路由协议通过不断的检测网络的拓扑和链路的变化情况动态的更新路由表，在这种路由协议中，每个节点都维护一张或多张表格，情况动态的更新路由表，在这种路由协议中，每个节点都维护一张或多张表格，这些表格包含到达网络中其他节点的路由信息。当检测到网络的拓扑结构发生变这些表格包含到达网络中其他节点的路由信息。当检测到网络的拓扑结构发生变化的时候，节点在网络中发送更新的信息

21、，收到更新信息的节点更新自己的表格化的时候，节点在网络中发送更新的信息，收到更新信息的节点更新自己的表格，以维护一致、准确、及时的路由信息。，以维护一致、准确、及时的路由信息。v特点：特点：所有路由都已经存在并且随时可用，路由请求的延迟低每个节点维护到网络中所有节点的路由，路由开销高v常见的先应式路由，常见的先应式路由，OLSR、TBRPFv反应式（反应式（reactive）路由协议只在网络中的节点需要通信的时候才查找路由，在）路由协议只在网络中的节点需要通信的时候才查找路由，在这类路由协议中，每个节点并不保存及时准确的路由信息，只有当源节点要向目标这类路由协议中，每个节点并不保存及时准确的路由信息，只有当源节点要向目标节点发送数据的时候，源节点才向网络中发起路由查找的过程，找到相应的路由之节点发送数据的时候，源节点才向网络中发起路由查找的过程