无线移动互联网：原理、技术与应用 教学课件作者 崔勇 CH3 移动自组织网络-1VF

1、CS 80240333CUI Yong1移动自组织网络: MANET课程号 80240333 教师: 崔勇CS 80240333CUI Yong2课程大纲 引言媒介访问控制层 (MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结移动自组织网络与传统网络依赖于网络根底设施PSTNGSMAP不依赖于根底设施的网络Ad Hoc3CS 80240333CUI Yong4移动自组织网络与传统网络A,C之间进行通信B作为中继协议需求基站例如自组织网络例如 仅有移动节点主机和路由器 多跳基站+移动节点基站和移动节点之间无线链路基站之间的有

2、线链路；CS 80240333CUI Yong5三类不同的无线自组织网络移动自组织网络 (MANET) 可能高速移动的节点电池能量有限无线自组织传感器/设备网络相对固定的电池能量十分有限大规模的无线自组织骨干网络快速部署的无线根底设施主要为固定节点共同点自组织方式部署,没有根底设施S-D节点之间的路由可能会包含多跳CS 80240333CUI Yong6MANET特性无线和移动性 自组织动态部署资源有限完全分布式主机和路由器 CS 80240333CUI Yong7应用紧急状况如:灾难救援医疗救助军事行动应用CS 80240333CUI Yong8军事应用1981: 美国为海军建立了一套高频自

3、组织网络;1991:美国建立了一套“改进的高频自组织数据网络, 其中充分利用了短波自组织网络技术;1994: 美国采用宽带技术提升战术通信的机动性和生存能力;近年来: 美国，英国，法国，荷兰和其他一些国家都使用单兵作战系统;等等.CS 80240333CUI Yong9应用临时或智能应用环境, 例如:会议室应用视频点播智能办公蜂窝网络之间的覆盖盲区等等.CS 80240333CUI Yong10挑战频谱分配 (ISM波段)介质访问非集中式: TDMA无法使用移动性无干扰接入路由链路经常中断网络拓扑变化CS 80240333CUI Yong11挑战多播树形可能无法工作?能源利用率电池数据包转发T

4、CP性能面向连接假设节点是静止的丢包和长RTT位置效劳平安和隐私CS 80240333CUI Yong12自组织网络的架构应用层新应用传输层拥塞和流量控制 网络层寻址和路由 链路层介质访问物理层误码和接口 移动自组织网络中的关键技术CS 80240333CUI Yong13CS 80240333CUI Yong14课程大纲 引言媒介访问控制层 (MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结动机无线网络中的介质访问问题信号强度的降低和距离的平方成比例发送者可能会应用CS和CD, 但冲突会发生在接收者处发送者可能无法侦听到

5、冲突的发生，例如， CD故障CS可能会故障，例如，终端是“隐藏的的情况CS 80240333CUI Yong15MAC层协议非竞争性协议TDMA, FDMA, CDMA竞争性协议ALOHA,CSMA,MACA,MACAW,FAMA,DBTMA带有预约机制的竞争性协议D-PRMA, CATA,HRMA,SPMA带有调度机制的竞争性协议DWOP, DLRS使用定向天线的MAC层协议DBTMA, DMAC其他协议我们主要关注竞争性协议.16CS 80240333CUI Yong17课程大纲 引言媒介访问控制层 (MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MA

6、C层协议其他协议MAC层协议总结竞争性协议ALOHA经典ALOHA协议 如果用户有数据要发送，就直接发送. 干扰和冲突严重18.4%的信道利用率CS 80240333CUI Yong18Station 1Station 2Station (N 1) Station NBUSInterfaceALOHA一般模型ALOHACS 80240333CUI Yong19基站 1基站 2基站 N 1基站 N 到达6542317传输传输传输冲突重传冲突重传冲突重传冲突重传tttttT02345671T0T0T0T0ALOHA操作过程:ALOHA时隙ALOHA协议 把信道分成假设干等长时隙.如果用户有数据要发

7、送，那么必须在时隙的起始处发送. 提高了信道利用率，但增加了时间开销35% 信道利用率 CS 80240333CUI Yong20 冲突和转发冲突和转发会话1会话 2T0T0tt到达到达 到达到达竞争性协议载波侦听多路访问协议(CSMA)ALOHA协议太容易发生冲突而且信道利用率低.CSMA协议中，节点监听信道中是否有其他节点发送数据，只有在信道空闲时自己才发送数据 (最初用于IEEE 802.3以太网中)CS 80240333CUI Yong21竞争性协议MACAMACA使用控制消息握手来防止冲突RTS (请求发送消息) 在发送实际数据包之前，发送者先向接收者发送一个短RTS包，以此来请求发

8、送实际数据包的权利CTS (去除发送消息) 接收者在准备好接收数据后授予发送者实际数据包的发送权控制消息包含发送者地址接收者地址数据包大小CS 80240333CUI Yong22Karn90time-out data; NAKMACA改进协议该改进方法出现在802.11协议中，称作DFWMAC (分布式无线MAC)idlewait for the right to sendwait for ACKsenderreceiverpacket ready to send; RTStime-out; RTSCTS; dataACKRxBusyidlewait fordataRTS; RxBusyRT

9、S; CTSdata; ACKACK: positive acknowledgementNAK: negative acknowledgementRxBusy: receiver busytime-out NAK;RTSCS 80240333CUI Yong23MACAWMACAW (无线MACA)： MACA协议的一个修订版发送者监听信道，如果周围站点无人发送RTS (Request To Send) 消息，那么发送一个RTS消息.接收者回复CTS (Clear To Send)消息邻居节点如果接收到CTS,那么停止发送数据.如果接收到RTS消息而不是CTS消息,那么停止发送数据，直到接收到

10、返回的CTS消息.接收者在收到数据消息后回复ACK消息.邻居节点在收到该ACK消息之前都停止发送数据.冲突没有冲突检测.当没收收到CTS消息时，发送者就知道产生了冲突它们等待指数退避时间.CS 80240333CUI Yong24竞争性协议FAMA基于一种由数据发送者和接收者之间的载波侦听操作和冲突防止会话组成的信道访问规那么.FAMA-NCSCUI YongCS 8024033325FAMACS 80240333CUI Yong26FAMA-NPS竞争性协议BTMA传输信道被分为两局部: 传输数据信息的数据信道传输忙音信号的控制信道CUI YongCS 8024033327竞争性协议DBTM

11、ABTMA方法的扩展. 传输数据信息的数据信道传输控制信息 (RTS和CTS消息)和忙音消息的控制信道.CS 80240333CUI Yong28竞争性协议RI-BTMA传输信道被分为两局部：传输数据消息的数据信道传输忙音消息的控制信道只有当节点在控制信道上没有发现忙音消息时才可以在数据信道上发送数据.数据包被分成两局部：包头和实际数据.CS 80240333CUI Yong29RI-BTMA(待续)CS 80240333CUI Yong30RI-BTMA协议过程竞争性协议基于邀请的MACA协议 (MACA-BI) 一种接收者邀请的MAC层协议不需要RTS消息，这就减少了使用三方握 制的MAC

12、A协议中的控制消息的数量使用减少握手的媒介访问协议是一种接收者邀请协议.CS 80240333CUI Yong31MACA-BICS 80240333CUI Yong32MACA和MACA-BI协议的区别CS 80240333CUI Yong33课程大纲 引言媒介访问控制层 (MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结带有预约机制的竞争性协议带有预约机制的竞争性协议 竞争发生在资源带宽预分配阶段. 一单带宽分配完成，节点独占分配到的带宽. QoS可以实时流量提供支持.CS 80240333CUI Yong34D-PR

13、MA将集中式的PRMA方法扩展为一种分布式的方法，该方法可以应用到无线自组织网络中.D-PRMA是PRMA协议在无线网络中的扩展一种基于TDMA的方法CS 80240333CUI Yong35Slot 1Slot 2Slot sMini slot 1Mini slot 2Mini slot mRTS/BICTS/BID-PRMA结构框架带预约机制的TDMA带预约机制的时分多址访问 每个消息包含N个最小时隙和x个数据时隙每个站点拥有自己的最小时隙，并可以使用该时隙最多储存k个数据时隙(例如. x = N * k).其他站点可以采用一种循环发送的方法利用未被使用的数据时隙来发送数据N 最小时隙N

14、* k 数据时隙存储数据时隙其他站点可以采用一种循环发送的方法利用未被使用的数据时隙来发送数据e.g. N=6, k=2CS 80240333CUI Yong36D-PRMA隐式预约机制 (PRMA 分组预留多址):一定数量的时隙形成一个帧, 帧是重复的站点按照随机时隙原那么来竞争空时隙一旦一个站点成功得到一个时隙，在下面所有帧中该时隙将会自动分配给该站点直到该站点有数据要发送当在最后一帧中有时隙未占用时，那么重新开始对该时隙的竞争 CS 80240333CUI Yong3738D-PRMAframe1frame2frame3frame4frame5time-slotcollision at

15、reservation attempts12345678ACDABA FAC ABA A BAF A BAF DACEEBAFDtACDABA-FACDABA-FAC-ABAF-A-BAFDACEEBAFDreservationCS 80240333CUI Yong38CATA冲突防止时间分配协议基于动态拓扑相关传输调度节点通过一种分布式存储和握 制来存储和竞争时隙.支持播送，单播和组播.CS 80240333CUI Yong39Slot 1Slot 2Slot SCMS1CMS2CMS3CMS4DMSCATA的框架结构操作过程中的两个根本原那么:数据流的接收者必须通知潜在的源节点它现在用来接

16、收数据包的时隙. 源节点必须通知目的节点时隙中存在的冲突.使用被动确实认方式来进行预约请求，使用被动确实认方式来进行预约请求，控制信息在每个时隙开始时传输，将预留信息的时隙信息播送或者组播给发送者.CS 80240333CUI Yong40CATAHRMA一种基于半双工、慢跳频扩频的多信道MAC层协议使用预留和握 制使通信双方保存一个跳变频率来保证无干扰传输.可以看做一种为每个时隙分配独立频段的时隙预留协议.CS 80240333CUI Yong41SPMA/PA Ahn.C.W VTC2000为在自组织网络中实现对实时和非实时应用的综合效劳协议的支持，同时最大化统计多路复用增益而制定的.节点

17、采用冲突防止握 制和一种软预留机制.CS 80240333CUI Yong42一种基于TDMA的单路时分多址接入播送调度协议节点通过竞争以获得时隙.预留过程包括五个阶段: 预留请求, 冲突报告, 预留证实,预留确认，填充和消除阶段FPRPCS 80240333CUI Yong43在多跳无线网络中为实时流量提供支持基于带有非坚持CSMA机制的 MACAW协议MACA/PR的组要组成局部为:一个MAC层协议一个预留协议一个QoS路由协议MACA/PRCS 80240333CUI Yong44在无线自组织网络中为实时流量提供一种带宽预留机制RTMAC有两个组成局部一个对802.11DCF实时扩展的M

18、AC层协议.一个为尽力交付流量提供的媒体访问协议一个为实时流量提供的预留协议一个为端到端带宽资源的预留和释放提供的QoS路由协议.RTMACCUI YongCS 8024033345RTMAC Baldwin.R.O ACM SIGMOBILE99CS 80240333CUI Yong46传输控制(TC) 策略 增强的冲突防止机制CS 80240333CUI Yong47课程大纲 引言媒介访问控制层 (MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结关注在节点处的数据包调度和节点之间传输调度.影响调度的因素数据包的延迟目标

19、节点处的流量负载电池电量 分布式优先调度和媒介访问两种机制为自组织网络提供保障QoS(quality of service)的效劳.带有调度机制的冲突防止协议CS 80240333CUI Yong48分布式无线订购协议 (DWOP)一种带有调度机制的媒介访问方法基于分布式优先调度方法基于松弛的分布式优先调度方法(DLPS)基于邻居节点状态和目的节点的丢包率的反响来决定调度基于均匀预算松弛(ULBs)和流的数据包到达率，记录数据包。 数据包均匀预算松弛的时间范围是到其截止时间之前的一段时间. 带有调度机制的传统协议CS 80240333CUI Yong49CS 80240333CUI Yong50课程大纲 引言媒介访问控制层 (MAC)协议竞争性协议带有预约机制的竞争性协议带有调度机制的竞争性协议使用定向天线的MAC层协议其他协议MAC层协议总结使用定向天线的MAC层协议有许多优势:降低信号干扰增加系统吞吐量提高信道利用率使用定向天线的MAC层协议使用一种RTS/CTS交互机制使用定向天线来发送和接收数据包例子基于定向忙音的MAC层协议 (DBTMA)使用定向天线来