第八無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程第 8 章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)第 8 章 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)8.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程8.2 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc8.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)8.4 無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)8.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程8.1.1 無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（1）ALOHA網(wǎng)絡(luò)（2）PRNET系統(tǒng)（3）Amateur分組無(wú)線網(wǎng)（4）無(wú)線局域網(wǎng)（5）無(wú)線個(gè)域網(wǎng)8.1.2 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)n無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad Hoc Network）由不需要任何基礎(chǔ)設(shè)施的一組具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)能力的節(jié)點(diǎn)組成，這種網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)了軍事和商用中對(duì)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備移動(dòng)性的要求n無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在組網(wǎng)理論、路由算法、接入控制和安全管理等方面自組織網(wǎng)絡(luò)理論自組織網(wǎng)

2、絡(luò)可以分成兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)和分 級(jí)結(jié)構(gòu)n在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的路由n而在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇。簇頭的功能相對(duì)較強(qiáng)，而普通節(jié)點(diǎn)的功能比較簡(jiǎn)單，基本上不需要維護(hù)路由。自組織網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線資源管理與空中接口理論自組織網(wǎng)絡(luò)和一般移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一樣具有信道、用戶和業(yè)務(wù)3個(gè)動(dòng)態(tài)特性，即：信道的動(dòng)態(tài)性，主要表現(xiàn)為信道受自然和大氣環(huán)境的影響極大，信道參數(shù)隨時(shí)間快速變化；用戶的動(dòng)態(tài)性，具體表現(xiàn)為信道隨用戶的移動(dòng)而產(chǎn)生較快的變化，帶寬不穩(wěn)定；業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)性，具體表現(xiàn)為用戶可隨機(jī)自由選擇不同媒體的通信方式，各類用戶不同媒體業(yè)務(wù)要求互不干擾，用戶

3、需要實(shí)現(xiàn)同時(shí)多接入。自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由實(shí)現(xiàn) 自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由算法，主要分為：n驅(qū)動(dòng)路由算法，如目的序號(hào)距離矢量算法、無(wú)線路由協(xié)議（WRP）等；n按需驅(qū)動(dòng)路由算法，如Ad Hoc按需距離矢量算法、臨時(shí)排序路由算法、動(dòng)態(tài)源路由算法、基于關(guān)聯(lián)性的路由算法、信號(hào)穩(wěn)定度的路由算法等；n區(qū)域路由算法，如區(qū)域路由協(xié)議（WRP）無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在組網(wǎng)理論、路由算法、接入控制和安全管理等方面自組織網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)n無(wú)中心和自組織性；n動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌籲受限的無(wú)線傳輸帶寬；n安全性較差；n多跳路由；8.1.3無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)nMesh”這個(gè)詞原來(lái)的意思就是指所有的節(jié)點(diǎn)都互相連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)

4、或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。n無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是基于IP協(xié)議的無(wú)線寬帶接入技術(shù)，它融合了WLAN和Adhoc網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。n無(wú)線Mesh技術(shù)是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特性n自組織。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和授權(quán)最終用戶可即時(shí)加入網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，并可連接至所有其他節(jié)點(diǎn)。 n自愈。如果網(wǎng)絡(luò)中的某臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障或從其拓?fù)湮恢蒙喜鹦?，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)適應(yīng)這種改變。n多跳式。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和用戶端設(shè)備（無(wú)線通信單元）均能轉(zhuǎn)發(fā)和路由發(fā)送至另一個(gè)對(duì)端的數(shù)據(jù)包，能選擇并確定一個(gè)從發(fā)端到對(duì)端的最佳路由。 n點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。自組織網(wǎng)絡(luò)通常由平等的網(wǎng)元構(gòu)成，只要發(fā)端和對(duì)端的距離足夠近，就能直接連

5、接發(fā)端和對(duì)端。而不必通過(guò)中央管理節(jié)點(diǎn)。8.1.4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自主智能系統(tǒng)是涉及微電機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制、人工智能等多學(xué)科的綜合性技術(shù)。n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無(wú)處不在的、具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集布設(shè)在無(wú)人值守的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)n電源能量有限；n拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)；n自組織性；n尋址以數(shù)據(jù)為中心；n通信能力有限；n傳感器數(shù)量巨大、分布范圍廣；n大規(guī)模分布式觸發(fā)器；n感知數(shù)據(jù)流巨大 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用n環(huán)境監(jiān)測(cè)；n醫(yī)療應(yīng)用；n家庭應(yīng)用；n工業(yè)應(yīng)用；n軍事

6、領(lǐng)域； 除了上述所列的應(yīng)用之外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以用于太空探索，借助于航天器在外星體上撒播一些傳感器節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的問(wèn)題n低能耗；n低成本；n通用性；n網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；n安全問(wèn)題；n實(shí)時(shí)性；n智能性；8.2 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hocn與其他通信網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc具有帶寬有限、鏈路容易改變、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性以及由此帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性、物理安全有限、受設(shè)備限制等特點(diǎn)。nAd hoc網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究主要集中在鏈路層及物理層的信道分配技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議、涉及多層的QoS、多播與安全5個(gè)方面。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配

7、技術(shù)n信道分配單信道無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，其MAC協(xié)議需要考慮的是如何充分利用信道，避免沖突。載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CA）機(jī)制是目前應(yīng)用非常廣泛的協(xié)議，節(jié)點(diǎn)通過(guò)物理信道偵聽(tīng)（CCA）與虛擬網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)（NAV）結(jié)合的方式進(jìn)行載波偵聽(tīng)，采用基于長(zhǎng)幀間隙、中幀間隙和短幀間隙等不同時(shí)隙的退避機(jī)制和沖突避免策略，競(jìng)爭(zhēng)信道進(jìn)行發(fā)送。多信道無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，則需要關(guān)注如何在節(jié)點(diǎn)間分配信道，以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，避免沖突，實(shí)現(xiàn)信道上的負(fù)載均衡。目前較多的做法是，將信道分為控制信道和數(shù)據(jù)信道，節(jié)點(diǎn)在控制信道中協(xié)商數(shù)據(jù)交換采用的數(shù)據(jù)信道，然后在相應(yīng)的數(shù)據(jù)信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc

8、的信道分配技術(shù)n隱藏終端、暴露終端和單向鏈路隱藏終端：隱藏終端是指在接收節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之外的終端。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在它覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)感知不到有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可能會(huì)造成沖突。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n隱藏終端、暴露終端和單向鏈路n暴露終端：暴露終端是指在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在接收節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n隱藏終端、暴露終端和單向鏈路n單向鏈路8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n隱藏終端、暴露終端和單向鏈路n隱藏終端和暴露終端問(wèn)題的解決辦法 為了解決隱藏終端和

9、暴露終端問(wèn)題，人們提出了多種方法，其中最主要的是忙音檢測(cè)法和RTS/CTS（Request to Send/Clear to Send）握手方法。使用這兩種方法的代表協(xié)議分別是BTMA和MACA。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n隱藏終端、暴露終端和單向鏈路隱藏終端：隱藏終端是指在接收節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)而在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍之外的終端。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在它覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)感知不到有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，從而可能會(huì)造成沖突。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n信道接入?yún)f(xié)議nAd hoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議可以分為三類，即基于單信道、基于雙信道和基于多信道n基于單信

10、道的信道接入?yún)f(xié)議主要采用競(jìng)爭(zhēng)的方式使用信道，來(lái)獲得信息的發(fā)送權(quán)。這種協(xié)議是基于競(jìng)爭(zhēng)的接入?yún)f(xié)議，其通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)獲得信道的訪問(wèn)權(quán)限，通過(guò)隨機(jī)重傳來(lái)解決沖突問(wèn)題。n典型的基于單信道的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)信道分配協(xié)議主要有：多路訪問(wèn)沖突避免協(xié)議MACA（Multiple Access Collision Avoidance）、無(wú)線局域網(wǎng)多路訪問(wèn)沖突避免協(xié)議MACAW（MACA for Wireless LAN）、分布式協(xié)調(diào)功能協(xié)議DCF（Distributed Coordination Function）和信道獲取多路訪問(wèn)協(xié)議FAMA（Floor Acquisition Multiple Access）等8

11、.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n信道接入?yún)f(xié)議n基于雙信道的信道接入?yún)f(xié)議：如果節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信設(shè)施可以提供兩個(gè)信道，一個(gè)信道用于數(shù)據(jù)幀傳輸，另一個(gè)信道用于控制幀傳輸，數(shù)據(jù)幀與控制幀的傳輸不會(huì)出現(xiàn)沖突，這樣就能很好地解決隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，同時(shí)提高信道利用率與頻率空間復(fù)用度。n基于雙信道的信道接入?yún)f(xié)議主要有：忙音多路訪問(wèn)協(xié)議BTMA（Busy Tone Multiple Access）、雙忙音多路訪問(wèn)協(xié)議DBTMA（Dual Busy Tone Multiple Access）、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)基本訪問(wèn)協(xié)議BAPW（Basic Access Protocol for Wireles

12、s）和雙信道多路訪問(wèn)協(xié)議DCMA（Dual Channel based Multiple Access）等。8.2.1 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的信道分配技術(shù)n信道接入?yún)f(xié)議n基于多信道的信道接入?yún)f(xié)議除了可以有效地避免隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題，還可以更有效地利用無(wú)線頻譜，提高系統(tǒng)的通信效率。由于有多個(gè)信道，相鄰節(jié)點(diǎn)可以使用不同的信道同時(shí)通信。在使用多信道的情況下，接入控制更加靈活。n基于多信道的信道接入?yún)f(xié)議主要有：多信道CSMA協(xié)議、多信道非堅(jiān)持CSMA協(xié)議、多信道1-CSMA協(xié)議、跳隙預(yù)留的多重接入?yún)f(xié)議HPMA（Hop Reservation Multiple Access）和動(dòng)態(tài)信道分配協(xié)

13、議DCA（Dynamic Channel Assignment）等。8.2.2 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)Ad hoc的路由協(xié)議nAd hoc網(wǎng)絡(luò)則是一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)nAd hoc網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)兼有路由器和主機(jī)兩種功能。節(jié)點(diǎn)設(shè)備既要作為主機(jī)運(yùn)行應(yīng)用程序，同時(shí)又要作為路由器運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表參與分組轉(zhuǎn)發(fā)工作和路由維護(hù)工作。nAd hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性和無(wú)線信道的衰耗、干擾等原因造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁變化。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的分類n按路由發(fā)現(xiàn)策略進(jìn)行分類的路由協(xié)議n按照Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)劃分的路由協(xié)議n按照其他方式分類的路由協(xié)議常用的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議n按需距離

14、矢量協(xié)議AODV屬于按需路由協(xié)議，也是基于距離矢量的路由算法。AODV路由表中只保持需要的路由，而不需維持通信過(guò)程中未激活的目的節(jié)點(diǎn)的其他路由。n動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議DSR是一種基于源路由的按需路由協(xié)議，設(shè)計(jì)該協(xié)議的目的在于減小路由表創(chuàng)建的開(kāi)銷(xiāo)，快速響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。n魚(yú)眼狀態(tài)路由協(xié)議FSR，這種技術(shù)可以用來(lái)減少表示圖形圖像的數(shù)據(jù)。魚(yú)眼能清晰地捕捉焦點(diǎn)附近的像素，但清晰度隨著離焦點(diǎn)的距離增大而降低。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的評(píng)價(jià)和仿真nAd hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的評(píng)價(jià)主要從定性的角度和定量的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)。n定性評(píng)價(jià)。其評(píng)價(jià)方面包括分布式運(yùn)行方式、是否提供無(wú)環(huán)路有、按需進(jìn)行協(xié)議操作性、安全性、提供設(shè)備“

15、睡眠”操作特性和對(duì)單向鏈路的支持等。n定量評(píng)價(jià)。其評(píng)價(jià)指標(biāo)包括端到端的數(shù)據(jù)吞吐量、平均傳輸時(shí)延、分組的平均遞交率、路由協(xié)議效率等，定量評(píng)價(jià)時(shí)主要考察傳輸控制分組引起的開(kāi)銷(xiāo)、路由獲得時(shí)間和路由的準(zhǔn)確性n通常用于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺(tái)： QualNet， NS2， OPNET8.2.3 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的QoS技術(shù)n隨著，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)QoS技術(shù)的研究也成為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的重點(diǎn)研究問(wèn)題。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量QoS是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，其涉及到從物理層到應(yīng)用層的所有層次的協(xié)議。 nAd hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。n鏈路質(zhì)量難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)n鏈路帶寬資源難以確

16、定n分布式控制為QoS保證帶來(lái)困難n網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性的影響Ad hoc網(wǎng)絡(luò)物理層和無(wú)線信道接入的保障機(jī)制nAd hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS保障需要提供質(zhì)量可接受的通信信道、支持QoS的信道接入?yún)f(xié)議、滿足業(yè)務(wù)量要求的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)的擁塞控制和管理。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS保障技術(shù)涉及無(wú)線信道、信道接入?yún)f(xié)議與調(diào)度機(jī)制、路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議、信令機(jī)制、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)機(jī)制和QoS模型等方面。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的QoS路由nQoS路由是一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可用資源和業(yè)務(wù)流的QoS要求來(lái)選擇路徑的路由機(jī)制，即包含各種QoS參數(shù)的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。 nAd hoc網(wǎng)絡(luò)QoS路由的研究主要考慮的問(wèn)題包括：QoS參數(shù)的選擇，QoS路由的計(jì)

17、算復(fù)雜度，QoS路由的維護(hù)和支持特定應(yīng)用環(huán)境的QoS需求。 n目前的QoS路由協(xié)議主要通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以支持QoS服務(wù)。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議n原有傳輸層協(xié)議存在的問(wèn)題 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)所采用的傳輸層協(xié)議仍然是基于傳統(tǒng)的Internet的傳輸層協(xié)議，這類協(xié)議無(wú)法區(qū)分擁塞、傳輸錯(cuò)誤與路由失效引起的分組丟失，特別是對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)存在很多不適應(yīng)的地方。n無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)TCP協(xié)議的改進(jìn) 針對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)傳輸層的協(xié)議尚不成熟，但提出的解決方案較多，典型的有采用分割機(jī)制的方案和采用Snoop代理機(jī)制方案。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議nAd hoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)TCP協(xié)

18、議的改進(jìn) 顯式反饋機(jī)制（顯式反饋由擁塞點(diǎn)向相關(guān)節(jié)點(diǎn)和源端發(fā)送反饋信息，隱式反饋需要源端通過(guò)本地的觀察來(lái)判斷是否存在擁塞），通知鏈路故障或路由失效引起的分組丟失。 TCP-F協(xié)議就是一種采用顯式反饋機(jī)制的改進(jìn)的傳輸層Ad hoc網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 TCP-BUS協(xié)議結(jié)合了反饋、緩存機(jī)制以及低層路由協(xié)議，來(lái)提高TCP協(xié)議在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的性能。 。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用層協(xié)議 目前，針對(duì)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用層協(xié)議的研究相對(duì)較少，多沿用Internet中的應(yīng)用層協(xié)議。實(shí)際上，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)大多數(shù)Internet中的應(yīng)用層協(xié)議是無(wú)法適應(yīng)的。8.2.4 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的多播與廣播技術(shù) 多播是將分組

19、從一個(gè)或多個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的技術(shù)。多播技術(shù)有助于降低網(wǎng)絡(luò)的流量，減小節(jié)點(diǎn)的處理量。多播路由選擇本身就是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)難題，原有的多播技術(shù)研究工作都是圍繞固定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，但是在移動(dòng)ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)經(jīng)常移動(dòng)，鏈路經(jīng)常斷裂，且其帶寬有限，拓?fù)鋾?huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，這種情況下實(shí)現(xiàn)多播路由困難更大。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多播路由協(xié)議的分類n基于樹(shù)的多播協(xié)議n基于網(wǎng)格的多播協(xié)議n混合的多播協(xié)議基于網(wǎng)格的兩個(gè)典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多播協(xié)議n按需多播路由協(xié)議ODMRPn是一種按需的基于多播網(wǎng)的多播路由協(xié)議，多播數(shù)據(jù)由發(fā)送者按需發(fā)起，通過(guò)建立的一個(gè)連接多播數(shù)據(jù)發(fā)送和接收節(jié)點(diǎn)的多播網(wǎng)格的方式來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)多

20、播數(shù)據(jù)分組，分組在網(wǎng)格內(nèi)采用洪泛的方式轉(zhuǎn)發(fā)。多播組成員節(jié)點(diǎn)與路由信息更新由源節(jié)點(diǎn)按需周期性地進(jìn)行。n基于核心的網(wǎng)格協(xié)議CAMP nCAMP協(xié)議的基本思想是設(shè)置若干“核心”節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)通過(guò)向核心節(jié)點(diǎn)發(fā)送JOIN_REQUEST分組來(lái)加入群組。然后，接收節(jié)點(diǎn)再根據(jù)單播路由信息來(lái)優(yōu)化。CAMP包括網(wǎng)格創(chuàng)建和網(wǎng)格維護(hù)兩個(gè)階段8.2.5 無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)nAd hoc網(wǎng)絡(luò)的脆弱性 無(wú)線鏈路 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化 節(jié)點(diǎn)的漫游特性nAd hoc網(wǎng)絡(luò)的安全威脅 針對(duì)路由的攻擊 對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?對(duì)信任關(guān)系的攻擊 假冒攻擊 DoS拒絕服務(wù)攻擊Ad hoc網(wǎng)絡(luò)安全方案 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)涉及

21、如何解決危及網(wǎng)絡(luò)總體安全的一系列問(wèn)題。理想的安全體系結(jié)構(gòu)應(yīng)至少包括路由安全問(wèn)題、具有密鑰管理、入侵檢測(cè)、響應(yīng)方案與身份認(rèn)證方案Ad hoc網(wǎng)絡(luò)安全模型主要有 基于口令的認(rèn)證協(xié)議 異步的分布式密鑰管理模型 分級(jí)混合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 安全路由 認(rèn)證協(xié)議與密鑰管理 入侵檢測(cè)技術(shù)8.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 8.3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 由任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)）和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成8.3.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)以及應(yīng)用支撐平臺(tái)這三個(gè)部分組成8.3.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)n分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 類似于傳統(tǒng)Internet

22、網(wǎng)絡(luò)中的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)，它也是由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成n網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái) 網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)主要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，它包括了拓?fù)淇刂?、服?wù)質(zhì)量管理、能量管理、安全管理、移動(dòng)管理和網(wǎng)絡(luò)管理等內(nèi)容。n應(yīng)用支撐平臺(tái) 應(yīng)用支撐平臺(tái)建立在分層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)之上，它包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。8.3.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括： MAC協(xié)議、路由協(xié)議、拓?fù)淇刂?、定位技術(shù)、時(shí)間同步、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議SMACS/EAR協(xié)議8.3.

23、3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)n無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議 WSN路由協(xié)議負(fù)責(zé)在Sink點(diǎn)和其余節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。n在實(shí)際應(yīng)用中，也可以按照針對(duì)WSN的各種特性的敏感性不同，將WSN的路由協(xié)議劃分為以下四類： 能量感知路由協(xié)議基于路由查詢的路由協(xié)議地理位置路由協(xié)議可靠的路由協(xié)議典型的WSN路由協(xié)議Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議SPIN協(xié)議定向擴(kuò)散協(xié)議LEACH協(xié)議其他路由協(xié)議WSN路由協(xié)議的優(yōu)化方法n目前常見(jiàn)的路由協(xié)議的優(yōu)化方法主要有以下幾種：n數(shù)據(jù)命名機(jī)制n數(shù)據(jù)融合機(jī)制n局部協(xié)商技術(shù)n休眠技術(shù)n多路徑技術(shù)n 自適應(yīng)技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂婆c功率控制技術(shù) WSN除了必須具備高

24、效的MAC協(xié)議、路由協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議之外，還要設(shè)計(jì)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制。良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等提供基礎(chǔ)，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂婆c功率控制技術(shù)n通過(guò)拓?fù)淇刂?，可以在以下幾個(gè)方面優(yōu)化WSN網(wǎng)絡(luò)的性能。n延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。n減小節(jié)點(diǎn)通信負(fù)載，提高通信效率。n輔助路由協(xié)議。n數(shù)據(jù)融合策略選擇。n節(jié)點(diǎn)冗余。WSN的功率控制方法nWSN功率控制的目標(biāo)n基于節(jié)點(diǎn)度的功率控制算法n基于鄰近圖的功率控制算法n層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方法 在層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制方法中，主要的算法有低功耗自適應(yīng)分簇算法LEACH（Low Energy

25、Adaptive Clustering Hierarchy）和基于位置的能量感知路由算法GAF（Geographic Adaptive Fidelity）。WSN的睡眠調(diào)度nWSN網(wǎng)絡(luò)通常是面向應(yīng)用的事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在沒(méi)有檢測(cè)到事件時(shí)不用一直保持在活動(dòng)狀態(tài)，所以出現(xiàn)了網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)協(xié)同啟發(fā)機(jī)制，用來(lái)保證節(jié)點(diǎn)在有事件發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)自動(dòng)醒來(lái)并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。n網(wǎng)絡(luò)采用的睡眠調(diào)度算法主要有STEM算法、ASCENT算法、CCP算法和SPAN算法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù) 在WSN的應(yīng)用中，很多場(chǎng)合都需要確定其位置信息，如事件位置報(bào)告、目標(biāo)跟蹤、地理路由、網(wǎng)絡(luò)管理等 在很多情

26、況下，節(jié)點(diǎn)的布放是隨機(jī)的、位置無(wú)法預(yù)測(cè)的，因此，需要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)在布放后進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。全球定位系統(tǒng)GPS盡管應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、定位精度高，但其適應(yīng)于無(wú)遮擋的室外環(huán)境，成本較高，需要固定的基礎(chǔ)設(shè)施，因此，只能用于WSN中的某些特殊節(jié)點(diǎn)。WSN的其他節(jié)點(diǎn)的定位則可以依據(jù)少數(shù)已知位置節(jié)點(diǎn)的位置信息，按照某種定位機(jī)制確定自身的位置，這就是WSN網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的基本思想。定位技術(shù)的分類nWSN的定位算法需要具備自組織性、健壯性、低能耗和協(xié)同工作的特點(diǎn)。n根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否知道自身的位置，將節(jié)點(diǎn)分為兩類：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（又稱參考節(jié)點(diǎn)）和未知節(jié)點(diǎn)。n按照定位過(guò)程中是否需要測(cè)量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離，可以分為基于距離的定位算法

27、和距離無(wú)關(guān)的定位算法。n按照節(jié)點(diǎn)定位的先后次序不同，可以分為遞增式定位算法和并發(fā)式定位算法。n按照定位過(guò)程中是否使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，分為基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法和無(wú)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位算法?；诰嚯x的定位算法n基于距離的定位算法通過(guò)測(cè)量相鄰節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離和方位進(jìn)行定位。該算法實(shí)現(xiàn)時(shí)包括三個(gè)階段：測(cè)距階段、定位階段和修正階段距離無(wú)關(guān)的定位算法n基于距離的定位算法能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，但成本高、能耗大，而有一些應(yīng)用只關(guān)心節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，不需要實(shí)際測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的絕對(duì)距離或方位，就能夠計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置，甚至允許的誤差也可以大一些。n距離無(wú)關(guān)的定位算法主要分為兩類：一類是先對(duì)未知節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離進(jìn)行估計(jì)，然后利

28、用三邊測(cè)量法或極大似然估計(jì)法進(jìn)行定位；另一類是確定鄰居節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)包含未知節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，將該區(qū)域的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。n距離無(wú)關(guān)的定位算法主要有質(zhì)心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法和APIT算法。典型的定位算法nWSN網(wǎng)絡(luò)的定位算法很多，包括質(zhì)心算法、DV-Hop算法、Eulidean算法、Robust Position算法、Amorphous和APIT等，Robust Position算法。n定位精度高、容錯(cuò)性好、覆蓋度高、覆蓋速度快、網(wǎng)絡(luò)成本適中，但計(jì)算復(fù)雜度高。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)n在WSN中，按照其采用的同步技術(shù)不同，可以分為單向廣播同步和雙向成對(duì)同步兩類

29、。n基于單向廣播同步的算法主要有：RBS、DMTS、FTSP和AD，基于雙向成對(duì)同步的算法主要有TPSN、TS/MS和LTS等。而Tsync算法則融合了兩種機(jī)制，在控制信道上廣播同步消息，在時(shí)鐘信道上采用成對(duì)同步確定時(shí)鐘偏移。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)n在WSN同步技術(shù)中，一個(gè)典型的技術(shù)就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）TPSN采用雙向通信。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)跟蹤技術(shù)nWSN的定位主要針對(duì)的是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定的情況，而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，很多節(jié)點(diǎn)的位置都處于動(dòng)態(tài)變化的情況，針對(duì)動(dòng)態(tài)變化的移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)的連續(xù)定位

30、則需要采用目標(biāo)跟蹤技術(shù)，目標(biāo)跟蹤是WSN的一個(gè)基本應(yīng)用。nWSN的目標(biāo)跟蹤通常有3個(gè)階段：檢測(cè)、定位和通告WSN的目標(biāo)跟蹤算法n目前，比較有影響力的WSN目標(biāo)跟蹤算法主要有以下5類。基于二進(jìn)制探測(cè)的目標(biāo)跟蹤算法。這類算法中，典型的如CTBD算法和BPS算法?；诰_定位的目標(biāo)跟蹤算法。這類算法中，典型的如DSLT算法和DCATT算法。時(shí)空組合定位算法，包括DSTC算法、BB算法及DSTC與BF的組合算法。自適應(yīng)目標(biāo)算法?；诹Ｗ訛V波的跟蹤算法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù)n數(shù)據(jù)融合是指：將傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的多份數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理，組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過(guò)程。 n數(shù)據(jù)管理的目的

31、是：將WSN上數(shù)據(jù)處理方法與網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)方法分離開(kāi)來(lái)，使得WSN的用戶和應(yīng)用程序只需要關(guān)心查詢數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)，而無(wú)需關(guān)心獲取信息的過(guò)程細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的分類n數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有3種分類方法，即依據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類、依據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語(yǔ)義的關(guān)系分類和依據(jù)融合操作的級(jí)別進(jìn)行分類。n根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類，可以分為兩類：無(wú)損失融合和有損失融合。n根據(jù)數(shù)據(jù)融合與應(yīng)用層數(shù)據(jù)語(yǔ)義的關(guān)系分類，可以分為：依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合ADDA、獨(dú)立于應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合AIDA及兩種技術(shù)結(jié)合的數(shù)據(jù)融合。n根據(jù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的操作級(jí)別，可以分為：數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合與決策級(jí)融合。與網(wǎng)絡(luò)層結(jié)合的數(shù)據(jù)融合

32、技術(shù)n網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵就是數(shù)據(jù)融合樹(shù)（aggregatton tree）的構(gòu)造。n以數(shù)據(jù)為中心的路由算法主要有兩種：基于查詢的路由和基于層次的路由： 定向擴(kuò)散路由中的典型路由算法是定向擴(kuò)散路由，其數(shù)據(jù)融合包括：路徑建立階段的任務(wù)融合和數(shù)據(jù)發(fā)送階段的數(shù)據(jù)融合。 在基于層次的路由中，主要有LEACH算法和TEEN算法。WSN的數(shù)據(jù)管理技術(shù)n數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：集中式結(jié)構(gòu)、半分布式結(jié)構(gòu)、分布式結(jié)構(gòu)和層次式結(jié)構(gòu)。n典型的WSN數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要有TinyDB和Cougar系統(tǒng)。nWSN的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與索引技術(shù)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)本地存儲(chǔ)方法和以數(shù)據(jù)為中心的存儲(chǔ)方法，索引方式有，層次索引、一維分布式索引和多維分布

33、式索引無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)nWSN的安全威脅：主要來(lái)自于兩個(gè)方面：信息泄露和空間攻擊。若按網(wǎng)絡(luò)層次劃分，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次都可能受到攻擊。nWSN的安全防范也需要在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次進(jìn)行。8.4 無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)8.4.1 無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)概述n無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)WMN（Wireless Mesh Network，又稱無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)、無(wú)線Mesh網(wǎng)）是在無(wú)線自組網(wǎng)Ad hoc的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是一種基于多跳路由、對(duì)等結(jié)構(gòu)、高容量的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其支持分散控制與管理、Web業(yè)務(wù)、VoIP與多媒體等無(wú)線通信業(yè)務(wù)，是對(duì)WLAN、WiMAX技術(shù)的補(bǔ)充，成為解決無(wú)線接入“最后一公里”的新的技術(shù)方案。nWMN在本質(zhì)上仍然屬于

34、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，WMN還承襲了WLAN的部分特征，區(qū)別在于WMN的移動(dòng)性相對(duì)較低。WMN一般不會(huì)作為一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)存在，而是因特網(wǎng)核心網(wǎng)的無(wú)線延伸。WMN具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)展、自組織、自配置、自修復(fù)的特征。WMN與Ad hoc的區(qū)別n從自組織的角度，WMN與Ad hoc雖然都采用P2P的自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是WMN是由無(wú)線路由器WR（Wireless Router）構(gòu)成無(wú)線骨干網(wǎng)，因此節(jié)點(diǎn)地位不平等。n從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕嵌龋瑑烧唠m然相似，但節(jié)點(diǎn)功能差異較大，WMN節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性弱于Ad hoc節(jié)點(diǎn)。n從應(yīng)用的角度，WMN主要用于Internet與寬帶多媒體通信的接入服務(wù)，而Ad hoc則主要用于軍事與特殊通信領(lǐng)域。WMN與WLAN（Wi-Fi）的區(qū)別n從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度，WLAN采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和單跳工作方式，節(jié)點(diǎn)本身不承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)。n從通信距離來(lái)看，WLAN在相對(duì)較小的范圍內(nèi)（通常在幾百米）提供1154Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，WMN則利用無(wú)線路由器WR組成的骨干網(wǎng)，將接入距離擴(kuò)展到幾公里。n從協(xié)議角度來(lái)看，WLAN的MAC協(xié)議主要完成本地業(yè)務(wù)的接入，而WM