物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)董健-第十章

第十章Adhoc本章內(nèi)容Adhoc網(wǎng)絡(luò)概述Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS研究Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用Adhoc網(wǎng)絡(luò)的起源與開展起源可以追溯到1968年的ALOHA網(wǎng)絡(luò)和1972年美國DARPA開始研究的分組無線網(wǎng)。近期數(shù)字無線電NTDR康奈爾大學的“無線網(wǎng)絡(luò)實驗室〞〔WirelessNetworksLaboratory〕等研究機構(gòu)Nokia、NEC、AzaleaNetworks等公司MANET工作組Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點由于Adhoc網(wǎng)絡(luò)采用無線通信媒介，以及它與眾不同的應(yīng)用環(huán)境，因此Adhoc網(wǎng)絡(luò)具有與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)截然不同的特點。1〕自組織和無中心特性Adhoc網(wǎng)絡(luò)不需要事先架設(shè)的通信根底設(shè)施，也不需要中心管理設(shè)備就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個節(jié)點進行通信。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點2〕網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化由于Adhoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點任意移動，節(jié)點開、關(guān)機，節(jié)點參加或離開網(wǎng)絡(luò)以及無線媒介變化所導致節(jié)點間通信中斷等因素的影響，Adhoc網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)隨時可能發(fā)生動態(tài)的變化。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點3〕多跳組網(wǎng)方式Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點既是可以作為終端，又可以作為路由器，因此Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點組成的，而不是像傳統(tǒng)的固定網(wǎng)絡(luò)由專門的路由器、交換機來實現(xiàn)的。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點4〕分布式控制方式Adhoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩移動通信系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)的最主要的區(qū)別就在于不需要中心設(shè)備來對網(wǎng)絡(luò)進行集中管理和控制。在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，各個節(jié)點都具有網(wǎng)絡(luò)的控制功能，節(jié)點自行管理和控制。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點5〕無線通信帶寬受限在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，終端都是通過無線媒介來傳輸數(shù)據(jù)的。由于無線信道本身的物理特性，無線信道所能提供的容量明顯低于有線信道，并且無線環(huán)境具有帶寬有限、比特誤碼率高、鏈路質(zhì)量和容量起伏波動等問題。在Adhoc網(wǎng)絡(luò)的多跳數(shù)據(jù)傳輸過程中，受無線信道質(zhì)量的影響更明顯。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點6〕平安性受限Adhoc網(wǎng)絡(luò)采用無線信道傳輸?shù)姆绞?，無線網(wǎng)絡(luò)比有線網(wǎng)絡(luò)的平安性要差很多，無線傳輸容易被竊聽，遭到主動入侵、拒絕效勞、信息阻塞、信息偽造等方式的攻擊。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點7〕終端設(shè)備受限在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，所采用終端通常為膝上電腦、PDA或者智能等便攜式通信設(shè)備，這些設(shè)備便攜性較好，但是運算處理能力跟臺式電腦、大型的工作站、路由器、效勞器相比要差很多。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)由于移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特殊性，Adhoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當充分考慮網(wǎng)絡(luò)的自組織特性和特殊的應(yīng)用環(huán)境。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點不僅要具備移動終端的功能，還要具備路由器的功能，因而就完成功能而言網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分為主機、路由器和電臺三局部。網(wǎng)絡(luò)拓撲平面結(jié)構(gòu)單頻分級結(jié)構(gòu)多頻分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧根據(jù)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特征，參照OSI的經(jīng)典7層協(xié)議棧模型和TC/IP的體系結(jié)構(gòu)，可以將Adhoc網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧劃分為5層，自下而上分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)1〕鏈路層自適應(yīng)技術(shù)2〕信道接入技術(shù)3〕網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)4〕路由協(xié)議5〕QoS保證6〕多播/組播協(xié)議7〕平安性問題8〕網(wǎng)絡(luò)管理9〕節(jié)能控制本章內(nèi)容Adhoc網(wǎng)絡(luò)概述Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS研究Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用9〕節(jié)能控制9〕節(jié)能控制Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議基于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議在充分發(fā)揮其靈活多變、適應(yīng)性強、易搭建等優(yōu)點的同時，需要克服其應(yīng)用于不同物理層時，由不同物理層特點帶來MAC協(xié)議設(shè)計的復雜性，從而使系統(tǒng)資源得到充分利用，獲得最優(yōu)化的系統(tǒng)性能。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議為了充分利用Adhoc網(wǎng)絡(luò)的獨特優(yōu)點，系統(tǒng)對MAC協(xié)議設(shè)計提出了如下特殊要求〔1〕在無線網(wǎng)絡(luò)中，各通信鏈路上信道環(huán)境時變快?！?〕在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，多個用戶同時接入信道的情況會導致不同的用戶數(shù)據(jù)包的碰撞?！?〕對Adhoc網(wǎng)絡(luò)所面向的應(yīng)用來講，必須考慮實時應(yīng)用的問題，比方視頻傳輸?！?〕節(jié)省有限的能量資源，并對其進行有效利用，以及均衡全網(wǎng)的能量分配才能有效地提高網(wǎng)絡(luò)生存時間，構(gòu)建一個強健的網(wǎng)絡(luò)。信道接入的公平性信道接入的公平性問題，就是期望所有的節(jié)點以均等的時機訪問信道。信道的公平訪問起著關(guān)鍵作用的是退避算法。隱藏終端與暴露終端問題隱藏終端的存在會造成接收節(jié)點處的報文沖突，降低了信道的利用率；暴露終端的存在不會造成報文沖突，但是會引入不必要的延遲，所以在設(shè)計MAC協(xié)議時必須要盡量解決隱藏終端和暴露終端問題。 1〕MACA協(xié)議2〕DBTMA協(xié)議3〕MACAW協(xié)議4〕FAMA協(xié)議5〕IEEE802.11協(xié)議6〕MACA-BI協(xié)議MAC協(xié)議中的跨層設(shè)計目的是為了使得網(wǎng)絡(luò)性能在某一個或幾個方面得到優(yōu)化。在這個過程中，MAC層的參與、配合是必不可少。在最終決定發(fā)射功率的選擇上，要同時綜合考慮各層協(xié)議與功率控制之間的關(guān)系和相互之間的影響。在速率控制方面那么是考慮到當接收端的信道條件變好，信干比增加時，鏈路上的傳輸速率將一直隨其增加，即使該增加量非常小，該趨勢也一直存在。節(jié)能MAC協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一個能源受限系統(tǒng)，如何有效地使用能源和盡量地節(jié)省能源是進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時必須考慮的問題。在眾多出于節(jié)省能量考慮的協(xié)議中，最具代表性的是PAMAS協(xié)議。協(xié)議節(jié)省節(jié)點能量的根本思想是：節(jié)點在不能發(fā)射和接收分組的情況下，關(guān)閉其無線網(wǎng)絡(luò)接口而進入睡眠狀態(tài)，它有選擇地關(guān)閉某些不需要接收和發(fā)送的節(jié)點，以節(jié)省能量。 MAC協(xié)議的QoS保障MAC層的QoS保障主要是解決實時性要求很高的業(yè)務(wù)快速獲得信道使用權(quán)和防止過大的時延。設(shè)計具有QoS保障的MAC協(xié)議主要有3種方法：給定使用多種接入機制、采用區(qū)分效勞優(yōu)先級的方法和采用資源預留的方法。減小能量消耗的問題。 現(xiàn)有比較有代表性的協(xié)議包括HRMA協(xié)議、DPC協(xié)議以及PMAW協(xié)議等。本章內(nèi)容Adhoc網(wǎng)絡(luò)概述Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS研究Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用Adhoc網(wǎng)絡(luò)的單播協(xié)議分類對于已經(jīng)提出的Adhoc網(wǎng)絡(luò)的單播協(xié)議，從不同的角度有不同的分類方法。1〕從路由發(fā)現(xiàn)策略的角度：主動路由協(xié)議、按需路由協(xié)議和混合路由協(xié)議。2〕從網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)的角度：平面結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)。還有一些其他方法：按是否有GPS〔全球定位系統(tǒng)〕輔助；按路由信息的更新方式；據(jù)每次為單個源/目的節(jié)點對創(chuàng)立的路由數(shù)量。幾種典型的Adhoc單播協(xié)議DSDV主要特點是采用序列號機制來防止可能產(chǎn)生的路由環(huán)路。DSR最大特點是使用了源路由機制。AODV使路由協(xié)議的開銷有所降低。TORA具有高度自適應(yīng)性、高效率和較好的擴充性，能同時支持按需和主動路由發(fā)現(xiàn)。ZRP典型的分級路由協(xié)議，它混合使用了主動和按需兩種路由策略，結(jié)合了這兩種協(xié)議的優(yōu)點。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的多播路由協(xié)議多播〔Multicast〕是一種一點〔或多點〕對多點的分組傳輸方式，與傳統(tǒng)的點對點通信方式相比，它能有效地減輕網(wǎng)絡(luò)和效勞器負載，改善傳輸性能。根據(jù)多播組創(chuàng)立后的拓撲結(jié)構(gòu)可以分為三種類型：基于樹的多播路由協(xié)議、基于網(wǎng)格的多播路由協(xié)議以及混合多播路由協(xié)議。基于Adhoc的多播路由協(xié)議性能比較本章內(nèi)容Adhoc網(wǎng)絡(luò)概述Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS研究Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用傳統(tǒng)QoS路由問題效勞質(zhì)量QoS〔QualityofService〕是指發(fā)送和接收信息的用戶之間，以及用戶與傳輸信息的集成效勞網(wǎng)絡(luò)之間關(guān)于信息傳輸?shù)馁|(zhì)量約定。QoS路由的根本問題就是在源和目的站之間，如何找到一條能夠同時滿足多個約束條件且具有最小代價的路徑。傳統(tǒng)QoS路由問題目前大量的QoS路由算法或協(xié)議中主要選取的度量：〔1〕路徑長度〔跳數(shù)〕〔2〕帶寬〔3〕分組延遲〔4〕分組抖動〔5〕分組喪失率〔6〕穩(wěn)定性〔7〕代價傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的QOS效勞模型Intemet工程任務(wù)組IETF主要制定了以下三種QoS效勞模型用來在不同的場合提供相應(yīng)的質(zhì)量保證：集成效勞模型區(qū)分效勞模型多協(xié)議標記交換Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS效勞模型傳統(tǒng)Internet上支持QoS效勞的集成效勞模型和區(qū)分效勞模型都不支持Adhoc網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)環(huán)境。針對移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點，研究者提出了首個Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS模型FQMM，該模型類似于DiffServ，它沿用了DiffServ中對節(jié)點功能的劃分，定義了三種類型的節(jié)點，即入口節(jié)點、內(nèi)部節(jié)點以及出口節(jié)點。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS信令QoS信令主要用于在QoS策略中預留和釋放資源以及協(xié)商、建立和取消業(yè)務(wù)流的連接。INSIGNIA是一種專為移動Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的QoS帶內(nèi)信令協(xié)議，它支持Best-Effort和自適應(yīng)的實時業(yè)務(wù)。INSIGNIA提供QoS信令所需的流建立、流恢復、軟狀態(tài)管理、自適應(yīng)調(diào)節(jié)和QoS報告5種操作，它們共同完成QoS信令功能。本章內(nèi)容Adhoc網(wǎng)絡(luò)概述Adhoc網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議Adhoc網(wǎng)絡(luò)的QoS研究Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用Adhoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域由于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特殊性，它的應(yīng)用領(lǐng)域與普通的通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別，它適合被用于無法或不便預先鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的場合、需快速自動組網(wǎng)的場合等。1〕軍事應(yīng)用2〕傳感器網(wǎng)絡(luò)3〕緊急和臨時場合4〕個人通信5〕與移動通信系統(tǒng)的結(jié)合6〕移動會議和協(xié)同工作7〕其他Adhoc傳感器網(wǎng)絡(luò)無線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型體系結(jié)構(gòu)示意圖Adhoc傳感器網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用監(jiān)測和收集敵方部署，