移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)：原理、技術(shù)與應(yīng)用 第3版 課件 CH3 移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)-3

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN)1課程大綱引言物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層跨層設(shè)計(jì)2課程大綱引言物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層跨層設(shè)計(jì)3什么是無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)“mesh”Mesh的原意是網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都互聯(lián)起來(lái)但是大部分現(xiàn)代mesh只一部分節(jié)點(diǎn)子集相互連接與網(wǎng)格“grid”不同目標(biāo)在一個(gè)更大的覆蓋區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線接入最小化資金、安裝和調(diào)試開銷4無(wú)線路由器網(wǎng)關(guān)打印機(jī)，服務(wù)器移動(dòng)客戶端固定客戶端Mesh內(nèi)無(wú)線鏈路固定客戶端接入移動(dòng)客戶端接入互聯(lián)網(wǎng)接入鏈路節(jié)點(diǎn)類型鏈路類型概述5網(wǎng)關(guān)多接口（有線的和無(wú)線的)移動(dòng)性固定的(比如屋頂)–大部分情況移動(dòng)的(比如飛機(jī)，公交/地鐵）相對(duì)來(lái)說(shuō)需要的很少（可能很貴）6GW無(wú)線路由器至少一個(gè)無(wú)線接口移動(dòng)性固定的（比如屋頂）

移動(dòng)的（比如飛機(jī)、公交/地鐵）提供覆蓋（作為一個(gè)小型小區(qū)信號(hào)塔）不產(chǎn)生或終止數(shù)據(jù)流廣域范圍需要很多，開銷是個(gè)問(wèn)題7客戶端一般用一個(gè)接口移動(dòng)性固定的移動(dòng)的與mesh網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線路由器連接（或直接連到網(wǎng)關(guān)）網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量流的唯一源頭和目的地8用戶到無(wú)線路由器間鏈路有線的總線(PCI,PCMCIA,USB)以太網(wǎng)，防火墻等無(wú)線802.11x藍(lán)牙專有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)設(shè)計(jì)合理則不會(huì)成為瓶頸為了和路由器間鏈路區(qū)分，則稱為接入鏈路(accesslinks)有線的無(wú)線的9路由器到路由器鏈路無(wú)線802.11x專有通常多點(diǎn)到多點(diǎn)有時(shí)一組節(jié)點(diǎn)到一個(gè)節(jié)點(diǎn)通常是瓶頸鏈路為了和路由器到用戶鏈路進(jìn)行區(qū)分，被稱為骨干鏈路(backbonelinks)無(wú)線10網(wǎng)關(guān)到互聯(lián)網(wǎng)鏈路有線的以太網(wǎng)，Ethernet,電視電纜，電源線無(wú)線的802.16專有點(diǎn)到點(diǎn)或者單點(diǎn)到多點(diǎn)被稱為回程鏈路(backhaullinks)設(shè)計(jì)合理則不會(huì)成為瓶頸鏈路11工作方式用戶到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流在大部分應(yīng)用中是主要數(shù)據(jù)流

用戶到用戶數(shù)據(jù)流在大部分應(yīng)用中占一小部分?jǐn)?shù)據(jù)流12WMNVS自組織網(wǎng)絡(luò)WMN多跳節(jié)點(diǎn)是無(wú)線的，部分移動(dòng)部分固定需要依賴固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施大部分流量是從用戶到網(wǎng)關(guān)的自組織網(wǎng)絡(luò)多跳節(jié)點(diǎn)是無(wú)線的，可能移動(dòng)不依賴固定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施大部分流量是用戶到用戶的13WMNVSWSNWMN帶寬充足(>1Mbps)節(jié)點(diǎn)部分移動(dòng)部分固定通常沒有能耗限制大部分流量是用戶到網(wǎng)關(guān)WSN帶寬有限(數(shù)十kbps)大部分應(yīng)用中節(jié)點(diǎn)固定能耗是一個(gè)重要問(wèn)題大部分流量是用戶到網(wǎng)關(guān)14分類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多跳基于基礎(chǔ)設(shè)施(ad-hoc)基于基礎(chǔ)設(shè)施(混合)少用基礎(chǔ)設(shè)施(MANET)單跳蜂窩網(wǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)車對(duì)車網(wǎng)絡(luò)(VANETs)基于基礎(chǔ)設(shè)施(總線和輻射)802.11802.16藍(lán)牙802.1115結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施MESHING客戶端MESH網(wǎng)絡(luò)混合MESH網(wǎng)絡(luò)16基礎(chǔ)設(shè)施WMN17客戶端WMN18混合WMN19課程大綱引言物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層跨層設(shè)計(jì)20物理層(PHY)需求列表性能帶寬穩(wěn)定的調(diào)制靈敏性信道間快速切換額外需求移動(dòng)性鏈路適配可變傳輸功率鏈路質(zhì)量反饋21PHY–調(diào)制已有的調(diào)制方案工作良好

OFDM,DSSS,FSK等等短距離通信UWB可能是個(gè)有趣的替代項(xiàng)擴(kuò)頻方案穩(wěn)定性更好衰減（對(duì)移動(dòng)應(yīng)用非常重要）干擾(比在任何其他無(wú)線系統(tǒng)中多更多倍）22PHY–先進(jìn)天線定向的和智能的天線多天線/多信道系統(tǒng)多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)IEEE802.11n的主要技術(shù)頻率捷變/認(rèn)知無(wú)線電甚至軟件無(wú)線電23課程大綱引言物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層跨層設(shè)計(jì)24現(xiàn)有的MAC協(xié)議調(diào)度的固定調(diào)度的TDMA輪詢?cè)赪MN中不實(shí)用，因?yàn)槿鄙伲褐醒雲(yún)f(xié)調(diào)點(diǎn)合理的時(shí)間同步

隨機(jī)接入CSMA在WMN中無(wú)效率RTS/CTS25考慮以下場(chǎng)景[Tobachi75]B在A和C的覆蓋范圍內(nèi)，A和C在對(duì)方的覆蓋范圍外也就是說(shuō)A和C相互隱藏A發(fā)送數(shù)據(jù)包給BC發(fā)送數(shù)據(jù)包給B兩個(gè)包在B處發(fā)生碰撞造成吞吐率下降CSMA無(wú)法工作C由于聽不見A，不知道需要等待解決方案：RTS/CTS–以及預(yù)期的傳輸時(shí)間[Karn90]A

CBWMN中的MAC問(wèn)題：隱藏節(jié)點(diǎn)

26提高網(wǎng)絡(luò)容量MAC–為什么需要多信道B=信道帶寬用戶帶寬=B/2Ch-1Ch-11234用戶帶寬=BCh-1Ch-21234鏈路帶寬=BCh-1Ch-212327MAC–怎樣實(shí)現(xiàn)多信道信道可以通過(guò)以下幾種技術(shù)實(shí)現(xiàn)：TDMA（很難，因?yàn)槿鄙偻剑〧DMACDMA（碼的分配是個(gè)問(wèn)題）SDMA（使用定向天線）聯(lián)合以上技術(shù)28MAC–多信道單天線多信道協(xié)調(diào)層MCCL或許可以在MAC和網(wǎng)絡(luò)層之間引入一個(gè)新的多信道協(xié)調(diào)層必須在802.11的限制范圍內(nèi)工作可能提升網(wǎng)絡(luò)的容量PHY802.11MCCLIPCh-1Ch-21234Ch-1Ch-212329MAC–多信道多天線節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)收發(fā)節(jié)點(diǎn)可以使用一個(gè)控制信道進(jìn)行協(xié)調(diào)，剩下信道來(lái)交換數(shù)據(jù)在有些情況下可以分廠有效但是控制信道可能會(huì)：無(wú)法接受的負(fù)載成為瓶頸GWGWGW30課程大綱引言物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層跨層設(shè)計(jì)31路由–需求列表可擴(kuò)展性在移動(dòng)WMN中開銷是個(gè)問(wèn)題快速的路由發(fā)現(xiàn)和再發(fā)現(xiàn)可靠性的必要條件移動(dòng)用戶支持無(wú)縫高效的切換靈活性在有無(wú)網(wǎng)關(guān)，不同拓?fù)湎鹿ぷ鱍oS支持考慮滿足特殊標(biāo)準(zhǔn)的路徑多播對(duì)某些應(yīng)用很重要（比如應(yīng)急響應(yīng)）32現(xiàn)有的路由協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議（比如OSPF,BGP,RIPv2）知名，受信賴設(shè)計(jì)基于極少鏈路變化的假設(shè)不做顯著修改尤其無(wú)法用于WMN網(wǎng)絡(luò)，也一般無(wú)法用于自組織網(wǎng)絡(luò)自組織路由協(xié)議（比如DSR,AODV,OLSR,TBRPF）相比互聯(lián)網(wǎng)路由協(xié)議而言是新來(lái)者為高速鏈路變化設(shè)計(jì)，因而在WMN網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)良好可以進(jìn)一步優(yōu)化來(lái)應(yīng)對(duì)WMN網(wǎng)絡(luò)的特性33WMN路由挑戰(zhàn)容量下降

干擾可能的解決方案多天線34樣例每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)接口一個(gè)固定的，一個(gè)可切換的3個(gè)可用信道路由路徑：ABC35ABC固定=1固定=2固定=3初始：

可切換=3可切換=1可切換=2步驟1: 可切換=2 步驟2: 可切換=3分布式算法1.初始時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)隨機(jī)信道作為自己固定接口的信道CUL：信道使用列表36例如:所有節(jié)點(diǎn)都是鄰居（3個(gè)信道）A固定的=132C1CULB固定的=132B1CUL32D1CUL32A1CUL32E1CULC固定的=1D固定的=1E固定的=1分布式算法2.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性在每個(gè)信道上廣播它目前的固定信道。例如：A固定=132C1CULB固定=132B1CUL32D1CUL32A1CUL32E1CULC固定=1D固定=1E固定=1“Hello”“Hello”“Hello”37分布式算法3.在接收到一個(gè)hello數(shù)據(jù)包后，節(jié)點(diǎn)更新自己的鄰居表和信道使用列表。38例如：A固定=132ABCDE1CULB固定=132ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CULC固定=1D固定=1E固定=1分布式算法4.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。39例如：

A固定=132ABCDE1CULB固定=132ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CULC固定=1D固定=1E固定=1分布式算法4.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。40例如：

C決定切換到信道2A固定=132ABCDE1CULB固定=132ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CULC固定=1D固定=1E固定=1改變分布式算法例如：C廣播給鄰居A固定=13C2ABDE1CULB固定=132ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CUL32ABCDE1CULC固定=2D固定=1E固定=1“Hello”“Hello”“Hello”414.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例如：廣播之后A固定=13C2ABDE1CULB固定=13C2ABDE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CULC固定=2D固定=1E固定=1424.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：

E檢查自己的CUL，但是并不改變A固定=13C2ABDE1CULB固定=13C2ABDE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CULC固定=2D固定=1E固定=1不變434.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：

D切換到信道3A固定=13C2ABDE1CULB固定=13C2ABDE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CULC固定=2D固定=1E固定=1改變444.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：

D廣播A固定=13C2ABDE1CULB固定=13C2ABDE1CULD3C2ABE1CUL3C2ABDE1CUL3C2ABDE1CULC固定=2D固定=3E固定=1“Hello”“Hello”454.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：D廣播之后A固定=1D3C2ABE1CULB固定=1D3C2ABE1CULD3C2ABE1CULD3C2ABE1CULD3C2ABE1CULC固定=2D固定=3E固定=1464.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：

B變換到信道2A固定=1D3C2ABE1CULB固定=1D3C2ABE1CULD3C2ABE1CULD3C2ABE1CULD3C2ABE1CULC固定=2D固定=3E固定=1改變474.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：

B廣播A固定=1D3C2ABE1CULB固定=2D3CB2AE1CULD3C2ABE1CULD3C2ABE1CULD3C2ABE1CULC固定=2D固定=3E固定=1“Hello”“Hello”484.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法例子：B廣播A固定=1D3CB2AE1CULB固定=2D3CB2AE1CULD3CB2AE1CULD3CB2AE1CULD3CB2AE1CULC固定=2D固定=3E固定=1494.每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性查詢自己的CUL（相對(duì)長(zhǎng)的周期）。如果檢測(cè)到它的固定信道

太擁擠，它就以p的概率改變自己的固定信道到一個(gè)不那么擁擠的信道上。分布式算法不再變化！A固定=1D3CB2AE1CULB固定=2D3CB2AE1CULD3CB2AE1CULD3CB2AE1CULD3CB2AE1CULC固定=2D固定=3E固定=1鑒定信道是否太擁擠的閾值：鄰居數(shù)信道數(shù)50總結(jié)優(yōu)點(diǎn)規(guī)則簡(jiǎn)單地使用多借口多信道缺點(diǎn)固定信道上的不同節(jié)點(diǎn)考慮流量模式來(lái)提高效率在固定/可變換信道上的相同節(jié)點(diǎn)如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常接收但是不發(fā)送，則其固定接口可能過(guò)載，而可變換接口則一直空閑51例子2：MR-LQSRSABCD10ms10ms10ms30ms40msEF10ms20ms10msCh2哪個(gè)路由路徑最好？延時(shí)更高，但是最短？使用多信道？低延時(shí)但是使用一個(gè)信道？RichardDraves,JitendraPadhye,andBrianZill@Mobicom200452MR-LQSRLQSR（鏈路質(zhì)量源路由）是一個(gè)源自DSR的源路由鏈路狀態(tài)協(xié)議多天線LQSR聯(lián)合LQSR協(xié)議和一個(gè)叫做WCETT(加權(quán)累積期望傳輸時(shí)間)的新指標(biāo)WCETT考慮了丟包率、鏈路帶寬和信道變化53MR-LQSR假設(shè)固定節(jié)點(diǎn)一個(gè)或多個(gè)802.11天線多天線都調(diào)整到非干擾信道上設(shè)計(jì)目標(biāo)丟包率和帶寬兩者都考慮了應(yīng)該增加路徑指標(biāo)每跳在不同信道上的路徑更好54單信道中的WCETT在路徑上成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所預(yù)期的時(shí)間之和5510ms15ms5ms5ms20msWCETT=10+15+5+5+20=55例如：Xj：

信道j上各跳傳輸時(shí)間之和10msCh15msCh15msCh320msCh2X1=10+5=15X2=15+20+10=45X3=5WCETT=max(X1,X2,X3) =max(15,45,5) =45例如：15msCh210msCh2Xj=ΣETTi,1≦j≦k跳i

在信道

j上信道多元化WCETT56聯(lián)合WCETT例如：S1:2:3:4:SSSDDDDETT=10ETT=10ETT=9ETT=6ETT=5ETT=5ETT=7ETT=6ETT=12ETT=12ETT=11ETT=6ETT=6ETT=7ETT=6Ch1 Ch2PathSumMaxWCETT(β=0.9)WCETT(β=0.1)1272222.526.52332223.131.93342021.432.642424242457MR-LQSR實(shí)現(xiàn)在一個(gè)ad-hoc路由框架下的實(shí)現(xiàn)叫Mesh連接層(MCL)MCL是一個(gè)可加載的windows驅(qū)動(dòng)，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器對(duì)系統(tǒng)的其他部分來(lái)說(shuō)，自組織網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為一個(gè)附加的網(wǎng)絡(luò)鏈路在內(nèi)部使用LQSR協(xié)議進(jìn)行路由IPv4IPv6IPX…MCL(withLQSRandWCETT)Ethernet802.11802.16…58仿真結(jié)果單天線三個(gè)協(xié)議間的區(qū)別不太明顯多天線WCETT極大超出其他協(xié)議WCETT除了鏈路帶寬外海考慮了信道多樣性59課程大綱引言物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層跨層設(shè)計(jì)60跨層設(shè)計(jì)：引言動(dòng)機(jī)不可靠的物理層鏈路各種各樣的容量和誤比特率多天線/多信道，定向天線，MIMO動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

影響多層協(xié)議鏈路故障分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)自組織功能61跨層設(shè)計(jì)：引言每層設(shè)計(jì)需求

物理層穩(wěn)定調(diào)制鏈路適配功率調(diào)整MAC層提供優(yōu)先級(jí)提供保證（帶寬，延時(shí)）62跨層設(shè)計(jì)：引言每層設(shè)計(jì)需求

網(wǎng)絡(luò)層選擇“好”路由提供優(yōu)先級(jí)后備資源（提供保障）傳輸層可能時(shí)嘗試端到端恢復(fù)應(yīng)用層與下面層進(jìn)行端到端協(xié)商適應(yīng)QoS變化63方案通過(guò)考慮其他協(xié)議層的參數(shù)來(lái)優(yōu)化某層的性能低層參數(shù)報(bào)告給更高層沒有完全拋棄協(xié)議層間的透明性合并幾個(gè)協(xié)議到同一個(gè)部分

可以通過(guò)協(xié)議間更加密切的交互來(lái)獲取更好的性能64設(shè)計(jì)方案分類

松耦合使用其他協(xié)議層的參數(shù)沒有完全拋棄協(xié)議層間的透明性提升有限

緊耦合不同層一起優(yōu)化極端的：合并多個(gè)層到一個(gè)層更好的性能失去協(xié)議層抽象6