自组织无线网络技术简介.ppt

自组织无线网络技术赵太飞办公室：5-623 1从蜂窝电话到AD HOCq蜂窝无线通信 目前仍然是最大的效益获得者q无线Internet 在美国校园中最多的Internet接入是无线 在其它国家和地区也在跟进，2.5G和3G技术出现qAd hoc 无线网络 无固定基础设施2蜂窝移动通信q第一代模拟蜂窝移动通信(analog voice)由Bell实验室发明,1982年首次在美国安装.q第二代数字蜂窝移动通信(Digital voice)CDMA(1993),TDMA(1996北美),GSM(1991欧洲)q第三代数字蜂窝移动通信(Digital voice)Cellular,wireless LAN,Bluetooth,etc.Supports multimedia services:data,voice,video,image3蜂窝移动通信系统n蜂窝移动通信系统主要是由移动台（MS）、无线基站子系统（BSS）和网络交换子系统（NSS）三大部分组成.n移动台（MS-Mobile Station）:由移动终端（MS）和客户识别卡（SIM）组成。n无 线 基 站 子 系 统（BSS-Base Station System):无线基站子系统是在一定的无线覆盖区中由移动交换中心（MSC）控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。4图：蜂窝移动通信系统的组成网络交换子系统(NSS-Network Switch Subsystem):网络交换子系统主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。蜂窝移动通信系统5蜂窝的概念nGeographical separationnCapacity(frequency)reusenBackbone connectivityBSBSBSBSBSBSBackbone Network6蜂窝的结构示意图n在每7个相邻的蜂窝中频率不重复使用。n使蜂窝变小，能增加更多的用户。7蜂窝通信原理移动站、基站和移动交换中心（MSC）的基本蜂窝系统8无线Internet9无线局域网（WLAN）n无线网络与有线网络并无不同：n用户设备通过无线网卡，以无线（Radio）的方式连接到网络的接入点上（Access Point），使用网络资源。10无线网络的组成元件n接入点（Access Point）：相当于LAN中集线器（HUB）的功能，将信号转送到目的地。n无线网卡：在用户端设备（电脑，PDA）上，与AP传输数据。相当有线网卡的作用。Access PointWireless USBWireless PCMCIA无线网卡11无线网络构架n两个用户端设备通信只要无线网卡就可以，不需透过AP传送。要连接到Internet就要经过AP。12网络慢游13通信发展趋势n两大发展趋势n n无线/移动n nIPIP14n随着电信市场竞争的加剧，找准和开拓新的业务增长点成了电信运营商和设备提供商在市场中掌握先机的关键。n采用移动Ad Hoc网络技术的MESH无线区域网等业务被认为是未来的业务热点之一。n甚至有人称：就象IP网络改造传统电信网络一样，移动Ad Hoc网络技术可能对现有移动通信网络的结构和运营模式带来划时代的影响。Ad Hoc自组织无线网络技术意义深远15Ad Hoc无线网络概念n一组带有无线收发装置的移动终端移动终端组成的一个多多跳的跳的、临时性 自创建（Self-Creating)、自组织(Self-Organizing)、自管理（Self-Administering)系统。n不依赖预设的基础设施而临时组建。n移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。可独立工作，也可与Internet或蜂窝无线网络连接。一种新的组网技术，可以和其他许多平台结合使用！一种新的组网技术，可以和其他许多平台结合使用！16Overview-自组织功能17Overview-动态变化的网络拓扑18Overview-自动最佳路由选择最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传19最佳路由最佳路由备选替换路由备选替换路由有线回传有线回传支持移动支持移动IPIP功能功能Overview-无缝漫游20Overview-方便扩展21关键技术问题nMAC-碰撞/冲突避免、隐藏和暴露终端问题n n网络自组织技术（自动组网，相邻发现等）n n自组织路由协议的设计和开发（自动路由建立、维护和恢复等）nQoS保证n功率控制与管理n网络的信息安全22这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem)A 的作用范围C 的作用范围ABCD当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的，因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。23其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据这就是暴露站问题(exposed station problem)B 的作用范围C 的作用范围ADCB？B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。24RFRFBBPBBPMAC/LLCMAC/LLCNew Network Level New Network Level Application LevelApplication LevelAd Hoc Subnet Ad Hoc Subnet 传输传输 LevelLevelCore Technology一般需要一般需要多层次协多层次协议层协调议层协调工作、综工作、综合考虑。合考虑。25Existing MANET protocolsMANETMANETrouting routing protocolsprotocolsdiscover routes on-demand(re-active)Maintain updated routes(pro-active)Source routingTable drivenVariation of distant vector?Variations of link state routing?DSRDSRAODVAODV,ABR,TORADSDVDSDV、CGSRCGSROLSROLSR先应式路由按需路由混合式路由（Hybrid）ZRPZRP(局部先应，广域按需）其它：其它：功率感知路由、地理位置信息路由、QoS路由、多播路由、可扩展路由26可以和许多技术结合271、城域无线通信（无线宽带接入、小区覆盖等）2、企业局域网：展览中心、体育场、旅游区、大型仓库、港口、建筑、煤矿、石油/化工、环保、.3、应急/救援通信系统4、工业自动化控制 5、智能交通6、传感器监测网络7、家庭安全监测系统8、战场侦察网络、战地监测网络、信息中继9、各种远程监测/监控系统（如环保、水文、地质、资源 保护、研究等）10、公安/交警/消防11、.AD HOC网络的应用28我们的观点参考n3G带宽依然有限。n各种终端设备层出不穷（Laptops,PDAs,pocket PC,PC,Smartphone,MP3/4,Digital Cameras etc.）n基于IP的数据业务是主流。n3G平台单独比较难完全满足数据业务高速增长的需求。“一网打尽”不现实。n需要其它技术协助、完善。Ad Hoc技术和3G等技术结合的趋势越来越明显。29基于WLAN的无线自组织网络nIEEE802.11b/g（2.4GHz）、IEEE802.11（5GHz）n每个节点2002000m覆盖范围n64/128位WEP加密（或WAPI）（可根据需要 增加不同层次的加密功能）n高带宽，11-54M/s或更高（IEEE802.11n）n面向数据业务(Data service oriented)的网络n支持VoWi-Fin网络可靠性高n组网非常方便n通用性和兼容性强n成本优势n丰富的终端支持30在城域中的运用31与其他移动通信技术的结合32移动现场办案APAP和终端都可移动和终端都可移动“网格化布警网格化布警”33现场布控/紧急通信34宽带无线小区接入35校园/医院/大型企业宽带无线专网n n高带宽高带宽n n网络自愈功能很强网络自愈功能很强n n无缝漫游无缝漫游n n成本低成本低n n不用布线，布网方便不用布线，布网方便n n扩展性强扩展性强36国外应用情况n蜂窝型Wi-Fi网络已经在美国一些城市部署和即将开始部署，如Michigan州的Grand Haven几年前完成了Wi-Fi网络覆盖，成为了全美国第一座WiFi城市。Chaska,Minnesota（密尼苏达州）也已经建成覆盖全市的蜂窝型Wi-Fi网络，并投入运营。nPhiladelphia（费城）投资700万1000万美圆搭建覆盖整个城市135平方英里的范围，为整个城市提供一个基于IEEE802.11b的Wi-Fi宽带无线网络，为目前世界上规模最大的蜂窝型Wi-Fi城域无线宽带网络。n同时，美国其它一些大城市，如Madison、Boston、Culver City等都在计划当中。Anaheim,Portland;Minneapolis;Arlington and Brookline.n2005年台北市和Nortel合作，建立了覆盖整个城市的蜂窝型Wi-Fi网络。n英国（BT）、澳大利亚、新西兰等。37移动ad hoc网络基础知识n概述nInternet路由体系nAd hoc协议栈 节点、网络结构Ad hoc协议栈nMANET路由概述路由技术面临的特殊困难路由机制的分类38移动ad hoc网络基础知识n蜂窝移动通信网络移动终端和固定基站互相通信移动终端不具备路由功能基站负责路由和交换功能基站充当接入有线网络的网关39移动ad hoc网络基础知识nWLAN移动节点配备无线网网卡移动节点通过接入点与固定网络连接WLAN工作在链路层，对网络层透明对网络层来说WLAN是一个单跳网络依赖于类似基站或接入点的现有网络基础设施。40移动互联网的需求n特殊环境（空旷）n临时会议/紧急情况n科学考察/探险/军事战场n接入网络服务商所需的时间和成本n现有服务和架构的性能或者能力n用户可远离网络基础设施而保持与网络的连接无网络设施可用不想使用网络设施延伸网络设施的范围41移动互联网的起源n20世纪70年代分组无线网（PRNET）战场环境下的数据通信n1983年的抗毁自适应网络（SURAN）支持大规模网络自适应网络协议n 1994年的全球移动信息系统（GloMo）满足军事应用可快速展开高抗毁性的移动信息系统DARPA资助PRNET：packet radio netSURAN：survivable adaptive networkGloMo：global mobile information systemsJTRS：joint tactical radio system42移动互联网的研究活动nIEEE802.11首次提出“ad hoc”自组织、对等式、多跳无线移动通信网络n Internet工作组IETF1997年成立MANET工作组-利用多跳无线网构造一个基于IP的移动互联网IRTF在2003成立了ANS 研究组n其他学术商业团体大学、军队和工业届的研究项目商业系统：FireTide、MeshNetworks、PacketHop Networks、SkyPilot Network、Tropos NetworksMANET：mobile ad hoc networkANS：Ad Hoc Networks Scalability43移动ad hoc网络n移动Ad hoc网络/多跳无线网络由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成网络中每个终端可以自由移动、地位相等是一个多跳、临时、无中心网络不需要现有信息基础网络设施的支持可以在任何时候、任何地点快速构建起来的移动通信网络Ad hoc-“for the specific purpose only”44移动ad hoc网络的特点具备移动通信网络和计算机网络的特点：n移动通信和计算机网络相结合n报文交换采用分组交换机制n用户终端是配有无线收发设备的移动便携式终端作为主机要运行面向用户的应用程序作为路由器要运行相应的路由协议n 终端之间的路由通常通过多个中间节点的转发来完成多跳无线网、自组织网络、无固定设施的网络、对等网络45移动ad hoc网络的特点（续）n网络拓扑动态变化用户终端随意移动节点的开机/关机无线电发送功率变化无线信道间互相干扰地形等综合因素影响移动终端之间通过无线信道形成的网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。n无中心网络的自组性无控制中心每个节点地位平等节点随时加入/离开网络任何节点故障不会影响整个网络具有更强鲁棒性和抗毁性46移动ad hoc网络特点（续）n多跳组网方式接收端和发送端可使用比两者直接通信小得多的功率进行通信，因此大大节约电池能量的消耗。中间节点参与分组转发，能有效降低对无线传输设备的设计难度和成本，同时扩大了自组网络的覆盖范围。47移动ad hoc网络特点（续）n有限的无线传输带宽无线信道能提供的网络带宽比有线信道要低很多竞争共享无线信道产生的碰撞信号衰落、噪声干扰以及信道之间干扰等n 移动终端的自主性自组网络的移动终端之间存在某种协同工作关系每个终端都将承担为其它终端进行分组转发的义务48移动ad hoc网络特点（续）n安全性差无线链路使ad hoc网络容易受到链路层的攻击节点漫游时缺乏物理保护移动性使得节点之间的信任关系经常变化n网络的可扩展性不强节点之间的相互干扰造成网络容量下降各节点吞吐量随网络节点总数的增加而下降n存在单向的无线信道无线终端发射功率的不同以及地形环境的影响n生存时间短49移动ad hoc网络分类nSensor网络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。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，可将信息送往某个大型网络使远程用户检测到该信息。n移动Ad hoc网络无线ad hoc网络各个无线节点都可以自由移动50移动ad hoc网络分类（续）nSensor网络与ad hoc网络的主要差别节点数量多节点分布稠密网络拓扑经常变化节点通信主要采用广播或者组播方式节点的能量、计算能力和存储空间有限节点的标识不规范51移动ad hoc网络与其他网络比较n与常规移动通信网络比较不需要网络通信基础设施支持不依赖基站进行通信分组交换机制数据通信业务为主拓扑结构动态变化n与传统固定网络比较固定网络中主机位置基本不变固定网络结构一般比较复杂ad hoc网络规模相对较小ad hoc网络的拓扑结构比较简单 ad hoc网络拓扑结构快速变化52ad hoc网络与其他网络（续）n与分组无线网、无线局域网、红外网络比较单跳与多跳研究重点不同通信模式不同导致主要研究内容是在网络的物理层和DL移动终端的所有通信都要经过接入点进行WLAN、红外网络都是单跳网络，不存在路由问题Ad hoc网络的研究内容主要以路由协议为核心的网络层设计ad hoc移动终端的通信是对等的53MANET与mobile IP54ad hoc网络应用现状与前景55ad hoc网络面临的问题n特殊的信道共享方式共享信道“隐藏终端”/“暴露终端”n 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n 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导致RTS/CTSMACAWDBTMAPAMAS56ad hoc网络面临的问题（续）n节能问题功率控制电池供电n 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策略应具有可扩展性MTPRMBCRMMBCRCMMBCR57ad hoc网络面临的问题（续）网络管理n拓扑管理确定一种将一组节点组织成网络的机制n移动性管理跟踪网络内移动节点的位置n服务质量保证多跳拓扑动态变化的移动ad hoc网络中服务质量保证仍然是个问题n地址自动配置n。58影响ad hoc网络的主要因素n无线通信技术 受限于底层无线通信技术的性能（传输率、延迟、吞吐量）n节点密度密度越高传输路径的跳数越多，受网络拓扑变化的影响就越明显。n节点移动速度速度越高节点间的拓扑结构的稳定性越差，路由计算和交换负载越大。n通信负荷和通信模式 流量特性和分布将直接影响到网络的吞吐性能。59实现ad hoc网络的关键技术n路由协议n服务质量n功率控制n安全问题nAd hoc网络的互联nAd hoc网络的资源管理n传输层服务的性能感知网络拓扑结构的变化维护网络拓扑的连接高度自适应的路由广播和多播信道接入技术能耗节约机制多个ad hoc网络互联内部节点访问Internet功能60Internet路由体系n自治系统一组处于同一管理机构控制之下的网络和路由器一个自治系统可自由地选择其内部的路由体系结构，但必须收集其内部所有网络的信息，并责成若干个路由器把这些可达信息送给其他的自治系统。由于Internet使用核心体系结构，每个与之相连的自治系统都要把可达信息送到Internet核心路由器。不把互联网络看作多个独立的网络，而是当作一个独立的组织，所有该网点的网络处于这个组织的控制之下。61Internet路由体系62自治系统内/之间的路由63自治系统内部路由协议 OSPFOSPF的特性n基于IPn采用链路状态算法n公开发布各种规范n包含路由服务类型n提供负载均衡功能n支持各种认证机制n支持三种路由（主机、子网、网络）n允许一个网点被划分成若干个区域n允许路由器之间交换从其他网点得到的路由信息RFC1247RFC232864自治系统之间的协议n外部邻居 两个交换路由信息的路由器分属两个AS。n内部邻居 两个交换路由信息的路由器同一个AS。BGP65自治系统之间的协议 BGPn边界网关协议（BGP）基于TCP采用距离矢量路由算法克服了“无穷计算”问题RFC1267RFC1268RFC146766Ad hoc网络体系结构n节点结构主机：面向移动用户，完成数据处理等功能。路由器：负责路由选择、转发用户数据报更能。无线收发装置：完成数据传输功能。ad hoc网络的关键问题：如何发现、收集和使用拓扑信息形成合理的网络结构。67Ad hoc网络体系结构（续）网络结构n平面结构（完全分布式）所有节点的地位平等层次结构（分层分布式）n网络被划分为簇（cluster）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68多层体系结构n使用多频的两级结构69多级UAV异构ad hoc无线网络70平面结构的优缺点优点n简单所有节点能力相同n健壮只要存在多条路径就能通信n相对安全节点覆盖范围较小缺点n路由开销大n可扩充性差网络控制路由选择流量管理节点数目多移动性强的环境下，维持网络最新拓扑的控制开销大。71层次结构的优缺点优点nCluster成员功能简单n路由信息局部化n节点定位简单n可扩展性好n抗毁性好缺点nCluster头需要选择n所有传输都通过头nCloster头是瓶颈减少路由协议开销路由不一定最短72移动Ad hoc的协议栈73Ad hoc网络的路由概述n通信两点可能不在相互的无线传输范围内n需要其他节点承担路由器的转发工作n节点移动要发现新路由多跳通信74Ad hoc路由面临的困难n路由信息不易获得定期交换路由信息或者按需搜索路由的开销大网络资源有限，并且必须被所有节点共享节点资源（电池、CPU等）也是有限也许不可能收集齐所有的路由信息n路由信息不完整由于移动和分区很难将信息分发到一个没有固定成员网络的所有节点n路由信息可能过期不可能连续地或者立即地交换信息节点随时移动无线传播变化很大75常规路由协议是否可用？n常规路由协议不是为高移动性和低带宽网络设计的nDV算法存在“无穷计算”问题和慢收敛n采用泛洪技术的（链路状态）协议造成额外的通信和控制开销n常规路由协议周期性地路由更新消耗大量的网络带宽和节点能源n当网络节点失效和网络分区时形成路由回路n无线终端功率的差异以及无线信道的干扰导致单向信道的存在76Ad hoc网络对路由协议的要求n收敛迅速n提供无环路由n避免无穷计算n控制管理开销小n对终端性能无过高要求n支持单向信道n尽量简单实用n路由机制必须适应网络三个不断变化的基本特征移动节点的总体密度节点到节点的拓扑网络的使用模式77Ad hoc路由协议分类n平面路由无需建立具有特殊cluster头功能节点的层次结构；不划分区域以及所谓的区内/外不同路由所有的节点在路由机制中地位平等寻址方式是平面的n层次路由节点功能不同寻址方式是分层进行的n地理信息辅助路由利用地理信息进行路由选择7879按需（on-demand）路由协议反应式（reactive）路由n在源端需要时候通过路由发现过程来确定路由控制信息采用泛洪（flooding）方式路由请求延迟高路由开销低n两种实现技术源路由（报文头携带完整的路由信息）hop-hop路由nDSR、AODV80表驱动（table driven）路由先应式（proactive）路由n传统的分布式最短路径路由协议链路状态或者距离向量所有节点连续更新“可达”信息n每个节点维护到网络中所有节点的路由n所有路由都已经存在并且随时可用n路由请求的延迟低n路由开销高nOLSR、TBRPF81分级路由协议n层次式（hierarchical）路由一些节点组成一个cluster或者zone这些cluster或者zone可组成较大的supercluster或者superzonen Cluster和zone的不同cluster内所有节点都与cluster head直接通信，cluster内节点间的通信一般是两跳。zone的大小没有限制，zone内节点的通信可多跳。n ZRP82二级路由协议概念描述83分级路由协议的优缺点n优点网络拓扑结构的细节通过节点的层层聚合被隐藏起来，由此大大降低大型网络的存储要求。路由信息分层传播，需要在全局传播的路由信息较少。有限的链路状态维护按需建立路由n缺点分级路由协议的移动管理比较复杂某些节点（cluster head/gateway）比其他节点承担更多的通信和计算负载。具有较好的伸缩性可靠性受影响84评价ad hoc网络路由协议的指标n端-端的数据吞吐量和延迟反映了数据报的传输质量n路由请求的时间有数据需要发送到发送出去的时间n路由协议的效率路由控制信息与数据信息的比率路由协议的性能在不同的网络环境中表现不同！85我们关注的研究方向n电力载波中基于自组织网络的抄表系统n紫外通信中自组织网络路由研究nOpnet自组织网络路由算法仿真n应用于水产养殖的传感器网络技术n军用战术自组织网络研究（二炮）8687