短距离无线通信第5章无线自组织网

AdHoc基本介绍研究的主要问题体系结构信道接入协议路由协议分簇结构和算法（略）节能问题00:472“AdHoc”一词源于拉丁语，意为“Forthespecificpurposeonly”,即:特别的，临时的。AdHoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统。--移动终端：兼备路由器和主机两种功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑--多跳：由于节点发射功率有限，故无线传输范围受限，无法直接通信的节点通过中间节点转发实现通信--临时：战地通信、灾后营救、野外作业、临时集会等--自治：没有严格的控制中心，所有节点通过分层的网络协议和分布式算法协调各自的行为AdHoc网络可独立工作，也可以末端子网的形式接入现有网络，不适于作为中间承载网络。00:47300:474自愈式雷场系统系统采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破。具体：1、将地雷配备无线通信与自组织联网单元，通过某种方式布撒（飞机、地对地导弹等）2、地雷迅速构成移动AdHoc网络3、遭到敌方坦克突破后，地雷通过对拓扑结构的自适应判断和自身兼备的自动弹跳功能迅速“自愈”，重新构建网络，对敌方坦克实施阻拦。4、如此多次反复，直到网络无法重构，系统自行引爆作用：限制敌军机动能力，延缓敌军进攻或撤退速度，在一定时间内封锁特定区域。00:475由移动性引起的：无中心、自组织、生存时间短由终端引起的：多跳路由、拓扑动态变化、携带方便、能源受限由信道引起的：带宽较窄、无线信道质量差广播信道是多跳共享的，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到总体：无基础设施支持、自动配置、健壮、安全性差、路由选择维护困难00:476信道接入技术：决定网络的性能，隐终端、暴露终端路由协议：网络体系结构：提供多种业务及支持一定QoS的需要服务质量保证：不同层都要提供相应的机制，基于特定的网络和应用环境进行研究广播和多播：AdHoc的特殊性导致问题复杂安全问题：网络互联技术：不同路由协议和传输层服务的转换工作能耗节省机制：核心，功率控制网络公平性：实现公平性的算法00:477AdHoc基本介绍及研究的主要问题体系结构信道接入协议路由协议分簇结构和算法（略）节能问题QoS保障（略）00:478AdHoc网络的节点分为主机、路由器和电台三部分。--主机：普通移动终端的功能--路由器：维护网络拓扑结构和路由信息，完成报文转发的功能--电台：为信息传输提供无线信道支持00:479从物理结构分：00:4710拓扑可变的网络包含四种基本结构：1、中心式控制结构2、分层中心式控制结构（普通节点设备简单，中心控制节点设备复杂，有较强的处理能力，负责路由和实施流量控制）3、完全分布式控制结构（平面结构）4、分层分布式控制结构（分级结构）00:4711集中式控制结构分布式控制结构平面结构的AdHoc网络（只适用于中小规模的AdHoc网络）00:4712平面结构的AdHoc网络优点：1、简单，所有节点在网络控制、路由选择和流量管理上都是平等的，又称对等式结构。2、原则上不存在瓶颈，源与目的节点间存在多条路径，可以较好的实现负载平衡和选择最优化的路由。3、节点覆盖范围小，相对较安全。00:4713平面结构的AdHoc网络缺点：1、在节点数目很多，特别是在节点大量移动的情况下，控制开销大，路由经常中断，很难实施集中式的网络管理和控制。2、扩充性差，每一个节点都需要知道到达其他所有节点的路由，所以网络规模受限。00:4714分级结构的AdHoc网络1、网络划分为一到多个簇(cluster)，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。2、簇头形成高一级的网络，又可以再分簇，再组成更高一级的网络。3、簇头可以指定，也可以由节点使用算法选举产生。4、为了实现簇头间的通信，要有网关节点支持。网关节点指同时位于两个簇头通信范围内的节点。5、簇头和网关节点形成高一级的网络，称为虚拟骨干网(VBN)00:4715分级结构的AdHoc网络簇头：1、维护到达其他簇的路由信息，负责簇间数据的转发。2、知道网络中所有节点与簇的所属关系，知道所属簇成员的位置。簇成员：不需要维护复杂的路由信息00:4716分级结构的AdHoc网络优点：1、良好的可扩充性，网络规模不受限制。可以简单的通过增加簇的个数和网络的级数来增大规模。2、很强的抗毁性，因为簇头节点可以随时选举产生。3、使路由信息局部化，减少路由协议的开销，提高系统吞吐量，容易实现全网的局部同步。4、节点定位比平面结构简单。5、结合了无中心和有中心模式。00:4717分级结构的AdHoc网络缺点：1、要有簇头选举算法，增加计算复杂性。2、不一定能使用最佳路由，因为簇间信息都要经过簇头寻路。3、簇头作为集中转发点可能会成为新的网络瓶颈。00:4718分级结构的AdHoc网络单频分级结构（所有节点使用同一频率通信）（根据硬件配置不同分类，还有多频分级结构）00:4719分级结构的AdHoc网络多频分级结构1、不同级使用不同的频率通信2、高级节点同时处于多个级中，使用多个频率，以实现不同级的通信。00:4720由于TCP/IP已成为事实上的网络互联标准，AdHoc网络的体系结构应基于TCP/IP体系结构，并根据自身特点进行必要的简化、修改和补充。为了获得较高的系统性能，即适应AdHoc网络动态变化，节能，满足QoS保证，需要采用基于应用和网络特征的跨层体系结构。00:4721AdHoc基本介绍及研究的主要问题体系结构信道接入协议路由协议分簇结构和算法（略）节能问题QoS保障（略）00:4722运行在物理层上，是所有报文在无线信道上发送和接收的直接控制者，它的性能好坏直接关系着信道的利用效率和整个网络的性能。面临的问题：不同的信道共享方式隐终端暴露终端00:4723点对点共享（最简单）多点共享（以太网）点对多点共享（蜂窝）多跳共享（AdHoc）00:4724TTCTTTTTTTTTTTT多跳共享：当一个节点发送报文时，只有在它的邻居节点才能够收到。其他节点感知不到，故不受影响，可以同时发送报文，提高了频率的空间复用度。即：在使用一个通信频率的情况下，AdHoc网络中可以有多对节点同时进行通信。多跳共享广播信道的直接影响：报文冲突与节点所处的地理位置有关。即报文冲突是局部事件，发送节点和接收节点感知到的信道状况不一定相同，带来隐终端、暴露终端问题。00:4725隐终端位于准备接收的站点范围内，但在发送站点的范围之外。如图：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。00:4726隐终端问题会引起报文冲突，从而影响信道利用率在单信道条件下，隐发送终端问题（不能发送任何消息）可以用握手机制部分解决；但隐接收终端问题（通知发送者自己是隐终端）无法解决，即无法告诉发送者自己是隐终端，而发送终端无法收到目标接收者的CTS，不能确定其是隐终端或者是没有开机，只能重新发送RTS。00:4727与隐终端相对的现象：它在发送站的范围内但在接收站的范围外。如图：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。00:4728如图：单信道条件下，B向A发送数据时，C知道自己是暴露终端，认为自己可以发送数据。C向D发送RTS，D发送回C的CTS会与B发送的数据报文在C处冲突，C永远听不到D的CTS。C不但没向D成功发送数据，反而重发了许多无用的RTS。00:4729如图：单信道条件下，B向A发送数据时，D要向暴露终端C发送数据。D的RTS会与B的数据在C处冲突，C收不到来自D的RTS，所以D也就收不到C的CTS，D就超时重发RTS。00:4730事实上B向A发送数据并不影响C向D发送数据。而当C检测到媒体上有信号，就不敢向D发送数据，所以就引入了不必要延迟。暴露发送和接收终端问题在单信道条件下使用握手机制都无法解决。00:4731高空间复用度避免报文间的冲突提供冲突解决的方法硬件无关性Tip:可以将信道与公路联系：公路要容纳很多的车（空间复用），防止相撞，撞车了要可以进行处理，对上路的车无特殊要求。00:4732基于单信道的接入协议基于双信道的接入协议基于多信道的接入协议00:4733用于只有一个共享信道的AdHoc网络。所有的控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和接收。目标：通过使用控制报文，尽量减少甚至消除数据报文的冲突，即设计合适的冲突避免策略典型的AdHoc单信道接入协议：MACAMACAWIEEE802.11DCFFAMA系列MACA-BI00:4734采用RTS-CTS握手机制--隐终端：听到CTS没有听到RTS--暴露终端：听到RTS没有听到CTS冲突解决采用BEB(BinaryExponentialBackoff)没有解决隐接收终端和暴露终端问题。00:4735采用RTS-CTS-DS-DATA-ACK握手机制--DS报文用于暴露终端确认自己身份。--如果节点听到RTS但没有听到DS，说明RTS或CTS发生了冲突，就没有必要延迟发送。--ACK用于LLC的确认，没有得到ACK确认的数据报文将会被重发。冲突解决采用MILD(MultiplicativeIncreaseLinearDecrease)退避算法和退避计数器拷贝等技术取代BEB，实现公平接入。也没能很好的解决隐终端和暴露终端问题。00:4736采用RTS-CTS-DATA-ACK报文交互机制。--当数据报文较短时，可以直接采用DATA-ACK的简单报文交互以提高效率；当报文较长时为减少冲突使用RTS-CTS来预约信道。--源于CSMA/CA，故节点发送前先监听信道，如果空闲，等待一个DIFS，如果在此期间信道持续空闲，就开始发送报文；如果在此期间信道变忙，则执行退避算法。--在下一次信道空闲持续DIFS时，节点开始以时隙为单位递减退避时间。递减到0，即发送报文；若在递减过程中信道又变忙，则冻结退避时间，待下次信道空闲持续DIFS后继续递减。00:4737一个描述一类无线信道接入协议的框架，这类协议在发送数据之前要先使用控制报文预约信道。该协议允许一次RTS-CTS成功握手后连续发送多个数据报文，以提高信道利用率。采用载波监听机制，并通过增加CTS控制报文的长度来消除隐发送终端的影响。00:4738用于有两个共享信道的AdHoc网络。两个信道分别为控制信道和数据信道。采用两个信道使控制报文和数据报文不会发生冲突。在解决隐终端和暴露终端方面具有独特优势，通过适当的控制机制，可完全消除隐终端和暴露终端的影响，避免数据报文的冲突典型的AdHoc双信道接入协议：BAPUDBTMADCMA系列00:47391、解决隐接收终端问题，即告知发送者自己是隐终端，可以接收数据。A在给B发送数据时，D要向C发送报文。则D和C在控制信道上交换RTS和CTS，D然后用数据信道向C发送数据报文，不影响A向B的发送。00:47402、解决暴露发送终端的问题，暴露终端是可发送报文的。B向A发送数据时，C是暴露终端。C要向D发送报文，则用控制信道与D进行RTS-CTS握手，然后C用数据信道向D发送数据报文而不影响B向A的发送。00:47413、解决暴露接收终端的问题：暴露终端是不可以接收数据的，所以要通知发送者自己是暴露终端，请延迟发送数据。B向A发送数据时，C是暴露终端。D要向C发送数据，C通过控制信道告知D自己是暴露终端，不可接受数据，D转而去处理其他任务，延迟发送，而不是像在单信道中因为得不到C的回应就不断的重发RTS。00:4742用于具有多个信道的AdHoc网络，相邻节点可以使用不同的信道同时进行通信，接入控制更加灵活。关注两个问题：信道分配和接入控制。--信道分配：为不同的通信节点分配相应的信道，消除数据报文的冲突，使尽量多的节点可以同时进行通信。--接入控制：确定节点接入信道的时机、