第8章無線低速網(wǎng)絡(luò)

1、內(nèi)容提要更全面的互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)的特點之一。無無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中智能程度較低設(shè)備的特征。本章將介紹典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)。內(nèi)容回顧第7章介紹了典型的無線寬帶技術(shù)無線信道的新特點以及寬帶網(wǎng)絡(luò)的定義Wi-Fi/802.11的架構(gòu)，物理層，介質(zhì)訪問控制層的特點以及數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。WiMAX/802.16的架構(gòu)，物理層，介質(zhì)訪問控制層的特點和協(xié)議。本章介紹典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（藍(lán)牙/紅外/802.15.4&ZigBee），并較為詳細(xì)地討論了無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實現(xiàn)。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)

2、協(xié)議實現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)為什么除了高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)還需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？本章內(nèi)容為什么需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？物聯(lián)網(wǎng)背景下連接的物體，既有智能的也有非智能的。適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中那些能力較低的節(jié)點低速率低通信半徑低計算能力，和低能量的要求需要對物聯(lián)網(wǎng)中各種各樣的物體進(jìn)行操作的前提就是先將他們連接起來，低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提。8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有哪些？各有什么特點？本章內(nèi)容8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：藍(lán)牙（Blu

3、etooth）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離低功耗傳輸協(xié)議，最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發(fā)。采用的是調(diào)頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也支持超過20Mbps的速率。通信半徑從幾米到100米左右不等，常見為幾米左右。藍(lán)牙和Wi-Fi區(qū)別典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目標(biāo)是為了取代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的有線設(shè)備，能夠真正的實現(xiàn)從有線到無線的轉(zhuǎn)變，他可以用來傳送各種文件，

4、視頻，音頻，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。藍(lán)牙藍(lán)牙主要是為了替換一些個人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤等。這些設(shè)備對帶寬的要求相對較少，或者說不是經(jīng)常使用，比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計算資源等等）相對較低。紅外（Infrared)典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee紅外通信技術(shù)紅外通信技術(shù)利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)更早，是一種較早的無線通信技術(shù)。特點特點紅外通信采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優(yōu)勢缺點缺點設(shè)備之間必須互相可見對障礙物的衍射較差802.15.4/ZigBe

5、e典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無線通信協(xié)議ZigBee主要定義了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及之上的應(yīng)用層的規(guī)范802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要特征：實現(xiàn)20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四種不同的傳輸速率；支持星型星型和點到點點到點兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址；采用可選的時槽保障（Guaranteed Time

6、Slots，GTS）機(jī)制；采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道訪問機(jī)制；支持ACK機(jī)制以保證可靠傳輸；低功耗機(jī)制；信道能量檢測（Energy Detection，ED）；鏈路質(zhì)量指示（Link quality indication，LQI）；工作在ISM頻段上，其中在2450 MHz 波段上有16個信道，在915MHz波段上有10個信道，在868MHz上有1個信道；數(shù)據(jù)安全策略。IEEE 802.15.4 設(shè)備類型 兩種不同類型的設(shè)備 : 全功能設(shè)備(full fu

7、nction device ,FFD) 精簡功能設(shè)備(reduced function device,RFD) FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。 RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過一個FFD設(shè)備（RFD的協(xié)調(diào)器 coordinator）向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Full Function Device (FFD)Reduced Function Device (RFD)Communications FlowMaster/slave星狀網(wǎng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Communications FlowFull Function Device (FFD)Tre

8、e網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浠旌贤負(fù)銫lustered stars - for example,cluster nodes exist between roomsof a hotel and each room has a star network for control.Full Function Device (FFD)Reduced Function Device (RFD)Communications FlowIEEE 802.15.4 物理層 激活和休眠射頻收發(fā)器； 信道能量檢測(energy detect)； 檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示(link quality indication, LQI)

9、； 空閑信道評估(clear channel assessement, CCA)； 收發(fā)數(shù)據(jù)868MHz/915MHz PHY2.4 GHz868.3 MHzChannel 0Channels 1-10Channels 11-262.4835 GHz928 MHz902 MHz5 MHz2 MHz2.4 GHz PHYIEEE 802.15.4 物理層的載波頻段 3個載波頻段802.15.4 物理層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：頻段：3個頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；90

10、2-928MHz，北美采用，10個信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個頻道。傳輸技術(shù)：傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。802.15.4介質(zhì)訪問控制層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee介質(zhì)訪問控制層（介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)點使用物理層的信道802.15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具

11、體的協(xié)議指定。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層功能：網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個節(jié)點屬于某一個子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點廣播一個路由請求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點。當(dāng)目的節(jié)點收到路由請求消息以后，目的節(jié)點返回一個路由回復(fù)給源節(jié)點。回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點，而是沿著路由請求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，這樣源節(jié)點就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點了。距離矢量路由協(xié)議（AODV）典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15

12、.4/ZigBeeZigBee 網(wǎng)絡(luò)層以上典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以及上網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯(lián)網(wǎng)類似，在網(wǎng)絡(luò)層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務(wù)（比如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議）在傳輸協(xié)議上還需要提供各種基于不同傳輸協(xié)議的應(yīng)用（比如FTP，HTTP等等）。ZigBee與常用協(xié)議比較典型無線低速網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線傳感網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)需要注意哪些問題？本章內(nèi)容8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計鏈路特點鏈

13、路特點動態(tài)性（Dynamic)非對稱性（Asymmetric）：兩個節(jié)點之間一個方向鏈路質(zhì)量好，另一個方向質(zhì)量非常差。空間關(guān)聯(lián)性（Spatial Correlation）：因為位置相近的節(jié)點通常有相似的環(huán)境。時間關(guān)聯(lián)性（Temporal Correlation）物理層設(shè)計物理層設(shè)計應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊，如CC2420，同時滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計無線傳感網(wǎng)節(jié)點特殊性：無線傳感網(wǎng)節(jié)點特殊性：節(jié)點功能小計算不能太復(fù)雜節(jié)點能量少盡量減少不必要傳輸節(jié)點通信范圍小需要多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計節(jié)點內(nèi)存小不可能保存全部路由表節(jié)點工作環(huán)境復(fù)雜高適應(yīng)性協(xié)議MAC層：

14、層：沿用CSMA/CA8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計無線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！MAC層設(shè)計：如何降低能量消耗？無線收發(fā)器件（radio transceiver）工作時通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費能量。低功率偵聽協(xié)議低功率偵聽協(xié)議采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時候關(guān)閉定時采樣獲取信道的信息MAC層設(shè)計：采樣偵聽的問題假設(shè)采樣周期為T，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候如何保證接受者能夠收到？保持發(fā)送數(shù)據(jù)的時間長度不少于T的話，接收者就能夠采樣到發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)然后接收者調(diào)整至接收狀態(tài)，正常接收數(shù)據(jù)。MAC層設(shè)計：采樣

15、偵聽的問題（續(xù)）仍然有問題：仍然有問題：發(fā)送者每次發(fā)送最常需要持續(xù)一個采樣周期的時間，還是會帶來不必要的能量損耗。更好的方法：更好的方法：同步發(fā)送者和接收者達(dá)到更高效率調(diào)度8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計主要特點：主要特點：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路是不可靠的無線傳感器節(jié)點的功能和資源極其受限的，使得節(jié)點不能進(jìn)行很復(fù)雜的計算，測量以及維護(hù)龐大的路由表。鏈路質(zhì)量成為影響路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在其路徑選擇過程中均考慮了鏈路質(zhì)量。ETX是廣泛使用的路徑選擇指標(biāo)，可實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)典型的鏈路測量方法。兩類典型的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議：數(shù)據(jù)收集協(xié)議CTP數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議DripETX：路徑選

16、擇指標(biāo)ETX： （Expected Transmission Count），傳輸成功每個包需要的總傳輸次數(shù)，一條路徑的ETX越小代表在這條路徑上引起的總傳輸次數(shù)最小。Link throughput 1/ Link ETXETX計算假設(shè)鏈路有ACKs和重傳P(TX success) = P(Data success) P(ACK success)Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / P(Data success) P(ACK success) 實際計算ETXP(Data success) measured fwd delivery ratio rfwdP(ACK

17、success) measured rev delivery ratio rrevLink ETX 1 / (rfwd rrev)路徑ETX通過把傳輸代價最小化，ETX提高了帶寬利用率，有效減少了傳感網(wǎng)能量消耗。通過測量雙向鏈路質(zhì)量，ETX能有效避免非對稱鏈路。數(shù)據(jù)收集協(xié)議：CTPCTP：（Collection Tree Protocol）是目前廣泛使用的數(shù)據(jù)收集協(xié)議之一，可在TinyOS中實現(xiàn)。基本過程：基本過程：初始化階段: 網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點廣播自己到匯聚節(jié)點的路徑的ETX。每個節(jié)點收到廣播包之后，依據(jù)鄰居節(jié)點廣播的路徑ETX，動態(tài)選擇父節(jié)點，使得自己到匯聚節(jié)點的路徑ETX盡量小。經(jīng)過不斷更

18、新，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都能夠選擇到一條到匯聚節(jié)點ETX之和最小的路徑。CTP協(xié)議基本特點鏈路質(zhì)量鏈路質(zhì)量：綜合多方面信息。主動交換控制包估計+被動偵聽數(shù)據(jù)包動態(tài)更新考慮網(wǎng)絡(luò)層隊列溢出信息以避免擁塞的節(jié)點控制包發(fā)送控制包發(fā)送：使用Trickle算法自適應(yīng)控制發(fā)包頻率，使得網(wǎng)絡(luò)不變化，發(fā)送包數(shù)量很少；網(wǎng)絡(luò)一旦變化，迅速更新整個網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時二進(jìn)制增長發(fā)包間隔，以減少發(fā)送包的數(shù)量。發(fā)生環(huán)路等異常時縮短發(fā)包間隔至最小，使網(wǎng)絡(luò)及時恢復(fù)到正常數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議：Drip數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議的作用是將數(shù)據(jù)包可靠傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點。無線傳感網(wǎng)中廣泛使用的是Drip協(xié)議。基本工作方式：基本工作方式：為每個數(shù)據(jù)項對應(yīng)一個版本號，版本號越高表示數(shù)據(jù)越新。每個節(jié)點周期性廣