第8章_無線低速網(wǎng)絡6課件

1、第8章無線低速網(wǎng)絡內(nèi)容提要更全面的互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)的特點之一。無線低速網(wǎng)絡協(xié)議能夠適應物聯(lián)網(wǎng)中智能程度較低設備的特征。本章將介紹典型的無線低速網(wǎng)絡協(xié)議及無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)技術。內(nèi)容回顧第7章介紹了典型的無線寬帶技術無線信道的新特點以及寬帶網(wǎng)絡的定義Wi-Fi/802.11的架構，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。WiMAX/802.16的架構，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)絡傳輸協(xié)議（藍牙/紅外/802.15.4&ZigBee），并較為詳細地討論了無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實現(xiàn)。8.1 低速網(wǎng)絡協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)8.4

2、 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)為什么除了高速網(wǎng)絡協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)還需要低速網(wǎng)絡協(xié)議？本章內(nèi)容為什么需要低速網(wǎng)絡協(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行操作的前提就是先將他們連接起來，低速網(wǎng)絡協(xié)議是實現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提。8.1 低速網(wǎng)絡協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡協(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)絡協(xié)議藍牙紅外802.15.4/ZigBee典型的無線低速網(wǎng)絡協(xié)議：無線個域網(wǎng)(WPAN)WPAN (Wire

3、less Personal Area Network)是為了實現(xiàn)活動半徑小、業(yè)務類型豐富、面向特定群體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網(wǎng)絡技術。WPAN能夠有效地解決“最后的幾米電纜”的問題，進而將無線聯(lián)網(wǎng)進行到底。例：通過短距離的無線電，將一臺計算機的各個部件連接起來2022/7/258常用技術：藍牙ZigBee (IEEE802.15.4)紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA)標準UWB(超寬帶無線技術)HomeRFRFID(射頻識別)IEEE 802.15工作組針對無線個域網(wǎng)，以上述技術為基礎，開展無線個域網(wǎng)的標準化工作2022/7/259藍牙（Bluetooth）典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.

4、15.4/ZigBee藍牙技術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（frequency-hopping spread spectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。 （使用ISM頻段）Industrial Scientific Medical 通信速率一般能達到1Mbps左右，新的藍牙標準也支持超過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。藍牙技術1994年: 愛立信決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口。該公司的工程師J. Haartsen博士和S. Mattisson博士發(fā)明了藍牙技術(IEE

5、E 802.15.1)2022/7/2511藍牙技術的發(fā)展歷程1998.5: 愛立信聯(lián)合IBM、Intel、Nokia、Toshiba一起成立藍牙特殊利益集團SIG。3Com、朗訊、微軟、摩托羅拉等也很快加盟SIG1999.7: SIG公布了藍牙標準1.0版1999.12: 公布1.0b版2001.4: 公布1.1版2003.11: 公布1.2版2004.8: 公布了2.0版2009.4: 公布了3.0版(藍牙核心規(guī)范3.0版 高速)2022/7/2512藍牙技術優(yōu)點 藍牙是一種低帶寬、短距離、低功耗(對人體傷害小)的數(shù)據(jù)傳輸技術工作在2.4GHz頻段，通信距離在10米之內(nèi)；數(shù)據(jù)速率為1Mb/

6、s現(xiàn)在幾乎一切東西都支持藍牙，從鍵盤到耳機不需任何電纜、不需更改配置、不需進行故障診斷即可建立連接具有很強的移植性，可應用于多種通信場合，如WAP、GSM(全球移動通信系統(tǒng))、DECT(歐規(guī)數(shù)字無繩通信)等藍牙集成電路簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣2022/7/2513 電纜替代 Ad hoc個人網(wǎng)（例如，在會議室范圍內(nèi)連接多個用戶） 藍牙網(wǎng)關：使藍牙設備能夠接入數(shù)據(jù)和語音骨干網(wǎng)絡應用場景藍牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴散網(wǎng) 藍牙自組織網(wǎng)絡稱為微微網(wǎng)(piconet；皮克網(wǎng))，一個微微網(wǎng)最多有8臺設備組成2022/7/2515擴散網(wǎng)(散布式網(wǎng)絡)MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng) 2皮可網(wǎng) 1M主設備S從

7、設備P擱置的設備主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列在一個微微網(wǎng)內(nèi)，所有設備使用同一跳頻序列主/從關系 多個微微網(wǎng)之間互聯(lián)形成分散網(wǎng)(scatternet)一個微微網(wǎng)的設備也可以作為另一個微微網(wǎng)的一部分存在，并在每個微微網(wǎng)中起主設備或者從設備的角色2022/7/2516MMMMMMMM/SM藍牙和Wi-Fi區(qū)別典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目標是為了取代網(wǎng)絡應用中的有線設備，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，視頻，音頻，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應用。藍牙主要是為了替換一些個人用戶攜帶設備的有線，如耳機，鍵盤等。這些設備對帶寬的要求相對

8、較少，或者說不是經(jīng)常使用，比如手機間的傳送小文件，或者說這些設備的資源擁有量（電量，計算資源等等）相對較低。紅外（Infrared)典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee紅外通信技術利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍牙技術出現(xiàn)更早，是一種較早的無線通信技術。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。設備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優(yōu)勢缺點設備之間必須互相可見對障礙物的衍射較差802.15.4/ZigBee典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee802.15.4/ZigBee是無線傳感網(wǎng)領域最為著名的無線通信協(xié)議ZigBee主要定義

9、了網(wǎng)絡層、傳輸層以及之上的應用層的規(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802.15.4 物理層典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee頻段：3個頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標準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；902-928MHz，北美采用，10個信道，支持擴展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個頻道。傳輸技術：最早為直接擴頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術。802.15.4介質(zhì)訪問控制層典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)

10、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，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道，退避的時間長短由具體的協(xié)議指定。CSMA/CA回顧典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBeeZigBee 網(wǎng)絡層典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡層功能：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)絡等。ZigBee網(wǎng)絡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

11、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，如此直到消息到達目的節(jié)點。當目的節(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給源節(jié)點。回復不再以廣播方式發(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)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBeeAODV Unicast Route Discovery InitiationRoute Request (RREQ) broadcast floodSourceDestinationAODV Unicast Route Discovery

12、CompletionRoute Reply (RREP) propagationDestinationSourceZigBee 網(wǎng)絡層以上典型無線低速網(wǎng)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡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)絡層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務（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)絡藍牙紅外802.15.4/ZigBeeAd hoc網(wǎng)絡的發(fā)展歷程Ad hoc網(wǎng)絡的前身是分組無線網(wǎng)(PRNET, Packet Radio Network)；

13、源于軍事通信的需要2022/7/2529世界上最早的無線電計算機通信網(wǎng)，將夏威夷的教育設備連接在一起(單跳、不支持路由)美國DARPA(美國國防部的技術研究部門)啟動了分組無線網(wǎng)項目，將數(shù)據(jù)分組交換技術引入到無線環(huán)境中，開發(fā)軍用無線數(shù)據(jù)分組網(wǎng)絡(多跳)SURAN (Survivable Radio Network,抗毀無線網(wǎng)絡)研究如何將PRNET的成果加以擴展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡，還要開發(fā)能夠適應戰(zhàn)場快速變化環(huán)境下的自適應網(wǎng)絡協(xié)議，主要解決PRNET遺留的問題、網(wǎng)絡的擴展性、安全、處理能力以及能量管理全球移動信息系統(tǒng)(GloMo)項目，在已有成果的基礎上對能夠滿足軍事應用需要的、可快速展開

14、、高抗毀性的移動信息系統(tǒng)進行全面深入的研究，并持續(xù)至今，支持無線裝置之間隨時隨地的以太網(wǎng)多媒體連接，解決移動Ad Hoc網(wǎng)絡的M3問題(移動、多跳、多媒體)IETF成立MANET工作組，推動商用移動Ad Hoc 網(wǎng)絡的開發(fā)與研究Ad hoc網(wǎng)絡的應用 軍事領域: 戰(zhàn)士利用臨時建立的移動自組網(wǎng)絡進行通信也能夠應用到作戰(zhàn)的地面車輛群和坦克群，以及海上的艦艇群、空中的機群-航母戰(zhàn)斗群移動會議：借助無線自組織網(wǎng)絡實現(xiàn)分布式會議搶險救災：快速建立臨時網(wǎng)絡，進行及時的通信偏遠野外地區(qū)：無法依賴固定或預設網(wǎng)絡設施進行通信時商業(yè)應用：家庭無線網(wǎng)絡、移動醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)其他：實現(xiàn)地鐵和隧道的無線覆蓋出租汽車之間的通

15、信2022/7/2530Ad hoc網(wǎng)絡的特點無中心 對等式網(wǎng)絡。結(jié)點可隨時加入和離開網(wǎng)絡。任何結(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性自組織 網(wǎng)絡的布設或展開無需依賴于任何預設的網(wǎng)絡設施。結(jié)點通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，結(jié)點開機后就可以快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡多跳路由 當結(jié)點要與其覆蓋范圍之外的結(jié)點進行通信時，需要中間結(jié)點的多跳轉(zhuǎn)發(fā)。Ad hoc網(wǎng)絡中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡結(jié)點完成的動態(tài)拓撲 網(wǎng)絡結(jié)點可以隨處移動，也可隨時開機和關機，這些都使網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構隨時發(fā)生變化2022/7/2531網(wǎng)絡發(fā)展需求從PC時代過渡到普適計算時代(Ubiquitous Age)提

16、供所需要的連接和網(wǎng)絡服務成為一種挑戰(zhàn)問題：移動問題不需要基礎設施支持的問題動態(tài)自組織組網(wǎng)問題必須能夠快速展開的問題研究人員提出了不需要基礎設施支持的移動Ad Hoc解決方案 2022/7/2532移動Ad hoc網(wǎng)絡：MANETMANET(Mobile Ad hoc network)：特指節(jié)點具有移動性的Ad hoc網(wǎng)絡N個筆記本電腦通過Ad hoc模式形成一個網(wǎng)絡，如果筆記本不移動，網(wǎng)絡的拓撲就不會改變，路由等也就是固定的每個出租車上都配置一個無線網(wǎng)卡，全部出租車組成一個網(wǎng)絡，則拓撲是不斷變化的，路由等也變得復雜2022/7/2533移動Ad Hoc網(wǎng)絡的定義 移動Ad Hoc網(wǎng)絡由無線移動

17、節(jié)點組成，不需要依靠固定的通信網(wǎng)絡基礎設施、能夠迅速展開使用的網(wǎng)絡，所需人工干預最少，是分布式的(沒有任何中心實體)、自組織、自愈的網(wǎng)絡網(wǎng)絡節(jié)點相互協(xié)作、通過無線鏈路進行通信、交換信息，實現(xiàn)信息和服務的共享網(wǎng)絡節(jié)點能夠動態(tài)地、隨意地、頻繁地進入和離開網(wǎng)絡，而不需要事先示警或通知，而且不會破壞網(wǎng)絡中其他節(jié)點的通信 2022/7/2534單跳Ad Hoc通信 多跳Ad Hoc通信單跳/多跳網(wǎng)絡2022/7/2535移動Ad hoc網(wǎng)絡的MAC協(xié)議大致可分為3類：競爭協(xié)議(Contention Protocol)使用直接競爭來決定信道使用權，通過隨機重傳來解決碰撞問題在低負荷傳輸條件下運行良好：碰撞

18、次數(shù)少、信道利用率高、分組傳輸時延小分配協(xié)議(Allocation Protocol )采用某種傳輸時間安排算法將時隙映射為節(jié)點中等或者繁重傳輸負荷條件下運行良好：充分利用時隙競爭協(xié)議和分配協(xié)議的混合協(xié)議(Hybrid Protocol) 移動Ad Hoc網(wǎng)絡的MAC層2022/7/2536Ad hoc網(wǎng)絡的分群為了降低節(jié)點成本，提供靈活、可靠的通信并提高Ad Hoc網(wǎng)絡的可擴展性，通常采用分布式控制方式控制網(wǎng)絡，如常用的分級結(jié)構網(wǎng)絡被劃分為群，每個群由一個群首和多個群成員組成，這些群首組成一個高一級的網(wǎng)絡在高一級網(wǎng)絡中，可以再分群，再次形成更高一級的網(wǎng)絡，以此類推群首和群成員的身份可動態(tài)變化

19、2022/7/25372022/7/2538平面結(jié)構Ad Hoc 網(wǎng)絡單頻分級Ad Hoc 網(wǎng)絡群成員/節(jié)點群首網(wǎng)關多頻分級Ad Hoc 網(wǎng)絡無線Mesh網(wǎng)絡無線Mesh網(wǎng)絡(WMN，Wireless Mesh Network，又稱無線網(wǎng)狀網(wǎng)、無線網(wǎng)格網(wǎng)等) 是一種應用性的網(wǎng)絡技術，由移動Ad Hoc網(wǎng)絡順應無處不在的Internet 接入需求演變而來基于基站的無線通信系統(tǒng)是通過“最后一英里”的無線接入，無法適應業(yè)務需求的增長蜂窩移動通信系統(tǒng)大大緩解了用戶業(yè)務與系統(tǒng)資源之間的矛盾。但只適用于人口稠密、有永久用戶業(yè)務需求的地區(qū)移動Ad Hoc網(wǎng)絡技術一直與蜂窩移動通信技術平行發(fā)展；但并沒有在民用

20、通信領域得到很好的應用無線局域網(wǎng)有效延伸了因特網(wǎng)的覆蓋范圍，技術上無法做到像蜂窩網(wǎng)絡一樣無處不在的信號覆蓋2022/7/2539WLAN中， 每個客戶端必須通過一條與AP關聯(lián)的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡，用戶要進行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的AP(單跳網(wǎng)絡)無線Mesh網(wǎng)絡中任何無線設備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號每個節(jié)點都可以與一個或多個對等節(jié)點進行直接通信2022/7/2540無線Mesh網(wǎng)絡傳統(tǒng)基站方案的無線通信系統(tǒng) 2022/7/2541對于網(wǎng)關節(jié)點覆蓋之外的區(qū)域，用戶節(jié)點負責往來業(yè)務的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)大范圍廉價和快速信號覆蓋 WMN結(jié)構示意圖 這種結(jié)

21、構的最大好處在于：如果最近的AP由于流量過大而擁塞，那么數(shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推，數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡的情況，繼續(xù)路由到與之最近的下一個節(jié)點進行傳輸，直到到達最終目的地為止(“無線版本的Internet”)如果添加新的設備，只需簡單的接上電源就可以；它可以自動進行自我配置，并確定最佳的多跳路徑添加或移動設備時，網(wǎng)絡自動發(fā)現(xiàn)拓撲變化，并自動調(diào)整通信路由，以獲得最有效的傳輸路徑2022/7/2542無線Mesh網(wǎng)絡WMN與移動Ad Hoc網(wǎng)絡、WLAN和WBAN的關系 2022/7/2543WBAN：無線寬帶接入網(wǎng)(wireless broadband a

22、ccess network)，例如WMAN和WWAN移動Ad hoc網(wǎng)絡WLANWBANWMN無線Mesh網(wǎng)絡的結(jié)構無線Mesh網(wǎng)絡結(jié)構的分類平面網(wǎng)絡結(jié)構多級網(wǎng)絡結(jié)構混合網(wǎng)絡結(jié)構2022/7/2544WMN平面結(jié)構 WMN分級結(jié)構 2022/7/2545 WMN混合結(jié)構 2022/7/2546WiMAX基于Mesh的無線寬帶接入結(jié)構圖 2022/7/2547WMN接入因特網(wǎng)方案 2022/7/2548Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)近年來由於人們對於汽車的需求與使用越來越高，交通事故也成了現(xiàn)今非常重視的議題。為了讓駕駛者避免車禍事故發(fā)生，提升駕駛者周圍環(huán)境的交通

23、資訊是相當重要的。附近的路邊設施附近的車輛與車輛之間隨著科技不斷的進步，加上無線網(wǎng)路的盛行，車用行動網(wǎng)路 (Vehicular Ad Hoc Network ，VANET)也成為現(xiàn)今廣為研究與討論的議題。50Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)VANET主要目的是提供相鄰車子間的溝通以及車子與交通設備的通訊，駕駛者能在第一時間取得與傳遞交通相關的資訊。避免連續(xù)意外事故發(fā)生VANET網(wǎng)所提供的服務附近的加油站停車位子的資訊51Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)VANET是一種Ad-hoc network 架構不需要基地臺容易架設成本低52

24、P2PAd-hoc 架構Vehicular Ad-hoc Networks(VANET)53車與路邊設施透過基地臺選擇路徑Roadside to Vehicle CommunicationsVehicular Ad-hoc Networks(VANET)54車與車之間沒有基地臺距離有限Inter Vehicle CommunicationsVehicular Ad-hoc Networks(VANET)55前兩種綜合距離短直接交換距離長透過APHybrid Vehicular CommunicationVehicular Ad-hoc Networks(VANET)8.1 低速網(wǎng)絡協(xié)議需求8.

25、2 無線低速網(wǎng)絡協(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)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)：物理層設計鏈路特點動態(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?？臻g關聯(lián)性（Spatial Correlation）：因為位置相近的節(jié)點通常有相似的環(huán)境。時間關聯(lián)性（Temporal Correlation）物理層設計應當支持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層設計無線傳感網(wǎng)節(jié)點特殊性：節(jié)點功能小計算不能太復雜節(jié)點能量

26、少盡量減少不必要傳輸節(jié)點通信范圍小需要多跳網(wǎng)絡設計節(jié)點內(nèi)存小不可能保存全部路由表節(jié)點工作環(huán)境復雜高適應性協(xié)議MAC層：沿用CSMA/CA8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設計無線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！MAC層設計：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)議采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時候關閉定時采樣獲取信道的信息MAC層設計：采樣偵聽的問題假設采樣周期為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，

27、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層設計：采樣偵聽的問題（續(xù)）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：同步發(fā)送者和接收者達到更高效率調(diào)度8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：網(wǎng)絡層設計主要特點：無線傳感器網(wǎng)絡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)點不能進行很復雜的計算，測量以及維護龐大的路由表。鏈路質(zhì)量成為影響路由協(xié)議性能的重要指標。許多無線傳感器網(wǎng)絡路由協(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，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)絡層路由

28、協(xié)議：數(shù)據(jù)收集協(xié)議CTP數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議DripETX：路徑選擇指標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

29、fwd delivery ratio rfwdP(ACK 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)?；具^程：初始化階段: 網(wǎng)絡中每個節(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，

30、使得自己到匯聚節(jié)點的路徑ETX盡量小。經(jīng)過不斷更新，網(wǎng)絡中的每個節(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：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)絡層隊列溢出信息以避免擁塞的節(jié)點控制包發(fā)送：使用Trickle算法自適應控制發(fā)包頻率，使得網(wǎng)絡不變化，發(fā)送包數(shù)量很少；網(wǎng)絡一旦變化，迅速更新整個網(wǎng)絡。網(wǎng)絡穩(wěn)定時二進制增長發(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)絡及時恢復到正常數(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)絡中的每個節(jié)點。無線傳感網(wǎng)中廣泛使用的是Drip協(xié)議?；竟ぷ鞣绞剑簽槊總€

31、數(shù)據(jù)項對應一個版本號，版本號越高表示數(shù)據(jù)越新。每個節(jié)點周期性廣播數(shù)據(jù)項的版本信息當一個Drip節(jié)點發(fā)現(xiàn)鄰節(jié)點版本信息更高時，則向鄰節(jié)點發(fā)送請求包。收到請求包的節(jié)點廣播該數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)包。8.1 低速網(wǎng)絡協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡協(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)無線低速網(wǎng)絡協(xié)議如何納入IPv6框架？本章內(nèi)容將IP協(xié)議引入無線通信網(wǎng)絡一直被認為是不現(xiàn)實的(不是完全不可能)。迄今為止，無線網(wǎng)只采用專用協(xié)議，因為IP協(xié)議對內(nèi)存和帶寬要求較高，要降低它的運行環(huán)境要求以適應微控制器及低功率無線連接很困難。基于IEEE 802.15.4實現(xiàn)IPv6通信的IETF 6LoWPAN草案標準

32、的發(fā)布有望改變這一局面。6LoWPAN所具有的低功率運行的潛力使它很適合應用在從手持機到儀器的設備中，而其對AES-128加密的內(nèi)置支持為強健的認證和安全性打下了基礎。8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)IPv6已在高速互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中得到廣泛使用，正逐步移植到低速網(wǎng)絡協(xié)議中。6LoWPAN：統(tǒng)一框架下的互聯(lián)協(xié)議，連接運行IPv6高速互聯(lián)協(xié)議的網(wǎng)絡和運行低速協(xié)議的其他網(wǎng)絡。挑戰(zhàn)：不同傳輸能力挑戰(zhàn)不同設備標記和識別挑戰(zhàn)不同設計目標挑戰(zhàn)不同設備管理挑戰(zhàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)概述6LowpanIPv6 over low power WPAN是低速無線個域網(wǎng)（LR-WPAN）標準，網(wǎng)絡層互聯(lián)

33、方案面向的對象：短距離、低速率、低功耗、無線通信IETF 2004.11月正式成立6Lowpan工作組，將IPv6引入以IEEE 802.15.4為底層標準的無線個域網(wǎng)，任務是定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信的同時，遵守開放標準以及保證與其他IP設備的互操作性。消除對多種復雜網(wǎng)關（每種網(wǎng)關對應一種本地802.15.4協(xié)議）以及專用適配器和網(wǎng)關專有安全與管理程序的需要。IEEE 802.15.4IEEE 802 15.4設備密度很大，迫切需要實現(xiàn)網(wǎng)絡化不同設備制造商設備互聯(lián)和互操作性，需統(tǒng)一的網(wǎng)絡層標準。特點：低速率，對于2.4GHz、828MHz、915MHz 3

34、個頻段分別對應250Kb/s、20Kb/s和40Kb/s3種速率；低功耗，在待機模式下可使用2節(jié)5號干電池驅(qū)動6個月以上；低成本，一般采用硬件資源非常有限的底端嵌入式設備或更小的特殊設備；短距離，節(jié)點信號覆蓋范圍有限，一般為10100m；低復雜度，比現(xiàn)有的標準低；短幀長，最大幀長度為127字節(jié)；多拓撲，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構豐富，支持星型拓撲和點對點拓撲2種基本拓撲結(jié)構及其混合組網(wǎng)。6Lowpan目標是：在網(wǎng)絡層和MAC層間加一個網(wǎng)絡適配層，完成包頭壓縮、分片、重組和路由轉(zhuǎn)發(fā)等，實現(xiàn)在IEEE 802.15.4上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包。優(yōu)勢: (1)普及性：IP網(wǎng)絡應用廣泛，作為下一代互聯(lián)網(wǎng)核心技術的IPv

35、6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN網(wǎng)絡中使用IPv6更易于被接受。 (2)適用性：IP網(wǎng)絡協(xié)議棧架構受到廣泛的認可，LR-WPAN網(wǎng)絡完全可以基于此架構進行簡單、有效地開發(fā)。 (3)更多地址空間：滿足了部署大規(guī)模、高密度LR-WPAN網(wǎng)絡設備的需要。 (4)支持無狀態(tài)自動地址配置：IPv6中當節(jié)點啟動時，可自動讀取MAC地址，并根據(jù)相關規(guī)則配置好所需的IPv6地址。這對傳感器網(wǎng)絡來說非常有吸引力，因為大多數(shù)情況下不可能對傳感器節(jié)點配置用戶界面，節(jié)點須具備自動配置功能。 (5)易接入：LR-WPAN使用IPv6技術，更易于接入其他基于IP技術的網(wǎng)絡及下一代互聯(lián)網(wǎng)，使其可以充分利用IP網(wǎng)絡

36、的技術進行發(fā)展。 (6)易開發(fā)：目前基于IPv6的許多技術已比較成熟，并被廣泛接受，針對LR-WPAN的特性對這些技術進行適當?shù)木喓腿∩幔喕藚f(xié)議開發(fā)的過程。 關鍵技術(1)IPv6和IEEE 802.15.4的協(xié)調(diào) IEEE802.15.4定義最大幀長度是127字節(jié)MAC頭部最大長度為25字節(jié)，剩余的MAC載荷最大長度為102字節(jié)。如果使用安全模式，不同的安全算法占用不同的字節(jié)數(shù)，比如AES-128需要21字節(jié)，AES-64需要13字節(jié)。這樣留給MAC載荷最少只有81個字節(jié)。而在IPv6中。MAC載荷最大為1280字節(jié)。IEEE 802.15.4幀不能封裝完整的IPv6數(shù)據(jù)包。因此，要協(xié)調(diào)二者之間的關系，就要在網(wǎng)絡層與M