自組織無線網絡技術簡介

自組織無線網絡技術

趙太飛辦公室：5-623tfz@從蜂窩電話到ADHOC蜂窩無線通信目前仍然是最大的效益獲得者無線Internet

在美國校園中最多的Internet接入是無線在其它國家和地區(qū)也在跟進，2.5G和3G技術出現(xiàn)Adhoc無線網絡無固定基礎設施蜂窩移動通信第一代模擬蜂窩移動通信(analogvoice)由Bell實驗室發(fā)明,1982年首次在美國安裝.第二代數(shù)字蜂窩移動通信(Digitalvoice)CDMA(1993),TDMA(1996北美),GSM(1991歐洲)第三代數(shù)字蜂窩移動通信(Digitalvoice)Cellular,wirelessLAN,Bluetooth,etc.Supportsmultimediaservices:data,voice,video,image蜂窩移動通信系統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)主要是由移動臺（MS）、無線基站子系統(tǒng)（BSS）和網絡交換子系統(tǒng)（NSS）三大部分組成.移動臺（MS-MobileStation）:由移動終端（MS）和客戶識別卡（SIM）組成。無線基站子系統(tǒng)（BSS-BaseStationSystem):無線基站子系統(tǒng)是在一定的無線覆蓋區(qū)中由移動交換中心（MSC）控制，與MS進行通信的系統(tǒng)設備，它主要負責完成無線發(fā)送接收和無線資源管理等功能。功能實體可分為基站控制器（BSC）和基站收發(fā)信臺（BTS）。圖：蜂窩移動通信系統(tǒng)的組成網絡交換子系統(tǒng)(NSS--NetworkSwitchSubsystem):網絡交換子系統(tǒng)主要完成交換功能和客戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能。蜂窩移動通信系統(tǒng)蜂窩的概念GeographicalseparationCapacity(frequency)reuseBackboneconnectivityBSBSBSBSBSBSBackboneNetwork蜂窩的結構示意圖在每7個相鄰的蜂窩中頻率不重復使用。使蜂窩變小，能增加更多的用戶。蜂窩通信原理移動站、基站和移動交換中心（MSC）的基本蜂窩系統(tǒng)無線Internet無線局域網（WLAN）無線網絡與有線網絡并無不同：用戶設備通過無線網卡，以無線（Radio）的方式連接到網絡的接入點上（AccessPoint），使用網絡資源。無線網絡的組成元件接入點（AccessPoint）：相當于LAN中集線器（HUB）的功能，將信號轉送到目的地。無線網卡：在用戶端設備（電腦，PDA）上，與AP傳輸數(shù)據(jù)。相當有線網卡的作用。AccessPointWirelessUSBWirelessPCMCIA無線網卡無線網絡構架兩個用戶端設備通信只要無線網卡就可以，不需透過AP傳送。要連接到Internet就要經過AP。網絡慢游通信發(fā)展趨勢兩大發(fā)展趨勢無線/移動IPIP隨著電信市場競爭的加劇，找準和開拓新的業(yè)務增長點成了電信運營商和設備提供商在市場中掌握先機的關鍵。采用移動AdHoc網絡技術的MESH無線區(qū)域網等業(yè)務被認為是未來的業(yè)務熱點之一。甚至有人稱：就象IP網絡改造傳統(tǒng)電信網絡一樣，移動AdHoc網絡技術可能對現(xiàn)有移動通信網絡的結構和運營模式帶來劃時代的影響。AdHoc自組織無線網絡技術意義深遠AdHoc無線網絡概念一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳的、臨時性自創(chuàng)建（Self-Creating)、自組織(Self-Organizing)、自管理（Self-Administering)系統(tǒng)。不依賴預設的基礎設施而臨時組建。移動終端具有路由功能，可以通過無線連接構成任意的網絡拓撲?？瑟毩⒐ぷ?，也可與Internet或蜂窩無線網絡連接。一種新的組網技術，可以和其他許多平臺結合使用！Overview---自組織功能Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiOverview---動態(tài)變化的網絡拓撲Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiOverview---自動最佳路由選擇最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi支持移動IP功能Overview---無縫漫游Overview---方便擴展Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-Fi關鍵技術問題MAC---碰撞/沖突避免、隱藏和暴露終端問題網絡自組織技術（自動組網，相鄰發(fā)現(xiàn)等）自組織路由協(xié)議的設計和開發(fā)（自動路由建立、維護和恢復等）QoS保證功率控制與管理網絡的信息安全這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題

叫做隱蔽站問題(hiddenstationproblem)A的作用范圍C的作用范圍ABCD當A和C檢測不到無線信號時，都以為B是空閑的，因而都向B發(fā)送數(shù)據(jù)，結果發(fā)生碰撞。其實B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)

這就是暴露站問題(exposedstationproblem)B的作用范圍C的作用范圍ADCB？B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。RFBBPMAC/LLCNewNetworkLevelApplicationLevelAdHocSubnet傳輸LevelCoreTechnology一般需要多層次協(xié)議層協(xié)調工作、綜合考慮。ExistingMANETprotocolsMANETroutingprotocolsdiscoverrouteson-demand(re-active)Maintainupdatedroutes(pro-active)SourceroutingTabledrivenVariationofdistantvector?Variationsoflinkstaterouting?DSRAODV,ABR,TORADSDV、CGSROLSR先應式路由按需路由混合式路由（Hybrid）ZRP(局部先應，廣域按需）其它：功率感知路由、地理位置信息路由、QoS路由、多播路由、可擴展路由可以和許多技術結合1、城域無線通信（無線寬帶接入、小區(qū)覆蓋等）2、企業(yè)局域網：展覽中心、體育場、旅游區(qū)、大型倉庫、港口、建筑、煤礦、石油/化工、環(huán)保、….3、應急/救援通信系統(tǒng)4、工業(yè)自動化控制5、智能交通6、傳感器監(jiān)測網絡7、家庭安全監(jiān)測系統(tǒng)8、戰(zhàn)場偵察網絡、戰(zhàn)地監(jiān)測網絡、信息中繼9、各種遠程監(jiān)測/監(jiān)控系統(tǒng)（如環(huán)保、水文、地質、資源保護、研究等）10、公安/交警/消防11、……….ADHOC網絡的應用我們的觀點—參考3G帶寬依然有限。各種終端設備層出不窮（Laptops,PDAs,pocketPC,PC,Smartphone,MP3/4,DigitalCamerasetc..）基于IP的數(shù)據(jù)業(yè)務是主流。3G平臺單獨比較難完全滿足數(shù)據(jù)業(yè)務高速增長的需求?！耙痪W打盡”不現(xiàn)實。需要其它技術協(xié)助、完善。AdHoc技術和3G等技術結合的趨勢越來越明顯。基于WLAN的無線自組織網絡IEEE802.11b/g（2.4GHz）、IEEE802.11（5GHz）每個節(jié)點200—2000m覆蓋范圍64/128位WEP加密（或WAPI）（可根據(jù)需要增加不同層次的加密功能）高帶寬，11--54M/s或更高（IEEE802.11n）面向數(shù)據(jù)業(yè)務(Dataserviceoriented)的網絡支持VoWi-Fi網絡可靠性高組網非常方便通用性和兼容性強成本優(yōu)勢豐富的終端支持在城域中的運用與其他移動通信技術的結合移動現(xiàn)場辦案AP和終端都可移動“網格化布警”

現(xiàn)場布控/緊急通信寬帶無線小區(qū)接入校園/醫(yī)院/大型企業(yè)寬帶無線專網高帶寬網絡自愈功能很強無縫漫游成本低不用布線，布網方便擴展性強國外應用情況蜂窩型Wi-Fi網絡已經在美國一些城市部署和即將開始部署，如Michigan州的GrandHaven幾年前完成了Wi-Fi網絡覆蓋，成為了全美國第一座WiFi城市。Chaska,Minnesota（密尼蘇達州）也已經建成覆蓋全市的蜂窩型Wi-Fi網絡，并投入運營。Philadelphia（費城）投資700萬—1000萬美圓搭建覆蓋整個城市135平方英里的范圍，為整個城市提供一個基于IEEE802.11b的Wi-Fi寬帶無線網絡，為目前世界上規(guī)模最大的蜂窩型Wi-Fi城域無線寬帶網絡。同時，美國其它一些大城市，如Madison、Boston、CulverCity等都在計劃當中。Anaheim,Portland;Minneapolis;ArlingtonandBrookline.

2005年臺北市和Nortel合作，建立了覆蓋整個城市的蜂窩型Wi-Fi網絡。英國（BT）、澳大利亞、新西蘭等。移動adhoc網絡基礎知識概述Internet路由體系Adhoc協(xié)議棧節(jié)點、網絡結構Adhoc協(xié)議棧MANET路由概述路由技術面臨的特殊困難路由機制的分類移動adhoc網絡基礎知識蜂窩移動通信網絡移動終端和固定基站互相通信移動終端不具備路由功能基站負責路由和交換功能基站充當接入有線網絡的網關移動adhoc網絡基礎知識WLAN移動節(jié)點配備無線網網卡移動節(jié)點通過接入點與固定網絡連接WLAN工作在鏈路層，對網絡層透明對網絡層來說WLAN是一個單跳網絡依賴于類似基站或接入點的現(xiàn)有網絡基礎設施。移動互聯(lián)網的需求特殊環(huán)境（空曠）臨時會議/緊急情況科學考察/探險/軍事戰(zhàn)場接入網絡服務商所需的時間和成本現(xiàn)有服務和架構的性能或者能力用戶可遠離網絡基礎設施而保持與網絡的連接無網絡設施可用不想使用網絡設施延伸網絡設施的范圍移動互聯(lián)網的起源20世紀70年代分組無線網（PRNET）戰(zhàn)場環(huán)境下的數(shù)據(jù)通信1983年的抗毀自適應網絡（SURAN）支持大規(guī)模網絡自適應網絡協(xié)議

1994年的全球移動信息系統(tǒng)（GloMo）滿足軍事應用可快速展開高抗毀性的移動信息系統(tǒng)DARPA資助PRNET：packetradionetSURAN：survivableadaptivenetworkGloMo：globalmobileinformationsystemsJTRS：jointtacticalradiosystem移動互聯(lián)網的研究活動IEEE802.11首次提出“adhoc”自組織、對等式、多跳無線移動通信網絡

Internet工作組IETF1997年成立MANET工作組--利用多跳無線網構造一個基于IP的移動互聯(lián)網IRTF在2003成立了ANS研究組其他學術商業(yè)團體大學、軍隊和工業(yè)屆的研究項目商業(yè)系統(tǒng)：FireTide、MeshNetworks、PacketHopNetworks、SkyPilotNetwork、TroposNetworks…MANET：mobileadhocnetworkANS：AdHocNetworksScalability移動adhoc網絡移動Adhoc網絡/多跳無線網絡由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成網絡中每個終端可以自由移動、地位相等是一個多跳、臨時、無中心網絡不需要現(xiàn)有信息基礎網絡設施的支持可以在任何時候、任何地點快速構建起來的移動通信網絡Adhoc->

“forthespecificpurposeonly”移動adhoc網絡的特點具備移動通信網絡和計算機網絡的特點：移動通信和計算機網絡相結合報文交換采用分組交換機制用戶終端是配有無線收發(fā)設備的移動便攜式終端作為主機要運行面向用戶的應用程序作為路由器要運行相應的路由協(xié)議終端之間的路由通常通過多個中間節(jié)點的轉發(fā)來完成多跳無線網、自組織網絡、無固定設施的網絡、對等網絡移動adhoc網絡的特點（續(xù)）網絡拓撲動態(tài)變化用戶終端隨意移動節(jié)點的開機/關機無線電發(fā)送功率變化無線信道間互相干擾地形等綜合因素影響移動終端之間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預測的。無中心網絡的自組性無控制中心每個節(jié)點地位平等節(jié)點隨時加入/離開網絡任何節(jié)點故障不會影響整個網絡具有更強魯棒性和抗毀性移動adhoc網絡特點（續(xù)）多跳組網方式接收端和發(fā)送端可使用比兩者直接通信小得多的功率進行通信，因此大大節(jié)約電池能量的消耗。中間節(jié)點參與分組轉發(fā)，能有效降低對無線傳輸設備的設計難度和成本，同時擴大了自組網絡的覆蓋范圍。移動adhoc網絡特點（續(xù)）有限的無線傳輸帶寬無線信道能提供的網絡帶寬比有線信道要低很多競爭共享無線信道產生的碰撞信號衰落、噪聲干擾以及信道之間干擾等

移動終端的自主性自組網絡的移動終端之間存在某種協(xié)同工作關系每個終端都將承擔為其它終端進行分組轉發(fā)的義務移動adhoc網絡特點（續(xù)）安全性差無線鏈路使adhoc網絡容易受到鏈路層的攻擊節(jié)點漫游時缺乏物理保護移動性使得節(jié)點之間的信任關系經常變化網絡的可擴展性不強節(jié)點之間的相互干擾造成網絡容量下降各節(jié)點吞吐量隨網絡節(jié)點總數(shù)的增加而下降存在單向的無線信道無線終端發(fā)射功率的不同以及地形環(huán)境的影響生存時間短移動adhoc網絡分類Sensor網絡各個無線節(jié)點靜態(tài)地隨機分布在某一個區(qū)域。傳感器負責收集區(qū)域內的聲音、電磁或地震信號等多種信號，將它們發(fā)送到網關節(jié)點。網關具有更大的處理能力，能進一步處理信息；并有更大的發(fā)送范圍，可將信息送往某個大型網絡使遠程用戶檢測到該信息。移動Adhoc網絡無線adhoc網絡各個無線節(jié)點都可以自由移動移動adhoc網絡分類（續(xù)）Sensor網絡與adhoc網絡的主要差別節(jié)點數(shù)量多節(jié)點分布稠密網絡拓撲經常變化節(jié)點通信主要采用廣播或者組播方式節(jié)點的能量、計算能力和存儲空間有限節(jié)點的標識不規(guī)范移動adhoc網絡與其他網絡比較與常規(guī)移動通信網絡比較不需要網絡通信基礎設施支持不依賴基站進行通信分組交換機制數(shù)據(jù)通信業(yè)務為主拓撲結構動態(tài)變化與傳統(tǒng)固定網絡比較固定網絡中主機位置基本不變固定網絡結構一般比較復雜adhoc網絡規(guī)模相對較小adhoc網絡的拓撲結構比較簡單

adhoc網絡拓撲結構快速變化adhoc網絡與其他網絡（續(xù)）與分組無線網、無線局域網、紅外網絡比較單跳與多跳研究重點不同通信模式不同導致主要研究內容是在網絡的物理層和DL移動終端的所有通信都要經過接入點進行WLAN、紅外網絡都是單跳網絡，不存在路由問題Adhoc網絡的研究內容主要以路由協(xié)議為核心的網絡層設計adhoc移動終端的通信是對等的MANET與mobileIPadhoc網絡應用現(xiàn)狀與前景adhoc網絡面臨的問題特殊的信道共享方式共享信道“隱藏終端”/“暴露終端”

動態(tài)變化網絡拓撲常規(guī)路由協(xié)議花較高代價（帶寬、能源、CPU等）獲得的路由信息可能已經陳舊

有限的無線傳輸帶寬減少節(jié)點之間交換的信息量減少控制信息帶來的附加開銷導致RTS/CTSMACAWDBTMAPAMASadhoc網絡面臨的問題（續(xù)）節(jié)能問題功率控制電池供電

安全問題無線信道更容易受到各種攻擊缺乏物理保護使得攻擊可能來自內部移動性使得節(jié)點之間的信任關系不斷變化安全策略應具有可擴展性MTPRMBCRMMBCRCMMBCRadhoc網絡面臨的問題（續(xù)）網絡管理拓撲管理確定一種將一組節(jié)點組織成網絡的機制移動性管理跟蹤網絡內移動節(jié)點的位置服務質量保證多跳拓撲動態(tài)變化的移動adhoc網絡中服務質量保證仍然是個問題地址自動配置。。。。影響adhoc網絡的主要因素無線通信技術

受限于底層無線通信技術的性能（傳輸率、延遲、吞吐量）節(jié)點密度密度越高傳輸路徑的跳數(shù)越多，受網絡拓撲變化的影響就越明顯。節(jié)點移動速度速度越高節(jié)點間的拓撲結構的穩(wěn)定性越差，路由計算和交換負載越大。通信負荷和通信模式

流量