無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)基礎(chǔ)課件：無線數(shù)據(jù)通信組網(wǎng)技術(shù)

無線數(shù)據(jù)通信組網(wǎng)技術(shù)8.1無線數(shù)據(jù)組網(wǎng)的發(fā)展8.2無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)8.3蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)8.4移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)8.5無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)8.6無線多點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)8.7基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)成本章小結(jié)習(xí)題與思考題

教學(xué)目標(biāo)

?了解無線數(shù)據(jù)組網(wǎng)的發(fā)展。

?掌握無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

?掌握蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

?熟悉移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

?熟悉無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

?熟悉無線多點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。

重點(diǎn)、難點(diǎn)

?無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

?AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

?Mesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。

8.1無線數(shù)據(jù)組網(wǎng)的發(fā)展

無線數(shù)據(jù)通信組網(wǎng)的主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計,前者需要解決網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)控制管理、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計問題,后者主要針對所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效拓?fù)淇刂扑惴?、管理協(xié)議、通信協(xié)議等底層技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。算法協(xié)議的性能表現(xiàn)是與其應(yīng)用背景及條件密切相關(guān)的,在一定條件下表現(xiàn)優(yōu)良的算法和協(xié)議在條件改變之后可能變得并不適用,因此算法和協(xié)議優(yōu)化需要根據(jù)應(yīng)用背景來確定,沒有普遍適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)算法和協(xié)議。

無線通信(系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用從邏輯上可以分成兩類:面向語音的應(yīng)用和面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用。每一類都有局域和廣域兩個應(yīng)用場合,從而形成四個不同的應(yīng)用部分。面向語音的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著連接PSTN的無線網(wǎng)絡(luò),這些業(yè)務(wù)進(jìn)一步形成局域網(wǎng)應(yīng)用和廣域網(wǎng)應(yīng)用。面向數(shù)據(jù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用圍繞著Internet和計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),這些業(yè)務(wù)進(jìn)

第一代(1G)無線通信系統(tǒng)，是面向語音的模擬無線系統(tǒng)，使用FDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)，能提供基站和移動用戶間的模擬話音和低速率數(shù)據(jù)通信。典型的標(biāo)準(zhǔn)有美國的AMPS、歐洲的TACS。

第二代((2G)無線通信系統(tǒng)，是面向語音的數(shù)字無線系統(tǒng)，使用TDMA或窄帶CDMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)。與第一代網(wǎng)絡(luò)相比，第二代網(wǎng)絡(luò)增加了用來傳輸尋呼與其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的功能，如傳真、較高速數(shù)據(jù)接入等。網(wǎng)絡(luò)控制功能則分散于網(wǎng)絡(luò)中，移動站承擔(dān)了更多的控制功能。網(wǎng)絡(luò)中的移動單元有許多第一代網(wǎng)中用戶單元沒有的功能，如接收功率報告、鄰近基站搜索、數(shù)據(jù)編碼以及加密等。典型的語音業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)包括歐洲的GSM、CT-2和DECT，北美的IS-54(IS-136)、IS-95和PACS，日本的JDC、PHS等。典型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)有CDPD、GPRS、EDGE、IEEE802.11、HiperLAN等。

第三代(3G)無線通信系統(tǒng)，是面向?qū)拵Ф嗝襟w無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高速語音、圖像、數(shù)據(jù)及無線互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定的第三代移動通信系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)必須滿足以下3種環(huán)境的最低要求，即高速移動環(huán)境，最高速率達(dá)144kb/s；室內(nèi)外低速移動環(huán)境，最高速率達(dá)384kb/s；室內(nèi)固定或低速步行環(huán)境，最高速率達(dá)2Mb/s。典型的3G標(biāo)準(zhǔn)包括WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA以及WiMax。

第四代(4G)無線通信系統(tǒng)，是目前正在研發(fā)的下一代無線通信系統(tǒng)，國際電信聯(lián)盟(ITU)提出4G系統(tǒng)的目標(biāo)具有以下特點(diǎn)：

（1）全世界通用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，且可在現(xiàn)有的不同的無線通信系統(tǒng)下運(yùn)作。

（2）以IP(InternetProtocol)為主，用戶在任何時間、任何地點(diǎn)都能使用4G。在高速移動下，需達(dá)到100Mb/s的傳輸速率；而在慢速狀態(tài)下，傳輸速率需達(dá)到1Gb/s。

（3）4G系統(tǒng)不但支持固定的無線傳輸，亦支持移動的無線傳輸且依實(shí)際需要可在固定與移動網(wǎng)絡(luò)之間互相切換。

（4）4G不但可以克服第三代無線通信3G的缺點(diǎn)，并且能提供更多元化的無線寬帶服務(wù)，例如更逼真的語音，更高清的影像及更快的下載速度。用戶容易連上網(wǎng)絡(luò)，并可依照個人的喜愛選擇所需的服務(wù)。

（5）4G所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與相關(guān)設(shè)備的價格為一般用戶可接受。

8.2無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

8.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指為構(gòu)成無線通信系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)而建立的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的布局及其相互間的結(jié)構(gòu)方式(連接關(guān)系)。無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃通常需要考慮網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、業(yè)務(wù)強(qiáng)度及類型、網(wǎng)絡(luò)控制管理效能、對節(jié)點(diǎn)間連接關(guān)系動態(tài)變化的適應(yīng)能力等。目前，比較典型的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有平面結(jié)構(gòu)和分級結(jié)構(gòu)。

在平面結(jié)構(gòu)中，各節(jié)點(diǎn)的功能和地位平等，不需要復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)維護(hù)過程。同時，由于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)地位對等，使得網(wǎng)絡(luò)性能原則上不存在瓶頸而比較健壯，對網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境的適應(yīng)能力也比較強(qiáng)。但在平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模加大時，維護(hù)這些動態(tài)變化的路由需要大量的控制消息，路由維護(hù)的開銷呈指數(shù)增長而消耗掉有限的帶寬。隨著用戶增多，移動性加強(qiáng)，平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)需要維護(hù)的控制開銷快速增加，網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。因此平面結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性較差，主要適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的場合。

在分級結(jié)構(gòu)中，無線網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為若干群，每個群由一個群首和多個群成員組成。群首節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)群內(nèi)節(jié)點(diǎn)管理，實(shí)現(xiàn)群間數(shù)據(jù)接發(fā)。群首形成高一級的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，依次可以形成多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在分級結(jié)構(gòu)中，群首可以預(yù)先指定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用分群算法自動選舉產(chǎn)生，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的變化重新分群以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。在分級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，群成員不需要維護(hù)復(fù)雜的路由信息，大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制消息的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)具有很好的可擴(kuò)展性，路由算法設(shè)計也較為靈活，可采用先驗(yàn)式和反應(yīng)式路由協(xié)議相結(jié)合的方式提高路由算法性能。

綜上分析，當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時，可采用平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)；當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，可采用分級結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

8.2.2網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系構(gòu)造

目前，在計算機(jī)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)領(lǐng)域內(nèi)，最具權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)提出的開放式系統(tǒng)互連參考模型(OSI/RM)。OSI/RM把計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在功能上分為7個層次，每一層都執(zhí)行特定的功能，相鄰的上下兩層之間通過層間的服務(wù)訪問點(diǎn)(軟件接口)進(jìn)行通信，上一層利用下一層功能提供的服務(wù)。當(dāng)前無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中共同采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型，就是開放系統(tǒng)互連的七層參考模型。

無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，在遵循開放式系統(tǒng)互連協(xié)議模型的同時，還要結(jié)合無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用背景情況下的系統(tǒng)服務(wù)需求進(jìn)行改進(jìn)，并與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相適應(yīng)，應(yīng)包含多個協(xié)議棧，涵蓋各級無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部組網(wǎng)協(xié)議棧、各級網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議棧、多網(wǎng)網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧等，從而實(shí)現(xiàn)整個無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)管理功能，滿足無線數(shù)據(jù)使用的要求。

8.3蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種特殊的多基站(BS)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)配置，采用了頻率復(fù)用概念。目前，蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃诖笠?guī)模陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星無線網(wǎng)絡(luò)中使用的主要拓?fù)湫问?，蜂窩通信的概念最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70年代提出，它使有效的帶寬內(nèi)可以容納巨大數(shù)量的用戶。

8.3.1蜂窩網(wǎng)的概念

蜂窩無線通信是指在傳輸中使用大量低功率的基站(BS)，每個基站只覆蓋有限的區(qū)域。用這種方式每次建立一個新的基站時，容量就會增加，因?yàn)橥瑯拥念l譜在指定的區(qū)域內(nèi)可以被復(fù)用幾次。蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕驹硎前迅采w區(qū)域分為大量相連的小區(qū)域，每個小區(qū)域都是使用自己的無線基站。對這些小區(qū)域以智能的方式分配信道，這樣可以減小干擾、提供充分的性能以及滿足這些區(qū)域的通信量。這種小區(qū)域被稱為小區(qū)，一組小區(qū)組成區(qū)群。在每個區(qū)群中使用的是相同的頻譜，因此可以把整個頻帶分成頻帶組，然后分配給區(qū)群中的小區(qū)使用。在區(qū)域中無線頻率組的空間分布必須采用某種方式，以便獲得理想的性能。這是蜂窩無線通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要內(nèi)容，一個區(qū)群中小區(qū)的數(shù)量稱為區(qū)群大小或頻率復(fù)用因子。圖8-1為蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。圖8-1蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

蜂窩結(jié)構(gòu)拓?fù)淠苡行У卦黾涌捎妙l率所能支持的用戶數(shù)量。例如在一個城市中，可供使用的總帶寬為25MHz，每個用戶需要30kHz帶寬。如果使用單個天線覆蓋整個城市，就只能同時支持25MHz/30kHz=833個用戶。如果使用蜂窩結(jié)構(gòu)，合理分布20個低功率天線，可以減少各種干擾。將可用頻帶分成5部分，每個小區(qū)分配一部分，每個小區(qū)分配到的頻譜為25MHz/5=5MHz。使用包含5個小區(qū)的區(qū)群，每個小區(qū)同時支持的用戶數(shù)量為5MHz/30kHz=166個，每個區(qū)群的用戶數(shù)量為5×166=830。如果城市中有4個包含5個小區(qū)的區(qū)群，則同時可支持的總的用戶數(shù)量為830×4=3320，約為單個天線所支持容量的4倍。

8.3.2蜂窩小區(qū)的分類

在現(xiàn)代蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，出現(xiàn)了一系列支持各種不同應(yīng)用的的小區(qū)，這些小區(qū)定義如下：

（1）大小區(qū)：用于覆蓋全國性的區(qū)域，覆蓋范圍為幾百公里，主要應(yīng)用在衛(wèi)星通信方面。

（2）宏小區(qū)：用于覆蓋大城市地區(qū)，覆蓋范圍為幾公里，天線安裝在覆蓋區(qū)主要建筑物的房頂上。

（3）微小區(qū)：用于覆蓋街道之內(nèi)，覆蓋范圍為幾百米，天線高度低于沿街兩側(cè)建筑物房頂?shù)母叨取?/p>

（4）微微小區(qū)：主要是在建筑內(nèi)使用的小型小區(qū)，支持本地室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，覆蓋范圍為幾十米內(nèi)，如無線局域網(wǎng)(WLAN)。

（5）毫微微小區(qū)：這是蜂窩中最小的單元，用于連接個人設(shè)備，覆蓋范圍只有幾米，如筆記本電腦和蜂窩電話。

8.3.3容量擴(kuò)展技術(shù)

在20世紀(jì)90年代，蜂窩移動電話發(fā)展非常迅速，為適應(yīng)激烈的市場競爭和獲取更大的運(yùn)營利潤，產(chǎn)生了不少用于擴(kuò)展蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)的方法。目前，用于容量擴(kuò)展的方法有3種。

第一種方法是改變蜂窩結(jié)構(gòu)。

第二種方法是改變頻率的分配方案，根據(jù)不同小區(qū)流量需求動態(tài)地分配頻率。

第三種方法也是最有效的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量的方法，就是改變MODEM和接入技術(shù)。

8.4移動ADHOC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

“AdHoc”一詞源自拉丁語，原意為“forthespecificpurposeonly”，即“特別的、臨時的”。移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)是移動自組網(wǎng)(MobileAdHocNetwork，MANET)，由一組無線移動節(jié)點(diǎn)組成的、能快速部署的、自組織的臨時性分布式網(wǎng)絡(luò)。

移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)不需要固定基站支持，實(shí)現(xiàn)分布式的無中心管理，可臨時組織，具有高度移動性，且網(wǎng)絡(luò)抗毀與快速部署能力強(qiáng)，適合野戰(zhàn)通信等特殊環(huán)境使用要求。

8.4.1MANET的特點(diǎn)

與其他類型的無線網(wǎng)絡(luò)(如蜂窩網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng))相比，MANET網(wǎng)絡(luò)具有下列顯著特點(diǎn)：

1）無中心網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都是平等的，嚴(yán)格地說沒有中心節(jié)點(diǎn)這種說法，網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都可以是中心，也可以不是中心。換句話說，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的功能可以根據(jù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求來改變，任何節(jié)點(diǎn)可以是終端也可以是路由器，其典型結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。

圖8-2AdHoc網(wǎng)絡(luò)的一種典型結(jié)構(gòu)

2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫莿討B(tài)的

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)移動，節(jié)點(diǎn)的開機(jī)、關(guān)機(jī)，環(huán)境的變化，信道之間的干擾，地形影響或者其他不可預(yù)知的情況都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顟B(tài)發(fā)生變化。

3）自組織性

網(wǎng)絡(luò)具有自發(fā)現(xiàn)、自動配置、自愈的性能。無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有快速發(fā)現(xiàn)其他節(jié)點(diǎn)的能力，并且按照某種分布式的協(xié)議、算法或自組織原則，協(xié)調(diào)彼此的行為。任何節(jié)點(diǎn)的故障都不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗摧毀性和健壯性。

4）節(jié)點(diǎn)能源和處理能力受限

在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)都被要求小巧、輕便、便于攜帶。節(jié)點(diǎn)的能源一般都選擇電池。出于體積和成本方面的考慮，處理器的CPU速度較慢、內(nèi)存較低、處理能力較弱。

5）多跳通信。

由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大多受到的能源限制，所以單個節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，和目的節(jié)點(diǎn)間的通信往往要經(jīng)過其他中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，這種通信方式就叫做多跳。需要注意的是，轉(zhuǎn)發(fā)功能是由網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)完成的，而不是由傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)完成的。

6）傳輸帶寬有限

由于無線通信本身的物理特性和節(jié)點(diǎn)處理器的能力較弱，再加上為了維持網(wǎng)絡(luò)本身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和應(yīng)對各種可能出現(xiàn)的意外情況的原因，節(jié)點(diǎn)已經(jīng)浪費(fèi)了很多帶寬資源，所以能夠利用的有效帶寬十分有限。

7）安全性較差

由于MANET網(wǎng)絡(luò)中采用無線信道、有限電源、分布式控制等技術(shù)，使它更加容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務(wù)、剝奪“睡眠”等網(wǎng)絡(luò)攻擊。信道加密、抗干擾、用戶認(rèn)證和其他安全措施都需要特別考慮。

總之，MANET網(wǎng)絡(luò)是一種移動、無線、多跳的分布式網(wǎng)絡(luò)。這些特點(diǎn)使得開展MANET網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究面臨許多挑戰(zhàn)。

8.4.2MANET網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容

1）MAC協(xié)議的研究

在一個無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都使用同一無線信道，由于各節(jié)點(diǎn)發(fā)送具有隨機(jī)性，為了減少碰撞，必須由MAC層協(xié)議來建立共享信道的訪問機(jī)制。

2）路由協(xié)議的研究

由于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫莿討B(tài)變化的，能源是受限的，一個好的路由協(xié)議可以保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性，提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能源開銷，平均各個節(jié)點(diǎn)的能源消耗，提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

3）網(wǎng)絡(luò)安全

因?yàn)闊o線自組織網(wǎng)絡(luò)的安全性較差，攻擊者可以很容易地對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行侵犯和攻擊，在目前的情況下還沒有很好的方案來抵御這些威脅，所以網(wǎng)絡(luò)安全性的研究一直是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)。

4）網(wǎng)絡(luò)融合

因?yàn)闊o線自組織網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)拓?fù)?、多跳等功能，所以目前大多?yīng)用于一些特殊場合，如軍事、野外勘測等，這就限制了自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和推廣。目前，最好的方法是把無線自組織網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)如Internet，GPRS等結(jié)合起來，作為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和延伸。

8.4.3MANET網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

1.信道接入技術(shù)

AdHoc網(wǎng)絡(luò)根據(jù)信道接入時握手協(xié)議的發(fā)起者可以分為發(fā)方主動協(xié)議和收方主動協(xié)議。

發(fā)方主動協(xié)議是發(fā)送節(jié)點(diǎn)主動發(fā)起信道預(yù)約的，即發(fā)送者要發(fā)送數(shù)據(jù)時先發(fā)送一個RTS（RequesttoSend）控制分組來與接收者預(yù)約信道。大多數(shù)信道接入?yún)f(xié)議都屬于這一類，如MACA（MultipleAccesswithCollisionAvoidance）、MACAW（MACAforWireless）等。

收方主動協(xié)議是由接收方主動發(fā)起信道預(yù)約的。接收節(jié)點(diǎn)主動向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTR（ReadyToReceive）控制分組，通知發(fā)方已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)就直接發(fā)送。這種信道接入?yún)f(xié)議減少了控制分組的數(shù)目，可以降低額外的開銷，從而提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。這類協(xié)議包括MACA-BI（MACAByInvitation）和RICH（Receiver-InitiatedChannel-Hopping）協(xié)議等。

據(jù)AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議使用的信道數(shù)目，可分為基于單信道、基于雙信道和基于多信道三類。

基于單信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議用于只有一個共享信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。所有的控制分組和數(shù)據(jù)分組都在同一個信道上發(fā)送和接收。典型的基于單信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議有CSMA、MACA、MACAW協(xié)議等。受傳播時延、隱藏終端和節(jié)點(diǎn)移動等因素的影響，單信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)中有可能發(fā)生控制分組之間、控制分組和數(shù)據(jù)分組、數(shù)據(jù)分組之間的沖突，容易造成信道帶寬的浪費(fèi)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時效率很低。

基于雙信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議用于有兩個共享信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。兩個信道分別為控制信道和數(shù)據(jù)信道。控制信道只傳送控制分組，而數(shù)據(jù)信道只傳送數(shù)據(jù)分組。通過適當(dāng)?shù)目刂茩C(jī)制，可以完全消除隱藏終端和暴露終端的影響，避免數(shù)據(jù)分組的沖突。目前已有的基于雙信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議主要有雙忙音多址接入?yún)f(xié)議DBTMA、節(jié)能意識多址接入?yún)f(xié)議PAMAS等。

基于多信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議用于具有多個信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。由于網(wǎng)絡(luò)中有多個信道，可以給不同節(jié)點(diǎn)分配不同的信道，使得更多的節(jié)點(diǎn)可以同時傳輸。在額定的信道接入時間條件下，多信道的使用可以減少沖突的發(fā)生，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并降低潛在的延遲，因而提供了更高的帶寬利用率。典型的基于多信道的AdHoc網(wǎng)絡(luò)信道接入?yún)f(xié)議有HRMA（Hop-ReservationMultipleAccess）協(xié)議、多信道CSMA協(xié)議、DPC（DynamicPrivateChannel）協(xié)議等。

2.功率控制技術(shù)

功率控制是移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)中的能量保護(hù)策略的一種，是指在保證一定通信質(zhì)量的前提下，盡量降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。由于功率控制不是通過被動地關(guān)閉無線收發(fā)器，而是主動地采取某種優(yōu)化操作得到的，所以又稱為主動能量保護(hù)機(jī)制。

在IEEE802.11協(xié)議中，不管源節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)距離的遠(yuǎn)近，始終采用最大傳輸功率發(fā)送控制和數(shù)據(jù)分組信息，如圖8-3(a)中所示。

圖8-3采用功率控制對節(jié)點(diǎn)間通信的影響

采用最大傳輸功率會產(chǎn)生問題：圖中節(jié)點(diǎn)A要向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)時，根據(jù)IEEE802.11協(xié)議，節(jié)點(diǎn)A首先要向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS控制包，然后節(jié)點(diǎn)B回復(fù)CTS控制包，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A接收到該CTS控制包后開始向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)包，此時如果：

（1）節(jié)點(diǎn)C要向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)C會先發(fā)送一個RTS分組，但由于節(jié)點(diǎn)D位于節(jié)點(diǎn)A的覆蓋范圍內(nèi)，因此會接收到來自節(jié)點(diǎn)A的RTS分組而進(jìn)入延遲狀態(tài)，所以節(jié)點(diǎn)D不會向節(jié)點(diǎn)C響應(yīng)CTS分組，這樣節(jié)點(diǎn)C和D之間就不能建立通信。

（2）節(jié)點(diǎn)E有數(shù)據(jù)要向節(jié)點(diǎn)F發(fā)送，但由圖8-3(a)可知，節(jié)點(diǎn)E在節(jié)點(diǎn)B的覆蓋范圍內(nèi)，因此會接收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)出的CTS分組而進(jìn)入延遲狀態(tài)，在延遲時間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)E不能向節(jié)點(diǎn)F發(fā)送RTS分組，因此此時兩者之間的通信也不會建立。

若采用功率控制技術(shù)，即在保證源節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的數(shù)據(jù)能在目的節(jié)點(diǎn)處被正確接收的前提下，降低發(fā)送功率，那么信號的覆蓋范圍也會發(fā)生變化，如圖8-3(b)中所示，節(jié)點(diǎn)D不在節(jié)點(diǎn)A的覆蓋范圍內(nèi)，那么節(jié)點(diǎn)C、D之間可進(jìn)行通信；節(jié)點(diǎn)E、F之間的通信不會影響節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)接收，因此也可以進(jìn)行通信。那么，節(jié)點(diǎn)A和B、C和D、E和F之間可同時通信而互不干擾。由此可見，采用功率控制技術(shù)可以大大提高信道的利用率，在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中是十分必要的。

8.4.4MANET網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)目前有著廣泛應(yīng)用前景。主要包括：

1）軍事應(yīng)用

軍事應(yīng)用是AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。因其特有的無需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、可快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為戰(zhàn)場通信的首選技術(shù)。

2）探測網(wǎng)絡(luò)

探測網(wǎng)絡(luò)是AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一大應(yīng)用領(lǐng)域。對于很多應(yīng)用場合來說探測網(wǎng)絡(luò)只能使用無線通信技術(shù)。由于探測網(wǎng)絡(luò)往往由各式各樣的傳感器構(gòu)成，而考慮到體積和節(jié)能等因素，傳感器的發(fā)射功率不可能很大，使用AdHoc網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多跳通信是非常實(shí)用的解決方法。分散在各處的傳感器組成AdHoc網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間與控制中心之間的通信。

3）緊急和臨時場合

在發(fā)生了地震、水災(zāi)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴或遭受其他災(zāi)難后，固定的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施(如有線通信網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的基站等網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、衛(wèi)星通信地球站以及微波接力站等)，可能被全部摧毀或無法正常工作，這時就需要AdHoc網(wǎng)絡(luò)這種不依賴任何固定網(wǎng)絡(luò)設(shè)施又能快速布設(shè)的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。類似地，處于邊遠(yuǎn)或偏僻野外地區(qū)時，同樣無法依賴固定或預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施進(jìn)行通信。AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的獨(dú)立組網(wǎng)能力和自組織特點(diǎn)，使其成為這些場合通信的最佳選擇。

4）個人通信

個人局域網(wǎng)(PAN，PersonalAreaNetwork)是AdHoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一應(yīng)用領(lǐng)域。不僅可用于實(shí)現(xiàn)PDA、手機(jī)、手提電腦等個人電子通信設(shè)備之間的通信，還可用于個人局域網(wǎng)之間的多跳通信。

5）與移動通信系統(tǒng)的結(jié)合

AdHoc網(wǎng)絡(luò)與蜂窩移動通信系統(tǒng)相結(jié)合，利用移動臺的多跳轉(zhuǎn)發(fā)能力擴(kuò)大蜂窩移動通信系統(tǒng)的覆蓋范圍、均衡相鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)、提高小區(qū)邊緣的數(shù)據(jù)速率等。在實(shí)際應(yīng)用中，AdHoc網(wǎng)絡(luò)除單獨(dú)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)局部的通信外，還可以作為末端子網(wǎng)通過接入點(diǎn)接入其他的固定或移動通信網(wǎng)絡(luò)，與AdHoc網(wǎng)絡(luò)以外的主機(jī)進(jìn)行通信。

8.5無線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WirelessMeshNetwork，WMN)又稱為無線網(wǎng)狀網(wǎng)和無線網(wǎng)格網(wǎng)，是基于IP協(xié)議的大容量、高速率、覆蓋范圍廣的無線網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是在移動自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)和無線局域網(wǎng)(WLAN)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過呈網(wǎng)狀分布的無線接入點(diǎn)(AcessPoint，AP)間的相互合作和協(xié)同，成為寬帶接入的一種有效手段。它作為下一代因特網(wǎng)核心網(wǎng)的無線版本，有效地解決了“最后一公里”的瓶頸問題，是一種具有動態(tài)自組織、自配置、高速率、高容量等特性的分布式寬帶無線網(wǎng)絡(luò)。

8.5.1Mesh網(wǎng)絡(luò)的組成

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN)由用戶節(jié)點(diǎn)(終端)、無線Mesh路由器(WirelessRouter，WR)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。但Mesh終端既可以是工作站也可以是移動終端設(shè)備，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)具體配置的不同，WMN不一定包含以上所有類型的節(jié)點(diǎn)。

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)可以分為骨干結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)、終端結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)和混合結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)。

在骨干結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)中，Mesh路由器與終端之間的連接一般通過無線方式，而各Mesh路由器之間的連接既可以采取無線方式也可以采用有線方式。Mesh路由器與終端間、Mesh路由器之間可以采用多種頻段和傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，目前以IEEE802.11技術(shù)居多。

終端結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較類似于AdHoc無線自組織網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)是對等的自組織形式。各節(jié)點(diǎn)間存在端對端(Peer-to-Peer)網(wǎng)絡(luò)鏈路。在該結(jié)構(gòu)下，可以沒有專用的Mesh路由器。終端型Mesh網(wǎng)絡(luò)一般使用同頻段。

混合結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)綜合了以上2種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，是Mesh網(wǎng)絡(luò)中最靈活、最方便的形式，兼容性和擴(kuò)展性強(qiáng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8-4所示。圖8-4混合結(jié)構(gòu)Mesh網(wǎng)絡(luò)示意圖

8.5.2無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN)是多跳與多點(diǎn)到多點(diǎn)結(jié)構(gòu)的融合，具有以下幾個重要特點(diǎn)：

1）多跳的結(jié)構(gòu)

在不犧牲信道容量的情況下，擴(kuò)展當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍是WMN的最重要的目標(biāo)之一。WMN的另一個目標(biāo)是為處于非視距范圍的用戶提供非視距連接。Mesh網(wǎng)絡(luò)中的鏈路比較短，所受干擾較小，因此可以提供較高的吞吐量和較高的頻譜復(fù)用效率。

2）支持AdHoc組網(wǎng)方式，具備自形成、自愈和自組織能力

WMN靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、便利的網(wǎng)絡(luò)配置、較好的容錯能力和網(wǎng)絡(luò)連通性，使得WMN大大提升了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能。在較低的前期投資下，WMN可以根據(jù)需要逐步擴(kuò)展。

3）移動特性隨Mesh節(jié)點(diǎn)類型的不同而不同

Mesh路由器通常具有較小范圍的移動性，而Mesh客戶端既可以是靜止不動的節(jié)點(diǎn)，也可以是移動的節(jié)點(diǎn)。

4）支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式

WMN既支持通過骨干網(wǎng)接入的方式，又支持端到端的通信方式。此外WMN可與其他網(wǎng)絡(luò)集成，為這些網(wǎng)絡(luò)的終端用戶提供服務(wù)。

5）對功耗的限制取決于Mesh節(jié)點(diǎn)的類型

Mesh路由器通常沒有嚴(yán)格的功耗限制，但Mesh客戶端需要有效的節(jié)能機(jī)制。

6）與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)兼容，并支持與WiMax，Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)等的互操作

這個特點(diǎn)使得WMN具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自配置：節(jié)點(diǎn)之間通過開放的無線鏈路，形成單跳或多跳連接，自動完成組網(wǎng)；

（2）自調(diào)節(jié)：節(jié)點(diǎn)之間擁有多條通信路徑，業(yè)務(wù)可以靈活地選擇合適的(如最短路徑、最少干擾、最快速率等)路徑進(jìn)行傳輸；

（3）自愈：當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或一條鏈路出現(xiàn)擁塞，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)可以選擇繞開相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)或鏈路，網(wǎng)絡(luò)的可靠性增強(qiáng)。

（4）可擴(kuò)展性：可以方便地添加或刪除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，降低系統(tǒng)的建設(shè)和管理成本。

8.5.3無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

無線Mesh網(wǎng)絡(luò)已有一定程度的商業(yè)應(yīng)用，目前的應(yīng)用主要為Internet接入和內(nèi)部端到端通信兩類，包括：寬帶家庭應(yīng)用、社區(qū)網(wǎng)絡(luò)互連、企業(yè)接入、城域網(wǎng)絡(luò)互連。目前無線Mesh網(wǎng)絡(luò)已遍布了無線市政、智能交通、制造業(yè)、能源行業(yè)、軍隊系統(tǒng)等幾乎全部重要行業(yè)。

8.5.4無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

WMN設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題是，如何開發(fā)一個能夠在兩個節(jié)點(diǎn)之間提供高質(zhì)量、高效率通信的路由協(xié)議。由于其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動性使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，傳統(tǒng)的Internet路由協(xié)議無法適應(yīng)這些特性，需要有專門應(yīng)用于無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。在路由協(xié)議設(shè)計時，要考慮以下幾方面。

1.選擇合理的路徑算法

現(xiàn)有的很多路由協(xié)議是以最小跳數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)選擇路徑的，但是如果連接的質(zhì)量較差或者網(wǎng)絡(luò)擁塞的話，這種標(biāo)準(zhǔn)就不合適了。因此在選擇路徑時，不能只考慮最小跳數(shù)，還應(yīng)該綜合考慮網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量和往返時延等因素。

2.確保對連接失敗的可容錯性

WMN的目標(biāo)之一就是在出現(xiàn)連接失敗時，確保網(wǎng)絡(luò)的健壯性。如果一個連接失敗了，路由協(xié)議必須很快選出另外一條路徑，以避免出現(xiàn)服務(wù)中斷。

3.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平衡

采用WMN的另一個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)用戶對資源的共享，當(dāng)WMN中的某一部分出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁塞時，新的數(shù)據(jù)應(yīng)該選擇流量較小的路徑。

4.能夠同時滿足不同類型節(jié)點(diǎn)的需求

對于路由器，它的移動性較弱且沒有能源消耗的限制，它所需要的路由協(xié)議比現(xiàn)有的AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議要簡單得多；對于終端用戶來說，情況恰恰相反，在設(shè)計WMN路由協(xié)議時，要充分考慮這兩種節(jié)點(diǎn)的差異，分別滿足它們的不同需求。

如果僅考慮提高某一層面協(xié)議的性能，效果并不明顯。目前，WMN發(fā)展的趨勢是跨層設(shè)計，即同時考慮多個層面間的影響。WMN的跨層設(shè)計要求打破傳統(tǒng)的OSI/RM參考模型中嚴(yán)格分層的束縛，針對各層相關(guān)模塊/協(xié)議的不同狀態(tài)和要求，利用層與層之間的相互依賴和影響，對網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行整體優(yōu)化。具體來說，跨層設(shè)計就是充分、合理地利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，達(dá)到系統(tǒng)總吞吐量的最大化、總傳輸功率的最小化、QoS的最優(yōu)化等最終目的。

8.6無線多點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)簡介

學(xué)生利用已有的多個藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)操作，學(xué)習(xí)無線組網(wǎng)的基本原理及相關(guān)概念，理解點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)、AdHoc網(wǎng)絡(luò)多跳轉(zhuǎn)接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組網(wǎng)過程、簡單的路由協(xié)議以及廣播、組播的相關(guān)知識。

2.基本原理

兩臺計算機(jī)能互相通信必須解決的幾個問題：

（1）計算機(jī)互相通信時使用什么樣的物理媒介？即信道特性問題。

（2）如果使用的通信媒介是多臺計算機(jī)共享的，如何決定在某一時刻由哪臺計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包？即信道共享問題。

（3）如何對計算機(jī)進(jìn)行編址，以唯一區(qū)分每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送者和接收者？即地址分配問題。

（4）如果兩臺計算機(jī)不是直連在一起的，數(shù)據(jù)包如何選出一條從起點(diǎn)到目的地的合適通路？即路由選擇問題。

（5）如何檢測通信過程中的錯誤，檢測到錯誤后又如何去校正錯誤？即錯誤檢測問題。

（6）通信過程中使用什么數(shù)字格式來表示數(shù)據(jù)？即協(xié)議問題。

1）通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

現(xiàn)代通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的五種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8-5所示。圖8-5通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2）路由技術(shù)

路由技術(shù)所要研究的問題是數(shù)據(jù)包能夠通過多條路徑從源設(shè)備到達(dá)目的設(shè)備，選擇什么路徑最合適。

路由器之間通過路由協(xié)議交換信息，報告它們各自所連接的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備，以更新路由表。其方法有2種：擴(kuò)散式路由法和查表路由法。

擴(kuò)散式路由法是數(shù)據(jù)分組從原始節(jié)點(diǎn)發(fā)往與它相鄰的每個節(jié)點(diǎn)，接收到該數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)檢查它是否已經(jīng)收到過該分組。如果已經(jīng)收到過，則將它拋棄；如果未收到過，該節(jié)點(diǎn)便把這個分組發(fā)往除了該分組來源的那個節(jié)點(diǎn)以外的所有的相鄰節(jié)點(diǎn)。

查表路由法是每個節(jié)點(diǎn)中使用路由表，指明從該節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)應(yīng)該選擇的路徑，數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)之后按照路由表規(guī)定的路徑前進(jìn)。

其中路由表是一種以表的形式組織的軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)通過它為那些目的節(jié)點(diǎn)不是自己的包作出一個轉(zhuǎn)發(fā)決策。路由包括目的地址、源地址、下一跳地址以及端口等。

路由選擇流程圖如圖8-6所示。

圖8-6路由選擇流程圖

3）組網(wǎng)過程

典型的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下幾種：無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

（1）無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)又分為無中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。無中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用場合是用戶數(shù)較少的臨時組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中任意兩個站點(diǎn)均可直接通信，一般使用公用廣播信道；網(wǎng)絡(luò)抗毀性能好、建網(wǎng)容易、費(fèi)用較低、整體網(wǎng)絡(luò)移動性好；用戶數(shù)較多時，信道競爭限制網(wǎng)絡(luò)性能，路由信息占據(jù)大部分有效通信。有中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以一個無線站點(diǎn)作為基站，網(wǎng)絡(luò)中所有站點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)的訪問和通信均由其控制；能實(shí)現(xiàn)高速率通信，網(wǎng)絡(luò)中站點(diǎn)布局受環(huán)境限制較??；中心站為實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)互聯(lián)和接入有線主干網(wǎng)提供了一個邏輯接入點(diǎn)（AP）。

（2）蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的覆蓋方式分為小容量大區(qū)制（用戶較少的地域）和大容量小區(qū)制；小區(qū)制的頻率利用率提高，相互間干擾減少；蜂窩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的無縫連接。

微微網(wǎng)：藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的基本單元。微微網(wǎng)中一個主設(shè)備可以同時連接多個從設(shè)備，處于激活狀態(tài)的從設(shè)備最多是7個，其余的可以處于守候狀態(tài)。主設(shè)備是微微網(wǎng)的中心。

分布式網(wǎng)絡(luò)：由同一區(qū)域中的多個微微網(wǎng)構(gòu)成，相互有重疊的區(qū)域并且存在特定的連接。

一個藍(lán)牙設(shè)備可以時分復(fù)用工作在多個微微網(wǎng)中（同一節(jié)點(diǎn)在不同的微微網(wǎng)中既可作為主設(shè)備又可作從設(shè)備，或是多個微微網(wǎng)的從設(shè)備）；一個藍(lán)牙設(shè)備不能在多個微微網(wǎng)中作為主設(shè)備（使用同樣的跳頻序列和相位，會變成同一個微微網(wǎng)）。

在分布式網(wǎng)絡(luò)中，大量的節(jié)點(diǎn)相互連接，構(gòu)建支持移動性的無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)。在AdHoc網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)(設(shè)備)的地位都是平等的。每個節(jié)點(diǎn)都有路由器的功能，信息可以經(jīng)由各節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)，即使其空間距離很近，也無法直接通信。網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)任意兩個節(jié)點(diǎn)能通過多跳實(shí)現(xiàn)相互間的通信；路由算法盡可能簡潔，網(wǎng)絡(luò)效率盡可能高。

一種稱為“藍(lán)牙樹”的組網(wǎng)方式即可達(dá)到上述要求。主設(shè)備（M）可以查詢周圍藍(lán)牙設(shè)備并與其建鏈；從設(shè)備（S）不可主動查詢，建鏈后不可被其它藍(lán)牙設(shè)備查詢到，也不能再主動發(fā)起建鏈和被動建鏈；主從設(shè)備（M/S）不可主動查詢，但建鏈后可被其它藍(lán)牙設(shè)備查詢到，不能主動發(fā)起建鏈但可被動建鏈。“藍(lán)牙樹”組網(wǎng)原則是一個主設(shè)備至多可與n個從設(shè)備建立鏈路（本實(shí)驗(yàn)中為了使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加清晰，規(guī)定一個主設(shè)備最多可與2個從設(shè)備建立鏈路）；兩個從設(shè)備間不能直接建立鏈路（通過主設(shè)備路由轉(zhuǎn)接）；所有的從設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能受到一個主設(shè)備的控制。

本實(shí)驗(yàn)“藍(lán)牙樹”組網(wǎng)過程如圖8-7所示。每個節(jié)點(diǎn)都知道：①自己是否是根設(shè)備；②與它相距一跳的周圍設(shè)備的地址；③與自己相距一跳的周圍設(shè)備是否已在微微網(wǎng)中。這些信息可以通過設(shè)備間建立連接時交換地址信息而獲得，它們在網(wǎng)絡(luò)的管理和單播、廣播、組播等功能的實(shí)現(xiàn)上起著重要的作用。每個節(jié)點(diǎn)都要將自己所知的設(shè)備信息（路由信息）告知它的主設(shè)備（父設(shè)備）。網(wǎng)絡(luò)中的根設(shè)備最終掌握網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備的路由信息。每個節(jié)點(diǎn)都將自己的父設(shè)備作為其默認(rèn)路由器，認(rèn)為它含有更多的路由信息。當(dāng)無法從本節(jié)點(diǎn)的路由表中確定發(fā)送的下一跳節(jié)點(diǎn)時，都將此數(shù)據(jù)包發(fā)給默認(rèn)路由器進(jìn)行單跳轉(zhuǎn)接和多跳轉(zhuǎn)接處理。

4）廣播和組播

廣播是由任何一個節(jié)點(diǎn)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送同一消息。任何設(shè)備收到目的地址為廣播地址的數(shù)據(jù)都接收。（本實(shí)驗(yàn)的廣播地址為FF：FF：FF：FF：FF）。

組播是一個節(jié)點(diǎn)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)某組發(fā)送組播信息。網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點(diǎn)設(shè)備都可以申請加入一個或多個組播組。每個組播組通過唯一的組播地址來識別。發(fā)給某個組的數(shù)據(jù)只有該組成員才能接收。

組播的目的地址是一個集合（可以實(shí)現(xiàn)向多個目的地址傳送數(shù)據(jù)）。不同微微網(wǎng)的設(shè)備可以構(gòu)成同一個組（這些特定設(shè)備屬于同一個組，但是可以不屬于同一個微微網(wǎng)）。組播也需要組播路由算法。組播路由表的維護(hù)比較復(fù)雜，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下就更為繁瑣：一方面要盡量減少網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息數(shù)量；另一方面又不能漏掉任何一個本組的節(jié)點(diǎn)。

3.實(shí)驗(yàn)環(huán)境

5臺PC，OS為Windows2000；

硬件：5塊SEMITTTP6601，5根USB連接線軟件：

屏幕分辨率：1024×768。

4.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）組網(wǎng)過程

假設(shè)參加組網(wǎng)的共有5個BT（BT是指BritishTelecom/英國電信公司）設(shè)備：a、b、c、d、e。首先由一個設(shè)備（例如b）發(fā)起查詢，如果找到多個設(shè)備，則任選其二（例如d、e）主動與其建鏈，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖8-7所示。

圖8-7組網(wǎng)過程中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在這個階段，b、d、e構(gòu)成一個微微網(wǎng)，b為主設(shè)備(M)，d、e為從設(shè)備(S)。再由另外一個設(shè)備a發(fā)起查詢，查詢到設(shè)備b和設(shè)備c，再主動建鏈。此時，a、b、c、d、e構(gòu)成了一個分布式網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備a成為網(wǎng)絡(luò)中的根設(shè)備。最終形成如圖8-7所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是個典型的二叉樹形結(jié)構(gòu)，每個設(shè)備的角色為{M，M/S，S，S，S}。盡管參與組網(wǎng)的設(shè)備數(shù)量較少，它實(shí)際上已組成了一個自組織的AdHoc網(wǎng)絡(luò)。

需要注意：

（1）在微微網(wǎng)中對處于激活狀態(tài)的從設(shè)備的個數(shù)限制為2個。

（2）某個設(shè)備一旦成為從設(shè)備（即d、e），它就不能再被其它設(shè)備發(fā)現(xiàn)，也不能查詢其它設(shè)備或與其它設(shè)備建鏈。

（3）在建鏈過程中，如果已經(jīng)作為M的設(shè)備（如b）再接受建鏈成功，要把自己的從設(shè)備的信息（路由信息）告知上一個主設(shè)備（父設(shè)備）。這樣最終所有設(shè)備的路由信息都保留在樹形結(jié)構(gòu)的根設(shè)備（最上層的父設(shè)備）中。

（4）每個節(jié)點(diǎn)也擁有自己的路由信息，路由表中包含默認(rèn)路由器，也就是它的父節(jié)點(diǎn)。當(dāng)它無法從本地路由表查找到數(shù)據(jù)的目的地址時就轉(zhuǎn)發(fā)給默認(rèn)路由器，因?yàn)槟J(rèn)路由器可能包含有比它本身更多的路由信息。

（5）體會單跳轉(zhuǎn)接

例如設(shè)備d向設(shè)備b發(fā)送信息，或者設(shè)備b向設(shè)備d、e發(fā)送信息。

（6）體會多跳轉(zhuǎn)接

例如設(shè)備e向設(shè)備c發(fā)送信息。這時需要通過多個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)接來傳遞信息。注意有些節(jié)點(diǎn)間的物理距離雖然很近，例如設(shè)備d、e，但由于兩個節(jié)點(diǎn)都是從設(shè)備，它們之間不能直接傳送信息。

組建網(wǎng)絡(luò)窗口的IP如圖8-8所示（規(guī)定一臺設(shè)備最多主動與其它兩臺設(shè)備建立連接）。

圖8-8組建網(wǎng)絡(luò)窗口的IP圖

2）單播

點(diǎn)擊單播按鈕彈出如圖8-9所示對話框，可以在下拉菜單中選擇對象，也可以手動輸入，確定后進(jìn)入輸入數(shù)據(jù)框。

圖8-9選擇點(diǎn)對點(diǎn)播放對象的對話框

3）路由信息

觀察實(shí)驗(yàn)中各節(jié)點(diǎn)之間地址及數(shù)據(jù)信息的交換過程，理解簡單的路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程。參考前述的路由選擇流程圖，在前面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)記出自己的路由選擇。

4）廣播與組播

在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置兩個組播組，這樣建立2個設(shè)備的相關(guān)信息如圖8-10所示。

圖8-10組建網(wǎng)絡(luò)中2個設(shè)備的信息圖

廣播過程中，由任一節(jié)點(diǎn)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送同一消息，觀察其發(fā)送的目標(biāo)地址以及數(shù)據(jù)交換過程；觀察在該情況下的路由過程與兩個節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)單播的過程有何不同。

組播過程中，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)都可申請加入一或多個組，而后網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)設(shè)備向某組發(fā)送組播信息，觀察數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程；更改節(jié)點(diǎn)加入的多播組，觀察結(jié)果。

組播路由表的維護(hù)比較復(fù)雜，無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下就更為繁瑣。大家可以根據(jù)本實(shí)驗(yàn)組成的網(wǎng)絡(luò)思考或設(shè)計組播路由表的格式以及如何維護(hù)組播路由表。

8.7基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)成

隨著2009年初美國在IBM公司的倡議下將物聯(lián)網(wǎng)正式引入美國國家戰(zhàn)略，全球掀起了一陣物聯(lián)網(wǎng)熱浪。歐盟、口本、韓國、中國等紛紛跟進(jìn)，將物聯(lián)網(wǎng)作為各自信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的國家級戰(zhàn)略，物聯(lián)網(wǎng)也有望成為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用非常廣泛，如圖8-11所示。

圖8-11物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)應(yīng)用有以下內(nèi)容：

（1）智能工業(yè)：建立全流程實(shí)時監(jiān)測和智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程、檢驗(yàn)檢測等環(huán)節(jié)的智能控制，傳感網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高能源利用效率，降低污染物排放量。

（2）智能電力：建設(shè)對重要輸變電設(shè)備和高空塔架狀態(tài)監(jiān)測的傳感網(wǎng)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)智能的設(shè)備生命周期管理和故障預(yù)警：建立基于通信網(wǎng)絡(luò)的電力遠(yuǎn)程抄表平臺，實(shí)現(xiàn)全電子化抄表、通知和繳費(fèi)，提升基礎(chǔ)設(shè)施精細(xì)管理和自動化運(yùn)營能力。

（3）智能物流：建設(shè)基于3G網(wǎng)絡(luò)的港口感知調(diào)度與通關(guān)示范平臺，通過堆場內(nèi)的傳感網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人員、貨柜車和集裝箱定位跟蹤與智能調(diào)度，提升港口調(diào)度效率，加快貨物通關(guān)速度。

（4）智能交通：建設(shè)智能公交系統(tǒng)、運(yùn)營車輛智能管理系統(tǒng)和危險品運(yùn)輸管理系統(tǒng)；在中心城區(qū)建設(shè)交通流量實(shí)時監(jiān)測與動態(tài)誘導(dǎo)系統(tǒng)、機(jī)動車定點(diǎn)測速系統(tǒng)、闖禁車輛抓拍系統(tǒng)、公交車專用車道智能信號系統(tǒng)、交通信號燈智能控制系統(tǒng)和停車場智能誘導(dǎo)系統(tǒng)等。

（5）智能安防：以機(jī)場、政府機(jī)關(guān)、軍事基地等重要區(qū)域的周界防入侵系統(tǒng)作為應(yīng)用切入點(diǎn)，達(dá)到全天候全天時、低漏警率和低虛警率的周界安全防范要求。

（6）智能環(huán)保：建設(shè)重點(diǎn)區(qū)域的水質(zhì)和大氣監(jiān)控傳感網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的大面積、高精度監(jiān)測，加強(qiáng)對重點(diǎn)排污企業(yè)的不間斷監(jiān)控，提升環(huán)保部門的預(yù)警和管理能力；建立完善的環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，為管理機(jī)構(gòu)評估環(huán)境數(shù)據(jù)、制定公共政策提供依據(jù)，改善生態(tài)環(huán)境。

（7）智能醫(yī)療：以人體生理和醫(yī)學(xué)參數(shù)采集及分析等應(yīng)用為切入點(diǎn)，建設(shè)個人實(shí)時健康監(jiān)測和服務(wù)平臺，降低醫(yī)療費(fèi)用成本，提高衛(wèi)生資源使用效益，從而實(shí)現(xiàn)集中醫(yī)療模式向分布式醫(yī)療模式的轉(zhuǎn)變。

（8）智能家居：在住宅小區(qū)引入傳感網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)聯(lián)入城市公共安全平臺的小區(qū)安防系統(tǒng)以及基于通信網(wǎng)絡(luò)的家庭環(huán)境監(jiān)控等智能控制平臺，實(shí)時收集水、電等資源使用信息，根據(jù)人員的活動自動調(diào)節(jié)空調(diào)、電燈和水源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

下面以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用為例，簡單演示其系統(tǒng)構(gòu)成。

物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)由智能家居感知層、公共通信網(wǎng)絡(luò)層、綜合業(yè)務(wù)信息增值服務(wù)平臺層、智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層組成，如圖8-12所示。

圖8-12物聯(lián)網(wǎng)智能家居的系統(tǒng)架構(gòu)

1.智能家居感知層

智能家居感知網(wǎng)由各種終端設(shè)備、控制設(shè)備及智能家居網(wǎng)關(guān)組成，其還應(yīng)支持泛在智能家居服務(wù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

從家庭控制業(yè)務(wù)分類，智能家居控制設(shè)備涉及家庭環(huán)境感知設(shè)備、家庭電器設(shè)備、多媒體設(shè)備、能源監(jiān)測設(shè)備、安防報警設(shè)備、家庭醫(yī)療設(shè)備等。

智能家居網(wǎng)關(guān)支持家庭內(nèi)的有線/無線方式以構(gòu)成家庭網(wǎng)絡(luò)，包括各類現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、ZigBee、RFID、Bluetooth等；支持公共通信網(wǎng)絡(luò)接入家庭。其中有線接入方式可支持2G/3G、LTE等。

家庭終端是各類家庭控制設(shè)備的控制與管理平臺，現(xiàn)階段已初步具備各類家庭情景控制模式，具備移動控制終端（如平板電腦、手機(jī)等）功能，且手機(jī)還可以作為智能家居的遠(yuǎn)程控制終端。家庭終端還應(yīng)具備泛在物聯(lián)服務(wù)延伸至智能家居的管理平臺。因此，家庭終端應(yīng)具備智能家居控制與運(yùn)營商綜合業(yè)務(wù)服務(wù)的融合功能。

2.公共通信網(wǎng)絡(luò)層

該層主要具備接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和通信服務(wù)能力。

其中，接入網(wǎng)、核心網(wǎng)將智能家居提供泛在服務(wù)延伸至智能家居終端及智能家居控制管理功能集成到綜合業(yè)務(wù)平臺的網(wǎng)絡(luò)通道。

通信服務(wù)能力主要體現(xiàn)在兩個方面：一是通信網(wǎng)絡(luò)能力（如定位、呈現(xiàn)、短信、彩信等）；二是媒體資源、存儲資源以及和運(yùn)營商合作的一些其他資源（如地圖）。上述能力與資源均可通過業(yè)務(wù)平臺開放。

3.綜合業(yè)務(wù)信息增值服務(wù)平臺層

該層以通信運(yùn)營商的業(yè)務(wù)平臺為核心，為智能家居應(yīng)用提供泛在服務(wù)的支撐和管理，其主要包括綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、業(yè)務(wù)管理與運(yùn)營支撐平臺。

面向智能家居通信與業(yè)務(wù)管理總體應(yīng)具備多種技術(shù)能力，如智能家居設(shè)備接入與管理、業(yè)務(wù)應(yīng)用接入與管理、業(yè)務(wù)能力開放與管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)安全等。

4.智能家居物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層

該層可利用業(yè)務(wù)平臺層及其業(yè)務(wù)開放接口，面向智能家居提供各類具體的智能家居服務(wù)，如智能電網(wǎng)、家庭醫(yī)療、多媒體娛樂、家庭安防、家庭控制等。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)具有以下幾個特點(diǎn)：內(nèi)部組網(wǎng)需要控制的設(shè)備多，網(wǎng)絡(luò)容量大；系統(tǒng)內(nèi)包含多種高速、中速及低速的數(shù)據(jù)設(shè)備，對信息傳輸?shù)难訒r性、實(shí)時性要求嚴(yán)格；兼容廣泛的連接技術(shù)；需要保證高級別的安全性。

圖8-13所示的智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，家居設(shè)備、移動終端以及其他域設(shè)備通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)信息互通、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息共享和交互；借助高速有線網(wǎng)絡(luò)與無線互聯(lián)，在QoS、UPnP、DHCP等關(guān)鍵技術(shù)的支撐