物联网通信技术第7章 自组织网络课件.ppt
第7章 自组织网络,自组织网络概述自组织网络体系结构自组织网络关键技术自组织网络中的链路自适应技术无线抗衰落和抗干扰技术自组织网络的MAC层自组织网络的网络层,7.1 自组织网络概述,无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类。一类是集中控制的，即有中心的，无线网络的运行要依赖预先部署的网络基础设施；另一类是无预先部署的固定设施可以利用，能够临时快速自动组网Ad Hoc网络通常称为“无固定设施网”或“自组织网”，由于组网快速、灵活、方便，已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用,8.1 自组织网络概述,定义特点应用,7.1.1 自组织网络的定义,因特网工程任务组(IETF)对自组织网络的定义是：一个移动Ad Hoc网络可以看作是一个独立的自治系统或者是一个对因特网的多跳无线扩展。作为一个自治系统，它有自己的路由协议和网络治理机制；作为多跳无线扩展，它应该对因特网提供一种灵活、无缝的接入自组织网络是由许多带有无线收发装置的通信终端(也称为节点、站点)构成的一种多跳的临时性自组织的自治系统。每个移动终端兼具路由器和主机两种功能,7.1.2 自组织网络的特点,无中心节点自组织多跳路由动态变化的网络拓扑结构灵活性带来一些缺点：单向无线信道，传输带宽较低，移动终端受限，安全性差,7.1.3 自组织网络的应用,没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。需要分布式特性的网络通信环境。现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境。作为生存性较强的后备网络,7.2 自组织网络的体系结构,节点结构网络拓扑协议栈,7.2.1 节点结构,7.2.2 自组织网络的网络拓扑,平面结构分级结构,1.平面结构,网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。它的缺点是可扩充性差,2.分级结构,网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。这些簇头形成了形成了高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。在分级网络中，簇头节点负责簇间数据的转发,单频分级结构,多频分级结构,7.2.3 自组织网络协议栈,1.物理层,物理信道成型物理层同步高吞吐量技术的采用与改造安全性的提高,2.数据链路层,主要实现网络节点的寻址、流量控制、差错控制、业务汇聚、QoS保障机制等。一般把链路层分成MAC子层和逻辑链路子层MAC子层治理和协调多个用户共享可用频谱资源，需要解决MAC层同步、网络组织与治理、多路复用与竞争解决、路由维护与邻居发现、安全性等问题逻辑链路层(LLC)实现流量控制、差错控制和业务汇聚。,3.网络层,多跳路由协议单播路由组（广）播路由邻居节点维护,4.传输层,传输层负责排序接收的数据并将其送交相应的应用程序，检测分组的错误和重传分组语音业务是Ad Hoc网络中的常见业务。这就要使用到实时传送协议/实时传输控制协议(RTP/RTCP)和信令控制传输协议(SCTP)。,5.应用层,应用层的关注重点是网络效率问题尽管链路层和网络层的自适应机制能够为应用提供一定的QoS保障，但是这种QoS会随着信道条件、网络拓扑和用户要求的变化而变化，因此应用需要根据网络提供的QoS进行变化由于不同的应用具有不同的QoS要求，它们可以互相协调以获得可以接受的服务性能。,7.3 自组织网络的关键技术,路由协议服务质量功率控制安全问题互联问题,7.3.1 路由协议,与传统网络的协议相比，Ad hoc网络路由协议的开发更具挑战性，因为Ad hoc网络的网络拓扑结构是不断变化的，节点不会长期存储路由信息，并且这些存储的路由信息也不总是可靠的。理想的Ad hoc网络路由协议必须具备以下功能维护网络拓扑的连接。及时感知网络拓扑结构的变化。高度的自适应性。,7.3.2 服务质量,服务质量（QoS）指网络在传输数据流时必须满足的一系列性能指标，主要包括时延、可用带宽、丢包率和抖动等Ad hoc网络的QoS支持主要面临以下问题无线信道的时变性。无线信道的带宽受限。路由机制。有限的电池能量。,3种QoS模型,集成服务模型：可采用资源预留协议为每个流预留端到端的网络资源区分服务模型：将网络分为边缘和核心两部分，前者主要负责业务的分类、标记等，后者主要利用IP数据包头中的服务类型字段（ToS），把服务模型对资源预留协议的使用限制在用户网络侧集成区分服务模型：对集成服务和区分服务的综合，融合了两者的特点，它既可以控制每流服务的细粒度，又可以根据不同的业务类型提供相应的服务，是一种更优化的服务模型,7.3.3 功率控制,功率控制是指通过调整信号的发射功率，在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。由于Ad hoc网络的特殊性，如果对它进行功率控制，不但可以降低网络的能量消耗，还可以减少对邻近节点的干扰，提高信道的空间复用度，从而提高整个网络的容量。,理想的Ad hoc网络功率控制方法需满足要求,简单、高效、灵活、扩展性强。拓扑结构中节点的度要尽量小，从而减小节点间的相互干扰，增加网络吞吐量。能实现功率路径的最优化，从而节约能量，延长网络寿命。网络中的每个节点只需使用局部的信息就可以决定自己的传输半径和传输功率。,Ad hoc网络功率控制机制,链路层功率控制：主要通过介质控制（MAC）层上的协议来完成，发送节点根据每个报文的目的节点距离、信道状况等动态调整发射功率，以便提高网络容量和降低节点的能量消耗网络层功率控制：主要通过改变发射功率动态调整网络的拓扑结构和选路，最终使全网性能达到最优化混合功率控制：用网络层的功率控制调整网络拓扑结构和选路，而在发送报文时，链路层功率控制根据目的节点的远近调整发送功率。,7.3.4 安全问题,机密性、完整性、认证性、不可否认性、可用性和访问控制在Ad hoc网络中不允许存在一个可信任的密钥管理中心进行密钥分配，因为单一的认证中心节点极易成为网络的瓶颈，也是攻击者的首选攻击目标,7.3.5 互联问题,在实际应用中，Ad hoc网络不可避免要与其他网络互连，特别是与Internet互连。由于Ad hoc网络与Internet的路由方式不一样，如果要在它们之间实现无缝互连，就必须存在一种特殊的网关，它既能适应Internet网络的层次性路由机制，也能适应Ad hoc网络中的特定路由机制，并且能实现不同网络中节点间的通信,7.4 自组织网络中的链路自适应技术,自适应编码调制自适应帧长控制与自适应重传机制多天线技术,7.4.1 自适应编码调制,实际的无线信道具有时变特性和衰落特性，因此无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量，自适应编码和调制根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。,1.自适应调制,自组织网络必须具有自适应改变其传输速率的能力，以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率 实现可变速率调制的方法 可变速率正交振幅调制（VR-QAM）可变扩频增益码分多址（VSG-CDMA）多码码分多址（MC-CDMA）,2.自适应编码调制,信道编码能够有效地减小功率来获得给定的误码率，这在能量受限的自组织网络的链路设计中尤为重要自适应编码的目的就是最小化能量，获得高的频谱效率。一般而言，自适应编码都是与调制相结合的可变速率自适应格状编码调制（ATCQAM）通过改变码率与调制的星座图来动态地与信道匹配。接收端将估计的信道信息通过反馈链路发送到发送端，在信道条件好的时候，提高QAM的电平数，相反则降低QAM的电平数并增强差错保护能力，当然系统的吞吐量也随之下降,ATCQAM方案,7.4.2 自适应帧长控制与自适应重传机制,在无线网络中，当信道发生变化时，自适应地调整帧长是非常有益的。当干扰增加时，误码率将增加，减小帧长将减小误帧率，从而增加应用层的吞吐量当移动节点运动速度加快而导致多普勒频移增加时，减小帧长可以减少衰落帧的概率，这也能增加应用层的吞吐量自适应重传方法是将出错报文与重传的报文分集合并，充分利用出错的报文所携带的信息，从而进一步提高对频谱和能力资源的利用率，,增量冗余,通过增加冗余信息直道解码完全正确。当接收端解码失败后，发送端发送额外的校验比特，接收端将这些比特与已接收到的数据块合并，使得纠错的能力更强，从而使解码正确,7.4.3 多天线技术,动态天线分集智能天线多入多出,1.动态天线分集,通过天线分集，接收端可以获得发射端发出的同一信号的多个样本，由此可以在接收端以更高的精确度恢复发送的信号。然而，天线分集也有缺点，它需要更多的信号处理，导致更大的功耗，同时还会增加硬件额外开销。在采用动态分集技术条件下，根据接收端质量评估认为链路足够可靠时，就采用一种形式相对简单的接收天线分集，可以是选择分集或无分集模式。链路状况变差时，接收机将采用一种鲁棒但功耗更大的最大比例分集合并模式，它在多个接收天线路径上进行信号处理，在检测到链路质量改善后，接收机就会将其配置重新恢复到较简单的分集模式。,2.智能天线,智能天线可以产生多个空间定向波束，动态改变覆盖区域形状，使天线主波束对准用户信息到达方向，自动跟踪用户和应用环境的变化，从而有效抑制干扰，提取用户信号，提高链路性能和系统性能波束形成是智能天线的关键技术，是提高信噪比、增加用户容量的保证。波束形成对阵列天线的波束幅度、波束指向和波束零点位置进行控制，在期望方向保证高增益波束指向的同时，在干扰方向形成波束零点，并通过调节各阵元的加权幅度和加权相位来改变方向图形状。,预多波束形成,自适应多波束形成,3.多入多出,多入多出（MIMO）或多发多收天线（MTMRA）技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。多入多出技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率对于多入多出系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用多入多出系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道,多入多出系统原理,传输信息流S(k)经过空时编码形成N个信息子流Ci(k)（i=1，2，N），这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。,7.5 无线抗衰落和抗干扰技术,无线交织技术信道均衡技术多用户检测技术,7.5.1 无线交织技术,一条信息中的比特以非连续的方式被传送，使得突发差错信道变为离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者只有很短的比特出现错误，不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能纠正差错，恢复原来的消息,步骤（55矩阵存储交织器）,若输入数据块U经过信道编码后为 发送端交织存储器为一个行列交织矩阵存储器A1，它按列写入，按行读出，即,写入顺序,读出顺序,步骤（55矩阵存储交织器）,交织器输出后并送入突发信道的信号为假设在突发信道中收到两个突发干扰，第一个突发干扰影响5位，产生于，第二个突发干扰影响4位，产生于，则突发信道输出端的输出信号表示为,步骤（55矩阵存储交织器）,在接收端，将收到突发干扰的信号送入去交织器，去交织器也是一个行列交织矩阵的存储器A2，它是按行写入，按列读出经过去交织存储器去交织以后的输出信号为,7.5.2 信道均衡技术,信道均衡是指接收端滤波器产生与信道相反的特性用来抵消信道时变多径传播特性引起的码间干扰,1.时域均衡,时域均衡主要从时域响应考虑，使包含均衡器在内的整个系统冲击响应满足理想的无码间干扰条件线性均衡器的结构相对比较简单，主要实现方式为横向滤波器非线性均衡包括判决反馈均衡（DFE）和最大似然序列估计（MLSE）,判决反馈均衡器,最大似然估计均衡器,2.频域均衡,宽带移动通信的数据速率往往高达100Mb/s1Gb/s，如果采用时域均衡器，算法复杂度很高多载波正交频分复用（OFDM）是一种并行传输技术，它在指定频带上设置K个等间隔的子载波，每个子载波被单独调制，符号周期是同速率单载波系统的K倍，对符号间串扰的敏感性较单载波系统大大降低，从而能够更有效地对抗多径干扰,7.5.3 多用户检测技术,在CDMA中的主要干扰类型包括加性高斯白噪声、多址衰落干扰和多径干扰。当小区/扇区中同时通信的用户数较多时，在这三类干扰中，多址干扰是最主要的干扰用户检测技术是抗多址干扰的根本方法之一不论是多径衰落干扰还是多址干扰，其本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有强烈结构性的伪随机序列信号，而且各用户间与各条路径间的相关函数都是已知的，因此从理论上看，完全有可能利用这些伪随机序列的已知接口信息和统计信息来进一步消除这些干扰所带来的负面影响，以达到提高系统性能的目的,多用户检测器基本结构,7.6 自组织网络的MAC层,竞争协议分配协议混合协议,7.6.1 竞争类MAC协议,竞争协议使用直接竞争来决定信道访问权，并且通过随机重传来解决碰撞问题ALOHA协议CSMA协议多路访问与碰撞回避协议忙音多址访问协议,1.ALOHA协议,纯ALOHA当一个节点有帧需要发送的时候，允许该节点立即发送，发送完帧就等待接收节点的应答。当一个节点发现其帧无法成功交付时，该节点等待一段随机时间后，只是简单地重传该帧。时隙ALOHA把时间分为离散的时间段，每段时间对应一帧，强迫每个节点一直等到一个时隙开始才发送其分组，缩短了分组易受碰撞的时间周期，从而使得ALOHA协议的信道利用率提高一倍。这种方法要求用户时间的同步，方法之一是设置一个特殊的站点，在每段时间的开始像时钟一样发送一个信号,2.载波侦听多路访问协议,载波侦听多路访问协议（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）是一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议，其中的设备监听其它设备是否忙碌，只有在线路空闲时才发送。发送端情况看，又具体分为1-持续CSMA非持续CSMAp持续CSMA,1-持续CSMA,当一个节点有数据要发送时，它首先监听信道，检测网络上是否有其他的节点正在发送数据，若发现信道空闲，则开始发送数据；如果检测到信道忙，节点将继续监听直到信道空闲时，便将数据送出。若发生冲突，节点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。,非持续CSMA,在发送数据之前，节点会监听信道的状态，如果没有其他节点在发送，就立刻开始发送数据。但如果信道正在使用之中，该节点将不再继续监听信道，而是等待一个随机时间后，再重复上述过程。,p持续CSMA,一个节点在发送之前，首先监听信道，如果信道空闲，便以概率p传送，而以概率q=1-p把该次发送推迟到下一个时隙。如果下一时隙仍然空闲，便再次以概率p传送而以概率q把该次发送推迟到下一个时隙。此过程一直重复，直到发送成功或者另外一节点开始发送为止。,3多路访问与碰撞回避协议,多路访问与碰撞回避协议（multiple access with collision avoidance，MACA）协议采用两种固定长度的短分组，即请求发送RTS和允许发送CTS。节点A需要对节点B发送的时候，首先给节点B发送一个RTS分组，RTS分组包含发送数据的长度。节点B若接收到RTS分组，并且当前不再退避之中，则立即应答CTS分组，CTS分组也包含发送数据的长度。节点A接收到CTS分组后，立即发送其数据。旁听到RTS分组的任何节点推迟其全部发送，直到有关CTS分组完成为止。旁听到CTS分组的任何节点推迟其发送，推迟时间等于预定数据发送所需的时间,4.忙音多址访问协议,忙音多址访问协议（busy-tone multiple access，BTMA）把整个带宽划分为两个独立的信道。数据信道用于传输数据分组，占据大半带宽。控制信道用于传输特殊的忙音信号，表示在数据信道上有数据发送一个源节点发送数据分组前，先收听控制信道上的忙音信号，如果控制信道空闲则开始发送其数据分组，否则推迟发送。任何节点检测到数据信道上的发送动作时就立即开始往控制信道上发送忙音信号，一次继续进行，直到数据信道上的发送动作停止为止。,7.6.2 分配类协议,分配协议分为静态分配协议和动态分配协议，其区别在于计算传输时间安排的方法不同。静态分配协议事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间，动态分配协议使用分布式传输时间安排算法，按需分配传输时间,1.五步预留协议,五步预留协议（the five-phase reservation protocol，FPRP）是一个单信道、基于TDMA的广播传输时间安排协议网络节点使用竞争机制与其他节点互相竞争以获取TDMA广播时隙，它通过很小的控制分组的5次广播式的握手过程完成两跳范围内的节点间低冲突概率的TDMA时隙的分配。信道被分为预约信道和数据信道，节点有业务要传送时，在预约信道通过控制分组的竞争预约数据信道的信息时隙进行业务传送,2.跳频预留多址访问协议,跳频预留多址访问协议（hop-reservation multiple access，HRMA）利用极慢速跳频扩频FHSS的时隙化属性，采用请求发送分组RTS和允许发送分组CTS的相互交互，通过竞争实现跳频频率HRMA协议使用一个公共跳频序列，允许一个发送节点和一个接收节点之间交换RTS分组/CTS分组的竞争方式预留一个跳频频率，以便该节点对能够在该预留频率上无干扰地进行通信。,7.6.3 混合协议,混合协议将竞争协议要素和分配协议要素综合在一起，保持所组合的各个访问协议的优点，同时又避免所组合的各个协议的缺陷。一个混合协议的性能在轻载荷的时候近似表现为竞争协议的性能，而在重载荷的时候近似表现为分配协议的性能。,1混合时分多址访问协议,混合时分多址访问协议（hybrid TDMA，HTDMA）是CSMA/CA、虚拟载波侦听RTS/CTS和TDMA的混合协议。该协议同时做出两个TDMA时间安排，每个时间安排用于不同的目的和同一个信道的不同部分。,时间安排,第一个时间安排是竞争时间安排，由一个相对较长的时隙组成，分成4个时间片：第一个时间片是随机等待时间，用于避免许多节点在同一时刻同时进行发送；第二个时间片是时隙请求时间，用于发送RTS分组；第三个时间片是时隙应答时间，用于传输CTS分组；第四个时间片用于广播传输时间安排更新，本时间片不是必需的。第二个时间安排用于用户信息的传输，由多个等长的时隙组成，一个节点能够按需地向其相邻节点中的单个、多个、所有目标发送信息而预留不等的时隙个数。,2ADAPT协议,ADAPT协议将每个时隙划分成优先级时段、竞争时段和发送时段。在优先级时段，节点初始化一个与预定目的节点的碰撞回避握手，达到向外公布自己将要使用其分得时隙的目的。竞争时段用于节点需要在一个未分配时隙内访问信道时竞争该时隙，一个节点当且仅当在其优先级时段内信道保持为空闲的条件下才能够进行竞争。一个节点在一个未分配时隙的竞争时段成功完成了RTS/CTS控制分组握手过程之后就可以访问发送时段，所有在竞争时段握手失败的竞争则按照指数退避算法来加以处理。发送时段用于发送分组，所有节点在其分得时隙的发送时段都可以访问信道。,7.7 自组织网络的网络层,主动式路由协议按需路由协议,7.6.1 主动式路由协议,表格驱动类路由协议又称为主动式路由协议。主动式路由协议尽力维护网络中每个节点至所有其他节点的一致最新路由信息，要求网络中的每个节点都建立和维护一个或多个存储路由信息的表格网络拓扑一旦变化向整个网络传播路由更新信息,1目的节点序列号距离矢量路由协议,目的节点序列号距离矢量路由协议（Destination-Sequenced Distance-Vector Routing，DSDV）在RIP的基础上设计完成。DSDV协议通过给每个路由设定序列号避免了路由环路的产生每个节点保存一份路由表，表中的记录有每一条记录一个序列号，偶数序列号表示此链路存在，由目的地址对应的节点生成，奇数序列号表示链路已经破损，由发现链路破损的节点生成。,2最优化链路状态路由协议,最优化链路状态路由协议（Optimized Link State Routing，OLSR）在传统的链路状态协议的基础上优化的。OLSR中的关键概念是多点转播（MPRs）。MPRs是在广播洪泛的过程中挑选的转发广播的节点。在OLSR协议中，链路状态信息都是由被挑选为MPRs的节点产生的，这样减少了在网络中洪泛的控制信息。MPR节点只选择在MPR或者MPR选择者之间传递链接状态信息,7.7.2 按需路由协议,源节点初始化按需驱动类路由协议又称为按需路由协议。当网络中的一个节点需要一条路由到达某个目的节点的时候，该节点就初始化网络内的路由寻找过程，一旦找到一条路由，或者所有可能的路由重新排列都已检测完毕，则结束寻找过程。一旦创建了一条路由，就立即维护该条路由，直到路由异常中断或不再需要才停止该路由的维护。,1Ad Hoc按需距离矢量路由协议,当一个节点需要给网络中的其他节点传送信息时，如果没有到达目标节点的路由，则必须先以广播的形式发出RREQ(路由请求)报文。RREQ报文中记录着发起节点和目标节点的网络层地址，邻近节点收到RREQ，首先判断目标节点是否为自己。如果是，则向发起节点发送RREP(路由回应)；如果不是，则首先在路由表中查找是否有到达目标节点的路由，如果有，则向源节点单播RREP，否则继续转发RREQ进行查找,2源动态路由协议,源动态路由协议（dynamic source routing protocol，DSR）是一个简单且高效的路由协议。当一个节点欲发送数据到目的节点时，它首先查询路由缓冲器是否有到目的节点的路由。如果有，则按此路由发送数据；如果没有，源节点就开始启动路由发现程序。,2源动态路由协议,路由发现过程中，源节点S洪泛RREQ报文，每个请求分组通过序列号和源节点S标识唯一确定。中间节点接收到RREQ后，如果检测到重复，则丢弃该RREQ，否则将自己的地址附在路由纪录中继续洪泛。目的节点收到RREQ后，给源节点返回路由应答RREP报文，该报文包括RREQ消息中的路由纪录。源节点收到RREP后在本地路由缓存中缓存路由信息。,
