第8章-无线低速网络6课件.ppt
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- 无线 低速 网络 课件
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1、内容提要更全面的互联互通是物联网的特点之一。无无线低速网络协线低速网络协议议能够适应物联网中智能程度较低设备的特征。本章将介绍典型的无线低速网络协议及无线传感网的组网技术。内容回顾第7章介绍了典型的无线宽带技术无线信道的新特点以及宽带网络的定义Wi-Fi/802.11的架构,物理层,介质访问控制层的特点以及数据链路层数据帧结构。WiMAX/802.16的架构,物理层,介质访问控制层的特点和协议。本章介绍典型的无线低速网络传输协议(蓝牙/红外/802.15.4&ZigBee),并较为详细地讨论了无线传感网组网实现。8.1 低速网络协议需求低速网络协议需求8.2 无线低速网络协议8.3 无线传感网
2、协议实现8.4 IPv6网际互联为什么除了高速网络协议,物联网还需要低速网络协议?本章内容为什么需要低速网络协议?物联网背景下连接的物体,既有智能的也有非智能的。适应物联网中那些能力较低的节点低速率低通信半径低计算能力,和低能量的要求需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来,低速网络协议是实现全面互联互通的前提。8.1 低速网络协议需求8.2 无线无线低速网络协议低速网络协议8.3 无线传感网协议实现8.4 IPv6网际互联典型的无线低速网络协议有哪些?各有什么特点?本章内容8.2 无线低速网络协议蓝牙红外802.15.4/ZigBee典型的无线低速网络协议:无线个域网(
3、WPAN)WPAN(Wireless Personal Area Network)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题,进而将无线联网进行到底。例:通过短距离的无线电,将一台计算机的各个部件连接起来2022-8-58v常用技术:蓝牙 ZigBee(IEEE 802.15.4)红外数据协会(IrDA)标准 UWB(超宽带无线技术)HomeRF RFID(射频识别)vIEEE 802.15工作组针对无线个域网,以上述技术为基础,开展无线个域网的标准化工作蓝牙(Bluetooth)典型无线低速网络
4、蓝牙红外802.15.4/ZigBee蓝牙技术蓝牙技术是一种短距离低功耗传输协议,最早始于1994年,由瑞典的爱立信公司研发。采用的是调频技术(frequency-hopping spread spectrum),频段范围是2.402GHz-2.480GHz。(使用(使用ISM频段)频段)Industrial Scientific Medical 通信速率一般能达到1Mbps左右,新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率。通信半径从几米到100米左右不等,常见为几米左右。蓝牙技术 1994年:爱立信爱立信决定开发一种低功耗、低成本低功耗、低成本的无线接口。该公司的工程师J.Haartsen博士
5、和S.Mattisson博士发明了蓝牙技术(IEEE 802.15.1)2022-8-511蓝牙技术的发展历程 1998.5:爱立信联合IBM、Intel、Nokia、Toshiba一起成立蓝牙特殊利益集团SIG。3Com、朗讯、微软、摩托罗拉等也很快加盟SIG 1999.7:SIG公布了蓝牙标准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(蓝牙核心规范3.0版 高速)2022-8-512蓝牙技术优点 蓝牙是一种低带宽、短距离、低功耗(对人体伤害小)的数据传输技术 工作在2.4GH
6、z频段,通信距离在10米之内;数据速率为1Mb/s 现在几乎一切东西都支持蓝牙,从键盘到耳机 不需任何电缆、不需更改配置、不需进行故障诊断即可建立连接 具有很强的移植性,可应用于多种通信场合,如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通信)等 蓝牙集成电路简单,成本低廉,实现容易,易于推广2022-8-513n 电缆替代 n Ad hoc个人网(例如,在会议室范围内连接多个用户)n 蓝牙网关:使蓝牙设备能够接入数据和语音骨干网络蓝牙系统中的皮可网和扩散网 蓝牙自组织网络称为微微网微微网(piconet;皮克网;皮克网),一个微微网最多有8台设备组成2022-8-515扩散网(
7、散布式网络)MMSSPSSSSSP皮可网 2皮可网 1M 主设备S 从设备P 搁置的设备主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列在一个微微网内,所有设备使用同一跳频序列主/从关系 多个微微网之间互联形成分散网分散网(scatternet)一个微微网的设备也可以作为另一个微微网的一部分存在,并在每个微微网中起主设备或者从设备的角色2022-8-516MMMMMMMM/SM蓝牙和Wi-Fi区别典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeWi-Fi的定位目标是为了取代网络应用中的有线设备,能够真正的实现从有线到无线的转变,他可以用来传送各种文件,视频,音频,实现互联网的各种应用。蓝牙蓝牙主
8、要是为了替换一些个人用户携带设备的有线,如耳机,键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少,或者说不是经常使用,比如手机间的传送小文件,或者说这些设备的资源拥有量(电量,计算资源等等)相对较低。红外(Infrared)典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee红外通信技术红外通信技术利用红外线传输数据,比蓝牙技术出现更早,是一种较早的无线通信技术。特点特点红外通信采用的是875nm左右波长的光波通信,通信距离一般为1米左右。设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势缺点缺点设备之间必须互相可见对障碍物的衍射较差802.15.4/ZigBee典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/
9、ZigBee802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议ZigBee主要定义了网络层、传输层以及之上的应用层的规范802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范802.15.4 物理层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee频段:频段:3个频段,均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段,包括868.0-868.6MHz,主要为欧洲采用,单信道;902-928MHz,北美采用,10个信道,支持扩展到30;2.4-2.4835GHz世界范围内通用,16个频道。传输技术:传输技术:最早为直接扩频,后来可采用调频、调相等多种技术。80
10、2.15.4介质访问控制层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee介质访问控制层(介质访问控制层(MAC)控制和协调节点使用物理层的信道802.15.4采用载波侦听多路访问方式(CSMA/CA),与802.11(Wi-Fi)类似。传输之前,先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在,若不存在说明信道空闲,将直接进入数据传输状态;若系统检测到存在载波,则在随机退避一段时间后重新检测信道,退避的时间长短由具体的协议指定。CSMA/CA回顾典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeZigBee 网络层典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层功能:网络层功能
11、:路由,新节点和路径的发现,决定一个节点属于某一个子网络等。ZigBee网络层网络层采用距离矢量路由协议(AODV)源节点广播一个路由请求给它的所有邻居邻居节点在收到消息后,再广播收到的消息给它们的邻居,如此直到消息到达目的节点。当目的节点收到路由请求消息以后,目的节点返回一个路由回复给源节点。回复不再以广播方式发送到源节点,而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径,这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。距离矢量路由协议(AODV)典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBeeAODV Unicast Route Discovery InitiationRoute R
12、equest(RREQ)broadcast floodSourceDestinationAODV Unicast Route Discovery CompletionRoute Reply(RREP)propagationDestinationSourceZigBee 网络层以上典型无线低速网络蓝牙红外802.15.4/ZigBee网络层以及上网络层以及上提供了向终端用户的接口与互联网类似,在网络层以上:互联网模型中需要提供不同类型的传输服务(比如TCP协议和UDP协议)在传输协议上还需要提供各种基于不同传输协议的应用(比如FTP,HTTP等等)。ZigBee与常用协议比较典型无线低速网络蓝牙
13、红外802.15.4/ZigBeeAd hoc网络的发展历程Ad hoc网络的前身是分组无线网(PRNET,Packet Radio Network);源于军事通信的需要2022-8-529世界上最早的无线电计算机通信网,将夏威夷的教育设备连接在一起(单跳、不支持路由)美国DARPA(美国国防部的技术研究部门)启动了分组无线网项目,将数据分组交换技术引入到无线环境中,开发军用无线数据分组网络(多跳)SURAN(Survivable Radio Network,抗毁无线网络)研究如何将PRNET的成果加以扩展,以支持更大规模的网络,还要开发能够适应战场快速变化环境下的自适应网络协议,主要解决PR
14、NET遗留的问题、网络的扩展性、安全、处理能力以及能量管理全球移动信息系统(GloMo)项目,在已有成果的基础上对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究,并持续至今,支持无线装置之间随时随地的以太网多媒体连接,解决移动Ad Hoc网络的M3问题(移动、多跳、多媒体)IETF成立MANET工作组,推动商用移动Ad Hoc 网络的开发与研究Ad hoc网络的应用 军事领域:战士利用临时建立的移动自组网络进行通信 也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群,以及海上的舰艇群、空中的机群-航母战斗群 移动会议:借助无线自组织网络实现分布式会议 抢险救灾:快速建立临时网络
15、,进行及时的通信 偏远野外地区:无法依赖固定或预设网络设施进行通信时 商业应用:家庭无线网络、移动医疗监护系统 其他:实现地铁和隧道的无线覆盖 出租汽车之间的通信Ad hoc网络的特点 无中心无中心 对等式网络。结点可随时加入和离开网络。任何结点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性 自组织自组织 网络的布设或展开无需依赖于任何预设的网络设施。结点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,结点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络 多跳路由多跳路由 当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时,需要中间结点的多跳转发。Ad hoc网络中的多跳路由是由普通的网络结点完成的 动态拓扑动态拓扑
16、 网络结点可以随处移动,也可随时开机和关机,这些都使网络的拓扑结构随时发生变化2022-8-531网络发展需求 从从PC时代过渡到时代过渡到普适计算普适计算时代时代(Ubiquitous Age)提供所需要的连接和网络服务成为一种挑战提供所需要的连接和网络服务成为一种挑战 问题问题:移动问题 不需要基础设施支持的问题 动态自组织组网问题 必须能够快速展开的问题 研究人员提出了不需要基础设施支持的移动Ad Hoc解决方案 2022-8-532移动Ad hoc网络:MANET MANET(Mobile Ad hoc network):特指节点具有移移动性动性的Ad hoc网络 N个笔记本电脑通过A
17、d hoc模式形成一个网络,如果笔记本不移动,网络的拓扑就不会改变,路由等也就是固定的 每个出租车上都配置一个无线网卡,全部出租车组成一个网络,则拓扑是不断变化的,路由等也变得复杂移动Ad Hoc网络的定义 移动移动Ad Hoc网络网络由无线移动节点组成,不需要依靠固定的通信网络基础设施、能够迅速展开使用的网络,所需人工干预最少,是分布式分布式的(没有任何中心实体)、自组织自组织、自愈自愈的网络 网络节点相互协作、通过无线链路进行通信、交换信息,实现信息和服务的共享 网络节点能够动态地、随意地、频繁地进入和离开网络,而不需要事先示警或通知,而且不会破坏网络中其他节点的通信 单跳Ad Hoc通信
18、 多跳多跳Ad Hoc通信通信单跳单跳/多跳网络多跳网络2022-8-535移动Ad hoc网络的MAC协议大致可分为3类:1.竞争协议(Contention Protocol)使用直接竞争来决定信道使用权,通过随机重传来解决碰撞问题在低负荷传输条件下运行良好:碰撞次数少、信道利用率高、分组传输时延小2.分配协议(Allocation Protocol)采用某种传输时间安排算法将时隙映射为节点中等或者繁重传输负荷条件下运行良好:充分利用时隙3.竞争协议和分配协议的混合协议(Hybrid Protocol)移动移动Ad Hoc网络的网络的MAC层层2022-8-536Ad hoc网络的分群 为了
19、降低节点成本,提供灵活、可靠的通信并提高Ad Hoc网络的可扩展性,通常采用分布式控制方式控制网络,如常用的分级分级结构结构 网络被划分为群群,每个群由一个群首群首和多个群群成员成员组成,这些群首组成一个高一级的网络 在高一级网络中,可以再分群,再次形成更高一级的网络,以此类推 群首和群成员的身份可动态变化2022-8-5372022-8-538平面结构平面结构Ad Hoc 网络网络单频分级单频分级Ad Hoc 网络网络群成员/节点群首网关多频分级多频分级Ad Hoc 网络网络无线Mesh网络 无线无线Mesh网络网络(WMN,Wireless Mesh Network,又称,又称无线网状网、
20、无线网格网等无线网状网、无线网格网等)是一种应用性的网络技术,由移动Ad Hoc网络顺应无处不在的Internet 接入需求演变而来 基于基站的无线通信系统基于基站的无线通信系统是通过“最后一英里”的无线接入,无法适应业务需求的增长 蜂窝移动通信系统蜂窝移动通信系统大大缓解了用户业务与系统资源之间的矛盾。但只适用于人口稠密、有永久用户业务需求的地区 移动移动Ad Hoc网络技术网络技术一直与蜂窝移动通信技术平行发展;但并没有在民用通信领域得到很好的应用 无线局域网无线局域网有效延伸了因特网的覆盖范围,技术上无法做到像蜂窝网络一样无处不在的信号覆盖2022-8-539 WLAN中,每个客户端必须
21、通过一条与AP关联的无线链路来访问网络,用户要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的AP(单跳网络单跳网络)无线Mesh网络中 任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器 每个节点都可以发送和接收信号 每个节点都可以与一个或多个对等节点进行直接通信2022-8-540无线Mesh网络传统基站方案的无线通信系统 2022-8-541对于网关节点覆盖之外的区域,用户节点负责往来业务的中继和转发,从而实现大范围廉价和快速信号覆盖 WMN结构示意图结构示意图 这种结构的最大好处在于:如果最近的AP由于流量过大而拥塞,那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。依此类推,数据包还可以
22、根据网络的情况,继续路由到与之最近的下一个节点进行传输,直到到达最终目的地为止(“无线版本的无线版本的Internet”)如果添加新的设备,只需简单的接上电源就可以;它可以自动进行自我配置,并确定最佳的多跳路径 添加或移动设备时,网络自动发现拓扑变化,并自动调整通信路由,以获得最有效的传输路径2022-8-542无线Mesh网络WMN与移动Ad Hoc网络、WLAN和WBAN的关系 2022-8-543WBAN:无线宽带接入网(wireless broadband access network),例如WMAN和WWAN移动Ad hoc网络WLANWBANWMN无线Mesh网络的结构无线无线Me
23、sh网络结构的分类网络结构的分类 平面网络结构平面网络结构 多级网络结构多级网络结构 混合网络结构混合网络结构2022-8-544WMN平面结构平面结构 WMN分级结构 2022-8-545 WMN混合结构 2022-8-546WiMAX基于Mesh的无线宽带接入结构图 2022-8-547WMN接入因特网方案 2022-8-548Vehicular 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,交通事故也成了現今非常重視的議題。為了讓駕駛者避免車禍事故發生,提升駕駛者周圍環境的交通資訊是相當重要的。附近的路邊設施附近的路邊設施 附近的車輛與車輛之間附
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