短距离无线通信第5章无线自组织网

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采用两个信道使控制报文和数据报文不会发生 冲突。
在解决隐终端和暴露终端方面具有独特优势, 通过适当的控制机制,可完全消除隐终端和暴 露终端的影响,避免数据报文的冲突
典型的Ad Hoc双信道接入协议:BAPU DBTMA DCMA系列
1、解决隐接收终端问题,即告知发送者自
己是隐终端,可以接收数据。A在给B发送数据时,
--源于CSMA/CA,故节点发送前先监听信道,如果空闲,等待 一个DIFS,如果在此期间信道持续空闲,就开始发送报文;如 果在此期间信道变忙,则执行退避算法。
--在下一次信道空闲持续DIFS时,节点开始以时隙为单位递减 退避时间。递减到0,即发送报文;若在递减过程中信道又变忙, 则冻结退避时间,待下次信道空闲持续DIFS后继续递减。
由信道引起的:带宽较窄、无线信道质量差
广播信道是多跳共享的,一个节点的发送,只有 其一跳相邻节点可以听到
总体:无基础设施支持、自动配置、健壮、安 全性
差、路由选择维护困难
信道接入技术:决定网络的性能,隐终端、暴露终端 路由协议: 网络体系结构:提供多种业务及支持一定QoS的需要 服务质量保证:不同层都要提供相应的机制,
2、簇头形成高一级的网络,又可以再分簇,再组成更高一级 的网络。
3、簇头可以指定,也可以由节点使用算法选举产生。 4、为了实现簇头间的通信,要有网关节点支持。网关节点指 同时位于两个簇头通信范围内的节点。
5、簇头和网关节点形成高一级的网络,称为虚拟骨干网(VBN)
分级结构的Ad Hoc网络 簇头:1、维护到达其他簇的路由信息,负责簇间数据的转发。
面临的问题:不同的信道共享方式
隐终端
暴露终端
T
T
点对点共享(最简单)
T
T
T
T
多点共享(以太网)
C
TT T
点对多点 共享(蜂窝)
T
T
T T
T
多跳共享(Ad Hoc)
多跳共享:当一个节点发送报文时,只有在它的邻居节点才
能够收到。其他节点感知不到,故不受影响,可 以同时发送报文,提高了频率的空间复用度。 即:在使用一个通信频率的情况下,Ad Hoc网络
中可以有多对节点同时进行通信。
多跳共享广播信道的直接影响:
报文冲突与节点所处的地理位置有关。即报文冲突是局 部事件,发送节点和接收节点感知到的信道状况不一定相 同,带来隐终端、暴露终端问题。
隐终端位于准备接收的站点范围内,但在
发送站点的范围之外。如图:当 A 和 C 检测不到
无线信号时,都以为 B 是空闲的,因而都向 B 发送数据,结果 发生碰撞。
D要向C发送报文。则D和C在控制信道上交换RTS和CTS,D然后 用数据信道向C发送数据报文,不影响A向B的发送。
2、解决暴露发送终端的问题,暴露终端是
可发送报文的。B向A发送数据时,C是暴露终端。C要向
D 发送报文,则用控制信道与D进行RTS-CTS握手,然后C用数据 信道向D发送数据报文而不影响B向A 的发送。
隐终端问题会引起报文冲突,从而影响信道利用率
在单信道条件下,隐发送终端问题(不能发送任何 消息)可以用握手机制部分解决;但隐接收终端问 题(通知发送者自己是隐终端)无法解决,即无法 告诉发送者自己是隐终端,而发送终端无法收到目 标接收者的CTS,不能确定其是隐终端或者是没有 开机,只能重新发送RTS。
吞吐量,容易实现全网的局部同步。 4、节点定位比平面结构简单。 5、结合了无中心和有中心模式。
分级结构的Ad Hoc网络 缺点:1、要有簇头选举算法,增加计算复杂性。
2、不一定能使用最佳路由,因为簇间信息都要经过簇头 寻路。
3、簇头作为集中转发点可能会成为新的网络瓶颈。
分级结构的Ad Hoc网络
一个描述一类无线信道接入协议的框架,这类 协议在发送数据之前要先使用控制报文预约信 道。
该协议允许一次RTS-CTS成功握手后连续发送 多个数据报文,以提高信道利用率。
采用载波监听机制,并通过增加CTS控制报文 的长度来消除隐发送终端的影响。
用于有两个共享信道的Ad Hoc网络。两个信道 分别为控制信道和数据信道。
如图:单信道条件下,B向A发送数据时,D要向暴露终端C
发送数据。D的RTS会与B的数据在C处冲突,C收不到来自D的 RTS,所以D也就收不到C的CTS,D就超时重发RTS。
事实上B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送 数据。 而当C 检测到媒体上有信号,就不敢向 D 发送数据,所以就引入了不必要延迟。
冲突解决采用MILD(Multiplicative Increase Linear Decrease)退避算法和退避计数器拷贝等技术取 代BEB,实现公平接入。
也没能很好的解决隐终端和暴露终端问题。
采用RTS-CTS-DATA-ACK报文交互机制。
--当数据报文较短时,可以直接采用DATA-ACK的简单报文交 互以提高效率;当报文较长时为减少冲突使用RTS-CTS来预约信 道。
3、节点覆盖范围小,相对较安全。
平面结构的Ad Hoc网络
缺点:1、在节点数目很多,特别是在节点大量移动的情况下,
控 制开销大,路由经常中断,很难实施集中式的网络管理 和控制。
2、扩充性差,每一个节点都需要知道到达其他所有节点的 路由,所以网络规模受限。
分级结构的Ad Hoc网络
1、网络划分为一到多个簇(cluster),每个簇由一个簇头和多个 簇成员组成。
3、完全分布式控制结构(平面结分构布)式控制结构 4、分层分布式控制结构(分级结构)
平面结构的Ad Hoc网络
(只适用于中小规模的Ad Hoc网络)
平面结构的Ad Hoc网络
优点:1、简单,所有节点在网络控制、路 Nhomakorabea选择和流量管理
上 都是平等的,又称对等式结构。
2、原则上不存在瓶颈,源与目的节点间存在多条路径, 可以较好的实现负载平衡和选择最优化的路由。
3、解决暴露接收终端的问题:暴露终端是不可
以接收数据的,所以要通知发送者自己是暴露终端,请延迟发 送数据。B向A发送数据时,C是暴露终端。D要向C发送数据,C 通过控制信道告知D自己是暴露终端,不可接受数据,D转而去 处理其他任务,延迟发送,而不是像在单信道中因为得不到C的 回应就不断的重发RTS。
Ad Hoc 基本介绍研究的主要问题 体系结构 信道接入协议 路由协议 分簇结构和算法(略) 节能问题
“Ad Hoc” 一词源于拉丁语,意为“For the specific purpose only”, 即:特别的,临时的。
Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动 终端组成的一个多跳的临时性自治系统。
Ad Hoc网络的节点分为主机、路由器和电台 三部分。
--主机:普通移动终端的功能 --路由器:维护网络拓扑结构和路由信息,完成报文转发 的功能
--电台:为信息传输提供无线信道支持
从物理结构分:
拓扑可变的网络包含四种基本结构:
1、中心式控制结构 集中式控制结构 2、分层中心式控制结构
(普通节点设备简单,中心控制节点设备复杂, 有较强的处理能力,负责路由和实施流量控制)
Ad Hoc网络可独立工作,也可以末端子网的形 式接入现有网络,不适于作为中间承载网络。
自愈式雷场系统
系统采用智能化的移动反坦克地雷阵来挫败敌人对地雷防线的突破。
具体:1、将地雷配备无线通信与自组织联网单元,通过某种方式布撒(飞机、
地对地导弹等) 2、地雷迅速构成移动Ad Hoc网络 3、遭到敌方坦克突破后,地雷通过对拓扑结构的自适应判断和自身兼
用于具有多个信道的Ad Hoc网络,相邻节点可 以使用不同的信道同时进行通信,接入控制更 加灵活。
关注两个问题:信道分配和接入控制。
--信道分配:为不同的通信节点分配相应的信道,消除数据报文的 冲突,使尽量多的节点可以同时进行通信。
--接入控制:确定节点接入信道的时机、冲突的避免和解决。
典型的Ad Hoc多信道接入协议:多信道CSMA
基于特定的网络和应用环境进行研究 广播和多播:Ad Hoc的特殊性导致问题复杂 安全问题: 网络互联技术:不同路由协议和传输层服务的转换工作 能耗节省机制:核心,功率控制 网络公平性:实现公平性的算法
Ad Hoc 基本介绍及研究的主要问题 体系结构 信道接入协议 路由协议 分簇结构和算法(略) 节能问题 QoS保障(略)
备的自动弹跳功能迅速“自愈”,重新构建网络,对敌方坦克实施 阻拦。 4、如此多次反复,直到网络无法重构,系统自行引爆
作用:限制敌军机动能力,延缓敌军进攻或撤退速度,在一定时间内
封锁特定区域。
由移动性引起的:无中心、自组织、 生存时 间短
由终端引起的:多跳路由、拓扑动态变化、携 带方便、能源受限
用于只有一个共享信道的Ad Hoc网络。所有的 控制报文和数据报文都在同一个信道上发送和 接收。
目标:通过使用控制报文,尽量减少甚至消除数据报文的冲突,
即设计合适的冲突避免策略
典型的Ad Hoc单信道接入协议:MACA
MACAW IEEE802.11DCF FAMA系列 MACA-BI
采用RTS-CTS握手机制 --隐终端:听到CTS没有听到RTS --暴露终端:听到RTS没有听到CTS
暴露发送和接收终端问题在单信道条件下 使用握手机制都无法解决。
高空间复用度 避免报文间的冲突 提供冲突解决的方法 硬件无关性
Tip:可以将信道与公路联系:公路要容纳 很多的车(空间复用),防止相撞,撞车 了要可以进行处理,对上路的车无特殊要 求。
基于单信道的接入协议 基于双信道的接入协议 基于多信道的接入协议
冲突解决采用BEB(Binary Exponential Backoff) 没有解决隐接收终端和暴露终端问题。
采用RTS-CTS-DS-DATA-ACK握手机制
--DS报文用于暴露终端确认自己身份。 --如果节点听到RTS但没有听到DS,说明RTS或CTS发生了
冲突,就没有必要延迟发送。 --ACK用于LLC的确认,没有得到ACK确认的数据报文将会 被重发。
与隐终端相对的现象:它在发送站的范围 内但在接收站的范围外。如图: B 向 A 发送数据,
而 C 又想和 D 通信。
C 检测到媒体上有信号,于是就不敢向 D 发送数据。
如图:单信道条件下,B向A发送数据时,C知道自己是暴露
终端,认为自己可以发送数据。C向D发送RTS,D发送回C的CTS 会与B发送的数据报文在C处冲突,C永远听不到D的CTS。C不但 没向D成功发送数据,反而重发了许多无用的RTS。
2、知道网络中所有节点与簇的所属关系,知道所属簇成员 的位置。
簇成员:不需要维护复杂的路由信息
分级结构的Ad Hoc网络
优点:1、良好的可扩充性,网络规模不受限制。可以简单的
通 过增加簇的个数和网络的级数来增大规模。
2、很强的抗毁性,因为簇头节点可以随时选举产生。 3、使路由信息局部化,减少路由协议的开销,提高系统
--移动终端:兼备路由器和主机两种功能,可以通过无线连接构成 任意的网络拓扑
--多跳:由于节点发射功率有限,故无线传输范围受限,无法直接 通信的节点通过中间节点转发实现通信
--临时:战地通信、灾后营救、野外作业、临时集会等 --自治:没有严格的控制中心,所有节点通过分层的网络协议和分
布式算法协调各自的行为
单频分级结构(所有节点使用同一频率通
信) (根据硬件配置不同分类,还有多频分级结构)
分级结构的Ad Hoc网络
多频分级结构
1、不同级使用不同的频率通信 2、高级节点同时处于多个级中,使用
多个频率,以实现不同级的通信。
由于TCP/IP已成为事实上的网络互联标准,Ad Hoc网络的 体系结构应基于TCP/IP体系结构,并根据自身特点进行必 要的简化、修改和补充。
为了获得较高的系统性能,即适应Ad Hoc网络动态变化, 节能,满足QoS保证,需要采用基于应用和网络特征的跨 层体系结构。
Ad Hoc 基本介绍及研究的主要问题 体系结构 信道接入协议 路由协议 分簇结构和算法(略) 节能问题 QoS保障(略)
运行在物理层上,是所有报文在无线信道上发 送和接收的直接控制者,它的性能好坏直接关 系着信道的利用效率和整个网络的性能。
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