1、无线分布式网络 (Wireless Distributed Networks),王建强,概 述,无线分布式网络近年来受到了越来越广泛的关注, 主要有以下 3种类型： ad hoc 网络 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN) 无线Mesh 网络（Wireless Mesh Network ，WMN）,无线分布式网络的起源,无线分布式网络的前身是ad hoc网络，是由一组具有无线收发装置的移动节点组成的多跳、临时性的自组织系统。 起源于美国国防部高级研究计划署（Advanced Research Projects Agency，DARPA）1972 年提出、 1
2、973年开始建造的分组无线网(Packet Radio Network，PRNET) ；,关于无线分组网 （Packet Radio Network，PRNET）,无线分组网基于分组交换技术，利用无线信道以分组方式传输数据或语音信息的通信网络，又称分组无线网； 一种没有集中交换节点，将交换功能分散设置的分布式网络，这是与有线分组交换网的一大区别； 具有信道利用率高、速率高，时延大、全连通区域覆盖，覆盖范围广（直径可达150公里左右）、可靠性高 、互连方便等特点。,无线分布式网络的发展,随着ad hoc 网络研究和应用的不断深入， 衍生出了无线传感器网络（WSN）和无线Mesh 网络（WMN）；
3、 WSN和WMN它们也采用分布式、自组织组网思想，但在特定应用环境下具有不同于ad hoc 网络的特性； 随着技术不断发展, 无线分布式网络变为一个非常宽泛的概念，主要由ad hoc 网络、无线传感器网络和无线Mesh 网络 3种网络组成。,Ad Hoc无线网络概念,“ad hoc”一词源于拉丁语，意为“特殊的”； ad hoc网络是由一系列可任意移动的无线节点组成的一个多跳的（multi-hop）、自创建（Self-Creating)、自组织(Self-Organizing)、自管理（Self-Administering)的临时系统； 网络中所有结点的地位平等，无中心控制节点，每个网络节点同
4、时具有终端和路由器的双重功能。 ad hoc网络不依赖预设的基础设施而临时组建，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑。 可独立工作，也可与Internet或蜂窝无线网络连接。,Ad Hoc无线网络,称Ad Hoc网络为“特定网络”，是因为它一般用于近距离的特定连接（一般室内10-30米内，室外30-100米内）。 称Ad Hoc网络为“对等网络”是因为它是能很方便地加入和离开，既能主控，又能被控的网络。,称Ad Hoc网络为“自组织”，是因为网络的布设或展开不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，结点开机后就可快速、自动地组成一个独立的网络。,只需具备无线网卡电脑
5、就能组成无中心性的Ad Hoc网络,Ad Hoc的自组织功能,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Ad Hoc动态变化的网络拓扑,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Wi-Fi,Ad Hoc动态变化的无缝漫游,支持移动IP功能,Ad Hoc网络的关键技术,MAC-碰撞/冲突避免、隐藏和暴露终端问题 网络自组织技术（自动组网，相邻发现等） 自组织路由协议的设计和开发（自动路由建立、维护和恢复等） QoS保证 功率控制与管理 网络的信息安全,可以和许多技术结合,AD HOC网络的应用,1、城域无线通信（无线宽带接入
6、、小区覆盖等） 2、战场侦察网络、战地监测网络 3、企业网：展览中心、体育场、旅游区、大型仓库、港口、煤矿. 4、应急/救援通信系统 5、智能交通系统（ITS） 6、公安/交警/消防 7、.,Ad hoc网络在军事方面的应用,Ad hoc网络技术的主要应用领域是军事方面，因其特有的无需架设网络设施、可快速展开、抗毁性强等特点，它是数字人战场通信的首选技术。 Ad hoc网络技术已经成为美军战术互联网的核心技术。美军的近期数字电台和无线互联网控制器等主要通信装备都使用了Ad hoc技术。,Ad hoc网络在紧急和临时场合的应用,当发生地震、水灾、强热带风暴等灾难后，固定的通信网络设施（如有线通信
7、网络、蜂窝移动通信网络的基站等网络设施、卫星通信地球站以及微波接力站等）可能被全部摧毁或无法正常工作，对于抢险救灾来说，这时就需要Ad hoc网络这种不依赖任何固定网络设施又能快速布设的自组织网络技术。 类似地，处于边远或偏僻野外地区时，同样无法依赖固定或预设的网络设施进行通信。Ad hoc网络技术的独立组网能力和自组织特点，是这些场合通信的最佳选择。,Ad hoc网络存在的问题,难以预测的动态网络拓扑 移动终端间的网络拓扑随时变化变化的方式和速度都难以预测 受限的无线传输带宽 无线信道本身的物理特性及竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素, 移动终端得到的实际带宽
8、远远小于理论上的最大带宽,Ad hoc网络存在的问题（续）,时变的无线传输带宽 拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化, 它的链路容量表现出时变特征 能量受限 大多数节点以电池作为能源，能量受到电池的限制，需要考虑节能设计 安全性较差 由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击,无线传感器网络（WSN）,无线传感器网络( Wireless Sensor Network，简称传感器网络或者无线传感网 )是集信息采集、处理、传输于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。,WSN的起源,无线
9、传感网最早是由美国加州伯克利分校(UC Berkeley)，David Culler教授主持的一项研究计划，称之为智慧灰尘 (Smart Dust)。这项计划由美国国防部高级研究计划署 (DARPA)所支助，原先的构想是应用在军事上，例如：战场监控。,侦察机,敌方阵营,WSN的发展,近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统 (MEMS) 等技术的飞速发展, 低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能； 微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能, 无线传感器网络就是由许多这种微型无线传感器节点协同组织起来的。 WSN被认为是21 世纪最重要的技术之一，应
10、用前景越来越广, 国内外研究机构对它的研究也正方兴未艾。,无线传感器,整合了sensor , processor , communication设计以省电、价格低廉、体积小为目标,WSN的技术特点,节点电池能量有限且大多不可充电, 整个网络是能量受限的 传感器节点的微型化, 节点的电池能量有限, 而且由于物理环境限制难以给节点更换电池。 以数据为中心 节点把来自多条路由的数据进行聚合, 消除冗余, 让传输的数据最小化, 从而达到节省能量的目的； 传感器网络是高密度网络, 很多节点会探测到同一个物理现象, 因此传感器节点发送的数据就会存在冗余； 无线传感器网络把路由和网内数据聚合联合考虑, 以求
11、达到最大节省能量的目的。,WSN的技术特点（续）,传感器网络的节点数量大、密度高 由于传感器网络节点的微型化, 每个节点的通信和传感半径很有限, 一般为几十米范围之内, 而且为了节能, 传感器节点大部分时间处于睡眠状态, 所以往往需要铺设大量的传感器节点。 传感器网络的节点数量和密度都要比ad hoc 网络高几个数量级，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题, 如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。,WSN的技术特点（续）,动态拓扑结构变化 传感器节点在工作和睡眠状态之间切换 传感器节点随时可能由于各种原因发生故障失效 有新的传感器节点补充进来
12、以提高网络的质量 某些节点具备移动能力,WSN的应用,军事方面 环境科学 医疗健康 空间探索 商业应用 .,WSN应用举例,1. Environmental monitoring applications (Digital Sun)2. Structural integrity modeling and monitoring,Precision Agriculture, Water quality management,A thin arch dam - Switzerland,Golden Gate Bridge San Francisco,WSN应用举例（续）,3. Equipment H
13、ealth Monitoring in Semiconductor Lab,Mote + Vibration Sensors,Ad Hoc Mote Network,Intranet,802.11 Mesh,Intranet isolation,Root Node,Ad Hoc Mote Network,Intranet,802.11 Mesh,Intranet isolation,Root Node,WSN应用举例（续）,4. Research Redwood microclimate,无线Mesh 网络（WMN）,通常是指一种动态自组织（ dynamically self-organize
14、d ）、自配置（ self-configured）、节点自动建立与维护（ automatically establishing and maintaining）的无线多跳（Multi-hop）网络，可看作“因特网的无线版”，也称为无线网状网，简称WMN。 无线Mesh 网络中包含两种类型节点，Mesh 路由器（Mesh Routers）和Mesh 客户端（Mesh Clients）,无线Mesh 网络,WMN的概况,源于1997年美国军方机构DARPA为加强战术通信系统的可靠性，与IT&T 公司合作研究的最新集无线组网、路由和定位一体化的先进战术通信系统(ATCS)，相关技术于2000 年初正
15、式推向商业和民用； 目前在国内，对于WMN，无论在研究还是商用方面，都还处于起步阶段。 由于网状网结构具有众多的优良特性，除了在军事通信方面，在民用和商业领域也有广泛的应用前景；,WMN的标准制定,2004 年1 月，IEEE 802. 11 工作组专门成立了网状研究组(Mesh Study Group)，同年3 月又成立了网状任务组，标志着WMN 技术正式迈上标准化道路； 近期，网状网主要标准IEEE 802. 11s 正在制定，草案已经推出； 对于其他标准，如802. 15. 3a、802. 15. 4 、802. 16 、802. 20 和 DSRC（专用短距离通信协议 ，dedicat
16、ed short range communication ），也开始探索如何与网状嵌入式设备相结合，以改进现有的技术。,WMN的优势,WMN有助于实现任何时间、任何地点、总在线； 配备无线网卡的节点可以直接、没有无线网卡的可以通过以太网等连接到无线网状路由器； WMN每个节点都具备路由或中继转发的功能，每个节点只和邻近节点进行通信，因此是一种多跳网络； 可以利用更低的发射功率实现传统无线网络相同范围的信号覆盖。,网状节点Mesh路由器,Examples of mesh routers based on different embedded systems,(a) PowerPC (b) Adv
17、anced Risc Machines (ARM),网状节点Mesh路由器（续）,网关网桥重发器功能 WMN 路由器节点通常配置多个支持相同或不同无线接入技术的无线接口，支持WMN和各种不同无线网络的集成 蜂窝（cellular） 无线传感器（wireless sensor） Wi-fi（ wireless-fidelity） WiMAX （worldwide inter-operability for microwave access）,网状节点Mesh客户端,(a) Laptop (b) PDA (c) Wi-Fi IP Phone (d) Wi-Fi RFID Reader,关于RFID
18、（ Radio Frequency Identification ）,RFID即射频识别技术，俗称电子标签 ； 是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境； RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。,RFID VS 条形码,RFID可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体； RFID采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息； RFID可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读； RFID储存的信息量非常大。,RFID的应用,车辆
19、自动识别治理 铁路车号自动识别 智能交通系统 高速公路自动收费系统 超市、零售商的商品管理 货物的跟踪、治理及监控 仓储、配送等物流环节 电子钱包、电子票证 动物跟踪和治理 .,网状节点产品,网状节点布置安放,WMN体系结构分类,根据网状路由器的客户节点功能的差异，可以将WMN分成 3类 基础设施型（INFRASTRUCTURE MESHING） 客户机型（CLIENT MESH NETWORKING） 混合型（HYBRID MESH NETWORKING）,基础设施型(Infrastructure Meshing),基础设施型（续）,网状路由器构成WMN基础设施主干； 路由器之间形成自配置与
20、自愈合链路网，供客户机连接； 网状路由器具备网关网桥功能，可连接现有无线网络，可接入Internet； WMN基础设施主干可以采用多种不同类型无线电技术构建； 典型情况下，网状路由器使用两种无线电，一种用于主干通信，一种用于用户通信。,客户机型(Client Mesh Networking),客户机型（续）,客户机组成实际网络； 支持客户机之间的P2P（ peer-to-peer ）联网； 客户机执行路由和配置功能，不需要网状路由器 分组可能需要通过多个中间节点转发才能到达目的节点； 通常基于同一种无线电技术构成； 同基础设施主干WMN相比，对客户机的要求提高，客户需要实现路由及自配置功能。,
21、混合型（Hybrid Mesh Networking）,混合型（续）,是基础设施型和客户机型的结合； 网状客户机可以通过网状路由器访问网络，也可以直接与其他网状客户机联网； 尽管WMN主干提供对其他网络的连通性，如Internet、Wi-fi、WiMAX、蜂窝和传感器网络等，但是客户机的路由能力可以改善WMN内的连通性和覆盖能力； 混合结构最有应用前景。,WMN的特点,多跳无线网络 网状风格的多跳连通性 增大现有无线网络的覆盖范围，同时不牺牲信道容量 为没有视线链路的用户之间提供非视线连通性 节点间干扰更小，频率重用更有效,WMN的特点（续）,支持Ad hoc组网，具备自形成、自组织和自愈合能
22、力 WMN增强了网络性能 灵活的网络体系结构 易于部署与配置 容错 网状连通 多点通信,WMN的特点（续）,WMN对前期投入要求低，可以按需渐进增长 移动性依赖于网状节点类型 通常网状路由器具有最小的移动性 网状客户机可以是静止节点或移动节点 多种网络接入类型 既支持访问Internet，也支持P2P通信 支持WMN与其他无线网络的集成，而且可以通过WMN向这些无线网络的用户提供服务,WMN的特点（续）,功耗约束依赖于网状节点类型 网状路由器通常对功耗没有严格限制 网状客户机可能要求功耗节约型协议 对网状路由器优化的MAC或路由协议可能不适合网状客户机 与现有无线网络的兼容性和互操作性 基于I
23、EEE 802.11技术构建的WMN必须与IEEE 802.11标准兼容，以同时支持具备网状联网能力的客户机和Wi-fi客户机 需要和其他无线网络互操作，如WiMAX、Zig-Bee和蜂窝网络,WMNs vs AD HOC Networks,无线基础设施主干 通常WMN具备由网状路由器组成的无线主干，无线区域覆盖面积大，连通性和健壮性强 Ad hoc连通性依赖于不是很可靠的各个端用户 专门的路由与配置 在Ad hoc中，端用户设备可以为所有其他节点执行路由自配置功能 在WMN中，网状路由器执行这些功能,WMNs vs AD HOC Networks (Cont.),多无线电 在WMN中，网状路
24、由器可以提供多无线电执行路由与接入功能 在Ad hoc中，这些功能是在同一信道上执行的 移动性 在自组织网络中，网络拓扑和连通性依赖于用户的运动，对路由协议、网络配置与部署带来挑战 在WMN中，主干通常保持不变,WMN在宽带家居联网中的应用,WMN在小区联网中的应用,WMN在企业联网中的应用,WMN在城域网中的应用,WMN在城域网中的应用（续）,WMN在运输系统中的应用,WMN在楼宇自动化中的应用,影响WMN网络性能的关键技术,无线电多址及射频技术 网状连接性 宽带及QoS保证技术 扩展性 兼容性和互操作性 安全性 易用性,WMN的网络管理,移动管理 位置管理与切换管理 位置管理负责位置登记与
25、呼叫提交 切换管理负责切换初始化、新连接生成和呼叫切换的数据流控制 能量管理 网状路由器通常对能耗没有限制 网状客户机通常希望协议是功率有效的 网络监控 AAA (Authentication, Authorization, and Accounting),结 语,ad hoc 网络主要侧重应用于移动环境中, 确保网络内任意两个节点的可靠通信, 网络内数据流可以包括语音、数据和多媒体信息; WSN是ad hoc 网络的一种特殊形式，侧重于利用分布、自组织思想实现对某个区域的物理现象监测, 网络内传输的数据流为低速率的数据; 无线Mesh 网络是一种无线宽带接入网络, 利用分布式思想构建网络, 让用户在任何时间、任何地点都可以对互联网进行高速无线访问。,结 语（完）,无线分布式网络近几年得到了快速发展, 人们也对其未来寄予了美好的憧憬； 但由于其不同于以往传统网络的特性, 导致研究和应用中存在很多难题 能量问题 高效、可靠的媒体接入控制协议 可靠的多跳路由算法等 这些难题有待于进行进一步的研究.,
