第08章_無線低速網(wǎng)絡(luò)

1、第8章無線低速網(wǎng)絡(luò),內(nèi)容提要,更全面的互聯(lián)互通是物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)之一。無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中智能程度較低設(shè)備的特征。本章介紹典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議（藍(lán)牙/紅外/802.15.4&ZigBee），并較為詳細(xì)地討論了無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。,8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)為什么除了高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)還需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？,本章內(nèi)容,為什么需要低

2、速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？,物聯(lián)網(wǎng)背景下連接的物體，既有智能的也有非智能的。適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中那些能力較低的節(jié)點(diǎn)低速率低通信半徑低計(jì)算能力，和低能量的要求將物聯(lián)網(wǎng)中各種各樣的物體連接起來，實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提,8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)典型的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有哪些？各有什么特點(diǎn)？,本章內(nèi)容,8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee,典型

3、的無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：,藍(lán)牙（Bluetooth）,短距離低功耗傳輸協(xié)議，最早始于1994年，由瑞典的愛立信公司研發(fā)。采用調(diào)頻技術(shù)（frequency-hopping spread spectrum），頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz。通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)也支持超過20Mbps的速率。通信半徑從幾米到100米左右不等，常見為幾米左右。,藍(lán)牙和Wi-Fi區(qū)別,Wi-Fi的定位：取代網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的有線

4、設(shè)備，實(shí)現(xiàn)從有線到無線的轉(zhuǎn)變。用來傳送各種文件，視頻，音頻，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的各種應(yīng)用。藍(lán)牙的定位替換一些個(gè)人用戶攜帶設(shè)備的有線，如耳機(jī)，鍵盤等。這些設(shè)備對帶寬的要求相對較少，或者說不是經(jīng)常使用，比如手機(jī)間的傳送小文件，或者說這些設(shè)備的資源擁有量（電量，計(jì)算資源等等）相對較低。,紅外（Infrared),紅外通信技術(shù)利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)更早，是一種較早的無線通信技術(shù)。特點(diǎn)采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一

5、般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優(yōu)勢缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對障礙物的衍射較差,802.15.4/ZigBee,802.15.4/ZigBee是無線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無線通信協(xié)議ZigBee主要定義了網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及之上的應(yīng)用層的規(guī)范802.15.4主要定義了短距離通信的物理層以及鏈路層規(guī)范,802.15.4 物理層,頻段：共3個(gè)，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻

6、段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個(gè)信道，支持?jǐn)U展到30；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)頻道。傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。,802.15.4介質(zhì)訪問控制層,介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)使用物理層的信道采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是

7、否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測信道，退避的時(shí)間長短由具體的協(xié)議指定。,CSMA/CA回顧,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到

8、達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)。回復(fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。,距離矢量路由協(xié)議（AODV）,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層以上,網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯(lián)網(wǎng)類似，在網(wǎng)絡(luò)層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務(wù)（比如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議）在傳輸協(xié)議上還需要提供各種基于不同

9、傳輸協(xié)議的應(yīng)用（比如FTP，HTTP等等）。,ZigBee與常用協(xié)議比較,8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)需要注意哪些問題？,本章內(nèi)容,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：物理層設(shè)計(jì),鏈路特點(diǎn)動(dòng)態(tài)性（Dynamic)非對稱性（Asymmetric）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間一個(gè)方向鏈路質(zhì)量好，另一個(gè)方向質(zhì)量非常差。空間關(guān)聯(lián)性（Spatial Correlatio

10、n）：因?yàn)槲恢孟嘟墓?jié)點(diǎn)通常有相似的環(huán)境。時(shí)間關(guān)聯(lián)性（Temporal Correlation）物理層設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)支持802.15.14模塊，如CC2420，同時(shí)滿足：低能量消耗低通訊半徑低通信帶寬,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì),無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)特殊性：節(jié)點(diǎn)功能小→計(jì)算不能太復(fù)雜節(jié)點(diǎn)能量少→盡量減少不必要傳輸節(jié)點(diǎn)通信范圍小→需要多跳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存小→不可能保存全部路由表節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜→高適應(yīng)性協(xié)議,MAC層：

11、沿用CSMA/CA,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：MAC層設(shè)計(jì),無線收發(fā)模塊占用大部分電量消耗！,MAC層設(shè)計(jì)：如何降低能量消耗？,無線收發(fā)器件（radio transceiver）工作時(shí)通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費(fèi)能量。低功率偵聽協(xié)議采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候關(guān)閉定時(shí)采樣獲取信道的信息,MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽的問題,假設(shè)采樣周期為T，發(fā)送者在發(fā)送

12、數(shù)據(jù)的時(shí)候如何保證接受者能夠收到？若保持發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間長度不少于T，接收者就能采樣到發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)然后接收者調(diào)整至接收狀態(tài)，正常接收數(shù)據(jù)。,MAC層設(shè)計(jì)：采樣偵聽的問題（續(xù)）,仍然有問題：發(fā)送者每次發(fā)送最常需要持續(xù)一個(gè)采樣周期的時(shí)間，還是會(huì)帶來不必要的能量損耗。更好的方法：同步發(fā)送者和接收者達(dá)到更高效率→調(diào)度,8.3 無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì),主要特點(diǎn)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路是不可靠的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的功能和資源極其受限的，

13、使得節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行很復(fù)雜的計(jì)算，測量以及維護(hù)龐大的路由表。鏈路質(zhì)量成為影響路由協(xié)議性能的重要指標(biāo)。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在其路徑選擇過程中均考慮了鏈路質(zhì)量。ETX是廣泛使用的路徑選擇指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)典型的鏈路測量方法。兩類典型的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議：數(shù)據(jù)收集協(xié)議CTP數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議Drip,8.1 低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求8.2 無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何納入IP