无线自组织网络,电子科技大学计算机学院,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,教师介绍,姓名:朱金奇，博士，副教授 研究团队：无线计算与系统实验室 研究方向:无线传感器网络,延迟容忍网络，车载自组织网络 办公地点：主楼B1208 联系方式:13808045640 ,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,学习内容,第一章 无线网络基础 6学时 第二章 移动自组织网络 4学时 第三章 无线传感器网络 6学时 第四章 无线Mesh网络 4学时 第五章 车载自组织网络 6学时 第六章 物联网 2学时,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,教材及参考文献,无线网络技术导论，汪涛，清华大学出版社 参考文献 William Stallings, “Wireless Communications and Networks”, 清华出版社，2003 Andrew S. Tanenbaum, “Computer networks”, fourth edition. 计算机网络第四版清华出版社影印版/中译本2004 郑祥全等编著，“无线自组网技术实用教程”，清华出版社，2004 黎连业等，“无线网络及其应用技术”，清华出版社，2004,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,考核方式,考试，开卷 卷面成绩70%+平时作业30%,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,第一章 无线网络基础,1.1 无线网络概述 1.2 无线传输基础 1.3 无线局域网 1.4 无线城域网 1.5 无线广域网 1.6 无线个域网 1.7 无线自组织网络,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,1.1 无线网络概述,网络技术快速发展，人们的资源共享需求不断提高。 构造无处不在的计算环境，真正实现6A：任何人(anyone)在任何时候(anytime)、任何地点(anywhere)可以采用任何方式(any means)与其他任何人(any other)进行任何通信(anything)。 与有线网络技术相比，无线技术能适合无处不在的计算环境,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络的兴起,无线网络最大的优点是可以让人们摆脱有线的束缚，更便捷、更自由的沟通。 无线网络的历史起源可以追朔到五十年前的第二次世界大战期间。 1971年时，夏威夷大学的研究员创造了第一个基于封包式技术的无线电通讯网络ALOHANET，可以算是相当早期的无线局域网络(WLAN)。 80年代GSM网络 3G、物联网,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络分类,从通信方式 基于基础设施的无线网络和自组织网络 从覆盖范围 无线局域网 无线个域网 无线城域网 无线广域网 无线体域网 从应用角度 GSM,CDMA 移动Ad Hoc网络 无线传感器网络 无线Mesh网络 车载自组织网络,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络元素,笔记本, PDA,运行应用程序,可能是静态的 (没有移动) 或者移动的 无线并不总是意味着移动,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络元素,典型地连接到接入路由器,中继 负责在有线网络和其区域内的无线主机转发报文,如, 蜂窝塔 802.11 访问点AP,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络元素,无线链路,典型地用来连接移动主机和基站,也用于骨干网,多重访问协议协调链路访问,多种数据速率，传输距离,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络的基础设施模式,基站连接移动主机到有线网络,切换: 移动主机会改变连接到有线网络的基站,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线网络的自组模式,自组模式,没有基站,节点能够传输到链路范围内的其他节点,节点自己组织成为一个网络，在它们之间路由,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,1.2 无线传输基础,同有线网络不同的是 衰减的信号强度:无线电信号在传输时穿过物体时会衰减（路径损失） 来自其他源的干扰: 标准化的无线网络频率（如2.4GHz)是与其他设备共享的（如电话）或者受其他设备干扰（如马达） 多路传播: 电磁波受物体和地面反射，导致到达目的地的时间有些不一样 在无线链路的通信更加困难（即使是点对点链路） 两个重要的问题：隐藏终端和暴露终端,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,隐藏终端问题,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。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐藏终端问题(hidden station problem),A 的作用范围,C 的作用范围,A,B,C,D,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,暴露终端问题,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。 其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据,这就是暴露终端问题(exposed station problem) (因为D在B通信范围外,B发送的信号D收不到),A,D,C,B,？,B 的作用范围,C 的作用范围,解决方法:,思路是使接收节点周围的邻居节点都能了解到它正在进行接收. CSMA/CA协议: 发送数据前, 监听链路状态，等没有人使用链路，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有人使用，才送出数据。由於每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会. 送出数据前，先送一段请求传送报文RTS给目的端，等待目的端回应 CTS报文后，才开始传送。 利用RTS-CTS握手程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。同时由於RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小.,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,CSMA/CA流程:,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,具体实例:,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,如果站A要向站B发送数据, A首先向B发送一个RTS, 说明要发送的数据帧长度 ;B收到后向A回送CTS,附上A欲发送的数据帧长度.站A收到CTS之后就能发送数据了.,CSMA/CA和CSMA/CD的主要差别： 两者的传输介质不同,CSMA/CD用于总线式以太网,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11a/b/g/n等。 检测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。 CSMA/CD能检测冲突，但无法避免冲突； CSMA/CA发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”；,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,思考： 为什么无线网络不用CSMA/CD？,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,信道复用技术,共享信道,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 为什么多路复用？ 数据速率越高传输设施的成本就越高； 大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率, 使用复用技术是为了区分用户，合理利用所有的频谱资源不浪费；,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a) 不使用复用技术,(b) 使用复用技术,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,实现多路复用的关键 把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号。 分割信号的依据：信号之间的差别 信号频率上的不同频分多路复用 信号出现时间上的不同时分多路复用 信号码型结构上的不同码分多路复用,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带。 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A 在 TDM 帧中 的位置不变,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,码分复用 CDM(Code Division Multiplexing),常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,CDMA 的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(1),无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(1)式就可看出这两个码片序列是正交的。,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx + Tx,规格化内积 S Sx,规格化内积 S Tx,数据码元比特,发 送 端,接 收 端,无线自组织网络,电子科大计算机学院，软件学院,1.3 无线局域网WLAN(Wireless Local Area Network),由基本服务集（Basic Service Set，BSS）和基站（Base Station，BS）构成 一个BSS通常包含一个