无线网复习（六）：无线自组织网络

MANET

定义

移动Ad Hoc 网络（Mobile Ad Hoc Network, MANET）由一组 无线移动节点组成，是一种不需要依靠现有固定通信网络基础设施的、能够迅速展开使用的网络体系，所需人工干预最少，是没有任何中心实体、自组织、自愈的网络。
Ad Hoc的意思是：为某个特定目的、临时的、事先未准备的

MAC协议解决隐藏/暴露终端问题

隐藏终端是指在接收节点的覆盖区而在发送节点覆盖范围外的节点。隐藏终端因听不到发送节点的发送而向同样的接收节点发送分组，造成分组在接收节点处冲突。隐藏终端可分为隐发送终端和隐接收终端。
暴露终端是指在发送节点覆盖范围内，而在接收节点覆盖范围之外的节点。暴露终端因能听到发送节点的发送而可能延迟发送。但因为他在接收节点的通信范围之外，他的发送实际上不会造成冲突，引入了不必要的延迟。暴露终端也可分为暴露发送终端和暴露接收终端。
解决方法
对于隐藏终端，可以使用RTS/CTS方法进行避免。在发送数据之前，发送结点先发送RTS，当接受结点收到发送结点的RTS请求后，发送一个CTS回应，隐藏终端会听到接收结点的CTS，于是进行退避，这样就解决了隐藏终端的问题。
对于暴露终端，可以使用双忙音信道的方法解决。利用两个不同频段的信道发送忙音，一个代表有站点正在发信息，一个代表有站点正在收信息。

路由协议

Ad hoc网络对路由协议的要求

路由建立的时间越快越好
路由控制报文数量越少越好
路由长度越短越好

先验式路由（表驱动）

传统的分布式最短路径路由协议
- 链路状态或者距离向量
- 所有节点连续更新可达信息
每个节点维护到网络中所有节点的路由
所有路由都已经存在并且随时可用
路由请求延时低
路由开销高

反应式路由（按需）

在源端需要时通过路由发现过程来确定路由
- 控制信息采用泛洪方式
- 路由请求延时高
- 路由开销低
两种实现技术
- 源路由（报文头携带完整的路由信息）
- 逐跳路由（类似于现有的 Internet 路由）

两种路由方式的权衡

路由发现的延迟
- 主动路由因全程维护所有的路由而具备低延迟
- 按需路由因只在需要时才发现所需路由而导致高延迟
路由发现/维护的开销
- 按需路由因只在需要时才维护路由而具备低开销
- 主动路由因连续更新路由可能导致高开销
哪种途径表现更好取决于流量和移动模式
- 对于节点移动性低，网络流量高的网络中，主动路由协议性能较好
- 在网络流量受限、节点移动性强的网络中按需路由协议更加适合。
- 使用分级路由协议结合两种路由机制

路由中的几个问题

无穷计算

解决方法：
如果一个节点不再可达（ timeout 则将该节点的序列号加 1 （奇数序列号），并且设置 metric 为无穷

路由缓存

每个节点缓存它通过任何方式获得的新路由
中间节点使用缓存的到目的节点的路由响应RREQ
RREP中的路由记录 =RREQ 中的路由记录+缓存的到目的节点的路由

RREP风暴

节点广播到某个目的节点的RREQ，当其邻居节点的路由缓存中都有到该目的节点的路由时，每个邻居节点都试图以自己缓存的路由响应，由此造成RREP风暴
RREP风暴将浪费网络带宽，并且加剧消息冲突。
预防RREP风暴
每个节点延时D发送RREP
D与节点到目的节点的跳数成正比，使得到目的节点有最短路径的RREP最先发送
节点将接口设置成混杂模式(promiscuous)，监听是否存在有比自己更短的到目的节点的路径，如果有，则不发送本节点的RREP

路由波动

因为路由波动更容易用图来解释清楚，所以直接上图

功率控制

通用节能途径
1、减少分组重传
2、收发信机的高效使用
3、设置优先级，根据节点供电能力调度分组发送
4、节点能耗的控制与管理
5、暂停组成单元的操作

IP地址分配

对于大规模 MANET 需要使用动态 IP 分配技术 。

分配要求

IP地址不存在冲突。
节点退出网络必须释放地址。
除非无可分配地址，否则不能拒绝节点分配请求。
解决合并及分割带来的IP 地址冲突问题。
节点必需得到授权才能被分配IP 地址。

分配方法（2023简答考了）

QoS

将多媒体应用和移动 Ad Hoc 网络综合在一起的一个重要的认可准则就是提供端到端的服务质量 QoS ，如访问多媒体数据的高成功率，以及数据恢复时的有限制的端到端时延和满意的吞吐量。
为移动 Ad Hoc 网络提供 QoS 的两个折中原理是：软 QoS 和 QoS 自适应。

软QoS

通过在总的连接时间内的总的未满足时间之比来量化QOS满足等级，并使得这个比率不高于某个门限值。

QoS自适应

允许在一个预留指定范围内，随着有效资源的变化，重新调整资源分配。
物理层通过自适应提高或降低发射功率来跟踪传输质量变化。
链路层自动对链路差错率变法做出反应，包括使用自动重传，自适应误码纠错机制等。
网络层自动对网络的有效带宽和时延做出反应。

WSN——无线传感网

网络结构

无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。
大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。
用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

传感器结构

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；
处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；
无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；
能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池

协议栈

改进后的协议栈：

MAC协议

设计无线传感器网络MAC协议需要着重考虑的问题

节省能量（应对有限的能量供应）
可扩展性（应对动态拓扑结构）
网络效率（公平性，实时性、吞吐率等）

MAC层能量消耗主要原因

如果MAC协议采用竞争方式使用共享无线信道，可能会引起多个节点之间发送的数据产生碰撞，导致重传消耗节点更多的能量。
节点接收并处理不必要的数据。
节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。过度的空闲侦听或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。
在控制节点之间的信道分配时，如果控制消息过多，也会消耗较多的网络能量。

节能的方法

当数据收发，开启无线通信模块
如无数据需求，则进入睡眠状态
节点间协调睡眠和侦听周期，同时唤醒或睡眠，避免过度侦听或错过数据。

S-MAC协议

S-MAC协议采用的主要机制是“周期性的侦听和睡眠”，以底占空比的方式节能。网络中所有的结点使用同步的睡眠和侦听。如下图对比所示：

路由协议

路由协议特点

能量优先
基于局部拓扑信息
以数据为中心
应用相关

设计要求

能量高效：能量消耗小且均衡
可扩展性：适应动态拓扑结构
鲁棒性：具有容错能力
快速收敛性：减少通信协议开销，提高传输效率

定向扩散协议

定向扩散协议采用“查询-响应”操作模式，某个结点（sink）广播一个查询信息（interest），查询信息经扩散到达满足查询要求的结点（sources）。
在interest传播的过程中建立gradient（梯度）
一旦sources有可用的信息，便通过reinforced（加强）路径传递给sink结点
这一小节的重点在于理解兴趣、梯度和加强路径

拓扑控制

拓扑结构控制与MAC层和路由层的关系:

拓扑控制作为传感器网络重要的支撑技术, 主要作用是在介质访问控制层(MAC)和路由层之间,为减少通信干扰提高MAC协议效率提供基础, 为路由层提供足够的路由更新信息;
路由表的变化反作用于拓扑控制, MAC层也可为拓扑控制算法提供邻居发现等消息。
拓扑控制同时为网络时间同步、数据融合及目标定位等关键技术提供支撑。

网络的拓扑结构控制与优化的意义:（2023简答考了）

影响整个网络的生存时间。
利用功率控制技术减小节点间干扰，提高通信效率。
通过确定转发节点和邻居关系为路由协议提供基础。
通过数据融合节点的选择影响数据融合。
弥补节点失效的影响。

LEACH算法

LEACH算法分为建立和稳定阶段。
建立阶段，随机产生簇头，簇头产生后给全部节点发送通告，其余结点收到通告后，选择距离自己最近的簇头形成一个个簇。
稳定阶段，进行数据通信，结点将数据发送给簇头，簇头进行数据融合后发送给会聚结点。

DV-hop算法

一种定位算法，分为三个阶段
网络中的各参考节点通过典型的距离矢量交换协议向邻居节点广播自身位置信息分组，使得网络中的所有节点获得距参考节点的最小跳数信息。
每个参考节点利用其它参考节点的位置信息和相隔最小跳数来计算平均每跳距离，并将其作为一个校正值广播至网络中。当接收到校正值后，节点根据跳数计算与参考节点之间的距离。
当未知节点获得与3个或更多参考节点的距离时，根据三边测量法或极大似然估计法来计算未知节点的位置。

Mesh

无线Mesh网络(WMN，Wireless Mesh Network，又称无线网状网、无线网格网等)

WMN与MANET的主要区别（默写）

WMN由无线路由器构成的无线骨干网组成。该无线骨干网提供了大范围的信号覆盖与节点连接。移动Ad Hoc网络的节点都兼有独立路由和主机功能，节点地位平等，接通性是依赖端节点的平等合作实现的，健壮性比WMN差。
WMN节点移动性低于移动Ad Hoc网络中的节点，所以WMN注重的是“无线”，而移动Ad Hoc网络更强调的是“移动”。
从网络结构来看，WMN多为静态或弱移动的拓扑，而移动Ad Hoc网络多为随意移动(包括高速移动)的网络拓扑。
WMN与移动Ad Hoc网络的业务模式不同，前者节点的主要业务是来往于因特网的业务，后者节点的主要业务是任意一对节点之间的业务流。
从应用来看，WMN主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入，而移动Ad Hoc网络主要用于军事或其他专业通信。