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1、第8章無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)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(lái),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(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)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(wú)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(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,藍(lán)牙紅外802.15.4/ZigBee,典型
3、的無(wú)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(wú)線的轉(zhuǎn)變。用來(lái)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(duì)帶寬的要求相對(duì)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(duì)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(wú)線通信技術(shù)。特點(diǎn)采用的是875nm左右波長(zhǎng)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(qǐng)等優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對(duì)障礙物的衍射較差,802.15.4/ZigBee,802.15.4/ZigBee是無(wú)線傳感網(wǎng)領(lǐng)域最為著名的無(wú)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(guó)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(lái)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(cè)到存在載波,則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道,退避的時(shí)間長(zhǎng)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(qǐng)求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后,再?gòu)V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(qǐng)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)?;貜?fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn),而是沿著路由請(qǐng)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(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無(wú)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(wú)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(duì)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??臻g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(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng):MAC層設(shè)計(jì),無(wú)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(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng):MAC層設(shè)計(jì),無(wú)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(wú)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng):網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì),主要特點(diǎn):無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鏈路是不可靠的無(wú)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(cè)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(wú)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(wú)線傳感網(wǎng)典型的鏈路測(cè)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(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議8.3 無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)8.4 IPv6網(wǎng)際互聯(lián)無(wú)線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何納入IP
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