无线网络技术的发展现状与关键技术ppt课件.ppt
2023/8/13,1,无线网络技术发展现状与关键技术,毛玉明，教授，博导,2023/8/13,2,个人简介,毛玉明（1956-）电子科技大学，教授，博士生导师，享受国务院政府特殊津贴专家。申请3 项国家发明专利、发表的高质量技术论文超过50 篇。科研经历863重点项目“无线移动自组织互连网技术及实验系统研制”，(2001AA12303)863滚动项目“基于超短波信道的自组网关键技术研究”（2005AA123820）863重大项目子课题“信息传输分系统研制”（2005AA121122）863重大专项“动态频谱资源共享宽带无线通信系统验证网络开发”子课题国家重大专项：“全IP宽带移动网络架构及关键技术研究”子课题国家重大专项：“传感器网络总体研究及仿真平台”子课题十五电子预研项目：“无线路由XX”九五电子预研项目：“高速分组无线XX 系统”八五电子预研项目：“XX 分组无线网”获奖国家科技进步二等奖获信息产业部科技进步一、二、三等奖多次中国高校科学技术一等奖 国防科学技术三等奖,2023/8/13,3,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2023/8/13,4,WLAN定义：Wireless LAN，即无线局域网,WLAN技术概述,2023/8/13,5,WLAN定位,WLAN技术概述,2023/8/13,6,WLAN频段,WLAN技术概述,2023/8/13,7,IEEE802.11标准列表,WLAN技术概述,802.11n-新一代高速率(600Mbps)WLAN,2023/8/13,8,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,无线宽带网络,下一代WLAN,无线传感器技术,2023/8/13,9,AP接入(基础模式）,WLAN组网技术,AP1,AP2,AP3,用户的无线接入 用户通过AP接入到网络 多个AP间的切换、漫游,组网技术特性 AP间的信道配置 用户的快速切换 用户安全认证,AP地址,源地址,目的地址,数据,三地址帧结构(指定接入AP),关键技术,2023/8/13,10,AP网桥(桥接模式),WLAN组网技术,关键技术,发送AP,源地址,目的地址,数据,接收AP,四地址帧结构(标明AP网桥身份),AP实现LAN间的无线桥接,WLAN bridge,2023/8/13,11,WLAN组网技术,IP Gateway（路由模式）,关键技术,扩展WLAN组网功能IP Access DHCP：内网地址分配 NAT：出网地址转换 IP Route：网际访问路由 IP Auth：IP身份认证,WLAN Router,WLAN+IP access,2023/8/13,12,WLAN组网技术,Ad Hoc 网络(对等模式),关键技术,源地址,目的地址,数据,IEEE802.11仅定义了用户间经无线信道直接通信,Ad Hoc的主要难题：需经中继转接才能实现的通信 用户终端间的自主协同、路由(自组织组网)超出802.11 标准范围,两地址帧结构,2023/8/13,13,WLAN组网技术,基本组网方式与蜂窝网的差异,关键技术,信道,t,多站点竞争使用信道 信道利用率高 通信性能较差,业务信道,t,基站为用户分配使用信道 信道利用率不高 通信性能好,控制信道,不同通信体制,CSMA,FDMA(GSM)CDMATD-SCDMA,CSMA,2023/8/13,14,WLAN信道访问技术,DCFCSMA/CARTS/CTS:消除“隐藏终端”潜在的竞争冲突经典的冲突避免算法，具有不可撼动的地位针对RTS/CTS，国际上进行了大量研究服务质量(QoS)问题：QoS保证能力过弱公平性问题：存在不公平站点问题,关键技术,RTS,CTS,Data,ACK,发送方,接收方,NAV(RTS),NAV(CTS),其它站点,SIFS,推迟发送,竞争窗口,DIFS,SIFS:短帧间间隔DIFS：DCF帧间间隔SIFS DIFS,2023/8/13,15,WLAN信道访问技术,针对RTS/CTS机制的研究(IEEE802.11e)EDCA技术：区分用户优先级，保障高优先用户QoS高优先用户使用较短仲裁帧间间隔(AIFS)，可有效提升高优先级用户的性能TXOP技术：在一次竞争后传输多个帧，可有效提高信道吞吐率IEEE802.11公平性问题研究发现，TCP在WLAN上存在不公平性(或不稳定性)有大量的论文讨论和试图解决这一问题,关键技术,优先级 AIFS 1 AIFS1 2 AIFS2 k AIFSk,2023/8/13,16,我们的研究,自适应p-坚持 CSMA算法(QDA-MAC)改变估计各类业务数量的做法，采用直接估计信道负载情况，取得各类业务的发送概率，实现系统的整体优化。提供业务区分服务，性能上和延时特性上都明显优于802.11e的EDCACCSC：自适应信道拥塞感知控制算法避免用户数量信息的计算难题，利用信道冲突程度信息实现参数优化，取得了与用户数量变化无关的、接近理论最优的吞吐量性能。,QDA-MAC,CCSC,关键技术,2023/8/13,17,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2023/8/13,18,WLAN的演进路线,标准IEEE 802.11n(2009)最大信道速率600Mbps我国新一代WLAN重大专项信道速率超1Gbps的WLAN,应用前景 高速WLAN、宽带无线接入无线Internet、无线视3G/4G业务融合,2023/8/13,19,新一代WLAN新技术,OFDM多正交子载波调制技术高效频谱利用率1016bits/HzMIMO多天线发送、单/多天线接收获取更高无线传输效益 信道聚合多个信道合并使用聚合多个频带传输资源链路自适应编码根据链路质量自适应选择信道调制与编码方式,MIMO框图,信道聚合,下一代WLAN,传输,调制,解调,无线信道,数据,数据,基站系统,OFDM框图,频带1,频带2,发送,接收,基站系统,600M,200M,链路自适应编码,2023/8/13,20,新一代WLAN面临的挑战,链路效率问题理论分析证明，直接采用802.11链路技术，信道速率提升，链路速率高只能到达400Mbps左右AP组网问题AP合理竞争3G/4G融合严格的QoS保证,链路效率,2023/8/13,21,新一代WLAN面临的挑战,链路效率问题技术途径(802.11n)帧聚合技术，提高有效传输时间比例其它技术途径握手与帧同传技术(专用握手子载波信道)二维(时间、子载波)竞争技术,CTS,Frame,RTS,ACK,sifs,sifs,sifs,高速率使有效传输时间的比例严重降低,CTS,Frames,RTS,ACK,sifs,sifs,sifs,高速率下的802.11,帧聚合,RTS,Frame1,CTS,Frame3,RTS,CTS,Frame5,子载波,握手与帧同传技术,Frame1,Frame2,Frame3,Frame4,Frame5,Frame6,Frame7,冲突,冲突,二维竞争技术,2023/8/13,22,新一代WLAN面临的挑战,AP组网问题AP的竞争不合理性AP采用与用户站点相同的竞争算法承担更重的通信负担技术途径下一代WLAN中需解决的基本问题目标：增大AP的竞争能力算法：AP的特殊调度算法、信道优先控制权算法正在探讨中，还未取得实质性进展,AP的通信量为R0各用户的通信量ri,AP,R0=ri,2023/8/13,23,与3G融合问题,市场层面需要解决的问题 移动数据业务与话音业务的差异性数据传输能力与服务内容技术层面需要解决的问题计费问题接入控制和认证及安全问题从WLAN到基于分组交换网络的接入服务网络间会话的联系性从WLAN到基于电路交换网络的接入服务,下一代WLAN,2023/8/13,24,新一代WLAN面临的挑战,与3G/4G融合问题话音业务、电视业务等的QoS保障实时性、时延抖动、吞吐量保障数据业务(Internet 访问)吞吐量尽力保障(BE,Best Effort)技术途径时间分配技术子载波分配技术混合分配技术,QoS分配期,BE期,QoS分配期,BE期,周期1,周期2,动态调整,QoS业务,BE业务,动态调整,QoS业务,BE业务,动态调整,QoS分配期,BE期,QoS业务,QoS分配，保障3G/4G的实时业务服务质量动态调整：自适应用户群的通信需求,竞争信道流量不稳定性,话音的稳定流量需求,时间分配,子载波分配,混合分配,2023/8/13,25,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2023/8/13,26,产生的背景,频谱资源相对匮乏与绝对浪费,A.Ghasemi,and E.S.Sousa,“Spectrum sensing in Cognitive Radio networks:requirements,challenges and design trade-offfs”,IEEE Communications Magazine,pp.32-39,April 2008.,动态频谱共享网络,2023/8/13,27,产生的背景,频谱利用的频率不均匀性,频谱利用的时间不均匀性,2023/8/13,28,基本原理,28,动态频谱共享网络,频谱,时间,具有自主环境自适应能力的智能无线通信系统。,利用授权用户空闲时的频谱资源，提高频谱资源利用率,非授权用户不拥有授权频谱资源,具有感知获取所处环境(频谱、用户)的能力认知无线电,具有动态重组网络架构，适应所处环境的能力软件无线电,不干扰授权用户对频谱的使用，与授权用户、其它频谱共享系统和平共处频谱共享系统,2023/8/13,29,应用模式,模式1：优化接入DyS2网络在进行决策时，将基于对非授权频段和授权频段的业务量评估，结合网络业务QoS需求，动态选择接入的频段和接入的方式，实现性能的优化。如果接入非授权频段，则对应于非中断的频谱资源共享；接入授权频段，则对应于可中断的频谱资源共享。,DyS2网络不拥有授权频谱资源。,29,动态频谱共享网络,2023/8/13,30,应用模式,模式2：频谱拓展当由于业务量的增加，导致所拥有的频谱资源不足以满足业务需求时，DyS2通信网络通过感知、决策，通过择机的方式利用其它授权频段，或利用共享竞争的方式利用非授权频段，拓展频谱资源，以满足业务需求。DyS2网络可以通过动态共享其它频段的频谱资源，在一段时间内提高网络的容量。,DyS2网络拥有授权频谱资源。,30,动态频谱共享网络,2023/8/13,31,应用模式,应用发展趋势,单频段接入（TV频段）,多频段接入,第一阶段,第二阶段,第三阶段,频谱共享程度,31,频谱二级市场（租赁、拍卖）,动态频谱共享网络,2023/8/13,32,发展趋势,32,动态频谱共享网络,2023/8/13,33,研究方向,33,动态频谱共享网络,2023/8/13,34,关键技术,频谱感知频谱共享的应用基础目标：较小的虚警概率，较短的检测时间、较高的检测概率。感知技术单节点感知、多节点协同感知、系统感知架构 单结点感知算法(针对目标频段)快速粗检测：能量检测、特征值检测、协方差算法精细检测：细节感知，提高检测灵敏度,动态频谱共享网络,2023/8/13,35,关键技术,多节点协同感知为了有效对付由于多径、阴影等无线传播特性导致的隐藏终端问题，需要通过多节点协同频谱感知提高感知性能。多系统感知架构,动态频谱共享网络,感知信息公共信道,感知公共信道为频谱共享系统提供环境频谱使用信息协助频谱共享系统的感知操作,频谱共享系统,2023/8/13,36,关键技术软件无线电,软件无线电通信机可编程控制的射频前端可编程控制的基带处理可切换的数字信号处理可切换的调制解调可切换的链路协议软件 硬件编程化可编程射频前端芯片FPGA基带处理芯片DSP信号处理算法软件模块化可切换模块化设计处理流程规范化,动态频谱共享网络,2023/8/13,37,协议体系结构,37,动态频谱共享网络,2023/8/13,38,报告主要内容,WLAN技术概述,WLAN关键技术,下一代WLAN,动态频谱共享网络,无线传感器技术,2023/8/13,39,基本概念,无线传感器网络（wireless sensor network,WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。构成WSN的三要素：传感器、感知对象、观察者,无线传感网络,无线传感网络的框架,无线传感网络的组网,2023/8/13,40,无线传感器节点结构,传感器节点构成数据采集模块数据处理与控制模块通信模块电源模块,无线传感网络,2023/8/13,41,无线传感器网络的关键问题,网络内部通信 无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，如何安全、有效的通信成为急需解决的问题。高效的无线传感器网络结构 无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。系统节能 无线传感器网络节点多，覆盖范围大，工作环境复杂，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。时钟同步定位,无线传感网络,2023/8/13,42,WSN通信协议,通信协议 物理层通信协议 MAC协议 网络层协议 传输协议,无线传感网络,2023/8/13,43,无线传感器网络相关标准,802.15.4个域网标准，包含物理层和数据链路层协议低速率、低功耗、低复杂度星型、点对点拓扑物理层：868/915MHz和2.4GHzMAC层：CSMA/CA，Zigbee基于IEEE 802.15.4定义更高层的通信协议标准三种设备：Zig-Bee 协调器、Zig-Bee 路由器和Zig-Bee 终端WirelessHART针对处理和控制应用提出的无线传感器网络通信标准基于802.15.4/2.4GHz支持网状、星型、混合网络拓扑结构支持加密、身份验证、密钥管理ISA100.11针对低速率无线监控和自动处理应用定义OSI层次、安全和系统管理的相关规范考虑与其他无线设备之间的能耗、扩展性、拓扑、鲁棒性和互操作性在.4GHz频段上进行信道切换保证可靠性和抗干扰支持星型和网状拓扑结构,无线传感网络,2023/8/13,44,无线传感器网络相关标准,IETF 6LoWPANIPv6-based Low power Wireless Personal Area Networks 在IEEE 802.15.4 的网络上支持IPv6通信 能直接与其他IP设备通信通过适配层进行IPv6报头压缩，实现IPv6包适配和地址管理IEEE802.15.3高速无线个域网标准，包含物理层和MAC层支持实时、视频和音乐等多媒体数据流的应用工作在2.4GHz频段，速率为11 Mbps55 Mbps采用TDMA保证QoS支持同步和异步数据传输可用于无线音频设备、便携式视频设备、无线游戏等的应用Wibree低功耗、短距离、低成本支持小电量设备（如手表、无线键盘、运动传感器等）与蓝牙设备之间的通信支持距离510米,无线传感网络,2023/8/13,45,MAC层结构,MAC层技术,Mac层协议面临的挑战,MAC层协议分类,传统无线网络 公平(Fairness)延迟(Latency)吞吐量(Throughput)无线传感器网络 能耗(Energy saving)伸缩性(Scalability)适应性(Adaptability),竞争式调度式混合式跨层,无线传感网络,2023/8/13,46,MAC层协议,46,无线传感网络,2023/8/13,47,典型竞争式MAC协议,802.15.4标准下的MAC协议支持星型和点对点两种基本的网络拓扑结构具有信标使能和无信标使能模式在信标使能模式下 采用时隙载波侦听冲突避免(CSMA/CA)信道接入机制在无信标使能模式下采用非时隙CSMA/CA 机制特点目前采用最多的较成熟的技术协议简单、成本低,2023年8月,47,IEEE 802.15.4 CSMA/CA算法流程图,无线传感网络,2023/8/13,48,典型竞争式MAC协议,S-MAC与T-MAC节点周期睡眠活跃期间采用CSMA和RTS/CTS/ACK竞争信道S-MAC占空比固定，T-MAC可动态调整占空比特点周期睡眠，节约能耗周期睡眠造成延迟累加同步要求精度较高,2023年8月,48,无线传感网络,2023/8/13,49,典型竞争式MAC协议,2023年8月,49,B-MAC、Wise-MAC和X-MAC使用扩展前导和低功率侦听技术采用信道估计和退避算法分配信道无需RTS/CTS根据应用需求可选择初始退避和拥塞退避两种方式通过链路层保证传输可靠性特点利用竞争协议对无线信道的“抢占”原则，睡眠调度更具主动性，减少对时钟同步精度的依赖延时和吞吐量优于S-MAC节能与S-MAC相当,无线传感网络,2023/8/13,50,典型竞争式MAC协议,2023年8月,50,P-MAC和siftP-MAC根据网络负载和流量模式自适应调整睡眠调度Sift引入竞争窗口和事件驱动调整数据发送概率特点本质上是根据网络流量调整占空比，有效地节约能量时隙长度、竞争窗口大小参数难以确定时钟同步要求较高,无线传感网络,2023/8/13,51,典型调度式MAC协议,2023年8月,51,TRAMA和TDMA-W根据实际流量使用预先分配时槽实现无冲突通信特点流量自适应，动态调整占空比只适合周期性数据采集业务的WSN，调度分配收敛时间长，不适合动态拓扑网络,D-MAC采用交错唤醒调度机制（梯形调度）使每个节点的调度具有不同的偏移特点数据连续传送，改善睡眠延迟适合边缘节点流量小，中间节点流量大的WSN不适合移动节点和大规模网络,D-MAC中的梯形调度、双梯形调度和交叉梯形调度,无线传感网络,2023/8/13,52,典型混合式MAC协议,2023年8月,52,并发用户数量,信道利用率,TDMA,CSMA,无须同步，因而适应性好,对拓扑变化、同步错误敏感,Z-MAC-Zebra MAC基于B-MAC兼顾二者优点(CSMA+TDMA),无线传感网络,2023/8/13,53,典型跨层MAC协议,2023年8月,53,AIMRP基于802.11集成MAC和路由机制特点路由机制类似于DSR等地理路由协议能量效率高于S-MAC同步精度要求高适用于事件检测的WSN应用,无线传感网络,2023/8/13,54,国内外研究现状,国外美国军方美国国防部远景研究计划局(DARPA提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力2001年美国陆军提出了“灵巧传感器网络通信”计划，美国高校加州大学洛杉矶分校(UCLA)承担的WINS项目；UC Berkeley承担的Smart Dust项目；加州大学伯克利分校等25个机构联合承担的SensIT计划；美国大型IT公司Dust Networks和Crossbow Technologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段,无线传感网络,2023/8/13,55,国内外研究现状,国内中国科学院计算技术研究所的GAINS系列节点香港科技大学的无线传感器网络节点,无线传感网络,2023/8/13,56,THANKS!,
