无线网络技术的发展现状与关键技术ppt课件.ppt

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1、2019/8/7,1,无线网络技术 发展现状与关键技术,毛玉明，教授，博导,2019/8/7,2,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

2、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,2019/8/7,3,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,2019/8/7,4,WLAN定义：Wireless LAN，即无线局域网,WLAN技术概述,2019/8/7,5,WLAN定位,WLAN技术概述,2

3、019/8/7,6,WLAN频段,WLAN技术概述,2019/8/7,7,IEEE802.11标准列表,WLAN技术概述,802.11n - 新一代高速率(600Mbps) WLAN,2019/8/7,8,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,2019/8/7,9,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,2019/

4、8/7,10,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,2019/8/7,11,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,2019/8/7,12,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,I

5、EEE802.11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,2019/8/7,13,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) CDMA TD-SCDMA,CSMA,2019/8/7,14,WLAN信道访问技术,DCFCSMA/CA RTS/CTS: 消除“隐藏终端”潜在的竞争冲

6、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,2019/8/7,15,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

7、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,2019/8/7,16,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EDCA CCSC：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

8、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,2019/8/7,17,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,2019/8/7,18,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 ,2019/8/7,19,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 10

9、16bits/Hz MIMO 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,2019/8/7,20,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,2

10、019/8/7,21,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,Fra

11、me7,冲突,冲突,二维竞争技术,2019/8/7,22,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,2019/8/7,23,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

12、 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,2019/8/7,24,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

13、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,2019/8/7,25,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,2019/8/7,26,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

14、, April 2008.,动态频谱共享网络,2019/8/7,27,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,2019/8/7,28,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,2019/8/7,29,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

15、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,2019/8/7,30,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

16、授权频谱资源。,30,动态频谱共享网络,2019/8/7,31,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,2019/8/7,32,发展趋势,32,动态频谱共享网络,2019/8/7,33,研究方向,33,动态频谱共享网络,2019/8/7,34,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

17、测：细节感知，提高检测灵敏度,动态频谱共享网络,2019/8/7,35,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,2019/8/7,36,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

18、换模块化设计 处理流程规范化,动态频谱共享网络,2019/8/7,37,协议体系结构,37,动态频谱共享网络,2019/8/7,38,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,2019/8/7,39,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

19、线传感网络的组网,2019/8/7,40,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,2019/8/7,41,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

20、核心问题。 时钟同步 定位,无线传感网络,2019/8/7,42,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,2019/8/7,43,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2.4GHz MAC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

21、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,2019/8/7,44,无线传感器网络相关标准,IETF 6LoWPAN IPv6-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

22、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,2019/8/7,45,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

23、(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,2019/8/7,46,MAC层协议,46,无线传感网络,2019/8/7,47,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

24、的较成熟的技术 协议简单、成本低,2019年8月,47,IEEE 802.15.4 CSMA/CA算法流程图,无线传感网络,2019/8/7,48,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,2019年8月,48,无线传感网络,2019/8/7,49,典型竞争式MAC协议,2019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RT

25、S / 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,2019/8/7,50,典型竞争式MAC协议,2019年8月,50,P-MAC和sift P-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,2019/8/7,51,典型调度式MAC协议,

26、2019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,2019/8/7,52,典型混合式MAC协议,2019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

27、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,2019/8/7,53,典型跨层MAC协议,2019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,2019/8/7,54,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,2019/8/7,55,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,2019/8/7,56,THANKS!,