无线网络技术复习笔记（6）——MANET, WSN, Mesh
1 MANET
1.1 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
1.2 MAC协议
- 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项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
- MACA 使用RTS/CTS握手机制
- MACAW 使用RTS-CTS-DATA-ACK握手机制
- FAMA 延长RTS和CTS帧的长度来避免隐藏终端。FAMA还允许一旦RTS-CTS交互成功，节点可发送多个报文，从而增加了网络的吞吐量。
- DBTMA（双忙音多点接入协议）使用控制信道上的RTS/CTS分组外，增加两个频带彼此分开的窄带忙音BTr(接收忙音)和BTt(发送忙音)，分别用来指示某站正在数据信道上接收和发送数据。
1.3 路由协议
1.3.1 先验式路由
- 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
1.3.2 反应式路由
- 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）
1.3.3 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
1.4 路由中的几个问题
1.4.1 无穷计算
1.4.2 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
1.4.3 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
1.5 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
1.6 IP地址分配
分配要求：
- IP地址不存在冲突。
- 节点退出网络必需释放地址。
- 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：
1.7 QoS
1.7.1 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。
1.7.2 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。
1.8 作业
- 简述MANET信道接入中的隐藏终端和暴露终端问题，并举例解决方法。
1、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项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。
2、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。
3、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，可以使用双盲音信道的方法解决。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。
- 简述主动式路由及按需式路由的工作方式
详见本笔记1.3小节
- 阐述MANET中的无限计算及其解决方法
问题出现的原因
问题的解决方法
这边是因为作者太懒了所以直接上图了
- 阐述MANET RREP风暴及解决方法
详见本笔记1.4.2小节
- 阐述MANET 路由波动及解决方法
详见本笔记1.4.3小节
- 简述功率控制对MANET性能的影响
详见本笔记1.5小节
- 简述QoS折中原理
折中原理包含两个方面，软QoS和QoS自适应。
软QoS：通过在总的链接时间内的总的未满足时间之比来确定QoS的量化等级，并使这个值不高于某个门限值
QoS自适应：允许在一个指定的预留的范围内，根据资源的变化，动态分配资源。
- 简述MANET最大努力分配地址法。
详见1.6
2 WSN——无线传感网
2.1 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。
2.2 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
2.3 协议栈
- 改进后的协议栈：
2.4 MAC协议
2.4.1 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）
2.4.2 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。
2.4.3 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。
2.4.4 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：
2.5 路由协议
2.5.1 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
2.5.2 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