代码收藏家 《全面解析物联网通信技术第7章：自组织网络》——持续更新，内容丰富详尽！
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知识点要求
7.1自组织网络概述
无线通信网络按照其组网控制方式一般分为两类。
一类是集中控制的，即有中心的，无线网络的运行要依赖预先部署的网络基础设施； 另一类是无预先部署的固定设施可以利用，能够临时快速自动组网
Ad Hoc网络通常称为“无固定设施网”或“自组织网”，由于组网快速、灵活、方便，已经得到了国际学术界和工业界的广泛关注，并正在得到越来越广泛的应用
7.1.1 自组织网络的定义（掌握）
因特网工程任务组(IETF)对自组织网络的定义是：一个移动Ad Hoc网络可以看作是一个独立的自治系统或者是一个对因特网的多跳无线扩展。作为一个自治系统，它有自己的路由协议和网络治理机制；作为多跳无线扩展，它应该对因特网提供一种灵活、无缝的接入。
自组织网络是由许多带有无线收发装置的通信终端(也称为节点、站点) 构成的一种多跳的临时性自组织的自治系统。每个移动终端兼具路由器和主机两种功能。
7.1.2 自组织网络的特点 （理解）
□ 无中心节点
□ 自组织
□ 多跳路由
□ 动态变化的网络拓扑结构
□ 灵活性带来一些缺点：单向无线信道，传输带宽较低，移动终端受限，安全性差
7.1.3 自组织网络的应用
□ 没有有线通信设施的地方，如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。
□ 需要分布式特性的网络通信环境。
□ 现有有线通信设施不足，需要临时快速建立一个通信网络的环境。
□ 作为生存性较强的后备网络
7.2 自组织网络的体系结构（了解）
7.2.1 节点结构
7.2.2 自组织网络的网络拓扑
1.平面结构
□ 网络中所有节点是完全对等的，原则上不存在瓶颈，所以比较健壮。
□ 它的缺点是可扩充性差
2.分级结构
□ 网络被划分为簇，每个簇由一个簇头和多个簇成员组成。
□ 这些簇头形成了形成了高一级的网络，在高一级网络中，又可以分簇，再次形成更高一级的网络，直至最高级。 在分级网络中，簇头节点负责簇间数据的转发。
□ 单频分级结构
□ 多频分级结构
7.2.3 自组织网络协议栈（了解）
1. 物理层
□ 物理信道成型
□ 物理层同步
□ 高吞吐量技术的采用与改造
□ 安全性的提高
2.数据链路层
□ 主要实现网络节点的寻址、流量控制、差错控制、业务汇聚、QoS保障机制等。
□ 一般把链路层分成MAC子层和逻辑链路子层
□ MAC子层治理和协调多个用户共享可用频谱资源，需要解决MAC层同步、网络组织与治理、多路复用与竞争解决、路由维护与邻居发现、安全性等问题
□ 逻辑链路层(LLC)实现流量控制、差错控制和业务汇聚。
3.网络层（掌握）
□ 多跳路由协议 ：单播路由、组（广）播路由
□ 邻居节点维护
4.传输层
□ 传输层负责排序接收的数据并将其送交相应的应用程序，检测分组的错误和重传分组。
□ 语音业务是Ad Hoc网络中的常见业务。这就要使用到实时传送协议/实时传输控制协(RTP/RTCP)和信令控制传输协议(SCTP)。
5.应用层
□ 应用层的关注重点是网络效率问题
□ 尽管链路层和网络层的自适应机制能够为应用提供一定的QoS保障，但是这种QoS会随着信道条件、网络拓扑和用户要求的变化而变化，因此应用需要根据网络提供的QoS进行变化
□ 由于不同的应用具有不同的QoS要求，它们可以互相协调以获得可以接受的服务性能。
7.3自组织网络关键技术
7.3.1 路由协议（掌握）
□ 与传统网络的协议相比，Ad hoc网络路由协议的开发更具挑战性，因为Ad hoc网络的网络拓扑结构是不断变化的，节点不会长期存储路由信息，并且这些存储的路由信息也不总是可靠的。
□ 理想的Ad hoc网络路由协议必须具备以下功能：
维护网络拓扑的连接
及时感知网络拓扑结构的变化
高度的自适应性。
□ 三类路由协议
表驱动路由
按需驱动路由（大多数Ad Hoc网络所采用）
混合路由
7.3.2 服务质量
□ 服务质量（QoS）指网络在传输数据流时必须满足的一系列性能指标，主要包括时延、可用带宽、丢包率和抖动等
□ Ad hoc网络的QoS支持主要面临以下问题
无线信道的时变性
无线信道的带宽受限
路由机制
有限的电池能量
□ 3种QoS模型
集成服务模型：可采用资源预留协议为每个流预留端到端的网络资源
区分服务模型：将网络分为边缘和核心两部分，前者主要负责业务的分类、标记等，后者主要利用IP数据包头中的服务类型字段（ToS），把服务模型对资源预留协议的使用限制在用户网络侧
集成区分服务模型：对集成服务和区分服务的综合，融合了两者的特点，它既可以控制每流服务的细粒度，又可以根据不同的业务类型提供相应的服务，是一种更优化的服务模型
7.3.3 功率控制（理解）
1.功率控制含义
□ 功率控制是指通过调整信号的发射功率，在保证一定通信质量的前提下尽量降低信号发射功率。
□ 由于Ad hoc网络的特殊性，如果对它进行功率控制，不但可以降低网络的能量消耗，还可以减少对邻近节点的干扰，提高信道的空间复用度，从而提高整个网络的容量。
2.功率控制要求
□ 理想的Ad hoc网络功率控制方法需满足要求：
① 简单、高效、灵活、扩展性强
② 拓扑结构中节点的度要尽量小，从而减小节点间的相互干扰，增加网络吞吐量。
③ 能实现功率路径的最优化，从而节约能量，延长网络寿命
④ 网络中的每个节点只需使用局部的信息就可以决定自己的传输半径和传输功率
3. Ad hoc网络功率控制机制
链路层功率控制：主要通过介质控制（MAC）层上的协议来完成，发送节点根据每个报文的目的节点距离、信道状况等动态调整发射功率，以便提高网络容量和降低节点的能量消耗
网络层功率控制：主要通过改变发射功率动态调整网络的拓扑结构和选路，最终使全网性能达到最优化
混合功率控制：用网络层的功率控制调整网络拓扑结构和选路，而在发送报文时，链路层功率控制根据目的节点的远近调整发送功率。
7.3.4 安全问题（理解）
□ 机密性、完整性、认证性、不可否认性、可用性和访问控制
□ 在Ad hoc网络中不允许存在一个可信任的密钥管理中心进行密钥分配，因为单一的认证中心节点极易成为网络的瓶颈，也是攻击者的首选攻击目标
7.3.5 互联问题
在实际应用中，Ad hoc网络不可避免要与其他网络互连，特别是与Internet互连。
由于Ad hoc网络与Internet的路由方式不一样，如果要在它们之间实现无缝互连，就必须存在一种特殊的网关，它既能适应Internet网络的层次性路由机制，也能适应Ad hoc网络中的特定路由机制，并且能实现不同网络中节点间的通信
7.4 自组织网络中的链路自适应技术
7.4.1 自适应编码调制
实际的无线信道具有时变特性和衰落特性，因此无线信道的信道容量也是一个时变的随机变量。
自适应编码和调制根据信道的情况确定当前信道的容量，根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。
1.自适应调制
自组织网络必须具有自适应改变其传输速率的能力，以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率
实现可变速率调制的方法 ：可变速率正交振幅调制（VR-QAM、 可变扩频增益码分多址（VSG-CDMA）、多码码分多址（MC-CDMA）
2.自适应编码调制
信道编码能够有效减小功率来获得给定的误码率，这在能量受限的自组织网络的链路设计中很重要
自适应编码的目的就是最小化能量，获得高的频谱效率。
一般而言，自适应编码都是与调制相结合的
可变速率自适应格状编码调制（ATCQAM）通过改变码率与调制的星座图来动态地与信道匹配。接收端将估计的信道信息通过反馈链路发送到发送端，在信道条件好的时候，提高QAM的电平数，相反则降低QAM的电平数并增强差错保护能力，当然系统的吞吐量也随之下降
3. ATCQAM方案
7.4.2 自适应帧长控制与自适应重传机制、
在无线网络中，当信道发生变化时，自适应地调整帧长是非常有益的。
当干扰增加时，误码率将增加，减小帧长将减小误帧率，从而增加应用层的吞吐量
当移动节点运动速度加快而导致多普勒频移增加时，减小帧长可以减少衰落帧的概率，这也能增加应用层的吞吐量
自适应重传方法是将出错报文与重传的报文分集合并，充分利用出错的报文所携带的信息，从而进一步提高对频谱和能力资源的利用率
增量冗余:通过增加冗余信息直道解码完全正确。当接收端解码失败后，发送端发送额外的校验比特，接收端将这些比特与已接收到的数据块合并，使得纠错的能力更强，从而使解码正确
7.5无线抗衰落和抗干扰技术
7.6自组织网络的MAC层
7.6.1 竞争类MAC协议
7.6.1 竞争类MAC协议
竞争协议使用直接竞争来决定信道访问权，并且通过随机重传来解决碰撞问题
ALOHA协议、CSMA协议、多路访问与碰撞回避协议、忙音多址访问协议
7.6.2 分配类协议
分配协议分为静态分配协议和动态分配协议，其区别在于计算传输时间安排的方法不同。
静态分配协议事先为每个节点静态地分配一个固定的传输时间，如传统的TDMA
动态分配协议使用分布式传输时间安排算法，按需分配传输时间，如动态TDMA
7.6.3 混合协议
混合协议将竞争协议要素和分配协议要素综合在一起，保持所组合的各个访问协议的优点，同时又避免所组合的各个协议的缺陷。
一个混合协议的性能在轻载荷的时候近似表现为竞争协议的性能，而在重载荷的时候近似表现为分配协议的性能。
