无线分布式网络
??? 1引言
??? 無線分布式網絡作為近幾年通信領域發展較快的技術，受到越來越多的關注。無線分布式網絡的前身是adhoc網絡，起源于1972年美國DAPRA提出的分組無線網（PRNET），是由一組具有無線收發裝置的移動節點組成的多跳、臨時性的自組織系統。隨著研究的不斷深入以及adhoc網絡應用的擴展，衍生出了無線傳感器網絡和無線Mesh網絡，它們也采用分布式、自組織組網思想，但在特定應用環境下具有不同于adhoc網絡的特性。因此，隨著技術不斷發展，無線分布式網絡變為一個非常寬泛的概念，主要由ad hoc網絡、無線傳感器網絡和無線Mesh網絡3種網絡組成。本文著重就這3種無線分布式網絡的基本概念、技術特點和應用場合進行分析研究和比較。
??? 2 ad hoc網絡
??? 2.1基本概念
??? “ad hoc”源于拉丁語，意為“特殊的”，它由一系列可任意移動的節點組成，網絡節點動態且任意分布，節點之間通過無線方式互連，每個網絡節點同時具有終端和路由器的雙重功能，圖1展示了典型ad hoc網絡的結構。由于自組織特性，adhoc的網絡拓撲、信道環境、業務模式隨節點的移動而動態改變。ad hoc網絡研究的最初目的是滿足戰場生存的軍事需求，在戰場惡劣的環境下通信無法依賴已經敷設的通信基礎設施，因為一方面這些設施可能根本不存在，另一方面這些設施隨時可能遭到破壞。由于組網快速、靈活、使用方便，目前ad hoc網絡已得到學術界和工業界的廣泛關注，并得到越來越多應用，逐漸成為移動通信領域發展的重要方向。
圖1? ad hoc網絡結構
??? 2.2技術特點和應用場合
??? 由于ad hoc網絡具有自組織特性，且提供了更為靈活的組網方式，因此其具有很多傳統有線、無線網絡不具備的特性：
??? （1）無中心和自組織性
??? 這是ad hoc網絡的最大特點。網絡中沒有絕對的控制中心，所有節點的地位平等，網絡中的節點通過分布式算法來協調彼此的行為，無需人工干預和任何其他預置的網絡設施，可以在任何時刻任何地方快速展開并自動組網。由于網絡的分布式特征、節點的冗余性和不存在單點故障點，adhoc網絡的健壯性和抗毀性很好。
??? （2）動態變化的網絡拓撲
??? ad hoc網絡中，移動終端能夠以任意速度和任意方式在網中移動，并可以隨時關閉電臺。加上無線發送裝置的天線類型多種多樣，發送功率的變化，無線信道間的相互干擾，地形和天氣等綜合因素的影響，移動終端間通過無線信道形成的網絡拓撲隨時可能發生變化，而且變化的方式和速度都難以預測。
??? （3）受限和時變的無線傳輸帶寬
??? ad hoc網絡采用無線傳輸技術作為底層通信手段，由于無線信道本身的物理特性，它所能提供的網絡帶寬相對有線信道要低得多。此外，考慮到競爭共享無線信道產生的沖突、信號衰減、噪音和信道之間干擾等多種因素，移動終端得到的實際帶寬遠遠小于理論上的最大帶寬。同時，與有線網絡不同，由于拓撲動態變化導致每個節點轉發的非自身作為目的地的業務量隨時間而變化，它的鏈路容量表現出時變特征。
??? （4）多跳路由
??? 由于節點發射功率受限，節點的覆蓋范圍有限，當它要與其覆蓋范圍之外的節點進行通信時，需要中間節點的轉發。此外，自組織網絡中的多跳路由是由普通節點協作完成的，而不是由專用的路由設備（如路由器）完成的。
??? （5）能量受限
??? 由于網絡節點的移動特征，其中大多數節點以電池作為動力。因而，在進行系統設計時，節能就成為一個非常重要的指標。
??? （6）安全性較差
??? ad hoc網絡是一種特殊的無線移動網絡，由于采用無線信道、有限電源、分布式控制等技術，更容易受到被動竊聽、主動入侵、拒絕服務等網絡攻擊。如果不在網絡層或數據鏈路層增加一些安全措施，ad hoc網絡很容易受到監聽網絡傳輸、重新傳輸、對分組頭進行操作和重定向路由信息等攻擊。因此，信道加密、抗干擾、用戶認證和其他安全措施都需要特別考慮。
??? 由于ad hoc網絡的特殊性，它的應用領域與普通的通信網絡有著顯著的區別。它適用于無法或不便預先鋪設網絡設施的場合和需要快速自動組網的場合等。軍事應用仍是ad hoc網絡的主要應用領域，但在民用方面也有非常廣泛的應用前景，其應用場合主要有：軍事應用、緊急事故和臨時場合、個人通信、與移動通信系統的結合等方面。
??? 3無線傳感器網絡
??? 3.1基本概念
??? 無線傳感器網絡被認為是21世紀最重要的技術之一，它將會對人類未來的生活方式產生深遠影響。近年來隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機電系統（MEMS）等技術的飛速發展，低成本、低功耗、多功能的微型無線傳感器的大量生產成為可能，這些微型無線傳感器具有無線通信、數據采集和處理、協同合作等功能，無線傳感器網絡（簡稱傳感器網絡）就是由許多這種微型無線傳感器節點協同組織起來的。傳感器網絡的節點可以隨機或者特定地部署在目標環境中，它們之間通過特定的協議自組織起來，能夠獲取周圍環境的信息并且相互協同工作完成特定任務。圖2所示為無線傳感器網絡的結構。
圖2? 無線傳感器網絡的結構
??? 傳感器網絡最初來源于美國DARPA的一個研究項目。由于當時技術條件的限制，傳感器網絡的應用只能局限于軍方的一些項目中，難以得到推廣和發展。近年來隨著無線通信、微處理器、MEMS等技術的發展，傳感器網絡的理想藍圖能夠得以實現，其應用前景越來越廣，國外研究機構對它的研究也正方興未艾。
??? 3.2技術特點和應用場合
??? 傳感器網絡與傳統網絡相比有一些獨有的特點，正是由于這些特點使得傳感器網絡存在很多新問題，對其提出了很多新的挑戰。傳感器網絡的主要特點有：
??? （1）傳感器網絡節點電池能量有限且不可充電，整個網絡是能量受限的
??? 由于傳感器節點的微型化，節點的電池能量有限，而且由于物理環境限制難以給節點更換電池，所以傳感器節點的電池能量受限是整個傳感器網絡設計中的最關鍵的約束之一，直接決定了網絡的工作壽命。
??? （2）傳感器網絡的節點數量大、密度高
??? 由于傳感器網絡節點的微型化，每個節點的通信和傳感半徑很有限，一般為幾十米范圍之內，而且為了節能，傳感器節點大部分時間處于睡眠狀態，所以往往通過鋪設大量的傳感器節點來保證網絡的質量。傳感器網絡的節點數量和密度都要比adhoc網絡高幾個數量級，可能達到每平方米上百個節點的密度，甚至多到無法為單個節點分配統一的物理地址。這會帶來一系列問題，如信號沖突、信息的有效傳送路徑的選擇、大量節點之間如何協同工作等。
??? （3）以數據為中心
??? 所謂以數據為中心就是節點把來自多條路由的數據進行聚合，消除冗余，讓傳輸的數據最小化，從而達到節省能量的目的。傳感器網絡是高密度網絡，很多節點會探測到同一個物理現象，因此傳感器節點發送的數據就會存在冗余。無線傳感器網絡把路由和網內數據聚合聯合考慮，以求達到最大節省能量的目的。
??? （4）動態拓撲結構變化
??? 傳感器節點在工作和睡眠狀態之間切換以及傳感器節點隨時可能由于各種原因發生故障而失效，或者有新的傳感器節點補充進來以提高網絡的質量等，這些特點都使得傳感器網絡的拓撲結構變化很快，這對網絡各種算法（如路由算法和鏈路質量控制協議等）的有效性提出了挑戰。此外，如果節點具備移動能力，也有可能帶來網絡的拓撲變化。
??? 無線傳感器網絡以其自組織性、微型性、低成本、靈活性等特點，在軍事、環境科學、醫療健康、空間探索、商業應用等領域有著非常廣泛的應用前景。
????4 無線Mesh網絡
??? 4.1基本概念
??? 無線Mesh網絡是下一代無線網絡中的關鍵技術，近幾年得到人們廣泛關注和快速發展。它是一種動態自組織網絡，網絡中節點以adhoc的方式組成網絡并維持Mesh結構。通常把它看作是adhoc網絡的一種簡化版本，但兩者有一定區別。無線Mesh網絡中的接入點既可以作為adhoc的對等數據轉發實體，完成數據路由轉發功能，又可以作為一種連接到其他有線網絡的網橋連接器。無線Mesh網絡是一種高容量、高速率的多點對多點網絡，是為解決“最后一公里”問題而提出的無線分布式網絡。
??? 無線Mesh網絡中包含兩種類型節點：Mesh路由器和Mesh客戶端。不同于傳統網絡的網橋或者網關，Mesh路由器具備其他特殊的功能來支持Mesh網絡，通過多跳路由，Mesh路由器可以用較低的功率覆蓋同樣的面積。為了進一步提高Mesh網絡靈活性，Mesh路由器具備多種無線接口以支持多種無線接入技術。雖然有很多不同，但Mesh路由器與傳統無線網絡路由器在硬件平臺上基本相似。
??? Mesh路由器通常不具有移動性，它們構成Mesh網絡的主干部分并向Mesh客戶端提供無線接入服務。雖然Mesh客戶端在某種情況下也可以臨時充當Mesh路由器，但在硬件和軟件方面，它都要比Mesh路由器簡化一些。例如，在通信協議方面，Mesh客戶端都是輕負載的，不具備網關和網橋的功能，只有一個簡單的無線接口。無線Mesh網絡結構分為3種類型：
??? （1）骨干型無線Mesh網絡
??? Mesh網絡為保證客戶端接入互聯網形成一個主干結構，如圖3所示。骨干網結構可以采用多種射頻技術，目前IEEE802.11技術最為常見。所有的Mesh路由器形成一個具有自愈功能的自組織網絡，路由器具有網關作用，可以接入互聯網。這種結構通過路由器的網關、網橋功能，可以讓Mesh網絡實現與互聯網的連接。對于傳統的客戶端，利用同樣的射頻技術就可以實現與路由器的連接。
圖3? 結構型無線Mesh網絡
??? （2）客戶型無線Mesh網絡
??? 客戶型無線Mesh網絡提供一種端對端的網絡結構，如圖4所示。客戶端形成實際網絡并為其他客戶提供服務，因此在這種網絡中不需要Mesh路由器。客戶型Mesh網絡通常只采用一種射頻技術，因此有些類似傳統的adhoc網絡。但是，在網絡終端方面，客戶型Mesh網絡與結構型無線Mesh網絡相比要強大很多。
圖4? 客戶型無線Mesh網絡
??? （3）混合型Mesh網絡
??? 它把結構型Mesh網絡和客戶型無線Mesh網絡結合起來，Mesh網絡客戶端通過路由器接入網絡，也可以與其他Mesh客戶端共同組成Mesh網絡。
??? 4.2技術特點和應用場合
??? 無線Mesh網絡作為一種寬帶無線分布式網絡，與adhoc網絡和無線傳感器網絡相比既有繼承點又有不同點：
??? ·無線Mesh網絡支持adhoc網絡，具有自形成、自恢復和自組織特點。
??? ·無線Mesh網絡是多跳網絡。
??? ·Mesh路由器沒有移動性，可以完成復雜的路由和配置，大大減輕Mesh終端和客戶端的負載。
??? ·Mesh路由器集成混合網絡，包括有線網絡和無線網絡。因此，多種網絡可以并存于無線Mesh網絡中。
??? ·Mesh路由器和Mesh客戶端的功耗限制不同。
??? ·無線Mesh網絡不是孤立網絡，必須兼容其他網絡。
??? 除了以上特點，無線Mesh網絡與傳統的點對點網絡的結構相比具有較多優勢，主要表現在可靠性提高、碰撞減輕、無線鏈路設計簡化、維護簡便等幾個方面。
??? 無線Mesh網絡的最主要應用為骨干Mesh網。無線Mesh網的骨干通常是指網絡中構成主要數據傳輸線路的高速鏈路，即Mesh路由器之間的無線鏈路。傳統上，骨干網采用光纖將各個邊緣網絡連接起來，而無線Mesh網絡中只有一個或幾個Mesh路由器連接到有線網中。無線Mesh網絡的骨干網可以部署在室內，也可以部署在室外，室外設備通常附著在街燈上或者建筑物外表面有電力可用的地方。
??? 5結束語
??? 綜上所述，adhoc網絡、無線傳感器網絡和無線Mesh網絡作為目前無線分布式網絡最具代表性的3種類型，都采用分布式、自組織的思想形成網絡，網絡每個節點都具備路由功能，隨時為其他節點的數據傳輸提供路由和中繼服務。adhoc網絡主要側重應用于移動環境中，確保網絡內任意兩個節點的可靠通信，網絡內數據流可以包括語音、數據和多媒體信息；無線傳感器網絡是adhoc網絡的一種特殊形式，側重于利用分布、自組織思想實現對某個區域的物理現象的監測，網絡內傳輸的數據流為低速率的數據；無線Mesh網絡是一種無線寬帶接入網絡，利用分布式思想構建網絡，讓用戶在任何時間、任何地點都可以對互聯網進行高速無線訪問。
??? 無線分布式網絡在近幾年得到了快速發展，人們也對其未來寄予了美好的憧憬。但由于其不同于以往傳統網絡的特性，導致研究和應用中存在很多難題，如：能量問題，高效、可靠的媒體接入控制協議，可靠的多跳路由算法等，這些難題將成為無線分布式網絡能否順利發展的障礙，需要進行進一步的研究。
來源：http://www.cww.net.cn/article/article.asp?id=79720&bid=4781
總結
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